УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НЕКОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ПРОСТРАНСТВЕННО-КОГЕРЕНТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ Российский патент 2002 года по МПК H01S3/08 G02B6/42 

Изобретение относится к устройствам для преобразования световой энергии и может найти применение в оптике, машиностроении, приборостроении, химической промышленности, медицине.

Известны устройства для преобразования некогерентного оптического излучения в когерентное - лазеры, с различными рабочими средами: твердотельные, газовые, жидкостные, например рубиновые, неодимовые, источниками "накачки" которых служит некогерентное излучение газоразрядных ламп, светодиодов и т. д. [1] .

В лазерах с помощью оптического резонатора и физических законов индуцированного излучения происходит преобразование некогерентного излучения источника "накачки" в пространственно-когерентное оптическое излучение.

Однако к. п. д. этих лазеров мал и, как правило, составляет около 1%, например, у рубинового лазера. Кроме того, лазеры в силу своей сложной конструкции требуют больших капитальных и эксплуатационных затрат.

Известно также устройство, применяемое в спектроскопии, так называемый точечный источник света [2] , с помощью которого некогерентное излучение преобразуется в пространственно-когерентное. При этом размер d диафрагмы, расстояние L от нее до освещенного предмета, длина λ волны излучения и размер D области когерентности связаны между собой следующим соотношением d≤2λL/D.
Как показывает практика, размер диафрагмирующего отверстия составляет порядка 0,01-0,06 мм, а размер святящегося тела, фокусируемого на плоскости, с диафрагмой - 10-20 мм. В результате при диафрагмировании мощность когерентного излучения уменьшается до уровня 10^-5 - 10^-6 мощности первоначального некогерентного источника излучения.

Известно также конусообразное оптическое волокно - фокон [3] . При использовании фокона в качестве точечного источника света потери излучения при прохождении света через него будут значительно меньше, чем в обычном точечном источнике, так как площадь входного торца фокона значительно превышает площадь выходного торца.

Некогерентное излучение, поступающее на поверхность входного торца фокона под углом меньше угла, критического для данного типа волокна (например, для многомодового - 12^o8', для градиентного - 24^o40'), генерирует оптические волны в волокне и, многократно отражаясь от его боковых стенок, выходит на противоположный торец, радиус которого не превышает значения 0,05 мм, что соответствует области пространственной когерентности точечного источника.

При этом в процессе отражения от боковой поверхности волокна происходит частичное проникновение луча в оболочку фокона с меньшим показателем преломления, скорость его меняется, происходит как бы проскальзывание (эффект Гооса-Генхена) и тем самым выравнивание волнового фронта, который, поступая на фокальную плоскость линзы, создает когерентное излучение.

Однако площадь входного торца фокона мала и в результате мощность излучения на его выходе будет незначительна.

Для того чтобы увеличить эту площадь при сохранении требуемого угла конусности фокона, необходимо увеличить длину фокона. Так, при существующих источниках некогерентного излучения диаметром 10-20 мм требуется площадь входного торца фокона с таким же диаметром. В этом случае длина фокона составила порядка семи метров. Устройство было бы громоздким и не обеспечивало бы большой мощности когерентного излучения.

Наиболее близкой к заявляемому устройству по технической сущности и достигаемому результату является лазерная система для преобразования некогерентного излучения в пространственное когерентное [4] , включающая совокупность отдельных лазеров, соединенных между собой с помощью волноводных одномодовых Y-разветвителей, пространственно разнесенных.

Для их объединения используется попарно-каскадное соединение разветвителей так, что на выходе системы имеется только один световод.

Система способствует повышению надежности в работе и достижению компактности при высокой мощности выходного излучения. В этом устройстве посредством каскадного соединения одномодовых разветвителей и лазеров достигается преобразование некогерентного излучения, служащего для "накачки" отдельных активных элементов, встроенных в разветвители в пространственно-когерентное. Однако получение когерентного излучения в ней осуществляют за счет устройств, обладающих низким к. п. д. (лазеров), большой сложностью и требующих, как говорилось выше, больших капитальных и эксплуатационных затрат.

В основу изобретения положена задача создания устройства для преобразования некогерентного излучения в пространственно-когерентное путем использования совокупности фоконов в качестве преобразователя излучения за счет увеличения входной площади при повышении мощности излучения и снижении затрат.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для преобразования некогерентного излучения в пространственно-когерентное, включающем источник некогерентного излучения с фокусирующей системой и соединенные в каскады волоконные разветвители с одним световодом на выходе, волокна имеют конусообразную форму, плотно прилегают друг к другу в каждом разветвителе, их выходные концы соединены между собой, и разветвители в каскаде соединены параллельно, а каскады - последовательно так, что число волокон на выходе каждого каскада равно
N_n = mⁿ,
где N - число волокон на входе каждого каскада;
n - номер каскада (n ≤ 5);
m - число волокон в разветвителе (m ≤ 6).

Устройство размещено в герметичном корпусе и снабжено средством для отвода тепла.

Волокно в этом устройстве может иметь в поперечном сечении форму шестигранника или прямоугольника.

