ДВУХКАСКАДНАЯ АДАПТИВНАЯ ДИСПЕРСИОННАЯ ОПТИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ ЗАДЕРЖКИ (ВАРИАНТЫ)

Область техники
Полезная модель относится к области управления фемтосекундными лазерными импульсами.
Уровень техники
Известно устройство - портативный акустооптический спектрометр (патент США №7 535 617). В патенте представлено устройство для спектрального анализа световых полей на основе двух последовательно расположенных каскадов акустооптических монохроматоров. В упомянутом устройстве используются два перестраиваемых акустооптических фильтра, управляемые идентичными одночастотными сигналами. Использование двух фильтров приводит к перемножению их передаточных функций, что позволяет снизить уровень боковых лепестков функции пропускания.
Схема каскадной акустооптической фильтрации световых полей получила развитие в статье К.В.Yushkov, S.Dupont, J.-C.Kastelik, V.B.Voloshinov «Polarization independent imaging with acousto-optic tandem system», Optics Letters, vol.35, №9, p.1416 (2010), в которой было предложено использовать два идентичных неколлинеарных фильтра с целью селекции двух ортогональных линейно поляризованных компонент падающего неполяризованного светового поля при управлении одночастотными сигналами.
Устройство для контроля световых импульсов посредством программируемого акустооптического устройства (патент США №6 072 813). Устройство для контроля световых импульсов посредством программируемого акустооптического устройства состоит из фотоупругой среды и акустического преобразователя под управлением программируемой схемы, осуществляющей частотную и(или) амплитудную модуляцию акустической волны. Акустооптическое взаимодействие в устройстве происходит в коллинеарной и неколлинеарной геометрии. Акустическая волна представлена в виде последовательности квазимонохроматических сигналов различной частоты, создающих ряд дифракционных решеток. Устройство предназначено для управления спектральной амплитудой и фазой сверхкоротких лазерных импульсов. Для управления спектральной амплитудой и фазой излучения используется одна и та же дифракционная решетка с переменным периодом и глубиной модуляции. Данный метод имеет явный недостаток, поскольку при необходимости управления только спектральной амплитудой в таком устройстве создается наведенная оптическая дисперсия, которая приводит к возникновению искажений спектральной фазы излучения.
Недостатками известных технических решений являются искажения спектральной фазы, которые неизбежно вызываются амплитудной модуляцией управляющего сигнала и приводит к наведенной оптической дисперсии в результате использования выходного дифрагированного луча.
4
4
4
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является двойной акустооптический монохроматор на СаМоO (статья Мазур М.М., Шорин В.Н., Чижиков С.И., Леонов С.А. «Двойной акустооптический монохроматор на СаМоO», Оптика и спектроскопия, т.67, №3, с.736 (1989)). В данной статье было предложено каскадное применение акустооптических фильтров с целью улучшения формы аппаратной функции пропускания. Двойной акустооптический монохроматор на СаМоO содержит первый акустооптический элемент с первым пьезопреобразователем, первой входной оптической гранью и первой выходной оптической гранью, второй акустооптический элемент со вторым пьезопреобразователем, второй входной оптической гранью и второй выходной оптической гранью. Первый пьезопреобразователь и второй пьезопреобразователь соединены с генератором. Первый пьезопреобразователь установлен на первом акустооптическом элементе с обеспечением возможности акустооптической дифракции входного луча, вошедшего в первый акустооптический элемент через первую входную оптическую грань, на первом акустическом пучке, излучаемом первым пьезопреобразователем. Второй акустооптический элемент расположен по отношению к первому акустооптическому элементу и размещение второго пьезопреобразователя на втором акустооптическом элементе выполнено, в совокупности с обеспечением возможности акустооптической дифракции промежуточного дифрагированного луча, вошедшего во второй акустооптический элемент через вторую входную оптическую грань, на втором акустическом пучке, излучаемом вторым пьезопреобразователем. Второй акустооптический элемент выполнен и расположен с обеспечением выхода выходного дифрагированного луча через вторую выходную оптическую грань в качестве выходного луча.
