Устройство для преобразования лазерного излучения видимого диапазона в ультрафиолетовый диапазон

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение ИНСТИТУТ МОЛЕКУЛЯРНОЙ И АТОМНОЙ ФИЗИКИ НАЦИОНАЛЬНОЙ АКАДЕМИИ НАУК БЕЛАРУСИ(72) Авторы Косников Алексей Юрьевич Мазуренко Михаил Иванович Поведайло Владимир Александрович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение ИНСТИТУТ МОЛЕКУЛЯРНОЙ И АТОМНОЙ ФИЗИКИ НАЦИОНАЛЬНОЙ АКАДЕМИИ НАУК БЕЛАРУСИ(57) Устройство для преобразования лазерного излучения видимого диапазона в излучение ультрафиолетового диапазона, содержащее последовательно расположенные друг за другом нелинейный оптический кристалл, установленный с возможностью поворота в плоскости волнового синхронизма, оптический фильтр и фоточувствительный элементпрограммно управляемым блоком, отличающееся тем, что фоточувствительным элементом является прибор с зарядовой связью типа ФУК-2 Л, содержащий 1024 светочувствительных элементов, выполненный с возможностью регистрации отклонения преобразованного лазерного излучения на уголпри изменении длины волны генерируемого лазерного излучения на величину , связанную с ним соотношением, где- угол волнового синхронизма нелинейного оптического кристалла, для осуществления коррекции поворота кристалла на величину. 5357 1 Изобретение относится к области квантовой электроники и нелинейной оптики и может быть использовано для преобразования лазерного излучения видимого диапазона в ультрафиолетовый диапазон. В связи с широким использованием в различных областях науки и техники перестраиваемых лазеров с удвоением и смешением частот существует проблема автоматизации перестройки их излучения. К настоящему времени разработано несколько устройств автоматизации преобразователей частоты. Известно устройство для преобразования оптического излучения (. ,-, . . - . 18. -4. - . 439443, 1976), состоящее из двух призм и зеркала, поворачивающего излучение, вышедшее из призмы 1, и направляющее его на призму 2, а также двух линз. Первая линза расположена на пути основного излучения, поступающего на нелинейный кристалл, преобразующий его во вторую гармонику, излучение которой проходит через вторую линзу, расположенную на этой же оптической оси, и далее на регистрирующий прибор. Это устройство работает по принципу взаимной компенсации дисперсий угла синхронизма и угла падения на нелинейный кристалл с помощью специальной дисперсионной оптической системы. Как известно, каждой длине волны излучения соответствует определенное направление в нелинейном кристалле, в котором происходит наиболее эффективное преобразование во вторую гармонику, характеризуемое углом волнового синхронизма с(ВС) (по отношению к оптической оси кристалла). Этот принцип был реализован на примере кристалла формиата лития, - получено преобразование излучения во вторую гармонику в диапазоне 0,24-0,35 мкм. Используемые в устройстве две призмы образуют систему с нулевой угловой дисперсией и ненулевой линейной дисперсией, пропорциональной расстоянию между ними. Линза, фокусирующая излучение в кристалл, преобразует линейную дисперсию в дисперсию угла падения, близкую к дисперсии угла синхронизма. Недостатком данного устройства является невысокая эффективность преобразования во вторую гармонику, вызванная лишь приближенной компенсацией дисперсии угла синхронизма, так как зависимость угла волнового синхронизма кристалла от длины волны с является существенно нелинейной, что ограничивает диапазон перестройки. Зависимость с для каждого кристалла индивидуальна. Известно также устройство ( , ,90-,. . ., -9. -8. -. 855-856, 1973), широко используемое для преобразования лазерного излучения во вторую гармонику. Оно состоит из нелинейного оптического кристалла и термостабилизатора. Его работа основана на температурном изменении показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей кристалла при сканировании длины волны генерации. В таком устройстве излучение, которое требуется преобразовать во вторую гармонику, распространяется в кристалле под углом 90 к оптической оси - так называемый 90-й синхронизм. Недостатком данного устройства является то, что для перестройки в широкой области длин волн необходимо иметь несколько кристаллов. Во-вторых, при перестройке длины волны даже в узкой области спектра для поддержания условия 90-го синхронизма приходится применять инерционную температурную подстройку. Для кристаллов классатемпературный нагрев может проводиться со скоростью, не превышающей 5 С в минуту. Поэтому приведенное устройство используется чаще всего для преобразования излучения лазера, генерирующего на одной длине волны. Прототипом заявляемого изобретения является устройство для преобразования оптического излучения (. , . ,, . , . 13. -1. - . 6-12, 1975), состоящее из расположенных последовательно друг за другом нелинейного оптического кристалла, оптического фильтра и фоточувствительного элемента, состоящего из двух одинаковых фотодиодов и программно 2 5357 1 управляемого блока. Указанные диоды расположены вплотную друг к другу и служат для регистрации интенсивности преобразованного во вторую гармонику излучения. Устройство работает следующим образом. Излучение лазера на красителе спектральной шириной 3-10-4 мкм перестраивается в интервале длин волн 0,416-0,76 мкм. Сфокусированное сферической линзой (250 мм) излучение направляется в кристаллдлиной 38 мм. За кристаллом находится абсорбционный оптический фильтр, пропускающий излучение второй гармоники лазера. Два электрических сигнала, регистрируемых фотоэлементами, поступают на вход дифференциального усилителя. Фотодиоды первоначально установлены таким образом, чтобы для данной длины волны, настроенной на угол волнового синхронизма, оба электрических сигнала были одинаковы. На выходе дифференциального усилителя в этом случае будет нулевой сигнал, и механический узел поворота кристалла не работает. Небольшое изменение длины волны генерации лазера на красителе приводит к изменению направления распространения преобразованного излучения в кристалле и, следовательно, к появлению сигнала определенного знака на выходе усилителя. Выходной электрический сигнал поступает на узел поворота нелинейного кристалла в плоскости синхронизма до тех пор, пока не уравняются сигналы с фотодиодов. С использованием приведенного устройства получена автоматизированная перестройка излучения 0,416-0,76 мкм во вторую гармонику в спектральном интервале 0,208-0,38 мкм. Основным недостатком прототипа является отсутствие возможности определения величины угла отклонения преобразованного излучения при изменении длины волны генерации относительно исходного направления луча лазера прекращение функционирования устройства, когда угол поворота кристалла превышает величину угла расходимости основного излучения в кристалле. Задача настоящего изобретения заключается в обеспечении автоматической настройки угла волнового синхронизма нелинейного оптического кристалла для достижения наибольшей эффективности преобразования излучения (не менее 90 от максимального значения) при перестройке длины волны излучения генерации. Для выполнения поставленной задачи в устройстве для преобразования лазерного излучения видимого диапазона в ультрафиолетовый диапазон, содержащем последовательно расположенные друг за другом нелинейный оптический кристалл, установленный с возможностью поворота в плоскости волнового синхронизма, оптический фильтр и фоточувствительный элемент с программно управляемым блоком, фоточувствительным элементом является прибор с зарядовой связью типа ФУК-2 Л, содержащий 1024 светочувствительных элемента, выполненных с возможностью регистрации отклонения преобразованного лазерного излучения на уголпри изменении длины волны генерируемого лазерного излучения на величину , связанную с ним соотношением, где с - угол волнового синхронизма нелинейного оптического кристалла, для осуществления коррекции поворота кристалла на величину . Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена оптическая схема устройства, на фиг. 2 представлен спектр возбуждения флуоресценции паров анилина, на фиг. 3 представлен спектр возбуждения флуоресценции паров 1,4-ди 2-(5 толилоксазолил)бензола (ТОПОТ). Предлагаемое устройство (фиг. 1) состоит из нелинейного оптического кристалла 1, оптического фильтра 2 и фоточувствительного элемента 3. Устройство работает следующим образом. Излучение лазера на красителе (ЛК) направляется на кристалл 1, который имеет длину 40 мм, поперечное сечение 3015 мм 5357 1 и вырезан под углом 59 и 45 (взаимодействие типа оо-е). После кристалла установлен оптический фильтр, основное назначение которого состоит в том, чтобы пропускать преобразованное излучение и поглощать излучение ЛК, а при наличии - и излучение основной гармоники лазера на аллюмоитриевом гранате (АИГ). Эффективность преобразования излучения кристалла зависит от его типа, длины и других параметров. Для кристаллатипичным значением является величина преобразования 30-40 . На расстоянии 1,5 м от кристалла размещался прибор с зарядовой связью (типа ФУК 2 Л), содержащий 1024 фоточувствительных элемента размером 25150 мкм и обладающий высокой чувствительностью к излучению в диапазоне длин волн 0,25-1,0 мкм. Прибор с зарядовой связью соединен с программно управляемым блоком и далее с компьютером через стандартный -порт. При разработке устройства следует учитывать требования к точности настройки кристалла. Если необходимо стабилизировать мощность преобразованного излучения на уровне 90 от ее максимального значения, то следует устанавливать нелинейный кристалл 1 в направлении угла волнового синхронизма с ошибкой, не превышающей величину с/3. Величина угловой ширины ВС с внутри кристалладлиной 40 мм(ген.0,6 мкм) составляет при удвоении частоты 0,17 мрад, а при смешении излучений 1,06 и 0,6 мкм - 0,19 мрад. Для излучения, вышедшего из кристалла, полученные значения следует умножить на величину показателя преломления, равного 1,5. Таким образом, необходимая точность установки нелинейного кристалла составляет 0,09 мрад. Отметим, что описанный способ поворота пучка можно эффективно применять, когда расходимость основного излучения превышает угловую ширину синхронизма. По этой причине, а также с целью увеличения плотности мощности основного излучения в кристалле как в прототипе, так и в заявляемом устройстве перед кристаллом может быть установлена линза. Для лазеров на красителях величина расходимости в импульсном продольном режиме возбуждения составляет несколько мрад, а при поперечной накачке и выше. Первоначальная настройка устройства при сканировании ЛК в интервале от нач. до кон. осуществляется вручную для длины волны нач Выбранное направление распространения преобразованного излучения запоминается ЭВМ и удерживается при перестройке частоты излучения ЛК. Изменение длины волны генерации на величинуприводит к расстройке ВС и отклонению преобразованного излучения на угол/. Значения / для кристалласоставляют от 5 до 1 рад/мкм в диапазоне 0,55-0,8 мкм, а их конкретные значения для заданного кристалла приведены в литературе (Гурзадян Г.Г.,Дмитриев В.Г., Никогосян Д.Н Нелинейные оптические кристаллы Справочник. - М., 1991). В устройстве при сканировании ЛК на величинупроводится доворот кристалла на расчетное значениеи проводится измерение отклонения луча преобразованного излучения на приборе с зарядовой связью. Для последующих импульсов при неизменной ген. вводится корректура доворота кристалла, равная разности углов между измеренным направлением лазерного излучения и исходным направлением. В предлагаемом устройстве решается вопрос компенсации температурной зависимости угла волнового синхронизма. Предложенное устройство испытывалось и при смешении частот основной гармоники АИГ лазера (ген.1,06 мкм) и перестраиваемого в диапазоне 0,56-0,67 мкм излучения ЛК. Лазерные лучи соосно направлялись в кристалл . Нелинейный оптический элемент 1(фиг. 1) длиной 40 мм, сечением 2020 мм был вырезан из монокристалла под углом 58 и 0 (взаимодействие типа ео-е). За кристаллом устанавливался оптический фильтр 2, поглощающий излучение ЛК и излучение на длине волны 1,06 мкм и пропускающий преобразованное излучение. Далее излучение попадало на фоточувствительный элемент 3. Принцип работы устройства при смешении частот аналогичен описанному выше для случая генерации второй гармоники. 4 5357 1 Устройство по преобразованию оптического излучения апробировано нами при измерении спектров на автоматизированном спектрометрическом комплексе по изучению паров сложных органических соединений, охлажденных в сверхзвуковой струе при адиабатическом расширении в вакуум. Перестраиваемое УФ излучение направлялось в вакуумную камеру, в которую с помощью импульсного клапана через сопло напускалась смесь насыщенных паров сложных молекул с инертным газом, где и взаимодействовало с охлажденными парами. На фиг. 2 представлен спектр возбуждения флуоресценции струйно охлажденных паров анилина с гелием при удвоении излучения лазера на красителе в области электронного 01 перехода. На фиг. 3 представлен спектр возбуждения флуоресценции струйно охлажденных паров ТОПОТ с газом-носителем гелием давлением в 4 атм., полученный при генерации суммарных частот. Таким образом, предлагаемое устройство применимо в лазерных комплексах, где требуется автоматизация преобразования монохроматического излучения перестраиваемых по длине волны лазеров в УФ диапазон путем генерации второй гармоники или генерации суммарной частоты. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.