ОПТИЧЕСКИЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР

Полезная модель относится к оптическому приборостроению, в частности к устройствам для параметрической генерации излучения, и может быть использована для создания источников инфракрасного направленного излучения.
3
Известен параметрический генератор света (ПГС) [1], включающий резонатор, образованный плоским зеркалом, входным для излучения накачки, и сферическим выходным зеркалом, между которыми расположен нелинейный одноосный кристалл ниобата лития LiNbO.
Излучение накачки лазера с длиной волны излучения λ, равной 1,064 мкм, фокусируется линзой на нелинейном кристалле ниобата лития. Плоское и сферическое (радиус кривизны R=50 мм) зеркала резонатора параметрического генератора расположены вне резонатора лазера накачки, пропускают излучение накачки с λ=1,064 мкм и имеют высокий коэффициент отражения в диапазоне длин волн около 2,1 мкм. При использовании выходного сферического зеркала с коэффициентом отражения 0,96 на длине волны 2,1 мкм получается излучение генератора с λ=2,1 мкм с коэффициентом преобразования 8% от мощности излучения накачки.
Недостатком этого ПГС является лабораторная конструкция, при которой зеркала, линза и кристалл размещаются на отдельных держателях, что не позволяет перемещать ПГС как единое целое (при перемещении каждый раз приходится юстировать ПГС).
Более удобную для использования конструкцию имеет оптический параметрический генератор (ОПТ) [2], являющийся наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату.
Он содержит корпус в виде прямоугольной пластины, с закрепленными винтами на нем двумя оправами с отражателями,
2
4
образующими оптический резонатор, и оправой с нелинейным кристаллом ВВО (ВаВO), установленным в резонаторе между отражателями. Один отражатель резонатора выполнен в виде плоского зеркала, служащего выходным для излучения ОПТ, второй отражатель представляет собой прямоугольную прозрачную призму, служащую "глухим" зеркалом.
Оправа для плоского зеркала выполнена в виде прямоугольной пластины с внутренним посадочным местом для зеркала. Оправа для прямоугольной прозрачной призмы выполнена в виде П-образной детали, в которой призма зафиксирована за нерабочие основания. Оправа для нелинейного кристалла выполнена в виде П-образной детали, в которой нелинейный кристалл зафиксирован за боковые нерабочие грани.
Излучение накачки с длиной волны λ=532 нм и энергией до 100 мДж вводится в резонатор ОПТ вдоль его оптической оси при помощи зеркала ввода-вывода накачки, установленного в резонаторе под косым углом к его оптической оси между прямоугольной призмой и нелинейным кристаллом ВВО. Излучение ОПТ (сигнальная и холостая волны) с длиной волны от 700 нм до 2218 нм генерируется в нелинейном кристалле ВВО, усиливается в резонаторе, составленном плоским зеркалом и прямоугольной прозрачной призмой и выводится наружу через плоское зеркало.
Недостатком этого ОПТ являются большие габариты.
Задачей настоящей полезной модели является создание компактной конструкции ОПТ, за счет того что отражатели резонатора ОПТ и нелинейный кристалл собраны в едином корпусе с минимальными зазорами.
