ФОКУСИРУЮЩАЯ РЕЗОНАТОРНАЯ СИСТЕМА Российский патент 2020 года по МПК G02B27/16 

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 света.

Информацию о параметрах среды, исследуемой спектроскопическими методами, в частности, методом спонтанного комбинационного рассеяния света (КР), получают, анализируя спектральный состав рассеянного света. Спектры КР возбуждают излучением лазера, сфокусированным в исследуемой среде. Интенсивность рассеянного света на 12 порядков меньше интенсивности возбуждающего излучения, что приводит к проблеме их регистрации. Один из методов решения проблемы усиления слабого светового сигнала заключается в использовании большого числа проходов лазерного излучения через объект исследования.

Известен способ [М.С. Drake and G.M. Rosenblatt Rotational Raman Scattering from Premixed and Diffusion Flames // Combustion and Flame, 1978, v. 33, p. 179-196], в котором используют 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 [J.J. Barrett, in: Laser Raman Gas Diagnostics, Ed. By M. Lapp and C.M. 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.

Известна многоходовая зеркальная система высокого пространственного разрешения [Патент РФ №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, например, по одной оси направляют лазерный пучок, по другой собирают рассеянный свет, по третьей ориентируют исследуемую горелку.

Наиболее близким по технической сущности заявляемому устройству является многоходовая фокусирующая система и способ фокусировки лазерного излучения, обеспечивающий многократное прохождение лазерного пучка через измерительный объем [Патент 2523735 RU, С2, G02B 17/06, 20.07.2014], содержащая линзы для фокусировки лазерного пучка и зеркала для его возврата в измерительный объем. Согласно изобретению 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 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.

Недостатком этого устройства является использование большого числа линз и зеркал, каждое из которых требует точной настройки положения и наклона в двух направлениях. Такая настройка необходима для последовательного совмещения перетяжки каждого последующего возвращенного пучка с предыдущими. Визуальное наблюдение совмещения затруднено из-за слабости рассеяния в воздухе. Более точно - с контролем эффекта сложения интенсивностей - совмещение может выполняться по сигналу входящего в измерительную схему многоканального фотоприемника, однако, точность совмещения будет меньше для каждого последующего пучка из-за большого различия его интенсивности и уже совмещенных пучков.

Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности использования лазерного излучения с целью увеличения интенсивности полезного сигнала, с использованием минимального количества оптических элементов, требующих юстировки, которое достигается использованием оптического резонатора, обеспечивающего многократное прохождение лазерного излучения через измерительный объем.

Поставленная задача решается тем, что предложена фокусирующая резонаторная система, сформированная сборкой оптических элементов, предназначенной для фокусировки лазерного пучка, и оптическим резонатором, предназначенным для его многократного возврата в измерительный объем, в котором происходит взаимодействие света с исследуемой средой.

Фокусирующая резонаторная система, содержащая дихроичные зеркала для пропускания исходного и отражения преобразованного лазерного излучения, кристалл генератора второй гармоники для преобразования излучения, фокусирующие линзы и возвратные зеркала, согласно изобретению содержит оптический резонатор, сформированный дихроичными и возвратными зеркалами.

Согласно изобретению оптические элементы системы: первое дихроичное зеркало, кристалл генератора второй гармоники, первая фокусирующая линза, вторая фокусирующая линза, установленная на двойном фокусном расстоянии от первой фокусирующей линзы так, что между ними находится объект исследования, и второе дихроичное зеркало, установлены соосно и в указанной последовательности, а возвратные зеркала, установлены так, что сфокусированное излучение они многократно направляют в точку измерений для его полного использования.

Согласно изобретению в одном варианте исполнения фокусирующая резонаторная система содержит линейный оптический резонатор, который содержит два возвратных зеркала, установленных под углом 0 градусов к падающему на них пучку, которые обеспечивают распространение излучения в прямом и обратном направлении, причем излучение попадает в измерительный объем два раза за время полного обхода резонатора.

