Устройство для измерения расходимости пучков лазерного излучения

Устройство для измерения расходимости пучков лазерного излучения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДИМОСТИ ПУЧКОВ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ , содержащее последовательно расположенные По ходу излучения поляризатор , двулучепреломляющий элемент , анализатор и регистрирующее устройство, отличающееся тем, что, с целью расширения рабочего спектрального диапазона устройст ва в ИК-область спектра, в него введен нелинейный преобразователь частоты , установленный между анализатором и регистрирующим устройствам, плоскость фазового синхронизма которого перпендикулярна главной плоскости двулучепреломляющего элемента. 2.Устройство по п.1, отличающееся тем, что с целью расширения рабочего спектрального диапазона устройства в ближнюю Жобласть спектра, нелинейный преобразователь частоты вьшолнен в виде нелинейного удвоителя частотыо 3.Устройство по По1, отличающееся тем, что, с целью расширения рабочего спектрального диапазона устройства в среднюю и дальнюю ИК-области спектра, в неговведен лазер-гетеродин,, анализатор выполнен в виде двух прямых трехгранных призм, оптическая ось лазера-ге е теродина лежит в плоскости, перпендикулярной боковым граням призм анализатора , а нормаль к гипотенузной С грани составляет с оптическими осями исследуемого лазера и лазера-гетеродина угрл%, ОС, 7. 6 углы полного внутреннего отра жения для обыкновенного и необыкновеноо ного лучей на длине волны лазера05 гетеродина, а нелинейный преобразователь частоты выполнен в виде нелинейо со ного сзгмматора частот исследуемого ; лазера и лазера-гетеродина.

А1

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

„,80„„118604 (51)5 Н 01 S 3/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н Д BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

IlO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 3636051/25

:(22) 22.08.83 ! (46) 23.02.91. Бюл. У 7 (71) Институт физики АН БССР (72) Н.С.Казак, А.С.Лугина, Е.N.Ìèêëàâñêàÿ, А.В .Надеыеико, В,К.Павленко и 10.А.Санников (53) 535.24(088.8) (56) Густарь Л.Я., Донцова В.В. Измерение расходимости излучения газовых лазеров при генерации на модах ТЕМ„,„. Оптика и спектроскопня, 25, вып.6, 1968, с.958-959. (54)(57) . УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

РАСХОДИМОСТИ ПУЧКОВ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащее последовательно расположенные no ходу излучения поляризатор, двулучепреломляющий элемент, анализатор и регистрирующее устройство, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения рабочего спектрального диапазона устройства в ИК-область спектра, в него введен нелинейный преобразователь частоты, установленный между анализатором и регистрирующим устройствам, плоскость фазового синхронизма которого перпендикулярна главной плоскости двулучепреломляющего элемента, L

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при конструировании и наладке лазерных оптических и спектральных прибо-. ров.

Целью изобретения является расширение рабочего спектрального диапазона в ИК-области спектра.

2.Устройство по п.1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что с целью расширения рабочего спектрального диапазона устройства в ближнюю ИКобласть спектра, нелинейный преобразователь частоты выполнен в виде нелинейного удвоителя частоты.!

З.Устройство по п.1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения рабочего спектрального диапазона устройства в среднюю и дальнюю ИК-области спектра, в него введен лазер-гетеродин, анализатор выполнен в виде двух прямых трехгранных призм, оптическая ось лазера-гетеродина лежит в плоскости, перпендикулярной боковым граням призм анализатора, а нормаль к гипотенузной грани составляет с оптическими осями ( исследуемого лазера и лазера-гетеро- . дина угол К,, Х, = ф а )(,„, где 7(4 и)(.„-. углы полного внутреннего отра " жения для обыкновенного и необыкновенного лучей на длине волны лазера- QG гетеродина, а нелинейный преобраэова- ф 1 тель частоты выполнен в виде нелинейного сумматора частот исследуемого ф, лазера и лазера-гетеродина. О

На чертеже. приведена оптическая с схема устройства для измерения расходимости в видимой области спектра; на фиг,2 и 3 — соответственно схемы устройства для измерения расходимости в ближней и в средней и дальней

ИК-областях спектра.

1186049

Устройство содержит двулучепреломляющий элемент 1, анализатор 2, собирающую линзу 3, регистрирующее устройство 4, нелинейный удвоитель

5 частоты, лазер — гетеродин 6, нелинейный преобразователь 7 для генерации суммарной частоты.

