PL220359B1 - Układ optyczny do generowania trzeciej harmonicznej światła impulsów laserowych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ optyczny do generowania trzeciej harmonicznej światła impulsów laserowych, który znajduje zastosowanie w dziedzinie optyki laserowej, a w szczególności w impulsowych systemach laserowych do powielania częstości światła.

Znane są układy optyczne do generowania trzeciej harmonicznej światła impulsów laserowych, w których sekwencyjnie wykorzystywane są dwa procesy nieliniowe: generowanie drugiej harmonicznej światła impulsów laserowych oraz sumowanie częstości podstawowej światła impulsów laserowych i drugiej harmonicznej światła impulsów laserowych. W przypadku laserów małej mocy każdy z tych procesów zachodzi odpowiednio w pierwszym i drugim krysztale nieliniowym, które są umieszczone w oddzielnych przewężeniach (ogniskach) wiązki laserowej. Między przewężeniami impulsy światła o częstości podstawowej i impulsy drugiej harmonicznej światła powstałe w pierwszym krysztale są rozdzielane i prowadzone oddzielnymi drogami, z których jedna ma regulowaną długość. Służy to optymalizacji opóźnienia między impulsami światła o częstości podstawowej i impulsami drugiej harmonicznej światła w krysztale sumowania częstości oraz kompensacji przestrzennego rozdzielenia impulsów w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku propagacji, wynikającego z dryfu charakterystycznego dla kryształów dwójłomnych. Tak przygotowane wiązki: o częstości podstawowej oraz drugiej harmonicznej światła są łączone na lustrze dichroicznym oraz skupiane na drugim krysztale nieliniowym, gdzie zachodzi sumowanie częstości. Strojenie długości fali i optymalizacja energii impulsów wyjściowych polega na oddzielnym regulowaniu ustawienia szeregu elementów optycznych: dwóch kryształów nieliniowych do wytwarzania drugiej harmonicznej oraz do sumowania częstości, układu zwierciadeł do regulowania długości linii opóźniającej w celu dostosowania opóźnienia między impulsami światła o częstości podstawowej oraz impulsami drugiej harmonicznej światła oraz lustra do optymalizacji przekrywania impulsów w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku wiązek. Konstrukcje tego typu znanych układów optycznych mają jednak zwykle duże wymiary, a regulacja szeregu elementów optycznych jest czasochłonna i często może dochodzić do pogorszenia parametrów generacji, lub nawet jej utraty, w przypadku zmiany położenia nawet jednego spośród elementów generatora. Istnieje więc w stanie techniki potrzeba opracowania układu optycznego do generowania trzeciej harmonicznej światła impulsów laserowych, który charakteryzować się będzie mniejszymi wymiarami, uproszczoną budową oraz w którym uproszczona zostanie procedura dostrajania i optymalizacji energii impulsów trzeciej harmonicznej światła.

Układ optyczny do generowania trzeciej harmonicznej światła impulsów laserowych według wynalazku charakteryzuje tym, że zawiera elementy w postaci pierwszego kryształu i drugiego kryształu z nieliniowością drugiego rzędu, płytki z materiału dwójłomnego oraz płytki półfalowej dla światła o częstości podstawowej, umieszczone sekwencyjnie jeden za drugim w oprawie, przez które to elementy przebiega droga optyczna światła impulsów laserowych, przy czym kolejność usytuowania tych elementów w oprawie jest następująca: pierwszy kryształ z nieliniowością drugiego rzędu, w którym zachodzi generacja drugiej harmonicznej światła impulsów laserowych; następnie płytka z materiału dwójłomnego, w której prędkość grupowa światła o częstości podstawowej jest mniejsza od prędkości grupowej drugiej harmonicznej światła, gdy polaryzacje tych dwóch świateł są do siebie prostopadłe, kompensująca względne opóźnienie między impulsem światła o częstości podstawowej i impulsem drugiej harmonicznej światła; następnie płytka półfalowa dla częstości podstawowej światła, będąca jednocześnie płytką pełnofalową dla częstości drugiej harmonicznej światła, obracająca polaryzację światła o częstości podstawowej o 90°; następnie drugi kryształ z nieliniowością drugiego rzędu, w którym zachodzi sumowanie częstości podstawowej światła i częstości drugiej harmonicznej światła.