Сущность полезной модели заключается в том, что в оптическом параметрическом генераторе, содержащем корпус, с размещенными двумя оправами с отражателями, образующими оптический резонатор, в котором первый отражатель выполнен в виде плоского зеркала, и оправой с нелинейным кристаллом, установленным в резонаторе между отражателями, в отличие от прототипа, второй отражатель выполнен в виде плоского зеркала, корпус содержит фланец, имеющий отверстия для крепления, и имеет
сквозную внутреннюю полость, включающую первую круглую прямую цилиндрическую полость, от первого и второго оснований которой полость продолжается соосными с ней первой и второй усеченными круглыми прямыми конусообразными полостями, соответственно, меньшие основания которых являются основаниями первой круглой прямой цилиндрической полости, при этом первая и вторая усеченные круглые прямые конусообразные полости ограничены со стороны большего основания соосными второй и третьей круглыми прямыми цилиндрическими полостями, соответственно, причем диаметр этих полостей равен или больше диаметра большего основания первой и второй усеченной круглой прямой конусообразной полости, соответственно, а от второй и третьей круглой прямой цилиндрической полости до соответствующего края корпуса выполнены соосные первая и вторая внутренние резьбы, диаметры которых меньше диаметра соответственной прилегающей круглой прямой цилиндрической полости, оправа с нелинейным кристаллом установлена в первой круглой прямой цилиндрической полости корпуса с возможностью поворота, а внешняя боковая поверхность этой оправы включает в себя часть круглой прямой цилиндрической поверхности, имеющей диаметр меньший или равный диаметру первой круглой прямой цилиндрической полости в корпусе, каждая оправа с плоскими зеркалами содержит сквозную внутреннюю полость для размещения плоского зеркала, и имеет с одного края внешнюю боковую поверхность в виде боковой поверхности круглого прямого цилиндра, переходящего к другому краю в соосно расположенную усеченную сферическую поверхность, диаметр которой больше диаметра указанного круглого прямого цилиндра, оправы с плоскими зеркалами установлены в сквозной внутренней полости корпуса таким образом, что их сферические поверхности прижаты к боковой поверхности первой и второй усеченной круглой прямой конусообразной полости корпуса, соответственно, посредством первого и второго кольца, имеющих внешнюю резьбу и образующих резьбовое соединение с первой и второй внутренней резьбой в
корпусе, соответственно, а круглый прямой цилиндр закреплен в корпусе посредством фиксаторов, при этом кольца имеют внутреннюю поверхность, включающую в себя боковую поверхность круглого прямого цилиндра и примыкающую к ней боковую поверхность усеченного круглого прямого конуса, расширяющегося к краю кольца, касающуюся со сферической поверхностью оправ с плоскими зеркалами, причем диаметр упомянутого круглого прямого цилиндра больше диаметра круглого прямого цилиндра оправ с плоскими зеркалами, но меньше диаметра сферической поверхности оправ с плоскими зеркалами.
Выполнение второго отражателя в виде плоского зеркала позволяет вводить излучение накачки вдоль оптической оси резонатора ОПТ через плоское зеркало и исключить из конструкции зеркало ввода-вывода накачки, и соответственно, упростить конструкцию.
Наличие на корпусе ОПТ фланца, имеющего отверстия для крепления корпуса, позволяет прикрепить корпус ОПТ к корпусу излучателя лазера накачки.
Наличие в составе сквозной внутренней полости корпуса первой круглой прямой цилиндрической полости, наличие у оправы с нелинейным кристаллом внешней боковой поверхности, включающей в себя часть круглой прямой цилиндрической поверхности, имеющей диаметр меньший или равный диаметру первой круглой прямой цилиндрической полости в корпусе, позволяет установить оправу с нелинейным кристаллом в первой круглой прямой цилиндрической полости в корпусе с возможностью поворота, что обеспечивает выставку необходимого направления и поляризации излучения накачки ОПТ относительно главных осей эллипсоида индикатрисы показателей преломления нелинейного кристалла.
Наличие продолжения от первого и второго оснований первой круглой прямой цилиндрической полости соосных с ней первой и второй усеченных круглых прямых конусообразных полостей, соответственно, меньшие основания которых являются основаниями первой круглой прямой
цилиндрической полости, и ограниченных со стороны большего основания соосными второй и третьей круглыми прямыми цилиндрическими полостями, соответственно, диаметры которых равны или больше диаметра большего основания первой и второй усеченной круглой прямой конусообразной полости, соответственно, и выполнение от второй и третьей круглой прямой цилиндрической полости до соответствующего края корпуса соосных первой и второй внутренних резьб, диаметры которых меньше диаметра соответственной прилегающей круглой прямой цилиндрической полости, позволяет, во-первых, установить оправы с плоскими зеркалами в сквозной внутренней полости корпуса, во-вторых, заворачивать без соприкосновения с корпусом первое и второе кольца с внешней резьбой в первую и вторую внутреннюю резьбу, соответственно, до упора в сферическую поверхность оправы как первого, так и второго плоского зеркала, соответственно, что обеспечивает плотный зажим оправ плоских зеркал кольцами с внешней резьбой.
