СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВ НАСТРОЙКИ КРИСТАЛЛА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ВО ВТОРУЮ ГАРМОНИКУ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ФАЗОВОГО СИНХРОНИЗМА Российский патент 2024 года по МПК G02B1/02 H01S3/109 

Настоящее изобретение относится к области оптической техники, а именно к нелинейным преобразователям частоты (ПЧ) лазерного излучения (ЛИ) и может быть использовано для определения точных углов настройки кристалла ПЧ для преобразования ЛИ во вторую гармонику, используемых при проведении физического эксперимента на многоканальной лазерной установке с преобразованием частоты.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение является создание способа, обеспечивающего определение точных абсолютных углов настройки на синхронизм неоптимизированных преобразователей частоты. Под неоптимизированными преобразователями частоты здесь подразумеваются кристаллы, вырезанные под углом к оптической оси в расширенном технологическом интервале.

Известен способ определения угла настройки ПЧ на лазерной установке Nova без получения значения абсолютных углов настройки [М.А. Summers, L.G. Seppala, F. Rienecker, D. Eilmerl, B.C. Johnson, «Nova Frequency Conversion System», Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, UCRL-86009, October 28. Prepared for submittal to 9th Symposium on Engineering Problems of Fusion Research, Chicago, Illinois]. К недостаткам этого способа определения углов настройки кристаллов для преобразования в гармонику относится отсутствие на многих других лазерных установках задающего генератора, способного работать в импульсно-периодическом режиме, позволяющем произвести такую настройку.

Близким к заявляемому является способ определения углов настройки ПЧ [Hunt J.T. - National Ignition Facility Performance Review 1999. - LLNL Report UCRL-ID-138120-99, 2000, 313 р.]. Этот способ, как и заявляемый, позволяет провести измерение углов настройки на отдельном стенде. Проводится прецизионное измерение угла синхронизма каждого нового выращенного кристалла по отношению с образцовым кристаллом с точно известным расположением оси. Далее разница между кристаллами устраняется при алмазном фрезеровании нового кристалла, и таким образом, все кристаллы имеют те же углы настройки, что и образцовый кристалл. Недостаток этого способа в том, что измеряются не абсолютные углы настройки на синхронизм, а разница углов настройки относительно образцового кристалла.

Наиболее близким к заявляемому является способ определения точных углов настройки кристаллов ПЧ на отдельном стенде CATS - Crystal Alignment Test System [M.D. Summers, R.L. Hibbard, L.W. Liou, R.B. Michie «Development of a metrology instrument for mapping the crystallographic axis in large optics», OSA Technical Digest Series, Optical Fabrication and Testing, 1998], который применяется для американской многоканальной лазерной установки NIF. Способ заключается в том, что кристалл закрепляют в вертикальной механизированной оправе, позволяющей повернуть кристалл на микроуглы. Кристаллы удерживаются в вертикальном положении, чтобы исключить провисание под действием силы тяжести при сканировании. Углы измеряются относительно откалиброванной опорной плоскости диаметром 610 мм. Поверхность ячейки, в которую крепятся кристаллы, имеет алмазную площадку, обеспечивающую опорную поверхность для измерения угла крепления кристалла. Автоколлиматоры измеряют угол наклона алмазной площадки относительно опорной плоскости в пределах (7-8) мрад. Стенд предназначен для измерения образцов кристаллов размером до 41 см. Направление синхронизма определяется из экспериментально построенной зависимости нормированной эффективности преобразования в оптическую гармонику на выходе от угла наклона преобразователя. Для этого кристалл облучают импульсно-периодическим излучением, энергия которого измеряется как на входе кристалла, так и после него. Второй вопрос, это учет нестабильности генерации лазера. Для этого часть излучения отделяется на эталонный кристалл и эталонные счетчики энергии. Этот эталонный кристалл преобразует излучение во вторую гармонику, которая используется для нормализации выходной энергии второй гармоники от исследуемого образца кристалла для учета изменений формы импульса, энергии или профиля луча. Дополнительно, каждая точка усредняется по трем измерениям.

