ЛАЗЕР С ВНУТРИРЕЗОНАТОРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ИЗЛУЧЕНИЕМ Российский патент 2004 года по МПК H01S3/136 

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к устройствам для генерации стабильных ультракоротких, преимущественно пикосекундных, световых импульсов, и может быть использовано в системах передачи и обработки информации, лазерной локации, обработки материалов.

Известен лазер с внутрирезонаторным управлением излучением, в частности стабилизацией параметров, с использованием отрицательной обратной связи, в котором внутрирезонаторное устройство управления выполнено на основе жидкостной ячейки Керра (H.Statz et al. “Problem of Spike Elimination in Lasers”, Journal of Applied Physics, vol.36, No.5, 1965, p.1510), для управления которой необходимо сформировать напряжение в несколько кВ.

Понизить управляющее напряжение в системе отрицательной обратной связи до сотен вольт при создании внутрирезонаторного устройства управления излучением позволяет использование поперечного электрооптического эффекта в кристаллах. Наиболее близким к заявляемому по совокупности существенных признаков является пикосекундный лазер с внутрирезонаторной системой отрицательной обратной связи на основе модулятора МЛ-102 и внутрирезонаторным насыщающимся поглотителем, описанный в работе А.И.Андреева и др. “YAG:Nd-лазер в режиме пассивной синхронизации мод с отрицательной обратной связью на основе сильноточного фотоумножителя”, Квантовая электроника, т.16, №8, 1989, с.1604. Насыщающийся поглотитель осуществляет синхронизацию мод лазера, а отрицательная обратная связь позволяет получить квазистационарную генерацию, в процессе которой происходит формирование пикосекундных импульсов. Однако ограниченная фотостабильность насыщающегося поглотителя приводит к постепенному изменению параметров генерируемых импульсов. Кроме того, в описываемом устройстве принципиально исключается задержка в цепи положительной обратной связи, что препятствует реализации режимов генерации с широкой областью стабильности. Нестабильность проявляется в том, что при увеличении накачки во временном ходе лазерного излучения возникают самопульсации с последующим переходом к хаотическому режиму работы, при котором мощность излучения представляет собой случайную функцию времени.

Настоящее изобретение решает задачу создания лазера с внутрирезонаторным управлением излучением при минимально возможном напряжении управления для долговременной генерации ультракоротких импульсов длительностью, сравнимой с длительностью импульсов лазера, в котором используется фототропный насыщающийся поглотитель.

Задача решается тем, что в лазере с внутрирезонаторным управлением излучением, содержащем размещенные в резонаторе активный элемент, поляризатор и устройство управления излучением, содержащее электрооптический модулятор, упомянутый модулятор выполнен по термокомпенсированной схеме по меньшей мере из двух кристаллов, при этом электрическая связь между кристаллами разомкнута, а с первым и вторым кристаллами связаны соответственно первая и вторая схемы управления, при этом первая схема управления выполнена с возможностью быстрого изменения управляющего напряжения с характерным временем, меньшим времени обхода излучением резонатора лазера τ _р, а вторая схема управления оптически связана с резонатором лазера и обеспечивает время отклика управляющего напряжения, большее или равное τ _р.

Устройство управления излучением размещается вблизи глухого зеркала лазера и выполняется на основе термокомпенсированного электрооптического модулятора, состоящего из двух или более кристаллов с поперечным электрооптическим эффектом, при этом электрическая связь между кристаллами разомкнута, и с каждым кристаллом связана своя схема управления, причем вторая схема управления связана с кристаллом, расположенным дальше от глухого зеркала, и оптически связана с резонатором, а первая связана с кристаллом, расположенным ближе к зеркалу.

