ДВУХЧАСТОТНЫЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 1995 года по МПК H01S3/10 

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в измерительной технике, спектроскопии и интерферометрии, голографии.

Известен двухчастотный лазер, содержащий размещенный в резонаторе активный элемент с однородно уширенной линией усиления [1]
Недостатком этого лазера является нестабильность излучения, связанная с ламповой накачкой и сильной конкуренцией двух генерируемых мод.

Наиболее близким к предлагаемому является двухчастотный твердотельный лазер, содержащий расположенный в оптическом резонаторе, включающем дихроичное зеркало, активный элемент с однородно уширенной линией усиления, оптически связанный через дихроичное зеркало с источником накачки [2]
Недостатком такого лазера является нестабильность мощности генерации, обусловленная конкуренцией генерируемых мод.

Цель изобретения стабилизация мощности излучения на каждой из генерируемых частот.

Цель достигается тем, что за счет расположения четвертьволновой пластинки вплотную к активному элементу и совмещения с одним из торцов этой пластинки дихроичного зеркала осуществляется пространственное и поляризационное разделение двух генерируемых мод.

Стабилизация излучения достигается в двухчастотном лазере за счет помещения четвертьволновой пластинки между активным элементом и дихроичным зеркалом так, что одна поверхность пластинки находится в оптическом контакте с торцом активного элемента, а вторая совмещена с дихроичным зеркалом. Новым является также внутрирезонаторная генерация второй гармоники в предложенном лазере с использованием нелинейного кристалла, обладающего синхронизмом второго типа.

На фиг. 1 приведена оптическая схема лазера с электрооптическим модулятором; на фиг. 2 то же, с нелинейным элементом.

Двухчастотный-твердотельный лазер с электрооптическим затвором содержит резонатор, образованный дихроичным зеркалом 1 и зеркалом 2, активный элемент 3, четвертьволновую пластинку 4, полупроводниковый лазер 5 накачки, коллиматор 6 и электрооптический модулятор 7. Лазер с нелинейным элементом содержит поворотное зеркало 8 и нелинейный элемент 9.

Лазер работает следующим образом.

При включении лазера 5 накачки в активном элементе 3 возникает инверсия населенностей. При превышении порога в лазере возникает генерация на собственных типах колебаний с частотами, соответствующими максимальному усилению активного элемента 3. При отсутствии амплитудно-анизотропных элементов в лазере генерация может осуществляться на двух различных по поляризации типах мод. Если активный элемент выполнен из изотропного материала, то собственные типы поляризации линейные, совпадающие с осями четвертьволновой пластинки. В этом случае каждая из поляризационных мод внутри резонатора представляет собой стоячую линейно поляризованную волну. Наличие четвертьволновой пластинки приводит к тому, что узлы одной поляризации ионной моды совпадают с пучностями другой поляризационной моды и наоборот. Такое пространственное разделение генерируемых мод в продольном направлении обеспечивает существенное ослабление конкуренции двух поляризационных мод. В результате становится устойчивой двухмодовая генерация с одинаковыми мощностями двух поляризационных мод с разными частотами генерации. Так как две поляризационные моды в совокупности насыщают активный элемент равномерно, то обеспечивается устойчивость двухмодовой двухчастотной генерации по отношению к возбуждению третьей моды.

При введении в резонатор электрооптического модулятора 7 обеспечивается возможность изменения величины разности набегов фаз в этом модуляторе для двух генерируемых мод разной поляризации. Изменение разности набегов фаз в пределах от 0 до π /2 приводит к изменению разности частот Δω генерируемых мод от С/L до 0, где L оптическая длина резонатора, С скорость света. При этом последовательное расположение вплотную друг к другу зеркала резонатора, четвертьволновой пластинки и активного элемента обеспечивает устойчивость двухчастотной генерации во всем диапазоне перестройки разностной частоты.

Для получения генерации в видимой области спектра в резонатор лазера может быть внесен нелинейный элемент 9.

Введение нелинейного элемента кристалла для генерации второй гармоники приводит к возникновению в резонаторе на основной частоте дополнительных нелинейных потерь. Нелинейные потери при генерации второй гармоники в нелинейном кристалле, обладающем вторым типом волнового синхронизма, могут быть записаны в виде П₁=d²_eff[(Е_1хЕ_2у)²+0,5(Е_2хЕ1у+Е_1хЕ_2у)²] (1) П₂= d²_eff[(E_1xЕ_2у)²+0,5(Е_1хЕ_2у+Е_2хЕ_1у)²] (2) где П_1,2 нелинейные потери для первой и второй мод соответственно;
Е_ix, E_iy проекции электрических полей соответствующих мод (i=1,2) на собственные оси нелинейного кристалла;
d_eff коэффициент нелинейного преобразования.

