УСИЛИТЕЛЬ С ИНЖЕКЦИОННЫМ ЗАХВАТОМ Российский патент 1995 года по МПК H01S3/82 

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

Известен инжекционный усилитель, представляющий собой волноводный СО₂ лазер с кольцевым резонатором, состоящим из трех поворотных и выходного зеркал, управляемый стабилизированным перестраиваемым задающим генератором.

Недостатками такого усилителя являются низкая удельная выходная мощность, т.е. выходная мощность с единицы длины усилителя, а также 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 приводит к увеличению габаритов устройства и, как следствие, уменьшению полосы захвата.

Наиболее близким к изобретению является усилитель с инжекционным захватом содержащий N активных элементов, оптические оси которых параллельны, эквидистантны и расположены в одной плоскости, помещенные в кольцевой резонатор, состоящий из трех глухих поворотных зеркал и выходного зеркала, выполненного в виде плоскопараллельной пластины толщиной h₁, определяемой выражением
h₁=dn21

-sin /sin2α (1)
где n показатель преломления материала пластины на длине волны генерации; d₁ 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 (2)
где g усиление на проход; r₁ коэффициент отражения внутренней поверхности зеркала.

Недостатками этого усилителя также являются недостаточная удельная выходная мощность и сравнительно высокая расходимость выходного излучения в направлении, перпендикулярном плоскости, в которой расположены активные элементы, определяемая апертурой активного элемента.

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

Для этого в усилитель с инжекционным захватом, содержащий активные элементы, оптические оси которых параллельны, резонатор, содержащий два задних поворотных зеркала, передние поворотные и выходное зеркало, выполненное в виде плоскопараллельной пластины толщиной h₁, определяемой выражением (1), дополнительно введены активные элементы, расположенные таким образом, что их оптические оси образуют двумерную прямоугольную решетку размерностью NxM, с шагом d₁ и d₂ по осям решетки, а со стороны задних поворотных зеркал введено дополнительное поворотное зеркало, выполненное в виде плоскопараллельной пластины из материала прозрачного для излучения, внешняя сторона которой является глухим зеркалом, а толщина h₂ определяется выражением
h₂=dn22

-sin /sin2β, (3)
где β угол между оптическими осями активных элементов и нормалью к введенному дополнительно поворотному зеркалу-пластине; n₂ показатель преломления материала пластины на длине волны генерации; d₂ расстояние между оптическими осями активных элементов вдоль оси решетки активных элементов, а коэффициент отражения граней выходного зеркала r₁, r₂ и внутренней грани поворотного зеркала-пластины r₃ должны удовлетворять условию
r₁(1-r₃)²(1-r₂)²=r₂r₃ (4),
где r₁ коэффициент отражения внешней поверхности выходного зеркала; r₂ коэффициент отражения внутренней поверхности выходного зеркала; r₃ коэффициент отражения внутренней поверхности поворотного зеркала, при этом указанные два задних поворотных и два передних зеркала расположены таким образом, что их плоскости попарно перпендикулярны друг другу, а линия пересечения их плоскостей составляет угол β с плоскостью дополнительного зеркала.

В этом случае часть выходного излучения одного активного кольца, отразившись от внешней грани выходного зеркала, попадает в соседнее кольцо, расположенное в той же плоскости, за счет чего осуществляется последовательный инжекционный захват частоты задающего генератора всеми активными элементами усилителя, расположенными в одной плоскости, а за счет отражения излучения, циркулирующего в одной плоскости, от внутренней поверхности дополнительного поворотного зеркала, происходит последовательный захват во всех плоскостях. 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 плотность мощности в фокальном пятне, зависит от соотношения амплитуд волн в выходных пучках. Так как максимальная контрастность получается при одинаковой амплитуде интерферирующих пучков, то коэффициенты отражения граней выходного зеркала r₁ и r₂ и внутренней грани поворотного зеркала-пластины r₃, должны удовлетворять выражению
r₁(1-r₃)²(1-r₂)²=r₂r₃ (4),
которое получается из требования одинакового входного сигнала, инжектируемого на вход всех активные элементы.

На фиг. 1-3 представлен предложенный усилитель и ход лучей в нем, вид спереди, вид сверху, вид сбоку; на фиг.4 разрез А-А на фиг.1.

Усилитель содержит активные элементы 1-36, оптические оси которых параллельны и образуют пpямоугольную решетку размерностью 6х6, с шагом d₁ и d₂ по осям решетки, расположенные в кольцевом резонаторе, состоящем из 4-х поворотных зеркал 38-41 и выходного зеркала 37, выполненного в виде плоскопараллельной пластины, толщина которой h₁ должна удовлетворять условию (1), поворотное зеркало 39 выполнено в виде плоскопараллельной пластины, толщина которой h₂ определяется формулой (3), а коэффициенты отражения граней выходного зеркала r₁, r₂ и внутренней грани поворотного зеркала-пластины r₃ связаны выражением (4), два задних поворотных 40 и 41 и два передних 37 и 38 зеркала расположены таким образом, что их плоскости попарно перпендикулярны друг другу, а линия пересечения их плоскостей составляет угол β с плоскостью дополнительного поворотного зеркала 39. Задающий генератор 42 расположен так, что его излучение, инжектируемое в активный элемент 3 усилителя, распространяется вдоль оптической оси этого элемента.

Усилитель работает следующим образом.

Излучение от задающего генератора 42 через выходное зеркало 37 усилителя направляется в активный элемент 3, после усиления в котором отраженное от задних поворотных зеркал 39-41, попадает в активный элемент 4, усиливается далее и, отразившись от следующего поворотного зеркала 38, падает на выходное зеркало 37 усилителя. Часть этого выходного излучения, отразившись от внешней грани выходного зеркала, проходит через элементы 2 и 5. Часть выходного излучения этих элементов аналогично используется для инжекционного захвата в элементах 1 и 6. Таким образом происходит последовательный инжекционный захват сигнала задающего генератора активными элементами усилителя, расположенными в одной плоскости. При отражении от внутренней поверхности дополнительного поворотного зеркала часть излучения, циркулирующего в одной плоскости, попадает в активные элементы соседней плоскости, и весь набор элементов будет работать в когерентном режиме на частоте задающего генератора. При этом расходимость выходного излучения уменьшается в а/А раз (а апертура активного элемента, А выходная апертура усилителя). Так как амплитуда выходных пучков при выполнении условия (4), одинакова, то контраст интерференционной картины в дальней зоне максимален.

Предлагаемая конструкция по сравнению с прототипом имеет значительно большую выходную мощность с единицы длины конструкции значительно меньшую расходимость, позволяет существенно сократить число оптических элементов вследствие того, что инжекция входного сигнала в каждый активный элемент осуществляется элементами самого резонатора выходным зеркалом усилителя и одним поворотным зеркалом, упростить юстировку всей системы за счет уменьшения числа оптических элементов, а также использовать задающий генератор меньшей мощности.

Использование: в машиностроении, в частности в устройствах для создания мощного, когерентного, одночастотного излучения с широким диапазоном перестройки частоты генерации. Сущность изобретения: усилитель содержит N M активных элементов, расположенных таким образом, что их оптические оси образуют двухмерную прямоугольную решетку размерностью N M, с шагом d₁ и d₂ по осям решетки, а со стороны задних поворотных зеркал введено дополнительное зеркало 39, выполненное в виде плоскопараллельной пластины из материала, прозрачного для излучения, внешняя сторона которой является глухим зеркалом, а толщина h₂ определяется выражением h₂= d₂(n22

-sin²β)^1/2/sin2β, где β угол между оптическими осями активных элементов и нормалью к введенному дополнительно поворотному зеркалу-пластине; n₂ показатель преломления материала пластины на длине волны генерации; d₂ - расстояние между оптическими осями активных элементов вдоль оси решетки активных элементов, а коэффициенты отражения граней выходного зеркала r₁ и r₂ внутренней грани дополнительного зеркала-пластины r₃ связаны выражением r₁(1-r23)(1-r₂)² = r₂r₃, где r₁ - коэффициент отражения внешней поверхности выходного зеркала; r₂ коэффициент отражения внутренней поверхности выходного зеркала; r₃ коэффициент отражения внутренней поверхности поворотного зеркала. Два задних поворотных зеркала и два передних поворотных зеркала расположены таким образом, что их плоскости попарно перпендикулярны друг другу, а линия пересечения их плоскостей составляет угол β с плоскостью дополнительного зеркала 39. Толщина пластин-зеркал выбирается таким образом, чтобы излучение, циркулирующее в активном кольце усилителя, отраженное от двух граней этого зеркала, попадало как в активные элементы, составляющие кольцо по ходу луча, так и в соседнее активное кольцо. В результате этого происходит инжекционный захват во всех активных элементах усилителя и весь усилитель будет работать в когерентном режиме на частоте задающего генератора 42. В этом случае расходимость выходного излучения определяется общей апертурой усилителя, а при выполнении определенного условия выходные пучки будут иметь одинаковую амплитуду и, следовательно, контрастность интерференционной картины в дальней зоне будет максимальной. 4 ил.

УСИЛИТЕЛЬ С ИНЖЕКЦИОННЫМ ЗАХВАТОМ, содержащий активные элементы, оптические оси которых параллельны, помещенные в общий кольцевой резонатор, состоящий из двух задних по отношению к излучению, выходящему из усилителя, поворотных зеркал, двух передних зеркал, одно из которых поворотное, а другое выходное и которое выполнено в виде плоскопараллельной пластины толщиной h₁, определяемой выражением

где α угол между оптическими осями активных элементов и нормалью к плоскости выходного зеркала;
n₁ показатель преломления материала пластины на длине волны генерации;
d₁ расстояние между оптическими осями активных элементов,
и задающий стабилизирующий генератор, отличающийся тем, что он содержит N · M активных элементов, расположенных таким образом, что их опитческие оси образуют двумерную прямоугольную решетку размерностью N · M, с шагом d₁ и d₂ по осям решетки, а со стороны задних поворотных зеркал введено дополнительное поворотное зеркало, выполненное в виде плоскопараллельной пластины из материала, прозрачного для излучения, внешняя сторона которой является глухим зеркалом, а толщина h₂ определяется выражением

где β угол между оптическими осями активных элементов и нормалью к введенному дополнительно поворотному зеркалу-пластине;
n₂ показатель преломления материала пластины на длине волны генерации;
d₂ расстояние между оптическими осями активных элементов вдоль оси решетки активных элементов,
а коэффициенты отражения граней выходного зеркала r₁, r₂ и внутренней грани поворотного зеркала-пластины r₃ связаны выражением
r₁ (1 r₃)² (1 r₂)² r₂ r₃,
где r₁ коэффициент отражения внешней поверхности выходного зеркала;
r₂ коэффициент отражения внутренней поверхности выходного зеркала;
r₃ коэффициент отражения внутренней поверхности поворотного зеркала,
при этом два задних поворотных и два передних зеркала расположены таким образом, что их плоскости попарно перпендикулярны друг другу, а линия пересечения их плоскостей составляет угол b с плоскостью дополнительного зеркала.