Наличие у каждой оправы с плоским зеркалом сквозной внутренней полости для размещения плоского зеркала позволяет, во-первых, разместить в ней плоское зеркало, во-вторых, пропускать через оправу с плоским зеркалом излучение накачки или генерации ОПТ.
Наличие у каждой оправы с плоским зеркалом с одного края внешней боковой поверхности в виде боковой поверхности круглого прямого цилиндра, переходящего к другому краю в соосно расположенную усеченную сферическую поверхность, диаметр которой больше диаметра указанного круглого прямого цилиндра, и установка оправ с плоскими зеркалами в сквозной внутренней полости корпуса таким образом, что их сферические поверхности прижаты к боковой поверхности первой и второй усеченной круглой прямой конусообразной полости корпуса, соответственно, посредством первого и второго кольца, соответственно, имеющих внешнюю резьбу и образующих резьбовое соединение с первой и второй внутренней резьбой в корпусе, соответственно, а круглые прямые цилиндры закреплены в
корпусе посредством фиксаторов, а также наличие первого и второго кольца с внешней резьбой, имеющих внутреннюю поверхность, включающую в себя боковую поверхность круглого прямого цилиндра и примыкающую к ней боковую поверхность усеченного круглого прямого конуса, касающуюся со сферической поверхностью оправ с плоскими зеркалами, причем диаметр упомянутого круглого прямого цилиндра больше диаметра круглого прямого цилиндра оправ с плоскими зеркалами, но меньше диаметра сферической поверхности оправ с плоскими зеркалами, позволяет, во-первых, из-за малой площади соприкосновения сферической поверхности оправы и конусообразной поверхности корпуса легко изменять угловое положение оправы с плоским зеркалом в корпусе при юстировке ОПТ без изменения положения плоского зеркала на продольной оси сквозной внутренней полости корпуса, во-вторых, зафиксировать положение плоского зеркала на продольной оси сквозной внутренней полости корпуса, в-третьих, зафиксировать фиксаторами необходимое угловое положение оправы с плоским зеркалом в корпусе после юстировки ОПТ, в-четвертых, прижать кольцом с внешней резьбой оправу плоского зеркала к корпусу без соприкосновения с круглым прямым цилиндром оправы с плоским зеркалом.
Полезная модель поясняется рисунками.
На фигуре 1 представлен ОПТ - вид спереди в разрезе А-А плоскостью симметрии (положение плоскости разреза А-А показано на фигуре 2).
На фигуре 2 представлен ОПТ - вид справа.
На фигуре 3 представлен корпус ОПТ - вид спереди в разрезе А-А плоскостью симметрии (положение плоскости разреза А-А показано на фигуре 4).
На фигуре 4 представлен корпус ОПГ - вид справа.
На фигуре 5 представлена оправа с нелинейным кристаллом - вид спереди.
На фигуре 6 представлена оправа с нелинейным кристаллом - вид слева в разрезе А-А (положение плоскости разреза А-А показано на фигуре 5).
На фигуре 7 представлена оправа с плоским зеркалом - вид спереди в разрезе А-А плоскостью симметрии (положение плоскости разреза показано на фигуре 8).
На фигуре 8 представлена оправа с плоским зеркалом - вид слева.
На фигуре 9 представлено кольцо с внешней резьбой - вид спереди.
На фигуре 10 представлено кольцо с внешней резьбой - вид слева в разрезе А-А плоскостью симметрии (положение плоскости разреза А-А показано на фигуре 9).
ОПГ содержит (фиг.1, 2) корпус 1, с размещенными в нем двумя оправами 2 и 3 с плоскими зеркалами 4 и 5, образующими оптический резонатор, и оправой 6 с нелинейным кристаллом 7, в качестве которого используется кристалл КТР, установленным в резонаторе между плоскими зеркалами 4 и 5.
Оправы 2 и 3 с плоскими зеркалами 4 и 5, соответственно, прижаты к корпусу 1 двумя кольцами 8 и 9 с внешней резьбой, соответственно, и закреплены в корпусе винтами 10, проходящими к внешней боковой поверхности оправы в виде боковой поверхности круглого прямого цилиндра.
