СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ СТАБИЛИЗИРОВАННОГО КВАЗИМОНОХРОМАТИЧЕСКОГО ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ Российский патент 2020 года по МПК G05D25/00 H05B47/10 

Изобретение относится к способам генерации высокоинтенсивного инфракрасного излучения, основанным на применении стимулированного излучения, и может быть использовано, например, в энергетической фотометрии и радиационной термометрии, в метрологии температурных и оптических измерений при воспроизведении и передаче единиц температуры и оптической мощности по ступеням поверочных схем.

Квазимонохроматическое инфракрасное излучение является частным случаем непрерывного оптического излучения. Для получения квазимонохроматического инфракрасного излучения, как правило, используют различные полосовые оптические фильтры, которые в заданной полосе частот выделяют искомое излучение из оптического излучения. В свою очередь, для генерации непрерывного оптического излучения применяются следующие основные группы способов, которые основаны на использовании:

- инфракрасных излучателей, построенных по типу «модель абсолютно черного тела»;

- оптического или дугового разряда (плазмы);

- плазмон-поляритонов, являющихся разновидностью неизлучающих р-поляризованных поверхностных электромагнитных волн;

- явления частотного уширения (или аномального частотного уширения, или суперконтинуума белого света).

В первой группе способов генерация непрерывного оптического излучения осуществляется либо путем нагрева тугоплавких тел (например, вольфрамовая спираль, штифт Нернста, глобар и др.) до температуры 1000-2000 °С (Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники // М.: Сов. Радио, 1978. - 400 с.), либо путем использования графитовых или пирографитовых излучателей, выполненных в виде модели абсолютно черного тела (МАЧТ), обеспечивающих достижение максимальной температуры 3200 К (патент РФ №2148801, МПК G01J 5/02, опубл. 10.05.2000, БИ №13).

Указанная группа способов обеспечивает получение инфракрасного излучения с заданными высокой точностью и энергетической стабильностью, однако не обеспечивает получение высокоинтенсивного излучения со спектральной плотностью выше, чем спектральная плотность МАЧТ при температуре 3200 К. Данный недостаток способов обусловлен предельной рабочей температурой применяемых в излучателях материалов.

Вторая группа способов основана на использовании оптического или дугового газового разряда, представляющего собой плазму. Плазма оптического разряда в различных газах, например в ксеноне, создаваемая сфокусированным лучом непрерывного лазера, является одним из самых высокоинтенсивных источников непрерывного излучения (Райзер Ю.П. Физика газового разряда. - М.: Наука, 1987). Плазма, образованная дуговым разрядом, обладает меньшей интенсивностью, но несколько лучшей энергетической стабильностью. Для получения высокоинтенсивного излучения на основе плазмы используются различные способы.

Известен, например, способ генерации излучения на резонансных переходах атомов металлов в дуговом разряде низкого давления, заключающийся в том, что возбуждение разряда осуществляется знакопеременным продольным электрическим разрядом высокой частоты смесей инертных газов с парами металлов, причем возбуждение разряда осуществляется прямоугольными импульсами тока со скважностью не более 2,0 и длительностью не более эффективного времени жизни резонансного состояния излучающего атома металла (патент РФ №2497227, МПК H01J 61/72, опубл. 27.10.2013, БИ №30). Недостаток указанного способа, как и всех других способов данной группы, заключается в том, что энергетическая стабильность излучения невысока - флуктуации мощности излучения достигают 5% (стр. 10 описания патента).

Известен также способ генерации электромагнитного излучения, который осуществляется путем накачки высокого уровня ленгмюровских колебаний в плазме сильноточным электронным пучком и трансформации этих колебаний в электромагнитные волны с частотой, соответствующей плазменной или удвоенной плазменной частоте (патент РФ №2501146, МПК H02J 17/00, опубл. 10.12.2013, БИ №34). Недостаток - невозможность применения способа для получения инфракрасного излучения в диапазоне частот 40-400 ТГц. Указанный способ рассчитан на диапазон от десятков ГГц до 1 ТГц (микроволновый и терагерцовый диапазон).

