УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СФОКУСИРОВАННОГО ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА Российский патент 2024 года по МПК G01J1/42 

Изобретение относится к области оптоэлектроники, фотоники и лазерных технологий, в частности к оптическим устройствам измерения характеристик сфокусированного лазерного пучка по параметрам интерференционной картины, получаемой в результате модификации тонкой аморфной пленки фазопеременного халькогенидного материала (ФХМ) световой модой с двумя максимумами интенсивности (мода Эрмита-Гаусса HG₀₁).

В основном в качестве устройств для определения параметров лазерных пучков используются камеры и профилометры с фоточувствительными датчиками. Однако прямое облучение датчика может приводить к его необратимому повреждению, поэтому процесс измерения требует специальных мер защиты (применения оптических фильтров, ограничителей мощности и т.д.). Альтернативным способом определения параметров лазерного пучка могут являться косвенные измерения. В рамках данного патента предлагается использовать анализ параметров интерференционной картины, получаемой после модифицикации пленки фазопеременного халькогенидного материала. Использование такого способа может значительно упростить контроль параметров лазерного излучения, особенно в случае оптических систем с малым рабочим расстоянием.

Известно устройство для определения главного фокусного расстояния линзы по способу Бесселя, выбранное в качестве аналога, которое может быть использовано для определения параметров сфокусированного лазерного излучения [1]. В данном устройстве происходит определение таких двух положений линзы, при которых на экране с помощью подсветки лазерным пучком формируется четкое изображение объекта: увеличенное или уменьшенное. Для расчета фокусного расстояния используется значение расстояния между этими положениями линзы и расстояние от объекта до экрана. В качестве объекта в модели используют дифракционную решетку, а перемещением линз и экрана автоматизировано, что позволяет определять параметры пучка в удаленном режиме.

Данное изобретение имеет ряд недостатков. Во-первых, известный способ может не обеспечивать требуемой точности измерений при наличии значительных аберраций в оптической системе (например, при использовании толстых линз). Во-вторых, во многих имеющихся оптических установках, где требуется определение размера и положения перетяжки, отсутствует возможность необходимого перемещения оптических элементов для реализации метода Бесселя, требующего обеспечить смещение фокусирующей линзы в пределах нескольких фокусных расстояний.

Другой аналог устройства для измерения параметров лазерного пучка основан на получении увеличенного изображения поверхности, подсвеченной сфокусированным лазерным пучком, и его последующем детектировании с помощью камеры [2].

Устройство содержит: оптическую систему, обеспечивающую увеличение пучка; камеру, фиксирующую увеличенное изображение пятна лазерного пучка; набор фильтров и аттенюатор, уменьшающие интенсивность лазерного излучения, что обеспечивает возможность измерения лазерных пучков с высокой интенсивностью.

Данное устройство также обладает рядом недостатков. Во-первых, измеряемые пучки будут обладать ограничением по апертуре из-за применения микроскопических объективов. Во-вторых, данное устройство обладает измерительным блоком из нескольких элементов, требующих значительного свободного пространства в анализируемой оптической системе.

Наиболее близким по функциональным возможностям к заявляемому устройству является устройство, выбранное в качестве прототипа, в котором используется юстируемый расширитель пучка, состоящий из конфокальной системы линз, и датчик изображения [3]. Известное устройство устанавливают в оптический тракт, после чего поиск перетяжки осуществляется путем измерения размера пучка, увеличенного с помощью линз и фиксируемого датчиком, при смещении линзовой системы и датчика вдоль оси пучка. Минимальное значение размера изображения будет наблюдаться при совпадении положения перетяжки и фокусного расстояния входной линзы устройства.

К недостаткам указанного устройства-прототипа можно отнести невозможность регулировать коэффициент увеличения в рамках одной линзовой системы, что будет ограничивать диапазон доступных к измерению размеров пучка. Кроме того, в случае острой фокусировки излучения мощных лазерных источников есть опасность повреждения входной линзы и дорогостоящего датчика изображения. Следует отметить, что громоздкость устройства ограничивает возможности его применения для оптических трактов малого размера.

Задача изобретения заключается в определении параметров лазерного пучка, а именно фокусного расстояния и радиуса перетяжки, без прямого воздействия на светочувствительный сенсор.

