МНОГОХОДОВАЯ ФОКУСИРУЮЩАЯ СИСТЕМА И СПОСОБ ФОКУСИРОВКИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЙ МНОГОКРАТНОЕ ПРОХОЖДЕНИЕ ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА ЧЕРЕЗ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ОБЪЕМ Российский патент 2014 года по МПК G02B17/08 G01J3/44 G01N21/65 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к осветительным системам, предназначенным для фокусировки лазерного излучения. Изобретение может быть использовано при исследовании свойств газовых сред, в том числе с химическими реакциями, в малых объемах, методами спектроскопии рассеяния или поглощения света.

Информацию о параметрах среды, исследуемой спектроскопическими методами, в частности методом спонтанного комбинационного рассеяния света (СКР), получают, используя форму и амплитуду регистрируемых спектров. Спектры СКР возбуждают излучением лазера с фиксированной частотой, например, ω₀, которое фокусируют и направляют в исследуемую среду. В результате взаимодействия светового пучка с исследуемой средой происходит рассеяние - возникает излучение, распространяющееся во всех направлениях. В его спектре содержатся новые компоненты, с частотами ω=ω₀±Ω, где Ω - колебательная или вращательная частоты молекул всех газов, входящих в состав исследуемой среды. Интенсивность комбинационных линий в спектре рассеянного света очень мала - приблизительно в 10 раз меньше интенсивности лазерного излучения, что серьезно затрудняет их регистрацию.

Один из методов решения проблемы усиления слабого светового сигнала заключается в использовании большого числа проходов лазерного излучения через объект исследования.

Известен способ, применявшийся во многих работах, например, в [М.С.Drake and G.M. Rosenblatt Rotational Raman Scattering from Premixed and Diffusion Flames // Combustion and Flame, 1978, v.33, p.179-196], когда используется возвращающее зеркало для отражения лазерного излучения в обратном направлении.

Недостатком описанного способа является ограниченная возможность увеличить интенсивность сигнала только в два раза за счет двойного прохождения излучения лазера через измерительный объем, из-за того, что падающий и отраженный пучки совмещены друг с другом.

Известен способ, также применявшийся многими исследователями, например [J.J.Barrett, in: Laser Raman Gas Diagnostics, Ed. by M. Lapp and CM. Penney, Plenum Press, N.Y. (1974), pp.63-85], при котором исследуемая среда помещается внутрь резонатора лазера. В этом случае интенсивность возбуждающего излучения, а, следовательно, и сигнала возрастает примерно в 10 раз.

Недостатком описанного способа является то, что его эффективность высока только в схемах с непрерывными лазерами, в которых существенно различается интенсивность излучения внутри и вне резонатора. Кроме того, внутрирезонаторная схема, где излучение совершает большое число проходов, оказывается очень чувствительной к оптическим неоднородностям исследуемой среды, способным даже сорвать генерацию.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является многоходовая зеркальная система высокого пространственного разрешения [Патент RU №2025750, C1, G02B 17/06, 08.01.1990], содержащая источник и приемник излучения, расположенные симметрично относительно плоскости, проходящей через оптическую ось, на которой установлены два противостоящих зеркальных объектива, а также два отражателя, оптически сопряженные между собой через соответствующий зеркальный объектив. С целью повышения светосилы и упрощения конструкции системы отражатели выполнены вогнутыми со сферическими поверхностями и расположены относительно зеркальных объективов на расстоянии, равном радиусам кривизны сферических поверхностей, при этом отражатели расположены противоположно друг другу относительно плоскости симметрии приемника и источника излучения вне зоны прохождения световых лучей между зеркальными объективами.

Недостатком этого устройства является использование сферических зеркал для отражения внеосевых пучков, что приведет к астигматизму и, следовательно, к снижению качества фокусировки. Присутствие оптических элементов между фокусирующим объективом и измерительным объемом затрудняет размещение крупного исследуемого объекта внутри такой осветительной системы. Это устройство может применяться в схеме пропускания и поглощения излучения, но оно будет иметь ограничения в схеме рассеяния, когда используют все три ортогональные координаты: по одной оси направляют лазерный пучок, по другой собирают рассеянный свет, по третьей ориентируют исследуемую горелку, например.

Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности использования лазерного излучения, т.е. повышение интенсивности полезного сигнала и уменьшение оптических искажений лазерного пучка, которое достигается многократным прохождением лазерного излучения через измерительный объем.

