CC BY
138
КОЛЬЦЕВАЯ СХЕМА РЕЗОНАТОРА ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА СВЕТА
Валерик Сергеевич Айрапетян
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры специальных устройств и технологий СГГА, тел.(913)462-10-75, e-mail: [email protected], e-mail:
Тамара Антоновна Широкова
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, профессор кафедры фотограмметрии и дистанционного зондирования СГГА, тел.(913)922-76-06, e-mail: dept.asp@ssga,ru
Разработан и создан ИК - параметрический генератор света (ПГС), позволяющий плавную и/или дискретную перестройку частоты излучения в спектральном диапазоне 1,41 -4,24 мкм. Выходная энергия излучения ПГС с кольцевым резонатором достигала до 50 мДж в импульсе. Ввод в резонатор эталона Фабри - Перо позволяет сузить спектральную ширину излучения ПГС до величины 0,7см-1.
Ключевые слова: параметрический генератор света, эталон Фабри - Перо, аналоговоцифровой преобразователь.
RING RESONATOR SCHEME OPTICAL PARAMETRIC OSCILLATOR
Valerik S. Ayrapetyan
Siberian State Geodesy Academy, Plochotnogo str. 10, professor, tel. (913)462-10-75, e-mail: [email protected], e-mail: [email protected]
Tamara A. Shirokova
Siberian State Geodesy Academy, Plochotnogo str. 10, professor, tel. (913)922-76-06, e-mail [email protected]
A LiNbO3 Optical Parametric Oscillator (OPO) having the possibility of continuous tuning in the spectral range of 1.42 ^ 4.24um and shifting up to 12nm is created and investigated. The OPO resonator ring circuit provided the output energy of up to 50 mJ. Radiation bandwidth narrowing of up to 0.7cm-1 by introducing the Fabry - Perrot etalon into the OPO resonator has been obtained.
Key words: Optical Parametric Oscillator, Fabry-Perrot etalon, Analog digital Converter.
1. Введение
Перестраиваемые лазерные источники света с длинами волн излучения от 1,4 до 4,3 мкм представляют большой практический интерес. В частности, они находят широкое применение в задачах спектроскопии при дистанционном зондировании компонентов атмосферы. Наибольшее внимание привлекают перестраиваемые лазеры на основе параметрической генерации света с использованием нелинейных кристаллов. Традиционно в качестве источника накачки ПГС применяются неодимсодержащие импульсные лазеры, а в качестве
преобразователя частоты используются нелинейные кристаллы (НК): КЫЪ03, LiNЪO3, КТР, КТА и др.[1]. Важной характеристикой ПГС, используемых в дистанционном зондировании компонент атмосферы, является малая угловая расходимость, сочетающаяся с узкой спектральной шириной и высокой энергией выходного излучения ПГС.
К настоящему времени для изучения характеристик внерезонаторных ПГС на основе LiNЮ3 реализовано большое количество оптических схем [2-7]. Исследования простейших линейных схем резонаторов ПГС [3, 4] показали, что при удовлетворительных энергетических показателях расходимость излучения таких генераторов довольно высока и сильно возрастает с увеличением энергии накачки.
Использование конфокального неустойчивого резонатора ПГС [7, 8] обеспечивает высокое качество выходного пучка с расходимостью, близкой к дифракционной. Однако такие резонаторы особо чувствительны к разъюстировке и пригодны только для обеспечения генерации на фиксированной длине волны. Теоретические исследования оптических резонаторов ПГС [9] и их компьютерное моделирование [10] показывают, что резонаторы с вращением изображения обеспечивают высокое качество выходного пучка.
Результаты выполненных экспериментальных исследований [11], а также ряд работ, например [6], показывают, что кольцевая трехзеркальная схема резонатора ПГС обеспечивает низкую расходимость пучка при высоких энергетических характеристиках.
Цель данных исследований заключается в создании высокоэффективного ПГС, позволяющего осуществлять плавную и (или) дискретную перестройку длины волны выходного излучения в диапазоне от 1,41 до 4,24 мкм. Для обеспечения таких типов перестройки излучения ПГС был выбран НК LiNЮ3, который обладает высокими нелинейными и электрооптическими коэффициентами. Выбор трехзеркального кольцевого резонатора обусловлен преимуществом данной оптической схемы по сравнению с линейными, так как он позволяет реализовать параметрическую генерацию в режиме бегущей волны. Трехзеркальный резонатор менее чувствителен к разьюстировке. В таком резонаторе нет стоячих волн и интенсивность излучения в нем существенно более однородна, чем в линейных резонаторах. Последнее обстоятельство особенно важно из-за относительно низкого оптического пробоя
л
кристалла ниобата лития (300МВт/см ). В трехзеркальном резонаторе после каждого обхода луча осуществляется вращение изображения, что существенно компенсирует неоднородность поперечной структуры пучка генерации ПГС, а также ослабляет влияние оптических неоднородностей пучка накачки на кристалл LiNЪO3.