В одном из вариантов измерителя расходимости,основными элементами являются плоскопараллельная, пласти. на, вырезанная из кристалла КДР, так что угол между оптической осью крисо талла и осью устройства 9„- =45., анализатор, плоскость пропускания которого составляет угол (45" с главной плоскостью пластины, и собирающая линза с фокусным расстоянием

F= 1 м, Контрастность интерференционной картины, возникающей на выходе такого устройства, максимальна, если на кристалл падает неполяризованное из..лучение, либо его поляризация состав» ляет. угол 45 с главной плоскостью кристаллической пластины. Последнее достигается размещением на входе устройства системы выдвижных клиньев, вырезанных из кварца перпендикулярно его оптической оси. Угол новорота ф плоскости поляризации связан с длиной пути света в кварце Б известным соотношением (P()) 8 ь где ) (4.) - удельное вРащение на час- 35 тоте 1

В этом варианте исполнения устрой-, ство позволяет измерять расходимость лазерного излучения только в плоскос- ти пучка, совпадающей с главной плос- 40 костью кристаллической пластины. Если пучок имеет некруговое поперечное се- чение, для измерения расходимости в произвольной плоскости пучка на:входе устройства размещается оборачивающая 45 система, При оценке точности измерения рас-, ходимости учитывались все источники ошибок, Суммарная ошибка, вызываемая неточ- .ность выставления оптической оси крис-7 талла, определения двулучепреломления,l температурной зависимостью показате- лей преломления и клиновидностъю крис-.

1 таллической пластины, не превышает

0,5, При размещении на выходе анализатора собирающей линзы ошибка из- за апертурного эффекта, которая .вно- сит наибольшую погрешность IIpH измерении расходимости, .уменьшается при любом расположении системы регистрации, причем при проведении регистрации распределения интенсивности вблизи фокуса линзы эта ошибка составляет доли процента. Так, если измерения проводятся на оасстоянии 6Г = 5 мм от фокальной плоскости линзы с фокусным расстоянием F. = 1 м при расходимости лазерного излучения

3 и длине кристалла 1 1 см, ошибка из-за сноса составляет

0,1б ., т.е. в 20 раз меньше, чем в известном устройстве при той же длине кристалла. При размещении регистрирующего устройства в фокальной плоскости линзы ошибка из-за сноса не возникает вдобще.

При определении числа полос в интерференционной картине трудно оценить, какая доля крайних полос соответствует задаваемому уровню интенсивности. Возникает ошибка, относительная величина которой тем меньше, чем дольше число полос в распределении интенсивности. Если число полос

N = 25, ошибка составляет 2 ; при увеличении числа полос в 4 раза ошибка уменьшается до 0,5% . Таким образом, ошибка измерения, связанная с неточным определением числа полос, может быть сведена к любой наперед заданной величине. Увеличить число полос можно, либо .уменьшая угловое расстояние между соседними интерференционными полосами, либо изменяя расходимость исследуемого лазерного излучения в заданное число раз.

При размещении на выходе анализатора собирающей линзы снимается ограничение на длину двулучепреломляющего элемента и это дает возможность уменьшать угловое расстояние между сосед-:: ними интерференщионными полосами за счет увеличения длины двулучепреломляющего элемента.

Так, при увеличении длины двулучепреломляющего элемента в 3 раза (кристалл KDP 1= 3: см) ошибка из-за неточного определения доли крайней полосы уменьшается в 3 раза, а ошибка из-за апертурного эффекта остается незначительной (0,5 при проведении J измерений на расстоянии QF 5 мм от фокальной плоскости линзы с фокусным расстоянием F = 1 м при расходимости лазерного излучения О(= 3 ).

)186049

В то же время в прототипе использование кристалла KDP с 1 3 см привело бы к ошибке из-за сноса а 8,4Х.

В предлагаемом устройстве предусмотрена возможность использования двулучепреломляющего элемента, состоящего из и плоскопараллельных кристаллических пластин, ориентированных так, что их главные плоскости совпадают, причем и может изменяться от и = 1 до n ®, определяемого из условия, чтобы ошибка, обусловленная сносом, не превышала ошибку из-за неточного определения доли крайней полосы. Использование и пластин sMecто одного длинного кристалла позволяет варьировать длину кристаллического элемента и тем самым расширяет интервал значений расходимости, которые могут быть измерены с одинаковой точностью с помощью предлагаемого устройства. Так, при ф = 1 для измерения расходимости с точностью 2% необходимо использовать один кристалл

KDP длиной 3 см. При измерении расходимости 0(= 20 для обеспечения такой же точности требуется 4 кристаллические пластины длиной 3 см каждая.

