УСИЛИТЕЛЬ С ИНЖЕКЦИОННЫМ ЗАХВАТОМ Российский патент 1994 года по МПК H01S3/00 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано для создания источников мощного одночастотного излучения с широким диапазоном перестройки частоты генерации.

Известен инжекционный усилитель [1] , представляющий собой волноводный СО₂-лазер с кольцевым резонатором, состоящим из трех поворотных зеркал, выходного зеркала и согласующей линзы, управляемый стабилизированным перестраиваемым задающим генератором.

Основными недостатками такого усилителя являются: низкая удельная выходная мощность, т. е. мощность, снимаемая с единицы длины конструкции, сравнительно большая расходимость выходного излучения, определяемая диаметром используемого волновода. Для повышения выходной мощности усилителя при заданной мощности задающего генератора необходимо увеличивать длину активного элемента усилителя, что приведет к увеличению габаритов устройства, а также к уменьшению полосы захвата [2] .

Также известен усилитель с использованием инжекционного захвата в наборе лазеров для получения мощного одночастотного излучения [3] . Cхема такого устройства представляет собой ряд параллельных однотипных лазеров-усилителей, в каждый из которых инжектируется сигнал от стабилизированного задающего генератора. Недостатками такого усилителя являются: необходимость деления выходной мощности задающего генератора между всеми усилителями, т. е. необходим достаточно мощный задающий генератор, наличие большого числа поворотных пластин с различными коэффициентами отражения, зеркал и, как следствие, сложность юстировки. Кроме того, при использовании данной схемы необходимо принять меры для исключения влияния излучения усилителей на задающий генератор.

Наиболее близким к предложенному является усилитель с инжекционным захватом, описанный в [4] . Он содержит два активных элемента, оптические оси которых параллельны, помещенные в кольцевой резонатор, состоящий из трех глухих поворотных зеркал и выходного зеркала.

Однако недостатками этого усилителя также являются низкая удельная выходная мощность и сравнительно высокая расходимость выходного излучения, определяемая внутренним диаметром используемого волновода.

Целью изобретения является повышение удельной выходной мощности, уменьшение мощности задающего генератора, уменьшение расходимости выходного излучения усилителя и увеличение контрастности интерференционной картины в дальней зоне.

Цель достигается тем, что в усилителе с инжекционным захватом, содержащем активные элементы, оптические оси которых параллельны, поворотные и выходное зеркала, дополнительно введены (N-2) активных элементов, N ≥ 5, оптические оси которых параллельны, эквидистантны и расположены в одной плоскости, помещенных в общий кольцевой резонатор. При этом выходное зеркало резонатора выполнено в виде плоскопараллельной пластины, толщина которой h определяется формулой
h= b /sin(2α) (1) где n - показатель преломления материала пластины на длине волны генерации; b - расстояние между оптическими осями активных элементов; α - угол между оптическими осями активных элементов и нормалью к выходному зеркалу, а коэффициент отражения внешней грани r₂ определяется выражением
r₂= 1/G(1-r₁)², (2) где G - усилие излучения в одном активном кольце усилителя; r₁ - коэффициент отражения внутренней поверхности зеркала.

В этом случае часть выходного излучения одного активного кольца, содержащего два активных элемента, отразившись от внешней грани выходного зеркала, попадает в соседнее кольцо, за счет чего осуществляется последовательный инжекционный захват частоты задающего генератора всеми активными элементами усилителя. В результате удельная выходная мощность усилителя определяется общим количеством активных элементов, а требуемая мощность задающего генератора ограничивается мощностью, необходимой для получения инжекционного захвата одного активного кольца. Так как все выходящие из усилителя пучки при инжекционном захвате когерентны между собой, то расходимость выходного излучения определяется общей выходной апертурой усилителя, т. е. расстоянием между крайними выходными пучками усилителя. При интерференции выходных пучков в дальней зоне контрастность интерференционной картины, а тем самым и распределение плотности мощности в фокальном пятне фокусирующей линзы зависят от соотношения амплитуд волн в выходных пучках. Так как максимальная контрастность получается при одинаковой амплитуде интерферирующих пучков, то внешняя грань выходного зеркала должна иметь коэффициент отражения, определяемый выражением (2). При этом на вход каждого активного элемента поступает одинаковая мощность.

