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 LiNbО.
Излучение накачки лазера с длиной волны излучения λ, равной 1,064 мкм, фокусируется линзой на нелинейном кристалле ниобата лития. Продольная ось кристалла составляет с оптической осью z угол 46°. 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.
Однако, из-за применения полусферического резонатора описанный внерезонаторный ПГС имеет большую расходимость излучения.
Более низкую расходимость излучения имеет внутрирезонаторый ПГС [2], являющийся наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату. Он содержит резонатор с обратной связью на одной из двух генерируемых волн, образованный двумя отражателями, один из которых выполнен в виде плоского зеркала, и размещенные между
отражателями устройство ввода-вывода накачки в виде зеркала и нелинейный одноосный кристалл с плоскопараллельными рабочими гранями. Второй отражатель резонатора выполнен в виде прямоугольной равнобедренной призмы из оптически изотропного материала. Ребро призмы, образованное пересечением ее катетных граней, параллельно плоскостям плоского зеркала резонатора и зеркала ввода-вывода накачки. Это ребро расположено с оптической осью кристалла в одной плоскости, перпендикулярной плоскости зеркала резонатора. Плоское зеркало резонатора состоит из двух сегментов, один из которых выполнен в виде прозрачного зеркала для первой генерируемой волны излучения и глухого - для второй, а другой сегмент выполнен в виде выходного зеркала для второй генерируемой волны излучения.
Использование в резонаторе ПГС в качестве отражателей плоского зеркала и прямоугольной призмы позволяет получить меньшую чем в [1] расходимость излучения.
В этой схеме резонатор ПГС находится внутри резонатора лазера накачки: зеркало устройства ввода-вывода накачки максимально отражает излучение накачки, а призма служит одновременно концевым зеркалом лазера накачки и глухим зеркалом ПГС. В результате излучение накачки заперто в резонаторе лазера накачки, и внутри этого резонатора достигаются значительно более высокие плотности мощности в области ПГС, что повышает эффективность преобразования.
При этом предъявляются высокие требования к характеристикам зеркала устройства ввода-вывода накачки. Это зеркало должно иметь, во-первых, высокий коэффициент отражения при косом падении на него излучения в диапазоне длин волн накачки, во-вторых, высокий коэффициент пропускания при косом падении на него излучения в диапазоне длин волн первой и второй генерируемой волны. Одновременное выполнение этих условий может быть недостижимо технологически, что не позволит получить высокую эффективность преобразования.
Задачей полезной модели является упрощение конструкции при сохранении высокой эффективности преобразования излучения с длиной волны в области 1,06 мкм в излучение с длиной волны в области 1,58 мкм.
Сущность полезной модели заключается в том, что в оптическом параметрическом генераторе (ОПГ), включающем резонатор с обратной связью на одной из двух генерируемых волн, образованный двумя отражателями, первый из которых выполнен в виде первого плоского зеркала, и установленный между отражателями нелинейный кристалл с плоскопараллельными рабочими гранями, в отличие от прототипа, в качестве нелинейного кристалла использован двухосный кристалл КТР, рабочие грани которого изготовлены перпендикулярно главной оси Х индикатрисы показателей преломления кристалла КТР, расположенной вдоль оптической оси резонатора, второй отражатель выполнен в виде второго плоского зеркала и изготовлен из материала, пропускающего излучение с длинами волн в области 1,06 мкм, при этом обращенная к кристаллу КТР рабочая поверхность второго плоского зеркала имеет зеркальное покрытие, коэффициент отражения которого больше или равен 0,97 для нормального падения излучения с длинами волн в области 1,58 мкм, а коэффициент пропускания больше или равен 0,5 для нормального падения излучения с длинами волн в области 1,06 мкм, а другая рабочая поверхность этого зеркала имеет просветляющее покрытие для нормального падения излучения с длинами волн в области 1,06 мкм, первое плоское зеркало изготовлено из материала, пропускающего излучение с длинами волн в области 1,58 мкм, и имеет на рабочей поверхности, обращенной к кристаллу КТР, зеркальное покрытие с коэффициентом отражения в пределах от 0,1 до 0,8 для нормального падения излучения с длинами волн в области 1,58 мкм и с коэффициентом отражения больше или равным 0,96 для нормального падения излучения с длинами волн, находящихся в области 1,06 мкм, а вторая рабочая поверхность этого зеркала имеет просветляющее покрытие для нормального падения излучения с длинами волн в области 1,58 мкм.
В частности плоские зеркала могут быть изготовлены из кварцевого стекла или стекла марки К8 или К108 или N-BK7.
