Устройство параметрической генерации света

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ГЕНЕРАЦИИ СВЕТА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики им. Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Мащенко Александр Георгиевич Тугбаев Виталий Аркадьевич Севрук Бронислав Брониславович Казак Николай Станиславович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики им. Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Устройство параметрической генерации света, содержащее оптический резонатор,образованный первой и второй прямоугольными призмами полного внутреннего отражения, нелинейно-оптический кристалл, средство для вывода волн параметрической генерации из резонатора и средство для оптической накачки кристалла, содержащее по меньшей мере два зеркала, при этом первая призма, первое зеркало, кристалл, второе зеркало и вторая призма установлены последовательно на оптической оси резонатора, причем первое и второе зеркала выполнены с возможностью отражения волны накачки и пропускания волн параметрической генерации, а кристалл выполнен с возможностью согласования фаз волн параметрической генерации и накачки, при этом первое зеркало установлено с возможностью ввода волны накачки в кристалл, а плоскости главных сечений первой и второй призм установлены под углом друг к другу, отличающееся тем, что плоскости главных сечений первой и второй призм установлены перпендикулярно друг к другу, а кристалл установлен с возможностью поворота в плоскости, причем плоскость поворота установлена перпендикулярно плоскости главного сечения второй призмы. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что первое зеркало установлено с возможностью коллинеарной или неколлинеарной, или двойной неколлинеарной накачки кристалла. 8133. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что средство для оптической накачки кристалла снабжено третьим зеркалом, причем указанное зеркало выполнено с возможностью отражения волны накачки и оптически сопряжено со вторым зеркалом с возможностью обратного отражения волны накачки в кристалл. 4. Устройство по п. 2 или 3, отличающееся тем, что средство для вывода волн параметрической генерации выполнено в виде четвертого зеркала с возможностью отражения и пропускания волн параметрической генерации, при этом указанное зеркало установлено на оптической оси резонатора между первой призмой и первым зеркалом или между второй призмой и вторым зеркалом. 5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что четвертое зеркало выполнено в виде оптического покрытия на первом зеркале или на втором зеркале. 6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что первая или вторая, или первая и вторая призмы выполнены в виде призм Порро. 7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что средство для вывода волн параметрической генерации выполнено в виде первой или второй, или первой и второй прямоугольных призм полного внутреннего отражения, при этом первая или вторая, или первая и вторая призмы установлены с возможностью поворота в плоскости главного сечения призмы с нарушением полного внутреннего отражения. 8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что нелинейно-оптический кристалл выполнен в виде кристалла бета-бората бария с возможностью согласования фаз на длине волны накачки 0,355 мкм в диапазоне длин волн параметрической генерации от 0,414 мкм до 2,5 мкм.(56) 1. Дмитриев В.Г., Тарасов Л.В. Прикладная нелинейная оптика Генераторы второй гармоники и параметрические генераторы света. - М. Радио и связь, 1982. - С. 352. 2. Патент США 5. 276. 548, МПК 603 7/00, 1994. 3. Патент США 5.781. 571, МПК 601 3/10,1998. 4. Патент США 5. 033. 057, МПК 501 3/093, 1991. 5. Патент США 6. 295. 160 В 1, МПК 702 1/39, 2001. 6.. ,. , . . . . , .18, 706, .7 (2001), - прототип. 7. . , -, , , 1999 ( 10.2.1). 8. , ,. . . 15 (1979) 415. Полезная модель относится к устройствам параметрической генерации когерентного светового излучения, перестраиваемым в широком диапазоне длин волн, и может быть использована при создании спектральной аппаратуры лабораторного и промышленного назначения. В основе работы устройств указанного назначения лежит явление усиления излучения при когерентном взаимодействии двух параметрических волн и волны накачки в нелинейно-оптических средах, предпочтительно кристаллах 1. Параметром взаимодействия в данном параметрическом процессе является величина нелинейной поляризации кристалла. Кристалл особым образом вырезается по отношению к его кристаллофизическим осям и ориентируется в оптическом резонаторе относительно направления распространения волны накачки так, чтобы выполнялось необходимое условие согласования фаз взаимодействующих волн, или иными словами, соблюдался закон сохранения импульсов взаимодействующих фотонов. Соотношение между длинами параметрических волн и длиной волны накачки устанавливается на основании дополнительного требования выполнения закона сохранения энергии всех трех взаимодействующих фотонов, т.