Описанный способ не позволяет измерять абсолютные углы настройки относительно преобразуемого излучения и предполагает практически идеальное изготовление кристаллов преобразователя частоты с точки зрения ориентации оптической оси относительно их поверхности. Оптимизированные таким способом кристаллы имеют высокую стоимость, а способ измерения не универсален и подходит с удовлетворительной точностью для ПЧ с малыми углами настройки, при этом невозможно осуществление измерения для больших углов.

Техническим результатом, достигаемым за счет применения заявляемого способа, является измерение абсолютных углов настройки на максимум синхронизма относительно направления падающего излучения неоптимизированных кристаллов преобразователя частоты. Способ позволяет измерять углы настройки кристаллов с менее жесткими требованиями по углу вырезания, с технологически упрощенным процессом их изготовления. При этом обеспечивается удовлетворительная точность определения углов настройки кристаллов, имеющих как малые, так и большие углы синхронизма.

Дополнительным техническим результатом при реализации способа является использование специального способа усреднения соотношения многократных измерений энергий на входе и выходе кристалла. Что позволяет минимизировать влияние нестабильности генерации лазера на стенде без применения эталонного кристалла.

Технический результат изобретения обеспечивается тем, что в способе измерения углов настройки кристалла преобразователя частоты лазерного излучения во вторую гармонику для обеспечения фазового синхронизма, кристалл закрепляют на вертикальной механизированной оправе, позволяющей повернуть кристалл на микроуглы, кристалл облучают импульсно-периодическим излучением узким параллельным пучком, энергию которого измеряют как на входе, так и на выходе кристалла, поворачивают кристалл по углу относительно падающего излучения с помощью механизированной откалиброванной по углу поворота оправы, на выходе получают измерение энергии второй гармоники, для каждого угла проводят несколько измерений, которые затем усредняют, угол настройки на максимум синхронизма определяют из экспериментально построенной зависимости преобразования во вторую гармонику на выходе от угла настройки преобразователя. Согласно изобретению, измеряют абсолютные углы настройки на максимум синхронизма относительно направления падающего излучения, производят многократное измерение энергии лазерного излучения падающего на кристалл и преобразованной во вторую гармонику энергии после кристалла для каждого угла поворота с помощью синхронизированных CCD-камер, эффективность преобразования во вторую гармонику определяют, как величину, обратно пропорциональную среднему значению отношения измеренной энергии первой гармоники на входе кристалла в квадрате к энергии преобразованной второй гармонике на выходе кристалла.

В отличие от известного способа определения точных углов настройки кристалла преобразователя частоты (ПЧ) лазерного излучения (ЛИ), заключающегося в том, что измеряют фиксированные стандартные относительные углы настройки ПЧ, в предложенном способе измеряют абсолютные углы настройки ПЧ неоптимизированной геометрии, и осуществляют определение точных углов настройки в два этапа. На первом этапе кристалл ПЧ закрепляют в вертикальной механизированной оправе и настраивают на нулевой угол, добиваясь перпендикулярности между плоскостью кристалла и направлением рабочего ЛИ. Ключевым элементом настройки на нулевой угол является применение триппель-призмы, посредством которой по изображению на CCD камере производится стыковка падающего и отраженного от кристалла излучения с помощью угловых толкателей механизированной оправы кристалла. Шаги поворота оправы откалиброваны на отдельном стенде с точностью 10^-3 мкрад. На втором этапе исследуемый кристалл с помощью оправы поворачивается относительно опорного положения в область около направления синхронизма, где фиксируется несколько угловых положений исследуемого кристалла, для каждого из которых выполнятся многократное измерение энергий падающего и преобразованного излучения с помощью CCD камер. Далее, сигналы с камер обрабатываются, производится специальное усреднение соотношение энергий по каждому угловому положению кристалла, и по положению максимума углового распределения эффективности преобразования определяется искомый угол настройки на синхронизм.

