Оптический параметрический генератор

Полезная модель относится к оптическому приборостроению, в частности к устройствам для параметрической генерации излучения, и может быть использовано для создания источников инфракрасного направленного излучения.

Задачей полезной модели является создание компактной конструкции ОПГ, имеющей высокую стойкость к механическим воздействиям.

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, второй отражатель выполнен в виде плоского зеркала, а корпус, оправы с зеркалами и нелинейным кристаллом выполнены с минимальными зазорами в едином блоке. Новым является конструкция и форма выполнения деталей ОПГ.

5 Илл.

Полезная модель относится к оптическому приборостроению, в частности к устройствам для параметрической генерации излучения, и может быть использована для создания источников инфракрасного направленного излучения.

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 LiNbO₃.

Излучение накачки лазера с длиной волны излучения , 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 =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 =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 (ОПГ) [2], являющийся наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату.

Он содержит корпус в виде прямоугольной пластины, на которой закреплены винтами две оправами с отражателями, образующими

оптический резонатор, и оправа с нелинейным кристаллом ВВО (ВаВ₂О₄), 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 =532 нм и энергией до 100 мДж вводится в резонатор ОПГ 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 ОПГ (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 ОПГ является невысокая стойкость к механическим воздействиям (ударам, вибрации, тряске).

Задачей полезной модели является повышение стойкости к механическим воздействиям.

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 нелинейным кристаллом, установленным в резонаторе между отражателями, в отличие от прототипа, корпус имеет сквозную внутреннюю полость, содержащую соосные и расположенные последовательно, начиная с одного края корпуса,

первую круглую прямую цилиндрическую полость, первую полость с внутренней первой резьбой, имеющей диаметр меньше диаметра первой круглой прямой цилиндрической полости, вторую круглую прямую цилиндрическую полость, имеющую диаметр больший диаметра внутренней первой резьбы, прямую круглую усеченную конусообразную полость, меньшее основание которой является основанием второй круглой прямой цилиндрической полости, и третью круглую прямую цилиндрическую полость, диаметр которой равен или больше диаметра большего основания прямой круглой усеченной конусообразной полости, и выполненную до другого края корпуса полость с внутренней второй резьбой, диаметр которой меньше диаметра третьей круглой прямой цилиндрической полости, вторая оправа содержит сквозную внутреннюю полость, в которой установлены нелинейный кристалл и второй отражатель, выполненный в виде второго плоского зеркала, при этом вторая оправа имеет внешнюю боковую поверхность, включающую соосные и расположенные последовательно, начиная с одного торца оправы, внешнюю третью резьбу, боковую поверхность первого круглого прямого цилиндра, диаметр которого равен или меньше диаметра первой круглой прямой цилиндрической полости в корпусе, и выполненную до другого торца оправы боковую поверхность второго круглого прямого цилиндра с диаметром большим диаметра первой круглой прямой цилиндрической полости в корпусе, при этом вторая оправа установлена в сквозной внутренней полости корпуса таким образом, что внешняя третья резьба второй оправы образует резьбовое соединение с внутренней первой резьбой в корпусе, а ближнее к корпусу основание второго круглого прямого цилиндра второй оправы установлено вплотную с основанием первой круглой прямой цилиндрической полости в корпусе, первая оправа с первым плоским зеркалом содержит сквозную внутреннюю полость для размещения плоского зеркала и имеет внешнюю боковую поверхность, включающую в себя боковую поверхность третьего круглого прямого цилиндра с одного края, а с другого края соосно расположенную

усеченную сферическую поверхность, диаметр которой больше диаметра третьего круглого прямого цилиндра, причем первая оправа с первым плоским зеркалом установлена в сквозной внутренней полости корпуса таким образом, что ее сферическая поверхность прижата к боковой поверхности круглой прямой усеченной конусообразной полости корпуса посредством кольца с внешней резьбой, образующего резьбовое соединение с внутренней второй резьбой в корпусе, при этом кольцо имеет внутреннюю поверхность, включающую в себя боковую поверхность четвертого круглого прямого цилиндра и примыкающую к ней боковую поверхность усеченного круглого прямого конуса, расширяющегося к краю кольца и касающегося со сферической поверхностью первой оправы с первым плоским зеркалом, причем диаметр четвертого круглого прямого цилиндра кольца больше диаметра третьего круглого прямого цилиндра первой оправы с первым плоским зеркалом, но меньше диаметра сферической поверхности этой оправы.

