Výsledky zkoušek
VÝSLEDKY EXPERIMENTÁLNÍCH ZKOUŠEK LASERU S PŘEMĚNOU KMITOČTU
1. Generování záření druhé harmonické složky
Efektivnost generování druhé harmonické (GVG) složky laseru činí maximálně 20%. K získání požadovaného výkonu generování třetí harmonické (GTG) složky musí být efektivnost přeměny záření základní harmonické složky v druhou ≈ 40-50% a to za podmínky, že vyzařovací výkon 1064 nm s modulací činí 130 mW při kmitočtu 18 kHz. K zvětšení vyzařovacího výkonu druhé harmonické složky byly navrženy 2 způsoby:
- použití krystalu niobičnanu lithia (LN) místo nelineárního krystalu KTR (obr. 7.1);
- využití systému dvou krystalů KTR (obr.7.2).
Obr. 7.1. Optické schéma laseru, přeměňujícího základní záření na druhou harmonickou s využitím nelineárního krystalu niobičnanu lithia (LN)
Způsob 1.
Použití krystalu niobičnanu lithia (LN) místo nelineárního jednoosého krystalu KTR nevedlo ke zvýšení výkonu záření druhé harmonické složky v důsledku nessouladu směru záření základní harmonické složky se směrem fázového synchronismu v nelineárním krystalu. Vzhledem k tomu, že při změně teploty krystalu se nelineárně mění velikosti ukazatelů lomu pro základní a druhou harmonickou složku, mění se příslušně směr fázového synchronismu v krystalu. Budeme-li plynule ohřívat krystal niobičnanu lithia na teplotu řádově 50°С, můžeme dosáhnout shody směru záření základní harmonické složky se směrem fázového synchronismu v krystalu. Ohřev krystalu byl prováděn pomocí Peltierova prvku, k němuž se niobičnan lithia tiskl dvěma hliníkovými deskami přes termopastu na dvou bočních hranách. V důsledku toho bylo možné při zvýšení teploty krystalu pozorovat nelineární vzrůst vyzařovacího výkonu druhé harmonické složky. Efektivnost GTG byla >40%, avšak příčný řez svazku druhé harmonické složky představoval elipsu s poměrem os 1:5 s horizontální polohou delší osy. Byly zkoumány možné příčiny vzniku takovéhoto tvaru svazku druhé harmonické.
Předpoklad o značném vlivu teplotního gradientu podle řezu krystalem na charakteristiky přeměny záření v důsledku upevnění niobičnanu lithia na dvou bočních hranách bylo zkontrolováno takto: Krystal spolu se systémem ohřevu byl otočen o 90° kolem osy záření, ale poloha delší osy elipsy nezměnila svoji polohu.
S růstem teploty se úhel fázového synchronismu zvětšuje. Úhel mezi směry fázového synchronismu v levé a pravé polorovině se musí zmenšovat. Při dalším zvýšení teploty se křivky synchronismu musí protínat, přičemž úhel fázového synchronismu musí činit 90° a eliptičnost průřezu svazku musí změnit poměry os. Avšak v průběhu experimentu s LN toto pozorováno nebylo.
Rovněž byl zkontrolován předpoklad o překročení prahu výkonové hustoty pro niobičnan lithia v důsledku malého průměru v přesunu záření základní harmonické složky ≈ 60 mm. Místo čočky s ohniskovou vzdáleností 20 mm, byla použita čočka s f = 50 mm (obr. 7.1.) Průměr v přesunu činil ≈ 100 mm. Tvar eliptičnosti svazku se neměnil, ale intenzita záření se zmenšila.
Možnou příčinou takovéto přeměny a změny tvaru svazku záření druhé harmonické v krystalu niobičnanu lithia vyplývá z fotopiezoefektu, založeného na vzniku nabitých částic (nosičů) v krystalu během doby, kdy přes něj prochází záření základní harmonické složky s velkou výkonovou hustotou. Předpokládá se, že přivedení napětí 1 kV ke krystalu umožní vyloučit vznik nabitých nosičů, což povede ke zlepšení tvaru svazku druhé harmonické složky světla.
Způsob 2.