То есть, физическая основа способа состоит в том, что найден подход, позволяющий обеспечить условия для определения абсолютных углов настройки неоптимизированных ПЧ. Углы синхронизма неоптимизированных кристаллов могут иметь значительный разброс, поэтому необходимо измерение абсолютных углов в расширенном диапазоне. Измерение больших углов по известному способу невозможно по причине ограниченного углового поля зрения автоколлиматоров. За счет того, что после настройки на нулевое положение кристалл поворачивается откалиброванной с достаточной точностью механизированной оправой, возможна настройка не только стандартизованных кристаллов, но и произвольно вырезанных.

Так же исключается необходимость применения на стенде эталонного кристалла с точно известными углами настройки на максимум синхронизма.

Предложенный способ позволяет минимизировать влияние нестабильности генерации лазера за счет многократных измерений энергий и специального способа усреднения их соотношения.

На Фиг. 1 представлена схема стенда измерения углов настройки кристалла преобразователя частоты лазерного излучения во вторую гармонику для обеспечения фазового синхронизма, где:

1 - лазер стенда;

2 - светоделитель;

3 - зеркало;

4 - светоделитель;

5 - кристалл ПЧ в механизированной оправе;

6 - триппель-призма;

7 - линза;

8 - светофильтр;

9 - камера измерения преобразованного излучения;

10 - линза;

11 - линза стыковочной камеры;

12 - камера измерения падающего излучения;

13 - стыковочная камера.

Исследуемый кристалл ПЧ закрепляется в механизированную откалиброванную по углу поворота оправу с автоматическим управлением (5), которую можно поворачивать в широком угловом диапазоне на микроуглы с разрешением 1 мкрад. Кристаллы удерживаются в вертикальном положении, чтобы исключить провисание под действием силы тяжести при сканировании.

Сначала, с помощью шаговых моторов оправы, выставляется опорное положение кристалла ПЧ. Для этого, в фокусе линзы, по изображению на камере, производится совмещение (стыковка) лучей, отраженных от кристалла и от триппель-призмы.

Сколлимированный на выходе лазера 1 пучок излучения проходит светоделитель 2, отражается от зеркала 3 и светоделителя 4, проходит через кристалл ПЧ 5 и попадает на триппель-призму 6. Далее луч, отражаясь обратно от триппель-призмы 6, проходя через кристалл ПЧ 5 и светоделитель 4, фокусируется на стыковочную CCD-камеру 13 в фокальной плоскости линзы 11 и являлся опорным лучом. Второй луч, отраженный от кристалла ПЧ 5 и так же проходя через светоделитель 4, тоже фокусировался линзой 11 на CCD-камеру 13. С помощью автоматически управляемой механизированной оправы, вращая кристалл ПЧ 5, производится совмещение двух лучей на стыковочной CCD-камере 13. На этом первый этап закончен. Этап называется выставлением нулевого угла или положения.

На втором этапе, триппель-призма 6 удаляется, сколлимированный на выходе лазера 1 пучок излучения делится светоделителем 2, после чего, отраженная часть фокусируется линзой 10 на CCD-камеру измерения падающего излучения первой гармоники 12, а прошедшая часть, отразившись от зеркала 3 и светоделителя 4, попадает на кристалл ПЧ, закрепленный в оправе 5. Таким образом, кристалл облучают импульсно-периодическим излучением узким параллельным пучком. После прохождения кристалла, излучение преобразуется во вторую гармонику и фокусируется линзой 7 на камеру измерения преобразованного излучения 9, предварительно отсекая оставшуюся непреобразованной часть излучения первой гармоники светофильтром 8. Исследуемый кристалл ПЧ 5 с помощью автоматически управляемой механизированной оправы поворачивается относительно опорного положения в область около направления синхронизма, где фиксируется несколько угловых положений с шагом 100-200 мкрад, для каждого из которых выполнятся многократное измерение энергий падающего и преобразованного излучения с помощью CCD-камер 12 и 9 соответственно, синхронизированных с лазером стенда 1, работающим в импульсно-периодическом режиме. Изображения с камер автоматически записывается в бинарные файлы с разрядностью данных 16 бит, что позволяет использовать их для многократных измерений. По отношению этих сигналов можно судить об эффективности преобразования в каждом импульсе лазера. Так как камеры в этой схеме, фактически измеряют энергию импульса (в относительных единицах), выбирается линейный режим их работы.

