ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР СВЕТА Российский патент 2019 года по МПК H01S3/83 H01S3/108 G02F1/39 

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано при разработке и изготовлении твердотельных лазеров с параметрическим преобразованием излучения, особенно при их серийном производстве.

Техническая проблема состоит в необходимости разработки компактной схемы параметрического генератора света (ПГС), характеризующегося возможностью работать в широком диапазоне эксплуатационных температур.

Проблематика вопроса такова. В настоящее время мощные лазерные источники среднего и дальнего инфракрасного (ИК) диапазона в области 3…10 мкм находят целый ряд практических применений. Наиболее известной технологией для получения излучения в спектральной области 3…10 мкм является преобразование излучения с длинами волн 1...2 мкм в параметрическом генераторе света [Dr. Irina Т. Sorokina and Dr. Konstantin L. Vodopyanov. Solid-state mid-infrared laser sources. Topics in Applied Physics, 89, 2003]. При этом, применение источника накачки с длиной волны 2 мкм более предпочтительно, чем источника с длиной волны 1 мкм, из-за большей, как минимум в два раза, квантовой эффективности преобразования. Наибольшее распространение для этих целей получил, в частности, положительный нелинейный кристалл (НК) германо-фосфида цинка -ZnGeP₂ (ZGP) [ZGP properties listed on Inrad website, http.//www.inrad.com/pages/crystals.html]. Этот кристалл имеет высокую нелинейность, хорошее пропускание в спектральной области от 2 до 10 мкм, высокие тепловые и механические характеристики.

Теория предмета состоит в следующем. Параметрическое преобразование основано на взаимодействии интенсивной волны накачки с молекулами нелинейного кристалла, имеющими достаточно большую нелинейную восприимчивость. Такое взаимодействие можно описать как неупругое рассеяние фотона (или кванта) накачки с частотой ω_н молекулой, когда фотон накачки поглощается, а генерируется два новых фотона с частотами ω_с и ω_х [Дмитриев В.Г., Тарасов Л.В. Прикладная нелинейная оптика. - Москва: Наука, 2006. 352 с.] При этом, согласно закону сохранения энергии, должно выполняться условие:

где ω_с, ω_х - частоты сигнальной (с большей частотой) и холостой (с меньшей частотой) волн, соответственно. Кроме этого, для взаимодействующих волн должно выполняться условие фазового синхронизма, которое в векторной форме записывается:

где k_н, k_с, k_x - волновые векторы взаимодействующих волн накачки, сигнальной и холостой, соответственно, и при скалярном (коллинеарном) синхронизме, когда складываются только модули взаимодействующих волн:

или:

где n_н, n_с, n_x - показатели преломления на длинах волн накачки, сигнальной и холостой, соответственно. Отметим, что коллинеарный, или скалярный синхронизм, наиболее широко используемый на практике, является частным случаем более общего неколлинеарного (векторного) синхронизма.

Целесообразно для обеспечения наглядности и однозначности понимания заявляемого технического решения привести ряд изображений, демонстрирующих принципиальную оптическую схему ПГС - аналогов и прототипа.

На фиг. 1 и фиг. 2 представлены, диаграммы сложения векторов в случаях коллинеарного и неколлинеарного синхронизмов, соответственно, демонстрирующие общепринятые схемы взаимодействия векторов.

На фиг. 3 представлено координатное пространство НК. Направление распространения излучения накачки в кристалле обозначено вектором k. Оптическая ось кристалла обозначается обычно через Z. Углы и ϕ - полярный и азимутальный углы, соответственно, однозначно определяют пространственное положение вектора k в одноосном кристалле Плоскость, содержащая ось Z и волновой вектор k, называется главной плоскостью и на фиг. 3 обозначена пунктирной линией. Азимутальный угол ϕ - это угол между проекцией вектора k на плоскость XY, перпендикулярную оси Z, и одной из осей в этой плоскости. Штрих - пунктирная линия показывает поверхность конуса с углом при вершине , которую может образовывать вектор k, где реализуется синхронизм независимо от азимутального угла ϕ, то есть выполняются условия (1), (2), (3), (4).

