ЛАЗЕР С ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ЧАСТОТЫ Российский патент 1998 года по МПК H01S3/109 

Изобретение относится к квантовой электронике и нелинейной оптике.

Известно, что для ряда практических применений необходимы когерентные источники монохроматического излучения с короткой длиной волны, получение которого "прямым" путем затруднено и которое получают путем преобразования исходного излучения с большей длиной волны с использованием нелинейной оптики.

Частота электромагнитного излучения эффективно преобразуется только в определенном направлении, соответствующем фазовому согласованию основной волны и гармоники (направление синхронизма). Поэтому к параметрам излучения генератора основной частоты предъявляют жесткие требования. Оно должно быть монохроматичным, иметь малую расходимость, стабильное направление распространения и длину волны. Например, для эффективного удвоения частоты в кристалле дигидрофосфата калия (КДП) требуется расходимость излучения порядка нескольких минут. Последнее обстоятельство делает неэффективным преобразование непосредственно излучения полупроводниковых лазеров вследствие его большой расходимости, но поскольку потребность в таком преобразовании имеется, то предлагаются различные технические решения, позволяющие его осуществлять.

Известно устройство для преобразования частоты, содержащее лазер, излучающий основную волну, и нелинейный кристалл в качестве генератора второй гармоники (ГВГ) [1]. Для обеспечения возможности использования в качестве источника основного излучения полупроводникового лазера, имеющего расходимость излучения до десятков градусов, нелинейный кристалл помещают в тепловое поле с продольным градиентом. В результате этого различные части кристалла будут иметь различные условия выполнения синхронизма, что повышает эффективность преобразования.

Недостатком известного устройства является необходимость высокоточной температурной стабилизации теплового поля и в том числе сохранение стабильного градиента, поскольку любые их изменения влияют на условия синхронизма и, в конечном итоге, на эффективность ГВГ, а значит на стабильность получаемого излучения.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по своей технической сущности и достигаемому результату является известный лазер с преобразованием частоты, содержащий излучатель основной частоты и нелинейный кристалл [2].

Недостатком известного устройства является относительно низкий коэффициент преобразования частоты излучения.

Заявляемое изобретение направлено на повышение эффективности преобразования частоты излучения.

Указанная задача достигается тем, что лазер содержит излучатель основной частоты с протяженным источником излучения и нелинейный кристалл - преобразователь частоты.

Отличительным признаком заявляемого лазера является выполнение излучателя с протяженным источником излучения, а именно таким, что длина зоны излучения много больше ее ширины.

Выполнение источника излучения протяженным позволяет повысить коэффициент преобразования частоты. Экспериментально установлено, что если в качестве излучателя основной частоты используется известный полупроводниковый лазер, работающий в непрерывном режиме, то преобразуется во вторую гармонику приблизительно 0,1% основного излучения, а при работе в импульсном режиме - до 3 - 6%. При выполнении же источника излучения протяженным установлено, что коэффициент преобразования основного излучения во вторую гармонику при работе в непрерывном режиме возрастает до 0,2%, а при работе в импульсном режиме - до 8 - 10%. Протяженный источник излучения создается путем использования набора линейки полупроводниковых лазеров, размещаемой на общем основании и подключаемой к общему источнику питания. Хотя конструктивно такой излучатель представляет набор дискретных источников излучения, таковым он является только в ближней зоне.

Вследствие значительной расходимости излучения от каждого отдельного полупроводникового лазера излучение от линейки лазеров воспринимается уже на расстоянии нескольких миллиметров как излучение от протяженного излучателя с неравномерным распределением интенсивности внутри него и соответственно преобразуется как таковой оптическими системами.

На чертеже схематично показан заявляемый лазер с преобразованием частоты.

Лазер представляет собой излучатель 1, выполненный в виде линейки полупроводниковых лазеров 2, например, типа ИЛПН-112, излучающих на длине волн λ = 810 нм и имеющих мощность излучения 250 мВт с расходимостью излучения 8 - 10⁰ в плоскости, проходящей через линейку лазеров. В частном случае реализации излучатель может быть выполнен и в виде одиночного полупроводникового лазера с максимально возможным линейным размером излучающего пятна. Лазеры имеют размер в плоскости линейки 200 мкм и размещены с зазором 5 мкм. При этом излучающие переходы лазеров могут быть ориентированы как вдоль плоскости, проходящей через линейку, так и перпендикулярно ей. За излучателем (по ходу луча) расположена оптическая система 3 (показана на чертеже условно), обеспечивающая преобразование расходящегося луча от излучателя в сходящийся в объеме нелинейного кристалла-преобразователя 4. В качестве нелинейного кристалла могут использоваться любые из числа известных: дигидрофосфат калия, ниобат лития, ниобат бария-стронция, ниобат иода и т.д.

Лазер работает следующим образом.

От источника питания напряжение подается на каждый из полупроводниковых лазеров 2, смонтированных в излучатель 1. В результате лазеры испускают основное монохроматическое излучение с длиной волны λ = 810 нм. Затем основное излучение оптической системой 3 фокусируется на нелинейный кристалл 4. После прохождения нелинейного кристалла излучение содержит как основное излучение с λ = 810 нм, так и с удвоенной частотой ( λ = 405 нм) и используется по назначению с последующей обработкой или без нее. (Излучение может отфильтровываться, фокусироваться, расфокусироваться и т.п.).

Использование: в квантовой электронике и нелинейной оптике. Сущность изобретения: лазер содержит излучатель основной частоты с источником излучения, у которого длина зоны излучения много больше ее ширины, и нелинейный кристалл-преобразователь частоты. 1 ил.

Лазер с преобразованием частоты, содержащий излучатель основной частоты и нелинейный кристалл-преобразователь, отличающийся тем, что длина зоны излучения в излучателе много больше ее ширины.