При анализе патентной и научно-технической литературы ни в какой другой области техники не было обнаружено решений, аналогичных заявленному. Следовательно, предложение обладает существенными отличиями.

На чертеже представлены предложенный усилитель, ход лучей в нем и баланс мощности на выходном зеркале усилителя.

Усилитель содержит активные элементы 1-6, оптические оси которых лежат в одной плоскости, параллельны и эквидистантны, расположенные в кольцевом резонаторе, состоящем из поворотных зеркал 7 и выходного зеркала 8, выполненного в виде плоскопараллельной пластины, толщина которой h должна удовлетворять условию
h= b /sin(2α),
где n - показатель преломления материала пластины на длине волны генерации;
b - расстояние между оптическими осями активных элементов;
α - угол между оптическими осями активных элементов и нормалью выходного зеркала, а коэффициент отражения внешней грани r₂ определяется выражением
r₂= 1/G(1-r₁)², где G - усиление излучения в одном активном кольце усилителя;
r₁ - коэффициент отражения внутренней поверхности зеркала.

При выполнении этих условий часть выходного излучения каждого активного кольца усилителя, отразившись от внешней грани выходного зеркала, попадает в соседнее кольцо. Задающий генератор 9 расположен так, что его излучение, инжектируемое в активный элемент 1 усилителя, распространяется вдоль оптической оси этого элемента.

Усилитель работает следующим образом. Излучение от задающего генератора 9 мощностью Р_о через выходное зеркало 8 усилителя направляется в активный элемент 1, причем после отражения от внешней и внутренней граней выходного зеркала в активный элемент 1 попадает мощность Р₁= Р_o (1 - r₁)(1-r₂). После усиления в активном элементе 1 излучение, отраженное от поворотных зеркал 7, попадает в активный элемент 2, усиливается далее и, отразившись от следующего поворотного зеркала 7, падает на выходное зеркало усилителя 8. Таким образом на выходное зеркало 8 падает излучение мощностью P₂ = P_oG(1-r₁)(1-r₂), где G - усиление излучения в усилителе. Часть этого выходного излучения, равная P₂' = P₂(1-r₁), преломившись в пластине 8, отражается от ее внешней грани и выходит из пластины параллельно пучку, входящему в активный элемент 1. Причем расстояние b между этими пучками, равное расстоянию между оптическими осями активных элементов, определяется выражением b= DE= DA˙cos(α), где DA= CB= 2h·tg(argsin(sin(α)). После несложных тригонометрических преобразований можно получить выражение (1), связывающее толщину пластины выходного зеркала h, коэффициент преломления материала пластины n, расстояние между оптическими осями активных элементов b и угол между плоскостью выходного зеркала и оптическими осями активных элементов - α . Таким образом, мощность излучения, поступающего на вход активного элемента 3, равна Р₃ = Р_oG(1 - r₁)³(1 - r₂)r₂.

Проходя через элементы 3 и 4, это излучение усиливается и его часть аналогично используется для инжекционного захвата в элементах 5 и 6, и т. д. до N-го элемента. Таким образом происходит последовательный инжекционный захват сигнала задающего генератора активными элементами усилителя и весь набор элементов будет работать в когерентном режиме на частоте задающего генератора. Для того чтобы контрастность интерференционной картины в дальней зоне была максимальной, мощность, поступающая на вход каждого активного элемента, должна быть одинаковой. Приравнивая выражения для Р₁ и Р₃, получаем выражение (2) для коэффициента отражения внешней грани выходного зеркала. При этом расходимость выходного излучения γ= A/λ , т. е. уменьшается в А/а раз, где а - апертура активного элемента; А - выходная апертура усилителя; λ - длина волны излучения.

