УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК H01S3/10 

Изобретение относится к лазерной технике и может использоваться в системах лазерной локации, связи, обработки, передачи и хранения информации, а также при создании лазерных технологических установок для высокоточной обработки материалов и медицинской техники.

Одним из эффективных способов получения коротковолновой генерации является преобразование лазерного излучения в излучение удвоенной частоты в нелинейных средах (генерация второй гармоники - ГВГ). Известная схема ГВГ содержит фокусирующую лазерное излучение линзу и линейный элемент, представляющий собой кристалл, вырезанный вдоль направления фазового синхронизма нелинейного взаимодействия [1]. Основным недостатком этой схемы является нарушение фазового синхронизма нелинейного взаимодействия вследствие нагрева кристалла при высокомощной накачке.

В известном лазерном устройстве с высокой эффективностью преобразования излучения нелинейный кристалл располагается между двумя вогнутыми зеркалами; для предотвращения температурной деградации используется устройство смещения нелинейного кристалла [2] . В этом устройстве лазерный луч всегда проходит через "свежий" участок кристалла, что исключает нарушение фазового синхронизма нелинейного взаимодействия вследствие локального перегрева кристалла в зоне луча. Однако в этом устройстве возможны нарушения оптимальных условий фазового синхронизма нелинейного взаимодействия вследствие отклонений падающего на кристалл луча от направления синхронизма при пространственном перемещении кристалла.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство преобразования частоты лазерного излучения, содержащее нелинейный кристалл, размещенный в конфокальной плоскости зеркал, и сканирующее (колеблющееся) зеркало, установленное на входе-выходе системы [3]. В данном устройстве также облегчен температурный режим нелинейного преобразования в кристалле, однако не обеспечено равномерное сканирование луча накачки по кристаллу, в частности, имеются "мертвые" зоны остановки луча при смене направления его смещения. Кроме того, в устройстве производится сканирование луча по сферическим зеркалам, что вносит дополнительные аберрационные искажения в излучении накачки и как следствие также приводит к понижению эффективности преобразования.

Технический эффект предложенного устройства преобразования частоты лазерного излучения заключается в достижении высокой эффективности преобразования излучения.

Для достижения вышеназванного эффекта создано устройство преобразования частоты лазерного излучения, содержащее нелинейный кристалл, размещенный в конфокальной плоскости зеркал. Новым в устройстве является то, что в нем с обеих сторон от нелинейного кристалла под углом α и 180^o - α к линии, соединяющей центры зеркал, размещены две просветленные пластины, установленные с возможностью вращения вокруг оси, параллельной этой линии, при этом углы, образованные нормалями к поверхностям пластин и этой линией, лежат в одной плоскости.

На чертеже представлена принципиальная схема предложенного устройства, использованного при создании ультрафиолетового лазера с преобразованием частоты (пример конкретного исполнения).

Устройство содержит нелинейный кристалл 1, размещенный в конфокальной плоскости зеркал 2 и 3 и две просветленные пластины 4 и 5. α и 180^o - α - углы между пластинами 4 и 5 и линией 00', соединяющей центры зеркал 2 и 3. AA' - ось вращения пластин 4 и 5.

Работу устройства преобразования частоты лазерного излучения рассмотрим по принципиальной схеме, изображенной на чертеже. Для фокусировки излучения в кристалл и обратного преобразования излучения в параллельный пучок используются конфокальные зеркала 2 и 3. Система развертки луча основного излучения в нелинейном кристалле основана на параллельном сдвиге оси излучения при прохождении через вращающуюся наклонную плоскопараллельную прозрачную пластину 4. Для исключения параллельного сноса лучей на выходе всей системы на ось вращение AA' пластины 4 устанавливалась вторая аналогичная пластина 5 с наклоном в другую сторону. Параллельный сдвиг оси излучения между пластинами 4 и 5 относительно положения до падения на первую пластину составляет:
,
где l - толщина пластины, α - угол между плоскостью пластины и осью вращения (луч падает на пластины параллельно их оси вращения) n - коэффициент преломления пластины. При фокусировке основного излучения в кристалл через первую вращающуюся пластину точка сечения луча накачки разворачивается в окружность диаметром 2h, что приводит к ослаблению тепловой нагрузки на кристалл примерно в M раз, где M - отношение длины окружности диаметром 2h к диаметру сечения луча накачки в кристалле. При этом обеспечивается равномерная засветка нелинейного кристалла по окружности без искажений луча накачки. Таким образом, в предложенном устройстве исключается локальный перегрев кристалла в зоне облучения, что приводит к повышению коэффициента нелинейного преобразования.

Экспериментальные исследования проводились с использованием лазера на парах меди с саморазогревной газоразрядной трубкой с внутренним диаметром 12 мм и длиной активной зоны 400 мм. Средняя мощность излучения лазера с неустойчивым телескопическим резонатором составляла: на длине волны 510,6 нм - 3 Вт, на длине волны 578,2 нм - 2 Вт, при расходимости излучения 0,3 мрад. В качестве нелинейной среды использовался кристалл KDP длиной 28 мм, вырезанный под углом 78^o к оптической оси кристалла Z (угол синхронизма осе-взаимодействия генерации суммарной частоты от длин основного излучения 510,6 нм и 578,2 нм). Радиус кривизны конфокальных зеркал 2 и 3 составлял 1000 мм, толщина просветленных кварцевых пластин (КУ-1) 4 и 5 - 10 мм, угол наклона пластин α = 60^o, частота вращения пластин - 20 Гц. При прямой фокусировке излучения накачки в кристалл мощность параметрически генерируемого излучения ( λ = 371,1 нм) составляла 120 мВт. При использовании описанной конструкции средняя мощность УФ излучения составила 200 мВт. Таким образом, эффективность нелинейного преобразования с предложенным устройством была повышена примерно в два раза.

По своим функциональным параметрам предложенное устройство может найти широкое применение в области спектроскопии, в системах лазерной локации, технологии и медицине.

По результатам экспериментов в НИИКИ ОЭП ВНЦ ГОИ им. С.В.Вавилова разработан макетный образец УФ - лазера для использования в области лазерной терапии.

Использование: область применения системы лазерной локации, связи, обработки, передачи и хранения информации, а также лазерные технологические установки для высокоточной обработки материалов и медицинская техника. Сущность: предложено устройство преобразования частоты лазерного излучения, содержащее нелинейный кристалл, размещенный в конфокальной плоскости зеркал. Новым в устройстве является то, что в нем с обеих сторон от нелинейного кристалла под углом α и 180^o - α к линии, соединяющей центры зеркал, размещены две просветленные пластины, установленные с возможностью вращения вокруг оси, параллельной этой линии, при этом углы, образованные нормалями, к поверхностям пластин и этой линией, лежат в одной плоскости. 1 ил.

Устройство преобразования частоты лазерного излучения, содержащее нелинейный кристалл, размещенный в конфокальной плоскости зеркал, отличающееся тем, что с обеих сторон от нелинейного кристалла под углом α и 180^o - α к линии, соединяющей центры зеркал, размещены две просветленные пластины, установленные с возможностью вращения вокруг оси, параллельной этой линии, при этом углы, образованные нормалями к поверхностям пластин и этой линией, лежат в одной плоскости.