нелинейно-оптический ограничитель лазерного излучения

Формула изобретения

Оптический ограничитель лазерного излучения, содержащий оптическую систему и нелинейно-оптический элемент, отличающийся тем, что нелинейно-оптический элемент выполнен из прозрачного в видимой области спектра монокристаллического материала либо стеклокерамики и содержит примесь ионов переходных металлов со спектральными полосами оптического поглощения, перекрывающими по спектру линии генерации лазеров, причем концентрация примесных ионов лежит в пределах 10¹⁵-10¹⁸ см^-3.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к оптике и может быть использовано в лазерной технике и оптических приборах для защиты глаз от повреждения лазерным излучением.

Известен ограничитель лазерного излучения с длиной волны =0.53 мкм [1, 2], состоящий из полупроводникового нелинейно-оптического элемента и диафрагмы. Полупроводниковый нелинейно-оптический элемент изготовлен из монокристаллического ZnSe, имеющего ширину запрещенной зоны E_g большую энергии фотона h , но меньшую удвоенной энергии фотона (h <E_g<2h ), Торцы нелинейно-оптического элемента имеют сферическую поверхность и выполняют функцию линз телескопа. Ограничение интенсивности излучения в таком устройстве происходит благодаря самодефокусировке излучения в полупроводнике при двухфотонном поглощении. Порог ограничения излучения составляет 10 нДж для пикосекундных лазерных импульсов, что достаточно для защиты глаз от повреждения лазерным излучением. Порог повреждения глаз излучением с длиной волны 0.5-1.1 мкм равен 0.1-1 мкДж. Недостатком описанного ограничителя является низкий начальный коэффициент пропускания (до начала процесса ограничения) в видимой области спектра - не более 30% и интенсивно желтая окраска кристалла, что не обеспечивает цветовой зрительный комфорт. Недостатком является также то, что при увеличении длительности лазерного импульса возрастает порог ограничения, и для импульсов наносекундной длительности он превышает порог повреждения глаза излучением.

Известен ограничитель лазерного излучения, выбранный в качестве прототипа [3], состоящий из двух софокусных линз, диафрагмы, расположенной за второй линзой и нелинейно-оптического полупроводникового элемента (GaAs или ZnSe), содержащего глубокие примесные уровни в запрещенной зоне. Причем ширина запрещенной зоны E_g больше энергии фотона h , а энергия ионизации примеси излучением - меньше h . Ограничение интенсивности излучения происходит в результате однофотонной фотогенерации электронов с примесных центров, что сопровождается образованием отрицательной динамической линзы в полупроводнике и ведет к самодефокусировке излучения [4]. Данный ограничитель обеспечивает порог ограничения излучения в единицы пикоджоулей для нано- и микросекундных импульсов излучения [4], что достаточно для защиты глаз от повреждения лазерным излучением. Недостатком такого ограничителя является отсутствие пропускания в видимой области спектра для GaAs и низкий начальный коэффициент пропускания (до начала процесса ограничения) в видимой области спектра для примесного ZnSe - не более 20%. Кроме того, примесный ZnSe имеет интенсивно красную окраску, что не позволяет обеспечить цветовой зрительный комфорт.

Целью данного изобретения является увеличение начального пропускания ограничителя в видимой области спектра и обеспечение цветового зрительного комфорта.

Поставленная цель достигается тем, что нелинейно-оптический элемент выполнен из прозрачного в видимой области спектра монокристаллического материала либо стеклокерамики и содержит примесь ионов переходных металлов со спектральными полосами оптического поглощения, перекрывающими по спектру линии генерации лазеров, причем концентрация примесных ионов лежит в пределах 10¹⁵-10¹⁸ см ^-3.

Под действием короткого импульса лазерного излучения с длиной волны, попадающей в полосу поглощения иона примеси, происходит насыщение примесного поглощения. В результате деформации спектра поглощения, возникает сильная дисперсия показателя преломления материала, что сопровождается формированием градиента показателя преломления по сечению пучка излучения. Градиент показателя преломления приводит к возникновению толстой динамической линзы, изменяющей пространственное распределение прошедшего излучения и увеличивающей его расходимость. В результате этого происходит уменьшение интенсивности излучения в апертуре диафрагмы ограничителя, то есть - ограничение излучения. Благодаря низкой концентрации ионов металла обеспечивается малое начальное поглощение излучения в видимой области спектра и отсутствие окраски либо слабая окрашенность нелинейно-оптического элемента.

Данное техническое решение является новым, а совокупность отличительных признаков не следует из известных технических решений. Существенность отличительных признаков заключается в том, что в ограничителе излучения используется нелинейно-оптический элемент, выполненный из прозрачного в видимой области спектра монокристаллического материала или стеклокерамики, который содержит малую концентрацию ионов переходных металлов, не приводящих к возникновению интенсивной окраски кристалла, но создающих полосы оптического поглощения, перекрывающие по спектру линии генерации лазеров.