е. энергия фотона накачки должна равняться суммарной энергии пары фотонов, соответствующих парамет 2 813 рическим волнам, участвующим во взаимодействии. Коротковолновая компонента параметрических волн обычно называется сигнальной, а длинноволновая - холостой волной. Согласование фаз может реализоваться как при скалярном (коллинеарная накачка), так и векторном взаимодействии волн (неколлинеарная накачка). В обоих случаях резонатор должен обеспечивать обратную связь по меньшей мере для одной из параметрических волн или по меньшей мере для одной из параметрических волн и волны накачки. Параметрическая генерация развивается из фотонного шума, когда усиление становится равным потерям. Перестройка длин волн параметрической генерации осуществляется преимущественно поворотом кристалла. Широкое практическое применение получили устройства параметрической генерации,разработанные с использованием прямоугольных призм полного внутреннего отражения. Известен параметрический генератор света (ПГС) на основе прямоугольных призм полного внутреннего отражения 2, содержащий кольцевой оптический резонатор, образованный первой и второй призмами указанного типа, и установленные в резонаторе нелинейно-оптический кристалл, средство для оптической накачки кристалла, средство для вывода волн параметрической генерации из резонатора. Средством для оптической накачки кристалла служит первое зеркало, выполненное с возможностью пропускания волн параметрической генерации и отражения в кристалл волны накачки, поставляемой от внешнего источника. Средство для вывода волн параметрической генерации выполнено в виде второго зеркала, установленного между первой призмой и кристаллом, или в виде зеркального оптического покрытия, выполненного на указанном зеркале. Второе зеркало или эквивалентное ему зеркальное покрытие выполнены с возможностью отражения и пропускания волн параметрической генерации. Плоскости главных сечений призм установлены параллельно друг другу, а перестройка длины волны осуществляется путем поворота кристалла в плоскости, перпендикулярной плоскости главных сечений призм. Известен также ПГС с использованием прямоугольной призмы полного внутреннего отражения 3, содержащий линейный оптический резонатор, образованный указанной призмой и отражателем, и помещенные в резонаторе на его оптической оси нелинейнооптический кристалл и средство для оптической накачки кристалла. Отражатель выполнен с возможностью отражения и пропускания волн параметрической генерации и одновременно служит средством для вывода волн параметрической генерации. Средство для оптической накачки кристалла выполнено по меньшей мере из двух зеркал 4 и дополнительно снабжено третьим зеркалом, которое оптически сопряжено со вторым зеркалом для обратного отражения накачки в кристалл. При этом первое и второе из указанных зеркал установлены в резонаторе и выполнены с возможностью пропускания волн параметрической генерации и отражения волны накачки. Поворотом первого зеркала на несколько градусов в двух измерениях относительно оси резонатора обеспечивается неколлинеарная или двойная неколлинеарная накачка кристалла. При неколлинеарной накачке ось распространения волны накачки лежит в плоскости, перпендикулярной плоскости главного сечения призмы, а при двойной неколлинеарной накачке указанная ось образует некоторый угол с обеими указанными взаимно перпендикулярными плоскостями. Перестройка длины волны осуществляется путем поворота кристалла в плоскости,перпендикулярной плоскости главного сечения призмы. В данном устройстве прямоугольная призма полного внутреннего отражения выполнена в виде эквивалентной призмы Порро. Известен ПГС с использованием прямоугольной призмы полного внутреннего отражения 5, содержащий линейный оптический резонатор, образованный призмой указанного типа и отражателем, и помещенные в резонаторе на его оптической оси нелинейнооптический кристалл и