Поставленная задача решается тем, что многоходовая фокусирующая система, содержащая линзы для фокусировки лазерного пучка и зеркала для его возврата в измерительный объем, в котором происходит взаимодействие света с газовой средой, согласно изобретению включает размещенные на общем основании одну и более способных перемещаться в направлении к точке фокуса сборок оптических элементов, каждая из которых содержит два плоских поворотных зеркала в юстировочной головке, обеспечивающей независимый наклон каждого зеркала в двух направлениях, и перефокусирующую линзу между ними, установленную соосно с отраженным лазерным пучком на двойном фокусном расстоянии по ходу пучка от измерительного объема, установленных в положениях, обеспечивающих фокусировку отраженного пучка в той же точке, и одну сборку, содержащую линзу и плоское зеркало или только вогнутое зеркало, направляющую лазерный пучок так, что он проходит весь свой путь в обратном направлении, при этом число проходов равно от 4 более в зависимости от числа установленных сборок оптических элементов.

В многоходовой фокусирующей системе сборки оптических элементов располагают вплотную друг к другу.

В многоходовой фокусирующей системе реализуют способ фокусировки лазерного излучения, обеспечивающий многократное прохождение лазерного пучка через измерительный объем системой линз и зеркал, заключающийся в том, что излучение лазера поляризуют перпендикулярно плоскости основания многоходовой системы, лазерный пучок распространяется в одной плоскости, параллельной плоскости основания многоходовой системы, прошедший через объект исследования лазерный пучок попадает на сборку оптических элементов, включающую два плоских поворотных зеркала в юстировочной головке, обеспечивающей независимый наклон каждого зеркала в двух направлениях, и перефокусирующую линзу между ними, установленную соосно с отраженным лазерным пучком на двойном фокусном расстоянии по ходу пучка от измерительного объема, обеспечивающую перефокусировку пучка без изменения размера перетяжки, и возвращается в область измерений по другому пути, таким образом, лазерный пучок последовательно проходит одну и более сборок оптических элементов и попадает на сборку, содержащую линзу и плоское зеркало или только вогнутое зеркало, затем возвращается, проходя весь пройденный путь в обратном направлении, при этом число проходов составляет 4 и более в зависимости от числа пройденных сборок оптических элементов.

На фиг.1 представлена принципиальная схема устройства. Система содержит линзу 1, фокусирующую подаваемое на нее лазерное излучение с частотой ω₀, а также сборки оптических элементов 2, включающие в себя поворотные зеркала 3 и перефокусирующие линзы 4, и сборку 2', включающую в себя еще одну линзу 1 и зеркало 5, возвращающее лазерное излучение.

Устройство работает следующим образом.

Лазерное излучение фиксированной частоты ω₀ фокусируют линзой 1 в объекте исследований. Излучение лазера поляризуют перпендикулярно плоскости основания многоходовой системы, а лазерный пучок распространяется в плоскости, параллельной плоскости основания многоходовой системы. При прохождении лазерного пучка через газовую среду происходит его рассеяние на молекулах во всех направлениях с появлением новых частотных компонент. Анализируя спектр рассеянного излучения, собранного из ограниченной области сфокусированного лазерного пучка, получают информацию о составе и температуре газа в точке измерений. Прошедшее через объект исследования лазерное излучение попадает на сборку оптических элементов 2, обеспечивающую перефокусировку пучка без изменения размера перетяжки, и возвращается в область измерений по другому пути. Сборка оптических элементов 2 содержит два поворотных зеркала 3 в юстировочной головке, обеспечивающей независимый наклон каждого в двух направлениях, и перефокусирующую линзу 4. Способная перемещаться в направлении к точке фокуса, сборка оптических элементов 2 устанавливается в положении, обеспечивающем фокусировку отраженного пучка в той же точке. При этом расстояние от точки фокусировки пучка до центра линзы 4 оказывается равным ее двойному фокусному расстоянию. Такое положение линзы, равноудаленное от сопряженных фокальных плоскостей, обеспечивает перефокусировку пучка без изменения размера перетяжки. Пучок через линзу проходит по ее оси и поэтому испытывает минимальные искажения.

Система может иметь одну и более идентичных сборок оптических элементов 2. На схеме, фиг.1, показано шесть идентичных сборок 2.

Лазерный пучок последовательно проходит все сборки оптических элементов и попадает на сборку 2', содержащую линзу 1 и плоское зеркало 5 или только вогнутое зеркало, и возвращается, проходя весь пройденный путь в обратном направлении. Количество проходов зависит от количества используемых сборок оптических элементов 2 и может равняться 4 при использовании одной сборки 2 и более. В схеме, показанной на фиг.1, число проходов равно 14. Все элементы схемы размещены на общем основании.

Использование заявляемого изобретения позволяет, применяя многократное прохождение лазерного пучка через измерительный объем, увеличить интенсивность полезного сигнала. Предлагаемая оптическая схема максимально упрощена, она не требует изготовления специальных оптических элементов и вызывает минимальные искажения лазерного пучка.

Обоснование промышленной применимости.