Korzystnie, w oprawie, między pierwszym kryształem z nieliniowością drugiego rzędu i płytką z materiału dwójłomnego usytuowany jest kryształ dwójłomny, który kompensuje dryf wiązki drugiej harmonicznej światła impulsów laserowych.

Korzystnie, w oprawie, między płytką z materiału dwójłomnego i płytką półfalową dla częstości podstawowej światła usytuowany jest kryształ dwójłomny, który kompensuje dryf wiązki drugiej harmonicznej światła impulsów laserowych.

Korzystnie, pierwszym kryształem z nieliniowością drugiego rzędu jest kryształ BBO (β-ΒαΒ₂Ο₄),

KTP (KTiOPO4), KDP (KH2PO4) lub LBO (LiB3O5).

Korzystnie, drugim kryształem z nieliniowością drugiego rzędu jest kryształ BBO, KTP, KDP lub LBO.

Korzystnie, płytką z materiału dwójłomnego jest kryształ kalcytu.

PL 220 359 B1

Korzystnie, kryształem dwójłomnym jest kryształ YVO4 lub MgF2.

W układzie optycznym do generowania trzeciej harmonicznej impulsów laserowych według wynalazku oba procesy nieliniowe, generowanie drugiej harmonicznej i sumowanie częstości, zachodzą w jedynym przewężeniu wiązki laserowej. Właściwy dobór typu oddziaływania (przetwarzanie I typu, tzn. ooe, to znaczy proces, gdzie polaryzacje wiązek wejściowych są do siebie równoległe i poruszają się w krysztale jako wiązki zwyczajne, nowo powstała wiązka ma polaryzację prostopadłą do polaryzacji wiązek wejściowych i porusza się jako promień nadzwyczajny) w krysztale drugiej harmonicznej oraz w krysztale sumowania częstości pozwala na zmianę długości fali i optymalizację energii impulsów trzeciej harmonicznej przez obrót całego urządzenia wokół dwóch osi prostopadłych do siebie oraz do kierunku rozchodzenia się wiązki laserowej.

Wynalazek pozwala zmniejszyć i uprościć impulsowe systemy laserowe, przy zachowaniu funkcjonalności i sprawności przetwarzania częstości.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania jest uwidoczniony na rysunku, na którym figura 1 przedstawia schemat układu optycznego do generowania trzeciej harmonicznej światła impulsów laserowych, figura 2 przedstawia schemat generatora trzeciej harmonicznej światła impulsów laserowych wykorzystujący układ optyczny z fig. 1, a figura 3 przedstawia proces generowania trzeciej harmonicznej światła impulsów laserowych z wykorzystaniem układu optycznego według wynalazku.