Корпус 1 содержит фланец 11 с тремя отверстиями 12 (фиг.2) для крепления к корпусу излучателя лазера накачки (не показан).
В корпусе 1 имеется сквозная внутренняя полость 13 (фиг.3, 4), включающая в себя первую круглую прямую цилиндрическую полость 14 для оправы 6 с нелинейным кристаллом 7. От первого 15 и второго 16 оснований первой круглой прямой цилиндрической полости 14 полость 13 продолжается соосными с ней первой и второй усеченными круглыми прямыми конусообразными полостями 17 и 18, соответственно, меньшие основания которых являются основаниями первой круглой прямой цилиндрической полости 14.
Первая 17 и вторая 18 соосные усеченные круглые прямые конусообразные полости ограничены со стороны большего основания второй 19 и третьей 20 соосными круглыми прямыми цилиндрическими полостями, соответственно, причем диаметры второй 19 и третьей 20 соосных круглых прямых цилиндрических полостей равны или больше диаметра большего основания первого 17 и второго 18 усеченных круглых прямых конусообразных полостей, соответственно.
От второй 19 и третьей 20 (фиг.3) соосных круглых прямых цилиндрических полостей до соответствующего края корпуса 1 выполнены соосные внутренние первая 21 и вторая 22 резьбы для установки колец 8 и 9 с внешней резьбой, соответственно. Диаметр резьбы 21 и 22 меньше диаметра соответственной прилегающей круглой прямой цилиндрической полости 19 и 20.
В корпусе 1 (фиг.4) имеются 3 резьбовых отверстия 23 и 3 резьбовых отверстия 24 для закрепления винтами 10 круглых прямых цилиндров оправ 2 и 3 с плоскими зеркалами 4 и 5, соответственно.
Оправа 6 с нелинейным кристаллом 7 (фиг.5, 6) выполнена в виде круглого прямого цилиндра, в котором выполнен прямоугольный продольный вырез, в котором устанавливается нелинейный кристалл КТР 7 в форме прямоугольного параллелепипеда. Рабочие грани нелинейного кристалла КТР 7 вырезаны перпендикулярно направлению синхронизма для генерации излучения ОПТ и отполированы. Оправа 6 с нелинейным кристаллом 7 имеет внешнюю боковую поверхность, включающую часть круглой прямой цилиндрической поверхности 25, имеющей диаметр меньший или равный диаметру первой круглой прямой цилиндрической полости 14 в корпусе. При этом оправа 6 с нелинейным кристаллом 7 установлена в первой круглой прямой цилиндрической полости 14 в корпусе с возможностью поворота вокруг продольной оси круглой прямой цилиндрической поверхности 25 и может фиксироваться в определенном положении винтом (не показан).
Оправы 2 и 3 (фиг.7, 8) с плоскими зеркалами 4 и 5, соответственно, содержат каждая сквозную внутреннюю полость 26 для размещения плоского зеркала и имеют каждая с одного края внешнюю боковую поверхность в виде боковой поверхности круглого прямого цилиндра 27, переходящего к другому краю в соосно расположенную усеченную сферическую поверхность 28, диаметр которой больше диаметра указанного круглого прямого цилиндра 27. В полости 29, являющейся частью полости 26, установлено плоское зеркало 4 (или 5), имеющее форму цилиндра с отполированными основаниями.
Плоские зеркала 4 и 5 изготовлены из кварцевого стекла КИ. На одном основании зеркала нанесено интерференционное отражающее покрытие, а на втором просветляющее покрытие.
Указанные оправы 2 и 3 установлены в сквозной внутренней полости 13 (фиг.3) корпуса 1 таким образом, что их сферические поверхности прижаты к боковой поверхности первой 17 и второй 18 усеченной круглой прямой конусообразной полости корпуса 1 (фиг.3), соответственно, посредством первого 8 и второго 9 кольца (фиг.9, 10) с внешней резьбой 30 (фиг.10), образующих резьбовое соединение (фиг.1) с первой 21 и второй 22 внутренней резьбой в корпусе, соответственно. Необходимое угловое положение оправ 2, 3 с плоскими зеркалами 4, 5 фиксируется в корпусе 1 винтами 10 (фиг.1), вкрученными в резьбовые отверстия 23, 24 (фиг.3, 4) и соприкасающимися с боковой поверхностью круглого прямого цилиндра 27 оправ 2, 3.