Известен также способ генерации высокоинтенсивного излучения от дуговой газоразрядной лампы, в котором стабилизация энергии излучения осуществляется за счет использования источника питания, стабильность которого существенно превосходит стабильность самой лампы, а также за счет подбора оптимальной температуры катода лампы (каталог фирмы «Hamamatsu Photonics К.К.», ксеноновые и ртутно-ксеноновые лампы, сайт www.hamamatsu.com). Преимущество способа - достижение высоких интенсивностей потока излучения, например ртутно-дуговая лампа модель L8288 («Hamamatsu Photonics К.К.») в спектральном диапазоне λ=500÷700 нм обеспечивает получение потока излучения со спектральной плотностью I≈80 мВт/(нм⋅мм²), что эквивалентно излучению МАЧТ при температуре T=6400 K.

Недостаток указанного способа заключается в том, что им не обеспечивается требуемая высокая энергетическая стабильность излучения - флуктуации мощности излучения находятся в пределах 0,2-2%.

Третья группа способов основана на явлении порождения фононами кристаллической решетки твердого тела поверхностных плазмон-поляритонов, являющихся разновидностью неизлучающих р-поляризованных поверхностных электромагнитных волн (Виноградов Е.А., Жижин Г.Н., Мальшуков А.Г. Термостимулированное излучение поверхностных поляритонов // ЖЭТФ, 1977, т. 73 (4), с. 1480-1485).

Из данной группы способов известен, например, способ генерации непрерывного широкополосного инфракрасного излучения с регулируемым спектром, заключающийся в нагреве металлического тела, содержащего две смежные плоские грани, генерацию оптическими фононами тела на одной из граней широкополосных поверхностных плазмон-поляритонов (ППП), дифракцию ППП на ребре, сопрягающем грани, и преобразование ППП в результате дифракции в объемное излучение, при этом регулирование амплитудно-частотного спектра излучения осуществляется путем изменения температуры тела и размера части направляющей ППП грани, наблюдаемой с ребра в перпендикулярном к нему направлении (патент РФ №2642912, МПК G01J 3/08; G01J 1/08, опубл. 29.01.2018, БИ №4). В данном способе интенсивность излучения определяется предельной рабочей температурой материала металлического тела (его граней). Из этого следует недостаток способа, который заключается в том, что способ не позволяет получать излучение с требуемой высокой интенсивностью, эквивалентной, например, температуре МАЧТ 3200 К и выше. Кроме этого, относительно невысока энергетическая стабильность генерируемого излучения.

Четвертая группа способов основана на генерации т.н. суперконтинуума, замещающего белый свет (видимый и инфракрасный диапазон) (Fork R.L., Tomlinson W.J., Shank C.V., Hirliman С., Yen R. Femtosecond white-light continuum pulses // Optic Letters. - 1983. - T. 8. - №1. - C. 1-3; Камынин B.A. Генерация суперконтинуума двухмикронного диапазона в оптических волокнах на основе кварцевого стекла // дисс. на соискание уч. ст. канд. физ.-мат. наук, М.: ФГБУН «Институт общей физики им. A.M. Прохорова РАН», 2014. - 112 с). Лазерные устройства (т.н. белые лазеры, или лазеры суперконтинуумы), реализующие указанный способ генерации, позволяют получать квазимонохроматическое излучение в заданной полосе частот с высокой энергетической стабильностью. Преимущество указанных лазеров - обеспечение высокой стабильности излучения. Так, например, лазер суперконтинуум «SuperK EVO-04» совместно с акусто-оптическим фильтром «SuperK Varia», выпускаемыми фирмой «NKT Photonics» (Дания), обеспечивают флуктуации мощности излучения 1%, а при введении в схему излучателя оптической отрицательной обратной связи флуктуации мощности составляют 0,01-0,001%. Это целиком и полностью обеспечивается благодаря отрицательной обратной связи, которая традиционно используется в лазерных системах стабилизации (см. например: Климкина Ю.Ю., Биленко И.А. Нестационарные флуктуации интенсивности и направления излучения YAG-лазера // Известия РАН. Серия физическая, 2012, т. 76, №12, С. 1431-1433).

Недостаток указанного способа - невозможность получения высокоинтенсивного излучения, например такого, которое эквивалентно излучению модели абсолютно черного тела при термодинамической температуре 5000 К. В частности, самые мощные лазеры типа «суперконтинуум» в диапазоне длин волн 500-700 нм обеспечивают получение спектральной мощности в пучке не выше 6 мВт/(нм⋅мм²) (каталог фирмы «NKT Photonics», Дания, http://www.nktphotonics.com, раздел лазеры). Такая мощность излучения соответствует спектральной энергетической яркости модели абсолютно черного тела при термодинамической температуре ≈3600 К.