Na Fig. 1 przedstawiono układ optyczny, w którym w oprawie 6 znajduje się pięć elementów optycznych. Pierwszym elementem optycznym jest kryształ BBO, który stanowi pierwszy kryształ 1 z nieliniowością drugiego rzędu, w którym zachodzi generowanie drugiej harmonicznej światła impulsów laserowych. Kryształ wycięty jest tak, by jego oś optyczna tworzyła z kierunkiem propagacji kąt optymalny dla generowania drugiej harmonicznej dla wybranej długości fali. Pochylanie kryształu 1 względem wiązki laserowej umożliwia zmianę długości fali, dla której zachodzi generacja drugiej harmonicznej. Drugim elementem optycznym jest płytka 2 wykonana z kalcytu stanowiącego materiał dwójłomny, która kompensuje względne opóźnienie między impulsem światła o częstości podstawowej i impulsem drugiej harmonicznej światła. Dzięki właściwościom płytki 2 z materiału dwójłomnego polegającym na tym, że prędkość grupowa światła o częstości podstawowej jest mniejsza od prędkości grupowej drugiej harmonicznej światła, impuls drugiej harmonicznej światła wyprzedza w niej impuls światła o częstości podstawowej, co umożliwia kompensację przesunięcia czasowego między impulsami. Trzecim elementem optycznym jest kryształ YVO4 będący kryształem dwójłomnym 3, który kompensuje dryf impulsu drugiej harmonicznej zachodzący w pierwszym krysztale 1. Czwarty element optyczny to płytka 4 półfalowa zerowego rzędu dla częstości podstawowej, będąca płytką pełnofalową dla częstości drugiej harmonicznej. Obraca ona polaryzację światła o częstości podstawowej o dziewięćdziesiąt stopni, aby umożliwić późniejsze sumowanie częstości w procesie I typu. W piątym elemencie optycznym, krysztale BBO, stanowiącym kryształ 5 z nieliniowością drugiego rzędu, zachodzi sumowanie częstości podstawowej i drugiej harmonicznej częstości. W wyniku sumowania częstości powstaje trzecia harmoniczna częstości podstawowej światła. Kryształ wycięty jest tak by jego oś optyczna tworzyła z kierunkiem propagacji kąt optymalny dla sumowania częstości. Podobnie jak kryształ 1, kryształ 5 wykorzystywany do sumowania częstości można pochylać zmieniając w ten sposób długość fali impulsów podstawowych, dla której zachodzi wydajna generacja sumy częstości trzeciej harmonicznej. Kierunek pochylania tego kryształu jest prostopadły do kierunku propagacji światła oraz kierunku pochylania kryształu drugiej harmonicznej. Grubości płytki 2 i kryształu dwójłomnego 3 i nachylenie ich osi optycznych dobrano tak, by impulsy światła częstości podstawowej i impulsy drugiej harmonicznej światła spotkały się w czasie i przestrzeni w środku kryształu 5, pozwalając na efektywną generację trzeciej harmonicznej. Obrócenie polaryzacji światła o częstości podstawowej pozwala na sumowanie częstości w procesie I typu. Strojenie długości fali i optymalizacja energii dla procesów generacji drugiej harmonicznej i sumowania częstości odbywa się, dzięki użyciu procesu I typu przy sumowaniu częstości, przez obrót układu optycznego wokół prostopadłych do siebie osi.

W niektórych realizacjach (nie pokazanych) kryształ dwójłomny 3 można umieścić bezpośrednio za pierwszym kryształem 1 i przed płytką 2. W pewnych przypadkach kryształ dwójłomny może być także pominięty.

Na figurze 2 przedstawiono schemat generatora trzeciej harmonicznej światła impulsów laserowych, wykorzystujący układ optyczny według wynalazku. Z impulsowego źródła laserowego 8 generuje się wiązkę 12 światła impulsów laserowych o częstości podstawowej, która za pomocą soczewki lub innego układu 10 skupiającego światła skupiana jest na drodze optycznej przebiegającej przez opisany wcześniej układ optyczny 7. W wyniku procesów generowania drugiej i trzeciej harmonicznej świa4

PL 220 359 B1 tła w układzie optycznym 7, grupa 15 wiązek: wiązki 12 światła impulsów laserowych o częstości podstawowej, wiązki 13 drugiej harmonicznej światła impulsów laserowych i wiązki 14 trzeciej harmonicznej światła impulsów laserowych, jest kierowana do soczewki kolimującej lub innego układu kolimującego 11, skąd następnie dociera do rozdzielacza optycznego 9, w którym wydzielana jest wiązka 14 trzeciej harmonicznej światła impulsów laserowych. W niektórych wykonaniach generatora (nie pokazanych), można pominąć układ 10 skupiający i układ 11 kolimujący.