Выигрыш по напряжению в заявляемом лазере обеспечивается применением в термокомпенсированном модуляторе поперечного электрооптического эффекта. Модулятор выполнен, например, в виде двух определенным образом ориентированных кристаллов (Мустель Е.Р., Парыгин В.Н. “Методы модуляции и сканирования света”, М.: Наука, 1970, с.33, рис.1.11). При традиционном использовании модулятора оба кристалла электрически соединены. В заявляемом лазере электрическая связь между кристаллами разомкнута и кристаллы используются независимо, но при этом термокомпенсация не нарушается. В заявляемом лазере вторая секция модулятора (второй кристалл) служит для реализации отрицательной обратной связи, обеспечивающей стабилизацию его излучения. Первая секция служит для формирования ультракороткого импульса лазерного излучения и сокращения его длительности. При этом более быстрое изменение напряжения приводит к генерации световых импульсов меньшей длительности.

Первая схема управления может быть выполнена в виде генератора гармонических колебаний с частотой генерации N/τ _p, где N - целое число. Минимальная частота колебаний составляет 1/τ _р. При определенных условиях схема управления вторым кристаллом позволяет осуществить режим самосинхронизации мод за счет быстрой задержанной отрицательной обратной связи и генерировать одиночные на аксиальном интервале импульсы длительностью τ (Д.Б.Ворчик, М.В.Горбунков. Самосинхронизация мод Nd-YAG лазера в режиме быстрой задержанной отрицательной обратной связи с помощью высоковольтных сборок обратно смещенных кремниевых р-n переходов. Физические процессы в приборах электронной лазерной техники. Труды МФТИ, М., 1995, с.4). В этом случае частота управляющего напряжения первой секции может быть повышена до значения ν _m≈_{1/τ , причем ν m должна быть гармоникой частоты 1/τ р для синхронизации воздействия первой схемы управления с моментами прохождения светового импульса через модулятор.}

Первая схема управления может быть также выполнена в виде высокодобротного контура ударного возбуждения на частоте N/τ _p, где N - целое число. Контур содержит фотодетектор, оптически связанный с линией оптической задержки, в свою очередь оптически связанной с резонатором лазера, причем колебания в контуре возбуждаются импульсами тока фотодетектора.

Первая схема управления модулятором также может быть выполнена в виде генератора последовательности ультракоротких электрических импульсов с частотой следования, кратной 1/τ _р.

Первая схема управления может быть выполнена также в виде релаксатора, содержащего фотодетектор, оптически связанный с резонатором лазера через линию задержки. Быстродействие релаксатора определяется двумя параметрами: временем отклика фототока τ _ф и временем релаксации RС_м, где С_м - емкость кристалла модулятора, a R - сопротивление, через которое происходит разряд С_м. Оптимальное управление достигается, когда RС_м не превышает τ _ф. Для генерации импульсов меньшей длительности желательно выбирать фотодетекторы с минимальным τ _ф.

Чтобы обеспечить генерацию одиночных на аксиальном интервале импульсов достаточно малой длительности в режиме самосинхронизации мод при быстрой сдвинутой во времени отрицательной обратной связи, необходим достаточно острый временной ход потерь. Поэтому вторую схему управления целесообразно также выполнить на основе релаксатора. Оптимальное значение RС_м в схеме управления второй секцией составляет 1-3 τ _р.

Изобретение поясняется описанием и чертежами.

На фиг.1 приведена схема лазера с внутрирезонаторным управлением излучением, на фиг.2 - схема лазера, в которой первая схема управления оптически связана с резонатором лазера через линию задержки, на фиг.3 - схема контура ударного возбуждения, содержащего фотодетектор, на фиг.4 - схема управления в виде релаксатора, содержащего фотодетектор, на фиг.5 - временной ход пропускания внутрирезонаторного модулятора, управляемого схемой на основе релаксатора, осуществляющей отрицательную обратную связь, на фиг.6 - временной ход пропускания двухсекционного внутрирезонаторного модулятора с первой схемой управления в виде генератора гармонических колебаний и второй схемой управления на основе релаксатора, на фиг.7 - временной ход пропускания двухсекционного внутрирезонаторного модулятора с первой и второй схемами управления на основе релаксатора.

Лазер состоит из активного элемента 1, размещенного в резонаторе, образованном зеркалами 2 и 3. В резонаторе размещены также поляризатор 4 и устройство управления излучением, включающее двухсекционный термокомпенсированный модулятор на основе поперечного электрооптического эффекта, первая 5 и вторая 6 секции которого выполнены в виде определенным образом ориентированных кристаллов, электрическая связь между которыми отсутствует. Первая секция модулятора 5 расположена как можно ближе к глухому зеркалу 2. С первой секцией модулятора электрически связана схема управления 7, а с второй секцией модулятора - схема управления 8 с входящим в ее состав фотодетектором 9. Первая схема управления выполнена с возможностью быстрого изменения управляющего напряжения с характерным временем, меньшим времени обхода излучением резонатора лазера τ _р. Вторая схема управления оптически связана с линией задержки 10 и обеспечивает время отклика управляющего напряжения, большее или равное τ _р. Первая схема управления 5 может быть выполнена в виде генератора гармонических колебаний с частотой генерации, кратной N/τ _p, где N - целое число (п.2), а также генератора ультракоротких электрических импульсов (п.4). Она может быть выполнена также в виде высокодобротного контура ударного возбуждения на частоте N/τ _p (п.3), включающего фотодетектор 11, оптически связанный с резонатором через дополнительную линию задержки 12 или генератора импульсов на основе релаксатора (п.5), также содержащего фотодетектор 11, оптически связанный с резонатором через дополнительную линию задержки 12. Вторая схема управления 8 может быть выполнена в виде релаксатора (п.6), содержащего фотодетектор 9.

Лазер с внутрирезонаторным управлением излучения функционирует следующим образом. Часть излучения лазера выводится из резонатора, образованного зеркалами 2 и 3 (фиг.1), и через линию задержки 10 поступает на фотодетектор 9 второй схемы управления 8. Задержка выбирается таким образом, чтобы световой импульс проходил через модулятор в момент максимального открытия второй секции 6. В тот же момент на первую секцию модулятора 5 поступает быстро изменяющееся во времени напряжение, обеспечивающее на короткое время еще большее открытие модулятора, что обеспечивает дополнительное обострение временного хода пропускания модулятора.

Цепь отрицательной обратной связи, образованная элементами 6, 8, 9 и 10, позволяет стабилизировать параметры излучения лазера, выйти на квазистационарный режим генерации и обеспечить достаточное время для формирования ультракоротких импульсов.

Быстрое изменение потерь вблизи момента прохождения светового импульса через модулятор, обеспечиваемое первой секцией, приводит к формированию ультракороткого светового импульса. Длительность установившегося импульса с учетом изменившегося временного хода пропускания модулятора определяется следующим образом:

где Т_max - максимальное пропускание модулятора,

- величина второй производной пропускания T(t) по времени в момент достижения максимального значения Т_max,

Δ f - ширина линии усиления активной среды лазера,

g₀ - насыщенное усиление на центральной частоте линии усиления при полном обходе светом резонатора.

Управление секциями модулятора можно осуществлять с помощью гармонических сигналов (лазер по п.2 и п.3) или периодических импульсов напряжения (лазер по п.4, п.5 и п.6). Управляющий сигнал может быть постоянным по амплитуде (активная синхронизация мод) (лазер по п.2 и п.4) или зависеть от интенсивности лазерного излучения (лазер по п.3, п.5 и п.6). В последнем случае реализуется внешняя положительная или отрицательная обратная связь.

При применении гармонического управляющего напряжения целесообразно использовать высокую частоту модуляции. Для резонатора с временем обхода допустимыми являются резонансные частоты, кратные 1/τ _р. Чтобы обеспечить генерацию одиночных на аксиальном интервале импульсов в случае использования высокой гармоники, необходим достаточно острый временной ход потерь, вызванных действием отрицательной обратной связи. Поэтому для построения системы отрицательной обратной связи целесообразно использовать схему релаксатора.

Принцип действия отрицательной обратной связи при этом состоит в следующем. Часть излучения выводится из резонатора лазера и с определенной задержкой подается на фотодетектор схемы управления. Нарастанию мощности излучения соответствует увеличение внутрирезонаторных потерь, что приводит к стабилизации излучения, то есть реализуется внешняя отрицательная обратная связь. В случае генерации ультракоротких импульсов при оптимальной задержке управляющего сигнала имеет место следующий временной ход внутрирезонаторных потерь (фиг.5).