Стабилизация оптического излучения, сгенерированного согласно одному из известных способов, также может осуществляться различными способами.

Известен, например, способ генерации выходного лазерного света с требуемой характеристикой, заключающийся в том, что генерируют лазерный свет в заданном спектральном диапазоне; фильтруют лазерный свет стабилизирующим фильтром со спектральной характеристикой в спектральном положении; сдвигают спектральное положение упомянутой спектральной характеристики стабилизирующего фильтра в зависимости от температуры; фильтруют лазерный свет дополнительным фильтром со спектральной характеристикой в спектральном положении для генерации выходного лазерного света; сдвигают спектральное положение упомянутой спектральной характеристики дополнительного фильтра, при осуществлении согласования сдвига спектрального положения спектральной характеристики дополнительного фильтра и спектрального положения спектральной характеристики стабилизирующего фильтра (патент РФ №2450399, МПК H01S 3/13, опубл. 27.01.2009, БИ №3). Преимущество данного способа - точная температурная компенсация излучателя лазера, обеспечивающая неизменность выходной мощности лазерного излучения при вариациях температуры излучателя. Недостаток способа - отсутствие стабилизации пульсационной (флуктауционной) составляющей выходной мощности лазера.

Известен также способ стабилизации мощности излучения лазера, основанный на явлении самодефокусировки лазерного пучка, проходящего через среду с отрицательной величиной температурного коэффициента показателя преломления (Петропавловский В.М., Топоркова Л.В. Способ стабилизации мощности излучения лазера // Инфокоммуникационные технологии, т. 11, №2, 2013, С. 65-68). В основу способа положен эффект тепловой линзы, стабилизирующей мощность излучения непрерывного лазера. К недостаткам способа, как признают авторы способа, можно отнести уменьшение мощности излучения (в рассматриваемом авторами примере почти в 1,5 раза) и невысокое быстродействие (~1 мс), обусловленное инерционностью тепловой линзы. Кроме того, указанный способ нельзя применять для стабилизации лазерного излучения высокой интенсивности, что обусловлено предельной рабочей температурой среды, через которую пропускается лазерный пучок и с помощью которой осуществляется стабилизация.

Известен также способ стабилизации мощности лазерного излучения, основанный на введении отрицательной обратной связи (ООС), в которой источником сигнала ошибки служит фотоприемник, а сигнал управления подается либо на источник тока лазера, чтобы изменить мощность излучения, либо на прибор, изменяющий пропускание света, например акусто-оптический модулятор (АОМ). (Жмудь В.А. Системы автоматического управления. Прецизионное управление лазерным излучением: Учебное пособие для ВУЗов / В.А. Жмудь; под общ. ред. С.Н. Багаева. - 2-е изд. - М.: Изд-во Юрайт, 2018. - 437 с.; С. 204-206). Принцип стабилизации, заложенный в указанный способ, является наиболее близким к техническому решению, которое предложено для целей стабилизации в заявляемом способе.

Наиболее близким к предлагаемому является способ генерации излучения (прототип), в котором сфокусированный лазерный луч направляют вдоль вертикальной оси симметрии стенок газоразрядной камеры, область излучающей плазмы создают на оптимально-малом расстоянии от верхней стенки камеры, охлаждают газоразрядную камеру потоком защитного газа, направленным на верхнюю стенку камеры и с помощью автоматизированной системы управления обеспечивают поддержание заданной мощности излучения в запрограммированном режиме (патент РФ №2534223, МПК H01J 65/04; H01S 3/09, опубл. 27.11.2014, БИ №33). В данном способе мощное лазерное излучение возбуждает плазму, с помощью оптической системы излучение плазмы направляется для целевого использования, при этом лазерное излучение, прошедшее через плазму, выводится из области ее излучения. Стабилизация излучения обеспечивается за счет регулирования мощности лазера, которое осуществляется путем использования отрицательной обратной связи по мощности излучения плазмы. Недостаток способа заключается в том, что в лучшем варианте реализации способа обеспечивается стабильность излучения, характеризуемая вариацией выходной мощности, равной 0,06%, что, для ряда научно-технических задач, является недостаточным.

