ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 1, с. 85-89
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 535-15
ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР СВЕТА НА ОСНОВЕ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СТРУКТУР НИОБАТА ЛИТИЯ С ПЛАВНОЙ ПЕРЕСТРОЙКОЙ ДЛИНЫ ВОЛНЫ ИЗЛУЧЕНИЯ
© 2014 г. Д. Б. Колкер***, ***, А. А. Бойко****, Н. Ю. Духовникова****, К. Г. Зенов*, И. В. Шерстов*,**, М. К. Старикова*, И. Б. Мирошниченко****, М. Б. Мирошниченко*, Д. А. Каштанов*, И. Б. Кузнецова*, М. Ю. Штыров*, S. Zachariadis****, А. И. Карапузиков*, А. А. Карапузиков*, В. Н. Локонов**
*OOO "Специальные технологии" Россия, 630060, Новосибирск, ул. Зеленая горка, 1/3
**ОАО "ОКТАВА" Россия, 630049, Новосибирск, Красный просп., 220 ***Новосибирский государственный технический университет Россия, 630092, Новосибирск, просп. К. Маркса, 20 ****Hochschule RheinMain University of Applied Sciences Kurt-Schumacher-Ring 18, 65197, Wiesbaden, Germany Поступила в редакцию 26.04.2013 г.
После доработки 25.06.2013 г.
Разработан автоматизированный параметрический генератор света (п.г.с.) на основе веерных периодически поляризованных структур ниобата лития (fan-out MgO:PPLN). Плавная перестройка длины волны излучения (2.4—3.85 мкм) реализована путем линейного перемещения структур ниобата лития при помощи прецизионной моторизованной платформы, управляемой компьютером. Время сканирования длины волны в диапазоне 2.4—3.85 мкм составило <1 мин. П.г.с. создан для использования в составе лазерного оптико-акустического газоанализатора в качестве источника перестраиваемого излучения. Исследование спектра поглощения метана показало высокое совпадение экспериментальных и расчетных данных.
Б01: 10.7868/8003281621401025Х
ВВЕДЕНИЕ
Измерение концентраций летучих соединений в выдыхаемом человеком воздухе представляет большой интерес при проведении клинико-диагностических исследований в медицинских учреждениях [1, 2]. В настоящее время широко ведутся разработки различных приборов, предназначенных для анализа выдыхаемого человеком воздуха [3—6]. Выдох человека представляет собой сложную газовую смесь различных химических соединений, таких как СН4, С2Н6, С2Н4, СО, N0, Н2О2, изотопы СО2 и др. [3, 4]. Отдельные полосы поглощения этих веществ наиболее широко представлены в спектральном диапазоне 2— 12 мкм. Регистрация и определение концентрации перечисленных газовых примесей в выдохе человека могли бы дать ценную информацию для диагностики биохимических и физиологических процессов, протекающих в организме человека при определенных заболеваниях [1—4].
При разработке лазерных газоаналитических приборов необходимо обеспечить возможность плавного сканирования длины волны излучения в спектральном диапазоне 2—12 мкм за время порядка 1—2 мин. К источникам излучения, удовлетворяющим этим требованиям, относятся параметрические генераторы света (п.г.с.). В спектральном диапазоне 2.5—4.5 мкм в п.г.с. широко используются периодически поляризованные структуры на основе ниобата лития (PPLN), которые имеют ряд преимуществ перед другими нелинейными кристаллами [7].
Существует две разновидности периодически поляризованных структур ниобата лития: с постоянным периодом [8] и с переменным периодом (веерная (fan-out) структура) [5, 9, 10]. Перестройка длины волны излучения в структурах с постоянным периодом осуществляется переключением дорожек кристалла с разным периодом структуры и плавным изменением температуры кристалла, что не позволяет выполнять быстрое сканирование длины волны [11]. Использование
86
КОЛКЕР и др.
Мх М2
PPLN
ШД
М4 М5 М6
М..........^.........^
А./2
Nd:YLF лазер ОИ
ОАД
V V
ИДВ ФП
L
Рис. 1. Схема экспериментальной установки. ОИ — оптический изолятор; Х/2 — полуволновая пластинка; Му-М^ — зеркала; Ьу — линза; ШД — шаговый двигатель; ИДВ — измеритель длины волны; ФП — фотоприемник; ОАД— оптико-акустический детектор; ПК — компьютер.
веерных структур ниобата лития в п.г.с. обеспечивает плавную перестройку длины волны излучения при фиксированной температуре путем прецизионного линейного поперечного перемещения структуры относительно пучка накачки [5, 12].
Целью настоящей работы является разработка и исследование автоматизированного параметрического генератора света на основе веерных периодически поляризованных структур ниобата лития (fan-out MgO:PPLN) с плавной перестройкой длины волны излучения для использования в составе лазерного оптико-акустического газоанализатора медицинского назначения.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
На рис. 1 представлена оптическая схема экспериментальной установки для исследования п.г.с. на основе веерных периодически поляризованных структур ниобата лития. В состав установки входят: лазер накачки Nd:YLF, оптический изолятор ОИ, полуволновая пластинка ^/2, зеркала М1—М6, линза L1, фотоприемник ФП, измеритель длины волны ИДВ, оптико-акустический детектор ОАД, компьютер ПК.
Веерная периодически поляризованная структура ниобата лития
Излучение накачки
\\\
Период
ние
е
I §
р
е
V с
Рис. 2. Топология веерной периодически поляризованной структуры ниобата лития.