Выполнение волокон конусообразной формы, их плотное прилегание друг к другу внутри каждого разветвителя и соединение торцов волокон между собой позволило увеличить входную площадь устройства и тем самым снизить потери, обусловленные различием площадей на входе и выходе каждого разветвителя, что позволило в свою очередь получить пространственно-когерентное излучение, используя весь некогерентный световой поток, падающий на вход устройства.

Плотное прилегание волокон друг к другу позволило также уменьшить длину устройства до реальных размеров.

Параллельное соединение разветвителей внутри каскада и последовательное соединение каскадов обеспечило оптимальное перетекание светового потока по каждому волокну.

Оптимальным количеством волокон, позволяющим перетекать световому потоку с минимальными потерями от периферии к центру, является число волокон на входе каждого каскада, соответствующее выражению N_n = mⁿ.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства; на фиг. 2 - сечение по А-А; на фиг. 3 - прохождение луча по коническому волокну.

Устройство содержит источник 1 некогерентного излучения в виде кристалла арсенида галлия с фокусирующей системой 2 в виде параболического рефлектора и волоконные разветвители 3, в каждом из которых волокна 4 плотно прилегают друг к другу и центральному волокну 5 и их выходные концы 6 соединены между собой посредством скрутки и последующего сплавления. Разветвители 3 соединены в каскады 7 таким образом, что разветвители 3 внутри каждого каскада 7 соединены параллельно так, что число волокон 4 на входе каждого каскада 6 равно N_n = mⁿ. На выходе устройства в предпоследнем каскаде 7 волокна 4 соединены в один световод 8. При этом во входном каскаде 7 устанавливаются градиентные волокна, во всех последующих - многомодовые, а на выходе световод 8 выполнен из одномодового волокна.

Устройство установлено в герметичном корпусе 9 и снабжено устройством 10 для отвода тепла.

Устройство работает следующим образом. Световой поток от источника 1 сфокусированный системой 2 подается на входной каскад 7 под углом, не превышающим критический угол для градиентного волокна (~ 24^o ).

При прохождении по каждому конусообразному волокну 4 луч многократно отражается от боковых стенок волокна 4 со сдвигом фазы согласно эффекту Гооса-Генхена и последующей коррекции волнового фронта, что обеспечивает дальнейшее продвижение луча вдоль волокна 4. На участке соприкосновения с центральным волокном 5 происходит перетекание мощности с периферийных волокон 4 в волокно 5, так как все волокна 5 входного каскада 7 являются волокнами 4 разветвителей 3 последующего каскада 7. Так как все волокна 5 предыдущего каскада 7 являются волокнами 4 последующего каскада 7, то излучение по ним поступает в следующий каскад 7, перетекает к волокнам 5 этого каскада 7, по которым излучение перетекает в следующий каскад 7 и т. д. , пока не дойдет до центрального волокна 5 последнего каскада 7, которое и будет на выходе из него световодом 8, выполняющим роль точечного источника света с размерами 1 ~ 10 мк. При этом вся мощность источника 1 некогерентного излучения с небольшими потерями в разветвителях поступает на этот точечный источник, который является источником пространственно-когерентного излучения.

Литература
1. К. И. Крылов и др. Основы лазерной техники. - Л. : Машиностроение, 1990 г. с. 144-15 6.

2. М. Борн. , Э. Вольф. Основы оптики. Наука. Главная редакция физико-математической литературы. - М. : 1973 г.

3. А. Снайдер и Д. Лав. Теория оптических волноводов. - М. : Радио и связь, 1987, с. 79.

4. Н. М. Лындин, В. А. Сигугов и др. Лазерная система из нескольких активных элементов, объединенных одномодовыми разветвителями. Квантовая электроника 21, N 12 (1994) с. 1141-1144.

Изобретение относится к устройствам для преобразования световой энергии и используется в оптике, приборостроении, медицине. Устройство включает источник некогерентного излучения с фокусирующей системой и соединенные в каскады волоконные разветвители с одним световодом на выходе. Волокна имеют конусообразную форму и плотно прилегают друг к другу в каждом разветвителе, их выходные торцы соединены между собой. Разветвители в каскаде соединены параллельно, а каскады последовательно так, что число волокон на входе каждого каскада равно N_n= mⁿ, где N - число волокон на входе каждого каскада, n - номер каскада (n≤5), m - число волокон в разветвителе (m≤6). Устройство может быть размещено в герметичном корпусе и снабжено средством для отвода тепла. Обеспечено повышение мощности излучения. 3 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для преобразования некогерентного излучения в пространственно-когерентное, включающее источник некогерентного излучения с фокусирующей системой и соединенные в каскады волоконные разветвители с одним световодом на выходе, отличающееся тем, что волокна имеют конусообразную форму и плотно прилегают друг к другу в каждом разветвителе, их выходные торцы соединены между собой, разветвители в каскаде соединены параллельно, а каскады - последовательно так, что число волокон на входе каждого каскада равно: N_n= mⁿ, где N - число волокон на входе каждого каскада, n - номер каскада (n≤5), m - число волокон в разветвителе (m≤6). 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно размещено в герметичном корпусе и снабжено средством для отвода тепла. 3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что волокно в поперечном сечении имеет форму шестигранника. 4. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что волокно в поперечном сечении имеет форму прямоугольника.