Устройство для измерения расходимости пучков лазерного излучения Советский патент 1991 года по МПК H01S3/00 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при конструировании и наладке лазерных оптических и спектральньк приборов .. .

Целью изобретения является расширение рабочего спектрального диапазона в ИК-области спектра.

На: чертеже . приведена оптическая

схема устройства для измерения расходимости в видимой области спектра; на фиг,2 и 3 - соответственно схемы устройства для измерения расходимости в ближней и в средней и дальней ИК-областях спектра. 1 Устройство содержит двулучепреломляющий элемент 1, анализатор 2, собирающую линзу 3, регистрирующее устройство 4, нелинейньш удвоите.т1ь 5 частоты, лазер - гетеродин 6, нелинейньй преобразователь 7 для генерации суммарной частоты. В одном из вариантов измерителя расходимости, рснрв ными элементами явля1ртся плоскопараллельная пластина, вырезанная из кристалла КДР, так что уголМежду оптической осью кристaллia и осью устройства б 45. , анализатор, плоскость пропускания которого составляет угол (р 45 с главной плоскостью пластины, и собирающая линза с фокусным расстоянием F 1 м. Контрастность интерференционной картины, возникающей на выходе такого устройства, максимальна, если на кристалл падает неполярнзованное из. лучение, либо его поляризация состав ляет угол 45 с главной плоскостью кристаллической пластины. Последнее достигается размещением на входе устройства системы вьрвижных клиньев, вырезанных из кварца перпендикулярно его оптической оси. Угол поворота плоскости поляризации связан с д,пиной пути света в кварце S известным соотнощением ( Р() S где р (л).) удельное вращение на час тоте V . В этомварианте исполнения устройствр позволяет измерять расходимость лазерного излучения только в плоскоети пучка, совпадающей с главной :гшоскостью кристаллической пластины. Если пучок имеет некруговое поперечное сечение, для измерения расходимости в произвольной плоскости пучка на входе устройства размещается оборачивающая система. При оценке точности измерения расходимости учитьшались все источники ошибок. Суммарная ошибка, вызьшаемая неточ .ность выставления оптической осн крис таЛла, определения двулучепрелокпения температурной зависимостью показателей преломления и клиновидностью крис таллнческой пластины,- не превышает 0,5%.. , , При размещении на выходе анализатора собирающей линзы ошибка изза апертурного эффекта, которая вно9сит наибольшую погрешность при измерении расходимости, уменьшается при любом расположении системы регистрации, причем при проведении регистрации распределения интенсивности вблизи фокуса линзы эта ошибка составляет доли процента. Так, если измерения проводятся на оасстоянии UF -5 мм от фокальной плоскости линзы с фокусным расстоянием F 1 м при расходимости лазерного излучения Р( З и длине кристалла 1 « Л см, ошибка из-за сноса составляет 0,16%, т.е. в 20 раз меньше, чем в известном устройстве при той же длине кристалла. При размещении регистрирующего устройства в фокальной плоскости линзы ошибка из-за сноса не возникает вбобще. При определении числа полос в интерференционной картине трудно оценить , какая доля крайних полос соответствует задаваемому уровню интенсивности. Возникает ошибка, относительная величина которой тем меньше, чем дольше число полос в распределении интенсивности. Если число полос N 25, ошибка составляет 2%j при увеличении числа полос в 4 раза ошибка уменьшается до 0,5%. Таким образом, ошибка измерения, связанная с неточным определением числа полос, может быть сведена к любой наперед заданной величине. Увеличить число полос можно, либо уменьшая угловое расстояние между соседними интерференционными .полосами, либо изменяя расходимость исследуемого лазерного излучения в заданное число раз. При размещении на выходе анализатора собирающей линзы снимается ограничение на длину двулучепреломляющего элемента и это дает возможность уменьшать угловое расстояние между сосед -:: ними интерференционными полосами за счет увеличения длины двулучепрелом- ляющего элемента. Так, при увеличении длины двулучепреломляющего элемента в 3 раза (кристалл KDPg 1 3 см) ошибка из-за неточного определения доли крайней полосы уменьшается в 3 раза, а ошибка из-за апертурного эффекта остается ; незначительной («0,5% при проведении/ измерений на расстоянии ДР « 5 мм от фокальной imocKocTH линзы с фокусным расстоянием F J м при расходимости лазерного излучения ОС 3). В то же время в прототипе использование кристалла KDP с см привело бы к ошибке из-за сноса SJ 8,4%. В предлагаемом устройстве преду- . смотрена возможность использования двулучепреломляющего элемента, состоящего из п плоскопараллельных кристаллических пластин, ориентированных так, что их главные плоскости совпадают, причем п может изменяться от п 1 до ,, определяемого из условия, чтобы ошибка, обусловленная сносом, не превышала ошибку из-за неточного определения доли крайней полосы. Использование п пластин йместо одного длинного кристалла позволяет варьировать длину кристаллического элемента и тем самым расширяет интервал значений расходимости, которые могут быть измерены с одинаковой точностью с помощью предлагаемого устройства. Так, при tx J для измерения расходимости с точностью 2% необходимо использовать один кристалл KDP длиной 3 см. При измерении расходимости 0{ 20 для обеспечения такой же точности требуется 4 кристаллические пластины длиной 3 см каждая Для увеличения.расходимости лазерного излучения предусмотрено размещение на входе устройства набора из , где р 1,2,,., трехгранных призм, каждая из которых ориентирована таким образом, что лазерный пучок проходя через одну из ее боковых граней в направленщ нормали к ней, падает на следующую грань под углом Cj меньшим угла полного внутреннего отражения (ПВО) для анализируемого излучения; расходимость выходящего из призмы излучения возра:стает в Д раз, где 2iiE..bl. - nnpsin q Здесь ПрА- показатель преломления призмы, например, для призмы из стекла К8 (угол ПВО - ) при угле Ср 40.коэффициент увеличения расходимости Лл 5. Использование в устройстве набор.а из m трехгранных призм для увеличения :рас рдимости исследуемого излучения в заданное число раз позволяет одновременно расширить пределы измерения в сторону малФк значений расхбдямостио Ошибка, вызьшаемая введением в 1 устройство призменного -элемента, обу ловлена неточностью измерения пока-.. зателя преломления призмы н выставления угла Ср и не превьппает 0,3%. Для измерения расходимости пучков азерного излучения в ближней ИК-обасти спектра между анализатором и инзой размещается нелинейный удвоитель частоты, изготовленный из кристалла KDP и ориентированный так, что го главная плоскость перпендикуляра главной плоскости кристаллического элемента. Для измерения расходимости в средней; и дальней ИК-областях спектра анализатор, вьшолнен в виде поляризационной призмы, образованной двумя прямыми трехгранными призмами, вырезанными из прустита . Через полированную боковую грань анализатора в устройство попадает излучение лазера-гетеродина, причем оси лазера-гетеродина и исследуемого лазера образуют угол ТС ( диагол. л. п нальной гранью анализатора, 91, . где ТС, и %2 УГЛЫ ПВО соответственно для обыкновенного и необыкновенного лучей на длине ЕОЛНЫ лазера-гетеродина. Такой выбор диапазона углов ОС обусловлен тем, что на диагональной грани поляризационной призмы необходимо удовлетворить условию: необыкновенная волна должна проходить через диагональную грань с минимальными потерями на отражение, обыкновенная волна - испытьюать полное внутреннее отражение.. Если Х : %, то излучение лазера-гереродина не полност.ью отражается от диагональ-: ной грани поляризационной призмы, в результате чего увеличиваются по- тери на отражение. При )С ICj, излучение исследуемого лазера испытьшают на указанной грани полное внутреннее отражение и не попадает в нелинейный преобразователь для генерации излучения суммарной частоты.i Нелинейный преобразователь вьтолнен для генерации суммарной частоты ; излучения исследуемого лазера и ла- : зера-гетеродина при о1-1 взаимодействии. Можно использовать и оо-1 взаимодействие, в этом случае между анализатором и нелинейным кристаллом размещается система подвижных клиньев из оптически активного материала, прозрачного в рабочем спектральном диапазоне. Так же, как-.и в случае, удвоения частоты, ориентация нелиней

. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДИМОСТИ ПУЧКОВ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащее последовательно расположенные По ходу излучения поляризатор, двулучепреломляющий элемент, анализатор и регистрирующее устройство, отличающееся тем, что, с целью расширения рабочего спектрального диапазона устройст ва в ИК-область спектра, в него введен нелинейный преобразователь частоты, установленный между анализатором и регистрирующим устройствам, плоскость фазового синхронизма которого перпендикулярна главной плоскости двулучепреломляющего элемента. 2.Устройство по п.1, отличающееся тем, что с целью расширения рабочего спектрального диапазона устройства в ближнюю Жобласть спектра, нелинейный преобразователь частоты вьшолнен в виде нелинейного удвоителя частотыо 3.Устройство по По1, отличающееся тем, что, с целью расширения рабочего спектрального диапазона устройства в среднюю и дальнюю ИК-области спектра, в неговведен лазер-гетеродин,, анализатор выполнен в виде двух прямых трехгранных призм, оптическая ось лазера-ге е теродина лежит в плоскости, перпендикулярной боковым граням призм анализатора, а нормаль к гипотенузной С грани составляет с оптическими осями исследуемого лазера и лазера-гетеро- дина угрл%, ОС, 7. 6 углы полного внутреннего отра жения для обыкновенного и необыкновеноо ного лучей на длине волны лазера05 гетеродина, а нелинейный преобразователь частоты выполнен в виде нелинейо со ного сзгмматора частот исследуемого ; лазера и лазера-гетеродина.