Следует отметить, что в положительном кристалле для всех направлений распространения излучения, кроме направления вдоль оптической оси, - n_e>n_o (для отрицательного кристалла наоборот - n_o>n_c), где n_e и n_o - показатели преломления необыкновенной (е) и обыкновенной (о) волн, соответственно. При этом луч, поляризация (направление колебаний электрического вектора Е) которого лежит в главной плоскости, называется необыкновенной е - волной. Луч, поляризация которого перпендикулярна главной плоскости, называется обыкновенной о - волной. Показатель преломления е - волны n_e зависит от направления распространения, а для о - волны n_o, наоборот, не зависит. Для случая распространения излучения вдоль оптической оси - n_e=n_o.

Как было показано выше, для выполнения условий фазового синхронизма при трехчастотном взаимодействии, то есть, выполнения условий (1), (2), (3), (4), требуется использовать волны с различной поляризацией. На практике для параметрического преобразования в положительном кристалле наиболее широко используется оее-синхронизм или синхронизм 1-го типа, то есть, когда волна накачки имеет обыкновенную (о) поляризацию, а сигнальная и холостая волны имеют одинаковые необыкновенные (е) поляризации. Для отрицательного кристалла наоборот, синхронизм 1-го типа реализуется, когда волна накачки имеет необыкновенную (е) поляризацию, а сигнальная и холостая волны имеют одинаковые обыкновенные (о) поляризации.

На фиг. 4 представлено координатное пространство НК ZGP и направление поляризации (E_o, Е_е) взаимодействующих волн для выполнения синхронизма 1-го типа. Направление синхронизма в НК обозначено буквой S. В рассматриваемом случае волна накачки идет по направлению синхронизма и имеет обыкновенную поляризацию E_o, перпендикулярную главной плоскости (YZ). При помещении нелинейного кристалла в резонатор ПГС и угловой подстройке НК вокруг координатной оси X на направление фазового синхронизма S наблюдается параметрическое усиление сигнальной и холостой волн. Выходное излучение представляет собой сумму сигнальной и холостой волн с необыкновенной поляризацией Е_е, лежащей в главной плоскости, а также не преобразованную часть излучения накачки E_o.

Эффективность взаимодействия d_oee для рассматриваемого случая определяется известным выражением:

где: d₃₆=75⋅10^-12 м/В - нелинейный коэффициент [Г.Г. Гурзазян, В.Г. Дмитриев, Д.Н. Никогосян Нелинейные оптические кристаллы. Свойства и применение в квантовой электронике. Справочник. - Москва: Радио и связь, 1991.]

Так, для параметрического преобразования двухмикронного излучения в спектральный диапазон 3-5 мкм выполнение фазового синхронизма 1-го типа в НК ZGP обеспечивается, если излучение накачки имеет поляризацию E_o, угол между направлением накачки и оптической осью Z кристалла - , при азимутальном угле ϕ=0°. Как показано на фиг. 3, синхронизм реализуется на поверхности конуса с углом при вершине независимо от азимутального угла ϕ; в то же время, эффективность процесса нелинейного преобразования d_oee в значительной мере определяется обоими углами - и ϕ, в соответствии с выражением (5).

По минимуму, оптическая схема ПГС [Дмитриев В.Г., Кулевский Л.А. Параметрические генераторы света. Справочник по лазерам. Под редакцией А.М Прохорова. - М.; Сов. радио, 1978. - Т. 2. - С 319-348] включает в себя один нелинейный кристалл и оптический резонатор, состоящий из двух зеркал, закрепленных в юстировочных оправах, обеспечивающих в определенных пределах регулировку пространственного положения пучка излучения. Обычно НК устанавливается в держатель кристалла, выполняющий также функцию теплопроводящей рубашки, конструкция которого обеспечивает:

- надежную механическую фиксацию НК;

- возможность изменения его углового положения в горизонтальной или вертикальной плоскости относительно направления накачки для подстройки на направление фазового синхронизма и изменения частоты выходного излучения ПГС в пределах угловой ширины синхронизма ;

- стабилизацию температуры НК (термостабилизацию) на определенном уровне за счет нагрева или охлаждения держателя кристалла от внешней системы термостатирования. Последнее, в свою очередь, обеспечивает стабилизацию значений показателей преломления для взаимодействующих волн в кристалле и, соответственно, спектрального состава выходного излучения.