Таким образом, достигнутый уровень развития техники в данной области может быть охарактеризован следующим состоянием:

известные способы и реализующие их устройства генерации излучения:

- либо обеспечивают генерацию квазимонохроматического излучения заданной высокой интенсивности, но с низкой энергетической стабильностью (вторая группа способов);

- либо обеспечивают генерацию квазимонохроматического излучения с заданной высокой энергетической стабильностью, но с низкой или с недостаточно высокой интенсивностью (первая, третья и четвертая группа способов);

- либо обеспечивают генерацию строго монохроматического излучения (но не квазимонохроматического) с заданной высокой энергетической стабильностью и с заданной высокой интенсивностью (монохроматические лазеры),

т.е. не выявлены способы, которые бы обеспечивали генерацию квазимонохроматического излучения заданной высокой интенсивности в совокупности с заданной высокой энергетической стабильностью. Т.е., такие способы, которые, например, могли бы обеспечить генерацию квазимонохроматического излучения со спектральной интенсивностью не менее 30 мВт/(нм⋅мм²) (что эквивалентно излучению МАЧТ при температуре ≈5000 К) с одновременной энергетической стабильностью не хуже 99,99% (флуктуации мощности не больше 0,01%).

Кроме того, общий недостаток всех известных способов - невысокая пространственная однородность излучения, которая, как правило, описывается Гауссовым распределением, и обусловлена неидеальной когерентностью излучателя.

Технический результат от применения заявленного способа - генерация квазимонохроматического инфракрасного излучения, обладающего одновременно высокими значениями интенсивности, энергетической стабильности и пространственной однородности.

Указанный результат достигается тем, что в заявленном способе генерации стабилизированного квазимонохроматического инфракрасного излучения высокой интенсивности, в заданном спектральном диапазоне генерируют фоновое излучение с заданной высокой интенсивностью, в этом же спектральном диапазоне генерируют дополнительное излучение с интенсивностью, меньшей интенсивности фонового излучения, смешивают фоновое излучение с дополнительным излучением и одновременно выполняют их пространственную интеграцию, малую часть полученного суммарного излучения подают в оптическую отрицательную обратную связь дополнительного излучения, при этом выполняют селекцию флуктуационной составляющей суммарного излучения и по ее величине регулируют интенсивность дополнительного излучения так, чтобы значение флуктуационной составляющей суммарного излучения было минимальным.

В другом варианте осуществления способа с целью достижения лучшей стабильности излучения в заданном спектральном диапазоне генерируют второе дополнительное излучение с интенсивностью, меньшей интенсивности суммарного излучения, смешивают его с полученным по первому варианту суммарным излучением и одновременно выполняют их пространственную интеграцию, малую часть вновь полученного суммарного излучения подают в оптическую отрицательную обратную связь второго дополнительного излучения, при этом выполняют селекцию флуктуационной составляющей вновь полученного суммарного излучения, по ее величине регулируют интенсивность второго дополнительного излучения так, чтобы значение флуктуационной составляющей вновь полученного суммарного излучения было минимальным.

Сущность изобретения заключается в следующем.

С помощью способов-аналогов и способа-прототипа можно получить непрерывное оптическое излучение, фильтруя которое через полосовой оптический фильтр, в свою очередь, можно получить квазимонохроматическое инфракрасное излучение с заданной полосой частот (длин волн). Однако, как было показано выше, все перечисленные способы не обеспечивают одновременную генерацию высокоинтенсивного излучения в совокупности с его высокой энергетической стабильностью и пространственной однородностью, которое, например, требуется в метрологии температурных и оптических измерений при воспроизведении и передаче единиц температуры и оптической мощности по ступеням поверочных схем. В частности, для указанных областей метрологии помимо прочего требуется такое излучение, интенсивность которого находится в диапазоне 1÷30 мВт/(нм⋅мм²) с энергетической стабильностью выше 99,99% и с пространственной однородностью не хуже 99,9%.