2. Экспериментальная часть
Для накачки ПГС используется излучение лазера с активным элементом
•*> і
YAG:Nd размерами 06, 3x100 мм. Лазер накачки собран по схеме телескопического неустойчивого резонатора. Энергия излучения на длине волны X = 1,064 мкм в импульсе составляла 180 мДж, длительность импульса
излучения 10 нс. Оптимальная частота следования импульсов, при которой энергия незначительно отличалась от средней энергии в режиме редко повторяющихся импульсов, установилась на уровне 20 ^ 30 Гц. Следует отметить, что при повышении частоты повторения импульсов (> 30Гц) происходит сильная энергетическая нестабильность (более 30%). Излучение линейно - поляризовано в горизонтальной плоскости. Распределение интенсивности пучка в сечении имеет вид концентрических колец.
На рис. 1 приведена оптическая схема трехзеркального кольцевого резонатора ПГС. Активный элемент из НК LiNЪO3 размерами 10х10х30 мм ориентирован 0 = 47°, ф = - 90°. НК установлен на вращательной платформе с шаговым двигателем и может вращаться вокруг вертикальной оси с точностью до 3 а1^ес, обеспечивая плавную перестройку длины волны выходного излучения
ПГС.
Рис. 1. Оптическая схема кольцевого резонатора ПГС:
3_1_
YAG: Nd - лазер накачки; НК - нелинейный кристалл из LiNbO3; М1, М2, М3 -зеркала; ЭФП - эталон Фабри - Перо; ПГ - поглотитель излучения лазера накачки; юс , юх , юн - сигнальная и холостая частоты, и частота лазера накачки
Дискретная перестройка длины волны ПГС обеспечивается подачей постоянного электрического напряжения на нерабочие поверхности НК. Смещение длины волны излучения ПГС за счет температурного нагрева НК
о
программно контролируется и компенсируется с погрешностью до 0,1 С. Дополнительное сужение спектральной ширины излучения ПГС достигается введением в резонатор ПГС ЭФП, также установленного на вращательной платформе. ЭФП действует непосредственно на сигнальную волну, автоматически сужая и холостую волну.
Настройка полосы пропускания ЭФП на необходимую спектральную линию осуществляется путем углового вращения его оси относительно направления падающего на него излучения. ЭФП устанавливается в той части резонатора ПГС, где отсутствует мощное излучение волны накачки. Таким образом, обеспечиваются наиболее благоприятные условия для его нормальной работы.
Регистрация, обработка и управление сигналов выполняется блоком управления (рис. 2). Для этой цели часть выходного излучения ПГС отражаясь от плоскопараллельной СаР2 пластинки (менее 4%), направляется в узел калибровки и подстройки длины волны. Узел калибровки представляет собой диффузно-рассеивающую сферу с двумя идентичными фотоприемниками ФР-219 из PbSe. Первый фотоприемник используется для математического вычитания энергетических нестабильностей. На второй фотоприемник излучение падает через кювету с известным газом (в данном случае - метаном с чистотой 90% при давлении 1атм.). Далее электрические сигналы от фотоприемников поступают на два входа аналого-цифрового преобразователя (АЦП), выход которого соединен с персональным компьютером (ПК). На экран монитора ПК выводится колебательно-вращательный спектр поглощения и3 полосы метана, центральная Q - ветвь которой является репером. Для калибровки длины волны ПГС на рассеивающей сфере предусмотрена возможность установления ИК - световода марки GF-F-160, через который лазерное излучение подается на входную щель монохроматора МДР-12. Такое решение позволяет автоматически настраивать длину волны излучения на заданную.
Рис. 2. Оптическая схема измерения длины волны и ширины спектра излучения:
1 - лазер накачки YAG:Nd3+ ; 2 - узел ПГС; 3 - плоскопараллельная пластина из CaF2; 4 - аналогово-цифровой преобразователь (АЦП); 5 - фотоприемник ФП-219 из PbSe с предусилителем; 6 - кювета с метаном; 7 - кювета с газом; 8 - диффузно-рассеивающая сфера; 9 - ИК-световод из CaF2; 10 - ПК; 11 - монохроматор МДР-12;
12 - осциллограф С1-91
3. Результаты и их обсуждение
Исследования энергетических характеристик излучения ПГС были выполнены при предельных температурных режимах окружающей среды как в лабораторных условиях (Т = +30оС), так и в открытой атмосфере (Т = - 10° С). В данных условиях после 30 минут работы лазера с частотой следования импульсов 25 Гц энергетическая нестабильность не превышала + 6 %.
На рис. 3 представлена зависимость энергии излучения ПГС от длин сигнальной (X = 1,42 + 1,75 мкм) и холостой (X = 2,9 + 4,2 мкм) волн.
Резкий спад энергии сигнальной волны в области X =1,69 мкм и отсутствие генерации холостой волны в области X =2,85 мкм связаны с сильным поглощением ниобата лития в области X =2,85 мкм. В реализованной схеме ПГС достигается суммарный коэффициент преобразования 27 %.