Лазер 1, используемый для проведения измерений, работает в импульсно-периодическом режиме и имеет интенсивность, соответствующую случаю слабого сигнала для преобразования. Поэтому, чтобы минимизировать влияние нестабильности генерации лазера 1 для каждого угла поворота кристалла ПЧ 5 с помощью CCD-камер 12 и 9 синхронизовано производится многократное измерение энергий, а эффективность преобразования во вторую гармонику определяют, как величину, обратно пропорциональную среднему значению отношения измеренной энергии первой гармоники на входе кристалла в квадрате к энергии преобразованной второй гармонике на выходе кристалла:

η=const /<E_1ω²/ Е_2ω>.

Далее, по положению максимума углового распределения эффективности преобразования определяется искомый угол с фиксированием температуры кристалла во время измерений.

Реализация способа измерения углов осуществлялась на действующем стенде. Схема стенда измерения показана на Фиг. 1. Дистанционно управляемая механизированная оправа подключалась к управляющему компьютеру посредством контроллеров. Разработано программное обеспечение для реализации описанного алгоритма измерений. Технический результат достигнут в полном объеме. Неоптимизированные кристаллы ПЧ с измеренными на стенде различными абсолютными углами настройки на синхронизм используются на мощной многоканальной лазерной установке, на которой получен расчетный коэффициент преобразования во вторую гармонику.

Изобретение относится к области оптической техники, к нелинейным преобразователям частоты (ПЧ) лазерного излучения (ЛИ). Способ измерения углов настройки кристалла ПЧ для обеспечения фазового синхронизма включает следующие этапы: кристалл закрепляют вертикально в откалиброванной механизированной оправе, позволяющей повернуть кристалл на микроуглы, кристалл облучают импульсно-периодическим излучением узким параллельным пучком, измеряют абсолютные углы настройки на максимум синхронизма относительно направления падающего ЛИ, производят многократное измерение энергии ЛИ падающего на кристалл и преобразованной во вторую гармонику энергии после кристалла для каждого угла поворота с помощью синхронизированных CCD-камер, эффективность преобразования во вторую гармонику определяют, как величину, обратно пропорциональную среднему значению отношения измеренной энергии первой гармоники на входе кристалла в квадрате к энергии преобразованной второй гармонике на выходе кристалла. Технический результат - измерение абсолютных углов настройки на максимум синхронизма относительно направления падающего излучения неоптимизированных кристаллов преобразователя частоты. 1 ил.

Способ измерения углов настройки кристалла преобразователя частоты лазерного излучения во вторую гармонику для обеспечения фазового синхронизма, заключающийся в том, что кристалл закрепляют на вертикальной механизированной оправе, позволяющей повернуть кристалл на микроуглы, кристалл облучают импульсно-периодическим излучением узким параллельным пучком, энергию которого измеряют как на входе, так и на выходе кристалла, поворачивают кристалл по углу относительно падающего излучения с помощью механизированной откалиброванной по углу поворота оправы, на выходе получают измерение энергии второй гармоники, для каждого угла проводят несколько измерений, которые затем усредняют, угол настройки на максимум синхронизма определяют из экспериментально построенной зависимости преобразования во вторую гармонику на выходе от угла настройки преобразователя, отличающийся тем, что измеряют абсолютные углы настройки на максимум синхронизма относительно направления падающего излучения, производят многократное измерение энергии лазерного излучения падающего на кристалл и преобразованной во вторую гармонику энергии после кристалла для каждого угла поворота с помощью синхронизированных CCD-камер, эффективность преобразования во вторую гармонику определяют, как величину, обратно пропорциональную среднему значению отношения измеренной энергии первой гармоники на входе кристалла в квадрате к энергии преобразованной второй гармонике на выходе кристалла.