close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY 08325

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 8325
(13) C1
(19)
(46) 2006.08.30
(12)
7
(51) G 02B 5/30,
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ
КОГЕРЕНТНОСТИ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
(21) Номер заявки: a 20020926
(22) 2002.11.21
(43) 2004.06.30
(71) Заявитель: Государственное научное учреждение "Институт физики
имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Рубанов Александр Сергеевич; Кицак Анатолий Ильич;
Карелин Николай Владимирович;
Кицак Максим Анатольевич; Сучек
Виктор Михайлович (BY)
BY 8325 C1 2006.08.30
G 03H 1/32
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(56) RU 2062977 C1, 1996.
RU 2162617 C2, 2001.
SU 1545182 A1, 1990.
SU 1820806 A1, 1997.
SU 1677686 A1, 1991.
US 5828424 A, 1998.
(57)
1. Способ преобразования пространственной когерентности импульсного лазерного
излучения, включающий формирование пространственных мод излучения в многомодовом световолокне с последующей их ортогонализацией, отличающийся тем, что ортогонализацию осуществляют путем возбуждения самомодуляции фазы излучения при
рассеянии на наведенных в результате нелинейного взаимодействия неоднородностях
сердцевины световолокна, минимальную длину L которого определяют с учетом того, что
величина пиковой мощности излучения не должна превышать критическую мощность
разрушения входного торца световолокна, из соотношения:
1 16S эф ⋅ α 
L = ln 
− 1,
α  gP

где Sэф – эффективная площадь поперечного сечения сердцевины световолокна;
α – линейные потери в световолокне на заданной длине волны излучения;
g – коэффициент усиления вынужденного комбинационного рассеяния;
Р – пиковая мощность излучения на входе световолокна.
Фиг. 1
BY 8325 C1 2006.08.30
2. Устройство преобразования пространственной когерентности импульсного лазерного излучения, содержащее источник импульсного когерентного излучения, нелинейную
среду, выполненную в виде многомодового световолокна, микрообъектив для ввода излучения в световолокно, приемник излучения, отличающееся тем, что световолокно выполнено из материала, прозрачного на заданной длине волны излучения, например,
кварца, минимальная длина L световолокна определена с учетом того, что величина пиковой мощности излучения не должна превышать критическую мощность разрушения входного торца световолокна, из соотношения:
1 16S эф ⋅ α 
L = ln 
− 1,
α  gP