4
Использование в качестве нелинейного кристалла двухосного кристалла КТР (титанила фосфата калия или сокращенно КТiOРO), плоскопараллельные рабочие грани которого изготовлены перпендикулярными главной оси Х индикатрисы показателей преломления кристалла, расположенной вдоль оптической оси резонатора ОПГ, обеспечивает эффективное параметрическое преобразование излучения с длинами волн, находящихся в области 1,06 мкм, в излучение с длинами волн в области 1,58 мкм.
Связано это с тем, что при указанном расположении кристалла КТР вдоль этой оси Х на кристалл направляется поляризованное когерентное излучение накачки. При этом полярный угол θ между главной осью Z индикатрисы показателей преломления кристалла КТР и направлением распространения излучения накачки с длиной волны в области 1,06 мкм составляет 90°. Таким образом, реализуется некритичный фазовый синхронизм для параметрического преобразования излучения накачки с длинами волн, находящихся в области 1,06 мкм, в излучение с длинами волн в области 1,58 мкм, что обеспечивает эффективное параметрическое преобразование.
Угол φ между главной осью Х индикатрисы показателей преломления кристалла КТР и проекцией направления распространения излучения накачки с длиной волны в области 1,06 мкм на плоскость главных осей XY индикатрисы показателей преломления кристалла может быть любым в пределах от 0° до 90°. Но максимальная эффективность преобразования кристалла КТР достигается при угле φ, равном 0°. Поэтому в направлении распространения излучения накачки с параметрами θ=90° φ=0° достигается максимальная эффективность параметрического преобразования излучения с длиной волны в области 1,06 мкм в излучение сигнальной волны ОПГ с длиной волны в области 1,58 мкм.
р
s
i
р
s
i
р
s
i
s
i
В кристалле КТР излучение накачки параметрически преобразовывается в две волны: излучение сигнальной волны с длиной волны в области 1,58 мкм и излучение холостой волны с длиной волны в области 3,33 мкм. В описанных условиях кристалл КТР позволяет обеспечить некритичный фазовый синхронизм при взаимодействии типа о→oe или о→ео, где о, о, о - обыкновенные волны накачки, сигнальной волны и холостой волны, распространяющиеся в кристалле, a e и е - необыкновенные сигнальная и холостые волны, распространяющиеся в кристалле.
Излучение сигнальной волны усиливается в резонаторе из плоских зеркал с нелинейным кристаллом и выходит наружу через частично прозрачное (для излучения сигнальной волны с длиной волны в области 1,58 мкм) первое плоское зеркало.
Таким образом, в условиях некритичного фазового синхронизма в кристалле КТР обеспечивается эффективное параметрическое преобразование излучения с длинами волн, находящихся в области 1,06 мкм, в излучение с длинами волн в области 1,58 мкм.
Выполнение второго отражателя в виде второго плоского зеркала способствует упрощению конструкции ОПГ. Изготовление второго плоского зеркала из материала, пропускающего излучение с длинами волн, находящихся в области 1,06 мкм, позволяет пропустить через него излучение накачки с длиной волны в области 1,06 мкм с малыми потерями и увеличить эффективность преобразования в ОПГ.
Наличие на обращенной к кристаллу рабочей поверхности этого зеркала зеркального покрытия, коэффициент отражения которого больше или равен 0,97 для нормального падения излучения с длинами волн в области 1,58 мкм, позволяет использовать второе плоское зеркало как "глухое" (почти полностью отражающее) для излучения генерации ОПГ с длинами волн в области 1,58 мкм. Указанный коэффициент отражения может быть
любым в диапазоне от 0,97 до 1,0 без существенного изменения эффективности преобразования в ОПГ.
Наличие у этого покрытия коэффициента пропускания больше или равного 0,5 для нормального падения излучения с длинами волн, находящихся в области 1,06 мкм, позволяет обеспечить достаточную мощность накачки ОПГ. При разных уровнях накачки возможен оптимальный (по эффективности преобразования) коэффициент пропускания этого покрытия, находящийся в пределах от 0,5 до 1,0.
Наличие на другой рабочей поверхности второго плоского зеркала просветляющего покрытия для нормального падения излучения с длинами волн, находящихся в области 1,06 мкм, позволяет уменьшить потери излучения накачки ОПГ и увеличить эффективность преобразования в ОПГ.
Изготовление первого плоского зеркала из материала, пропускающего излучение с длинами волн, находящихся в области 1,58 мкм, позволяет пропускать через него излучение генерации ОПГ с длиной волны в области 1,58 мкм с малыми потерями, и соответственно, использовать его в качестве выходного зеркала ОПГ.