средство для оптической накачки кристалла. Средство для накачки образовано указанной призмой и зеркалом. Зеркало выполнено с возможностью отражения волны накачки и пропускания волн параметрической генерации. Отражатель выпол 3 813 нен с возможностью отражения и пропускания волн параметрической генерации и одновременно служит средством для вывода волн параметрической генерации. Средство для накачки обеспечивает коллинеарную накачку кристалла в прямом и обратном направлениях. Перестройка длины волны осуществляется поворотом кристалла в плоскости, перпендикулярной к плоскости главного сечения призмы. Наиболее близким к заявляемой полезной модели аналогом-прототипом представляется ПГС на основе прямоугольных призм полного внутреннего отражения 6, содержащий линейный оптический резонатор, образованный первой и второй призмами указанного типа, нелинейно-оптический кристалл, средство для вывода волн параметрической генерации из резонатора и средство для оптической накачки кристалла. Средство для накачки кристалла содержит по меньшей мере первое и второе зеркала, которые выполнены с возможностью пропускания волн параметрической генерации и отражения волны накачки. Первое зеркало установлено с возможностью ввода в кристалл волны накачки от внешнего источника. Указанное средство может быть дополнительно снабжено третьим зеркалом, которое оптически сопряжено со вторым зеркалом для обратного отражения волны накачки в кристалл. Первая призма, первое зеркало, кристалл, второе зеркало и вторая призма установлены последовательно на оптической оси резонатора. Плоскости главных сечений призм установлены под углом 45 друг относительно друга. Средство для вывода волн параметрической генерации из резонатора реализуется с помощью или первой или второй призм при нарушении в них полного внутреннего отражения любым из известных способов. Однако в данном ПГС перестройка длины волны в широком диапазоне спектра при повороте указанного нелинейно-оптического кристалла затруднена вследствие возникающего при этом параллакса световых пучков. Сущность заявляемой полезной модели состоит в реализации устройства параметрической генерации света в широком спектральном диапазоне, выполненного на основе резонатора, образованного прямоугольными призмами полного внутреннего отражения. Плоскости главных сечений призм установлены перпендикулярно друг к другу. Перестройка по длинам волн в устройстве осуществляется путем поворота нелинейнооптического кристалла, установленного в резонаторе. Технический результат, достигаемый с помощью предлагаемого устройства, заключается в уменьшении влияния параллакса световых пучков, возникающего при перестройке длин волн в результате поворота кристалла. Полезная модель характеризуется следующими существенными признаками. Устройство содержит оптический резонатор, образованный первой и второй прямоугольными призмами полного внутреннего отражения с плоскостями главных сечений, расположенными под углом друг относительно друга. На оптической оси резонатора установлен нелинейно-оптический кристалл. Средство для оптической накачки кристалла снабжено зеркалом для ввода накачки в кристалл, которое установлено на оптической оси между первой призмой и кристаллом. Устройство содержит средство для вывода волн параметрической генерации из резонатора. Отличительными признаками являются расположение плоскостей главных сечений призм перпендикулярно друг к другу и возможность поворота кристалла в плоскости,перпендикулярной плоскости главного сечения второй призмы. Сущность полезной модели дополнительно поясняется фигурами 1, 2, 3 и 4 чертежа. На фиг. 1 в координатных осях изображена оптическая схема заявляемого устройства в предпочтительном варианте выполнения по зависимому пункту 5 формулы. На фиг. 2 показан профиль пучка накачки Н в плоскости наблюдения , использующийся для сравнительного анализа работы прототипа и устройства в предпочтительном варианте реализации по зависимому пункту 8 формулы. На фиг. 3 для данного варианта выполнения изображено распределение сечений световых пучков в плоскостидля полных обходов 1, 2, 3, 4 параметрической генерации. Фиг. 4 иллюстрирует распределение 4 813 сечений световых пучков для полных обходов 1, 2, 3, 4,10, реализующееся для прототипа в плоскости . Устройство, изображенное схематически на фиг. 1, согласно заявляемой полезной модели, содержит оптический резонатор, образованный первой прямоугольной призмой полного внутреннего