где Sэф – эффективная площадь поперечного сечения сердцевины световолокна;
α – линейные потери в световолокне на заданной длине волны излучения;
g – коэффициент усиления вынужденного комбинационного рассеяния;
Р – пиковая мощность излучения на входе световолокна,
а микрообъектив выполнен с числовой апертурой, меньшей числовой апертуры световолокна.
Изобретение относится к области управления параметрами лазерного излучения и
может найти применение для подавления когерентных шумов (спекл-шумов) и улучшения
пространственного разрешения в голографической интерферометрии, лазерной микроскопии, лазерной эндоскопии, лазерной фотолитографии.
Известен способ и устройство уменьшения пространственной когерентности излучения малой длительности, порядка 1 нс и временем когерентности ~ 1 пс [1]. Способ и устройство основаны на применении многомодового световолокна. Световое излучение
распространяется в многомодовом световолокне в виде набора самосогласованных распределений полей направляемых волн (мод). Каждая из мод характеризуется своим направлением распространения. Поэтому на выходе световолокна они отличаются длиной
прохода, а соответственно и фазой. Оптическая длина пути l моды, распространяющейся в
световолокне под углом θr, равна l = Ln/cos θr, где L - длина световолокна, n - показатель
преломления его сердцевины.
Угол θr связан с углом падения θ соответствующего луча на входную плоскость световолокна соотношением sin θ = nsin θr.
При передаче через такое световолокно когерентного излучения на выходе его в результате взаимодействия (интерференции) различных мод формируется случайное по пространству распределение интенсивности (спекл-структура). Контраст спекл-структуры
определяется числом мод и соотношением между временем запаздывания их друг относительно друга ∆t и временем когерентности излучения ∆τ. Максимальное время запаздывания при небольших углах θ равно ∆t = Lθ2/2nc.
При выполнении условия ∆t>>∆τ моды на выходе световолокна складываются некогерентно и происходит усреднение спекл-шумов за время регистрации излучения, что свидетельствует об уменьшении пространственной когерентности излучения. По оценке
авторов, при параметрах световолокна L = 50 м, θ = 0,12rd и n = 1,5 величина ∆t = 1 нс и
намного больше времени когерентности излучения, равного 1 пс. Для декогерентизации
входного излучения с большей длиной когерентности потребуется световолокно большей
длины. При этом естественно возрастет потеря мощности излучения на выходе световолокна из-за поглощения его, и особенно это будет заметно в ультрафиолетовой части
спектра. Кроме того, способ неэффективен при использовании преимущественно выпускаемых в настоящее время многомодовых световолокон с градиентным распределением
2
BY 8325 C1 2006.08.30
показателя преломления сердцевины волокна, поскольку для таких волокон оптическая
разность хода между различными модами практически равна нулю.
Наиболее близкими по технической сущности к заявляемым являются способ и устройство преобразования пространственной когерентности излучения, предложенные в
работе [2] и основанные на осреднении во времени различных реализаций волновых
фронтов излучения, переданного через деформируемое многомодовое световолокново.
Независимые реализации волновых фронтов формируются в результате межмодовой интерференции излучения, рассеянного на изменяющихся во времени геометрических нерегулярностях (изгибах, изменениях формы и размера диаметра) многомодового
световолокна. Нестационарность нерегулярностей обеспечивается так называемым модулятором межмодовой интерференции. В качестве него использован пьезоэлемент, соединенный со световолокном. Время усреднения волновых фронтов при этом определяется частотой вибрации световолокна и составляет не менее нескольких десятков
микросекунд. Такой способ не пригоден для изменения когерентности излучения длительностью ≤ 10 нс.
Устройство преобразования когерентности включало источник когерентного излучения, микрообъектив для ввода излучения в многомодовое световолокно, само световолокно, навитое на пьезокерамический цилиндр, звуковой генератор, соединенный с
пьезоэлементом. С помощью звукового генератора возбуждаются колебания пьезокерамического цилиндра. Эти колебания приводят к периодической деформации световолокна. Деформации вызывают изменение разности фаз между модами волокна, что приводит
к формированию нестационарного случайного по пространству распределения интенсивности излучения, Недостатком устройства является ограничение на частоту возбуждения
пьезокерамики, связанное с уменьшением амплитуды колебаний ее поверхности при высоких значениях частот.
Задачей изобретения является осуществление эффективной декогерентизации импульсного лазерного излучения за короткое время (≤10 нс) при относительно малых его
мощностях. Эта задача решается способом, включающим формирование большого числа
пространственных мод излучения в многомодовом световолокне и их ортогонализацию,
отличающимся тем, что ортогонализацию осуществляют, возбуждая явление самомодуляции фазы излучения при рассеянии на наведенных в результате нелинейного взаимодействия неоднородностях сердцевины световолокна, минимальную длину L которого
определяют с учетом того, что пиковая мощность не должна превышать критическую
мощность разрушения входного торца световолокна, из соотношения:
L=
1 16Sэфα 
ln 
− 1 ,
α  gP

где Sэф - эффективная площадь поперечного сечения сердцевины волокна, α - линейные
потери в световолокне на заданной длине волны излучения, g - коэффициент усиления
вынужденного комбинационного рассеяния, Р - пиковая мощность излучения на входе волокна. При этом применяют устройство, включающее источник импульсного когерентного излучения, нелинейную среду, выполненную в виде многомодового световолокна,
микрообъектив для ввода излучения в световолокно, приемник излучения, отличающееся
тем, что световолокно выполнено из материала, прозрачного на заданной длине волны излучения (например кварца), минимальная длина L которого определяется с учетом того,
что пиковая мощность не должна превышать критическую мощность разрушения входного торца световолокна, из соотношения:
L=
1 16Sэфα 
ln 
− 1 ,
α  gP