Na figurze 3 przedstawiono schematycznie przykładowy sposób generowania trzeciej harmonicznej światła impulsów laserowych z wykorzystaniem układu optycznego według wynalazku, przez zobrazowanie kolejnych czynności wykonywanych na poszczególnych elementach optycznych. Na fig. 3 przedstawiono schematycznie intensywności poszczególnych wiązek (obszary 12, 13 i 14) w trakcie realizacji sposobu, a także ich polaryzacje oraz zależności między poszczególnymi impulsami. Strzałki oznaczają pionową polaryzację światła, natomiast kółka oznaczają polaryzację poziomą, przy czym poszczególne polaryzacje odpowiadają poszczególnym wiązkom w kolejnych etapach przedstawionych na figurze. Wzajemne pozycje symbolicznie przedstawionych impulsów, dla każdego etapu sposobu, określają relacje czasowe między impulsami poszczególnych wiązek.

Wiązka 12 światła impulsów laserowych z impulsowego źródła laserowego w postaci lasera szafirowego (Ti:Al2O3) z centralną długością fali 800 nm pada na kryształ BBO będący pierwszym kryształem 1 z nieliniowością drugiego rzędu. W wyniku zjawisk nieliniowych następuje generowanie wiązki 13 światła impulsów laserowych o długości fali 400 nm, której częstość jest dwukrotnie większa od częstości wiązki 12. Konwersja częstości jest częściowa, tzn. w jej wyniku tylko część energii impulsów wiązki 12 ulega zamianie na energię impulsów wiązki 13. W efekcie za kryształem 1 propagują się dwie wiązki 12 i 13, których polaryzacje są względem siebie prostopadłe. Wiązki 12 i 13 padają następnie na płytkę 2 kalcytu będącego materiałem dwójłomnym, w której ze względu na różne prędkości grupowe zależne od częstości, następuje kompensacja opóźnienia impulsów drugiej harmonicznej światła względem impulsów światła o częstości podstawowej. W dalszej kolejności dryf wiązek 12 i 13 jest kompensowany z wykorzystaniem kryształu YVO4 będącego kryształem dwójłomnym 3, który zapewnia spójność przestrzenną obu wiązek. Następnie następuje obrócenie polaryzacji wiązki 12 światła impulsów laserowych o częstości podstawowej za pomocą płytki półfalowej 4. Polaryzacja wiązki 13 drugiej harmonicznej światła impulsów laserowych pozostaje niezmieniona, gdyż dla częstości drugiej harmonicznej światła płytka 4 jest płytką pełnofalową. W wyniku poprzednich czynności, w momencie padania na drugi kryształ 5 z nieliniowością drugiego rzędu, wiązki 12 i 13 mają taką samą polaryzację, impulsy obu wiązek są zsynchronizowane czasowo oraz przestrzennie przekrywają się. W efekcie, na skutek sumowania częstości wiązek 12 i 13 w krysztale 5 następuje generowanie wiązki 14 trzeciej harmonicznej światła impulsów laserowych, tzn. w wyniku częściowego przetworzenia, w wyniku zjawisk nieliniowych, z wiązek 12 i 13 powstaje wiązka 14 trzeciej harmonicznej o długości fali 266 nm.

Ponadto, w innym przykładzie realizacji wg fig. 2 i fig. 3, w analogiczny sposób uzyskuje się generację trzeciej harmonicznej stosując inne impulsowe źródło laserowe w postaci lasera Yb:KYW (Yb:KY(WO4)2) o centralnej długości fali równej 1030 nm, lecz zamiast kryształu BBO można zastosować inny kryształ 1 z nieliniowością drugiego rzędu w postaci kryształu LBO, natomiast kompensacja dryftu zachodzi w krysztale 3 będącym kryształem MgF2. W efekcie uzyskiwana jest druga harmoniczna światła o długości fali 515 nm, i powstaje wiązka 14 trzeciej harmonicznej o długość fali 343 nm.

