Оптоинформатика (стр. 4 из 19)
Рис. 3. Оптическая схема схема лазера «Picochrom” с ВРМБ и ВКР компрессией.
Зеркала З1 и З2 образуют резонатор лазера длиной 45 см, в центре резонатора расположен активный элемент (АЭ) - кристалл иттрий алюминиевого граната, активированный Nd3+. Между активным элементом и задним глухим зеркалом расположены следующие элементы: СПМ – селектор поперечных мод, формирующий одночастотное излучение, НП - насыщающийся поглотитель, служащий для получения одиночных импульсов, Т ´ 2 - двукратный телескоп, позволяющий увеличить эффективную длину резонатора и совместно с диафрагмой Д формирующий одномодовое по поперечным индексам излучение. На выходе из лазерного модуля излучение, пройдя ромб Френеля, преобразует свою поляризацию из линейной в круговую и попадает на двукратный телескоп, расширяющий пучок излучения, для получения более узкой области фокусировки излучения в ВРМБ кювете, заполненной CCl4. От ВРМБ компрессора отражаются импульсы излучения длительностью 300 пс. Пройдя ромб Френеля, они приобретают ортогональную с первоначальной поляризацию, дополнительно усиливаются в АЭ и направляются интерференционным зеркалом и последующими элементами на дополнительный временной компрессор, на основе вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) состоящий из кюветы, наполненной CH4 под давлением 15...25 атм. От ВКР компрессора отражаются импульсы излучения с длительностью 30 пс на длине волны 560 нм. Излучение также может попадать на кристалл DKDP, удваивающий частоту излучения 300 пс импульсов (l = 528 нм) и использоваться для записи голограмм.
Другим существенным элементом экспериментальной установки являлся кристалл КТР толщиной 2 мм, обладающий значительной нелинейностью второго порядка, который использовался в качестве светочувствительной среды для записи динамических голограмм. Благодаря близкому к 90°-синхронизму при возбуждении генерации второй гармоники на длине волны выбранного источника излучения он позволяет достигнуть достаточной для уверенной регистрации изображений эффективности преобразования в широкой области углов падения лучей на кристалл, что необходимо при использовании неколлинеарных схем преобразования.
Третьим ключевым элементом экспериментальной установки является комбинационно активный кристалл нитрата бария Ba(NO3)2 с высоким (11 см/ГВт) инкрементом стационарного ВКР-усиления и длиной, равной 80 мм, который дискретно смещал частоту падающего на него излучения с длиной волны 1,064 мкм на интервалы, кратные его стоксову сдвигу DnS = 1047 см—1 . Эксперимент показал, что данный кристалл был способен осуществить тройной стоксов сдвиг излучения, в результате чего на выходе из кристалла можно было наблюдать одновременно 4 монохроматических волны: волну с основной частотой, соответствующей l = 1,064 мкм, а также 3 волны с l = 1,2; 1,37 и 1,6 мкм, претерпевших стоксовы сдвиги на Dn1 = 1047 см—1 ; Dn2 = 2х1047 см—1 ; Dn3 = 3х1047 см—1 соответственно.
Система зеркал М1-М5 формирует из излучения основной частоты два равных по интенсивности пучка с вертикальной линейной поляризацией, углом схождения на голограмме в горизонтальной плоскости, равным 14.5° и разностью хода не более 5 мм, что обеспечивало практически полное временное перекрытие этих пучков на голограмме. Тщательное совмещение на частоте основного излучения этих пучков в плоскости голограммы позволяет достичь и пространственного их перекрытия. Линза L1 с фокусным расстоянием f = 1м повышала плотность излучения на кристалле нитрата бария (до 10 раз), что необходимо для увеличения в объектном пучке доли излучения со смещенными частотами.
Перемещение кристалла нитрата бария вдоль оси излучения позволяет регулировать эффективность преобразования основного излучения в стоксовы компоненты, а также число этих компонентов, вплоть до трех при максимальной плотности мощности падающего излучения. Картина углового распределения формируемых голограммой пучков проецируется линзой L2 (f = 250 мм) с однократным увеличением на диффузно рассеивающий экран SS (scattering screen), установленный в фокальной плоскости линзы на общем подвижном основании с цветной цифровой фотографической CCD камерой Fujifilm FinePix 4900 Zoom с числом пикселов 1200х2000. Угловое расстояние между пучками излучения (в радианах) связано с измеренным линейным расстоянием между ними Dx в фокальной плоскости линзы следующим соотношением:
Db¢ = (Dx)/f, (**)
где f – фокусное расстояние линзы, выраженное как и Dx, в мм.
На практике свойство динамической c(2)- голограммы преобразовывать в реальном времени длину волны падающего излучения и изменять его направление, а также плоскость фокусировки может быть использовано в стекловолоконных линиях связи, когда в процессе прохождения сигнала через систему необходимо изменить его длину волны и (или) направление, чтобы направить его по другому пути (маршруту, адресу). Это необходимо для сверхбыстрой коммутации потоков информации в оптических вычислителях и линиях связи.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Установить назначение оптических элементов экспериментальной установки, а также соответствие их расположения со схемой эксперимента.