Наличие в корпусе сквозной внутренней полости, содержащей соосные и расположенные последовательно, начиная с одного края корпуса, первую круглую прямую цилиндрическую полость, первую полость с внутренней первой резьбой, имеющей диаметр меньше диаметра первой круглой прямой цилиндрической полости, вторую круглую прямую цилиндрическую полость, имеющую диаметр больший диаметра внутренней первой резьбы, и наличие у второй оправы внешней боковой поверхности, включающей соосные и расположенные последовательно, начиная с одного торца оправы, внешнюю третью резьбу, боковую поверхность первого круглого прямого цилиндра, диаметр которого равен или меньше диаметра первой круглой прямой цилиндрической полости в корпусе, и выполненную до другого торца оправы боковую поверхность второго круглого прямого цилиндра с диаметром большим диаметра первой круглой прямой цилиндрической полости в корпусе, и установка второй оправы в сквозной внутренней полости корпуса таким образом, что внешняя

третья резьба второй оправы образует резьбовое соединение с внутренней первой резьбой в корпусе, а ближнее к корпусу основание второго круглого прямого цилиндра второй оправы установлено вплотную с основанием первой круглой прямой цилиндрической полости в корпусе, позволяет закрепить в сквозной внутренней полости корпуса вторую оправу с нелинейным кристаллом и вторым плоским зеркалом, что увеличивает стойкость к механическим воздействиям той части ОПГ, которая содержит нелинейный кристалл и второе плоское зеркало.

При этом 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 и повысить стойкость ОПГ к механическим воздействиям.

Наличие у второй оправы сквозной внутренней полости позволяет, во-первых, разместить в ней нелинейный кристалл и второе плоское зеркало, во-вторых, пропускать через вторую оправу излучение накачки ОПГ.

Наличие в сквозной внутренней полости корпуса соосных прямой круглой усеченной конусообразной полости, меньшее основание которой является основанием второй круглой прямой цилиндрической полости, и третьей круглой прямой цилиндрической полости, диаметр которой равен или больше диаметра большего основания прямой круглой усеченной конусообразной полости, и выполненной до другого края корпуса полости с внутренней второй резьбой, диаметр которой меньше диаметра третьей круглой прямой цилиндрической полости, позволяет, во-первых, установить первую оправу с первым плоским зеркалом в сквозной внутренней полости корпуса, во-вторых, заворачивать без соприкосновения с корпусом кольцо с внешней резьбой во вторую внутреннюю резьбу до упора в сферическую поверхность первой оправы первого плоского зеркала, что обеспечивает плотный зажим первой оправы кольцом с внешней резьбой, и

соответственно, повышает стойкость к механическим воздействиям той части ОПГ, которая содержит первое плоское зеркало.

Наличие у первой оправы сквозной внутренней полости позволяет, во-первых, разместить в ней первое плоское зеркало, во-вторых, пропускать через первую оправу излучение генерации ОПГ.

