ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ИСТОЧНИК ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к области квантовой электроники и может быть использована в устройствах для управления интенсивностью и спектром лазерного излучения.
Управление параметрами излучения является одной из основных задач квантовой и нелинейной оптики. К числу таких параметров относятся поляризация, угловые и спектральные распределения, корреляционные и временные свойства и др. Актуальной задачей является управление спектром двухфотонного излучения.
Для получения широкого частотного спектра с контролируемой формой требуется создавать определенный профиль температуры вдоль нелинейного кристалла, что и обеспечивает настоящее устройство.
Известно техническое решение, использующее температурное воздействие с целью обеспечения возможности управления параметрами лазерного излучения (см. например, патент США №6.726.763 В2, кл. МКИ С30В 1/02, НКИ 117/2; 423/328.2; опублик. 27.04.2004), реализуемое с помощью устройства, содержащего генератор накачки, связанный с нелинейным кристаллом и нагревательные элементы.
Однако, такое решение не позволяет эффективно регулировать спектр генерируемого оптического излучения, в частности, двухфотонного, в одном нелинейном кристалле-преобразователе, поскольку основано на изменении условий фазового синхронизма за счет созданной в кристалле-преобразователе фиксированной доменной структуры. Недостатком, обусловленным изменением условий фазового синхронизма в таком решении, является то, что генерируется лишь излучение с фиксированной длиной волны, а интенсивность его оптимизируют за счет температурной зависимости условий фазового синхронизма. В результате кристалл обеспечивает единственный профиль спектра оптического излучения. Изменение спектра генерируемого в такой структуре оптического излучения требует приготовления новой доменной структуры и не позволяет регулировать спектр генерируемого оптического излучения, в частности, двухфотонного, в одном нелинейном/фотонном кристалле-преобразователе.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является перестраиваемый лазер (патент РФ №2173013, МПК H01S 3/10, опублик. 27.08.2001), содержащий генератор накачки, оптический резонатор с широкополосной усиливающей средой и параметрический усилитель света, выполненный на основе нелинейного кристалла с температурно перестраиваемым синхронизмом.
Недостатком такого устройства являются ограниченные возможности при регулировке параметров излучения.
Технический результат, заключающийся в расширении возможностей при регулировке формы частотного спектра излучения в зависимости от пространственного профиля изменения температуры на соответствующих участках нелинейного кристалла, достигается в предлагаемом перестраиваемом источнике лазерного излучения, включающем генератор накачки, оптически связанный с температурно перестраиваемым нелинейным кристаллом, тем, что он содержит секционированную систему теплового воздействия на нелинейный кристалл и блок управления, при этом упомянутая система теплового воздействия состоит из n≥2 нагревательных элементов, регулярно расположенных вдоль боковой поверхности нелинейного кристалла и отделенных друг от друга термоизолирующими перегородками, и датчиков температуры, установленных в соответствующих секциях, причем указанные нагревательные элементы подключены к выходам блока управления, входы которого соединены с датчиками температуры.
Указанный технический результат достигается также тем, что блок управления содержит управляемые источники электропитания, выходы которых являются выходами блока, и программируемый микропроцессор с возможностью информационного обмена с внешними устройствами ввода программы и обработки данных, при этом информационные входы программируемого микропроцессора являются входами блока, а управляющие входы источников электропитания подключены к выходами программируемого микропроцессора.
При этом нагревательные элементы выполнены в виде низкоомных резисторов.
Для обеспечения стабильной работы устройства оно содержит также радиатор, установленный с торца нелинейного кристалла и связанный с системой подачи и отвода хладоагента.
Сущность полезной модели поясняется чертежами:
на фиг. 1 показана конструкция перестраиваемого источника лазерного излучения;
на фиг. 2 приведено сечение А-А в направлении продольной оси конструкции;
на фиг. 3 приведен график профиля спектра двухфотонного излучения, когда включена только крайняя правая секция нагревателя;
на фиг. 4 приведен график профиля спектра двухфотонного излучения при включенных крайней правой секции и трех секций, расположенных слева.
Перестраиваемый источник лазерного излучения (фиг. 1, фиг. 2) содержит генератор 1 накачки, оптически связанный по оси 2 с температурно перестраиваемым нелинейным кристаллом 3, секционированную систему 4 теплового воздействия, радиатор 5, установленный с торца нелинейного кристалла 3 и связанный с системой подачи и отвода хладагента по каналам 6 и 7 (фиг. 2) с помощью элементов подвода и отвода 8 и 9 хладоагента.
Корпус секционированной системы 4 теплового воздействия выполнен из теплоизоляционного материала, например, текстолита.
Система 4 теплового воздействия состоит из n≥2 нагревательных элементов 10, регулярно расположенных вдоль боковой поверхности нелинейного кристалла 3 и отделенных друг от друга термоизолирующими перегородками (на чертеже не показаны), и датчиков 11 температуры, установленных в соответствующих секциях.
На фиг. 1 и фиг. 2 показан пятисекционный нагреватель (n=5).