Решение задачи позволит определять положение перетяжки и размер сфокусированных лазерных пучков без угрозы повреждения фоточувствительного датчика и в любом месте оптического тракта.

Устройство для определения параметров сфокусированного лазерного пучка, содержащее средства продольной юстировки, обеспечивающие возможность совместной юстировки элементов оптической схемы относительно базовой точки измерительного устройства, отличающееся тем, что в предлагаемом устройстве применяется оптическая система, состоящая из блока формирования моды с двумя максимумами интенсивности (HG₀₁), включающего поляризатор, обеспечивающий формирование линейной поляризации пучка, конвертер линейной поляризации в радиальную или азимутальную поляризацию, поляризатор для выделения моды HG₀₁ и тонкой пленки аморфного фазопеременного халькогенидного материала (ФХМ), нанесенной на прозрачную подложку, и экран или фоточувствительный датчик для регистрации интерференционных полос Юнга, установленный за прозрачной подложкой с тонкой пленкой ФХМ.

При освещении модифицированных областей тонкой пленки ФХМ лазерным излучением с зондирующей мощностью на экране формируется интерференционная картина в результате интерференции от двух точечных источников. Благодаря способности халькогенидных материалов осуществлять светоиндуцированные фазовые превращения, область вокруг формируемых сквозных кратеров в тонкой пленке ФХМ является кристаллической и обладает значительно более высоким коэффициентом отражения по сравнению с немодифицированной частью пленки. В результате основная часть излучения проходит через сквозные кратеры и не поглощается, в то время как часть излучения, попадающая на кристаллическую область вблизи сквозных кратеров, отражается, что значительно снижает вероятность дальнейшего выгорания пленки и увеличения размеров сформированных сквозных кратеров.

При освещении модифицированных областей излучением зондирующей мощности в дальней зоне на экране формируется интерференционная картина, получающаяся при дифракции на двух отверстиях - полосы Юнга. По расстоянию Λ между интерференционными максимумами полос можно рассчитать расстояние d между максимумами моды HG₀₁

где D - расстояние от пленки до экрана, а - длина волны зондирующего пучка. Затем, используя параметр d, можно определить радиус w исходного пучка HG₀₀ с помощью соотношения

Смещая халькогенидную пленку вдоль оптической оси и формируя при различных положениях пленки ФХМ относительно линзы сквозные кратеры, определяется расстояние между интерференционными полосами. Положение пленки, при котором будут наблюдаться интерференционные полосы с максимальным пространственным периодом, будет соответствовать фокальной плоскости, а радиус пучка w будет радиусом перетяжки (w=w₀).

Помимо прямого измерения пространственного периода полос Юнга для их регистрации может быть использован оптический сенсор, что дает возможность проводить измерения в автоматическом режиме. Поскольку полосы эквидистантны, и дифракционная картина обладает высокой расходимостью, измерение периода полос можно проводить, размещая сенсор вне оси прохождения недифрагированного пучка, что позволяет защитить сенсор от оптического повреждения.

Предлагаемое устройство может применяться для определения радиуса сфокусированного лазерного пучка и положения фокальной плоскости. Устройство перспективно для проведения юстировки лазерных систем и определения параметров лазерного пучка для решения научных и прикладных оптических задач.

Изобретение поясняется представленными фиг. 1, 2 и 3: на фиг. 1 - оптическая схема предлагаемого устройства, где: 1, 3 - линейные поляризаторы; 2 - конвертер поляризации; 4 - тонкая аморфная пленка ФХМ; 5 - стеклянная подложка; 6 - экран для наблюдения интерференционной картины;

на фиг. 2 - схема интерференции от двух вторичных источников излучения, расположенных в областях абляции тонкой пленки, где d_c - расстояние между источниками когерентных волн S1 и S2 (сквозными кратерами), D - расстояние от пленки до экрана, где наблюдается интерференция, Λ пространственный период интерференционной картины;

на фиг. 3 - интерференционные картины, наблюдаемые на экране устройства при облучении пленки ФХМ с двумя сквозными кратерами, сформированными модой HG₀₁. Пленка расположена в сходящемся пучке на расстоянии 800 мкм до фокальной плоскости линзы (а), в фокальной плоскости (б) или в расходящемся пучке на расстоянии 800 мкм от фокальной плоскости линзы (в).

