Ячейка Поккельса для мощного лазерного излучения
POCKELS CELL FOR POWERFUL LASER RADIATION

Изобретение относится к оптической технике и может быть использовано как электрооптическое устройство на эффекте Поккельса, вносящее заданную фазовую задержку в излучение лазеров с высокой средней мощностью (>100 Вт).
Задача управления пучком мощного лазерного излучения является актуальной в связи с широким развитием применений таких лазеров. С помощью оптических модуляторов излучения можно управлять такими характеристиками уже сформированного пучка, как мощность, фаза или поляризация с помощью электрического сигнала. В настоящее время активно применяются акустооптические и электрооптические модуляторы. Акустооптические модуляторы работают за счет изменения показателя преломления оптически прозрачных сред из-за прилагаемого переменного давления. Источником давления выступает звуковая волна, возбуждающаяся в среде посредством пьезоэлектрического преобразователя, присоединенного к ней. Недостатками акустооптических модуляторов являются нелинейная зависимость преобразования электрического сигнала в необходимую модуляцию излучения, сдвиг частоты излучения и невысокий контраст.
π
В интегральной оптике наиболее часто применяются электрооптические модуляторы на эффекте Поккельса. Эффект Поккельса - это изменение двойного лучепреломления анизотропного кристалла, помещенного в электрическое поле, пропорциональное напряженности этого поля. Таким образом, основная часть электрооптического модулятора представляет собой электрооптический кристалл, к которому подводится напряжение, в зависимости от величины которого изменяется показатель преломления кристалла. Эту конструкцию принято называть ячейкой Поккельса (ЯП). Она позволяет управлять фазовыми характеристиками излучения, а при применении поляризаторов, установленных на оси пучка перед и после электрооптического кристалла, и амплитудными. Напряжение, необходимое для изменения фазы световой волны на π, называется полуволновым напряжением (V) и является одной из основных характеристик устройства.
Одной из проблем, ограничивающих применение ячеек Поккельса в лазерах с большой средней мощностью излучения, является неизбежное тепловыделение в электрооптических элементах, вызванное поглощением лазерного излучения при прохождении через них. Тепловыделение приводит к неоднородному распределению температуры по поперечному сечению магнитооптического элемента, в результате чего возникают искажения волнового фронта проходящего излучения ("тепловая линза"). Также появляется дополнительное линейное двулучепреломление, связанное с механическими напряжениями, обусловленными градиентом температуры (фотоупругий эффект). Поляризационные искажения лазерного пучка с субкиловаттной средней мощностью, появляющиеся при проходе через электрооптический элемент, снижают важнейшую характеристику устройства - степень модуляции, которая в некоторых приложения должна превышать 99,9%. Наибольший вклад в поляризационные искажения мощного лазерного пучка вносит так называемая термонаведенная деполяризация, обусловленная фотоупругим эффектом (А.В. Мезенов, Л.Н. Сомс, А.И. Степанов, Термооптика твердотельных лазеров (Машиностроение, 1986)).
2
4
Из уровня техники известны конструкции ячеек Поккельса (ЯП), работающих с мощным лазерным излучением. Дейтерирированный дигидроортофосфат калия (KDPO, DKDP) является наиболее популярной средой для создания ЯП для лазеров с высокой пиковой мощностью. Применение DKDP для создания электрооптических элементов определяется двумя основными факторами: эти кристаллы обладают высокой лучевой стойкостью к воздействию лазерных импульсов с высокой плотностью мощности; могут быть получены больших размеров (масса кристалла может достигать десятков килограмм) и высокого оптического качества. ЯП состоят из кристалла DKDP, ориентированного оптической осью в направлении распространения излучения, в этом же направлении в кристалле наводится электрическое поле.
Для широкоапертурных устройств применяются плазменные электроды (X. Zhang, J. Zhang, D. Wu, J. Zheng, M. Li, K. Zheng, J. Su, and F. Jing, "Progress of rep-rate plasma Pockels cell technology in RCLF," Proc. of SPIE "High Power Lasers for Fusion Research" (2011), Vol. 7916, p. 79160X), которые позволяют создавать равномерные распределения электрического потенциала на торцах элементов большой (более 2 см) апертуры. Тем самым увеличивается равномерность распределения управляющего напряжения по апертуре устройства. Другим способом увеличить равномерность поперечного (и продольного) распределения управляющего напряжения является использование большего числа кольцевых электродов, нанесенных на боковые поверхности элементов. Так, в патенте US 6335816, МПК G02F 1/03, опубл. 01.01.2002) и статье Андреев Н.Ф. и др. «Широкоапертурная ячейка Поккельса с тремя цилиндрическими электродами», Квантовая электроника, 34, №4, 2004, стр. 381-384, рассматриваются конструкции ЯП с тремя цилиндрическими электродами, позволяющими более точно управлять распределением электрического поля в электрооптическом элементе.