Наличие у первой оправы внешней боковой поверхности, включающей в себя боковую поверхность третьего круглого прямого цилиндра с одного края, а с другого края включающей соосно расположенную усеченную сферическую поверхность, диаметр которой больше диаметра третьего круглого прямого цилиндра, и установка первой оправы с первым плоским зеркалом в сквозной внутренней полости корпуса таким образом, что ее сферическая поверхность прижата к боковой поверхности круглой прямой усеченной конусообразной полости корпуса посредством кольца с внешней резьбой, образующего резьбовое соединение с внутренней второй резьбой в корпусе, а также наличие кольца с внутренней поверхностью, включающей в себя боковую поверхность четвертого круглого прямого цилиндра кольца и примыкающую к ней боковую поверхность усеченного круглого прямого конуса, расширяющегося к краю кольца и касающегося со сферической поверхностью первой оправы с первым плоским зеркалом, причем диаметр четвертого круглого прямого цилиндра больше диаметра третьего круглого прямого цилиндра первой оправы с первым плоским зеркалом, но меньше диаметра сферической поверхности этой оправы, позволяет, во-первых, из-за малой площади соприкосновения сферической поверхности оправы и конусообразной полости корпуса легко изменять угловое положение первой оправы в корпусе при юстировке ОПГ без изменения положения первого плоского зеркала на продольной оси сквозной внутренней полости корпуса, во-вторых, зафиксировать положение первого плоского зеркала на продольной оси сквозной внутренней полости корпуса, в-третьих, прижать кольцом с внешней резьбой первую оправу первого плоского зеркала к

корпусу без соприкосновения с третьим круглым прямым цилиндром первой оправы с первым плоским зеркалом.

На фигуре 1 представлен ОПГ - вид спереди в разрезе плоскостью симметрии.

На фигуре 2 представлен корпус ОПГ в разрезе плоскостью симметрии.

На фигуре 3 представлена вторая оправа с нелинейным кристаллом и вторым зеркалом ОПГ - вид спереди в разрезе плоскостью симметрии.

На фигуре 4 представлена первая оправа с первым зеркалом ОПГ - вид спереди в разрезе плоскостью симметрии.

На фигуре 5 представлено кольцо с внешней резьбой - вид спереди в разрезе плоскостью симметрии.

ОПГ содержит (фиг.1) корпус 1, в котором размещены две оправы 2 и 3 с плоскими зеркалами 4 и 5, образующими оптический резонатор, и нелинейный кристалл 6, в качестве которого используется кристалл КТР, установленный во второй оправе 3 в резонаторе между плоскими зеркалами 4 и 5.

Первая оправа 2 с первым плоским зеркалом 4 прижата к корпусу 1 кольцом 7 с внешней резьбой.

Вторая оправа 3 с вторым плоским зеркалом 5 и нелинейным кристаллом 6 вставлена в полость в корпусе 1.

Корпус 1 (фиг.2) имеет сквозную внутреннюю полость 8, содержащую соосные и расположенные последовательно, начиная с одного края корпуса, полости.

При этом с одного края корпуса 1 расположена первая круглая прямая цилиндрическая полость 9, продолжающаяся сосной первой полостью 10 с внутренней первой резьбой 11, имеющей диаметр меньше диаметра первой круглой прямой цилиндрической полости 9. За первой полостью 10 следует соосная вторая круглая прямая цилиндрическая полость 12, имеющая диаметр больший диаметра внутренней первой резьбы 11.

К полости 12 примыкает прямая круглая усеченная конусообразная полость 13, меньшее основание которой является основанием второй круглой прямой цилиндрической полости 12. Прямая круглая усеченная конусообразная полость 13 ограничена со стороны большего основания третьей круглой прямой цилиндрической полостью 14, диаметр которой равен или больше диаметра большего основания первой прямой круглой усеченной конусообразной полости 13. От третьей круглой прямой цилиндрической полости 14 выполнена до другого края корпуса полость 15 с внутренней второй резьбой 16, диаметр которой меньше диаметра третьей круглой прямой цилиндрической полости 14.

Вторая оправа 3 (фиг.3) содержит сквозную внутреннюю полость, в которой установлены нелинейный кристалл 6 и второй отражатель, выполненный в виде второго плоского зеркала 5. Плоское зеркало 5 изготовлено из кварцевого стекла КИ. На одном основании зеркала нанесено интерференционное отражающее покрытие для излучения генерации ОПГ, а на втором просветляющее покрытие для излучения накачки ОПГ.

