RU2523735C2

RU2523735C2 - Multi-pass focusing system and method of focusing laser radiation providing multiple passage of laser beam through measuring volume

Info

Publication number: RU2523735C2
Application number: RU2012132799/28A
Authority: RU
Inventors: Сергей Юрьевич Фёдоров; Борис Фёдорович Бояршинов
Priority date: 2012-07-31
Filing date: 2012-07-31
Publication date: 2014-07-20
Also published as: RU2012132799A

Abstract

FIELD: physics, optics.

SUBSTANCE: system can be used in investigating properties of gaseous media, including with chemical reactions, in small volumes by scattering spectroscopy or light absorption. The system includes assemblies of optical elements capable of moving towards a focal point, each having two flat swivel mirrors in an adjustment head which provides independent inclination of each mirror in two directions, or a lens in between, which is mounted at double the focal distance on the beam path from the measuring volume. The assemblies enable to focus a reflected beam at the same point. One assembly, having a lens and a flat mirror or only a concave mirror, directs the laser beam such that it travels its entire path in the reverse direction, wherein the number of passages is equal to or greater than 4 depending on the number of installed assemblies of optical elements.

EFFECT: high strength of the useful signal and reduced optical distortion of the laser beam due to multiple passage of the laser beam through the measuring volume.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к осветительным системам, предназначенным для фокусировки лазерного излучения. Изобретение может быть использовано при исследовании свойств газовых сред, в том числе с химическими реакциями, в малых объемах, методами спектроскопии рассеяния или поглощения света.The invention relates to optical instrumentation, in particular to lighting systems designed to focus laser radiation. The invention can be used to study the properties of gaseous media, including those with chemical reactions, in small volumes, by the methods of scattering spectroscopy or light absorption.

Информацию о параметрах среды, исследуемой спектроскопическими методами, в частности методом спонтанного комбинационного рассеяния света (СКР), получают, используя форму и амплитуду регистрируемых спектров. Спектры СКР возбуждают излучением лазера с фиксированной частотой, например, ω₀, которое фокусируют и направляют в исследуемую среду. В результате взаимодействия светового пучка с исследуемой средой происходит рассеяние - возникает излучение, распространяющееся во всех направлениях. В его спектре содержатся новые компоненты, с частотами ω=ω₀±Ω, где Ω - колебательная или вращательная частоты молекул всех газов, входящих в состав исследуемой среды. Интенсивность комбинационных линий в спектре рассеянного света очень мала - приблизительно в 10 раз меньше интенсивности лазерного излучения, что серьезно затрудняет их регистрацию.Information on the parameters of the medium studied by spectroscopic methods, in particular, spontaneous Raman scattering (SCR), is obtained using the shape and amplitude of the recorded spectra. Raman spectra are excited by laser radiation with a fixed frequency, for example, ω ₀ , which is focused and directed into the medium under study. As a result of the interaction of the light beam with the medium under study, scattering occurs - radiation arises that propagates in all directions. Its spectrum contains new components with frequencies ω = ω ₀ ± Ω, where Ω is the vibrational or rotational frequencies of the molecules of all gases that make up the medium under study. The intensity of the Raman lines in the spectrum of the scattered light is very small - approximately 10 times less than the intensity of the laser radiation, which seriously complicates their registration.

Один из методов решения проблемы усиления слабого светового сигнала заключается в использовании большого числа проходов лазерного излучения через объект исследования.One of the methods for solving the problem of amplifying a weak light signal is to use a large number of passes of laser radiation through the object of study.

Известен способ, применявшийся во многих работах, например, в [М.С.Drake and G.M. Rosenblatt Rotational Raman Scattering from Premixed and Diffusion Flames // Combustion and Flame, 1978, v.33, p.179-196], когда используется возвращающее зеркало для отражения лазерного излучения в обратном направлении.A known method that has been used in many works, for example, in [M. C. Drake and G.M. Rosenblatt Rotational Raman Scattering from Premixed and Diffusion Flames // Combustion and Flame, 1978, v.33, p.179-196] when a return mirror is used to reflect laser radiation in the opposite direction.

Недостатком описанного способа является ограниченная возможность увеличить интенсивность сигнала только в два раза за счет двойного прохождения излучения лазера через измерительный объем, из-за того, что падающий и отраженный пучки совмещены друг с другом.The disadvantage of the described method is the limited ability to increase the signal intensity only twice due to the double passage of laser radiation through the measuring volume, due to the fact that the incident and reflected beams are combined with each other.