В качестве источника накачки использован Nd:YLF-лазер с диодной накачкой, модель DTL-429QT (Laser-compact Group, Россия). Лазер работал в импульсно-периодическом режиме с модуляцией добротности. Длина волны излучения лазера составляла 1.053 мкм, длительность импульсов — 5—10 нс. Максимальная энергия импульсов излучения лазера при частоте повторения 100—5000 Гц составляла ~500 мкДж.
Импульсы излучения лазера накачки проходили через оптический изолятор Фарадея ОИ, полуволновую пластинку ^/2, отражались зеркалами М3, М4 и фокусировались линзой L1 в резонатор п.г.с., образованный зеркалами М1, М2. Поляризация излучения лазера накачки — вертикальная.
В п.г.с. использованы две структуры (Crystal Technology, США), топология которых представлена на рис. 2. Период первой структуры плавно изменялся в диапазоне 30.6—30.2 мкм, а второй структуры — в диапазоне 28.5—30.15 мкм. Размеры обеих структур составляли 50 х 11 х 1 мм.
В результате нелинейного преобразования импульсов лазера накачки в периодически поляризованных структурах ниобата лития из п.г.с. через зеркало М2 выводилось излучение, перестраиваемое в спектральных диапазонах: 1.45—1.88 мкм ("сигнальная" волна) и 2.4—3.85 мкм ("холостая" волна). Далее пучок излучения п.г.с. проходил через дихроичное зеркало М4, делительные зеркала М5, М6 и попадал в оптико-акустический детектор ОАД, описанный ранее в работах [13, 14], который использовался для записи спектров поглощения различных газовых смесей.
Дихроичное зеркало М5 отражало излучение "сигнальной" волны п.г.с. на измеритель длины волны ИДВ (Angstrom LSAL IR, Россия), пропуская только "холостую" волну. С помощью ИДВ Angstrom определялась длина "сигнальной" волны из-
ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР СВЕТА
87
Рис. 3. Внешний вид резонатора п.г.с.
лучения п.г.с., затем — путем пересчета — длина "холостой" волны излучения.
Делительное зеркало М6 отражало часть пучка "холостой" волны п.г.с. на фотоприемник ФП (МГ-32, Россия), который использовался для измерения мощности излучения п.г.с. и нормировки сигналов оптико-акустического детектора.
Электрические сигналы с ИДВ, ФП и ОАД поступали для обработки и отображения в ПК. Кроме того, с помощью компьютера осуществлялось управление частотой повторения и энергией импульсов излучения лазера накачки, температурой структур и перемещением моторизованной платформы п.г.с. (перестройка длины волны излучения).
ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР СВЕТА
Для п.г.с. разработан резонатор оригинальной конструкции, представленный на рис. 3. Корпус п.г.с. размером 100 х 80 х 70 мм выполнен в виде монолитного блока из алюминиевого сплава для обеспечения жесткости и высокой пассивной стабильности.
Резонатор п.г.с. длиной 58 мм образован полупрозрачным (М2) и отражающим (М1) плоскими зеркалами. В качестве М2 использовано зеркало ЬауеЛес 105804, а в качестве М1 — зеркало ТИог1аЬв МЕ05-Р01 с серебряным покрытием.
Периодически поляризованные структуры нио-бата лития располагались на оптической оси резонатора п.г.с. внутри термостата, который с помощью элемента Пельтье поддерживал оптимальную температуру обеих структур на уровне 40—130°С с погрешностью < ±0.1°С. Перестройка длины волны излучения п.г.с. осуществлялась путем прецизионного поперечного перемещения структур относительно оптической оси резонатора с помощью моторизованной линейной платформы 8МТ173-20-Е4 ^апёа, Литва), которая приводилась в движение
Длина волны, мкм
4.0 г
_I_I_I_I_I_I_I_I_
0 4000 8000 12000 16000
Смещение, шаг
Рис. 4. Экспериментальная зависимость длины "холостой" волны излучения п.г.с. от смещения моторизованной платформы.
шаговым двигателем ШД. Управление температурой структур и моторизованной платформой осуществлялось с помощью компьютера.
На рис. 4 представлена экспериментальная зависимость длины "холостой" волны излучения п.г.с. от смещения моторизованной платформы (число шагов ШД от начального положения), полученная при температуре структур 100°С.
Дискретность перемещения моторизированной платформы составляла 1.25 мкм, что на длине волны 3 мкм приводило к перестройке частоты излучения п.г.с. на ~0.1 см-1. Анализ рис. 4 показывает, что спектральная характеристика п.г.с. состоит из двух частей, соответствующих различным периодически поляризованным структурам ниобата лития. Для первой структуры плавная перестройка получена в спектральном диапазоне 2.4-3.1 мкм, для второй — в спектральном диапазоне 3.3—3.85 мкм. Полное время сканирования в спектральном диапазоне 2.4—3.85 мкм составило <1 мин. Разрыв в перестроечной характеристике п.г.с. связан с особенностью использованных структур — отсутствием спектрального перекрытия при одинаковых температурах.
Отметим, что при повышении температуры структур до 129°С диапазон перестройки "холостой" волны п.г.с. смещался в сторону меньших длин волн и составлял 2.35—3.05 мкм для первой и 3.25—3.83 мкм для второй структуры. Таким образом, с помощью изменения рабочей температуры структур можно смещать спектральный промежуток в перестроечной характеристике обеих структур
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.