2. Включить пикосекундный лазер, поместить на оси пучка излучения индикаторную фотобумагу и по следу, оставленному лазерным пучком (отжигу), оценить его диаметр.
3. Проверить по отжигу лазерного пучка наличие пучков излучения в обоих плечах голографического интерферометра и совмещение их на голограмме.
4. После совмещения пучков визуально убедиться в появлении на рассеивающем экране за голограммой, расположенном в фокальной плоскости линзы, наряду с коллинеарными по отношению к пучкам накачки пучками излучения второй гармоники генерацию неколлинеарного пучка, который распространяется по биссектрисе угла схождения пучков, падающих на голограмму.
5. Убедиться в отсутствии неколлинеарного пучка при устранении любого из пучков, записывающих динамическую голограмму.
6. Ввести в объектный пучок нелинейный кристалл нитрата бария, смещающий частоту излучения и убедиться в появлении на рассеивающем экране за голограммой новых пучков, отличающихся по цвету и направлению распространения.
7. С помощью электронного фотоаппарата и масштабной линейки получить изображение с привязанным к нему масштабом.
8. Воспроизвести с помощью компьютера на экране монитора это изображение и после измерения расстояний между пучками различных цветов с помощью формулы линзы найти углы между направлениями распространения этих пучков. Данные занести в таблицу.
9. Вычислить значения углов по п.8 с помощью формул (*) и (**), используя известные значения углов схождения падающих на голограмму пучков, а также волновых чисел излучения накачки и стоксовых сдвигов, вносимых в частоту объектного пучка кристаллом нитрата бария. Данные занести в таблицу.
10. Сравнить полученные результаты. Проанализировать наличие и степень качественного и количественного соответствия данных теории и эксперимента, а также возможные причины их расхождения.
Таблица
| Расстояние Dx, в мм | Угол в рад. | Теория | Эксперимент |
| Db¢01 | |||
| Db¢02 |
ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
Отчет о проделанной лабораторной работе должен включать в себя:
1. Описание экспериментальной установки и её оптическая схема.
2. Полученные изображения лазерных пучков на различных длинах волн.
3. Таблицу измерений.
4. Сравнение полученных результатов. Проанализировать наличие и степень качественного и количественного соответствия данных теории и эксперимента, а также возможные причины их расхождения.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:
1. Что такое динамическая голография?
2. Что является динамической голограммой в проводимой работе?
3. Для чего необходим кристалл нитрата бария?
4. Основные свойства кристалла KTP.
2.3. Лабораторная работа № I-3 «Спектрально-временная обработка оптических сигналов с использованием интерферометра Фабри-Перо»
Цель работы: Изучение основных свойств высокоразрешающего спектрального прибора - интерферометра Фабри-Перо и измерения динамики спектра непрерывного гелий-неонового (He-Ne) лазера.
Объект исследования: газовый гелий-неоновый лазер, интерферометр Фабри-Перо, модовая структура излучения, ПЗС видеокамера с блоком компьютерной обработки.
Задачи, решаемые в работе:
1. Ознакомится с устройством интерферометра Фабри-Перо, спектрального прибора с высоким разрешением.
2. Ознакомится с устройством используемого гелий-неонового лазера. Измерить мощность лазерного излучения.
3. Ознакомится с оптической схемой измерения спектра лазерного излучения. Провести юстировку интерферометра и получить интерферограммы Фабри-Перо в виде колец с четко различимыми порядками.
4. При помощи регистрации интерферограмм Фабри-Перо ПЗС видеокамерой с блоком компьютерной обработки зарегистрировать переход от режима генерации на одной частоте (одной продольной спектральной моде) к режиму генерации на двух частотах (двух продольных спектральных модах).
5. Рассчитать ширины спектра лазерного излучения и длины когерентности с использованием зарегистрированной в цифровом виде интерферограммы Фабри-Перо.
СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
Рассмотрим идеальный плоский интерферометр Фабри-Перо (ИФП), состоящий из двух зеркал с одинаковыми амплитудными коэффициентами отражения r (по интенсивности R = r2), не поглощающих излучение на длине волны сигнала и расположенных параллельно на расстоянии d в среде с коэффициентом преломления n. Согласно известному принципу образования интерференционной картины в ИФП пучок излучения с длиной волны l, падающий на интерферометр под углом q, после многократного отражения от зеркал формирует на выходе интерферометра ряд пучков с убывающей амплитудой, оптической разностью хода между соседними пучками D, равной 2d n cosq , и временными сдвигами, кратными времени двойного прохода интерферометра (рис. 1). При падении на ИФП расходящегося пучка излучения в дальней зоне образуется ряд светлых концентрических колец под углами qi , определяемыми выражением: