ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 1998 года по МПК H01S3/10 

Изобретение относится к области квантовой электроники, в частности к перестраиваемым импульсным твердотельным лазерам, и может быть использовано в лазерных спектрометрах и измерительных комплексах на основе перестраиваемых лазеров.

Известны перестраиваемые лазеры с активными средами, обладающими широкой полосой люминесценции, в которых управление спектральными характеристиками генерации осуществляется с помощью дисперсионных элементов (1). Широкое применение для этих целей получили элементы с угловой дисперсией: призмы, дифракционные решетки. Это вызвано простотой устройства и развитой технологией производства указанных дисперсионных элементов. Достоинством этого способа перестройки является возможность перестройки длины волны генерации во всем диапазоне, определяемом полосой усиления активной среды. Вместе с тем такие лазеры обладают существенными недостатками, присущими механическим системам поворота, среди которых можно выделить следующие: ограничения точность настройки на заданную длину волны, отсутствие возможности скоростного программного управления спектром излучения.

Известны перестраиваемые лазеры, в которых перестройка осуществляется электронными средствами путем изменения управляющего параметра оптического перестраиваемого элемента (напряжения в электрооптическом фильтре или частоты УКВ-сигнала в акустооптическом фильтре). При этом элементе резонатора остаются неподвижными. Один из методов электронного управления основан на сечении в резонаторе лазера элемента, обладающего угловой дисперсией, и дефлектора, отклоняющего световой пучок в плоскости дисперсии.

Так в (2) сообщалось впервые об использовании акустооптического дефлектора для перестройки длины волны в лазере на растворе органического красителя в диапазоне 4...5 нм с шириной линии 0.4 нм при КПД лазера 4%. В последующих работах, например (3), введение призменного телескопа и голографического селектора в резонатор лазера на красителе обеспечило получение ширины линии генерации 0,005 нм. При этом КПД лазера составлял 10...15% в диапазоне перестройки лазерного излучения 14...11 нм. Изменение интенсивности излучения накачки приводило к флуктуациям абсолютного значения волны излучения и спектральной ширины линии.

Другие возможности данного метода перестройки показаны в (4), где акустооптический дефлектор использовался в резонаторе лазера на неодимовом стекле, при ширине линии 0.01 нм, диапазон перестройки составлял 10 нм, впервые получена модуляция излучения при свипировании.

Наиболее близким к заявляемому решению (прототипом) является работа, где акустооптический дефлектор введен в резонатор лазера с активным элементом на кристалле сапфира с титаном с ламповой накачкой (В.С.Бураков, А.А.Демидович, В. И. Кравчено и др. Лазер на кристалле Al₂O₃ • Ti³⁺ с ламповой накачкой и акустооптическим управлением параметрами генерации. Квантовая электроника, N 1, т.18, с.5-6) (5).

В этой работе впервые получена электронная перестройка в широком спектральном диапазоне 160. . . 200 нм с шириной линии 0.3 нм при ламповой накачке (область перестройки без АОД составляет 350 нм). Введение селектора позволило получить генерацию с шириной линии порядка 0,01 нм, а диапазон электронной перестройки при этом составлял 15 нм.

Используемая в прототипе конструкции резонатора лазера не обеспечивала возможность электронной перестройки длины волны излучения в более широком диапазоне из-за падения эффективности дифракции в акустооптическом дефлекторе, что обусловлено рассогласованием брюгговской дифракции при большом относительном изменении длины волны (Δλ/λ₀>0.02). КПД такого лазера также небольшой из-за относительно большого уровня неселективных потерь дисперсионного резонатора. Отсутствие систем контроля и обратной связи позволило стабилизировать длину волны лазерного излучения при случайных изменениях энергии накачки или других технических возмущениях резонатора. Существенным недостатком является также изменение ширины линии генерации в процессе перестройки, что обусловлено изменением превышения накачки над потерями в резонаторе.

Задачей настоящего изобретения является создание лазера где достигается:
увеличение коэффициента полезного действия при генерации узкополосного излучения,
расширение диапазона электронной перестройки,
стабилизация ширины линии и абсолютного значения длины волны, а также управление длиной волны и спектральной шириной линии генерации по заданной программе.

1. Поставленная задача выполняется за счет того, что лазер содержит задающий генератор, состоящий из активного вещества и дефлектора, установленных в дисперсионный резонатор, систему контроля ширины линии и длины волны, устройство управления УКВ-генератором, а также многопроходовый усилитель, согласно изобретению в задающем генераторе звукопровод акустооптического дефлектора (АОД) выполнен в виде призмы с углом θ между входной гранью и плоскостью, на которой установлен преобразователь, где
θ = 90^°-α-arcsin(sinβ/n),
где
β - угол падения светового пучка на входную грань;
n - коэффициент преломления;
α - угол Брегга для центральной длины волны и частоты акустического взаимодействия.