Недостатком выше рассмотренных конструкций ЯП является высокий уровень термонаведенных искажений (фазовых и поляризационных) при работе с мощным лазерным излучением, которые ухудшают качество проходящего излучения и свойства прибора. Также к недостаткам можно отнести требуемый для достижения заданной разности фаз высокий уровень прилагаемого напряжения.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой конструкции можно считать электрооптический модулятор для мощного лазерного излучения, описанный в патенте RU 130094, МПК G02F 1/03, опубл. 10.07.2013, Прошин В.А., Скоморовский В.И., Кушталь Г.И., Мамченко М.С., Химич В.А. «Электрооптический модулятор поляризованного излучения». Электрооптический модулятор прототип включает в себя электрооптический кристалл, обладающий продольным электрооптическим эффектом, с прозрачными электродами, нанесенными непосредственно на рабочие поверхности кристалла, располагающимися на торцах. Подвод модулирующего напряжения к прозрачным электродам осуществлен по всему периметру электродов на рабочей поверхности кристалла через контактные кольца, диффузно скрепленные индием с электродами кристалла. Электрооптический кристалл с нанесенными электродами и контактными кольцами герметично защищен оптическими окнами и оправой.
Недостатками устройства прототипа, как и аналогов, являются ухудшающий оптические свойства высокий уровень термонаведенных искажений и требуемый для достижения необходимой разности фаз высокий уровень прилагаемого напряжения (~7 кВ), что не позволяет использовать дешевые и компактные источники напряжения для этого устройства.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка ЯП, обеспечивающей уменьшение термонаведенных эффектов (тепловая линза и термонаведенная деполяризация) и необходимого для работы ЯП подводимого к кристаллу DKDP напряжения. Это позволяет увеличить контраст устройства (отношение мощностей излучения в открытом и закрытом состоянии) и дает возможность использовать дешевые и компактные источники напряжения для ЯП, и таким образом приводит к улучшению пользовательских характеристик и временного разрешения устройства.
Технический результат в разработанной ЯП достигается за счет того, что она, как и прототип, содержит электрооптический элемент из кристалла DKDP, с закрепленными на нем электродами, располагающимися на торцах.
Новым в разработанной ЯП по п. 1 является то, что упомянутый электрооптический элемент присоединен посредством теплопроводящей керамической пластины к охлаждающему элементу и помещен в оптический вакуумный криостат, в результате чего может быть охлажден до криогенных температур.
Такое построение ЯП, в соответствии с п. 1 формулы, позволяет уменьшить тепловую линзу и уменьшить требуемое для работы ЯП подводимое к кристаллу DKDP напряжение. Этот результат достигается за счет того, что тензор электрооптических коэффициентов в DKDP и термооптический коэффициент (dn/dT) являются функциями температуры. Авторами установлено, что напряжение, необходимое для достижения заданной разности фаз, линейно убывает в зависимости от температуры, и для различных степеней дейтерирования исходного кристалла эти зависимости отличаются. Проведенные авторами эксперименты показывают, что для 96% дейтерированного DKDP оптимально охлаждение до 215 K. Ниже этой температуры начинают сказываться эффекты фазового перехода в кристалле. При этой температуре полуволновое напряжение снижается до ~1 кВ, что означает снижение в 7 раз относительно значения при комнатной температуре по сравнению с прототипом. При таких напряжениях уже возможно использовать коммерчески доступные быстродействующие полупроводниковые электронные компоненты. Термооптический коэффициент также убывает по модулю с понижением температуры, что означает уменьшение тепловой линзы. Снижение оптической силы тепловой линзы составляет 2 раза при охлаждении с комнатной температуры до криогенных температур.
2
В первом частном случае реализации разработанной ЯП целесообразно использовать кристалл DKDP, вырезанный таким образом, что его оптическая ось находится под углом к направлению распространения излучения, а электрическое поле приложено в направлении распространения света. Авторами экспериментально и теоретически показано, что существует угол отклонения оптической оси от направления распространения излучения, при котором термонаведенная деполяризация минимальна - от 30° до 70°, в зависимости от особенностей оптической системы. Для экспериментальной конструкции этот угол равен 70°. Деполяризация в этом случае может быть уменьшена более чем на два порядка, что означает увеличение временного контраста излучения. Однако следует отметить, что наклон оптической оси на угол α означает рост полуволнового напряжения пропорционально 1/cos(α). Это увеличение может быть скомпенсировано уменьшением температуры электрооптического элемента.
Во втором частном случае реализации разработанной ЯП целесообразно выполнить охлаждающий элемент в виде трехкаскадного элемента Пельтье, холодная сторона которого крепится к держащей электрооптический кристалл DKDP керамической пластине, а горячая сторона охлаждается проточной водой комнатной температуры. В этой реализации охлаждение до требуемых криогенных температур может быть легко выполнено, одновременно возможна точная регулировка температуры путем изменения тока, протекающего через элемент Пельтье.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
- на фиг. 1 представлена в разрезе схема разработанной ЯП в соответствии с п. 1 формулы;
- на фиг. 2 представлен в разрезе схема разработанной ЯП в соответствии с п. 3 формулы.