Первое 8 и второе 9 кольца (фиг.9, 10) имеют внешнюю резьбу 30, образующую резьбовое соединение с первой 21 и второй 22 внутренней резьбой (фиг.3) в корпусе, соответственно. При этом первое 8 и второе 9 кольца с внешней резьбой (фиг.9, 10) имеют внутреннюю поверхность, включающую в себя боковую поверхность круглого прямого цилиндра и примыкающую к ней боковую поверхность усеченного круглого прямого конуса 31, расширяющегося к краю кольца, касающуюся сферической поверхности 28 (фиг.7) оправ 2 и 3 с плоскими зеркалами 4 и 5,
соответственно. Диаметр упомянутого круглого прямого цилиндра колец 8, 9 с внешней резьбой больше диаметра круглого прямого цилиндра 27 оправ 2, 3 с плоскими зеркалами 4, 5, но меньше диаметра сферической поверхности 28 оправ 2, 3 с плоскими зеркалами 4 и 5, соответственно. Поверхность 31 (фиг.10) первого 2 и второго 3 колец выполнена в виде боковой поверхности усеченного круглого прямого конуса 31, соосного кольцу. Она касается со сферической поверхностью 28 (фиг.7) оправ 2,3 с плоскими зеркалами 4 и 5, соответственно, и прижимает их к корпусу 1 (фиг.1), выполнены в виде боковой поверхности усеченного круглого прямого конуса 31, соосного кольцу с внешней резьбой.
ОПТ работает следующим образом.
Корпус 1 ОПТ (фиг.1, 2) с оправами 2 и 3 с плоскими зеркалами 4 и 5 и оправой 6 с нелинейным кристаллом 7 крепится к корпусу излучателя (на чертеже не показан) лазера накачки винтами, проходящими через отверстия 12 во фланце 11.
Поворотом вокруг продольной оси оправы 6 (Фиг.5 и 6) с нелинейным кристаллом 7 достигается необходимая взаимная ориентация поляризации излучения лазера накачки и осей индикатрисы показателей преломления нелинейного кристалла 7.
Плоские зеркала 4 и 5 выставляются в необходимое положение путем изменения углового положения оправ 2 и 3, соответственно, прижимаются к корпусу 1 кольцами с внешней резьбой 8 и 9, соответственно, и фиксируются в корпусе 1 винтами 10, вкрученными в резьбовые отверстия 23 и 24, соответственно (фиг.3, 4).
После этого можно снимать и без последующей юстировки ставить обратно и закреплять корпус 1 ОПТ с зеркалами 4 и 5 и нелинейным кристаллом 7.
Зеркало 4 пропускает излучение накачки и отражает выходное излучение ОПТ. Зеркало 5 служит выходным для излучения ОПТ и отражает обратно излучение накачки.
ОПТ с нелинейным кристаллом КТР генерирует выходное излучение с длиной волны ~1,58 мкм при использовании в качестве накачки излучения лазера с длиной волны λ=1,06 мкм.
Таким образом, создана компактная конструкция ОПТ, в которой отражатели резонатора ОПТ и нелинейный кристалл собраны в едином корпусе с минимальными зазорами.
При этом, в связи с тем что зеркала резонатора ОПТ и нелинейный кристалл собраны и отъюстированы в едином корпусе, можно снимать, перемещать, и снова собирать ОПТ без проведения последующей юстировки.
Источники информации.
1 Рябов С.Г., Торопкин Г.Н., Усольцев И.Ф. Приборы квантовой электроники. - М. Советское радио, 1976. - С.263 - 265.
2 http://www.solarlaser.com \ SOLAR Lasers Systems OPO SYSTEMS 4 \LP 604 Optical Parametric Oscillator User′s Manual - (прототип).