Согласно изобретению в другом варианте исполнения фокусирующая резонаторная система содержит кольцевой оптический резонатор, который содержит два возвратных зеркала, установленных под углом 45 градусов к падающему на них пучку и обеспечивающих циркуляцию излучения по замкнутому контуру в одном направлении, причем излучение попадает в измерительный объем один раз за время полного обхода резонатора.

На фиг. 1 представлена схема фокусирующей резонаторной системы с линейным оптическим резонатором.

На фиг. 2 представлена схема фокусирующей резонаторной системы с кольцевым оптическим резонатором.

Где: 1 - первое дихроичное зеркало; 2 - кристалл генератора второй гармоники; 3 - первая фокусирующая линза; 4 - вторая фокусирующая линза; 5 - второе дихроичное зеркало; 6 - первое возвратное зеркало; 7 - второе возвратное зеркало; 8 - объекте исследования.

Система содержит дихроичные зеркала 1 и 5, пропускающие излучение лазера с исходной частотой и отражающие преобразованное излучение с удвоенной частотой, кристалл генератора второй гармоники 2, фокусирующие линзы 3 и 4, и возвратные зеркала 6 и 7. Дихроичные зеркала 1 и 5 и возвратные зеркала 6 и 7 образуют оптический резонатор. Оптический резонатор направляет лазерное излучение так, что оно многократно попадает в измерительный объем, при этом число проходов определяется величиной затухания излучения в резонаторе.

Оптические элементы системы: первое дихроичное зеркало, кристалл генератора второй гармоники, первая фокусирующая линза, вторая фокусирующая линза, установленная на двойном фокусном расстоянии от первой фокусирующей линзы так, что между ними находится объект исследования, и второе дихроичное зеркало, установлены соосно и в указанной последовательности.

В случае линейного оптического резонатора два возвратных зеркала установлены под углом 0 градусов к падающему на них пучку и обеспечивают распространение излучения в прямом и обратном направлении, причем излучение попадает в измерительный объем два раза за время полного обхода резонатора.

В случае кольцевого оптического резонатора два возвратных зеркала установлены под углом 45 градусов к падающему на них пучку, для отражения излучения под углом 90 градусов. В этом случае излучение распространяется не в прямом и обратном направлении, а в одном направлении и попадает в объект исследования один раз за время полного обхода резонатора, а не два, как в случае с линейным оптическим резонатором.

Фокусирующая резонаторная система с оптическим резонатором работает следующим образом.

Исходное лазерное излучение сначала проходит через дихроичное зеркало 1, затем попадает на кристалл 2, преобразующий это излучение в излучение с удвоенной частотой. Пройдя фокусирующую линзу 3, излучение фокусируется в объекте исследования 8, который представляет собой прозрачную газовую среду. При прохождении излучения через объект исследования происходит его рассеяние на молекулах во всех направлениях с появлением новых частотных компонент. Анализируя спектр рассеянного излучения, собранного из ограниченной области сфокусированного лазерного пучка -измерительного объема, получают информацию о составе и температуре газа в точке измерений. Прошедшее через объект исследования лазерное излучение попадает на такую же фокусирующую линзу 4, которая расфокусирует излучение в параллельный пучок. Линза 4 установлена на двойном фокусном расстоянии от линзы 3. Далее не преобразованная часть излучения с исходной частотой проходит через дихроичное зеркало 5, а излучение с удвоенной частотой отражается в перпендикулярном направлении и попадает на возвратное зеркало 6. Зеркало 6 отражает падающее на него излучение, которое проходит путь в обратном направлении от дихроичного зеркала 5 до дихроичного зеркала 1 и так же отражается последним в направлении возвратного зеркала 7. Зеркало 7 отражает излучение опять по указанному пути к зеркалу 6.