Вторая оправа 3 имеет внешнюю боковую поверхность, включающую соосные и расположенные последовательно, начиная с одного торца оправы, внешнюю третью резьбу 17, боковую поверхность первого круглого прямого цилиндра 18, диаметр которого равен или меньше диаметра первой круглой прямой цилиндрической полости 9 в корпусе 1, и выполненную до другого торца оправы боковую поверхность второго круглого прямого цилиндра 19 с диаметром большим диаметра первой круглой прямой цилиндрической полости 9 в корпусе 1. При этом вторая оправа 3 установлена в сквозной внутренней полости корпуса 1 таким образом, что внешняя третья резьба 17 второй оправы 3 образует резьбовое соединение с внутренней первой резьбой 11 в корпусе, а ближнее к корпусу 1 основание 20 второго круглого прямого цилиндра 19 установлено вплотную с основанием первой круглой прямой цилиндрической полости 9 в корпусе 1.

Первая оправа 2 (фиг.4) содержит сквозную внутреннюю полость для установки первого плоского зеркала 4. Плоское зеркало 4 изготовлено из кварцевого стекла КИ. На одном основании зеркала нанесено интерференционное отражающее покрытие для излучения генерации и для излучения накачки ОПГ, а на втором просветляющее покрытие для излучения генерации ОПГ.

Первая оправа 2 имеет внешнюю боковую поверхность, включающую в себя боковую поверхность третьего круглого прямого цилиндра 21 с одного края, а с другого края включающую соосно расположенную усеченную сферическую поверхность 22, диаметр которой больше диаметра третьего круглого прямого цилиндра 21.

Первая оправа 2 с первым плоским зеркалом 4 установлена в сквозной внутренней полости корпуса таким образом, что ее сферическая поверхность 22 прижата к боковой поверхности круглой прямой усеченной конусообразной полости 13 корпуса 1 посредством кольца 7 с внешней резьбой.

Кольцо 7 (фиг.5) имеет внешнюю резьбу 23, образующую резьбовое соединение с внутренней второй резьбой 16 в корпусе 1. При этом кольцо 7 имеет внутреннюю поверхность, включающую в себя боковую поверхность четвертого круглого прямого цилиндра 24 и примыкающую к ней боковую поверхность усеченного круглого прямого конуса 25, расширяющегося к краю кольца и касающегося со сферической поверхностью 22 первой оправы 2 с первым плоским зеркалом 4, причем диаметр четвертого круглого прямого цилиндра 24 больше диаметра третьего круглого прямого цилиндра 21 первой оправы 2 с первым плоским зеркалом 4, но меньше диаметра сферической поверхности 22 этой оправы.

ОПГ работает следующим образом.

Корпус 1 ОПГ с размещенными оправами 2 и 3 с нелинейным кристаллом 6 и плоскими зеркалами 4 и 5, выставленными параллельно друг другу, плотно вставлен в полость в корпусе излучателя (на чертеже не

показан) лазера накачки. Поворотом корпуса 1 относительно продольной оси симметрии внутренней сквозной полости 8 корпуса 1 выставляется взаимная ориентация осей индикатрисы показателей преломления кристалла 6 и электрического вектора излучения лазера накачки, обеспечивающая максимальную эффективность преобразования излучения накачки.

Плоские зеркала 4 и 5 выставляются параллельно путем изменения углового положения оправы 2, которая прижимается к корпусу 1 кольцом 7 с внешней резьбой.

Плоское зеркало 5 пропускает излучение накачки и отражает излучение генерации ОПГ. Зеркало 4 служит выходным для излучения ОПГ и отражает обратно излучение накачки.

Лазер накачки (не показан) генерирует импульс излучения с ˜ 1,06 мкм и длительностью около 10 нс. Этот импульс излучения направляется вдоль оптической оси резонатора ОПГ на зеркало 5 и проходит через него на нелинейный двухосный кристалл 6 из КТР. В кристалле КТР импульсное излучение накачки параметрически преобразовывается в две волны: излучение сигнальной волны (генерации) 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 зеркал 4 и 5 с кристаллом 6 внутри и выходит наружу через частично прозрачное (для излучения сигнальной волны с длиной волны в области 1,58 мкм) зеркало 4.