Vzhledem k tomu, že nelineární krystaly, mimo jiné dvouosý KTR při GVG způsobují rovněž posun svazku druhé harmonické složky vzhledem k první, charakteristiky záření druhé harmonické složky se zhoršují, což se projevuje na generaci třetí harmonické složky, jejíž efektivnost přeměny je citlivá vůči všem parametrům záření základní a druhé harmonické složky. K vyloučení posuvu záření druhé harmonické složky vzhledem k základní a současně ke zvýšení efektivnosti GVG bylo navrženo využít systém skládající se ze dvou krystalů KTR. Tyto krystaly se orientují mezi sebou tak, aby efektivnost přeměny na druhou harmonickou složku byla maximální. To svědčí o tom, že byl nalezen takový směr v systému dvou krystalů, který vede ke kompenzaci posunu záření druhé harmonické složky vzhledem k základní. Přesun záření základní harmonické složky po zaostřující čočce musí existovat mezi dvěma krystaly KTR, přičemž mezera mezi krystaly musí být minimálně < 0,5 мм (obr.7.2). Výchozí krystal s rozměry 3х3х7 mm byl opěrný a druhý krystal se otáčel kolem osy záření s úhlovým posunem = 90°. Byly zkoumány 3 typy nelineárních krystalů s podélnými rozměry = 7 mm, 10 mm a 16 mm. Výsledky měření vyzařovacího výkonu druhé harmonické složky v případě systému skládajícího se ze dvou krystalů od úhlu otočení zkoumaného (druhého) krystalu KTR vzhledem k opěrnému jsou znázorněny v tabulkách 1, 2 a 3. V průběhu experimentu byly posouzeny 2 případy orientace zkoumaného krystalu vzhledem k směru záření: případ 1 - první čelní strana je vstupní hranou pro záření základní a druhé harmonické složky; případ 2 - druhá čelní strana. Výkon GVG opěrného krystalu je 32 mW.
Таbulka 7.1. Krystal KTR s podélným rozměrem = 7 mm
|
Úhel otočení krystalu |
Výkon GVG, mW (Případ 1) |
Výkon GVG, mW (Případ 2) |
|
φ = 0° |
34,3 |
45,5 |
|
φ = 90° |
45,3 |
46,9 |
|
φ = 180° |
45,3 |
42,2 |
|
φ = 270° |
32 |
34,4 |
Таbulkа 7.2. Кrystal KTR s podélným rozměrem = 7 mm
|
Úhel otočení krystalu |
Výkon GVG, mW (Případ 1) |
Výkon GVG, mW (Případ 2) |
|
φ = 0° |
32,8 |
42,2 |
|
φ = 90° |
42,2 |
37,5 |
|
φ = 180° |
35,9 |
46,9 |
|
φ = 270° |
32,9 |
37,5 |
Таbulkа 7.3. Кrystal KTR s podélným rozměrem = 16 mm
|
Úhel otočení krystalu |
Výkon GVG, mW (Případ 1) |
Výkon GVG, mW (Případ 2) |
|
φ = 0° |
42,2 |
≈70 |
|
φ = 90° |
42,2 |
45,3 |
|
φ = 180° |
42,2 |
45,3 |
|
φ = 270° |
46,9 |
48,3 |
Z výsledků experimentu je patrno, že při využívání systému krystalů KTR s podélnými rozměry = 7 mm a 16 mm efektivnost GVG vzrůstá o 50%. Vyzařovací výkon druhé harmonické složky ≈ 50 mW. Systém skládající se ze dvou nelineárních krystalů KTR způsobuje rovněž otočení roviny polarizace záření druhé harmonické složky o úhel 45°. Příslušný úhel mezi plochou polarizace záření základní harmonické a plochou polarizace GVG musí být 45°.
Přeměna základní a druhé harmonické složky záření na třetí harmonickou složku (GTG) se provádí pomocí nelineárního dvouosého krystalu (obr. 7.3).
Obr. 7.3 Optické schéma laseru, přeměňujícího záření na třetí harmonickou s využitím systému ze dvou krystalů KTR
Výsledky výzkumu přeměny záření na třetí harmonickou složku:
1.) Průměr svazku záření D1 na čočce L2 (1064 nm) ≈ 1 mm;
(532 nm) ≈ 1,5 mm;
2.) Průměr svazku záření D2 bez přesunu po čočce L2 bez krystalu LBO:
(1064 nm) ≈ 85 mm;
(532 nm) ≈ 65 mm;
3.) Vzdálenost od čočky L2 k přesunu záření (f = 30 mm l ≈ 42 mm);
4.) Z grafů závislostí průměru svazku záření v přesunu čočky L2 na vzdálenost Z (podél optické osy) je patrný menší posuv přetažení záření druhé harmonické složky vzhledem k základní, a rovněž lze zjistit asymetrii změny průměrů (obr. 7.5). To hovoří o nutnosti přesného centrování optického systému pro přeměnu záření.
Obr. 7.4 Závislost průměru svazku záření na posunu podél optické osy
Avšak pro efektivní generování třetí harmonické složky je nezbytné, aby plochy polarizace byly ortogonální.