Конкретные примеры реализации изобретения.

На фиг.1а показана конструкция ограничителя излучения. Ограничитель состоит из двух софокусных линз - положительной 1 и отрицательной 3 с фокусными расстояниями 95 мм и 30 мм соответственно, нелинейно-оптического элемента 2, расположенного непосредственно перед отрицательной линзой и диафрагмы 4, пропускающей 99% падающего излучения при отсутствии нелинейного элемента. В качестве нелинейно-оптических элементов в ограничителе использовались плоскопараллельные пластины, без просветляющих покрытий, из следующих материалов: YAG:Cr ⁺³ толщиной 8 мм с концентрацией ионов Cr⁺³ 10¹⁷ см^-3; CaF₂:Co²⁺ толщиной 10 мм с концентрацией ионов Со²⁺ 10 ¹⁸ см^-3. На фиг.1б показаны спектры пропускания нелинейно-оптических элементов в видимой области спектра до возникновения ограничения излучения. Пластина YAG:Cr³⁺ имеет в видимой области спектра средний коэффициент пропускания 80%, практически бесцветна и не нарушает зрительный комфорт. Пластина CaF ₂:Со²⁺ имеет в видимой области спектра средний коэффициент пропускания 56%, имеет слабую сиреневую окраску и не нарушает зрительный комфорт. В качестве нелинейно-оптических элементов могут быть использованы пластины из оптической стеклокерамики, содержащей микрокристаллы аналогичного состава - YAG:Cr³⁺ , CaF₂:Co²⁺.

Ограничитель работает следующим образом. При отсутствии лазерного импульса либо при интенсивности лазерного излучения, меньшей порога ограничения, коэффициент пропускания ограничителя определяется начальным пропусканием нелинейно-оптического элемента и составляет 50-80%, в зависимости от типа элемента (фиг.1б). Под действием короткого импульса лазерного излучения с длиной волны, попадающей в полосу поглощения иона примеси и интенсивностью, превышающей порог ограничения, происходит насыщение примесного поглощения. В результате деформации спектра поглощения возникает сильная дисперсия показателя преломления материала, что сопровождается формированием градиента показателя преломления по сечению пучка излучения. Градиент показателя преломления приводит к возникновению толстой динамической линзы, изменяющей пространственное распределение прошедшего излучения и увеличивающей его расходимость. В результате этого происходит уменьшение интенсивности излучения в апертуре диафрагмы ограничителя, то есть - ограничение излучения.

На фиг.2 показаны зависимости энергии излучения на выходе ограничителя от энергии излучения на его входе для нелинейно-оптических элементов из YAG:Cr³⁺ для =0.53 мкм и длительности импульса излучения =10 нс (а), из CaF₂:Co²⁺ для =0.53 мкм и длительности импульса излучения =10 нс (б). При использовании нелинейно-оптического элемента из YAG:Cr³⁺ энергетический порог ограничения равен 10 нДж, ограничение происходит в диапазоне изменения входной энергии - 10^-9-10^-2 Дж. При использовании нелинейно-оптического элемента из CaF₂:Co²⁺ энергетический порог ограничения равен 100 нДж, ограничение происходит в диапазоне изменения входной энергии - 10^-7 -10^-2 Дж. При энергии падающего излучения 10^-2 -10^-1 Дж энергия прошедшего излучения, во всех случаях, не превышает 100 нДж, что достаточно для защиты органов зрения от повреждения излучением.

Из приведенных примеров следует, что использование, в качестве нелинейно-оптических элементов, для ограничения излучения прозрачных в видимой области спектра монокристаллических или стеклокерамических материалов, содержащих малую концентрацию примеси в виде ионов переходных металлов, обеспечивает защиту органов зрения от повреждения излучением. В то же время, по сравнению с прототипом, предлагаемое техническое решение обеспечивает более высокий коэффициент пропускания в видимой области спектра и не нарушает цветового зрительного комфорта.

Изобретение может быть использовано в биноклях, зрительных трубах и устройствах технического зрения для защиты глаз и фотоприемников от ослепления и повреждения лазерным излучением высокой интенсивности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент №4846561 (USA), приоритет 11.07.89.

2. E.W.Van Stryland, Y.Y.Wu, D.J.Hagan, M.J.Soileau, K.Mansour. Optical limiting with semiconductors. J. Opt. Soc. Am. B, V.5, N9, P.1980-1988, 1988.

3. Патент РФ №2001126690, приоритет 1.10.2001.

4. И.В.Багров, А.П.Жевлаков, О.П.Михеева и др. Низкопороговое ограничение инфракрасного излучения в примесных полупроводниках // Оптический журнал. 2002, Т.69, №2, С.15-20.