СПОСОБ ПЕРЕСТРОЙКИ ДЛИНЫ ВОЛНЫ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРА, ВЫВОДИМОГО ИЗ РЕЗОНАТОРА ЛАЗЕРА В НУЛЕВОЙ ПОРЯДОК СПЕКТРА ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК G01J3/18 

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано при разработке перестраиваемых лазеров, лазерных фотометров и спектрометров, а также газоанализаторов.

В изобретении решается задача обеспечения стабильности пространственного положения выходного лазерного пучка при перестройке длины волны излучения лазера с дифракционной решеткой.

Известен способ перестройки длины волны излучения лазера с дифракционной решеткой, заключающийся в том, что поворачивают внутрирезонаторное плоское зеркало, обращенное к дифракционной решетке, вокруг оси, перпендикулярной плоскости дисперсии дифракционной решетки, а выводят излучение в нулевой порядок дифракции. К недостаткам аналога следует отнести большие внутрирезонаторные потери, обусловленные двукратным отражением от дифракционной решетки, а также сканирование спектра мод в процессе перестройки, обусловленное изменением длины резонатора.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному и принятым за прототип является способ перестройки длины волны излучения лазера, выводимого из резонатора лазера в нулевой порядок спектра дифракционной решетки, заключающийся в том, что совместно поворачивают внутрирезонаторную дифракционную решетку, установленную по автоколлимационной схеме, и внерезонаторное плоское зеркало, обращенное к дифракционной решетке, вокруг оси, совпадающей с прямой, образованной пересечением плоскостей дифракционной решетки и зеркала, и выводят излучение в нулевой порядок дифракции, отражая от зеркала. К недостаткам прототипа следует отнести то, что при повороте в процессе перестройки световое пятно излучения лазера смещается по поверхности дифракционной решетки, что требует применения решеток больших размеров, существенно превышающих размер светового пятна лазерного излучения и исключает возможность применения сферических дифракционных решеток. Кроме того, изменяется длина резонатора, что ведет к сканированию спектра мод в процессе перестройки.

Известно устройство перестройки длины волны излучения лазера, выводимого из резонатора лазера в нулевой порядок спектра дифракционной решетки, включающее оптически связанные дифракционную решетку и плоское зеркало, установленное с возможностью поворота вокруг оси, параллельной штрихам решетки. К недостаткам аналога следует отнести большие внутрирезонаторные потоки, обусловленные двукратным отражением от дифракционной решетки, а также сканирование спектра мод в процессе перестройки, обусловленное изменением длины резонатора.

Наиболее близким к предложенному является устройство перестройки длины волны излучения лазера, выводимого из резонатора в нулевой порядок спектра дифракционной решетки, включающее оптически связанные дифракционную решетку и плоское зеркало, установленные в общем поворотном узле с осью вращения, совпадающей с ребром двугранного угла между поверхностями дифракционной решетки и зеркала. К недостаткам прототипа следует отнести то, что при повороте в процессе перестройки световое пятно излучения лазера смещается по поверхности дифракционной решетки, что требует применения дифракционных решеток больших размеров, существенно превышающих размер светового пучка. Кроме того, изменяется длина резонатора, что ведет к сканированию спектра мод.

Предложенные способ и устройство перестройки длины волны излучения лазера позволяют сохранить неизменным при перестройке не только пространственное положение лазерного пучка, выводимого из резонатора лазера в нулевой порядок спектра дифракционной решетки, но и длину резонатора, а следовательно, частотное положение спектра мод. Кроме того, становится возможным применение сферических дифракционных решеток.

Это достигается тем, что в известном способе перестройки длины волны излучения лазера, выводимого из резонатора лазера в нулевой порядок спектра дифракционной решетки, заключающемся в том, что совместно поворачивают внутрирезонаторную дифракционную решетку, установленную по автоколлимационной схеме, и внерезонаторное плоское зеркало, обращенное к дифракционной решетке, поворачивают дифракционную решетку вокруг оси, проходящей через точку падения оптической оси лазера на поверхность дифракционной решетки, и при этом поступательно перемещают зеркало так, что либо точка пересечения плоскости зеркала с нормалью к поверхности дифракционной решетки в указанной точке падения перемещается вдоль прямой, проходящей относительно оптической оси лазера под углом θ, равным углу между плоскостью, касательной к поверхности дифракционной решетки в точке падения на нее оптической оси лазера, и прямой, образованной пересечением плоскости зеркала с плоскостью, проходящей через оптическую ось лазера перпендикулярно оси поворота, либо точка пересечения указанной касательной плоскости с прямой, образованной пересечением плоскости зеркала с плоскостью, проходящей через оптическую ось лазера перпендикулярно оси поворота, перемещается вдоль прямой, проходящей относительно оптической оси лазера под углом θ+90^o.

А также тем, что в устройство для перестройки длины волны излучения лазера, выводимого из резонатора лазера в нулевой порядок спектра дифриакционной решетки, содержащее оптически связанные и установленные в поворотном узле дифракционную решетку и плоское зеркало под углом θ между плоскостью, касательной к поверхности дифракционной решетки, и прямой, образованной пересечением плоскости зеркала с плоскостью, перпендикулярной оси поворота узла, причем ось поворота выполнена в указанной касательной плоскости, дополнительно введен кинематически связанный с дифракционной решеткой привод прямолинейного движения в плоскости, перпендикулярной оси поворота, причем зеркало выполнено подвижным с возможностью перемещения приводом точки пересечения с плоскостью зеркала нормали к указанной касательной плоскости, проходящей через ось поворота или вершины угла θ, а ось поворота решетки совмещена с касательной к ее поверхности.

И кроме того, тем, что в устройство перестройки длины волны излучения лазера дополнительно введены две направляющие прямолинейного движения, первая из которых установлена в поворотном узле параллельно нормали к указанной касательной плоскости, вторая установлена параллельно направлению прямолинейного движения привода, причем зеркало соединено с первой направляющей с возможностью поступательного перемещения, а со второй направляющей - с возможностью поступательно-вращательного перемещения.

Предложенные совокупности признаков способа и устройства не обнаружены в известных технических решениях, что позволяет судить о соответствии их критериям изобретения.

Сущность предложения заключается в следующем. Чтобы в процессе перестройки длины волны излучения не изменялась длина резонатора, а световое пятно лазерного излучения не смещалось по поверхности дифракционной решетки, ее поворот осуществлялся вокруг оси, проходящей по касательной к ее поверхности через оптическую ось лазера. То, что плоское зеркало поворачивается совместно с дифракционной решеткой, обеспечивает неизменность углового положения выходного лазерного пучка. Для исключения параллельного смещения лазерного пучка плоское зеркало одновременно с поворотом поступательно перемещается. Требуемый ход зеркала задается формулой изобретения способа. Предложенное устройство обеспечивает стабильность пространственного положения выходного лазерного пучка при соответствующей его установке в лазере даже при поворотах зеркала согласно п. 4 формулы изобретения.

На фиг. 1 представлена оптическая схема вывода излучения из лазера; на фиг. 2 и 3 - схемы исполнения устройства в двух вариантах, а на фиг. 4 и 5 - примеры установки устройств в лазере.

На фиг. 1 представлен двумерный случай, когда излучение распространяется в одной плоскости. Дифракционная решетка 1 устанавливается в лазере по автоколлимационной схеме, а плоское зеркало 2 - под углом θ относительно плоскости 3, касательной к поверхности дифракционной решетки 1 в точке падения на нее осевого луча 4 излучения из резонатора лазера. Угол α падения осевого луча 4 на поверхность дифракционной решетки 1 определяется длиной волны генерации лазера, а угол θ выбирается исходя из желаемого угла между оптической осью лазера 5 и направлением 6 выходного лазерного пучка, который составляет 2 θ. Ось поворота дифракционной решетки выбирается в точке O падения на ее поверхность осевого луча 4. Осевой луч 7 выводимого в нулевой порядок спектра под углом α падает на поверхность плоского зеркала 2 в точке B под углом θ- α . Осевой луч 6 выходного лазерного пучка отражается от зеркала 2 под углом α-θ и составляет с осью 5 лазера угол 2 θ, не зависящий от α. Точки пересечения плоскости зеркала 2 с нормалью 8 к поверхности дифракционной решетки в точке O и касательной плоскостью 3 обозначены A и С, соответственно, а точка пересечения оптической оси 5 лазера с осевым лучом 6 выходного лазерного пучка обозначена D.

Используя общепринятые правила знаков, нетрудно показать, что отрезок DA делит угол ODB пополам, то есть проходит по его биссектрисе. Действительно, используя теорему синусов, запишем для ΔABD: AB/sin <BDA = AD/sin(π / 2 + α - θ), откуда sin <BDA= AB cos (α-θ )(1). Для ΔADB: AB/sinα = OB/sin( π / 2 - θ), откуда AB= OB sin α/cosθ (2). Подставив (2) в (1), получим <BDA = arcsin[OBsinα cos(α-θ)/ADcos θ] (3). Аналогично запишем для ΔAOD и ΔAOB: AO/sin <ADO = AD/sin( π - α), откуда sin <ADO= AO sin α/AD (4), AO/sin (π / 2 - α + θ)= = OB/sin (π / 2 - θ) , откуда AO = OBcos( α-θ ) /cosθ (5). Подставив (5) в (4), получим: <ADO= = arcsin[OBsinα cos(α - θ) / AD cos θ (6). Сопоставив выражения (3) и (6), получим <BDA = = <ADO = θ. Это означает, что положение точки D пересечения осевого луча 6 выходного лазерного пучка с оптической осью 5 лазера не будет зависеть от угла α, если точка A пересечения нормали 8 к поверхности решетки 1 в точке O падения на нее осевого луча из резонатора с плоскостью зеркала 2 будет перемещаться в процессе перестройки длины волны излучения вдоль направления AD.