Наличие на рабочей поверхности первого плоского зеркала, обращенной к кристаллу, зеркального покрытия с коэффициентом отражения в пределах от 0,1 до 0,8 для нормального падения излучения с длинами волн, находящихся в области 1,58 мкм, позволяет обеспечить эффективное параметрическое преобразование в ОПГ в излучение с длиной волны в области 1,58 мкм.
Наличие у этого покрытия коэффициента отражения больше или равного 0,97 для нормального падения излучения с длинами волн, находящихся в области 1,06 мкм, позволяет обеспечить максимальную мощность накачки ОПГ. Это покрытие является одновременно концевым зеркалом лазера накачки. В результате излучение накачки заперто в резонаторе лазера накачки, и внутри этого резонатора достигаются высокие плотности мощности накачки в области ОПГ, за счет чего повышается
эффективность преобразования. Указанный коэффициент отражения может быть любым в диапазоне от 0,97 до 1,0 без существенного изменения эффективности преобразования в ОПГ.
Наличие на второй рабочей поверхности этого зеркала просветляющего покрытия для нормального падения излучения с длинами волн, находящихся в области 1,58 мкм, позволяет уменьшить потери выходного излучения ОПГ, соответственно, увеличить эффективность преобразования в ОПГ.
Зеркала ОПГ возможно изготавливать из кварцевого стекла или стекол марок К8 или К108 или N-BK7, что позволяет обеспечить минимальные потери для излучения накачки, а также для излучения генерации ОПГ (сигнальной волны), и соответственно, увеличить эффективность преобразования в ОПГ.
Полезная модель поясняется чертежом.
На фигуре представлена оптическая схема ОПГ.
ОПГ содержит резонатор с обратной связью для сигнальной волны с длиной в области 1,58 мкм (одна из двух генерируемых волн), образованный двумя плоскими зеркалами 1 и 2, выставленными параллельно друг другу. Между этими зеркалами помещен нелинейный кристалл 3, изготовленный из двухосного кристалла КТР, плоскопараллельные рабочие грани 4 и 5 которого выполнены перпендикулярными главной оси Х индикатрисы показателей преломления кристалла с точностью ±30'. В резонаторе ОПГ кристалл КТР 3 расположен так, что эта ось Х располагается вдоль оптической оси резонатора, вдоль которой на кристалл направляется поляризованное когерентное излучение накачки. При этом полярный угол θ между главной осью Z индикатрисы показателей преломления кристалла и направлением распространения излучения накачки (устройство накачки на чертеже не показано) с длиной волны в области 1,06 мкм равен 90°. Кристалл КТР 3 расположен так, что угол φ между главной осью Х индикатрисы показателей преломления кристалла и проекцией направления
распространения излучения накачки с длиной волны в области 1,06 мкм на плоскость главных осей XY индикатрисы показателей преломления кристалла составляет 0°. Угол φ может находиться в пределах от 0° до 90°, однако в направлении θ=90° φ=0° достигается максимальная эффективность параметрического преобразования излучения с длиной волны в области 1,06 мкм в излучение сигнальной волны ОПГ с длиной волны в области 1,58 мкм.
Плоские зеркала 1 и 2 изготовлены из кварцевого стекла КИ, пропускающего излучение с длинами волн, находящихся в областях 1,06 мкм и 1,58 мкм, однако их можно изготовить из стекол К8 или К108 или N-BK7, также пропускающих излучение в указанном спектральном диапазоне.
Первое плоское зеркало 1 является выходным для излучения ОПГ и имеет:
- на рабочей поверхности 6, обращенной к кристаллу, интерференционное зеркальное отражающее покрытие с коэффициентом отражения равным 0,6 для нормального падения излучения с длинами волн, находящихся в области 1,58 мкм, и с коэффициентом отражения равным 0,99 для нормального падения излучения с длинами волн, находящихся в области 1,06 мкм;
- на рабочей поверхности 7 интерференционное просветляющее покрытие с коэффициентом отражения ρ≤0,2% для нормального падения излучения с длинами волн, находящихся в области 1,58 мкм.
Коэффициент отражения зеркального покрытия рабочей поверхности 6 первого плоского зеркала 1, равный 0,6 для нормального падения излучения с длинами волн, находящихся в области 1,58 мкм, является оптимальным для получения максимальной эффективности преобразования, однако теория и эксперимент показывают, что приемлемые эффективности преобразования получаются и при коэффициенте отражения в пределах от 0,1 до 0,8.
