Лазерное устройство

1 Настоящее изобретение относится к лазерному устройству. Оптический параметрический генераторOPG (ОПГ) используется для генерации выходного излучения, подобного лазерному, в пределах определенного спектрального диапазона. ОПГ содержит нелинейный кристаллический материал, в который подается излучение источника накачки. Спектральный диапазон связан с длиной волны излучения источника накачки,при этом используется определенный тип нелинейного материала и соответствующим образом выполненный тип геометрии. Выходное излучение ОПГ, как правило, имеет узкую ширину спектра с центральной длиной волны, которая определяется углом оси кристалла относительно оси накачки. Обычно, центральную длину волны можно непрерывно настраивать путем изменения ориентации или изменения температуры кристалла, при этом настройка имеет место при соблюдении принципа сохранения импульса, а именно фазового согласования в терминологии нелинейной оптики. Обычно для определенной ориентации кристалла, только узкий спектральный диапазон сигнала и побочных длин волн удовлетворяет ограничениям по согласованию фаз, таким образом, только узкий спектральный диапазон сигнала и побочные длины волн могут генерироваться одновременно. Ранее были предприняты попытки получить более широкую полосу спектра выходного излучения с использованием лазерных систем на красителях или"вибронике" (vibronic), но красители, используемые в системах с красителями, могут быть вредны и требуют специальных мер предосторожности, в то время как системы на основе виброника сложны при работе, а получаемая ширина полосы является маленькой, обычно менее 50 нм. Согласно первому аспекту настоящего изобретения лазерное устройство содержит неколлинеарный оптический параметрический генератор (ОПГ) и источник волны накачки,причем ОПГ содержит нелинейный кристалл,неподвижно установленный внутри генератора,в котором относительные ориентации волны накачки и каждой генерируемой волны по отношению к оптической оси нелинейного кристалла по существу являются такими, что точка перегиба образуется на кривой настройки длины волны в зависимости от ориентации волны накачки одной из генерируемых волн, посредством чего получают выходное излучение с широким спектром. Настоящее изобретение позволяет получить широкополосное излучение на выходе устройства, которое является устойчивым к внешним факторам, более безопасным и более простым в применении по сравнению с известными широкополосными устройствами, а также имеет большую ширину полосы. 2 Предпочтительно, устройство дополнительно содержит средство отражения для образования резонатора, в котором, по меньшей мере, одна из генерируемых волн является резонансной. Волна накачки может вводиться в ОПГ непосредственно или через средство отражения,но предпочтительно лазерное устройство дополнительно содержит два отражателя, посредством чего волна накачки связывается с ОПГ. Предпочтительно, отражатели содержат два дихроичных зеркала. Предпочтительно, устройство дополнительно содержит средство отражения волны накачки, посредством чего увеличивается интенсивность источника волны накачки. Согласно второму аспекту настоящего изобретения усилитель содержит устройство,согласно первому аспекту настоящего изобретения, и средство для введения затравочной волны в устройство. В известном узкополосном усилителе ОПГ, кристалл, расположенный внутри ОПГ,должен вращаться для согласования длины волны затравочной волны, но в настоящем изобретении это не требуется, что позволяет получить более простую конструкцию. Изобретение также позволяет получить более широкую полосу усиления и более высокое спектральное перекрытие, которое необходимо иметь для широкополосного усиления. Согласно третьему аспекту настоящего изобретения непрерывно настраиваемый узкополосный источник, содержащий лазерное устройство, согласно первому аспекту изобретения,дополнительно содержит средство отражения, в котором средство отражения содержит, по меньшей мере, одно зеркало и средство настройки, и в котором, по меньшей мере, одно зеркало является неподвижным, а средство настройки устанавливается с возможностью передвижения таким образом, что получается непрерывно настраиваемое узкополосное выходное излучение. Обычно кристалл должен иметь возможность переориентации каждый раз при настройке источника, тогда как настоящее изобретение только требует регулировку средства настройки. Средство настройки может содержать эталон, но предпочтительно, средство настройки является дисперсионным. Можно использовать любой подходящий элемент, который имеет дисперсионные свойства, но предпочтительно,средство дисперсионной настройки содержит вмонтированную дифракционную решетку Литроу (Littrow) или Литмана (Littman), призму Литроу или акусто-оптический дефлектор. Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения источник когерентной томографии содержит лазерное устройство, согласно первому аспекту изобретения. Более высокая ширина полосы устройства настоящего изобретения позволяет получить 3 более короткую длину когерентности, обеспечивая 3-х мерное изображение с повышенной разрешающей способностью. Согласно пятому аспекту изобретения,система для спектрального анализа среды содержит лазерное устройство, согласно первому аспекту изобретения, причем система дополнительно содержит средство анализа, в котором одна из генерируемых волн входит в контакт со средой, и средство анализа анализирует спектр генерируемой волны после контакта. Сущность изобретения иллюстрируется ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых фиг. 1 изображает лазерное устройство, согласно настоящему изобретению; фиг. 2 - лазерное устройство, согласно настоящему изобретению, которое адаптировано для получения генератора; фиг. 3 - лазерное устройство, согласно настоящему изобретению, с дополнительной волной накачки, связывающей отражатели; фиг. 4 - кривую настройки для устройства фиг. 3; фиг. 5 - дополнительное лазерное устройство, согласно настоящему изобретению; фиг. 6 - кривую настройки для устройства фиг. 5; фиг. 7 - лазерное устройство, согласно изобретению, имеющее геометрию согласования фаз 11-го типа; фиг. 8 - кривую настройки для устройства фиг. 7; фиг. 9 - лазерное устройство, согласно изобретению, для получения настраиваемого узкополосного выходного излучения; фиг. 10 - систему для спектрального анализа, в которую входит лазерное устройство, согласно изобретению; фиг. 11 - образование волны в системе фиг.10; фиг. 12 - другую систему для спектрального анализа, в которую входит лазерное устройство, согласно изобретению; фиг. 13 - геометрию широкополосного оптического параметрического усилителя ОПУ(ОРА), в которую входит лазерное устройство,согласно изобретению; и фиг. 14 - лазерное устройство настоящего изобретения при использовании в системе изображения для получения высокого разрешения 3-х мерного изображения через рассеивающую среду. На фиг. 1 изображен первый пример лазерного устройства, согласно изобретению. Устройство содержит оптический параметрический генератор (ОПГ), образованный из нелинейного кристалла 1, в котором определена оптическая ось 2. Волна накачки 3 вводится из источника 4 накачки и выводится из кристалла 1 под угломк оптической оси 2. Образованная волна 5 выходит из кристалла под углом ( к оптической оси 2. На фиг. 2 изображены два зеркала 6 и 7, которые образуют резонатор со стоячей волной для генерируемой сигнальной волны 5, в этом случае резонансной волны, таким способом образуя оптический параметрический генератор ОПГ (ОРО), с другой стороны, с помощью дополнительного зеркала, зеркал 6 и 7 можно получить кольцевой резонатор. Волна 3 накачки может вводиться через или около зеркал 6 и 7 или, как показано на фиг. 3, через два отражателя 8 и 9, которые связывают волну 3 накачки, проходящую из источника 4 накачки в кристалл 1. Как правило, эти отражатели являются дихроичными зеркалами, таким образом, отражается только волна накачки,а сигнальная волна проходит через них. Дополнительной особенностью фиг. 3 является отражатель 10 волны накачки, который увеличивает интенсивность источника 4 накачки за счет двойного прохода волны 3 накачки. На кристалл 1 падает волна накачки 3 и образуются выходная сигнальная волна 5 и побочная волна (не показана). В этих примерах,кристаллом 1 является бэта-барий-борат БББ(ВВО), который легко доступен, и ОПГ имеет неколлинеарную геометрию 1-го типа, согласованную по фазе. Можно использовать другие типы кристаллов, включая триборат лития ТБЛ(LBO) и нелинейные материалы с периодическим изменением поляризации, такие как ниобат лития с периодическим изменением поляризации НЛПИП (PIPLN). За счет периодического изменения направления поляризации, создается квазифазовое согласование, которое позволяет использовать более высокие коэффициенты нелинейности. Геометрия 1-го типа определяется таким образом, что направление поляризации волны 3 накачки является ортогональным по отношению к направлению поляризации как сигнальной волны 5, так и побочной волны. Нелинейный кристалл 