Известен способ, также применявшийся многими исследователями, например [J.J.Barrett, in: Laser Raman Gas Diagnostics, Ed. by M. Lapp and CM. Penney, Plenum Press, N.Y. (1974), pp.63-85], при котором исследуемая среда помещается внутрь резонатора лазера. В этом случае интенсивность возбуждающего излучения, а, следовательно, и сигнала возрастает примерно в 10 раз.A known method, also used by many researchers, for example [J.J. Barrett, in: Laser Raman Gas Diagnostics, Ed. by M. Lapp and CM. Penney, Plenum Press, N.Y. (1974), pp.63-85], in which the medium under investigation is placed inside the laser cavity. In this case, the intensity of the exciting radiation, and, consequently, the signal increases by about 10 times.

Недостатком описанного способа является то, что его эффективность высока только в схемах с непрерывными лазерами, в которых существенно различается интенсивность излучения внутри и вне резонатора. Кроме того, внутрирезонаторная схема, где излучение совершает большое число проходов, оказывается очень чувствительной к оптическим неоднородностям исследуемой среды, способным даже сорвать генерацию.The disadvantage of the described method is that its efficiency is high only in schemes with continuous lasers, in which the radiation intensity varies significantly inside and outside the resonator. In addition, the intracavity scheme, where the radiation makes a large number of passes, turns out to be very sensitive to the optical inhomogeneities of the medium under study, which can even disrupt the generation.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является многоходовая зеркальная система высокого пространственного разрешения [Патент RU №2025750, C1, G02B 17/06, 08.01.1990], содержащая источник и приемник излучения, расположенные симметрично относительно плоскости, проходящей через оптическую ось, на которой установлены два противостоящих зеркальных объектива, а также два отражателя, оптически сопряженные между собой через соответствующий зеркальный объектив. С целью повышения светосилы и упрощения конструкции системы отражатели выполнены вогнутыми со сферическими поверхностями и расположены относительно зеркальных объективов на расстоянии, равном радиусам кривизны сферических поверхностей, при этом отражатели расположены противоположно друг другу относительно плоскости симметрии приемника и источника излучения вне зоны прохождения световых лучей между зеркальными объективами.The closest in technical essence to the claimed device is a multi-way mirror system of high spatial resolution [Patent RU No. 2025750, C1, G02B 17/06, 08.01.1990], containing a radiation source and receiver, located symmetrically relative to the plane passing through the optical axis, on which has two opposing mirror lenses, as well as two reflectors, optically conjugated to each other through the corresponding mirror lens. In order to increase the aperture ratio and simplify the design of the system, the reflectors are made concave with spherical surfaces and are located relative to the mirror lenses at a distance equal to the radii of curvature of the spherical surfaces, while the reflectors are located opposite each other relative to the plane of symmetry of the receiver and the radiation source outside the zone of passage of light rays between the mirror lenses .

Недостатком этого устройства является использование сферических зеркал для отражения внеосевых пучков, что приведет к астигматизму и, следовательно, к снижению качества фокусировки. Присутствие оптических элементов между фокусирующим объективом и измерительным объемом затрудняет размещение крупного исследуемого объекта внутри такой осветительной системы. Это устройство может применяться в схеме пропускания и поглощения излучения, но оно будет иметь ограничения в схеме рассеяния, когда используют все три ортогональные координаты: по одной оси направляют лазерный пучок, по другой собирают рассеянный свет, по третьей ориентируют исследуемую горелку, например.The disadvantage of this device is the use of spherical mirrors to reflect off-axis beams, which will lead to astigmatism and, consequently, to a decrease in the quality of focusing. The presence of optical elements between the focusing lens and the measuring volume makes it difficult to place a large object under study inside such a lighting system. This device can be used in the transmission and absorption of radiation, but it will have limitations in the scattering scheme when all three orthogonal coordinates are used: the laser beam is directed along one axis, scattered light is collected along the other, and the studied burner is oriented along the third, for example.

Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности использования лазерного излучения, т.е. повышение интенсивности полезного сигнала и уменьшение оптических искажений лазерного пучка, которое достигается многократным прохождением лазерного излучения через измерительный объем.The task of the invention is to increase the efficiency of using laser radiation, i.e. increasing the intensity of the useful signal and reducing the optical distortion of the laser beam, which is achieved by multiple passage of laser radiation through the measuring volume.

