СПОСОБ СИНХРОНИЗАЦИИ МОД В ЛАЗЕРАХ Российский патент 1997 года по МПК H01S3/11 

Изобретение относится к области лазерной техники, в частности к способам синхронизации мод в лазерах.

Излучение лазера в режиме свободной генерации представляет собой набор электромагнитных волн разной частоты (набор продольных мод). Синхронизация мод является принудительным выравниванием частотных интервалов между соседними продольными модами. В режиме синхронизации мод излучение лазера может представлять собой последовательность коротких импульсов или частотно модулированное колебание, что находит применение в системах связи, нелинейной оптике и т.д. Другим важным достоинством режима синхронизации мод является резкое увеличение длины (l) когерентности лазерного излучения. Если в свободной генерации (l) может быть оценена как
l = C/Δν,
где
C скорость света,
Δν ширина спектра лазерного излучения
то при синхронизации мод за счет принудительного выравнивания частотных интервалов между соседними модами длина когерентности определяется как
l = C/Δν_o,
где
Δν_o ширина спектра одной продольной моды лазерного излучения, т.е. практически совпадает с длиной когерентности излучения одночастотного лазера. Поскольку Δν_o обычно в сотни раз меньше Δν то длина когерентности излучения увеличивается в сотни раз. При этом в одночастотном лазере высокая когерентность получается за счет подавления всех продольных мод, кроме одной, т.е. за счет уменьшения выходной мощности. В режиме синхронизации мод увеличение длины когерентности достигается в многочастотном режиме при высокой выходной мощности.

Известные способы синхронизации мод делятся на две группы:
активная или принудительная синхронизация мод;
пассивная синхронизация мод или самосинхронизация.

Активная синхронизация мод происходит за счет модуляции потерь или длины резонатора с частотой, равной разности частот между двумя соседними модами. Для этой цели создан ряд электрооптических, акустооптических и иных модуляторов. Так, в патенте [1] описан фазовый модулятор (модулятор оптической длины резонатора) на ниобате лития для линейного поляризованного излучения, а в патентах [2-4] модуляторы на полимерной пленке, нечувствительные к поляризации. В патенте [5] описан модулятор с выравниванием скоростей световой волны и электромагнитной волны с частотой модуляции.

Все способы активной синхронизации мод требуют введение дополнительного элемента в резонатор лазера модулятора. В случае линейного резонатора, образованного двумя зеркалами, модулятор должен размещаться вблизи одного из зеркал, т.к. эффективность модуляции максимальна у зеркала и равна нулю в центре резонатора. К модулятору должно быть подведено электрическое напряжение с частотой f_m, обратно пропорциональной длине резонатора L или частотой 2f_m, 3f_m и т.д. (f_m=C/2L, где C скорость света). Для микролазеров с резонатором длиной около 1 мм необходимы модуляторы на частоту в сотни гигагерц. Создание таких модуляторов сопряжено с чрезвычайно большими трудностями. Введение модулятора в малогабаритный резонатор и размещение его у зеркала также затруднено, особенно для монолитных лазеров.

В случае пассивной синхронизации мод принудительное выравнивание межмодовых частотных интервалов происходит за счет взаимодействия различных мод излучения в нелинейной среде. Свойства нелинейной среды (например ее прозрачность) при этом меняются с частотой, равной разности частот двух мод, т.е. нелинейное взаимодействие мод приводит к самомодуляции параметров резонатора. В качестве нелинейной среды может быть выбрано активное тело лазера или пассивный элемент, введенный в резонатор. Например, в патенте [6] в качестве пассивного элемента используется кристалл с выраженными нелинейно-оптическими свойствами. Используются для этой цели насыщающиеся поглотители, пассивные лазерные элементы, дефекты в активном лазерном элементе или, например, как в патенте [7] нелинейное изменение поляризации диэлектрика под воздействием светового излучения. Если нелинейной средой служит активное тело лазера, то в нем разностные частоты различных пар мод смешиваются, образуя так называемые комбинационные тела, т.е. излучения с частотой, равной разности двух разностных частот. Эти низкочастотные колебания при благоприятных условиях прекращаются под действием среды, т.е. моды синхронизируются. Разностные частоты становятся одинаковыми для всех соседних мод, излучение приобретает вид импульсов, распространяющихся вдоль резонатора от одного зеркала к другому. Такой режим, называемый самосинхронизацией, требует определенного размещения активного тела в резонаторе и недостаточно стабилен.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является решение по [8] в котором предлагается лазер с синхронизацией мод, достигаемой за счет определенного расположения активного и пассивного элементов в резонаторе лазера. Расположение пассивного элемента, представляющего собой стержень алюмонатриевого граната, определяет точку встречи импульсов двух встречных волн при синхронизации мод в каждой из них. Активный элемент, т.е. стержень из алюмонатриевого граната, облучаемый лампой накачки, располагается в точке, которую импульсы встречных волн проходят с наименьшим взаимным перекрытием. Например, если пассивный элемент находится в центре линейного резонатора, образованного двумя зеркалами, то активный элемент должен располагаться как можно ближе к одному из зеркал. В этом случае в резонаторе распространяются два импульса излучения, встречающиеся в центре. Если поменять местами активный и пассивный элементы, то в резонаторе будет распространяться один импульс, поочередно отражающийся от зеркал и частично перекрывающийся с собственным отражением в пассивном элементе у зеркала.