1 устанавливают так, чтобы резонансная сигнальная волна 5 и волна 3 накачки проходили через кристалл 1 под специфическим набором угловинаправления волнового вектора накачки и направления волнового вектора сигнала, соответственно, относительно оптической оси 2. Во время работы, ОПГ накачивают с помощью третьей гармоники (355 нм) лазера на алюмо-иттриевом гранате с примесями неодима АИГ:Nd (Nd:YAG) с модуляцией добротности. Энергия импульсов накачки доходила до 15 мДж при длительности 10 нc. В конкретной конфигурации фиг. 3 углы имели направление волнового вектора= 40,3 относительно оптической оси 2 и направление волнового вектора накачки= 35,9 относительно оптической оси. Приведенные углы являются приблизительными, причем условие заключается в том, что они являются приблизительными углами для на 5 правления волнового вектора сигнала и направления волнового вектора накачки, и при этих значениях имеет место точка перегиба на кривой длины волны в зависимости от ориентации волны накачки. В этой геометрии уход частично компенсируется с помощью неколлинеарности. Однако, компенсировать уход не обязательно. Кристалл БББ был вырезан под углом= 40 и имел размеры 8 х 4 х 18 мм 3. Входные и выходные грани имели широкополосное антиотражающее покрытие, выполненное из одного слоя фторида магния. Для этого кристалла и геометрии накачки, отмечая характерное расхождение луча накачки 0,6 мрад, обычное условие фазового согласования для k/1 показывает, что для длины (1) кристалла 18 мм, широкополосное колебание должно наблюдаться выше диапазона 500 нм - 600 нм фиг.4., который показывает кривую настройки этой геометрии. Следует отметить, так как существует маленький эффект ухода в этой конфигурации, можно использовать длинный кристалл. Похожий спектральный диапазон при этом наблюдался экспериментально. На фиг. 5 показан еще один пример с направлением волнового вектора сигнала, расположенным под углом= 31,5 относительно оптической оси 2 и под углом волнового вектора накачки= 35,9. Хотя эта конфигурация имеет относительно большой угол ухода по сравнению с первым примером, она имеет более высокий приемный угол и эффективный нелинейный коэффициент. Ширина полосы выходного излучения в этой конфигурации подобна той, которая показана на примере фиг. 3, и изображена с помощью кривой настройки фиг. 6. Другой пример изображен на фиг. 7. На нем показан неколлинеарный ОПГ II-го типа,использующий БББ в качестве нелинейного кристаллического материала. Геометрия 11-го типа определена таким образом, что векторы поляризации сигнала и побочных волн ортогональны друг другу, тогда как вектор поляризации сигнала параллелен вектору поляризации волны накачки. Конкретная конфигурация для этого ОПГ соответствует направлению волнового вектора сигнала (=40,5 относительно оптической оси 2, направлению волнового вектора накачки= 36,05 относительно оптической оси. Важность этой конфигурации заключается в ее возможности демонстрации чрезвычайно широкой ширины полосы, в пределах диапазона от приблизительно 900 нм до 1300 нм фиг. 8. В примере фиг. 9 изображен непрерывно настраиваемый узкополосный источник. Это использование лазерного устройства похоже на те, которые описаны в предыдущих вариантах осуществления, за исключением того, что одно из зеркал 7 резонатора ОПГ заменено на дисперсионный элемент. В этом примере установлена дифракционная решетка 11 Литроу или 6 Литмэна. Преимущество этого размещения заключается в том, что нет необходимости изменять ориентацию нелинейного кристалла 1, который может представлять значительную проблему в известных узкополосных источниках. Фиг. 9 демонстрирует этот вариант осуществления для установленной дифракционной решетки Литроу первого порядка. В известном узкополосном источнике, необходимо делать дополнительные регулировки как для ориентации нелинейного кристалла, так и для ориентации дифракционной решетки, чтобы произвести настройку такого узкополосного устройства. Выполнение подходящей геометрии с согласованием фаз в лазерном устройстве настоящего изобретения облегчает эту задачу за счет устранения требований по регулировке ориентации кристалла при сохранении регулировки дифракционной решетки 11 в виде средства управления длиной волны спектрального выходного излучения. Другим применением лазерного устройства является работа в качестве спектрального анализатора, использующего пространственные дисперсные характеристики одной из генерируемых волн. Характер работы устройства требует, чтобы для каждого фотона светового