Габариты конструкции ПГС в общем случае будут определяться:

- количеством и габаритами НК;

- габаритами держателя НК и способом стабилизации температуры;

- количеством и габаритами оправ зеркал резонатора и их взаимным расположением. Как правило, оправы зеркал резонатора ПГС и держатель кристалла для удобства монтажа и юстировки, устанавливают на горизонтальной плоскости.

На фиг. 5 в качестве аналога представлена блок-схема лазерного источника с ПГС, взятая из [L.A. Pomeranz, «Thulium laser pumped mid-IR source with broadbanded output». Patent US, WO 2004/070895 A2, PCT/US 2004/002478, IPC H01S]. Излучение лазера накачки 1 с длиной волны λ_Н~2,1 мкм проходит через изолятор Фарадея 1а и фокусируется с помощью линзы 1б (для удобства обозначены цифрой 1, так как связаны с функционированием лазера накачки) в положительный НК 3 из ZGP, помещенный в линейный двухзеркальный резонатор. Резонатор образован двумя плоскими зеркалами 2 и 2а. Для рассматриваемого случая спектральный диапазон перестройки выходного излучения составляет 3-5 мкм.

Несмотря на компактность ПГС на основе двухзеркального резонатора, он имеет существенный недостаток - необходимость включения в оптическую схему дополнительного элемента - изолятора Фарадея, обеспечивающего защиту лазера накачки от обратного отражения излучения из резонатора ПГС (пунктирная стрелка на фиг. 5). При отсутствии изолятора работа лазера накачки становится неустойчивой. Отметим, что это «вредное» для лазера накачки излучение может возникать как при отражении накачки от элементов резонатора ПГС, так и в результате обратного преобразования параметрической генерации в излучение накачки на обратном проходе сигнальной и холостой волн в резонаторе. Кроме этого, применение изолятора Фарадея, из-за его относительно низкой лучевой стойкости, возможно только в маломощных лазерах. В мощных лазерах обычно применяют кольцевую схему резонатора ПГС, в которой излучение накачки и параметрической генерации распространяются в одном направлении, что позволяет исключить из оптической схемы изолятор Фарадея.

На фиг. 6 представлена схема лазерного излучателя с ПГС без изолятора Фарадея, взятая из [Е. Lippert, S. Nicolas, G. Arisholm, K. Stenersen, A.S. Villanger, and G. Rustad. «High-power fiber-laser-pumped mid-infrared laser sources». Proc. of SPIE Vol. 6397 639704-1]. Излучение лазера накачки 1 с длиной волны λ_н~2,1 мкм входит в кольцевой резонатор, образованный зеркалами: 2 (зеркало, входное для накачки и высокоотражающее для параметрической генерации); 2а (выходное для параметрической генерации); 2б и 2в (высокоотражающие зеркала для накачки и параметрической генераций В двух плечах резонатора расположены два НК ZGP 3 и 3а с ориентацией, обеспечивающей компенсацию ухода луча при угловой подстройке НК на направление фазового синхронизма. Спектральный диапазон перестройки выходного излучения составляет 3-5 мкм. Недостатком рассмотренной схемы является относительно большие габариты ПГС из-за использования в схеме двух НК и четырех зеркал резонатора. Следует отметить, что в рассмотренных схемах аналогов, приведенных на фиг. 5 и 6, ход лучей в резонаторе ПГС осуществляется в горизонтальной плоскости и фазовый синхронизм, при однократном проходе накачки через кристалл, обеспечивается при ориентации поляризации излучения накачки относительно кристаллографических осей кристалла в соответствии с фиг. 4.

Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого изобретения по решаемой задаче и количеству сходных признаков является реализованная на практике оптическая схема ПГС с кольцевым трехзеркальным резонатором, которая представлена на фиг. 7 и 8 (вид сверху и сбоку, соответственно.) и подробно описана в [Е. Lippert, Н. Fonnum, G. Arisholm, and K. Stenersen «А 22-watt mid-infrared optical parametric oscillator with V-shaped 3-mirror ring resonator» 2010 OSA 6 December 2010 / Vol. 18, No. 25 / OPTICS EXPRESS 26475.]. Параметрический генератор света, построенный по этой схеме, включает в себя три плоских зеркала резонатора 2, 2а, 2б, заключенных в оправы, расположенные на горизонтальной поверхности в вершинах треугольника, и один нелинейный оптический кристалл ZnGeP₂ 3. Излучение лазера накачки 1 с λ_н~2,1 мкм, линейно поляризованное в горизонтальной плоскости, входит в резонатор через плоское зеркало 2 (входное для накачки), проходит НК, отражается от зеркала 2а и повторно проходит НК в обратном направлении. Два плоских зеркала 2 и 2б расположены на минимальном расстоянии друг от друга так, чтобы сделать плечо резонатора между этими зеркалами как можно короче. При этом угол γ между двумя другими плечами становится достаточно малым, что позволяет накачке повторно проходить внутри кристалла под углом β относительно плоскости перестройки (двойной проход накачки через кристалл). Как показано в цитируемом литературном источнике [Е. Lippert, Н. Fonnum, G. Arisholm, and K. Stenersen «А 22-watt mid-infrared optical parametric oscillator with V-shaped 3-mirror ring resonator» 2010 OSA 6 December 2010 / Vol. 18, No. 25 / OPTICS EXPRESS 26475.], в рассматриваемой схеме применялся кристалл длиной 8,5 мм и апертурой 6×8 мм, для которого: γ=17°, β=2,7°. Угол α между направлением накачки и оптической осью Z кристалла при малых углах β практически совпадает с углом фазового синхронизма , то есть . При этом азимутальный угол ϕ отличается от нуля и составляет ϕ=3,4°, однако эффективность взаимодействия, рассчитываемая по выражению (5), для рассматриваемого случая уменьшается не более чем на 1%.

Следует отметить, что в схеме, представленной на фиг. 7, фиг. 8 ход лучей в резонаторе ПГС осуществляется, как и в рассмотренных выше схемах на фиг. 5 и 6, в горизонтальной плоскости. Однако, в этом случае при двойном проходе накачки через кристалл, для выполнения условий фазового синхронизма, кристалл, в отличие от показанного на фиг. 4, должен быть повернут на 90° по длинной стороне. При этом поляризация излучения накачки и ось вращения кристалла (ось X) будет лежать в плоскости резонатора. Параметром перестройки служит угол α между осью Z кристалла и направлением излучения накачки в плоскости резонатора. На фиг. 8 (вид сбоку) позициями показаны:

1 - лазер накачки;

2 - входное плоское зеркала резонатора ПГС;

2а - выходное плоское зеркало резонатора ПГС;

2б - промежуточное глухое плоское зеркала резонатора ПГС;

3 - нелинейный кристалл ZGP;

4 - верхняя часть держателя кристалла;

4а - нижняя часть держателя кристалла.

При угловой подстройке кристалла на направление фазового синхронизма происходит параллельный сдвиг луча на зеркале 2а в вертикальной плоскости относительно первоначального положения. Так как зеркало 2а плоское, то отражение луча в обратном направлении происходит под первоначальным углом. Благодаря проходу луча в обратном направлении через тот же кристалл, происходит компенсация параллельного сдвига лучей, и настройка резонатора сохраняется.

Держатель кристалла, состоящий из верхней 4 и нижней 4а деталей, выполненных, в частности, из алюминиевого сплава, обеспечивает:

- механическую фиксацию НК;

- возможность изменения углового положения НК в вертикальной плоскости относительно направления накачки для настройки на направление фазового синхронизма;

- стабилизацию температуры НК на уровне 15°С за счет протока воды через держатель от внешней системы термостатирования.

В прототипе решена задача создания компактной схемы параметрического генератора света за счет использования одного кристалла вместо двух (как в аналоге) и компактного расположения трех зеркал резонатора, однако рассматриваемая конструкция имеет ряд недостатков с точки зрения общих габаритов и ограничений, связанных с температурным диапазоном эксплуатации ПГС.