Недостатками прототипа являются искажения спектральной фазы, которые неизбежно вызываются амплитудной модуляцией управляющего сигнала, и соответствующая наведенная оптическая дисперсия при управлении с помощью последовательности квазимонохроматических сигналов различной частоты в результате использования промежуточного дифрагированного луча.
Целью предлагаемой полезной модели является устранение искажения спектральной фазы, а также устранение наведенной оптической дисперсии при управлении.
Поставленная цель достигается за счет того, что по первому варианту исполнения двухкаскадная адаптивная дисперсионная оптическая линия задержки содержит первый акустооптический элемент с первым пьезопреобразователем, первой входной оптической гранью и первой выходной оптической гранью, второй акустооптический элемент со вторым пьезопреобразователем, второй входной оптической гранью и второй выходной оптической гранью, при этом первый пьезопреобразователь установлен на первом акустооптическом элементе с обеспечением возможности акустооптической дифракции входного луча, вошедшего в первый акустооптический элемент через первую входную оптическую грань, на первом акустическом пучке, излучаемом первым пьезопреобразователем, второй пьезопреобразователь размещен на втором акустооптическом элементе, второй акустооптический элемент выполнен с обеспечением возможности акустооптической дифракции на втором акустическом пучке, излучаемом вторым пьезопреобразователем, и расположен с обеспечением выхода выходного дифрагированного луча через вторую выходную оптическую грань в качестве выходного луча, причем первый пьезопреобразователь соединен с первым генератором, первый пьезопреобразователь установлен с обеспечением возможности выхода промежуточного недифрагированного луча через первую выходную оптическую грань, при этом второй акустооптический элемент расположен по отношению к первому акустооптическому элементу и размещение второго пьезопреобразователя на втором акустооптическом элементе выполнено, в совокупности, с обеспечением указанной акустооптической дифракции промежуточного недифрагированного луча, вошедшего во второй акустооптический элемент через вторую входную оптическую грань, а второй пьезопреобразователь соединен со вторым генератором; по второму варианту исполнения двухкаскадная адаптивная дисперсионная оптическая линия задержки содержит первый акустооптический элемент с первым пьезопреобразователем, первой входной оптической гранью и первой выходной оптической гранью, второй акустооптический элемент со вторым пьезопреобразователем, второй входной оптической гранью и второй выходной оптической гранью, при этом первый пьезопреобразователь установлен на первом акустооптическом элементе с обеспечением возможности акустооптической дифракции входного луча, вошедшего в первый акустооптический элемент через первую входную оптическую грань, на первом акустическом пучке, излучаемом первым пьезопреобразователем, с выходом промежуточного дифрагированного луча через первую выходную оптическую грань, второй акустооптический элемент расположен по отношению к первому акустооптическому элементу и второй пьезопреобразователь размещен на втором акустооптическом элементе в совокупности с обеспечением возможности акустооптической дифракции промежуточного дифрагированного луча, вошедшего во второй акустооптический элемент через вторую входную оптическую грань, на втором акустическом пучке, излучаемом вторым пьезопреобразователем, с выходом выходного недифрагированного луча через вторую выходную оптическую грань, причем первый пьезопреобразователь соединен с первым генератором, при этом второй акустооптический элемент расположен по отношению к первому акустооптическому элементу и размещение второго пьезопреобразователя на втором акустооптическом элементе выполнено, в совокупности, с обеспечением использования в качестве выходного луча выходного недифрагированного луча, а второй пьезопреобразователь соединен со вторым генератором.
Краткое описание чертежей
1
1
2
2
Полезная модель поясняется чертежами (фиг.1-4), где на фиг.1 показан первый каскад двухкаскадной адаптивной дисперсионной оптической линии задержки, на фиг.2 показан второй каскад двухкаскадной адаптивной дисперсионной оптической линии задержки, на фиг.3 показана зависимость частоты от времени изменением F(t) и амплитуды от времени A(f) для первого каскада, на фиг.4 показана зависимость частоты от времени F(t) и амплитуды от времени A(t) для второго каскада.