Поставленная задача решается тем, что многоходовая фокусирующая система, содержащая линзы для фокусировки лазерного пучка и зеркала для его возврата в измерительный объем, в котором происходит взаимодействие света с газовой средой, согласно изобретению включает размещенные на общем основании одну и более способных перемещаться в направлении к точке фокуса сборок оптических элементов, каждая из которых содержит два плоских поворотных зеркала в юстировочной головке, обеспечивающей независимый наклон каждого зеркала в двух направлениях, и перефокусирующую линзу между ними, установленную соосно с отраженным лазерным пучком на двойном фокусном расстоянии по ходу пучка от измерительного объема, установленных в положениях, обеспечивающих фокусировку отраженного пучка в той же точке, и одну сборку, содержащую линзу и плоское зеркало или только вогнутое зеркало, направляющую лазерный пучок так, что он проходит весь свой путь в обратном направлении, при этом число проходов равно от 4 более в зависимости от числа установленных сборок оптических элементов.The problem is solved in that a multi-path focusing system containing lenses for focusing a laser beam and a mirror for returning it to a measuring volume in which light interacts with a gas medium, according to the invention, includes one or more capable of moving towards a point focus assemblies of optical elements, each of which contains two flat rotary mirrors in the alignment head, providing independent tilt of each mirror in two directions x, and a refocusing lens between them, mounted coaxially with the reflected laser beam at a double focal distance along the beam from the measuring volume, installed in positions that ensure focusing of the reflected beam at the same point, and one assembly containing a lens and a flat mirror or only concave a mirror directing the laser beam so that it travels all its way in the opposite direction, with the number of passes equal to 4 or more, depending on the number of installed assemblies of optical elements.

В многоходовой фокусирующей системе сборки оптических элементов располагают вплотную друг к другу.In a multi-pass focusing system, assemblies of optical elements are placed close to each other.

В многоходовой фокусирующей системе реализуют способ фокусировки лазерного излучения, обеспечивающий многократное прохождение лазерного пучка через измерительный объем системой линз и зеркал, заключающийся в том, что излучение лазера поляризуют перпендикулярно плоскости основания многоходовой системы, лазерный пучок распространяется в одной плоскости, параллельной плоскости основания многоходовой системы, прошедший через объект исследования лазерный пучок попадает на сборку оптических элементов, включающую два плоских поворотных зеркала в юстировочной головке, обеспечивающей независимый наклон каждого зеркала в двух направлениях, и перефокусирующую линзу между ними, установленную соосно с отраженным лазерным пучком на двойном фокусном расстоянии по ходу пучка от измерительного объема, обеспечивающую перефокусировку пучка без изменения размера перетяжки, и возвращается в область измерений по другому пути, таким образом, лазерный пучок последовательно проходит одну и более сборок оптических элементов и попадает на сборку, содержащую линзу и плоское зеркало или только вогнутое зеркало, затем возвращается, проходя весь пройденный путь в обратном направлении, при этом число проходов составляет 4 и более в зависимости от числа пройденных сборок оптических элементов.A multi-way focusing system implements a method for focusing laser radiation, which ensures multiple passage of the laser beam through the measuring volume by a system of lenses and mirrors, namely that the laser radiation is polarized perpendicular to the plane of the base of the multi-path system, the laser beam propagates in one plane parallel to the plane of the base of the multi-path system, the laser beam passing through the object of study falls on the assembly of optical elements, including two flat rotary x mirrors in the alignment head, which provides independent tilt of each mirror in two directions, and a refocusing lens between them, mounted coaxially with the reflected laser beam at a double focal distance along the beam from the measuring volume, which ensures refocusing of the beam without changing the waist size, and returns to the region measurements in a different way, so the laser beam sequentially passes one or more assemblies of optical elements and enters an assembly containing a lens and a flat mirror whether only a concave mirror, and then returns, passing the entire path traversed in the reverse direction, the number of passes is 4 or more, depending on the number of passed assemblies of optical elements.