Среди них:

- водяное охлаждение ограничивает эксплуатационную температуру на уровне температуры замерзания воды. Для продвижения в область низких температур эксплуатации необходимо использовать специальные жидкости с низкой температурой замерзания;

- система стабилизации температуры (термостабилизация) на основе воды или специальной жидкости сложное и громоздкое устройство, в состав которого входит собственно держатель кристалла с внутренними каналами для жидкости, входной и выходной патрубки, трубопроводы подачи и отвода жидкости от держателя кристалла, прокачное устройство, внешняя система регулирования температуры жидкости;

- даже в случае возможного применения для стабилизации температуры кристалла широко распространенных компактных термоэлектрических модулей (ТЭМ) (на основе элементов Пельтье) из-за особенностей конструкции держателя кристалла, когда его ось вращения лежит в горизонтальной плоскости, это будет не эффективным и иметь относительно большие габариты.

Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение возможности расширения температурного диапазона эксплуатации при уменьшении общих габаритов ПГС, что обеспечено путем создания компактной схемы параметрического генератора света, характеризующегося возможностью работать в широком диапазоне эксплуатационных температур.

Заявленный технический результат достигается тем, что в отличие от известного параметрического генератора света, содержащего положительный нелинейный оптический кристалл, установленный с возможностью вращения относительно направления накачки в держателе из теплопроводного материала и связанный со средством его термостабилизации, при этом нелинейный оптический кристалл помещен в трехзеркальный кольцевой резонатор, составленный из трех плоских зеркал, расположенных на горизонтальной плоскости в вершинах треугольника с образованием разных плеч таким образом, что два плоских зеркала, одно из которых является входным для накачки, расположены на таком малом расстоянии друг от друга, что короткое плечо резонатора в плоскости между этими зеркалами задает угол γ между другими плечами резонатора, обеспечивающий возможность двойного прохода накачки через кристалл, в предложенном параметрическом генераторе света в трехзеркальном кольцевом резонаторе обеспечен ход лучей в вертикальной плоскости, причем короткое плечо резонатора образовано в вертикальной плоскости уголковым отражателем с фиксированным углом ε, определяемым соотношением: ε=90°-γ/2, а нелинейный оптический кристалл установлен в держателе с возможностью его вращения в горизонтальной плоскости относительно направления накачки, поляризованной в вертикальной плоскости, при этом в качестве средства термостабилизации нелинейного оптического кристалла выбран термоэлектрический модуль на основе элементов Пельтье, установленный в контакте с держателем кристалла.

Таким образом, в предлагаемой конструкции новизна состоит в том, что короткое плечо резонатора реализовано в вертикальной плоскости уголковым отражателем, образованным двумя плоскими зеркалами резонатора с фиксированным углом ε между ними, определяемым соотношением ε=90°-γ//2. Для наглядности воспользуемся фиг. 9. На фиг. 9 представлен ход лучей в трехзеркальном резонаторе, образованном уголковым отражателем с фиксированный углом ε<90°, состоящим из плоских зеркал 2 и 2б, и плоским зеркалом 2а. Геометрические соотношения, приведенные на фиг. 9, показывают однозначную связь угла ε с углом γ между длинными плечами трехзеркального резонатора. То есть, в заявляемом варианте рассматриваем углы (α, , ϕ, β) такие же, какие указаны в прототипе, только для кристалла повернутого на 90 градусов относительно прототипа. В заявляемом варианте ось Х - вертикальная, в прототипе - горизонтальная. Дополнительно в прототипе вводится угол γ, который рассчитывается по приведенному значению β, а в заявляемом - γ и ε, где ε - фиксированный угол между зеркалами уголкового отражателя, который геометрически связан с γ-ε=90°-γ/2

При этом оптическая ось кристалла Z ориентирована в горизонтальной плоскости, а вектор поляризации накачки в вертикальной плоскости, что обеспечивает угловые перемещения держателя кристалла в горизонтальной плоскости, что, в свою очередь, позволяет для стабилизации температуры кристалла создать компактную систему термостатирования за счет средства термостабилизации в виде термоэлектрического модуля на основе элементов Пельтье, установленного в контакте с держателем из теплопроводного материала. Отечественная промышленность выпускает широкую номенклатуру ТЭМ, применяемых для создания компактных систем стабилизации температуры различных элементов (например, www.kriotherm.ru).

