Устройство преобразования оптического излучения

Заявленное техническое решение относится к лазерной технике, в частности, к нелинейным оптическим преобразователям с удвоением частоты и генерирующим в видимой и ИК областях спектра.
Оптические преобразователи частоты широко применяются в системах оптической связи, информационных вычислительных системах. В связи с этим, возникает необходимость создания высокоэффективных оптических преобразователей.
Известно устройство преобразования оптического излучения - удвоитель частоты, на основе периодически поляризованного ниобата лития (PPLN) с постоянно заданным шагом периода поляризации сегнетоэлектрика, применяемое для генерации второй гармоники (ГВГ). Преобразователь содержит элементы: источник опорного излучения, активный элемент, корректор ввода оптического излучения. Устройство получило широкое распространение за счет простоты и надежности реализации оптического преобразования, но в то же время обладает рядом недостатков: невозможность подстройки градиента вектора волновой расстройки, влияющего на эффективность оптических преобразований. Устройство, в котором имеется постоянно заданный шаг периода поляризации активного элемента, не позволяет производить непрерывную перестройку по длинам волн. Единственно возможная - дискретная подстройка, ограниченная заранее заданной регулярной доменной структурой. (Колкер, Д.Б. Лазерные синтезаторы оптических частот на основе параметрических генераторов света/ диссертация. - с. 119-121).
Широкое распространение получил преобразователь оптической частоты на основе ниобата лития, в котором подстройка рассогласования волнового вектора взаимодействия результирующих волн происходит за счет модуляции (изменения) периода доменов структуры нелинейного оптического кристалла. Преобразователь содержат элементы: источник опорного излучения, активный элемент, корректор ввода оптического излучения. Устройство, в котором имеется нерегулярный период доменной структуры активного элемента, позволяет производить непрерывную перестройку по длинам волн. В то же время, в нем имеются эффекты частичного внутреннего отражения опорного излучения на границах доменных структур, а, следовательно, снижения эффективности преобразования, поскольку оптическое излучение в таких преобразователях вводится не под углом 90° к не регулярной доменной структуре, в связи с особенностями структуры активных элементов таких устройств. (Колкер, Д.Б. и др. Параметрический генератор света на основе периодических структур ниобата лития с плавной перестройкой длины волны излучения // Приборы и техника эксперимента. - 2014. - №1. - С. 85-89).
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является источник терагерцовых и миллиметровых волн, который содержит источник опорного сигнала (полупроводниковый лазер), внешний резонатор, корректор ввода оптического излучения, термостабилизационную площадку и активный элемент (патент ЕР 2263290 В1, МПК H01S 1/02 (2015.01), заявка ЕР 20090776407, опубл. 14.04.2014, заявл. 03.03.2009). Он используется для преобразования оптического излучения и генерации второй гармоники (ГВГ). Активный элемент прототипа выполнен из периодически поляризованного ниобата и имеет «веерную» (fan-out) доменную структуру, в которой длина шага доменной структуры варьируется в пределах 27-30 мкм. В нем имеются эффекты частичного внутреннего отражения опорного излучения на границах доменных структур, а, следовательно, снижения эффективности преобразования, поскольку оптическое излучение в таких преобразователях вводится не под углом 90° к доменной структуре, в связи с особенностями структуры активных элементов таких устройств. (Ахманов, С.А., Никитин, С.Ю. Физическая оптика. М.: Наука. - 2004. - с. 182-195).
Недостатком наиболее близкого аналога являются высокие потери в активном элементе, основанные на частичном отражении оптического сигнала от границ доменных структур, за счет неперпендикулярного ввода оптического излучения по отношению к доменной структуре.
Техническим результатом заявляемого решения является повышение эффективности преобразования излучения накачки во вторую гармонику.
Для достижения технического результата предлагается устройство преобразования оптического излучения, включающее последовательно расположенные ИК лазер (импульсный или непрерывный), две двояковыпуклые линзы, металлический термостабилизационный держатель, микро-позиционную площадку регулирования геометрического места ввода опорного излучения и активный элемент. Активный элемент имеет форму прямоугольного параллелепипеда с плоско-полированными гранями и выполнен из кристалла периодически поляризованного ниобата лития, имеющего регулярную доменную структуру с шагом 15 мкм, градиент концентрации ионов лития с неоднородным распределением в соответствии с формулой:
где:
p - const, 0,1≤p≤1
x - пространственная координата, направленная по ширине активного элемента (см) в системе отсчета, берущей начало на боковой грани активного элемента.