На фиг.1 представлена принципиальная схема устройства. Система содержит линзу 1, фокусирующую подаваемое на нее лазерное излучение с частотой ω₀, а также сборки оптических элементов 2, включающие в себя поворотные зеркала 3 и перефокусирующие линзы 4, и сборку 2', включающую в себя еще одну линзу 1 и зеркало 5, возвращающее лазерное излучение.Figure 1 presents a schematic diagram of a device. The system comprises a lens 1 focusing the laser radiation supplied to it with a frequency of ω ₀ , as well as assemblies of optical elements 2, which include rotary mirrors 3 and refocusing lenses 4, and an assembly 2 ', which includes another lens 1 and mirror 5, returning laser radiation.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Лазерное излучение фиксированной частоты ω₀ фокусируют линзой 1 в объекте исследований. Излучение лазера поляризуют перпендикулярно плоскости основания многоходовой системы, а лазерный пучок распространяется в плоскости, параллельной плоскости основания многоходовой системы. При прохождении лазерного пучка через газовую среду происходит его рассеяние на молекулах во всех направлениях с появлением новых частотных компонент. Анализируя спектр рассеянного излучения, собранного из ограниченной области сфокусированного лазерного пучка, получают информацию о составе и температуре газа в точке измерений. Прошедшее через объект исследования лазерное излучение попадает на сборку оптических элементов 2, обеспечивающую перефокусировку пучка без изменения размера перетяжки, и возвращается в область измерений по другому пути. Сборка оптических элементов 2 содержит два поворотных зеркала 3 в юстировочной головке, обеспечивающей независимый наклон каждого в двух направлениях, и перефокусирующую линзу 4. Способная перемещаться в направлении к точке фокуса, сборка оптических элементов 2 устанавливается в положении, обеспечивающем фокусировку отраженного пучка в той же точке. При этом расстояние от точки фокусировки пучка до центра линзы 4 оказывается равным ее двойному фокусному расстоянию. Такое положение линзы, равноудаленное от сопряженных фокальных плоскостей, обеспечивает перефокусировку пучка без изменения размера перетяжки. Пучок через линзу проходит по ее оси и поэтому испытывает минимальные искажения.The laser radiation of a fixed frequency ω ₀ focus lens 1 in the object of study. Laser radiation is polarized perpendicular to the plane of the base of the multi-path system, and the laser beam propagates in a plane parallel to the plane of the base of the multi-path system. When a laser beam passes through a gaseous medium, it is scattered by molecules in all directions with the appearance of new frequency components. By analyzing the spectrum of scattered radiation collected from a limited region of the focused laser beam, information is obtained on the composition and temperature of the gas at the measurement point. The laser radiation passed through the object of study is incident on the assembly of optical elements 2, which provides refocusing of the beam without changing the waist size, and returns to the measurement area in a different way. The assembly of optical elements 2 contains two rotary mirrors 3 in the alignment head, which provides an independent tilt of each in two directions, and a refocusing lens 4. Able to move towards the focal point, the assembly of optical elements 2 is installed in a position that ensures focusing of the reflected beam at the same point . In this case, the distance from the beam focusing point to the center of the lens 4 is equal to its double focal length. This position of the lens, equidistant from the conjugate focal planes, provides refocusing of the beam without changing the size of the waist. The beam passes through the lens along its axis and therefore experiences minimal distortion.

Система может иметь одну и более идентичных сборок оптических элементов 2. На схеме, фиг.1, показано шесть идентичных сборок 2.The system may have one or more identical assemblies of optical elements 2. The diagram, figure 1, shows six identical assemblies 2.

Лазерный пучок последовательно проходит все сборки оптических элементов и попадает на сборку 2', содержащую линзу 1 и плоское зеркало 5 или только вогнутое зеркало, и возвращается, проходя весь пройденный путь в обратном направлении. Количество проходов зависит от количества используемых сборок оптических элементов 2 и может равняться 4 при использовании одной сборки 2 и более. В схеме, показанной на фиг.1, число проходов равно 14. Все элементы схемы размещены на общем основании.The laser beam sequentially passes through all the assemblies of the optical elements and enters the assembly 2 'containing the lens 1 and a flat mirror 5 or only a concave mirror, and returns, passing the entire distance traveled in the opposite direction. The number of passes depends on the number of used assemblies of optical elements 2 and may be 4 when using one assembly of 2 or more. In the circuit shown in FIG. 1, the number of passes is 14. All circuit elements are placed on a common basis.

Использование заявляемого изобретения позволяет, применяя многократное прохождение лазерного пучка через измерительный объем, увеличить интенсивность полезного сигнала. Предлагаемая оптическая схема максимально упрощена, она не требует изготовления специальных оптических элементов и вызывает минимальные искажения лазерного пучка.Using the claimed invention allows, using multiple passage of the laser beam through the measuring volume, to increase the intensity of the useful signal. The proposed optical scheme is maximally simplified; it does not require the manufacture of special optical elements and causes minimal distortion of the laser beam.

Обоснование промышленной применимости.Justification of industrial applicability.

При испытаниях многоходовой фокусирующей системы использовано излучение импульсного Nd:YAG лазера ЛТИ-401 (г.Минск, Белоруссия) с преобразованием излучения во вторую гармонику с частотой ω₀=18788 см^-1(длина волны 532 нм). Длительность импульсов излучения ~15 не, частота повторения ~10 Гц, энергия в импульсе ~30 мДж (при использовании дополнительных блоков усиления).When testing a multi-path focusing system, the radiation of a pulsed Nd: YAG laser LTI-401 (Minsk, Belarus) was used with radiation converted to the second harmonic with a frequency of ω ₀ = 18788 cm ^-1 (wavelength 532 nm). The duration of the radiation pulses is ~ 15 ns, the repetition frequency is ~ 10 Hz, the energy in the pulse is ~ 30 mJ (when using additional amplification units).