Средство термостабилизации (ТЭМ) в заявляемом ПГС функционально отделено от держателя (ТЭМ находится в тепловом контакте с держателем, а блок питания и управления ТЭМ находится вне оптической схемы см. фиг. 10).

Приведем общий перечень используемых фигур и графических изображений.

На фиг. 1 и фиг. 2 представлены диаграммы сложения векторов в случаях коллинеарного и неколлинеарного синхронизмов, соответственно, демонстрирующие общепринятые схемы трехчастотных взаимодействий.

На фиг. 3 представлено координатное пространство НК.

На фиг. 4 представлено координатное пространство конкретного НК ZGP и направление поляризации (E_o, Е_е) взаимодействующих волн для выполнения синхронизма 1-го типа.

На фиг. 5 в качестве аналога представлена блок-схема лазерного источника с ПГС.

На фиг. 6 представлена схема лазерного излучателя с ПГС без изолятора Фарадея (аналог).

На фиг. 7 и 8 представлена оптическая схема ПГС с кольцевым трехзеркальным резонатором (вид сверху и сбоку, соответственно).(прототип)

На фиг. 9 представлен ход лучей в трехзеркальном резонаторе, образованном уголковым отражателем с фиксированный углом.

На фиг. 10 представлен схематично пример конкретного выполнения заявляемой конструкции компактного параметрического генератора света с трехзеркальным кольцевым резонатором. Конкретно, на фиг. 11 (вид сбоку) показан ПГС с оптической схемой трехзеркального кольцевого резонатора и ходом лучей в вертикальной плоскости резонатора.

На фиг. 11 позициями обозначены следующие элементы:

1 - лазер накачки;

2, 2б - плоские зеркала, образующие уголковый отражатель с фиксированным углом ε между ними;

2а - выходное зеркало резонатора ПГС;

3 - нелинейный кристалл ZGP;

4 - верхняя часть держателя кристалла;

4а - нижняя часть держателя кристалла.;

5 - ТЭМ;

5а - провода электропитания ТЭМ;

5б - блок питания и управления ТЭМ;

6 - платформа для установки держателя НК, ТЭМ и угловой подстройки НК.

На фиг. 11, 12 представлены реализованные «в железе» заявляемый ПГС и ТЭМ, где в дополнение к позициям фиг. 10 обозначены:

7, 7а, 7б, 7в - винты, крепящие разъемные детали держателя;

8, 9 - юстировочные оправы, уголкового отражателя и глухого зеркала 2а, соответственно.

В отличие от ближайшего аналога (прототипа) в заявляемой схеме ПГС НК повернут по длинной стороне на 90°, и конфигурация координатного пространства кристалла и направление поляризации соответствуют показанным на фиг. 4. При данной конфигурации угловая настройка кристалла на направления фазового синхронизма осуществляется в горизонтальной плоскости. При этом двойной проход накачки через кристалл осуществляется в некритичной для фазового синхронизма вертикальной плоскости. Для реализации хода лучей в вертикальной плоскости два плоских зеркала 2 и 2б образуют уголковый отражатель с фиксированным углом ε между ними, где 2 - входное зеркало для накачки.

Зеркала уголкового отражателя, расположенные на минимальном расстоянии друг от друга, позволяют сделать плечо резонатора между этими зеркалами предельно коротким, что делает угол γ между другими плечами резонатора таким малым, что накачка, входящая в нелинейный кристалл через одно из плоских зеркал уголкового отражателя, может повторно проходить через нелинейный кристалл в обратном направлении. На практике угол ε определяется из геометрии простым соотношением ε=90°-γ/2 и может быть легко рассчитан исходя из апертуры кристалла и его длины.

По сравнению с прототипом средство термостабилизации функционально разведено с держателем. Термоэлектрический модуль отдельная деталь, а в прототипе в держателе циркулирует вода, охлажденная внешней системой кондиционирования.

Таким образом, ход лучей в вертикальной плоскости резонатора ПГС, позволяет осуществлять угловую настройку кристалла на направление фазового синхронизма в горизонтальной плоскости, что, в свою очередь, позволяет создать более компактную систему термостабилизации кристалла, чем в рассматриваемом ближайшем аналоге.