пучка, генерируемого на одной из частот генерируемых волн, сигнала или побочной волны, существовал бы второй фотон, генерируемый на одной из дополнительных частот волны, где сохранение энергии требует соблюдения условия р = s + i, где р, s и i относятся к волне накачки и двум генерируемым волнам, сигнальной и побочной. Если предпочтительная или расширенная работа устройства устанавливается на определенной частоте сигнальной волны,то предпочтительное или расширенное выходное излучение также наблюдается на определенной соответствующей побочной частоте. Получая изображение пространственно рассеянной побочной волны 13 с помощью линзы 12,например, на матрице 14 ПЗС (CCD), можно измерять любые флуктуации интенсивности рассеянной волны. Этот эффект может использоваться при выполнении спектрального анализа, например, следующими различными способами:(i) Если световой пучок 15 с частотой, находящейся в пределах спектрального диапазона сигнальной волны, генерируемой в лазерном устройстве, подобном типу, описанному в первых четырех вариантах осуществления, вводится в нелинейный кристалл 1, то предпочтительное усиление будет наблюдаться на этой частоте с соответствующим увеличением интенсивности вторичной волны, контролируемой по матрице 14 ПЗС. При соответствующем численном анализе можно подсчитать наличие, длину волны и интенсивность вводимой волны, аналогично показаниям широкополосного детектора оптического излучения и спектрального анализатора. 7 Это показано схематически на фиг. 10 и 11. На фиг. 11 представлен механизм неколлинеарного фазового согласования, изображающий генерацию соосных и пространственно рассеянных волн, где х - анализируемая ширина полосы, и пространственно рассеянная побочная волна 16 образуется из вводимого светового пучка 15,который проходит через кристалл 1. Устройство при таком расположении можно использовать при дистанционном контроле за загрязнением,например идентифицировать и контролировать уровни СO2 или других вредных газов в атмосфере или наличие загрязнителей, таких как нефть, сточные воды или химические пятна на поверхности рек и устьев рек.(ii) Характеристики поглощения материалов можно исследовать в устройствах, аналогичных тому, который схематически изображен на фиг. 12. Поглощающий образец можно позиционировать вне ОПГ, но в этом случае, образец 17 размещается внутри ОПГ. Образец поглощает световой пучок на частотах в пределах спектрального диапазона сигнальной волны ОПГ. Следовательно, эти частоты подавляются,и эта модуляция снова появляется в профиле дополнительной рассеянной волны, контролируемой с помощью матрицы 14 ПЗС. Применения в этом примере подобны изображенным на фиг. 10, но для случая, где есть возможность выбирать образец, а не для дистанционной работы. В качестве альтернативного применения спектрального анализа можно использовать лазерное устройство в качестве источника широкополосного светового пучка для дифференциального обнаружения и измерения дальности поглощения света ДОИДПС (DIAL). На фиг. 13 изображен оптический параметрический усилитель (ОПУ) 1-го типа, использующий БББ в качестве нелинейной среды. Усилитель содержит нелинейный кристалл 1,имеющий оптическую ось 2 и два отражателя 8 и 9, а также дополнительный отражатель 10 накачки. Волна 3 накачки генерируется с помощью источника 4 накачки, и сигнальная волна 5 подается посредством освещения нелинейного кристалла 1 широкополосным или узкополосным излучением вдоль направления сигнальной волны, после чего те спектральные компоненты,которые находятся внутри спектрального диапазона, согласованного по фазе и определяемого с помощью ограничений для согласования фаз,испытывают оптическое усиление. Другим применением устройства является генератор ультракоротких импульсов. Источник накачки выбирают таким, чтобы можно было получить импульсы с ультракороткой длительностью, и устройство используется специально для генерации ультракоротких импульсов. Минимально достижимая длительность импульса определяется с помощью спектральной ширины импульса и условия неопределенности 1. Лазерное устройство настоящего изобретения 8 расширяет допустимую ширину полосы ОПГ, и,следовательно, позволяет осуществить генерацию более коротких импульсов. Компрессия импульсов достигается посредством обращения сигнала с линейной частотной модуляцией и самосжатия в нелинейном кристалле. Другое применение, показанное на фиг. 14,для которого подходит устройство, заключается в использовании его в качестве источника 24 для когерентной томографии, которая