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

При испытаниях многоходовой фокусирующей системы использовано инфракрасное излучение (длина волны 1064 нм) импульсного Nd:YAG лазера с преобразованием этого излучения во вторую гармонику с частотой (ω₀=18788 см^-1 (длина волны 532 нм). Длительность импульсов излучения ~15 нс, частота повторения ~ 10 Гц, энергия в импульсе не превышала 50 мДж при плотности мощности в фокусе немного ниже пороговой, не вызывающей оптического пробоя в исследуемой среде.

Оптическая схема измерений соответствовала фиг. 3.

Схема содержала лазер 9, фокусирующую резонаторную систему 10 с оптическим резонатором (линейным и кольцевым оптическим резонатором), возвращающее зеркало для рассеянного излучения 11, приемную оптическую систему 12, спектрограф 13, многоканальный фотоприемник 14, компьютер 15, объект исследования 8.

В тестовых измерениях применение фокусирующей резонаторной системы позволило увеличить интенсивность спектров КР в 13,8 раза. 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 которой можно установить выбором длины резонатора. Измерения еще показали увеличение длительности светового импульса в резонаторе примерно в 5 раз по сравнению с одним проходом.

Кроме того, за счет использования минимального количества оптических элементов, требующих юстировки, которое достигается использованием оптического резонатора, упрощается процедура настройки фокусирующей системы.

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к осветительным системам, предназначенным для фокусировки лазерного излучения, и может быть использовано при исследовании свойств газовых сред, в том числе с химическими реакциями, в малых объемах, методами спектроскопии рассеяния света. В фокусирующую резонаторную систему с целью многократного использования лазерного излучения вводят линейный или кольцевой резонатор, включающий два возвратных зеркала, два дихроичных зеркала и две линзы. Способ фокусировки излучения обеспечивает многократное прохождение лазерного пучка через измерительный объем системой зеркал резонатора, возвращающей излучение. Излучение последовательно проходит все элементы оптической схемы и возвращается, проходя весь пройденный путь в обратном или том же направлении. В результате многократных прохождений возвращенного лазерного излучения происходит увеличение интенсивности полезного сигнала аппаратуры. При этом за счет использования минимального количества оптических элементов, требующих юстировки, которое достигается использованием оптического резонатора, упрощается процедура настройки фокусирующей системы. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Фокусирующая резонаторная система, содержащая дихроичные зеркала для пропускания исходного и отражения преобразованного лазерного излучения, кристалл генератора второй гармоники для преобразования излучения, фокусирующие линзы и возвратные зеркала, отличающаяся тем, что система содержит оптический резонатор, сформированный дихроичными и возвратными зеркалами, оптические элементы системы: первое дихроичное зеркало, кристалл генератора второй гармоники, первая фокусирующая линза, вторая фокусирующая линза, установленная на двойном фокусном расстоянии от первой фокусирующей линзы так, что между ними находится объект исследования, и второе дихроичное зеркало, установлены соосно и в указанной последовательности, а возвратные зеркала установлены так, что сфокусированное излучение они многократно направляют в точку измерений для его полного использования.

2. Фокусирующая резонаторная система по п. 1, отличающаяся тем, что содержит линейный оптический резонатор.

3. Фокусирующая резонаторная система по п. 1, отличающаяся тем, что содержит кольцевой оптический резонатор.

4. Фокусирующая резонаторная система по п. 2, отличающаяся тем, что линейный оптический резонатор содержит два возвратных зеркала, установленных под углом 0 градусов к падающему на них пучку, которые обеспечивают распространение излучения в прямом и обратном направлении, причем излучение попадает в измерительный объем два раза за время полного обхода резонатора.

5. Фокусирующая резонаторная система по п. 3, отличающаяся тем, что кольцевой оптический резонатор содержит два возвратных зеркала, установленных под углом 45 градусов к падающему на них пучку и обеспечивающих циркуляцию излучения по замкнутому контуру в одном направлении, причем излучение попадает в измерительный объем один раз за время полного обхода резонатора.