Для увеличения расходнмости лазерного излучения предусмотрено размещение на входе устройства:набора из

:mЪ 2р, где р = 1,2..., трехгранных призм, каждая из которых ориентирована таким образом, что лазерный пучок, проходя через одну из ее боковых граней в направлении нормали к ней, падает на следующую грань под углом Ч меньшим угла полного внутреннего отражения (ПВО) для анализируемого излучения; расходимость выходящего из призмы излучения возрастает в jR раз, где пп сов(Р ловлена неточностью измерения пока — .. зателя преломления призмы и выставления yraa(f и не превышает О,ЗХ.

Для измерения расходимости пучков лазерного излучения в ближней ИК-области спектра между анализатором и линзой размещается нелинейный удвоитель частоты, изготовленный из кристалла KDP и ориентированный так, что его главная плоскость перпендикуляр-

10 на главной плоскости кристаллического элемента.

Для измерения расходимости в средt5 ней и дальней И1(-областях спектра анализатор, выполнен в виде поляризационной призмы, образованной двумя прямыми трехгранными призмами, вырезанными из прустита Ag>AsSg.

Через полированную боковую грань анализатора в устройство попадает из20 лучение лазера-гетеродина, причем оси лазера-гетеродина и нсследуемого лазера образуют угол 7„ с диагональной гранью анализатора, 3 (К (Ay, где Я,, и К вЂ” углы ПВО соответственно для обыкновенного и необыкновенного лучей на длине волны лазера-гетеродина. Такой выбор диапазона углов ф обусловлен тем, что на диагональной грани поляризационной призмы необходимо удовлетворить условию:

30 необыкновенная волна должна проходить через диагональную грань с минимальными потерями на отражение, 35 обыкновенная волна — испытывать пол ное внутреннее отражение .. Если (, с

С (<, то излучение лазера-герероднна не полностью отражается от диагональной грани поляризационной призмы, в результате чего увеличиваются по- тери на отражение ° При )(.(Т излуче40 нне исследуемого лазера испытывают на указанной грани полное Внутреннее отражение и не попадает в нелинейный

45.преобразователь для генерации излуче" ния суммарной частоты.

Нелинейный преобразователь выполнен для генерации суммарной частоты . излучения исследуемого лазера и ла-: зера-гетеродина при ol-1 взаимодействии. Можно использовать и оо-1 взаимодействие, в этом случае между анализатором и нелинейным кристаллом размещается система подвижных клиньев из оптически активного материала, 50

55 прозрачного в рабочем спектральном диапазоне . Так же, как.и в случае удвоения частоты, ориентация нелинейЗдесь n„ — показатель преломления призмы. например, для призмы из стекла К8 (угол ПВΠ— 4lo27 ) при угле

Я= 40 коэффициент увеличения расО ходимости p=- 5.

Использование в устройстве набора, из m трехгранных призм для увеличения расходимости исследуемого излучения в заданное число раз позволяет одновременно расширить пределы измерения в сторону мацых значений расходимости. Ошибка, вызываемая введением в устройство призмеиного:элемента, обус1186049,5

1 ! !

Применение процессов нелинейного

Ъ преобразования изображения полос из

Техред Л. Сердюкова КоРРектоР Н. РевскаЯ

Редактор О.Юркова

Заказ 873

ВЙИИПИ Государственного

113035, Тираж 305 Подписное комитета по изобретениям н открытиям при ГКНТ СССР

Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент". г.ужгород, ул. Гагарина,10! ного кристалла выбрана таким образом, что преобразование из ИК-.области в вицимую осуществляется без искажений.

Например, для измерения расходности лазерного излучения с 9 = 5,2 мкм в качестве лазера-гетеродина может использоваться Не-Ме лазер с

= 0 6328 мкм„при этом угол Х должен

9 о быть выбран в пределах l9 20cg<21 25 и генерация излучения суммарной час 1 2 тоты (9, = — — - — — = О, 56 мкм) осуще, <9z. ствляется в кристалле прустита, вырео эанном под углом 9< = ll ll к оптической оси.

ИК-области в видимую позволяет измерять расходимость ИК-излучения, при этом ошибка измерения расходимости остается прежней, не превышающей 2%.

Следует отметить, что для устройства в описанном варианте исполнения существует предельная ширина спектральной линии исследуемого излучения, при которой еще возможно получение неперекрывающихся максимумов и минимумов. Например, для кристалла KDP длиной l см перекрытие соседних максимумов наступает прн ЬЯ =

18 Я (Ф = 0,632 мкм). Это ограничение снимается размещением на входе устройства интерференционного фильтра,