Patent PAT.220359

RZECZPOSPOLITA
POLSKA
(12)
OPIS PATENTOWY
(19)
(21) Numer zgłoszenia: 395808
Urząd Patentowy
Rzeczypospolitej Polskiej
(54)
(22) Data zgłoszenia: 29.07.2011
PL
220359
(13) B1
(11)
(51) Int.Cl.
G02F 1/35 (2006.01)
G02F 1/37 (2006.01)
H01S 3/10 (2006.01)
H01S 3/109 (2006.01)
Układ optyczny do generowania trzeciej harmonicznej światła impulsów laserowych
(73) Uprawniony z patentu:
UNIWERSYTET WARSZAWSKI, Warszawa, PL
(43) Zgłoszenie ogłoszono:
04.02.2013 BUP 03/13
(72) Twórca(y) wynalazku:
CZESŁAW RADZEWICZ, Warszawa, PL
TOMASZ KARDAŚ, Warszawa, PL
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:
30.10.2015 WUP 10/15
(74) Pełnomocnik:
PL 220359 B1
rzecz. pat. Józef Własienko
2
PL 220 359 B1
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 (ß-BaB2O4),
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
3
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 świa-
4
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
5
Wynalazek ma zastosowanie w gałęziach przemysłu, gdzie wykorzystuje się trzecią harmoniczną impulsów laserowych, na przykład w medycynie, precyzyjnej obróbce laserowej materiałów lub
w spektroskopii.
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. 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. 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. 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. 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. 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. Układ optyczny według zastrzeżenia 2 albo 3, albo 4, albo 5, albo 6, znamienny tym, że
kryształem dwójłomnym (3) jest kryształ YVO4 lub MgF2.
6
PL 220 359 B1
Rysunki
PL 220 359 B1
7
8
PL 220 359 B1
Departament Wydawnictw UPRP
Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)