Zastosowana konstrukcja generatora w trakcie realizacji sposobu pozwala na szybkie dostrojenie i optymalizację procesów generacji. Układ optyczny 7 wstawia się w obszar wiązki 12 tak, aby wiązka 12 przechodziła przez wszystkie kryształy układu optycznego 7. Układ optyczny 7 obraca się wokół osi równoległej do wiązki światła (obrót o kąt pełny) i równoległej do polaryzacji wchodzącego do układu optycznego 7 światła, aż do uzyskania wydajnej generacji drugiej harmonicznej. Następnie obraca się generator wokół osi prostopadłej do polaryzacji wchodzącego światła aż do uzyskania wydajnej generacji trzeciej harmonicznej. Po wykonaniu tej procedury układ optyczny 7 można obracać wokół osi prostopadłych do kierunku wiązki w celu uzyskania wydajnej generacji trzeciej harmonicznej dla wybranej długości fali (strojenia).

Kolejność kompensacji opóźnienia i dryfu wiązek może mieć dowolną kolejność, a kompensacja dryfu może w określonych konfiguracjach zostać pominięta w innych przykładach wykonania wynalazku (nie pokazanych).

PL 220 359 B1

Wynalazek ma zastosowanie w gałęziach przemysłu, gdzie wykorzystuje się trzecią harmoniczną impulsów laserowych, na przykład w medycynie, precyzyjnej obróbce laserowej materiałów lub w spektroskopii.

Claims (7)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Układ optyczny do generowania trzeciej harmonicznej światła impulsów laserowych, znamienny tym, że zawiera elementy w postaci pierwszego kryształu (1) i drugiego kryształu (5) z nieliniowością drugiego rzędu, płytki (2) z materiału dwójłomnego oraz płytki (4) półfalowej dla światła o częstości podstawowej, umieszczone sekwencyjnie jeden za drugim w oprawie (6), przez które to elementy przebiega droga optyczna światła impulsów laserowych, przy czym kolejność usytuowania tych elementów w oprawie (6) jest następująca:

   • pierwszy kryształ (1) z nieliniowością drugiego rzędu, w którym zachodzi generacja drugiej harmonicznej światła impulsów laserowych; następnie • płytka (2) z materiału dwójłomnego, w której prędkość grupowa światła o częstości podstawowej jest mniejsza od prędkości grupowej drugiej harmonicznej światła, gdy polaryzacje tych dwóch świateł są do siebie prostopadłe, kompensująca względne opóźnienie między impulsem światła o częstości podstawowej i impulsem drugiej harmonicznej światła; następnie • płytka (4) półfalowa dla częstości podstawowej światła, będąca jednocześnie płytką pełnofalową dla częstości drugiej harmonicznej światła, obracająca polaryzację światła o częstości podstawowej o 90°; następnie • drugi kryształ (5) z nieliniowością drugiego rzędu, w którym zachodzi sumowanie częstości podstawowej światła i częstości drugiej harmonicznej światła.
2. 2. Układ optyczny według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że w oprawie (6), między pierwszym kryształem (1) z nieliniowością drugiego rzędu i płytką (2) z materiału dwójłomnego usytuowany jest kryształ dwójłomny (3), który kompensuje dryf wiązki drugiej harmonicznej światła impulsów laserowych.
3. 3. Układ optyczny według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że w oprawie (6), między płytką (2) z materiału dwójłomnego i płytką (4) półfalową dla częstości podstawowej światła usytuowany jest kryształ dwójłomny (3), który kompensuje dryf wiązki drugiej harmonicznej światła impulsów laserowych.
4. 4. Układ optyczny według zastrzeżenia 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że pierwszym kryształem (1) z nieliniowością drugiego rzędu jest kryształ BBO, KTP, KDP lub LBO.
5. 5. Układ optyczny według zastrzeżenia 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że drugim kryształem (5) z nieliniowością drugiego rzędu jest kryształ BBO, KTP, KDP lub LBO.
6. 6. Układ optyczny według zastrzeżenia 1 albo 2, albo 3, albo 4, albo 5, znamienny tym, że płytką (2) z materiału dwójłomnego jest kryształ kalcytu.
7. 7. Układ optyczny według zastrzeżenia 2 albo 3, albo 4, albo 5, albo 6, znamienny tym, że kryształem dwójłomnym (3) jest kryształ YVO4 lub MgF2.