Для получения искомого высокоинтенсивного излучения, характеризуемого одновременно высокими значениями энергетической стабильности и пространственной однородности, предлагается использовать операцию смешения двух излучений - относительно низкостабильного фонового излучения высокой интенсивности и высокостабильного дополнительного излучения малой интенсивности, с последующей стабилизацией полученного суммарного излучения за счет регулировки мощности дополнительного излучения по параметру его флуктуационной составляющей. В результате применения такого приема нестабильность фонового мощного излучателя нивелируется системой стабилизации маломощного дополнительного излучателя.

Согласно способу смешиваются два следующих квазимонохроматических излучения:

Первое излучение - фоновое высокоинтенсивное (характеризуемое высокой спектральной плотностью мощности) излучение с относительно низкой степенью стабилизации, например, излучение от газоразрядного дугового источника - ксеноновой или ртутно-ксеноновой лампы, отфильтрованное через полосовой оптический фильтр заданного номинала (т.е., с заданной полосой длин волн). Его интенсивность характеризуется спектральной плотностью мощности I₁(λ,τ), где λ - длина волны, τ - время, единица измерения спектральной плотности мощности Вт/(нм⋅м²). Мощность данного излучения в заданном спектральном диапазоне, т.е. в полосе длин волн λ₁÷λ₂, приходящаяся на единицу площади пучка излучения, равна:

Второе излучение - дополнительное низкоинтенсивное квазимонохроматическое излучение в той же самой заданной полосе длин волн λ₁÷λ₂, обладающее высокой степенью стабилизации, которая обеспечивается за счет отрицательной обратной связи с источником излучения. В качестве такого излучения может быть взято, например, квазимонохроматическое излучение сплошного лазера. Его интенсивность характеризуется спектральной плотностью мощности I₂(λ,τ), которая в разы меньше интенсивности первого излучения, т.е. I₂(λ,τ)<I₁(λ,τ). Мощность данного излучения в заданном спектральном диапазоне, т.е. в полосе длин волн λ₁÷λ₂, равна и она в разы меньше мощности первого излучения, т.е. Р₂(τ)<Р₁(τ). Данное излучение предназначено для стабилизации флуктуаций суммарного излучения, а также для частичной компенсации потерь мощности фонового излучателя в устройстве смешения излучений.

Смешение указанных излучений осуществляется в специальном оптическом смесителе-интеграторе, например, в интегрирующей сфере, или в т.н. шаре Ульбрихта. В данном случае интегрирующая сфера одновременно выполняет две функции - смешение излучений и их пространственную интеграцию. На выходе интегрирующей сферы (ее выходной апертуре) имеет место однородно-распределенный по ее апертуре поток суммарного (смешанного) излучения, спектральная интенсивность которого равна:

а его мощность в заданном спектральном диапазоне, т.е. в полосе длин волн λ₁÷λ₂, равна:

где

k₂ - коэффициент пропускания смесителя-интегратора (интегрирующей сферы);

I₁(λ,τ) - спектральная интенсивность первого (фонового) излучения;

I₂(λ,τ) - спектральная интенсивность второго (дополнительного) излучения;

I_∑(λ,τ) - суммарная спектральная интенсивность смешанного излучения.

Мощность потока полученного суммарного излучения на выходе интегрирующей сферы по-другому можно представить в виде суммы постоянной и переменной (флуктуационной) составляющих, т.е.:

где

- постоянная составляющая мощности,

- переменная во времени (флуктуационная) составляющая мощности.

Флуктуационная составляющая мощности потока излучения на выходе интегрирующей сферы является сигналом отрицательной обратной связи для второго (дополнительного) излучения, по ее значению осуществляется регулирование мощности второго излучения, в результате чего стабилизируется мощность суммарного излучения, а его флуктуационная составляющая сводится к минимальному значению Таким образом, в результате регулирования на выходе интегрирующей сферы будет иметь место поток излучения, характеризуемый мощностью:

и стабильностью излучения, характеризуемой отношением которое должно составлять не более 10^-4 отн.ед. (<0,01%), где - среднее квадратическое значение

В том случае, когда достигнутая стабильность излучения оказывается недостаточной, согласно п. 2 формулы данного способа применяют вторую ступень регулирования, которая по принципу регулирования идентична первой ступени. Для этого полученное по п. 1 формулы способа суммарное излучение с мощностью смешивают со вторым дополнительным излучением мощностью Для этого используют второй смеситель-интегратор (интегрирующую сферу), в результате смешения на выходе смесителя получают новое суммарное излучение с мощностью:

где

- коэффициент пропускания второй интегрирующей сферы;

- спектральная интенсивность второго дополнительного излучения;

- спектральная интенсивность нового суммарного излучения.