Раскрытие полезной модели
На фиг.1,2 обозначены: входной луч 1, первая входная оптическая грань 2, первый генератор 3, первый пьезопреобразователь 4, первый акустический поглотитель 5, первый акустический пучок 6, первый акустооптический элемент 7, первая выходная оптическая грань 8, промежуточный недифрагированный луч 9, промежуточный дифрагированный луч 10, вторая входная оптическая грань 11, второй генератор 12, второй пьезопреобразователь 13, второй акустический поглотитель 14, второй акустический пучок 15, второй акустооптический элемент 16, вторая выходная оптическая грань 17, выходной недифрагированный луч 18, выходной дифрагированный луч 19.
Основными элементами устройства являются: первый акустооптический элемент 7, первый пьезопреобразователь 4, первый генератор 3, первый акустический поглотитель 5, второй акустооптический элемент 16, второй пьезопреобразователь 13, второй акустический поглотитель 14, второй генератор 12.
Двухкаскадная адаптивная дисперсионная оптическая линия задержки состоит из первого каскада и второго каскада. Двухкаскадной данная дисперсионная оптическая линия задержки является в связи с использованием двух независимых линий задержки.
Двухкаскадная адаптивная дисперсионная оптическая линия задержки имеет два варианта исполнения. Двухкаскадная адаптивная дисперсионная оптическая линия задержки по первому варианту отличается от двухкаскадной адаптивной дисперсионной оптической линии задержки по второму варианту использованием в первом случае сначала промежуточного недифрагированного луча 9 от первого акустооптического элемента 7, а в качестве выходного луча - выходного дифрагированного луча 19 от второго акустооптического элемента 16, и наоборот - промежуточного дифрагированного луча 10 от первого акустооптического элемента 7 и выходного недифрагированного луча 18 от второго акустооптического элемента 16.
Световое излучение проходит сначала через первый акустооптический элемент 7, а затем через второй акустооптический элемент 16. При этом по первому варианту в качестве рабочего луча для второго акустооптического элемента 16 использован промежуточный недифрагированный луч 9, вышедший из первого акустооптического элемента 7. В качестве выходного луча использован выходной дифрагированный луч 19, вышедший из второго акустооптического элемента 16.
По второму варианту исполнения световое излучение также проходит сначала через первый акустооптический элемент 7, а затем через второй акустооптический элемент 16. При этом в качестве рабочего луча для второго акустооптического элемента 16 использован промежуточный дифрагированный луч 10, вышедший из первого акустооптического элемента 7. В качестве выходного луча использован выходной недифрагированный луч 18, вышедший из второго акустооптического элемента 16.
Далее приведено описание устройства по первому варианту.
Под первым каскадом понимается первый акустооптический элемент 7 с первой входной оптической гранью 2 и первой выходной оптической гранью 8, первым пьезопреобразователем 4 и первым акустическим поглотителем 5, выполненный с обеспечением возможности акустооптической дифракции входного луча 1, вошедшего в первый акустооптический элемент 7 через первую входную оптическую грань 2, на первом акустическом пучке 6, излучаемом первым пьезопреобразователем 4 и преобразованном из электрического сигнала, полученного от первого генератора 3.
Под вторым каскадом понимается второй акустооптический элемент 16 со второй входной оптической гранью 11 и второй выходной оптической гранью 17, вторым пьезопреобразователем 13 и вторым акустическим поглотителем 14, выполненный с обеспечением возможности акустооптической дифракции на втором акустическом пучке 15, излучаемом вторым пьезопреобразователем 13 и преобразованном из электрического сигнала, полученного от второго генератора 12.
2
2
2
2
2
4
4
3
3
Первый акустооптический элемент 7 и второй акустооптический элемент 16 могут быть выполнены на основе различных кристаллов, используемых в акустооптике. Для обеспечения наиболее эффективного управления фемтосекундным излучением, а именно для достижения высокой эффективности дифракции, высокого спектрального разрешения и большего времени оптической задержки предлагается применять квазиколлинерную геометрию акустооптического взаимодействия в первом акустооптическом элементе 7 и втором акустооптическом элементе 16, выполненных из кристаллов каломели (HgCl) для инфракрасного диапазона спектра, парателлурита (ТеО) для видимой и инфракрасной частей спектра, фторида магния (MgF) или дигидрофосфата калия, (KHPO) - KDP, - для ультрафиолетовой части спектра. Кроме того возможно применение неколлинеарной геометрии в первом акустооптическом элементе 7 и втором акустооптическом элементе 16, выполненных из этих кристаллов или строго коллинеарной геометрии в первом акустооптическом элементе 7 и втором акустооптическом элементе 16, выполненных из кристаллов молибдата кальция (СаМоO), TAS (TlAsSe).
