Расширитель лазерного пучка четырехволнового Nd:YAG лазера

Полезная модель относится к оптическому приборостроению, а именно к расширителям лазерного пучка Nd:YAG лазера, и может быть использована для создания передающих устройств лазерной дальнометрии, оптической локации и связи, в системах зондирования турбулентных сред, в газоаналитических и спектрометрических системах.
В настоящее время для решения различных научно-исследовательских и контрольно-измерительных задач среди источников многоволнового излучения наиболее широко используется Nd:YAG лазер, длина волны излучения составляет 1064 нм и находится в ближней инфракрасной области спектра. Использование простых преобразователей частоты излучения на основе нелинейных кристаллов позволяет одновременно с излучением основной гармоники получать излучение на 2-й (532 нм), 3-й (355 нм) и 4-й (266 нм) гармониках, охватывающих ультрафиолетовый и видимый диапазоны спектра. Для систем лазерного дистанционного зондирования атмосферы важно использование многоволнового излучения, позволяющего получать информацию не только о пространственном распределении аэрозольных слоев и концентрации аэрозоля, но и определять параметры микроструктуры: распределение частиц по размерам, показатель преломления вещества аэрозоля. Для зондирования атмосферы необходимо спроектировать следующую за лазером передающую оптическую систему (расширитель лазерного пучка), способную функционировать на разных длинах волн, позволяющую коллимировать лазерный пучок (т.е. уменьшать расходимость лазерного излучения), формировать пучок большей апертуры при многоволновом режиме работы с минимизацией аберраций не только монохроматических, но и хроматических.
Известны различные конструкции для коллимации лазерного излучения: патент RU №2209455, патент RU №76723; патент RU №89727. Однако ни в одной из вышеперечисленных конструкций не осуществлена возможность работы оптической системы расширителя лазерного пучка для четырех длин волн.
2
2
2
2
2
Наиболее близким к заявляемой полезной модели по конструктивным и эксплуатационным характеристикам является апохроматический расширитель трехволнового Nd:YAG лазера, выполненный в виде обратной системы Галилея (патент RU №135159). Он содержит оптически связанный отрицательный компонент и положительный объектив. Отрицательный двухлинзовый компонент состоит из отрицательного кварцевого мениска, обращенного выпуклой поверхностью к торцевой поверхности лазера, и отрицательной линзы, изготовленной из MgF, а положительный трехлинзовый объектив содержит положительный кварцевый мениск, положительную линзу, изготовленную из MgF, и отрицательную кварцевую линзу. В представленном апохроматическом расширителе лазерного пучка Nd:YAG лазера обеспечена возможность одновременной работы без перефокусировки для трех длин волн: 1,064 мкм; 0,355 мкм и 0,266 мкм. Однако не решена задача коллимации лазерного пучка для длины волны 0,532 мкм, что является существенным недостатком, т.к. только длина волны 0,532 мкм используется для визуализации лазерного излучения. Другим недостатком предсталенного прототипа является использование кристалла MgF. Несмотря на то, что дисперсионные свойства MgF оптимальны для изготовления ахроматических объективов в сочетании с линзами из плавленого кварца, MgF является анизотропным материалом, что осложняет производство оптических элементов из данного материала (необходима строгая ориентация оптической оси кристалла) и влияет на эксплуатационные характеристики из-за возможности появления наведенного двулучепреломления при внешнем воздействии.
Заявляемая полезная модель расширителя лазерного пучка предназначена для коллимации излучения четырехволнового Nd:YAG лазера, генерирующего на первой (λ=1,064 мкм), второй (λ=0,532 мкм), третьей (λ=0,355 мкм) и четвертой (λ=0,266 мкм) гармониках.
Целью полезной модели является разработка универсальной схемы расширителя лазерного пучка, позволяющей управлять коллимацией выходящего пучка для четырех длин волн: 1,064 мкм; 0,532 мкм; 0,355 мкм и 0,266 мкм.
В заявляемой полезной модели техническим результатом является:
1) возможность одновременной работы без перефокусировки для длин волн 0,532 мкм; 0,355 мкм и 0,266 мкм с уменьшением первоначальной угловой расходимости лазерного пучка более чем в 6,6 раз, что обеспечивается комплексным исправлением монохроматических и хроматических аберраций;
2) коллимация пучка для длины волны 1,064 мкм осуществляется перемещением отрицательного двухлинзового компонента на расстояние в 4,2 мм вдоль оптической оси к положительному трехлинзовому объективу, что позволяет проводить лазерное зондирование на дистанции до 30 км;
2
2
3) замена анизотропного кристалла MgF на изотропный кристалла CaF позволяет избежать возникновения двулучепреломления.
2
2
Технический результат достигается тем, что предложенное устройство - расширитель лазерного пучка для ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областей спектра, построенный по обратной схеме Галилея, состоит из отрицательного двухлинзового компонента, оптически связанного с положительным трехлинзовым объективом, причем отрицательный двухлинзовый компонент состоит из отрицательного кварцевого мениска, обращенного выпуклой поверхностью к торцевой поверхности лазера, и положительного мениска, изготовленного из CaF, а положительный трехлинзовый объектив содержит два отрицательных кварцевых мениска и расположенную между ними положительную линзу, изготовленную из CaF. При этом возможность коллимировать пучок без перефокусировки выполнена для длин волн 0,532 мкм; 0,355 мкм и 0,266 мкм. А коллимация пучка для длины волны 1,064 мкм обеспечивается изменением воздушного промежутка на величину, равную 4,2 мм между отрицательным двухлинзовым компонентом и положительным трехлинзовым объективом.
На фиг. 1 изображена оптическая схема расширителя лазерного пучка, где 1 - отрицательный двухлинзовый компонент, 2 - положительный трехлинзовый объектив.
2
Устройство работает следующим образом. Лазерный пучок от источника излучения (твердотельного Nd:YAG лазера), с первоначальной расходимостью в 1 мрад, проходит через отрицательный компонент (1), расширяется и попадает на объектив (2). При совмещении задней фокальной точки отрицательного компонента с передней фокальной точкой положительного объектива происходит коллимация увеличенного в диаметре в 6,6-7,6 раза пучка по сравнению с падающим пучком лазерного излучения. Выбор оптических материалов "кварц - CaF" обеспечивает высокий коэффициент пропускания в рабочих диапазонах длин волн и компенсацию хроматических аберраций для трех длин волн (0,532 мкм; 0,355 мкм и 0,266 мкм). Это позволяет без перефокусировки осуществлять визуализацию зондирующего пучка (λ=0,532 мкм) и одновременно посылать УФ-излучение (λ=0,355 мкм и 0,266 мкм) для возбуждения флуоресценции аэрозоля и антропогенных загрязнений на дистанции до 4 км. ИК-излучение (λ=1,064 мкм) используется для зондирования атмосферного аэрозоля любой природы на дистанциях до 30 км. Поэтому для больших дистанций нужно обеспечить более качественную коллимацию лазерного пучка, что обеспечивается подфокусировкой (изменение воздушного промежутка между отрицательным двухлинзовым компонентом и положительным трехлинзовым объективом на величину S = -4,2 мм).
Задача оптимизации параметров оптических элементов схемы и минимизация аберраций для многоволнового режима работы была решена с помощью программного комплекса «ZEMAX». Анализ аберраций оптической схемы расширителя лазерного пучка проведен с использованием модели параксиальной линзы с фокусным расстоянием 100 мм (тонкий положительный компонент, невносящий дополнительных аберрационных искажений), позволяющей сфокусировать коллимированный пучок и измерить интенсивность Штреля в пятне рассеяния. Для длины волны λ=1,064 мкм число Штреля St=0,99; для λ=0,532 мкм - St=0,9; для λ=0,355 мкм - St=0,97; для λ=0,266 мкм - St=0,89, что свидетельствует о дифракционном качестве формируемого волнового фронта. Остаточный хроматизм положения для трех длин волн (0,266; 0,355 и 0,532 мкм) не превышает 2 мкм (фиг. 2), а S-образная форма графика характеризует высокую степень коррекции хроматизма положения для трех длин волн видимого и УФ-диапазонов.
Технические характеристики оптической системы расширителя лазерного пучка четырехволнового Nd:YAG лазера:
Источник излучения - Nd:YAG лазер;
Угол расходимости лазерного излучения - 1 мрад;
Рабочие длины волн (λ) - 0,266 мкм; 0,355 мкм; 0,532 мкм и 1,064 мкм;
Диаметр входного пучка - 8 мм;
х
х
Увеличение расширителя лазерного пучка - 6,6-7,6;
Общая длина системы - 536,95 мм.
Конструктивные параметры расширителя приведены в следующей таблице.