Многократное отражение излучения накачки с длиной волны в области 1,06 мкм в резонаторе из зеркал 4 и 5 с кристаллом 6 внутри позволяет увеличить эффективность преобразования излучения с длиной волны в области 1,06 мкм в излучение с длиной волны в области 1,58 мкм.

ОПГ с нелинейным кристаллом КТР генерирует выходное излучение с длиной волны ˜1,58 мкм при использовании в качестве накачки излучения лазера с длиной волны =1,06 мкм.

Таким образом, создана компактная конструкция ОПГ, в которой отражатели резонатора ОПГ и нелинейный кристалл собраны в едином

корпусе с минимальными зазорами, что обеспечивает высокую стойкость ОПГ к механическим воздействиям.

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 Users Manual - (прототип).

Оптический параметрический генератор, содержащий корпус с размещенными двумя оправами с отражателями, образующими оптический резонатор, в котором первый отражатель выполнен в виде плоского зеркала, и нелинейным кристаллом, установленным в резонаторе между отражателями, отличающийся тем, что корпус имеет сквозную внутреннюю полость, содержащую соосные и расположенные последовательно, начиная с одного края корпуса, первую круглую прямую цилиндрическую полость, первую полость с внутренней первой резьбой, имеющей диаметр меньше диаметра первой круглой прямой цилиндрической полости, вторую круглую прямую цилиндрическую полость, имеющую диаметр больший диаметра внутренней первой резьбы, прямую круглую усеченную конусообразную полость, меньшее основание которой является основанием второй круглой прямой цилиндрической полости, и третью круглую прямую цилиндрическую полость, диаметр которой равен или больше диаметра большего основания прямой круглой усеченной конусообразной полости, и выполненную до другого края корпуса полость с внутренней второй резьбой, диаметр которой меньше диаметра третьей круглой прямой цилиндрической полости, вторая оправа содержит сквозную внутреннюю полость, в которой установлены нелинейный кристалл и второй отражатель, выполненный в виде второго плоского зеркала, при этом вторая оправа имеет внешнюю боковую поверхность, включающую соосные и расположенные последовательно, начиная с одного торца оправы, внешнюю третью резьбу, боковую поверхность первого круглого прямого цилиндра, диаметр которого равен или меньше диаметра первой круглой прямой цилиндрической полости в корпусе, и выполненную до другого торца оправы боковую поверхность второго круглого прямого цилиндра с диаметром большим диаметра первой круглой прямой цилиндрической полости в корпусе, при этом вторая оправа установлена в сквозной внутренней полости корпуса таким образом, что внешняя третья резьба второй оправы образует резьбовое соединение с внутренней первой резьбой в корпусе, а ближнее к корпусу основание второго круглого прямого цилиндра второй оправы установлено вплотную с основанием первой круглой прямой цилиндрической полости в корпусе, первая оправа с первым плоским зеркалом содержит сквозную внутреннюю полость для размещения плоского зеркала и имеет внешнюю боковую поверхность, включающую в себя боковую поверхность третьего круглого прямого цилиндра с одного края, а с другого края соосно расположенную усеченную сферическую поверхность, диаметр которой больше диаметра третьего круглого прямого цилиндра, причем первая оправа с первым плоским зеркалом установлена в сквозной внутренней полости корпуса таким образом, что ее сферическая поверхность прижата к боковой поверхности круглой прямой усеченной конусообразной полости корпуса посредством кольца с внешней резьбой, образующего резьбовое соединение с внутренней второй резьбой в корпусе, при этом кольцо имеет внутреннюю поверхность, включающую в себя боковую поверхность четвертого круглого прямого цилиндра и примыкающую к ней боковую поверхность усеченного круглого прямого конуса, расширяющегося к краю кольца и касающегося со сферической поверхностью первой оправы с первым плоским зеркалом, причем диаметр четвертого круглого прямого цилиндра кольца больше диаметра третьего круглого прямого цилиндра первой оправы с первым плоским зеркалом, но меньше диаметра сферической поверхности этой оправы.