Аналогично первой ступени регулирования стабилизацию вновь полученного суммарного излучения осуществляют путем регулирования мощности второго дополнительного излучения по флуктуационной составляющей вновь полученного суммарного излучения. В результате регулирования на выходе второй интегрирующей сферы будет иметь место поток излучения, характеризуемый мощностью:

и стабильностью излучения, характеризуемой отношением которое должно быть много менее 10^-4 отн.ед. (<<0,01%), где - среднее квадратическое значение

Таким образом, в первом варианте осуществления способа (при использовании одной ступени стабилизации) на выходе интегратора-смесителя получают искомое излучение со стабильностью не хуже 10^-4, а во втором варианте (при использовании второй ступени стабилизации) получают искомое излучение со стабильностью значимо лучшей 10^-4. При этом необходимо иметь в виду, что при использовании смесителя-интегратора мощность получаемого суммарного излучения всегда ниже суммы исходных мощностей фонового излучателя и дополнительного источника. Это обусловлено поглощением части излучения в смесителе-интеграторе. В этой связи для генерации излучения требуемой (заданной) мощности (или спектральной интенсивности), исходную мощность (или спектральную интенсивность) фонового и дополнительных излучателей устанавливают с учетом поглощения исходного излучения в смесителях-интеграторах. Для получения излучения заданной мощности, исходные мощности фонового и дополнительных излучателей при известных значениях коэффициента пропускания смесителей-интеграторов рассчитывают исходя из следующих соотношений:

- для одноступенчатой системы стабилизации:

- для двухступенчатой системы стабилизации:

где

- номинальное значение исходной мощности фонового излучателя;

- номинальное значение исходной мощности первого дополнительного излучателя;

- номинальное значение исходной мощности второго дополнительного излучателя.

А исходные спектральные интенсивности указанных излучателей - по следующим соотношениям:

- для спектральной интенсивности (плотности мощности) получаемого излучения при одноступенчатой системе стабилизации:

- для спектральной интенсивности (плотности мощности) при двухступенчатой системе стабилизации:

где

- номинальное значение исходной спектральной плотности мощности фонового излучателя на длине волны λ;

- номинальное значение исходной спектральной плотности мощности первого дополнительного излучателя на длине волны λ;

- номинальное значение исходной спектральной плотности мощности второго дополнительного излучателя на длине волны λ.

При этом, соотношение исходных мощностей и спектральных интенсивностей фонового и дополнительных излучений выбирают исходя из следующего условия: мощность или спектральная интенсивность дополнительного излучения должна быть достаточной, чтобы полностью компенсировать флуктуации мощности (спектральной интенсивности) фонового излучателя, или, по-другому, амплитуда флуктуаций должна быть существенно меньше мощности дополнительного излучения. Если амплитуду флуктуаций мощности фонового излучения обозначить А₁, то данное условие запишется в виде:

где

n₁ - нестабильность фонового излучения, выраженная в относительных единицах, которая обычно составляет n=6⋅10^-3÷2⋅10^-2. Установлено, что для практического применения наиболее оптимально, когда мощность дополнительного излучения не менее, чем в 10 раз, превышает амплитуду флуктуаций фонового излучения. Аналогичные требования распространяются на спектральные интенсивности фонового и дополнительного излучения. Наиболее оптимальное соотношение мощностей фонового и дополнительных излучателей устанавливается экспериментальным путем при настройке конкретного устройства, реализующего данный способ.

Сущность способа поясняется на примере работы устройства, обобщенная структурная схема которого представлена на фиг. 1, на которой:

1 - фоновый излучатель; 2,2* - первый и второй дополнительные излучатели, соответственно; 3,3* - первый и второй смесители-интеграторы, соответственно; 4,4* - первое и второе устройства оптической отрицательной обратной связи, соответственно.