объединяет высокую глубину с высоким пространственным разрешением, для применений в области получения изображений, основанных на малой длине когерентности и низкой расходимости излучения, которое связано с полихромным источником. Известные источники испытывают недостаток мощности и ширины полосы, которые требуются для компенсации эффекта рассеяния, встречающегося в мутных средах, таких как ткань человека. Лазерное устройство 18 может иметь тип, описанный здесь, и связанный с помощью вспомогательного устройства, в котором коллинеарный, соосный, полихроматический луч 19, выходящий из устройства 18, расщепляется на два луча 20 и 21 с помощью расщепителя 22. Один луч 20 пересекает рассеивающую среду 23, в котором требуется высокая глубина проникновения и пространственное разрешение вложенного или более отдаленного объекта 24 для того, чтобы падать на объект и рассеиваться. Другой луч 21 пересекает регулируемую линию 25 задержки, и два луча затем вводятся в нелинейное когерентное устройство 26 обнаружения. Таким образом, можно получить изображение объекта, например, кости или опухоли, для которого эффект рассеяния материала компенсируется, обеспечивая изображения более высокого качества. Показанные выше варианты осуществления описаны посредством только примера, и в них можно внести изменения без отклонения от масштаба изобретения. Например, можно использовать другие нелинейные материалы. Возможной конфигурацией этого вида является неколлинеарный ОПГ 1-го типа, использующий ТБЛ в качестве нелинейной среды, где направление сигнального волнового вектора составляет 51 относительно оптической оси в плоскости х-у, направление волнового вектора накачки 47,5 относительно оптической оси также в плоскости х-у. Кроме того, центральная длина волны широкополосного выходного излучения может быть смещена с помощью использования других источников накачки с различными длинами волн генерации лазера, такими как выходное излучение хлорид-ксенонового (ХеСl) эксимерного лазера, работающего на длине волны 308 нм. В этом случае направление волнового вектора сигнала для устройства на основе БББ составляет 47,6 относительно оптической оси,и волновой вектор накачки - 42,5 относительно оптической оси. 9 ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Лазерное устройство, содержащее неколлинеарный оптический параметрический генератор и источник волны накачки, при этом внутри генератора установлен нелинейный кристалл, и средство отражения, образующее резонатор, в котором, по меньшей мере, одна из генерируемых волн является резонансной, при этом относительные ориентации волны накачки и каждой генерируемой волны по отношению к оптической оси нелинейного кристалла являются такими, что на кривой настройки длины волны в зависимости от ориентации волны накачки одной из генерируемых волн образуется точка перегиба так, что получается полихроматическое выходное излучение с широкополосным спектром. 2. Устройство по п.1, дополнительно содержащее два отражателя, посредством чего волна накачки связывается с ОПГ. 3. Устройство по п.2, в котором отражатели содержат два дихроичных зеркала. 4. Устройство по любому из предыдущих пунктов, дополнительно содержащее средство отражения волны накачки, посредством чего увеличивается интенсивность источника волны накачки. 5. Усилитель, содержащий лазерное устройство по любому из предыдущих пунктов и 10 средство для введения в устройство затравочной волны. 6. Непрерывно настраиваемый узкополосный источник излучения, содержащий лазерное устройство по любому из пп.1-4, и дополнительно содержащий средство отражения, состоящее, по меньшей мере, из одного зеркала и средства настройки, и в котором, по меньшей мере, одно зеркало фиксируется, а средство настройки устанавливается с возможностью передвижения так, что получается непрерывно настраиваемое узкополосное выходное излучение. 7. Непрерывно настраиваемый узкополосный источник по п.6, в котором средство настройки является дисперсионным. 8. Источник по п.7, в котором средство дисперсионной настройки содержит одну дифракционную решетку Литроу или Литмэна,призму Литроу или акусто-оптический дефлектор. 9. Источник для когерентности томографии, содержащий лазерное устройство по любому из пп.1-4. 10. Система для спектрального анализа среды, содержащая лазерное устройство по любому из пп.1-4, дополнительно содержащее средство анализа, в котором одна из генерируемых волн входит в контакт со средой, и средство анализа анализирует спектр генерируемой волны после контакта.