На фиг. 11 показана фотография компактного параметрического генератора света с трехзеркальным кольцевым резонатором, изготовленного по предлагаемому техническому решению.

Положительный нелинейный оптический кристалл ZGP 3 с апертурой 5×6 мм и длиной 20 мм устанавливается в держатель кристалла. Держатель кристалла изготовлен из теплопроводного материала (меди) в виде двух разъемных деталей 4 и 4а. Кристалл, обернутый фольгой из индия толщиной 0,2 мм, обжимается с помощью винтов 7 и 7а - разъемными деталями держателя. Конфигурация координатного пространства кристалла соответствует показанной на фиг. 4. Для данного направления оптической оси Z подстройка кристалла на направление фазового синхронизма осуществляется вокруг оси X. Для этого держатель кристалла 4а устанавливается на платформу 6, которая крепится на горизонтальной плоскости общего основания и имеет возможность угловых перемещений в этой плоскости. В платформе, изготовленной из теплопроводящего материала, сделана прямоугольная выборка глубиной ~2 мм в которую помещается ТЭМ, обозначенный позицией 5 с проводами электропитания ТЭМ 5а. (см фиг. 12) На фиг. 12 показана фотография общего вида стандартного ТЭМ с размерами 19×23 мм и толщиной 4,3 мм производства компании КРИОТЕРМ (www.kriotherm.ru). Плоскость нижней части держателя кристалла 4а через тепло проводящую пасту приведена в непосредственный тепловой контакт с верхней пластиной ТЭМ. Нижняя пластина ТЭМ, в свою очередь, также через теплопроводящую пасту, прижимается к платформе 6. Держатель кристалла 4а с платформой жестко соединяется с помощью крепежных винтов 7б, 7в и винта 7г (на фиг. 11 его не видно; он расположен на противоположной стороне относительно 7б и 7в).

При угловой подстройке кристалл, держатель кристалла, ТЭМ и платформа, как единое целое, могут поворачиваться в определенных пределах вокруг вертикальной оси X относительно неподвижного массивного основания. Отметим, что для уменьшения теплового сопротивления между платформой и основанием находится тонкий слой теплопроводящей пасты. После точной настройки кристалла на направление фазового синхронизма платформа 6 с помощью винтов (на фиг. 11 не показаны) жестко крепится к основанию.

Уголковый отражатель, образованный двумя плоскими зеркалами 2 и 2б с фиксированным углом между ними ε=84,5°, крепится на юстировочную оправу 8 и имеет угловые подвижки в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Излучение накачки входит в резонатор через плоское зеркало 2, которое имеет покрытие с высоким пропусканием на длине волны ~2 мкм и высокое отражение в диапазоне длин волны параметрической генерации 3,5-5 мкм, проходит через НК, отражается от зеркала 2а и повторно проходит НК. Плоское зеркало 2а имеет покрытие с высоким отражением на длине волны ~2 мкм и ~50% отражение в диапазоне длин волн параметрической генерации 3,5-5 мкм. Зеркало 2а, закрепленное в юстировочную оправу 9, является выходным зеркалом резонатора ПГС. Для рассматриваемой оптической схемы, представленной на фиг. 11, при геометрических размерах применяемого НК и уголкового отражателя с ε=84,5° угол между длинными плечами резонатора составил γ=11° внутренний угол β=1,7°, азимутальный угол ϕ=2,1°. Полученные значения углов меньше, чем в ближайшем аналоге (γ=17°, β=2,7° ϕ=3,4°), и для малых углов β угол α (см. фиг. 8) между направлением накачки и оптической осью Z кристалла практически совпадает с углом фазового синхронизма , то есть . Азимутальный угол ϕ отличается от нуля и для ϕ=2,1° эффективность взаимодействия, рассчитанная по выражению (4), отличается от максимально возможной меньше чем на 1%.

Излучение параметрической генерации, которое возникает при первом и втором проходе накачки через НК, попадает на зеркало 2б, которое имеет высокое отражение в диапазоне длин волн 3,5-5 мкм. Далее, отражаясь от зеркала 2, излучение параметрической генерации попадает в НК и, в результате многократного взаимодействия с областью накачки, усиливается.