При этом акустооптическая решетка в дефлекторе возбуждается так, что ее собственная угловая дисперсия, дисперсия звукопровода и автоколлимационной решетки складываются с дисперсией телескопа, дефлектор установлен по отношению к телескопу так, что за счет угловой дисперсии телескопа и входной грани звуковопровода происходит коррекция угла падения светового пучка на акустическую решетку, обеспечивая тем самым эффективное акустооптическое взаимодействие в более широком диапазоне длин волн, многопроходовый усилитель образован двумя полупрозрачными отражателями, один из которых является выходным отражателем задающего генератора, а источник УКВ-сигнала дополнен последовательно связанными между собой модулем автоматического управления и измерителем спектральных параметров излучения.

Существенными отличительными признаками предлагаемого изобретения являются:
а) расположение дефлектора, входная грань которого установлена под углом θ к падающему излучению, а дисперсия возбуждаемой в нем акустической решетки и звукопровода складываются, кроме того, дефлектор расположен так, что его угловая дисперсия складывается с дисперсией телескопа, а изменение угла падения светового луча на акустическую решетку поддерживает условие эффективной дифракции в более широком диапазоне длин волн;
б) лазер содержит систему контроля длины волны и ширины линии излучения, которая в совокупности с устройством управления источника УКВ-сигнала обеспечивают стабилизацию указанных параметров при любых случайных изменениях условий генерации, например энергии импульса накачки, технических флуктуаций в резонаторе, при изменении частоты и мощности УКВ-сигнала, подаваемого на АОД, и т.д.;
в) многопроходовый усилитель обеспечивает эффективное усиление слабомощного узкополосного излучения, а общий с генератором оптический отражатель обеспечивает дополнительное увеличение интенсивности излучения в задающем генераторе.

Изобретение поясняется чертежом, где приведена схема перестраиваемого лазера.

Обозначения на чертеже следующие: 1 и 2 - активные среды генератора и усилителя, 3 - полупрозрачное зеркало, 4 - дифракционная решетка, 5 - призменный телескоп, 6 - акустооптический дефлектор, 7 - источник УКВ-сигнала, 8 - модуль управления источником УКВ-сигнала, 9 - модуль контроля ширины линии и длины волны лазерного излучения, 10 - входное зеркало многопроходового усилителя, 11 - светоделитель.

2. Перестраиваемый лазер может быть реализован при использовании в качестве активной среды 1, 2 кристаллов из сапфира с титаном, расположенный на несущей конструкции. Резонатор образован полупрозрачным отражателем 3 и дифракционной решеткой 4. Для уменьшения расходимости падающего на решетку светового пучка использован дисперсионный телескоп 5. Для изменения частоты настройки резонатора, т. е. изменения длины волны генерации и управления добротностью резонатора, использован акустооптический дефлектор 6. В свою очередь сигнал на дефлектор поступает от синтезатора частоты 7, который управляется модулем 8. Информация в режиме стабилизации параметров поступает на модуль управления 8 от измерителя спектральных параметров 9, излучение на который попадает от светоделителя 10.

В качестве активных сред 1, 2 использованы кристаллы сапфира с титаном длиной 30 мм и концентрацией активатора ≈ 0.1 мас.%. Накачка осуществляется второй гармоникой импульсного неодимового лазера.

В качестве полупрозрачных зеркал 3 и 10 использованы оптические отражатели, обеспечивающие необходимую добротность генератора и усилителя при заданных параметрах накачки.

В качестве дифракционной решетки 4 может использоваться нарезная автоколлимационная дифракционная решетка или голографический селектор. Телескоп 5 представляет набор дисперсионных призм (выходные грани которых просветлены) и установлены так, что их угловая дисперсия складывается.

В качестве дефлектора 6 используется акустооптический дефлектор, звукопровод которого вырезан из кристалла парателлурита так, что его выходная грань по отношению к плоскости преобразователя расположена под углом θ, а плоскость преобразователя под углом ≈ 8^o по отношению к оптической оси кристалла. Это обеспечивает более высокую избирательность резонатора за счет увеличение угловой дисперсии ≈ на 20 - 30%, так как в этом случае общая дисперсия резонатора состоит из дисперсии селектора, телескопа, звукопровода дефлектора и акустооптической решетки. Расширение диапазона электронной перестройки достигается за счет угла падения светового пучка на акустическую решетку, вследствие его отклонения при прохождении призменного телескопа и звукопровода дефлектора.

Источником УКВ-сигнала 7 служит синтезатор частоты, работающий в диапазоне 30 - 110 МГц с электронным управлением значением частоты и мощности УКВ-сигнала от внешнего модуля управления 8.

Модуль управления 8 преобразует поступающую на него информацию от измерителя ширины линии и длины волны 9 и преобразует ее в соответствующий сигнал для управления синтезатором частоты.

В качестве устройства контроля ширины линии и длины волны 9 могут использоваться как известные измерители длин волн (6), дополненные устройством для контроля за шириной линии, так и специально разработанные для этого устройства, обеспечивающие одновременно контроль ширины линии и длины волны каждого лазерного импульса посредством обработки интерферограммы лазерного излучения, поступающей на фотодиодную линейку, с последующей передачей информации на модуль управления 8. В качестве светоделителя 11 может использоваться плоскопараллельная пластинка с минимально необходимым коэффициентом отражения, который зависит от пороговой чувствительности измерителя длины волны.

3. Предлагаемый лазер работает следующим образом. В модуль управления 8 подают синхросигнал от внешнего источника, например блока питания лазера. Формируемый код, присвоенный первому импульсу синхросигнала, приводит к тому, что синтезатор УКВ-сигнала генерирует такую частоту, при которой возбуждаемая в звукопроводе акустическая решетка настраивает дисперсионный резонатор на длину волны, соответствующую первому значению. При возбуждении активной среды, т.е. создании инверсной населенности в кристаллах 1, 2, спонтанное излучение фотонов со всеми возможными длинами волн из диапазона люминесценции активной среды распространяется вдоль оси резонатора в направлении телескопа 5, затем в АОД 6. Так как эффективно взаимодействовать с данной акустической решеткой будут только фотоны соответствующей длины волны, для которых выполняется условие автоколлимационного отражения на решетке 4, в задающем генераторе возникает излучение генерации на определенной длине волны. Выходное излучение задающего генератора поступает в усилитель, в котором многократно проходит через активную среду (число проходов определяется длительностью импульсов излучения и длиной резонатора усилителя), причем основная часть излучения выходит из усилителя и является полезной, а вторая часть поступает через зеркало R1 обратно в задающий генератор. Управляя эффективностью дифракции излучения на акустической решетке, изменяем добротность резонатора, а следовательно и время развития генерации /2/. Ширина спектральной линии в нашем лазере зависит от ширины полосы пропускания дисперсионного резонатора и конечной скорости формирования спектра излучения. В результате естественного сужения спектра излучения ширина линии генерации уменьшается со временем пропорционально K, где K = t_r / t_p - число проходов фотонов по резонатору, т.е.

γ₀ - - неселективные потери.

Режим работы лазера на сапфире с титаном с короткоимпульсной накачкой (t_n << T₁, где T₁ - время жизни возбужденного состояния иона Ti³⁺ в кристалле Al₂O₃ • Ti³⁺ составляет 3.7 мкс) эквивалентен режиму мгновенного включения усиления, который по своей динамике аналогичен режиму модуляции добротности. Динамика развития генерации выглядит следующим образом. Короткоимпульсная накачка практически мгновенно создает инверсную населенность в активной среде, а значит и усиление. Если коэффициент усиления превосходит коэффициент потерь, то возникает генерация, которая характеризуется линейным и нелинейным этапами развития. Длительность линейного этапа развития определяется выражением (2):

а длительность нелинейного этапа, характеризующая длительность импульса генерации,

где
α_п - превышение порога;
ε = = I_люм / I_ген = 10^-13 - отношение интенсивности люминесценции к интенсивности генерации;
T_р = I / K_пот C - время жизни фотона в резонаторе;
K_пот - коэффициент потерь дисперсионного резонатора, который в свою очередь равен

где
τ_Σ = (τ_тел.•τ_АОД)²•R_гс,
R_гс - коэффициент отражения селектора.

Типичные значения длительностей t_лин, τ_имп. генерации, числа проходов K и ширины линии генерации (δλr) для нашего лазера показаны в таблице.

где
t_мин - время двойного обхода резонатора, при следующих параметрах резонатора;
l - длина резонатора = 30 см;
T_р - время жизни фотона в резисторе T_р = 1,2 нс;
Δλ - ширина полосы пропускания дисперсионного резонатора = 10 пм.

Из таблицы видно, что изменение превышения порога генерации приводит к изменению числа проходов, а следовательно - ширины линии генерации. За счет изменения дифракционной эффективности АОД, можно изменять потери резонатора K_пот, и как следствие, управлять шириной линии генерации по заданной программе. Минимально возможная ширина линии генерации достигается в надпороговом режиме за счет уменьшения мощности УКВ-сигнала управления, прикладываемого к преобразователю дефлектора. Таким образом изменение превышения порога, связанное с изменением коэффициента усиления активной среды при перестройке резонатора на крыло контура усиления, компенсируется соответствующим значением мощности УКВ-сигнала.

В надпороговом режиме работы лазер с дисперсионным резонатором генерирует маломощное узкополосное излучение с низким КПД. Увеличение КПД лазера достигается за счет использования многопроходового высокоэффективного усилителя, образованного двумя отражателями, один из которых является выходным зеркалом задающего генератора. Его коэффициент усиления может быть рассчитан по формуле /3/:

где
G₀ - начальный коэффициент усиления по мощности;
R₁₀ - коэффициент отражения выходного зеркала многопроходового усилителя;
R_з - коэффициент отражения выходного зеркала задающего генератора.

Многопроходовый усилитель эффективно работает при малых сигналах, что и оправдывает его применение в настоящем устройстве. Кроме того, что излучение из многопроходового усилителя поступает в дисперсионный резонатор и увеличивает интенсивность излучения внутри дисперсионного резонатора. Инжекция части излучения поддерживает устойчивую непрерывную генерацию в течение всего импульса, несмотря на большие неселективные потери, присущие резонатору с дефлектором и решеткой. В результате, при сохранении узкой линии генерации повышается КПД лазера в целом.

Указанные выше изменения ширины линии излучения в настоящем устройстве регистрируются измерителем спектральной ширины линии генерации 9, сигнал с которого поступает на модуль управления источником УКВ-сигнала 8, где и происходит изменение амплитуды сигнала управления. Изменение эффективности акустической решетки приводит к соответствующему изменению добротности задающего генератора до тех пор, пока не произойдет восстановление спектральной ширины линии. При случайном изменении длины волны, вызванной, например, уходом параметров резонатора из-за температурных изменений, устройство 9 выдает его значение на модуль 8, сигнал коррекции которого и приводит к изменению частоты синтезатора 7, осуществляя тем самым подстройку резонатора на заданную длину волны.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет стабилизировать спектральные параметры и достичь предельно узкой линии генерации при ее электронной перестройке в широком диапазоне, порядка 30 нм. Использование системы контроля спектральными параметрами совместно с модулем управления синтезатором УКВ-сигналов обеспечивает стабилизацию длины волны и ширины линии лазерного излучения при изменении внешних параметров, таких как температура окружающей среды, энергии лазера накачки. Использование многопроходового усилителя обеспечивает высокое КПД преобразования энергии накачки при сохранении длительности импульса генерации.

Использование: изобретение относится к лазерной технике. Сущность: в перестраиваемый лазер введены многопроходовый усилитель, включающий активный элемент и два зеркала, модуль управления источником УКВ-сигнала и измеритель спектральных параметров. Звукопровод акустооптического дефлектора выполнен в виде призмы с углом между входной гранью и плоскостью, на которой установлен преобразователь. При этом акустическая решетка в дефлекторе возбуждается так, что ее собственная угловая дисперсия, дисперсия звукопровода и автоколлимационной решетки складываются с дисперсией телескопа, дефлектор установлен по отношению к телескопу так, что за счет угловой дисперсии телескопа и звукопровода акустооптического дефлектора происходит коррекция угла падения светового пучка на акустическую решетку, обеспечивая эффективное акустооптическое взаимодействие для данной длины волны излучения. 1 ил.

Перестраиваемый лазер, содержащий активный элемент задающего генератора из кристалла сапфира с титаном, акустооптический дефлектор с звукопроводом и источником УКВ сигнала, телескоп, резонатор, образованный выходным полупрозрачным зеркалом и дифракционной решеткой, отличающийся тем, что в устройство введены многопроходовый усилитель, включающий активный элемент и два полупрозрачных зеркала, одно из которых является зеркалом задающего генератора, а также модуль управления источником УКВ сигнала и измеритель спектральных параметров излучения, при этом звукопровод акустооптического дефлектора выполнен в виде призмы с углом θ между входной гранью и плоскостью, на которой установлен преобразователь, где
θ = 90^°-α(arcsin(sinβ/n)),
β - угол падения на входную грань;
n - коэффициент преломления материала звукопровода;
α - угол Брегга для центральной длины волны и частоты акустооптического взаимодействия, акустооптическая решетка в дефлекторе возбуждается так, что ее собственная угловая дисперсия, дисперсия звукопровода и дифракционной решетки складываются с дисперсией телескопа, дефлектор установлен по отношению к телескопу так, что за счет угловой дисперсии телескопа и звукопровода происходит коррекция угла падения светового пучка на акустооптическую решетку.