Рис. 3. Распределение энергии излучения ПГС в сигнальной и холостой волнах:
1 - сигнальная волна, 2 - холостая волна
Численное значение угловой расходимости пучка согласно [9] вычислялось как отношение d/l диаметра диафрагмы d, в которую попадает 86 % полной энергии импульса излучения ПГС, к фокусному расстоянию линзы 1, причем диафрагма была установлена в плоскости линзы. Экспериментально полученные значения расходимости сигнальной и холостой волн излучения ПГС не превышали 3,5 мрад во всем диапазоне генерации (рис.3). Это значение существенно не изменялось при незначительном варьировании длины
резонатора. Полученный результат совпадает со значением расходимости
2
излучения, рассчитанным по методу М [12].
На рис. 4. представлены спектры излучения ПГС, полученные для произвольной холостой волны.
^х, мкм
Рис. 4. Спектры излучения холостой волны ПГС:
а) без ЭФП (Х01 = 3,383 мкм) Ау = 3,6см-1 б) с использованием ЭФП (Х02 = 3,391 мкм) Ауэ = 0,69см-1
Рис. 4а соответствует спектру излучения ПГС для резонатора без спектрального фильтра. Рис. 4б показывает насколько сужается спектр излучения ПГС при вводе в резонатор ЭФП. Аналогичные спектры были получены во всем диапазоне перестройки длин волн ПГС. При сужении полуширины спектра излучения ПГС от 4 до 5 раз изменение энергии излучения ПГС было незначительным.
4. Заключение
В заключении приведем некоторые основные параметры ИК - ПГС:
1,42 ^ 1,85; 2,9^ 4,2 мкм 0 ^ 12 нм до 50 мДж < 3,5 мрад 0,7 ^ 0,9 см-25 - 30 Гц 10 нс
исследований нелинейно-оптических а также на основе использования
-1
Область плавной перестройки Величина дискретной перестройки Суммарная энергия в импульсе Расходимость излучения Спектральная ширина излучения Частота следования импульсов Длительность импульса Таким образом, по результатам свойств кристаллов LiNЪO3 и КТР, современных технологических и компьютерно-программных разработок был создан и испытан ИК - ПГС с плавной и (или) дискретной перестройкой частоты излучения. Благодаря своим характеристикам данный ИК - ПГС может применяться как в лидарных комплексах, так и при решении различных спектроскопических задач фундаментальных исследований.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. V.G. Dmitriev, G. G. Gurzadyan, D. N. Nikogosyan ’’Handbook of Nonlinear Optical Cristals”: 345 (Springer, New York, 1999).
2. M. D. Ewbank, M. J. Rosker, “Frequency tuning a mid - infrared optical parametric oscillator by the electro-optic effect”: J. Opt. Soc. Am. B14, #3, p. 663-668, (1997)
3. A.V. Smith, W.J.Alford, T.D.Raymond, M.S. Bowers, “Comparision of numerical model with measurend performance of a seeded nanosecond KTP optical parametric oscillator” J. Opt. Soc. Am. B12, 2253(1995)
4. L. R. Marshal, A. D. Hay, R. Burnham. Tech. Dig. Papers Adv.CLEO’ 90 postdeadline paper CDPO 35 - 1(1990).
5. A.H. Harutjunyan, G.A. Papyan, S.S. Sargsyan, T.K. Sargsyan, “High Efficiency Intricately Optical Parametric Oscillator based on a Litium Niobate Cristal” ICONO’91,I, PWH12, 163-167, Leningrad,1991.
6. В.Л. Наумов, А.М. Онищенко, А.С. Подставкин, А.В.Шестаков «Внерезонаторная параметрическая генерация света на X = 1,5 и 2мкм с накачкой излучением лазеров на АИГ: Nd3+», Квант. Электрон., 32, №3(2002) 225 - 228.
7. Л. И.Водчиц, Дашкевич, Н.С. Казак, В.К. Павленко, В.И. Покрышкин, И.П. Петрович, В.В. Руховец, А.С. Красковский, В.А. Орлович. «Безопасный для глаз источник излучения на основе параметрического генератора света», Журнал прикладной спектроскопии, т. 73, №2(2006) 255 - 259.
8. M.K. Brown, M.S. Bowers, “High Energy near diffraction limited output from optical parametric oscillators using unstable resonators” Solid State Laser VI, R. scheps, ed. Proc. SPIE 2986, 113, 1997.
9. Ю.А. Ананьев, Оптические Резонаторы и лазерные пучки. - М. Наука, (1990) 211.
10. A.V. Smith, M.S. Bowers „Image - rotating cavity designs for improved beam quality in nanosecond optical parametric oscillators” J. Opt. Soc. Am. B18, #5, p.701-706, 2001.
11. V.S. Ayrapetyan, G.M. Apresyan, K.A Sargsyan, T.K. Sargsyan “Tunable OPO for differential absorption LIDAR’s” Abstract of Conference LAT 2002, LMI 72, p. 87-89, Moscow, 2002.
12. N. Hodgson and H. Weber Optical Resonator: Fundamentals, Advanced, Concepts and Application, London, Springer - Verlage (1997) 226.
© В.С. Айрапетян, Т.А. Широкова, 2012