Нетрудно показать (например, используя теорему синусов и рассмотрев ΔACD, ΔCDO и ΔAOD), что <ACD = α, а <CDA = 90^о, то есть отрезок CD перпендикулярен отрезку AD. Следовательно, если в процессе перестройки длины волны излучения точка С пересечения ребра двугранного угла между плоскостью 7, касательной к поверхности дифракционной решетки 1 в точке O падения на нее осевого луча 4, и плоскостью зеркала 2 с плоскостью, проходящей через оптическую ось лазера перпендикулярно оси O поворота, будет перемещаться вдоль направления DC, пространственное положение выходного лазерного пучка также останется неизменным.

Выполнение одного из двух вышеупомянутых условий движения точек A и С автоматически ведет к выполнению второго, однако полностью эквивалентными их назвать нельзя. Так в случае θ= ±90^o не существует точки A (она локализуется на бесконечности) и возможна привязка только к точке С. A в случае θ= 0 не существует точки С (она также локализуется на бесконечности) и следует ориентироваться на точку A.

В промежуточных случаях величины смещений точек A и С при повороте дифракционной решетки на угол Δα, вообще говоря, различны, что позволяет выбрать наиболее оптимальный вариант. При малом ходе снижаются габариты, а при большом - снижаются требования к точности величины перемещения.

Введение поворотов зеркала согласно п. 4 формулы изобретения позволяет упростить юстировку приборов и установок с использованием перестраиваемого лазера.

Кроме того, осуществление предложенного способа перестройки длины волны лазера позволяет использовать не только плоские дифракционные решетки, но и имеющие кривизну рабочей поверхности 1, поскольку ось вращения решетки лежит в плоскости касательной к точке O пересечения осевого луча 4 с рабочей поверхностью 1 дифракционной решетки, что обеспечивает несмещение светового пятна по ее поверхности.

Устройство перестройки длины волны излучения лазера (см. фиг. 2 и 3) состоит из поворотного узла 9, дифракционной решетки 1, установленной в узле 9 так, чтобы ее поверхность касалась оси O поворота, подвижного плоского зеркала 2, установленного в узле 9 рабочей поверхностью к дифракционной решетке 1, привода 10 прямолинейного движения, кинематически связанного с дифракционной решеткой 1 и зеркалом 2, и двух направляющих 11 и 12 (или 11' и 12' на фиг. 3) прямолинейного движения, первая из которых установлена в поворотном узле 9 параллельно нормали 8 к плоскости 3, касательной к поверхности дифракционной решетки и проходящей через ось O поворота, или нормали к оси O поворота, лежащей в плоскости 3, и кинематически соединена с зеркалом 2, а вторая установлена параллельно направлению движения привода 10 и кинематически соединена с зеркалом 2. Угол θ между плоскостью 3 и плоскостью зеркала 2 устанавливается равным половине угла между оптической осью 5 резонатора лазера и желательным направлением 6 вывода выходного лазерного пучка. Кинематическая связь привода 10 с зеркалом 2 осуществляется так, чтобы вдоль направления движения привода 10 перемещалась точка пересечения плоскости зеркала 2 с проходящей через ось O поворота нормалью 8 к плоскости 3 или точка на плоскости зеркала 2, являющаяся вершиной угла θ, что достигается в вариантах, представленных на фиг. 2 и 3, соответственно, ограничением движения указанных точек на плоскости зеркала 2 вдоль направляющих 12 и 12'. Для сохранения неизменным угла θ перемещение зеркала 2 в узле 9 ограничивается прямолинейным движением вдоль направляющей 11 или 11'.

В лазере устройство устанавливается так, чтобы направление движения привода 10 и параллельной ему направляющей 12 относительно оси резонатора лазера составляло угол θ или θ + 90^о, соответственно, для двух вариантов устройства, представленных на фиг. 4 и 5, соответственно.

Следует отметить, что более общий трехмерный случай распространения излучения, выводимого из лазера (когда плоскость зеркала не параллельна оси поворота дифракционной решетки) принципиально не отличается от рассмотренного двумерного случая, так как двумерный случай является по существу проекцией трехмерного на плоскость, проходящую через ось лазера перпендикулярно оси поворота. Для перехода от двумерного к трехмерному случаю следует лишь учесть составляющую угла между осевым лучом выходного пучка и проекционной плоскостью, который будет равен удвоенному углу между осью поворота и плоскостью зеркала.

Изобретение позволяет использовать перестраиваемые дифракционной решеткой лазеры с выводом излучения в нулевой порядок спектра дифракционной решетки в качестве источника излучения в фотометрах и фотометрических системах. При использовании изобретения в фотометре на основе перестраиваемого CO₂-лазера была существенно упрощена его оптическая схема и снижен дрейф нуля фотометра, сопровождавший перестройку длины волны излучения лазера. (56) Бродниковский А. М. , Богачев М. Б. Малогабаритный автоматизированный анализатор газов с непрерывным CO₂-лазером// Приборы и техника эксперимента. - 1991. - N 1. - с. 192-195.

Hard T. M. Laser Wavelength and Output Coupling by a Grating// Applied Optics. - 1970. - v. 9, N 8. - p. 1825-1830.

Использование: лазерная техника, фотометрия и спектрофотометрия, газоанализ. Сущность изобретения: ось поворота внутрирезонаторной дифракционной решетки размещена по касательной к ее поверхности, а плоское зеркало, обращенное к дифракционной решетке и осуществляющее с ней совместный поворот, поступательно перемещается в процессе поворота для обеспечения неизменного положения оси выходного лазерного пучка. 2 с. п. , 2 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ перестройки длины волны излучения лазера, выводимого из резонатора лазера в нулевой порядок спектра дифракционной решетки, заключающийся в том, что совместно поворачивают внутрирезонаторную дифракционную решетку, установленную по автоколлимационной схеме, и внерезонаторное плоское зеркало, обращенное к дифракционной решетке, отличающийся тем, что поворачивают дифракционную решетку вокруг оси, проходящей через точку падения оптической оси лазера на поверхность дифракционной решетки, и при этом поступательно перемещают зеркало так, что либо точка пересечения плоскости зеркала с нормалью к поверхности дифракционной решетки в указанной точке падения перемещается вдоль прямой, проходящей относительно оптической оси лазера под углом θ, равным углу между плоскостью, касательной к поверхности дифракционной решетки в точке падения на нее оптической оси лазера, и прямой, образованной пересечением плоскости зеркала с плоскостью, проходящей через оптическую ось лазера перпендикулярно к оси поворота, либо точка пересечения указанной касательной плоскости с прямой, образованной пересечением плоскости зеркала с плоскостью, проходящей через оптическую ось лазера перпендикулярно к оси поворота, перемещается вдоль прямой, проходящей относительно оптической оси лазера под углом θ
2. Устройство для перестройки длины волны излучения лазера, выводимого из резонатора лазера в нулевой порядок спектра дифракционной решетки, содержащее оптически связанные и установленные в поворотном узле дифракционную решетку и плоское зеркало под углом θ+90<198>. между плоскостью, касательной к поверхности дифракционной решетки, и прямой, образованной пересечением плоскости зеркала с плоскостью, перпендикулярной к оси поворота узла выполнена в указанной касательной плоскости, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит кинематически связанный с дифракционной решеткой привод прямолинейного движения в плоскости, перпендикулярной к оси поворота, причем зеркало выполнено подвижным с возможностью перемещения приводом точки пересечения с плоскостью зеркала нормали к указанной касательной плоскости, проходящей через ось поворота, или вершины угла θ, а ось поворота решетки совмещена с касательной к ее поверхности. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что дополнительно содержит две направляющих прямолинейного движения, первая из которых установлена в поворотном узле параллельно нормали к указанной касательной плоскости или параллельно нормали к оси поворота решетки, лежащей в указанной касательной плоскости, вторая установлена параллельно направлению прямолинейного движения привода, причем зеркало соединено с первой направляющей с возможностью поступательного перемещения, а с второй направляющей - с возможностью поступательно-вращательного перемещения. 4. Устройство по п. 2 или 3, отличающееся тем, что плоское зеркало выполнено с возможностью поворота вокруг двух осей, первая из которых образована пересечением плоскости зеркала с плоскостью, проходящей через дифракционную решетку перпендикулярно к касательной плоскости в точке ее касания, а вторая выполнена проходящей параллельно оси поворота через точку пересечения указанной нормали с плоскостью зеркала или вершину угла θ соответственно.