При расположении нелинейного кристалла таким образом, что его собственные оси составляют угол 45^о с осями четвертьволновой пластинки, собственные поляризации генерируемых мод оказываются такими, что второй член в выражениях (1,2) равен нулю. Это означает, что конкурентное взаимодействие между генерируемыми модами в нелинейном кристалле отсутствует. Следовательно, двухмодовый режим генерации сохраняется и более того стабилизируется. Стабилизация связана с тем, что потери для каждой из волн пропорциональны их интенсивностям [первый член в выражениях (1 и 2)] а значит, с увеличением d_eff происходит выравнивание их интенсивностей.

При изменении углов между оптическими осями активного и нелинейного элементов в пределах 45^о ± 10^о стабильный двухмодовый режим генерации сохраняется, а при углах больше 55^о или меньше 35^о при большом превышении накачки над порогом становится неустойчивым.

Отметим, что нелинейный элемент принципиально анизотропный, так как в анизотропном веществе не выполняются условия синхронизма. Активный элемент может быть как изотропным, так и анизотропным.

При выполнении активного элемента из анизотропного вещества (для устранения конкурентного взаимодействия в нелинейном элементе) активный элемент должен быть расположен так, чтобы его оси также располагались под углом 45^о к осям четвертьволновой пластинки. В этом случае оси активного и нелинейного элементов параллельны, они по поляризационным свойствам эквивалентны анизотропному элементу и к ним в совокупности относится все вышесказанное об ориентации активного элемента. Такая ориентация активного элемента (оптические оси активного элемента расположены под углом 45^о к осям пластинки) необходима только в том случае, если в резонаторе осуществляется генерация второй гармоники.

Для получения двух перестраиваемых по частоте мод при помощи электрооптического фазового модулятора желательно обеспечить генерацию линейно поляризованного излучения. Это достигается в том случае, если оси всех анизотропных элементов параллельны. Линейная поляризация двух генерируемых мод в ортогональных плоскостях, параллельных осям электрооптического модулятора, обеспечивает максимальный диапазон перестройки каждой из генерируемых мод и разностной частоты (частоты биений).

Активный элемент может быть выполнен из стекла с неодимом либо из кристаллов алюмоиттриевого граната с неодимом, либо из скандиевых гранатов с неодимом или из любых других твердотельных активных сред, легированных неодимом, европием или другими редкоземельными элементами. В качестве нелинейного элемента может быть использован кристалл калий титанил фосфата.

Использование: в лазерной технике, в оптических измерительных приборах для стабилизации мощности излучения на каждой из генерируемых частот. Сущность изобретения: в лазер с продольной монохроматической накачкой введена четвертьволновая пластинка, причем одной поверхностью пластинка расположена вплотную к торцу активного элемента, а другая поверхность пластинки совмещена с зеркалом. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. ДВУХЧАСТОТНЫЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР, содержащий оптический резонатор, включающий дихроичное зеркало, и расположенный в нем активный элемент с однородно уширенной линией усиления, оптически связанный с источником оптической накачки через дихроичное зеркало так, что излучение накачки фокусируется на первом торце активного элемента, отличающийся тем, что, с целью стабилизации мощности излучения на каждой из генерируемых частот, резонатор лазера дополнительно содержит двулучепреломляющую четвертьволновую пластинку, расположенную так, что ее первый торец находится в оптическом контакте с первым торцом активного элемента, а второй торец четвертьволновой пластинки совмещен с дихроичным зеркалом. 2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что, с целью перестройки частот генерации и разностной частоты, лазер дополнительно содержит электрооптический модулятор. 3. Лазер по п.1 или 2, отличающийся тем, что, с целью получения двухчастотной генерации в видимой области спектра, резонатор лазера дополнительно содержит нелинейный кристалл для генерации второй гармоники, обладающий синхронизмом второго типа, причем нелинейный кристалл расположен так, что его оптические оси составляют угол 45 ± 10^o с осями четвертьволновой пластинки. 4. Лазер по п. 3, отличающийся тем, что активный элемент выполнен из анизотропного материала и расположен так, что его оптические оси параллельны осям нелинейного кристалла. 5. Лазер по п. 2, отличающийся тем, что активный элемент выполнен из анизотропного материала, при этом оптические оси активного элемента, четвертьволновой пластинки и электрооптического модулятора параллельны.