Ориентация доменов регулярной структуры активного элемента параллельна входной грани активного элемента.
В отличие от прототипа, заявляемое устройство преобразования оптического излучения имеет активный элемент с градиентом концентрации ионов лития, что позволяет производить непрерывную перестройку по длинам волн. Эффекты внутреннего отражения опорного излучения на границах регулярной доменной структуры не проявляются, поскольку оптическое излучение перпендикулярно регулярной доменной структуре в активном элементе. Так же, на таком устройстве возможно одновременное преобразование на нескольких длинах волн, что позволяет применять данную полезную модель в современных системах оптической связи.
На фиг. 1 схематически изображено устройство преобразования оптического излучения на основе градиентного кристалла ниобата лития. На фиг. 2 дан вид доменной структуры «веерного» (fan-out) типа активного элемента у прототипа. На фиг. 3 - расчетный график эффективности преобразований активного элемента прототипа, где пунктирной линией представлены потери без учета частичного отражения на границах регулярной доменной структуры; сплошной линией - с учетом потерь на частичном отражении на границах регулярной доменной структуры. На фиг. 4 схематично изображен активный элемент. На фиг. 5 представлен профиль параболического градиента концентрации ионов лития с неоднородным распределением по ширине активного элемента, приведенного в примере 1. На фиг. 6 - расчетный график ГВГ для параболического градиента концентрации ионов лития с неоднородным распределением по ширине активного элемента. Фиг. 7 - профиль линейного градиента концентрации ионов лития с неоднородным распределением по ширине активного элемента, приведенного в примере 2. Фиг. 8 - расчетный график преобразований для линейного градиента концентрации ионов лития с неоднородным распределением по ширине активного элемента.
Устройство содержит последовательно расположенные источник опорного сигнала 1, в качестве которого может быть использован ИК лазер импульсный или непрерывный, двояковыпуклую линзу 2, двояковыпуклую линзу 3, металлический термостабилизационный держатель 4, активный элемент 5, микро-позиционную площадку регулирования геометрического места ввода опорного излучения 6 (фиг. 1.). Линзы 2 и 3 симметричны относительно оптической оси и светопрозрачны. Активный элемент 5 сверху и снизу закреплен металлическим термостабилизационным держателем 4, выполненным, например, в виде элемента Пельтье, на микро-позиционной площадке регулирования геометрического места ввода опорного излучения 6. Кристалл, из которого выполнен активный элемент 5, получали по способу, описанному в патенте RU №2402646, МПК С30В 15/20 (2006.01), С30В 15/02 (2006.01), С30В 15/12 (2006.01), опубл. 27.10.2010.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Оптическое излучение от источника излучения 1 вводится последовательно в двояковыпуклую линзу 2, затем в двояковыпуклую линзу 3, за счет этого создается коллиматорный пучок оптического сигнала, вводимый на плоско-полированную грань активного элемента 5. Микропозиционная площадка регулирования геометрического места ввода опорного излучения 6 осуществляет пространственные электрические регулировки вдоль осей x, y, z и, тем самым, изменяется точка ввода оптического излучения в активный элемент 5. Изменение точки ввода в активный элемент 5 позволяет параметрически изменять преобразование оптического излучения в нем. Металлический термостабилизационый держатель 4 позволяет отводить тепло от активного элемента 5 в процессе оптических преобразований, поддерживая температуру на уровне 30°±0,5°С.
Был проведен математический расчет по оценке величины оптических потерь в активном элементе 5 заявляемого устройства и активном элементе прототипа. Расчеты в рамках эксперимента проводились на основе теории взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, при периодическом чередовании слоев образующих поляризующие покрытия.
Теоретическая основа расчетов (Ахманов, С.А., Никитин, С.Ю. Физическая оптика. М.: Наука. - 2004. - с. 182-195).