Оптическая схема измерений соответствовала фиг.2. Схема содержала лазер 6, многоходовую фокусирующую систему 7, возвращающее зеркало для рассеянного излучения 8, приемную оптическую систему 9, спектрограф 10, многоканальный фотоприемник 11, компьютер 12, объект исследования 13.The optical measurement scheme corresponded to figure 2. The circuit contained a laser 6, a multi-path focusing system 7, a returning mirror for scattered radiation 8, a receiving optical system 9, a spectrograph 10, a multi-channel photodetector 11, a computer 12, an object of study 13.

В тестовых измерениях применение многоходовой фокусирующей системы позволило увеличить интенсивность спектров СКР в 10 раз. Для получения спектров такой интенсивности в схеме с одним проходом лазерного излучения потребовался бы лазер с энергией в импульсе ~300 мДж. Однако излучение с такими энергетическими параметрами неизбежно вызывает оптический пробой в фокусе. Для уменьшения плотности мощности сфокусированного лазерного излучения авторы [J.Kojima and Q.-V. Nguyen Measurement and simulation of spontaneous Raman scattering in high v.15, p.565-580] применяют специальную оптическую схему (т.н. "pulse-stretcher") для расширения лазерного импульса во времени. В предлагаемой многоходовой схеме использовали импульсное лазерное излучение с плотностью мощности в фокусе немного ниже пороговой. При многократном пересечении пучков плотность мощности также не превышала критического уровня, потому что излучение попадало в измерительный объем при каждом последующем проходе с задержкой по времени. Величину задержки можно установить подбором линз 1 и 4 с требуемыми для этого фокусными расстояниями. Это еще одно полезное свойство многоходовой системы.In test measurements, the use of a multi-pass focusing system made it possible to increase the intensity of the Raman spectra by a factor of 10. To obtain spectra of this intensity in a scheme with one pass of laser radiation, a laser with a pulse energy of ~ 300 mJ would be required. However, radiation with such energy parameters inevitably causes an optical breakdown in focus. To reduce the power density of focused laser radiation, the authors [J. Kojima and Q.-V. Nguyen Measurement and simulation of spontaneous Raman scattering in high v.15, p.565-580] use a special optical scheme (the so-called "pulse-stretcher") to expand the laser pulse in time. In the proposed multi-pass scheme, pulsed laser radiation with a power density at the focus slightly below the threshold was used. With multiple intersection of the beams, the power density also did not exceed the critical level, because the radiation fell into the measuring volume at each subsequent pass with a time delay. The delay can be set by selecting lenses 1 and 4 with the focal lengths required for this. This is another useful feature of a multi-pass system.

Claims

1. A multi-way focusing system containing lenses for focusing the laser beam and the mirror to return to the measuring volume, characterized in that the system includes one or more optical arrays arranged on a common base and moving towards the focal point, each of which contains two flat rotary mirrors in the alignment head, providing independent tilt of each mirror in two directions, and a refocusing lens between them, mounted coaxially with the reflected laser beam m at a double focal distance along the beam from the measuring volume, set in positions that ensure focusing of the reflected beam at the same point, and one assembly containing a lens and a flat mirror or only a concave mirror directing the laser beam so that it travels its entire path in the opposite direction, with the number of passes equal to 4 or more, depending on the number of installed assemblies of optical elements.

2. The method of focusing laser radiation, providing multiple passage of the laser beam through the measuring volume by a system of lenses and mirrors, characterized in that the laser radiation is polarized perpendicular to the plane of the base of the multi-path system, the laser beam propagates in one plane parallel to the plane of the base of the multi-path system, passed through the object of study the laser beam enters the assembly of optical elements, including two flat rotary mirrors in the alignment head, providing the independent independent tilt of each mirror in two directions, and a refocusing lens between them, mounted coaxially with the reflected laser beam at a double focal distance along the beam from the measuring volume, which ensures refocusing of the beam without changing the waist size, and returns to the measurement region in a different way, such Thus, the laser beam sequentially passes one or more assemblies of optical elements and enters an assembly containing a lens and a flat mirror or only a concave mirror, then returns, passing the entire distance traveled in the opposite direction, while the number of passes is 4 or more, depending on the number of completed optical element assemblies.