отражения 1 и второй прямоугольной призмой полного внутреннего отражения 2. Ребра Р 1 и Р 2 призм образованы пересечением катетных граней призмы 1 и призмы 2 соответственно. На оси ОО, которая параллельна координатной оси , установлены последовательно призма 1, первое зеркало 3, нелинейно-оптический кристалл 4, второе зеркало 5 и призма 2. При этом ребра Р 1 и Р 2 установлены на оси ОО. Зеркала 3 и 5 выполнены с возможностью отражения волны накачки Н и пропускания волн параметрической генерации. Зеркало 3 установлено для ввода волны накачкив кристалл 4, а зеркало 5 установлено для вывода волны накачки из резонатора, причем зеркала 3 и 5 обладают способностью пропускать волны параметрической генерации. Кристалл 4 выполнен с возможностью согласования фаз волн параметрической генерации и накачки . В рассматриваемом варианте реализации зеркало 3 установлено с возможностью коллинеарной накачки кристалла 4. Устройство дополнительно снабжено средством для вывода световых пучков параметрической генерации из резонатора, которое выполнено в виде третьего зеркала 6, расположенного между призмой 1 и зеркалом 3. Зеркало 6 представляет собой оптическое покрытие, выполненное на зеркале 3 с возможностью отражения и пропускания волн параметрической генерации. Плоскости главных сечений первой призмы 1 и второй призмы 2 в устройстве установлены под углом друг к другу. В отличие от прототипа плоскости главных сечений первой призмы 1 и второй призмы 2 установлены перпендикулярно друг к другу. При этом кристалл 4 имеет возможность поворота в плоскости, ориентированной перпендикулярно плоскости главного сечения второй призмы 2. Устройство работает следующим образом. С помощью зеркала 3 волна накачки Н от внешнего лазерного источника (на фигуре не показан) направляется вдоль оптической оси ОО в нелинейно-оптический кристалл 4. Волна накачки Н взаимодействует в нелинейнооптическом кристалле 4 с шумовыми фотонами и возбуждает параметрическую люминесценцию. Отражаясь от катетных граней призм 1 и 2 в резонатор вдоль оптической оси ОО, свет люминесценции многократно проходит через кристалл 4 в прямом и обратном направлениях, совершая последовательные полные обходы по резонатору. Согласование фаз взаимодействующих волн приводит к усилению света на длинах волн сигнальной и холостой волны. При этом устанавливается вполне определенное соотношение между указанными длинами волн и длиной волны накачкидля конкретной ориентации кристалла относительно оптической оси ОО. Когда мощность накачки Н достигает некоторой пороговой величины (усиление равно потерям), развивается параметрическая генерация света на указанных длинах волн. Остаточное излучение накачки Н выводится из резонатора зеркалом 6 во избежание возможного лучевого повреждения ребра Р 2, а сигнальная или/и холостая волны выводятся зеркалом 6 как полезное излучение. Поворотом зеркала 3 в трех измерениях относительно оси ОО в пределах нескольких угловых градусов обеспечивается возможность коллинеарной, неколлинеарной или двойной неколлинеарной накачки кристалла 4. В зависимости от угла поворота кристалла в плоскости,перпендикулярной плоскости главного сечения призмы 2, условие согласования фаз выполняется для различных пар длин сигнальной и холостой волн при заданной длине волны накачки Н, и таким образом осуществляется перестройка длин волн в широком спектральном диапазоне. При практическом осуществлении полезной модели по независимому пункту 8 формулы поворот нелинейно-оптического кристалла бета-бората бария обеспечивает перестройку сигнальной волны в коротковолновую область до 0,414 мкм и, соответственно,холостой волны - до 2,5 мкм. В рассматриваемом примере накачка осуществляется им 5 813 пульсным лазерным излучением с типичными для данной области техники параметрами длительность 5 наносекунд, длина волны 0,355 мкм, диаметр пучка 4 мм, максимальная плотность мощности 200 МВт/см 2. Пороговая плотность мощности накачки составляет 50 МВт/см 2, т.е. в четыре раза меньше максимальной плотности мощности, что является оптимальным условием при конструировании импульсных ПГС 7. Кристалл имеет геометрическую длину 12 мм, апертуру 7 мм 7 мм и угол среза 28 для согласования фаз потипу взаимодействия 1. Оптическая длина полного обхода резонатора составляет около 15 см и при указанной длительности импульса накачки обеспечивает не менее 10 обходов. Параметрическая генерация на длине сигнальной волны 0,414 нм достигается путем поворота кристалла на угол около 6 от исходного положения, в котором плоскопараллельные рабочие грани кристалла располагаются перпендикулярно оптической оси резонатора. Дальнейшая перестройка в коротковолновую область для кристалла данного типа нежелательна, т.