Угол падения оптического излучения на границу доменной структуры в общем виде:
Разница периодов доменной структуры:
1
2
Δ=Λ-Λ
Количество границ доменной структуры в активном элементе:
,
0
где L - длина активного элемента, Y - ширина активного элемента. Углы падения и преломления связаны между собой законом Снеллиуса:
,
0
где x - нелинейная добавка к показателю преломления, n - показатель преломления, α - угол падения оптического излучения, β угол - преломления оптического излучения.
Коэффициент отражения:
.
Коэффициент пропускания:
s
s
T=1-R.
Формулы Френеля для S и Р поляризации:
Доменная структура активного элемента, используемого в прототипе, имеет «веерную» (fan-out) конфигурацию (фиг. 2.). В такой конфигурации оптическое излучение вводят перпендикулярно грани активного элемента, но под углом к его доменной структуре. При прохождении всей доменной структуры угол падения на границах доменной структуры меняется. При прохождении интенсивного лазерного излучения в ниобате лития возникает нелинейный прирост к показателю преломления. Каждая граница доменной структуры активного элемента разделяет его на два домена с различным направлением вектора поляризации. Таким образом, в одном домене нелинейный прирост положительный, а в другом отрицательный. Величина нелинейного прироста к показателю преломления на несколько порядков меньше самого показателя преломления и определяется интенсивностью оптического излучения. Потерями, определяемыми по формулам Френеля, можно пренебречь при прохождении одной доменной границы, однако при прохождении множества слоев этим пренебрегать уже нельзя. (Путилин, Э.С. Оптические покрытия: учебное пособие. СПБ: СПбГУ ИТМО. - 2010. - 227 с.).
Для прототипа при расчете учитывались следующие параметры: длина активного элемента 40 мм, период доменной структуры варьировался от 27 до 30 мкм по ширине активного элемента равной 10 мм, мощность вводимого оптического излучения 250 мВт, длина волны накачки 1,5 мкм, площадь сфокусированного пучка оптического излучения 20 мкм, длительность импульса 15 нс.
В результате проведенного математического расчета получено значение оптических потерь на выходе активного элемента прототипа равное 9-10%. (фиг. 3)
При прочих равных условиях, в активном элементе 5 заявляемого устройства длиной 40 мм, период регулярной доменной структуры 15 мкм, вводимое оптическое излучение от источника 1 мощностью 250 мВт, длина волны 1,5 мкм, площадь пучка оптического излучения 20 мкм, длина импульса 15 нс, оптические потери не наблюдаются, поскольку в заявляемом устройстве оптическое излучение вводится под углом 90° (фиг. 4).
Таким образом, предлагаемое устройство преобразования оптического излучения на основе градиентного кристалла ниобата лития позволяет эффективно, по сравнению с прототипом, преобразовывать длину волны лазерного излучения.
Пример конкретной реализации 1
В качестве источника лазерного излучения 1 используют полупроводниковый волоконный лазер Латус-К, длина волны излучения 960±30 нм, мощностью 0,1-18 Вт. Двояковыпуклая линза 2 (Thorlabs, LA1951-B) имеет фокусное расстояние 25,4 мм. Двояковыпуклая линза 3 (Thorlabs, LA1027-B) имеет фокусное расстояние 125 мм. Расстояние от источника лазерного излучения 1 до двояковыпуклой линзы 2 - 25,4 мм, между линзой 2 и линзой 3 - 100 мм, расстояние от второй линзы 3 до активного элемента 5 равно 125 мм. Активный элемент 5 имеет геометрические размеры 2×10×20 мм. В качестве металлического термостабилизационого держателя 4 используем модуль Пельтье FROST-74 термоэлектрический, имеющего геометрические размеры 40×40×4 мм.
Длина шага регулярной доменной структуры активного элемента 5 составляет 15 мкм. Начальная концентрация ионов лития от общего числа катионов, в активном элементе 5, соответствует конгруэнтному составу ниобата лития и составляет 48,6%; конечная концентрация ионов лития соответствует стехиометрическому составу ниобата лития и составляет 50% от общего числа катионов. Профиль параболического градиента концентрации ионов лития с неоднородным распределением по ширине активного элемента 5 представлен на фиг. 5.
где:
Где р=1.
x - пространственная координата, направленная по ширине активного элемента (см) в системе отсчета, берущей начало на боковой грани активного элемента.