Таким образом для синхронизации мод в предложенном лазере используются активный элемент, пассивный элемент, резонатор из двух зеркал и источник накачки. Достоинствами этого изобретения является, во-первых, то, что синхронизация мод в этом случае достигается одновременно с образованием импульсов, а форма и количество импульсов определяются расположением элементов резонатора. Это позволяет получать различные типы синхронизации мод - синхронизация соседних мод, синхронизация через одну моду, через две и так далее. Экспериментально были получены девять типов синхронизации мод. Во-вторых, все эти типы синхронизации получаются без применения активной модуляции, что потребовало бы использовать модуляторы с частотой модуляции, равной межмодовому частотному интервалу, с частотой вдвое большей, втрое большей и так далее в зависимости от типа синхронизации мод.

Однако наряду с преимуществами способ синхронизации мод, реализуемый в данном лазере, обладает и рядом недостатков, присущих всем способам пассивной синхронизации. В частности, недостатками являются низкая стабильность режима синхронизации мод и необходимость расположения активного и пассивного элементов на определенном расстоянии друг от друга и от зеркал резонатора, что непригодно для малогабаритных лазеров, например, для полупроводникового лазера с внутренним резонатором, образованным гранями активного кристалла.

В основу изобретения была положена задача разработать способ синхронизации мод в лазерах, в котором преобразование частот излучения осуществлялось бы таким образом, чтобы получаемое в результате преобразований частот излучение использовалось для синхронизации мод, благодаря чему повышается стабильность режима синхронизации мод.

Поставленная задача решается тем, что предлагается способ синхронизации мод в лазерах, включающий первое нелинейное преобразование частот излучения с выделением разностных частот соседних мод, второе нелинейное преобразование разностных частот и выделение низкочастотного излучения с частотами, равными разности двух разностных частот, а также использование упомянутого низкочастотного излучения в качестве управляющего сигнала для синхронизации мод, в котором новым является то, что первое и второе нелинейные преобразования частот, производят вне лазерного резонатора, затем полученное низкочастотное излучение с частотами, равными разности двух разностных частот усиливают и подают на источник накачки лазера в качестве управляющего напряжения для синхронизации мод.

Таким образом в способе применяется внерезонаторное нелинейное взаимодействие различных мод лазерного излучения с выработкой комбинационного тока и введением его в резонатор через источник накачки, благодаря чему и достигается повышение стабильности режима стабилизации мод и обеспечивается устранение дополнительных элементов из резонатора лазера.

В дальнейшем изобретение поясняется подробным описанием лучшего варианта его осуществления со ссылкой на прилагаемый чертеж, на котором представлена принципиальная схема лазера для реализации заявляемого способа.

В данном способе луч лазера, представляющий собой электромагнитное излучение нескольких частот, направляется на нелинейный фотоприемник, где производятся две операции. Во-первых, излучение различных частот смешивается и получается излучение с разностными частотами. Во-вторых, излучение с разностными частотами смешивается и получаются один или несколько комбинационных токов, т. е. излучения с низкой частотой, равной разности двух разностных частот. Низкочастотные колебания выделяются фильтром низкой частоты, усиливаются и возвращаются в резонатор через источник накачки в виде электрического сигнала, моделирующего напряжение питания источника накачки в соответствии с частотой и фазой комбинационного тока. В результате этого усиление лазерной среды моделируется с частотой комбинационного тока, приводя к выравниванию разностных частот, т.е. к синхронизации мод лазерного излучения.

