УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ КОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЧАСТОТНО-ИМПУЛЬСНОГО "БЕЛОГО" ЛАЗЕРА

Полезная модель относится к физике, а именно, нелинейной оптике, и может использоваться для создания новых когерентных источников излучения и лазерных систем на их основе.
Известен оптический параметрический генератор, формирующий когерентное излучение на одной длине волны, перестраиваемое в широком спектральном диапазоне и имеющее узкую спектральную линию за счет введения в устройство инжекторного узкополосного генератора (пат. US №5450707).
Однако, известное устройство не позволяет осуществлять одновременную генерацию когерентного излучения на трех длинах волны, что позволило бы сформировать когерентное излучение частотно-импульсного «белого» лазера.
Наиболее близким техническим решением является генератор трехцветного когерентного светового излучения, в котором осуществляется формирование трех когерентных монохроматических излучений в синей, зеленой и красной областях оптического спектрального диапазона и смешение их в области наблюдения (пат. US №5740190). Устройство содержит лазерный источник, формирующий излучение, которое поступает на генератор второй гармоники. Излучения на выходе генератора второй гармоники делителем излучения в виде разделительного зеркала делятся на два излучения. Одно из излучений, в зеленой области спектра, направляется в область наблюдения. Другое из разделенных излучений является накачкой для параметрического генератора, который генерирует излучения на двух новых длинах волн: сигнальной и холостой. Сигнальное и холостое излучения параметрического генератора разделяются дихроичным зеркалом. Холостое излучение направляется на кристалл второй гармоники, результирующее излучение второй гармоники используется как излучение на красной длине волны в системе. Сигнальный луч направляется через зеркало на кристалл, формирующий излучение второй гармоники, и результирующее излучение второй гармоники используется как излучение в синей области спектра системы.
Недостатком известного устройства является невысокое качество излучения сформированного «белого» лазера. Во-первых, это связано с тем, что в процессе формирования трех типов когерентных монохроматических источников частотно-импульсного излучения происходит рассогласование по времени между импульсами трех различных каналов по причинам разного оптического пути импульсов при прохождении каналов; в результате происходит запаздывание импульсов, проходящих лишние каскады нелинейно-оптических преобразований. Для коротких импульсов, 1-30 наносекунд, эти запаздывания играют весьма существенную роль. Во-вторых, все три когерентные пучки должны быть согласованы по апертуре и направлению распространения, иначе возникают угловые и пространственные ошибки согласования импульсов совмещаемых излучений. Эти ошибки легко идентифицируются при апертурах излучений 5-10 см, а нелинейно-оптические преобразования происходят при апертурных размерах пучков 0,5-1,5 см. Все эти ошибки не позволят при формировании излучения «белого» лазера получить качественную картину в области наблюдения, например, на белом экране.
Техническим результатом при использовании заявляемого технического решения является повышение качества сформированного излучения «белого» лазера в области наблюдения.
1
2
1
1
2
1
3
4
3
2
4
5
3
6
4
3
3
3
5
3
5
2
4
2
2
5
4
4
6
4
6
2
5
6
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве формирования когерентного излучения частотно-импульсного «белого» лазера, содержащем последовательно размещенные вдоль общей оптической оси лазерный источник излучения, генерирующий излучение на длине волны λ, вторая гармоника которого соответствует зеленой области спектра, первый генератор, генерирующий излучение на длине волны λ=λ/2, первый разделитель излучений на длинах волн λ и λ с поглотителем излучения на длине волны λ, параметрический генератор света, генерирующий излучения на длине волны λ, вторая гармоника которого соответствует красной области спектра, и излучение на длине волны λ, вторая гармоника которого соответствует синей области спектра, второй разделитель излучения на длине волны λ и излучений на длинах волн λ, λ, а также первое отражающее зеркало, второй генератор, генерирующий излучение на длине волны λ=λ/2,, третий генератор, генерирующий излучение на длине волны λ=λ/2 Б согласно заявляемой полезной модели, первое отражающее зеркало размещено на пути излучения на длине волны λ, отраженного от второго разделителя излучения, а второй генератор размещен на пути излучения на длине волны λ, отраженного от первого отражающего зеркала, при этом на выходе второго генератора последовательно размещены введенные четвертый разделитель излучений на длинах волн λ и λ с поглотителем излучения на длине волны λ и второе отражающее зеркало, отражающее излучение на длине волны λ при этом в устройство также введены размещенные вдоль общей оптической оси третий разделитель излучений на длинах волн λ и λ, прошедших через второй разделитель излучений, оптическая линия задержки излучения на длине волны λ и первый сумматор излучения на длине волны λ и излучения на длине волны λ, отраженного от второго отражающего зеркала, на входе третьего генератора установлено введенное третье отражающее зеркало, отражающее излучение на длине волны λ, отраженное от третьего разделителя излучений, а на его выходе последовательно размещены введенные четвертый разделитель излучений на длинах волн λ и λ с третьим поглотителем излучения на длине волны λ и четвертое отражающее зеркало, отражающее излучение на длине волны λ, прошедшее через четвертый разделитель излучений, на выходе первого сумматора излучений последовательно размещены второй сумматор излучений на длинах волн λ и λ и излучения на длине волны λ, отраженного от четвертого отражающего зеркала, телескоп и апертурная диафрагма, установленная перед экраном, размещенным в заданной области наблюдения сформированного излучения.