Разработанная ЯП для мощного лазерного излучения в соответствии с п. 1 формулы, представленная на фиг. 1, содержит электрооптический кристалл DKDP 1, с подведенными к его граням электродами. Кристалл 1 закреплен с помощью керамической пластины 2 из теплопроводящей керамики, которая в свою очередь имеет тепловой контакт с охлаждающим элементом 3. Вся конструкция помещена в оптический вакуумный криостат 4, который имеет оптические окна 5 и 6 для прохождения излучения через электрооптический кристалл 1, вакуумные порты для откачки воздуха и контактные разъемы для проводов, ведущих к электрооптическому кристаллу 1.
В первом частном случае реализации разработанной ЯП в соответствии с п. 2 формулы кристалл DKDP 1 вырезан таким образом, что его оптическая ось находится под углом от 30° до 70° к направлению распространения излучения, а электрическое поле приложено в направлении распространения света. Деполяризация в этом случае может быть уменьшена более чем на два порядка, что означает увеличение временного контраста излучения.
Во втором частном случае реализации разработанной ЯП в соответствии с п. 3 формулы, представленном на фиг. 2, его охлаждающий элемент представляет собой трехкаскадный элемент Пельтье 7, холодная сторона которого крепится к керамической пластине 2, держащей электрооптический кристалл DKDP 1, а горячая сторона элемента Пельтье 7 закреплена на медном радиаторе 8 и охлаждается проточной водой комнатной температуры (система 9 подвода охлаждающей жидкости).
Разработанная ЯП для мощного лазерного излучения работает следующим образом. Лазерный пучок проходит через оптическое окно 5 криостата, затем через электрооптический кристалл 1, затем выходит из криостата через второе окно 6. К электрооптическому кристаллу 1 с помощью присоединенных электродов приложено напряжение, создающее внутри кристалла 1 электрическое поле, которое в свою очередь меняет тензор показателя преломления в среде и кристалл 1 приобретает дополнительное двулучепреломление, пропорциональное приложенному напряжению из-за электрооптического эффекта (эффекта Поккельса). Излучение, прошедшее через такой кристалл, меняет свою фазу.
В частности, при использовании пары скрещенных ориентированных поляризаторов, установленных на оптической оси перед и после ЯП (на чертеже не показаны), может быть создан модулятор интенсивности излучения. При приложении напряжения, сдвигающего фазу излучения на π радиан (полуволновое напряжение), поляризованный первым поляризатором свет после кристалла 1 меняет свою поляризацию на ортогональную и проходит через второй поляризатор. Таким образом, изменяя напряжение от нуля до полуволнового, возможно изменять оптическое пропускание системы от 100 до 0 процентов соответственно.
Кристалл 1 закреплен в держателе из теплопроводящей керамики 2, которая в свою очередь крепится к охлаждающему элементу 3. За счет этого электрооптический кристалл 1 может быть охлажден до криогенных температур (Т<220 K). Использование охлаждения электрооптического элемента из кристалла DKDP позволяет значительно (в ~7 раз при охлаждении с комнатной температуры до криогенных температур) уменьшить полуволновое напряжение до ~1 кВ. Это уменьшение позволяет использовать более простые и дешевые конструкции источников высокого напряжения, что является преимуществом предложенной конструкции. Более того, охлаждение электрооптического элемента из кристалла DKDP 1 позволяет значительно (более чем в 2 раза при охлаждении с комнатной температуры до криогенных температур) уменьшить оптическую силу термонаведенной линзы - термооптического эффекта, возникающего из-за теплового самовоздействия проходящего через ЯП мощного лазерного излучения и портящего его фазу. Эти преимущества позволяют решить поставленную задачу.
Особенностью предлагаемой ЯП по п. 2 формулы является то, что электрооптический элемент из кристалла DKDP 1 вырезан под углом к оптической оси в диапазоне от 30° до 70°, при котором термонаведенная деполяризация минимальна. Расчет и эксперимент показывают, что это дает уменьшение термонаведенной деполяризации более чем в 10 раз, т.е. на порядок.
Особенностью предлагаемой ЯП по п. 3 формулы является то, что его охлаждающий элемент 3 представляет собой трехкаскадный элемент Пельтье 7, холодная сторона которого крепится к держащей электрооптический кристалл DKDP 1 керамической пластине 2, а горячая - охлаждается проточной водой комнатной температуры с помощью медного радиатора 8 и системы 9 подвода охлаждающей жидкости. Использование элемента Пельтье 7 позволяет точно стабилизировать температуру электрооптического кристалла 1, не требует заливки хладагента и является контролируемым удобным малоинерционным решением для изменения температуры электрооптического кристалла 1.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает уменьшение термонаведенных эффектов (тепловая линза и термонаведенная деполяризация) и подводимого к кристаллу DKDP 1 напряжения и позволяет выполнить поставленную задачу.