В качестве нагревательных элементов 10 могут использоваться, например, резисторы с сопротивлением порядка 10 Ом и мощностью 1-2 Вт, а в качестве датчиков 11 температуры могут использоваться термопары, резистивные датчики температуры или другие миниатюрные датчики.
Каждая секция заполнена термопроводящим компаундом 12 для обеспечения однородной температуры внутри секции, а также хорошего теплового контакта с кристаллом 3.
Нагревательные элементы 10 и датчики 11 подключены к блоку 13 управления, содержащему источники электропитания 14, измерители 15 температуры 15 и программируемый микропроцессор 16. Выходы источников электропитания 14 и входы измерителей 15 температуры подключены через разъем 18 соответственно к нагревательным элементам 10 и датчикам 11.
Число источников электропитания 14 и измерителей 15 температуры соответствует числу секций в секционированной системе 4 теплового воздействия.
Программируемый микропроцессор 16 может управляться извне по шине ввода-вывода 19.
Устройство работает следующим образом.
Генератор 1 накачки создает оптический пучок накачки, распространяющийся вдоль оптической оси устройства 2. Данный пучок проходит через нелинейный кристалл 3, где происходит спонтанное параметрическое рассеяние, приводящее к генерации пар фотонов. Нелинейный кристалл расположен на секционированном нагревателе 4. Данная конструкция позволяет осуществлять контролируемое управление распределением температуры вдоль длины нелинейного кристалла 3.
При подаче напряжения на нагревательный элемент 10 температура данной секции увеличивается, что контролируется по соответствующему измерителю 15 температуры в блоке 13 управления. В зависимости от измеренной температуры микропроцессор 16 может изменять управляющее напряжение для достижения требуемой температуры в данной секции и соответствующего участка нелинейного кристалла 3.
Устройство считается правильно настроенным после установки требуемого температурного режима в каждой секции.
Для отвода избыточного тепла используется металлический радиатор 5, охлаждаемый потоком холодной воды или другого хладагента по каналам 6 и 7 элементам подвода 8 и отвода 9 хладоагента. Для смены программы в микропроцессоре 16 и анализа показаний измерителей 15 используется шина 19 ввода-вывода.
Для наилучшего теплового контакта кристалла с остальным устройством рекомендуется использовать термопасту. Устройство должно выдерживать нагрев отдельных элементов до 150-200°C для обеспечения формирования спектра излучения в широком диапазоне.
Двухфотонное излучение (или поле) рождается в результате нелинейного оптического процесса - спонтанного параметрического рассеяния света (СПР) [Д.Н. Клышко, Фотоны и нелинейная оптика, Наука, Москва (1980).].
СПР представляет собой модификацию нелинейно-оптического параметрического процесса вычитания частоты, когда излучение на выходе нелинейного кристалла-преобразователя 3 возникает даже в отсутствии второй волны накачки или спонтанно (за счет квантовых шумов).
В предлагаемой полезной модели реализуется способ управления спектром нелинейных оптических процессов, в частности, двухфотонного поля.
Устройство позволяет менять спектр генерируемого оптического излучения в зависимости от пространственного профиля изменения температуры нелинейного кристалла 3, который задают путем нагрева до заданной температуры регулярно расположенных вдоль нелинейного кристалла-преобразователя 3 нагревательных элементов 10. Фактически, меняют условия фазового синхронизма вдоль нелинейного кристалла-преобразователя 3 за счет неоднородного распределения температуры. Устройство позволяет осуществлять контролируемое изменение расстояния между центральными частотами сигнальных и холостых мод в спектре СПР, вызванным градиентом температуры, приложенным вдоль нелинейного кристалла-преобразователя, в котором генерируются пары фотонов.
2
4
Так для нелинейно-оптического кристалла дигидрофосфата калия (KDP, химическая формула KHPO) длиной 20 мм, температура которого меняется по длине на 30°С, спектр будет ограничен сверху длиной волны примерно 770 нм, а снизу - 630 нм при накачке аргоновым лазером с длиной волны 351 нм.
Предлагаемое устройство обеспечивает не только контроль интенсивности нелинейно-оптических синхронных процессов на определенной частоте, но и дает возможность контролируемого изменения формы спектра от распределения температур вдоль кристалла-преобразователя.
На фиг. 3, 4 представлены спектры, полученные при разных температурных распределениях. В случае, показанном на фиг. 3, была включена только крайняя правая секция, поэтому большая часть кристалла 3 не прогревалась и максимум спектра расположен ближе к вырожденному режиму. В случае, показанном на фиг. 4 задействованы еще три секции, расположенные слева: кристалл 3 прогревается лучше, и форма спектра близка к прямоугольной.
Таким образом, в предлагаемом устройстве осуществляется не только перестройка частоты, но и контролируемое изменение формы ее спектра, что достигается за счет использования секционированного нагревателя.
Второе отличие заключается в использовании спонтанного параметрического рассеяния, что приводит не просто к генерации фотонов определенной частоты, а к генерации коррелированных пар фотонов.
Предлагаемый источник лазерного излучения реализован на доступных элементах электронной техники и может быть многократно воспроизведен, т.е. соответствует критерию «промышленной применимости».