Коэффициент отражения зеркального покрытия рабочей поверхности 6 первого плоского зеркала 1 для нормального падения излучения с длинами волн, находящихся в области 1,06 мкм, может быть любым в диапазоне от 0,96 до 1,0 без существенного изменения эффективности преобразования в ОПГ.
Коэффициент отражения интерференционного просветляющего покрытия рабочей поверхности 7 первого плоского зеркала 1 для нормального падения излучения с длинами волн, находящихся в области 1,58 мкм возможен в пределах от 0% до коэффициента отражения рабочей поверхности 7 первого плоского зеркала 1 без интерференционного просветляющего покрытия (примерно 4%).
Второе плоское зеркало 2 (через которое на кристалл проходит излучение накачки с длиной волны в области 1,06 мкм) имеет:
- на входной для излучения накачки рабочей поверхности 8 интерференционное просветляющее покрытие с коэффициентом отражения ρ≤0,2% для нормального падения излучения с длинами волн, находящихся в области 1,06 мкм;
- на поверхности 9, обращенной к кристаллу 3, интерференционное зеркальное отражающее покрытие, коэффициент отражения которого равен 0,99 для нормального падения излучения с длинами волн, находящихся в области 1,58 мкм, а коэффициент пропускания равен 0,85 для нормального падения излучения с длинами волн, находящихся в области 1,06 мкм.
Коэффициент пропускания зеркального покрытия рабочей поверхности 9 второго плоского зеркала 2, равный 0,85 для нормального падения излучения с длинами волн, находящихся в области 1,06 мкм, является оптимальным для получения максимальной эффективности преобразования. Эксперимент показал, что приемлемые эффективности преобразования получаются и при коэффициенте пропускания зеркального покрытия рабочей поверхности 9 второго плоского зеркала 2, равном или
больше 0,5 для нормального падения излучения с длинами волн, находящихся в области 1,06 мкм.
Коэффициент отражения зеркального покрытия рабочей поверхности 9 второго плоского зеркала 2 для нормального падения излучения с длинами волн, находящихся в области 1,58 мкм, может быть любым в диапазоне от 0,97 до 1,0 без существенного изменения эффективности преобразования в ОПГ.
Коэффициент отражения интерференционного просветляющего покрытия рабочей поверхности 8 второго плоского зеркала 2 для нормального падения излучения с длинами волн, находящихся в области 1,06 мкм возможен в пределах от 0% до коэффициента отражения рабочей поверхности 8 второго плоского зеркала 2 без интерференционного просветляющего покрытия (примерно 4%).
ОПГ работает следующим образом.
Лазер (не показан на фиг.1) генерирует импульс излучения с длиной волны λ~1,06 мкм и длительностью около 10 нс. Этот импульс излучения направляется вдоль оптической оси резонатора (штрих-пунктирная линия на фиг.) ОПГ на второе плоское зеркало 2 и проходит через него на нелинейный двухосный кристалл КТР 3. В кристалле КТР импульсное излучение накачки параметрически преобразовывается в излучение сигнальной волны с длиной волны в области 1,58 мкм и излучение холостой волны с длиной волны в области 3,33 мкм. Излучение сигнальной волны усиливается в резонаторе из плоских зеркал 1 и 2 с кристаллом КТР 3 внутри и выходит наружу через частично прозрачное (для излучения сигнальной волны с длиной волны в области 1,58 мкм) первое плоское зеркало 1.
Наличие резонатора ОПГ внутри резонатора лазера накачки позволяет получить высокие плотности мощности накачки в области ОПГ, за счет чего повышается эффективность преобразования. Кроме того, многократное отражение излучения сигнальной волны с длиной волны в области 1,58 мкм. в резонаторе из плоских зеркал 1 и 2 также позволяет увеличить
эффективность преобразования излучения с длиной волны в области 1,06 мкм в излучение с длиной волны в области 1,58 мкм.
При электрической энергии импульса накачки лазера равной 6,4 Дж ОПГ позволяет получить до 25 мДж энергию импульса излучения с длиной волны в области 1,58 мкм.
Таким образом, ОПГ обеспечивает простую конструкцию для преобразования излучения с длиной волны в области 1,06 мкм в излучение с длиной волны в области 1,58 мкм при сохранении высокой эффективности преобразования.
Источники информации.
1. Рябов С.Г., Торопкин Г.Н., Усольцев И.Ф. Приборы квантовой электроники. - М. Советское радио, 1976. - С.263-265.
2. Патент BY №1615 C1, МПК, юр, [G02F 1/39, опубл.30.03.1997, бюл. №1 - (прототип).