Дальнейшее описание устройства приведено для исполнения дисперсионной линии задержки с квазиколлинеарной или коллинеарной геометрией акустооптического взаимодействия.
Для минимизации угловой дисперсии излучения на выходе квазиколлинеарных и неколлинеарных адаптивных дисперсионных оптических линий задержки предлагается определенная конструкция первого акустооптического элемента 7 и второго акустооптического элемента 16.
Первый акустооптический элемент 7 (первый каскад), работающий в нулевом дифракционном порядке, имеет форму многоугольника с первой выходной оптической гранью 8 (одновременно является гранью акустического отражения), параллельной первой входной оптической грани 2 (одновременно является гранью акустического отражения).
Второй акустооптический элемент 16 (второй каскад), работающий в первом брэгговском дифракционном порядке, имеет форму многоугольника со второй выходной оптической гранью 17 (одновременно является гранью акустического отражения), наклонной относительно второй входной оптической грани 11 (одновременно является гранью акустического отражения) таким образом, чтобы после преломления выходной дифрагированный луч 19, выбранный в качестве выходного луча распространялся параллельно промежуточному недифрагированному лучу 9, вошедшему во второй акустооптический элемент 16. При этом угловая дисперсия второго акустооптического элемента 16 компенсируется.
Первый пьезопреобразователь 4 и второй пьезопреобразователь 13 выполнены с обеспечением возможности преобразования электрического сигнала, полученного от первого генератора 3 и второго генератора 12, соответственно, в первый акустический пучок 6 и второй акустический пучок 15, соответственно. Первый пьезопреобразователь 4 и второй пьезопреобразователь 13 выполнены обычным образом для данного вида устройств. В частном случае первый пьезопреобразователь 4 и второй пьезопреобразователь 13 могут быть выполнены из пластин ниобата лития. Первый пьезопреобразователь 4 и второй пьезопреобразователь 13 установлены на первом акустооптическом элементе 7 и на втором акустооптическом элементе 16, соответственно, с обеспечением брэгговской дифракции оптического луча на первом акустическом пучке 6 и на втором акустическом пучке 15, соответственно.
Первый генератор 3 и второй генератор 12 выполнены с обеспечением подачи электрического сигнала на первый пьезопреобразователь 4 и второй пьезопреобразователь 13 соответственно, с обеспечением возможности их дальнейшего преобразования в первый акустический пучок 6 и второй акустический пучок 15 соответственно.
Первый акустический поглотитель 5 и второй акустический поглотитель 14 выполнены с обеспечением возможности поглощения акустического пучка 6, отраженного от первой выходной оптической грани 8, являющейся гранью акустического отражения, и акустического пучка 15, отраженного от второй выходной оптической грани 17, являющейся гранью акустического отражения, соответственно.
Входной луч 1, первый акустический пучок 6, промежуточный недифрагированный луч 9, промежуточный дифрагированный луч 10, второй акустический пучок 15, выходной недифрагированный луч 18 и выходной дифрагированный луч 19 являются неизбежно возникающими и существенными для данного вида устройств, и, следовательно, являются неотъемлемой частью данного устройства с точки зрения его конструктивного решения.
Входной луч 1, подаваемый на устройство и входящий в первую входную оптическую грань 2, представляет собой сверхкороткий импульс лазерной системы. Промежуточный недифрагированный луч 9 представляет собой луч, вышедший из первой выходной оптической грани 8 и являющийся нулевым дифракционным порядком. Промежуточный дифрагированный луч 10 представляет собой луч, вышедший из первой выходной оптической грани 8 и являющийся первым дифракционным порядком. Выходной недифрагированный луч 18 представляет собой луч, вышедший из второй выходной оптической грани 17 и являющийся нулевым дифракционным порядком. Выходной дифрагированный луч 19 представляет собой луч, вышедший из второй выходной оптической грани 17 и являющийся первым дифракционным порядком.