В качестве элементов устройства, могут быть, например, взяты:

Фоновый излучатель 1 - ртутно-ксеноновая лампа фирмы «Hamamatsu Photonics К.К.» (Япония), модель L8288 в корпусе Е5421 с потребляемой электрической мощностью 500 Вт, которая совместно с полосовым оптическим фильтром заданного номинала в заданном спектральном диапазоне, например в диапазоне λ=640-660 нм, обеспечивает получение квазимонохроматического коллимированного потока излучения со спектральной плотностью I₁≈80 мВт/(нм⋅мм²). В качестве фильтра, например, может использоваться полосовой оптический фильтр FBH650-10 с эффективной полосой пропускания Δλ=15 нм и центральной длиной волны λ₀=650 нм. При этом, нестабильность интенсивности излучения лампы составляет n₁≈2⋅10^-3 отн.ед., или А₁=n₁I₁=±0,16 мВт/(нм⋅мм²).

Дополнительные излучатели 2,2* - два сплошных лазера фирмы «NKT Photonics)) (Дания), модель SuperK EXTREME EXR-20, работающие совместно с акусто-оптическим фильтром, модель SuperK VARIA, и обеспечивающие максимальную спектральную плотность мощности излучения I₂≈6,4 мВт/(нм⋅мм²). Так как данные лазеры снабжены опциями регулировки мощности, центральной длины волны и ширины полосы излучения, поэтому позволяют получать квазимонохроматическое излучение заданного наминала в широком динамическом диапазоне. Лазеры также имеют вход для управления их мощностью по сигналу отрицательной обратной связи. Как известно, системы стабилизации мощности лазеров, построенные по принципу отрицательной обратной связи (ООС), обеспечивают относительные флуктуации мощности излучения не хуже 10^-4 отн.ед. или 0,01%. (см. например: Климкина Ю.Ю., Биленко И.А. Нестационарные флуктуации интенсивности и направления излучения YAG-лазера // Известия РАН. Серия физическая, 2012, т. 76, №12, С. 1431-1433). Указанные лазеры с системой обратной связи обеспечивают нестабильность не хуже n₂=3⋅10^-5 отн.ед. или A₂=n₂I₂=±2⋅10^-4 мВт/(нм⋅мм²).

Смесители-интеграторы 3,3* - например, смеситель оптических сигналов модель «Hydra» с встроенной интегрирующей сферой диаметром 20 мм, обладающий коэффициентом пропускания k≈0,9.

Устройства оптической отрицательной обратной связи 4,4* - включают в себя нейтральный поглощающий фильтр, фотоприемное устройство (например, фотодиод) и усилительно-преобразовательный блок, подсоединяемый к лазерному устройству (дополнительному излучателю). В качестве таких устройств могут быть, например, взяты стандартные элементы, выпускаемые фирмой «Thorlabs», США.

Устройство функционирует следующим образом.

Фоновым излучателем 1 - ртутно-ксеноновой лампой - в спектральном диапазоне λ=642,5-657,5 нм (Δλ=15 нм) генерируется квазимонохроматическое излучение в виде пучка с диаметром d₁=1 мм, обладающее интенсивностью (спектральной плотностью мощности) I₁=80 мВт/(нм⋅мм²)=8⋅10¹³ Вт/м³, или суммарной мощностью излучения в пучке P₁^*=I₁Δλ πd₁²/4=0,94 Вт.

Первым дополнительным излучателем 2 - сплошным лазером - в спектральном диапазоне λ=642,5-657,5 нм (Δλ=15 нм) генерируется квазимонохроматическое излучение в виде пучка с диаметром d₂=1 мм, обладающее интенсивностью (спектральной плотностью мощности) I₂=6,4 мВт/(нм⋅мм²)=6,4⋅10¹² Вт/м³, или суммарной мощностью излучения в пучке P₂^*=I₂Δλ πd₂²/4=0,075 Вт.

Указанные излучения смешиваются в смесителе-интеграторе 3, в результате чего на его выходной апертуре имеет место пространственно-однородное квазимонохроматическое излучение в спектральном диапазоне λ=642,5-657,5 нм (Δλ=15 нм), обладающее интенсивностью (спектральной плотностью мощности) I_∑=k₂(I₁+I₂)=0,9(8⋅10¹³+6,4⋅10¹²)=7,78⋅10¹³ Вт/м³. Такая интенсивность излучения эквивалентна интенсивности излучения МАЧТ, находящегося при термодинамической температуре T≈5910 К. Малая часть полученного суммарного излучения (не более 0,01%) используется для стабилизации и подается в устройство отрицательной обратной связи 4, в котором осуществляется выделение флуктуационной составляющей оптического сигнала и ее усиление с последующей подачей в систему регулирования дополнительного источника 2 (сплошного лазера). В результате регулирования достигается заданная стабильность суммарного излучения не хуже 10^-4.