На чертеже приведена структурная оптическая схема устройства формирования когерентного излучения частотно-импульсного «белого» лазера.
1
1
2
1
1
2
1
1
2
3
4
3
2
4
3
5
3
6
4
3
4
3
3
3
5
3
5
2
4
2
2
5
4
4
6
2
5
6
3+
Устройство формирования когерентного излучения частотно-импульсного и «белого» лазера содержит последовательно размещенные вдоль общей оптической оси лазерный источник излучения 1, генерирующий излучение на длине волны λ в диапазоне 1000-1100 нм, например, выполненный в виде частотно-импульсного лазера на гранате YAG:Nd 1 с длиной волны генерации λ=1,064 мкм, генератор 2, генерирующий излучение второй гармоники на длине волны λ=λ/2=0,532 мкм в зеленой области спектра, выполненный, например, на основе кристалла КТР (титанил-фосфат калия) или LBO (триборат лития), первый разделитель излучений 3 на длинах волн λ и λ, с поглотителем излучения 4 на длине волны λ, с помощью которого остаточное излучение λ=1,064 мкм выводится из устройства и гасится в поглотителе излучения 4, параметрический генератор света 5, например, на основе нелинейного кристалла ВВО (β - борат бария), который под воздействием излучения на длине волны λ генерирует излучения на длине волны λ≈1,2 мкм и излучение на длине волны λ≈0,9 мкм; второй разделитель 6 излучения на длине волны λ и излучений на длинах волн λ, λ, а также первое отражающее зеркало 7, формирующие канал когерентного излучения на длине волны λ второй генератор 8, генерирующий излучение второй гармоники на длине волны λ=λ/2≈0,6 мкм в красной области спектра, выполненный, например, на основе нелинейного кристалла LBO, поглотитель излучения 9, диэлектрическое зеркало 10, второе отражающее зеркало 11, третий разделитель излучений 12, оптическую линию задержки 13, третье отражающее зеркало 14, третий генератор 15, выполненный, например, на основе нелинейного кристалла LBO, генерирующий излучение второй гармоники на длине волны λ=λ/2≈0,45 мкм в синей области спектра, четвертый разделитель излучений 16, четвертое отражающее зеркало 17, первый сумматор излучений 18, второй сумматор излучений 19, телескоп 20 и апертурная диафрагма 21, установленная перед экраном 22, размещенным в заданной области наблюдения сформированного излучения, поглотитель излучений 23. С помощью диэлектрических зеркал 10 и 16 излучения с длинами волн λ и λ выводятся из оптических каналов и гасятся в поглотителях излучения 9 и 23. Первое отражающее зеркало 7 размещено на пути излучения на длине волны λ, отраженного от второго разделителя излучения 6, а второй генератор 8 размещен на пути излучения на длине волны λ, отраженного от первого отражающего зеркала 7, при этом на выходе второго генератора 8 последовательно размещены четвертый разделитель излучений 9 на длинах волн λ и λ с поглотителем излучения 10 на длине волны λ, и второе отражающее зеркало 11, отражающее излучение на длине волны λ. Вдоль общей оптической оси размещены третий разделитель излучений 12 на длинах волн λ и λ, прошедших через второй разделитель излучений 6, оптическая линия задержки излучения 13, например, из оптического волокна, задерживает излучение на длине волны λ и синхронизирует время прихода импульсов излучения в области наблюдения; первый сумматор излучения 18 суммирует излучение на длине волны λ и излучение на длине волны λ, отраженное от второго отражающего зеркала 11, при этом, на входе третьего генератора 15 размещено Третье отражающее зеркало 14, отражающее излучение на длине волны λ, отраженное от третьего разделителя излучений 12, размещено на входе третьего генератора 15, на выходе которого последовательно размещены четвертый разделитель излучений 16 с третьим поглотителем излучения 23 на длине волны λ и четвертое отражающее зеркало 17, отражающее излучение на длине волны λ, прошедшее через четвертый разделитель излучений 16. на выходе первого сумматора излучений 18 последовательно размещены второй сумматор излучений 19 на длинах волн λ и λ и излучения на длине волны λ, отраженного от четвертого отражающего зеркала 17, телескоп 20 и апертурная диафрагма 21, установленная перед экраном 22, размещенным в заданной области наблюдения сформированного излучения.