Заряд емкости током фотодетектора соответствует резкому увеличению потерь. Медленное уменьшение потерь с характерным временем релаксации соответствует разряду емкости затвора. Острота временной зависимости T(t) определяется временем отклика фотодетектора и постоянной времени заряда емкости. Применение быстрых фотодетекторов с временем отклика, много меньшим τ _р, позволяет эффективно использовать высшие гармоники частоты 1/τ _р для управления второй секцией модулятора.

Подача коротких импульсов напряжения на первую секцию модулятора дает возможность использовать менее выраженную временную модуляцию потерь, вызванных действием отрицательной обратной связи. Для релаксатора это позволяет использовать большие значения RС_м и таким образом увеличить чувствительность отрицательной обратной связи. Характерный временной ход внутрирезонаторных потерь при оптимально выбранных задержках управления в первой и второй секциях приведен на фиг.7.

Оптимальная задержка в управлении второй секцией - такая же, как в случае релаксатора, в первой - такая, чтобы короткий управляющий импульс приходил в момент минимальных потерь, обусловленных действием второй секции модулятора.

Заявляемое устройство позволяет осуществить внутрирезонаторное управление излучением, в том числе стабилизацию его параметров, синхронизацию мод и пр. Устройство может быть использовано в системах передачи и обработки информации, лазерной локации и других отраслях техники.

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в системах передачи и обработки информации, лазерной локации и других отраслях техники. Лазер содержит размещенные в резонаторе активный элемент, поляризатор и устройство управления излучением, включающее модулятор и схемы управления модулятором. Модулятор выполнен по термокомпенсированной схеме по меньшей мере из двух кристаллов, при этом электрическая связь между кристаллами разомкнута, а с первым и вторым кристаллами связаны соответственно первая и вторая схемы управления. Первая схема управления оптически связана с резонатором лазера и выполнена с возможностью быстрого изменения управляющего напряжения с характерным временем, меньшим времени обхода излучением резонатора лазера τ_р, а вторая схема управления оптически связана с резонатором лазера и обеспечивает время отклика управляющего напряжения, большее или равное τ_р. Обеспечено создание лазера с внутрирезонаторным управлением излучением при минимально возможном напряжении управления для долговременной генерации ультракоротких импульсов длительностью, сравнимой с длительностью лазера, в котором используется фототропный насыщающийся поглотитель. 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Лазер с внутрирезонаторным управлением излучением, содержащий размещенные в резонаторе активный элемент, поляризатор и устройство управления излучением, при этом устройство управления излучением содержит электрооптический модулятор, отличающийся тем, что упомянутый модулятор выполнен по термокомпенсированной схеме по меньшей мере из двух кристаллов, при этом электрическая связь между кристаллами разомкнута, а с первым и вторым кристаллами связаны соответственно первая и вторая схемы управления, причем первая схема управления выполнена с возможностью быстрого изменения управляющего напряжения с характерным временем, меньшим времени обхода излучением резонатора лазера τ_р, а вторая схема управления оптически связана с резонатором лазера и обеспечивает время отклика управляющего напряжения, большее или равное τ_р.2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что первая схема управления выполнена в виде генератора гармонических колебаний с частотой генерации N/τ_p, где N - целое число.3. Лазер по п.1, отличающийся тем, что первая схема управления выполнена в виде высокодобротного контура ударного возбуждения на частоте N/τ_p, содержащего фотодетектор, оптически связанный с резонатором лазера через линию задержки.4. Лазер по п.1, отличающийся тем, что первая схема управления модулятором выполнена в виде генератора ультракоротких электрических импульсов.5. Лазер по п.1, отличающийся тем, что первая схема управления выполнена в виде релаксатора, содержащего фотодетектор, оптически связанный с резонатором лазера через линию задержки.6. Лазер по п.1, отличающийся тем, что вторая схема управления выполнена в виде релаксатора, содержащего фотодетектор, оптически связанный с резонатором лазера через линию задержки.