Пример. В качестве фазопеременного халькогенидного материала использовалась аморфная пленка соединения Ge₂Sb₂Te₅ толщиной 130 нм, сформированная на стеклянной подложке методом магнетронного распыления поликристаллической мишени при постоянном токе. Площадь стеклянной подложки составляла 4 см². Воздействие непрерывного лазерного излучения (длина волны 532 нм, мощность 120 мВт, длительность экспозиции 100 мс, мода HG₀₁), сфокусированного линзой с фокусным расстоянием 25 мм на поверхности тонкой пленки Ge₂Sb₂Te₅, приводило к появлению двух сквозных кратеров в результате абляции.

Расстояние между центрами сквозных кратеров d соответствовало расстоянию между максимумами интенсивности d моды HG₀₁, например, в фокальной плоскости d,=13 мкм, а при сдвиге от фокуса на -800 мкм (сходящийся пучок) или+800 мкм (расходящийся пучок) расстояние между сквозными кратерами составляло d_c=25 мкм. При освещении сквозных кратеров этим же пучком зондирующей мощности (менее 10 мВт) на экране формировалась интерференционная картина (фиг. 3) с периодом, равным 23 мм для фокальной плоскости или 11 мм для смещений от фокальной плоскости на 800 мкм. Используя соотношение (2) и полученные значения периода, определено, что значение радиуса пучка в перетяжке w₀=7 мкм, а для смещения 800 мкм радиус пучка был равен w=14 мкм. Эти значения совпали с размерами пучка HG₀₁, измеренными с помощью профилометра.

При использовании устройства отсутствует прямое лазерное воздействие на фоточувствительный элемент, что исключает его повреждение. Кроме того, предлагаемое устройство характеризуется компактными размерами, что позволяет применять его даже в компактных оптических схемах. Элементы устройства отличаются простотой исполнения и технологичностью изготовления. Вышеуказанный положительный эффект обуславливает решение поставленной технической задачи и приводит к достижению желаемого результата.

Источники информации:

1. Патент РФ № 222143Ш.

2. Патент США № 4917489.

3. Патент РФ № 2474795 - прототип.

Изобретение относится к области оптоэлектроники, фотоники и лазерных технологий, а именно к оптическим устройствам для определения положения фокальной плоскости и радиуса перетяжки сфокусированных лазерных пучков. Устройство содержит элементы для формирования лазерной моды HG₀₁, а именно: поляризатор для создания линейно поляризованного излучения, фазовый конвертор для создания из линейно поляризованного излучения осесимметричного распределения поляризации, поляризатор, выделяющий моду с двумя максимумами интенсивности и фоточувствительный слой на основе ФХМ. Сформированное таким образом излучение позволяет за счет абляции создать на поверхности пленки ФХМ два сквозных кратера, через которые излучение проходит сквозь пленку, формируя два вторичных источника излучения. Интерференция проходящего излучения в дальней зоне приводит к появлению полос с периодом, определяемым расстоянием между кратерами и позволяющим рассчитать размеры изначального (несконвертированного) лазерного пучка. Изобретение обеспечивает измерение размеров пучка с интенсивностями выше порога абляции выбранного ФХМ в компактных лазерных системах без опасности повреждения сенсоров. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для определения параметров сфокусированного лазерного пучка, содержащее средства продольной юстировки, обеспечивающие возможность совместной юстировки элементов оптической схемы относительно базовой точки измерительного устройства, отличающееся тем, что в предлагаемом устройстве применяется оптическая система, состоящая из блока формирования моды с двумя максимумами интенсивности (HG₀₁), включающего поляризатор, обеспечивающий формирование линейной поляризации пучка, конвертер линейной поляризации в радиальную или азимутальную поляризацию, поляризатор для выделения моды HG₀₁ и тонкой пленки аморфного фазопеременного халькогенидного материала (ФХМ), нанесенной на прозрачную подложку, и экран или фоточувствительный датчик для регистрации интерференционных полос Юнга, установленный за прозрачной подложкой с тонкой пленкой ФХМ.

2. Устройство по п. 1, в котором в качестве фазопеременного материала используются теллуриды германия и сурьмы.