При испытаниях многоходовой фокусирующей системы использовано излучение импульсного Nd:YAG лазера ЛТИ-401 (г.Минск, Белоруссия) с преобразованием излучения во вторую гармонику с частотой ω₀=18788 см^-1 (длина волны 532 нм). Длительность импульсов излучения ~15 не, частота повторения ~10 Гц, энергия в импульсе ~30 мДж (при использовании дополнительных блоков усиления).

Оптическая схема измерений соответствовала фиг.2. Схема содержала лазер 6, многоходовую фокусирующую систему 7, возвращающее зеркало для рассеянного излучения 8, приемную оптическую систему 9, спектрограф 10, многоканальный фотоприемник 11, компьютер 12, объект исследования 13.

В тестовых измерениях применение многоходовой фокусирующей системы позволило увеличить интенсивность спектров СКР в 10 раз. Для получения спектров такой интенсивности в схеме с одним проходом лазерного излучения потребовался бы лазер с энергией в импульсе ~300 мДж. Однако излучение с такими энергетическими параметрами неизбежно вызывает оптический пробой в фокусе. Для уменьшения плотности мощности сфокусированного лазерного излучения авторы [J.Kojima and Q.-V. Nguyen Measurement and simulation of spontaneous Raman scattering in high v.15, p.565-580] применяют специальную оптическую схему (т.н. "pulse-stretcher") для расширения лазерного импульса во времени. В предлагаемой многоходовой схеме использовали импульсное лазерное излучение с плотностью мощности в фокусе немного ниже пороговой. При многократном пересечении пучков плотность мощности также не превышала критического уровня, потому что излучение попадало в измерительный объем при каждом последующем проходе с задержкой по времени. Величину задержки можно установить подбором линз 1 и 4 с требуемыми для этого фокусными расстояниями. Это еще одно полезное свойство многоходовой системы.

Система может быть использована при исследовании свойств газовых сред, в том числе, с химическими реакциями, в малых объемах, методами спектроскопии рассеяния или поглощения света. Система включает способные перемещаться в направлении к точке фокуса сборки оптических элементов, каждая из которых содержит два плоских поворотных зеркала в юстировочной головке, обеспечивающей независимый наклон каждого зеркала в двух направлениях, и линзу между ними, установленную на двойном фокусном расстоянии по ходу пучка от измерительного объема. Сборки обеспечивают фокусировку отраженного пучка в той же точке. Одна сборка, содержащая линзу и плоское зеркало или только вогнутое зеркало, направляет лазерный пучок так, что он проходит весь свой путь в обратном направлении, при этом число проходов равно от 4 и более в зависимости от числа установленных сборок оптических элементов. Технический результат - повышение интенсивности полезного сигнала и уменьшение оптических искажений лазерного пучка за счет многократного прохождения лазерного пучка через измерительный объем. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Многоходовая фокусирующая система, содержащая линзы для фокусировки лазерного пучка и зеркала для его возврата в измерительный объем, отличающаяся тем, что система включает размещенные на общем основании одну и более способных перемещаться в направлении к точке фокуса сборок оптических элементов, каждая из которых содержит два плоских поворотных зеркала в юстировочной головке, обеспечивающей независимый наклон каждого зеркала в двух направлениях, и перефокусирующую линзу между ними, установленную соосно с отраженным лазерным пучком на двойном фокусном расстоянии по ходу пучка от измерительного объема, установленных в положениях, обеспечивающих фокусировку отраженного пучка в той же точке, и одну сборку, содержащую линзу и плоское зеркало или только вогнутое зеркало, направляющую лазерный пучок так, что он проходит весь свой путь в обратном направлении, при этом число проходов равно от 4 и более в зависимости от числа установленных сборок оптических элементов.

2. Способ фокусировки лазерного излучения, обеспечивающий многократное прохождение лазерного пучка через измерительный объем системой линз и зеркал, отличающийся тем, что излучение лазера поляризуют перпендикулярно плоскости основания многоходовой системы, лазерный пучок распространяется в одной плоскости, параллельной плоскости основания многоходовой системы, прошедший через объект исследования лазерный пучок попадает на сборку оптических элементов, включающую два плоских поворотных зеркала в юстировочной головке, обеспечивающей независимый наклон каждого зеркала в двух направлениях, и перефокусирующую линзу между ними, установленную соосно с отраженным лазерным пучком на двойном фокусном расстоянии по ходу пучка от измерительного объема, обеспечивающую перефокусировку пучка без изменения размера перетяжки, и возвращается в область измерений по другому пути, таким образом, лазерный пучок последовательно проходит одну и более сборок оптических элементов и попадает на сборку, содержащую линзу и плоское зеркало или только вогнутое зеркало, затем возвращается, проходя весь пройденный путь в обратном направлении, при этом число проходов составляет 4 и более в зависимости от числа пройденных сборок оптических элементов.