Осуществление полезной модели
Полезная модель реализуется следующим образом.
Настоящее техническое решение заключается в использовании двух каскадов адаптивных оптических дисперсионных линий задержки для независимого управления фазой оптического излучения и его спектром с использованием двухканального блока управления, состоящего, например, из первого генератора 3 и второго генератора 12, обеспечивающего формирование акустических сигналов в кристаллах линий задержки и синхронизацию работы линии задержки с импульсной лазерной системой. Устройство предназначено для управления параметрами сверхкоротких лазерных импульсов. В качестве физического явления, позволяющего адаптивно изменять спектральные фазы и спектральные амплитуды лазерного излучения, используется брэгговское акустооптическое взаимодействие коллинеарной, квазиколлинеарной или неколлинеарной геометрии. Световые лучи в кристаллах и направления распространения ультразвуковых волн так ориентированы относительно кристаллографических осей, что имеет место дифракция Брэгга. Известно, что частота ультразвука, при которой наблюдается акустооптический фазовый синхронизм, пропорциональна частоте электромагнитной волны. Коэффициент пропорциональности между частотами света и ультразвука определяется материалом, в котором происходит взаимодействие и конструктивными параметрами акустооптической ячейки.
min
max
Настоящее техническое решение служит для управления формой фемтосекундных лазерных импульсов, имеющих широкий спектр. В случае так называемого Фурье-ограниченного импульса ширина спектра определяется длительностью волнового пакета. Адаптивная дисперсионная линия задержки может работать как с Фурье-ограниченными импульсами, так и с импульсами излучения, имеющими нескомпенсированную остаточную фазу. Для эффективного управления всеми спектральными компонентами излучения используются частотно- и амплитудно-модулированные акустические поля, создаваемые в кристаллах пьезопреобразователями. Диапазон изменения частоты ультразвука от величины F до величины F выбирается таким образом, чтобы обеспечить передачу всех спектральных компонент света.
Адаптивная оптическая дисперсионная линия задержки является линейной системой, характеризуемой спектральной функцией пропускания Т(ω). Устройство обеспечивает управление и амплитудой, и фазой излучения, поэтому функция пропускания является комплексной величиной, представимой через спектральную амплитуду |T(ω)| и спектральную фазу Ф(ω), т.е. Т(ω)=|Т(ω)|×exp[iФ(ω)].
Применение двух независимых каскадов позволяет раздельно управлять величинами |Т(ω)| и Ф(ω).
1
2
При использовании двух каскадов, функция пропускания устройства в целом определяется произведением функций пропускания каждого из каскадов Т(ω)=Т(ω)×Т(ω).
1
min
max
1
1
В настоящем техническом решении первый акустооптический элемент 7 служит для адаптивного управления спектром (спектральной амплитудой) импульсов. Первый акустический пучок 6, излучаемый первым пьезопреобразователем 4 в первом каскаде, является частотно модулированным с изменением F(t) в диапазоне от F до F, a вид амплитудной модуляции A(t) управляющего сигнала (электрического сигнала), полученного от первого генератора 3, определяет закон преобразования спектральной амплитуды. В качестве рабочего луча, т.е. луча, используемого как входного для второго акустооптического элемента 16, на выходе из первой выходной оптической грани 8 используется прошедший луч, т.е. промежуточный недифрагированный луч 9. В таком случае, функция пропускания первого акустооптического элемента 7 является действительной величиной, следовательно, возможно осуществить выполнение условия T(ω)~|T(ω)|.