П р и м е р. При использовании в качестве усилителя многолучевого лазера с активными элементами типа активных элементов лазера МКТЛ-1, расположенными в одной плоскости, параллельными и эквидистантными (b = 10 мм) с зеркалом, выполненным из KCl (n = 1,457 на длине волны λ = 10,6 мкм), толщина выходного зеркала h при α = 45^одолжна быть равной 12,739 мм. Если число активных элементов усилителя N = 10, то расходимость уменьшается в 10 раз. При этом мощность задающего генератора снижается в 5 раз, а удельная выходная мощность усилителя увеличивается в 5 раз. При типичном для такого лазера усилении G = 50-80 и при r₁ = 0,5 коэффициент отражения внешней грани r₂ = 0,05-0,08.

Заявленная конструкция по сравнению с прототипом имеет значительно большую выходную мощность с единицы длины конструкции, значительно меньшую расходимость и большую контрастность в дальней зоне. Позволяет существенно сократить число оптических элементов вследствие того, что инжекция входного сигнала в каждое активное кольцо осуществляется одним элементом - выходным зеркалом усилителя, упростить юстировку всей системы за счет уменьшения числа оптических элементов, использовать задающий генератор меньшей мощности. (56) 1. Bourget G. L. Appl. Phys. 1987, В 43, р. 273-279.

2. Смит К. , Томсон Р. Численное моделирование газовых лазеров. М. : Мир, 1981, с. 56.

3. Weng W. Chow: Optics Letters, 1982, v. 7, N 9, р. 417.

4. Бурмистров В. В. и др. Мощный кольцевой волноводный СО₂-усилитель с инжекционным захватом. - Квантовая электроника. 1991, т. 18, N 1, с. 23.

Использование: в квантовой электронике, а именно при создании источников мощного одночастотного лазерного излучения с широким диапазоном перестройки частоты генерации. Сущность изобретения: усилитель с инжекционным захватом содержит больше двух активных элементов, расположенных так, что их оптические оси лежат в одной плоскости, параллельны, эквидистантны и помещены в общий кольцевой резонатор, выходное зеркало которого выполнено в виде плоскопараллельной пластины, толщина которой определяется выражением: , где n - показатель преломления материала пластины на длине волны генерации; b - расстояние между оптическими осями активных элементов; a - угол между оптическими осями активных элементов и нормально к выходному зеркалу, а коэффициент отражения внешней грани r₂ определяется выражением r₂=1/G(1-r₁)², где G - усиление в одном активном кольце усилителя; r₁ - коэффициент отражения внутренней поверхности зеркала. 1 ил.

УСИЛИТЕЛЬ С ИНЖЕКЦИОННЫМ ЗАХВАТОМ, содержащий активные элементы, оптические оси которых параллельны, поворотные и выходное зеркала, образующие кольцевой резонатор, задающий стабилизированный генератор, отличающийся тем, что, с целью повышения удельной выходной мощности, уменьшения мощности задающего генератора, уменьшения расходимости выходного излучения, увеличения контрастности в дальней зоне, он дополнительно содержит N - 2, где N ≥ 5, активных элементов, расположенных так, что оптические оси всех активных элементов лежат в одной плоскости, параллельны, эквидистантны и расположены в общем кольцевом резонаторе, выходное зеркало которого выполнено в виде плоскопараллельной пластины толщиной h, определяемой выражением
h=
где n - показатель преломления материала пластины на длине волны генерации;
b - расстояние между оптическими осями активных элементов;
α - угол между оптическими осями и нормалью к плоскости выходного зеркала,
а коэффициент отражения внешней грани r₂ выходного зеркала определяется выражением
r₂=
где G - усиление излучения в одном активном кольце усилителя;
r₁ - коэффициент отражения внутренней поверхности выходного зеркала.