к. сопутствующая инфракрасная холостая волна попадает в полосу собственного оптического поглощения кристалла и может вызвать его разрушение. Однако, когда плоскости главных сечений призм 1 и 2 по аналогии с прототипом установлены под углом 45 друг относительно друга, перестройка в область 0,414 мкм путем поворота кристалла оказывается затруднительной. Причиной, как поясняется ниже, является возникающий при повороте параллакс световых пучков в кристалле. На фиг. 2 распределение мощности по сечению лазерного пучка накачки аппроксимировано наиболее типичным для данной области техники гауссовым профилем , который характеризуется шириной 20 на уровне 1/е 2 высоты, отсчитываемом от основания. Параметр 20 определяет диаметр гауссового пучка и в соответствии с рассмотренным выше примером практического осуществления принят равным 4 мм. Пороговый уровень плотности мощности накачки обозначен П и, как и в указанном примере, имеет значение в четыре раза меньше, чем значение в максимуме профиля . Фиг. 3 и фиг. 4 иллюстрируют проявление параллакса в плоскости(при наблюдении вдоль оси ОО на фиг. 1) для полезной модели и прототипа соответственно. Из современного уровня техники известно 8, что при импульсной накачке пучок сигнальной волны за несколько первых обходов резонатора формируется из первоначального пучка,имеющего намного меньшие размеры сечения, чем пучок накачки. При последующих многократных обходах сечение пучка сигнальной волны может достигнуть размеров,сравнимых с сечением пучка накачки. Это обстоятельство принято во внимание на фиг. 3 и фиг. 4, где сечения пучков 1, 2, 3, 4 сигнальной волны для наглядности изображены увеличивающимися по мере последовательных обходов резонатора. Анализ динамики формирования многопроходной генерации в приближении геометрической оптики приводит к следующим результатам. Как в исходном, так и повернутом положении кристалла в заявляемом устройстве (фиг. 3) генерация по мере последовательных полных обходов развивается в пределах концентрических областей 1, 2, 3, 4, расположенных над пороговым уровнем плотности мощности накачки П. Это связано с тем, что возникающий параллакс пучков генерации и накачки происходит в плоскости поворота кристалла, а точки пересечения оптических осей указанных пучков с ребром Р 2 в исходном положении кристалла и при его повороте все время остаются на ребре 2. Таким образом, картина распределения сечений световых пучков в плоскостиимеет центр симметрии на оси ОО. В данном рассмотрении пренебрегается значительно менее выраженным диафрагменным апертурным эффектом 1, т.е. считается, что параллакс одинаков для пучков генерации и накачки, что не влияет на общий характер выявленных закономерностей. При расположении плоскостей главных сечений призм 1 и 2 (или ребер 1 и Р 2) по аналогии с прототипом под углом 45 друг относительно друга картина распределения сечений световых пучков существенно меняется (фиг. 4). В результате параллакса, возникающего при повороте кристалла, для подавляющего числа полных обходов резонатора 6 813 формируются световые пучки генерации, оптические оси которых смещены в плоскостях главных сечений призм 1 и 2 вследствие отражений от их катетных граней. Центры сечений пучков для всех 10-ти обходов располагаются в вершинах квадрата, одна из которых совпадает с центром сечения П пучка накачки, а другая по диагонали квадрата смещена в направлении осина величину удвоенного параллакса, составляющую в данном примере 2,5 мм при величине угла поворота кристалла 6. Характерно, что центры сечений пучков генерации для первых трех обходов локализуются ниже уровня пороговой плотности мощности накачки П. В область максимальной плотности мощности попадает пучок,сформировавшийся лишь после четвертого обхода. Большинство из показанных 10-ти пучков генерации после 4-го обхода резонатора попадают в область вблизи или ниже порога П. В результате, динамика развития генерации в устройстве, выполненном по аналогии с прототипом, препятствует перестройке длин волн параметрической генерации при повороте кристалла, что подтверждается на рассмотренном примере практического осуществления полезной модели. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7