Для синхронизации мод в соответствии с предлагаемым способом можно использовать лазер (см. чертеж), состоящий из активного тела 1, резонатора 2, источника накачки 3 и управляющей цепи, состоящей из нелинейного фотоприемника 4, объединенного с фильтром низких частот 5, усилителя низкой частоты 6 и управляющего элемента 7. Активным телом 1 лазера может служить газовая смесь, кристалл, жидкость или иная активная среда. Резонатор 2 может быть любой произвольной формы с любым расположением внутренних элементов. Источником накачки 3 может быть лазер, светодиоды, электрический разряд, лампа и т. д. В качестве фотоприемника 4 можно использовать любой фотоэлектрический приемник, работающий в нелинейном режиме, например фотодиод без напряжения смещения. Фильтром низких частот 5 служит собственная емкость фотодиода. Управляющим элементом 7 может быть сопротивление, транзистор, тиристор или другой элемент, способный изменять выходное напряжение источника накачки 3, а также вспомогательный источник накачки, включенный параллельно с основным. Усилитель низкой частоты 6 может быть собран на интегральных схемах или транзисторах по известным схемам.

Электромагнитное лазерное излучение, появляющееся в активном теле 1, помещенном в резонатор 2, под действием источника накачки 3, состоит из электромагнитных волн различных частот (мод). Частота двух соседних мод отличается друг от друга на величину
Df = C/2L, где,
где
Δf разность частот двух ближайших по частоте мод;
C скорость света;
L длина резонатора.

Для того чтобы разность частот была строго одинакова для всех соседних мод, излучение лазера направляется на внерезонаторный нелинейный фотоприемник 4, где происходит первое нелинейное преобразование частот излучения с образованием излучения с разностными частотами Δf, затем второе нелинейное преобразование с образованием излучения с частотой, равной разности двух разностных частот Δf₁-Δf₂, где
Δf₁ и Δf₂ разностные частоты двух соседних пар мод. Например, если Δf₁ - разность частот первой и второй моды, то Δf₂ разность частот второй и третьей моды. Излучение с частотой, равной разности двух разностных частот, называемое комбинационным током [M.Sargent, M.Scully, W.Lamb. LASER PHYSICS, Fddison-Wesley, 1977 (USA), p.131. выделяется из излучения лазера с помощью фильтра низких частот 5, усиливается в усилителе низкой частоты 6 и через управляющий элемент 7 подается как управляющий сигнал на источник накачки 3. Управляющий сигнал через источник накачки 3 меняет уровень возбуждения активного тела 1 и приводит к синхронизации мод излучения лазера, т.е. к принудительному выравниванию частотных интервалов между соседними модами.

Достоинствами способа являются возможность усиления излучения комбинационной частоты, возможность использования для смешения излучения разных частот простых и недорогих фотоэлектрических приемников, низкая частота вводимого в резонатор комбинационного тока, что упрощает усиление, фильтрацию и модуляцию источника накачки. Независимость от размеров и конфигурации резонатора, отсутствие дополнительных внутрирезонаторных элементов.

Использование: изобретение относится к лазерной технике. Сущность: в способе синхронизации мод в лазере, включающем первое нелинейное преобразование частот излучения с выделением разностных частот соседних мод, второе нелинейное преобразование разностных частот и выделение низкочастотного излучения с частотами, равными разности двух разностных частот, а также использование низкочастотного излучения в качестве управляющего сигнала для синхронизации, первое и второе нелинейные преобразования частот производят вне лазерного резонатора, затем полученное низкочастотное излучение с частотами, равными разности двух разностных частот, усиливают и подают на источник накачки в качестве управляющего напряжения для синхронизации мод. 1 ил.

Способ синхронизации мод в лазерах, включающий первое нелинейное преобразование частот излучения с выделением разностных частот соседних мод, второе нелинейное преобразование разностных частот и выделение низкочастотного излучения с частотами, равными разности двух разностных частот, а также использование упомянутого низкочастотного излучения в качестве управляющего сигнала для синхронизации мод, отличающийся тем, что первое и второе нелинейные преобразования частот производят вне лазерного резонатора, затем полученное низкочастотное излучение с частотами, равными разности двух разностных частот, усиливают и подают на источник накачки лазера в качестве управляющего напряжения для синхронизации мод.