Был проведен математический расчет на основе известной модели нелинейных оптических преобразований для подтверждения технического результата работы устройства преобразования оптического излучения для параболического профиля концентрации активного элемента 5, отраженный на фиг.6. Как видно из графика для осуществления ГВГ с опорным излучением с длиной волны 1040 нм необходимо ввести оптическое излучение в координате преобразователя равной 15 мм. В таком случае на выходе преобразователя будет получено излучение на длине волны 520 нм.
Для осуществления ГВГ с опорным излучением с длиной волны 1030 нм необходимо ввести оптическое излучение в координате преобразователя равной 10 мм. Тогда на выходе преобразователя будет получено излучение на длине волны 515 нм.
Для осуществления ГВГ с опорным излучением с длиной волны 1060 нм необходимо ввести оптическое излучение в координате преобразователя равной 2 мм. Тогда на выходе преобразователя будет получено излучение на длине волны 530 нм.
В результате проведенного математического расчета для примера конкретной реализации 1, заявляемого устройства преобразования оптического излучения, выявлено повышение эффективности преобразования излучения накачки во вторую гармонику на 9.4%, по сравнению с прототипом.
Таким образом, в диапазоне длин волн от 1032 до 1075 нм заявляемое устройство позволяет осуществлять ГВГ в диапазоне от 516,25 до 537,5 нм, что составляет диапазон перестройки 21,25 нм. Так же на данном устройстве возможна одновременная ГВГ на разных длинах волн по разным координатам по ширине активного элемента.
Пример конкретной реализации 2
В качестве источника лазерного излучения 1 использовали полупроводниковый импульсный лазер LSM-DTL-329QT, длина волны излучения 1053 нм, мощностью 0,1-0.25 Вт. Двояковыпуклая линза 2 (Thorlabs, LA1951-В) имеет фокусное расстояние 25,4 мм. Двояковыпуклая линза 3 (Thorlabs, LA1027-B) имеет фокусное расстояние 125 мм. Расстояние от источника лазерного излучения 1 до двояковыпуклой линзы 2 равно 25,4 мм, между линзой 2 и линзой 3 - 100 мм, расстояние от второй линзы 3 до активного элемента 5-125 мм. Активный элемент 5 имеет геометрические размеры 2×10×20 мм. В качестве металлического термостабилизационого держателя используется модуль Пельтье FROST-74 термоэлектрический, имеющий геометрические размеры 40×40×4 мм. Длина шага регулярной доменной структуры активного элемента 5 составляет 15 мкм. Начальная концентрация ионов лития от общего числа катионов, в активном элементе 5, соответствует конгруэнтному составу ниобата лития и составляет 48,6%; конечная концентрация ионов лития соответствует стехиометрическому составу ниобата лития и составляет 50% от общего числа катионов. Профиль линейного градиента концентрации ионов лития с неоднородным распределением по ширине активного элемента 5 представлен на фиг. 7.
где:
где р=1.
x - пространственная координата, направленная по ширине активного элемента (см) в системе отсчета, берущей начало на боковой грани активного элемента.
Был проведен математический расчет на основе известной модели нелинейных оптических преобразований для подтверждения технического результата работы устройства преобразования оптического излучения.
На фиг. 8 представлен расчетный график оптического преобразования для линейного профиля концентрации. Как видно из расчетного графика активного элемента 5 заявляемого устройства, при введении с опорного излучения длиной волны 1064 нм в координате преобразователя 5 мм получили на выходе активного элемента 5 две длины волны длиной 1900 нм и 2400 нм.
При введении с опорного излучения длиной волны 1064 нм в координате преобразователя 15 мм получи на выходе активного элемента две длины волны длиной 1600 нм и 3200 нм.
В результате проведенного математического расчета для примера конкретной реализации 2, заявляемого устройства преобразования оптического излучения, выявлено повышение эффективности преобразования излучения накачки на 9.6%, по сравнению с прототипом.
Таким образом, заявляемое устройство в диапазоне длин волн от 1500 до 3750 нм позволяет производить перестройку вводимого оптического излучения. Так же на данном устройстве возможна одновременная перестройка на разных длинах волн, по разным координатам, по ширине активного элемента.