При использовании двухступенчатой системы стабилизации полученное на выходе первой ступени суммарное излучение с интенсивностью I_∑=7,78⋅10¹³ Вт/м³ аналогично предыдущему смешивается в смесителе-интеграторе 3* со вторым дополнительным излучением, идущим от излучателя 2*. Интенсивность второго дополнительного излучения, например, равна мощности первого дополнительного излучения, т.е. I₂^*=I₂=6,4 мВт/(нм⋅мм²)=6,4⋅10¹² Вт/м³. В результате этого, на выходной апертуре интегратора-смесителя 3* имеет место пространственно-однородное квазимонохроматическое излучение в спектральном диапазоне λ=642,5-657,5 нм (Δλ=15 нм), обладающее интенсивностью (спектральной плотностью мощности) I_∑^*=k₂^*(k₂(I₁+I₂)+I₂^*)=0,9(0,9(8⋅10¹³+6,4⋅10¹²)+6,4)=7,6⋅10¹³ Вт/м³. Такая интенсивность излучения эквивалентна интенсивности излучения МАЧТ, находящегося при термодинамической температуре T≈5890 К.

С помощью устройств, рассмотренных в примере, можно получать высокоинтенсивное квазимонохроматическое излучение в диапазоне длин волн от 400 нм до 2000 нм с шириной полосы от 5 до 100 нм. Далее, полученное указанным способом высокоинтенсивное суммарное излучение используется по назначению, например - для воспроизведения спектральной энергетической яркости МАЧТ, характерной для высоких температур (5000 К и выше).

Изобретение относится к области генерации инфракрасного излучения и касается способа генерации стабилизированного квазимонохроматического инфракрасного излучения высокой интенсивности. Способ включает в себя генерацию в заданном спектральном диапазоне фонового излучения с заданной высокой интенсивностью. В этом же спектральном диапазоне генерируют дополнительное излучение с интенсивностью, меньшей интенсивности фонового излучения. Фоновое излучение смешивают с дополнительным излучением и одновременно выполняют их пространственную интеграцию. Малую часть полученного суммарного излучения подают в оптическую отрицательную обратную связь дополнительного излучения. При этом выполняют селекцию флуктуационной составляющей суммарного излучения и по ее величине регулируют интенсивность дополнительного излучения так, чтобы значение флуктуационной составляющей суммарного излучения было минимальным. Технический результат заключается в обеспечении возможности генерации квазимонохроматического инфракрасного излучения, обладающего одновременно высокими значениями интенсивности, энергетической стабильности и пространственной однородности. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ генерации стабилизированного квазимонохроматического инфракрасного излучения высокой интенсивности, заключающийся в том, что в заданном спектральном диапазоне генерируют фоновое излучение с заданной высокой интенсивностью, в этом же спектральном диапазоне генерируют дополнительное излучение с интенсивностью, меньшей интенсивности фонового излучения, смешивают фоновое излучение с дополнительным излучением и одновременно выполняют их пространственную интеграцию, малую часть полученного суммарного излучения подают в оптическую отрицательную обратную связь дополнительного излучения, при этом выполняют селекцию флуктуационной составляющей суммарного излучения и по ее величине регулируют интенсивность дополнительного излучения так, чтобы значение флуктуационной составляющей суммарного излучения было минимальным.

2. Способ генерации стабилизированного квазимонохроматического инфракрасного излучения высокой интенсивности по п. 1, отличающийся тем, что в заданном спектральном диапазоне генерируют второе дополнительное излучение с интенсивностью, меньшей интенсивности суммарного излучения, смешивают его с полученным по п. 1 суммарным излучением и одновременно выполняют их пространственную интеграцию, малую часть вновь полученного суммарного излучения подают в оптическую отрицательную обратную связь второго дополнительного излучения, при этом выполняют селекцию флуктуационной составляющей вновь полученного суммарного излучения, по ее величине регулируют интенсивность второго дополнительного излучения так, чтобы значение флуктуационной составляющей вновь полученного суммарного излучения было минимальным.