Преимуществом использования промежуточного недифрагированного луча 9 в качестве рабочего, т.е. входного для второго акустооптического элемента 16, является принципиальное отсутствие при управлении наведенной оптической дисперсии, что устраняет в совокупности недостатки, присущие прототипу при использовании управляющей последовательности квазимонохроматических сигналов различной частоты. Это обстоятельство позволяет существенно расширить сферу применения заявляемого устройства по сравнению с прототипом. Так, например, можно применять предлагаемое устройство в многопроходных схемах оптических усилителей.
min
max
2
2
2
2
Второй акустооптический элемент 16 служит для адаптивного управления спектральной фазой оптического излучения, т.е. промежуточного недифрагированного луча 9. Второй акустический пучок 15 во втором каскаде является частотно-модулированным в диапазоне от F до F, причем вид зависимости частоты от времени F(t) определяет спектральную фазу функции пропускания второго акустооптического элемента 16, а вид амплитудной модуляции A(t) управляющего сигнала, т.е. электрического сигнала, полученного от второго генератора 12, обеспечивает постоянную амплитуду функции пропускания Т(ω) во всей спектральной полосе оптического излучения. В таком случае, функция пропускания второго акустооптического элемента 16 является комплексной величиной с постоянной амплитудой Т(ω)~ехр[iФ(ω)].
Преимуществом такого способа управления является отсутствие дополнительных искажений спектральной фазы, которые неизбежно вызываются амплитудной модуляцией управляющего сигнала в прототипе при использовании управляющей последовательности квазимонохроматических сигналов различной частоты. Такое техническое решение целенаправленно устраняет другой недостаток прототипа.
1
1
2
2
Принцип формирования управляющих сигналов изображен на фиг.3 для первого акустооптического элемента 7 и фиг.4 для второго акустооптического элемента 16. Первый генератор 3 и второй генератор 12 обеспечивают формирование двух управляющих акустических импульсов A(t)sin(2πF(t)t) и A(t)sin(2πF(t)t), которые одновременно подаются на первый пьезопреобразователь 4 и второй пьезопреобразователь 13, соответственно, в момент времени, предшествующий излучению входного луча 1. При этом, первый генератор 3, например, может вырабатывать выходной сигнал с линейно нарастающей частотой в рабочем диапазоне частот и с произвольно меняющейся амплитудой (фиг.3), а второй генератор 12, например, может вырабатывать выходной сигнал с произвольно меняющейся частотой в рабочем диапазоне частот и с постоянной амплитудой (фиг.4).
Аналогичным образом можно рассмотреть устройство по второму варианту исполнения двухкаскадной адаптивной дисперсионной линии задержки.
Между первым акустооптическим элементом 7 и вторым акустооптическим элементом 16 возможно размещение других оптических элементов, в частности стретчера, также первый акустооптический элемент 7 дисперсионной линии задержки может быть использован в составе многопроходных регенеративных оптических усилителей. Кроме того, первый акустооптический элемент 7 и второй акустооптический элемент 16 могут быть использованы отдельно друг от друга: при необходимости управления исключительно спектральной амплитудой импульсов используется только первый акустооптический элемент 7, а при необходимости управления спектральной фазой используется только второй акустооптический элемент 16 адаптивной дисперсионной оптической линии задержки. Вышеупомянутые особенности заявляемого устройства отсутствуют у прототипа. Они обеспечивают тем самым большие возможности и большую гибкость управления, чем прототип.
В настоящем техническом решении целенаправленно используется разделение функций управления спектральной амплитудой и спектральной фазой оптического излучения между двумя независимыми линиями задержки для исключения взаимного влияния амплитудных и частотных характеристик акустического поля на спектр и дисперсию оптических импульсов. При этом синхронизация и формирование ультразвуковых сигналов и обеспечение пользовательского интерфейса осуществляется двухканальным блоком управления, состоящим, например, из первого генератора 3 и второго генератора 12.
Таким образом, выполнение устройства из первого акустооптического элемента с первой входной оптической гранью и первой выходной оптической гранью, первым пьезопреобразователем, соединенным с первым генератором, и первым акустическим поглотителем и из второго акустооптического элемента со второй входной оптической гранью и второй выходной оптической гранью, вторым пьезопреобразователем, соединенным со вторым генератором, и вторым акустическим поглотителем по первому варианту или по второму варианту обеспечивает устранение искажения спектральной фазы, за счет разделения функций управления спектральной амплитудой и спектральной фазой оптического излучения между двумя независимыми каскадами линиями задержки для исключения взаимного влияния амплитудных и частотных характеристик акустического поля на спектр и дисперсию оптических импульсов, и тем самым осуществить устранение наведенной оптической дисперсии при управлении, за счет использования промежуточного недифрагированного луча.