R
G
B
R
G
B
R
5
G
2
B
6
R
G
B
R
R
G
G
B
B
Работа устройства основана на следующем. Все существующие цвета излучения могут быть получены в результате смешения трех линейно независимых цветов. В качестве трех взаимно независимых цветов приняты красный (R), зеленый (G) и синий (В). Эти цвета обуславливают систему определения цветов и называются основными. Если рассеивающий белый цвет экран осветить основными цветами, то можно подобрать такое количественное соотношение их мощностей, что экран будет казаться белым. Для получения белого цвета излучения необходимо, чтобы относительная яркость основных цветов (B, B и В) соответствовала соотношениям B: В: В=1:4,5907:0,06. Например, если при смешении используются монохроматические излучения на длинах волн λ=λ=0,62 мкм, λ=λ=0,532 мкм, λ=λ=0,415 мкм с соответствующими коэффициентами относительной видности K=0,426, K=0,9, К=0,021, то соотношение мощностей смешиваемых излучений (в Ваттах) может быть получено путем деления чисел относительной яркости на соответствующие коэффициенты относительной видности: (B/К): (В/К): (В/К)=2,34 Вт:5,1 Вт:2,9 Вт.
При смешении излучений с другими длинами волн в RGB спектрах для получения «белого» лазера потребуются иные количественные соотношения их мощностей (энергий). Для контроля выполнения требуемого соотношения мощностей между составляющими излучения «белого» лазера измеряют мощности каждой компоненты в области наблюдения и, при необходимости, изменяют их в соответствующем канале либо изменением эффективности, определяемой как отношение мощности преобразованного в устройстве излучения к мощности излучения на его входе, параметрического генератора света 5 и генератора второй гармоники 2, либо установкой в каждом канале нейтральных фильтров с регулируемым пропусканием (на чертеже не показаны).
Улучшение качества сформированного когерентного частотно-импульсного излучения «белого» лазера осуществляется субъективно - глазом оператора или объективно - с помощью измерителя энергии или мощности в различных областях поперечного сечения пучка. Временная корректировка совмещения импульсов производится с помощью оптической линии задержки 13, ошибки по пространственным координатам корректируются зеркальными парами: отражающее зеркало 11 - сумматор излучений 18 и отражающее зеркало 17 - сумматор излучений 19 в соответствующих оптических каналах, а краевые эффекты совмещенных излучений в виде проявлений цвета, отличного от «белого» выявляются и отрезаются с помощью телескопирования и диафрагмирования краевых погрешностей.
Процесс получения трех когерентных источников RGB - красного, зеленого, синего из одного когерентного излучения производится с использованием нелинейно-оптических устройств: параметрического генератора света 5, генератора второй гармоники 2, генерирующего излучение в зеленой области спектра и генераторов второй гармоники 8 и 15, генерирующих в красной и синей областях соответственно. Физические процессы, происходящие в параметрических генераторах света и генераторах второй гармоники, а также их схемные реализации подробно описаны в книгах «Прикладная нелинейная оптика» авторов Ф.Цернике и Дж.Мидвинтера,, Мир, Москва, 1976 г (главы 5, 7); «Прикладная нелинейная оптика» авторов В.Г.Дмитриев, А.В.Тарасов, Радио и связь, Москва, 1982 г.
Поставленная задача, а именно, улучшение качества сформированного когерентного частотно-импульсного излучения «белого» лазера, в заявленном устройстве достигается за счет использования оптической линии задержки 13 в том из каналов, в котором оптический путь короче, чем в тех, в которых находятся генераторы второй гармоники (генератор 8 канала излучения в красной области спектра и генератор 15 канала излучения в синей области спектра), зеркальных пар точного сведения лучей друг относительно друга: отражающее зеркало 11 - сумматор излучений 18 и отражающее зеркало 17 - сумматор излучений 19, и ограничению краевых эффектов с помощью введенных в излучение «белого» лазера телескопа 20 и апертурной диафрагмы 21.
Данное устройство может найти применение при создании дисплеев высокой яркости, в робото-машинном зрении, неразрушающем тестировании, мониторинге окружающей среды, сборе данных о спектрах отражения объектов на ближних расстояниях, дистанционном распознавании объектов.