По сравнению с ближайшим аналогом, в параметрическом генераторе света, изготовленном по предлагаемому техническому решению, применена эффективная, малогабаритная система стабилизации температуры кристалла. За счет обратимости работы ТЭМ, их можно использовать как для охлаждения, так и для нагрева стабилизируемого по температуре элемента. Известно, что при смене полярности постоянного тока, горячая и холодная пластины ТЭМ меняются местами. Таким образом, в зависимости от температуры эксплуатации можно включать режим охлаждения или режим нагрева. При этом, степень охлаждения (нагрева) пропорциональна величине тока, проходящего через ТЭМ, что позволяет работать в широком диапазоне температуры окружающей среды и, при необходимости, с высокой точностью регулировать температуру охлаждаемого (нагреваемого) держателя кристалла. Благодаря уголковому отражателю с фиксированным углом между зеркалами упрощается процесс сборки и настройки резонатора ПГС. Кроме этого, в качестве дополнительного положительного эффекта, в рассматриваемом трехзеркальном резонаторе используется две юстировочные оправы для зеркал, против трех в ближайшем аналоге, что снижает себестоимость данного узла. Отмеченные положительные моменты особенно полезны при мелкосерийном и серийном изготовлении твердотельных лазеров на основе ПГС.

Таким образом, в результате предложенного технического подхода, обеспечена возможность расширения температурного диапазона эксплуатации при уменьшении общих габаритов ПГС.

Изобретение относится к лазерной технике. Параметрический генератор света содержит положительный нелинейный оптический кристалл, установленный с возможностью вращения относительно направления накачки в держателе из теплопроводного материала и связанный со средством его термостабилизации. Кристалл помещен в трехзеркальный кольцевой резонатор, составленный из трех плоских зеркал, расположенных на горизонтальной плоскости в вершинах треугольника с образованием разных плеч таким образом, что два плоских зеркала, одно из которых является входным для накачки, расположены на таком малом расстоянии друг от друга, что короткое плечо резонатора в плоскости между этими зеркалами задает угол γ между другими плечами резонатора, обеспечивающий возможность двойного прохода накачки через кристалл. При этом в кольцевом резонаторе обеспечен ход лучей в вертикальной плоскости, причем короткое плечо резонатора образовано в вертикальной плоскости уголковым отражателем с фиксированным углом ε, определяемым соотношением ε=90°-γ/2. Нелинейный оптический кристалл установлен в держателе с возможностью его вращения в горизонтальной плоскости относительно направления накачки, поляризованной в вертикальной плоскости. В качестве средства термостабилизации кристалла выбран термоэлектрический модуль на основе элементов Пельтье, установленный в контакте с держателем кристалла. Техническим результатом заявляемого изобретения является возможность создания компактной схемы параметрического генератора света, характеризующегося возможностью работать в широком диапазоне эксплуатационных температур. 12 ил.

Параметрический генератор света, содержащий положительный нелинейный оптический кристалл, установленный с возможностью вращения относительно направления накачки в держателе из теплопроводного материала и связанный со средством термостабилизации, при этом нелинейный оптический кристалл помещен в трехзеркальный кольцевой резонатор, составленный из трех плоских зеркал, расположенных на горизонтальной плоскости в вершинах треугольника с образованием разных плеч таким образом, что два плоских зеркала, одно из которых является входным для накачки, расположены на таком малом расстоянии друг от друга, что короткое плечо резонатора в плоскости между этими зеркалами задает угол γ между другими плечами резонатора, обеспечивающий возможность двойного прохода накачки через кристалл, отличающийся тем, что в трехзеркальном кольцевом резонаторе обеспечен ход лучей в вертикальной плоскости, причем короткое плечо резонатора образовано в вертикальной плоскости уголковым отражателем с фиксированным углом ε, определяемым соотношением ε=90°-γ/2, а нелинейный оптический кристалл установлен в держателе с возможностью его вращения в горизонтальной плоскости относительно направления накачки, поляризованной в вертикальной плоскости, при этом в качестве средства термостабилизации нелинейного оптического кристалла выбран термоэлектрический модуль на основе элементов Пельтье, установленный в контакте с держателем кристалла.