где Sэф - эффективная площадь поперечного сечения сердцевины волокна, α - линейные
потери в световолокне на заданной длине волны излучения, g - коэффициент усиления
3
BY 8325 C1 2006.08.30
вынужденного комбинационного рассеяния, Р - пиковая мощность излучения на входе волокна.
Оптическая схема устройства для реализации способа представлена на фиг. 1. Устройство включает источник импульсного когерентного излучения 1, микрообъектив 2 для
ввода излучения в световолокно, само многомодовое световолокно 3 и приемник излучения 4.
Принцип работы устройства состоит в следующем. Импульсное излучение лазера вводится с помощью микрообъектива с числовой апертурой, меньшей числовой апертуры
световолокна в многомодовое световолокно. В световолокне возбуждаются пространственные моды излучения. Вследствие неидеальности световолокна (наличие изгибов вдоль
волокна, изменение его сечения и диаметра) моды взаимодействуют (интерферируют)
между собой, формируя случайное по пространству нестационарное распределение интенсивности (спекл-структуру). При нелинейном взаимодействии такого излучения с
сердцевиной световолокна индуцируется случайная модуляция диэлектрической проницаемости волноводной среды. При рассеянии излучения на наведенных фазовых неоднородностях происходит пространственная и временная модуляция фаз мод, приводящая к
уширению спектра излучения. Это сопровождается уменьшением времени когерентности
∆τ излучения. При достижении условий, когда ∆τ ≤ ∆t, а это происходит при определенной плотности мощности излучения, моды складываются некогерентно на выходе световолокна, что ведет к усреднению спекл-шумов.
Проведенными экспериментальными исследованиями установлено, что наиболее эффективно усреднение спекл-шумов происходит при мощности входного излучения Р,
близкой к критической мощности Ркр возбуждения вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) в световолокне [3] и равной:
Pкр =
16 ⋅ Sэфф
g ⋅ L эфф
,
где Sэфф=<η2>2/<η4>, Lэфф=[1-exp(-αL)]/α. Здесь Sэфф - эффективная площадь поперечного
сечения сердцевины волокна, η - нормированное поперечное пространственное распределение поля в волокне, Lэфф - эффективная длина световолокна, α - линейные потери в световолокне на заданной длине волны излучения, L - длина световолокна, g - коэффициент
усиления вынужденного комбинационного рассеяния.
Длина световолокна была выбрана такой, что величина входной мощности Р, обеспечивавшая эффективное преобразование пространственной когерентности излучения, была
намного меньше мощности разрушения его входного торца, равной ~ 0,1÷0,2 МВт [4].
На фиг. 2-4 представлены пространственные распределения интенсивности излучения
второй гармоники YAG:Nd лазера длительностью ~ 10 нс и шириной спектра ∆ω0 ≅ 0,3 см-1,
зарегистрированные линейкой CCD приемников в дальней зоне излучения, прошедшего:
через обычное матовое стекло (фиг. 2), через многомодовое кварцевое световолокно длиной ~ 200 м с диаметром сердцевины ~ 50 ÷ 60 мкм и радиальным распределением показателя преломления при мощности излучения много меньше Р (фиг. 3) и через то же
световолокно при мощности Р ~ 2 кВт, что близко к значению Ркр для данной длины световолокна и α = 1,55 ⋅ 10-5 см-1 на λ = 532 нм (фиг. 4).
Из фиг. 2 видно, что пространственное распределение интенсивности излучения, зарегистрированное за матовой пластинкой, сильно неоднородно. Эти флуктуации интенсивности являются результатом когерентного сложения рассеянных пластинкой световых
полей со случайными фазами. Степень неоднородности сформированной структуры, называемой спекл-картиной, оценивают ее контрастом - параметром, равным отношению
среднеквадратичного отклонения интенсивности к среднему ее значению. Контраст спеклструктуры, представленной на фиг. 2, усредненный по 50 зарегистрированным распределениям интенсивности, равен 0,6. Примерно такой же контраст имеет спекл-структура,
4
BY 8325 C1 2006.08.30
сформированная на выходе световолокна низкоинтенсивным излучением (фиг. 3). Иное
распределение интенсивности наблюдается на выходе световолокна (фиг. 4), если на его
вход поступает излучение с энергией, близкой к критической для возбуждения ВКР. При
данной энергии происходит независимая модуляция фаз мод излучения, распространяющегося по волокну, и на выходе его поля складываются некогерентно. Измеренный контраст зарегистрированных флуктуации интенсивности составил при этом ~ 0,08, т.е.
примерно на порядок меньше, чем в отсутствие нелинейного взаимодействия в световолокне.
Достоинством предлагаемого способа является возможность эффективного понижения
пространственной когерентности излучения за времена порядка 10-15 нс при его малых
мощностях вследствие легко реализуемых больших длин нелинейного взаимодействия
излучения с сердцевиной световолокна, а также малый частотный сдвиг излучения с преобразованной когерентностью, обеспечиваемый механизмом самомодуляции фазы.
Источники информации:
1. D. Veron, Н. Ayral, С. Gouedard, D. Husson, J. Lauriou, О. Martin, В. Meyer, M. Rostaing, С. Sauteret ", Optical Spatial Smoothing of Nd - Glass Laser Beam" Optics Communication, V. 65, Nol, 1988.
2. Образцов И.С, Подоба В.И. Дифракционный интерферометр. - RU Патент 2062977 С1,
МПК 6 G 01 В 9/02, 1996.
3. Дианов Е.М., Малышев П.В., Прохоров А.М. Нелинейная волоконная оптика //
Кв. электроника. - Т. 15. - № 1. - 1988.
4. Григорьянц В.В., Смирнов В.И., Чамаровский Ю.К. Генерация широкополосного
светового континуума в волоконных световодах // Кв. электр. - Т. 9. - № 7. - 1982.
Фиг. 2
Фиг. 3
5
BY 8325 C1 2006.08.30
Фиг. 4
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
6
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
121 Кб
Теги
08325, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа