СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ЛАЗЕРНОЙ СРЕДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК G01N21/62 

Изобретение относится к лазерной технике и квантовой электронике и может быть использовано в физической измерительной аппаратуре, в лазерной локации и в системах лазерной космической связи для высокоточного и оперативного измерения характеристик лазерных сред, входящих в состав лазерных генераторов и лазерных усилителей оптических сигналов.

Известен способ определения характеристик лазерной среды, включающий накачку лазерной среды, генерацию лазерного излучения, ослабление сформированного излучения, преобразование излучения в электрический сигнал посредством фотоприемника и анализ зарегистрированного электрического сигнала [1].

Недостатком данного способа является невозможность определения характеристик тонкой спектральной структуры излучения лазерной среды, что обусловлено широкой полосой спектральной чувствительности фотоприемника, регистрирующего лазерное излучение, и соответственно низкой точностью определения изменений в спектральной характеристике лазерного излучения, по которым судят о параметрах лазерной среды.

Известен способ определения характеристик лазерной газовой среды [2], заключающийся в возбуждении лазерной среды, пропускании через нее оптического сигнала, формировании согласующей голограммы, пропускании через нее оптического сигнала, регистрации его посредством фотоприемника и анализе электрического сигнала. К недостаткам данного способа следует отнести низкую точность измерения вследствие использования аналоговой согласующей голограммы и фотоприемника с широкой полосой спектральной чувствительности.

Известен способ определения характеристик лазерной среды [3], основанный на накачке лазерной среды, генерации лазерного и эталонного излучений, пропускания излучений через интерферометр, например, типа Фабри-Перо, формировании интерферограммы лазерного излучения, регистрации интерферограммы посредством фотопленки, или телевизионного многоэлементного фотоприемника и последующей расшифровке зарегистрированной интерферограммы, по которой судят о спектральных характеристиках исследуемой лазерной среды. К недостаткам данного способа следует отнести ограниченную точность измерения спектральных характеристик, обусловленную ограниченной разрешающей способностью интерферометра и телевизионного фотоприемника, а также невысокое быстродействие, обусловленное большим временем физической настройки интерферометра, значительным временем, затрачиваемым на расшифровку полученной интерферограммы.

В качестве прототипа выбран наиболее близкий по технической сущности способ по патенту РФ [4].

Данный способ решает задачу оперативного определения параметров лазерной среды, используемой для фильтрации, и квантового усиления слабых оптических сигналов. Способ [4] заключается в возбуждении лазерной среды, формировании в ней возмущающего воздействия посредством формирования магнитного поля, формировании первого оптического контрольного сигнала, пропускании его через измеряемую лазерную среду, измерении параметров первого оптического контрольного сигнала после прохождения через измеряемую лазерную среду, изменении величины магнитного поля в лазерной среде до получения наибольшей амплитуды контрольного сигнала после прохождения лазерной среды.

К недостаткам данного способа следует отнести ограниченную точность определения параметров лазерной среды, что обусловлено невысокой точностью установления и определения частоты излучения, генерируемой лазерным диодом, режим работы которого зависит от совокупности трудно контролируемых факторов.

Достигаемый технический результат заключается в увеличении точности определения характеристик лазерной среды, повышении быстродействия процесса измерений.

Новый технический результат достигается тем, что:

1. В известном способе, заключающемся в возбуждении лазерной среды, формировании в ней возмущающего воздействия (например, магнитного поля), формировании и пропускании через лазерную среду первого оптического контрольного сигнала (ОКС) и последующем измерении его параметров, осуществляют формирование первого ОКС импульсно-периодическим, при формировании первого ОКС осуществляют сканирование его частоты излучения, формируют второй оптический контрольный сигнал (ОКС) путем ответвления части первого ОКС, после пропускания первого ОКС через возмущенную лазерную среду при периодическом измерении параметров первого ОКС определяют амплитуды А_i выбросов интенсивности первого ОКС и моменты времени t_ai их появления относительно момента времени t₁ начала формирования первого ОКС и выделяют максимальное значение выброса интенсивности А₂ первого ОКС и момент времени t_a2 его появления, у ранее сформированного второго ОКС осуществляют смещение спектра излучения на величину Δ f, задерживают второй ОКС по времени на величину Δ Т, пропускают второй ОКС через невозмущенную лазерную среду, осуществляют периодическое измерение выбросов интенсивности В_i второго ОКС и моментов времени t_bi появления выбросов относительно момента времени t₁ начала формирования первого ОКС, выделяют максимальное значение В₂ выброса интенсивности второго ОКС и момент времени появления выброса t_b2, определяют величину разности R между моментами времени появления выбросов интенсивности с максимальной амплитудой первого и второго ОКС после прохождения через лазерную среду R=t_b2-t_a2, изменяют величину смещения спектра излучения Δ f до момента достижения равенства разности R величине времени задержки Δ T второго ОКС R=t_b2-t_a2=Δ T, определяют величину смещения Δ f=f_M1 спектра излучения, соответствующую выполнению этого равенства, и определяют характеристики лазерной среды по следующим формулам:

где f_uv - частота полосы квантового усиления возмущенной лазерной среды;

f_u0 - известная частота полосы квантового усиления невозмущенной лазерной среды, соответствующая рабочему лазерному переходу;

γ ₂ - относительный коэффициент усиления возмущенной лазерной среды, соответствующий частоте f_uv полосы квантового усиления;

β - относительный коэффициент ослабления излучения первого и второго оптических контрольных сигналов, равный отношению коэффициентов ослабления излучения второго τ ₂ и первого τ ₁ оптических контрольных сигналов при их формировании при этом относительный коэффициент усиления γ ₂ лазерной среды характеризует отношение величин К₂, К₀: где К₀ - коэффициент усиления лазерной среды на частоте f_u0 полосы квантового усиления, соответствующей невозмущенному рабочему лазерному переходу;

К₂ - коэффициент усиления лазерной среды, соответствующий частоте f_uv полосы квантового усиления возмущенной лазерной среды.

2. Величину задержки по времени Δ T второго оптического контрольного сигнала выбирают, исходя из одновременного выполнения условий:

Δ Т>τ _c,

Δ T>Δ t_k,

где τ _c - длительность промежутка времени, необходимого для выключения возмущающего воздействия на лазерную среду;

Δ t_k - длительность импульса первого оптического контрольного сигнала.

3. Коэффициенты ослабления излучения первого τ ₁ и второго τ ₂ оптических контрольных сигналов определяют в виде произведения коэффициентов ослабления излучения всех оптических элементов на пути распространения соответственно первого и второго ОКС при их формировании от выхода генератора первого ОКС до оптического входа кюветы с лазерной средой.

4. Для определения относительного коэффициента ослабления β первого и второго оптических контрольных сигналов (ОКС) осуществляют последовательно во времени путем формирования первого и второго ОКС, пропускания их порознь через лазерную среду в невозбужденном состоянии, определения по отдельности интенсивностей I₁ и I₂ соответственно первого и второго ОКС посредством фотоприемного устройства, исходя из отношения

5. Для смещения спектра излучения ответвленной части первого ОКС на величину Δ f производят путем пропускания излучения ответвленной части первого ОКС через акустооптический модулятор света, в котором возбуждают акустические волны с частотой модуляции f_м, соответствующей необходимой величине Δ f смещения спектра излучения ответвленной части первого ОКС.

6. В известное устройство для определения характеристик лазерной среды, содержащее входную диафрагму, кювету с лазерной средой, блок накачки лазерной среды, соленоид, подключенный к источнику тока, расположенный в непосредственной близости от кюветы с лазерной средой, генератор первого оптического контрольного сигнала (ОКС), соединенный с выходом генератора импульсных сигналов, первую формирующую линзу, вторую линзу, первое и второе зеркала, фотоприемник и блок обработки информации, при этом оптический выход генератора первого ОКС оптически связан со входом кюветы с лазерной средой посредством первой формирующей линзы и первого зеркала, выход кюветы с лазерной средой оптически связан со входом фотоприемника посредством второго зеркала и второй линзы, а блок обработки информации подсоединен к источнику тока, блоку накачки лазерной среды и генератору импульсных сигналов, введены последовательно расположенные на оптической оси оптически связанные третье зеркало, акустооптический модулятор света (АОМС), третья линза, вторая диафрагма, четвертая линза, рассеивающая пластина, пятая линза, третья диафрагма, шестая линза, четвертое зеркало, оптическая линия задержки (ОЛЗ), пятое и шестое зеркала, а также блок анализа импульсов, синтезатор частоты и электронный усилитель, при этом выход синтезатора частоты соединен с входом электронного усилителя, выход которого подключен к управляющему входу АОМС, оптический вход АОМС связан с оптическим выходом генератора первого ОКС посредством первой формирующей линзы и третьего зеркала, оптический выход линии задержки связан с оптическим входом кюветы с лазерной средой посредством пятого и шестого зеркал, выход фотоприемника подсоединен ко входу блока анализа импульсов, выход которого подключен к блоку обработки информации, выход генератора импульсных сигналов соединен с вторым входом блока анализа импульсов, выход блока обработки информации подсоединен к управляющему входу синтезатора частоты.

7. Устройство для реализации способа измерения характеристик лазерной среды содержит оптический затвор с блоком управления, установленный в канале формирования первого ОКС между первым и третьим зеркалами, а блок управления оптическим затвором подсоединен к блоку обработки информации.

8. Устройство для реализации способа содержит последовательно установленные на оптической оси оптически связанные седьмое зеркало, вторую кювету с лазерной средой и вторым блоком накачки, седьмую линзу и второй фотоприемник, выход которого соединен с блоком анализа импульсов, при этом оптический вход второй кюветы оптически связан с выходом шестой линзы посредством седьмого зеркала, а второй блок накачки подключен к блоку обработки информации.

9. Блок анализа импульсов содержит первый и второй аналого-цифровые преобразователи (АЦП), первый, второй и третий регистры памяти, процессор, формирователь импульсов, генератор синхроимпульсов и электронный переключатель, при этом выходы электронного переключателя подсоединены ко входам первого и второго АЦП, выходы которых подключены к первому и второму регистрам памяти, выходами соединенными со входами процессора, выход которого подключен к третьему регистру памяти, выход формирователя импульсов подключен ко входу генератора синхроимпульсов, выход которого подсоединен к управляющим входам первого и второго регистров памяти, входы электронного переключателя и второго АЦП соединены соответственно с выходами первого и второго фотоприемников, вход формирователя импульсов соединен с выходом генератора импульсных сигналов, процессор и третий регистр памяти соединены с блоком обработки информации.

10. Оптическая линия задержки содержит последовательно установленные на оптической оси входную диафрагму, первую и вторую согласующие линзы и выходную диафрагму.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ. Устройство содержит следующие элементы:

51. Входная диафрагма.

1. Кювета с лазерной средой.

2. Блок накачки лазерной среды.

3. Соленоид с источником тока 4.

4. Источник тока.

5. Генератор первого оптического контрольного сигнала (ОКС).

6. Генератор импульсных сигналов.

7. Первая формирующая линза.

8. Первое зеркало.

9. Второе зеркало.

10. Вторая линза.

11. Фотоприемник.

12. Блок обработки информации.

13. Третье зеркало.

14. Акустооптический модулятор света (АОМС).

15. Третья линза.

16. Вторая диафрагма.

17. Четвертая линза.

18. Рассеивающая пластина.

19. Пятая линза.

20. Третья диафрагма.

21. Шестая линза.

22, 23. Четвертое и пятое зеркала.

24. Шестое зеркало.

25. Блок анализа импульсов.

26. Электронный усилитель.

27. Синтезатор частоты.

28, 29. Входное и выходное окна кюветы 1.

30. Оптическая линия задержки (ОЛЗ).

31. Оптический затвор.

32. Блок управления оптическим затвором.

33. Вторая кювета с лазерной средой.

34. Второй блок накачки.

35. Седьмая линза.

36. Второй фотоприемник.

37. Седьмое зеркало.

Элементы поз.31-37 относятся ко второму и третьему вариантам построения устройства, реализующего способ.

На фиг.4 приведена блок-схема блока анализа импульсов (поз.25 на фиг.1), содержащая следующие элементы:

38, 39. Первый и второй аналого-цифровой преобразователи.

40, 41, 42. Первый, второй и третий регистры памяти.

43. Процессор.

44. Формирователь импульсов.

45. Генератор синхроимпульсов.

46. Электронный переключатель.

На фиг.5 приведена блок-схема оптической линии задержки (ОЛЗ 30 на фиг.1), содержащей элементы:

47, 48. Входная и выходная диафрагмы.

49, 50. Первая и вторая согласующие линзы.

Принцип действия и реализация предлагаемого способа заключаются в следующем.

Лазерная среда, характеристики которой подлежат определению, находится внутри кюветы 1, имеющей оптически прозрачные окна 28, 29. Лазерная среда представляет собой активное вещество, например, в газовой фазе, в качестве которого используется, например, перфторалкилиодид C₃F₇I. Возможно использование и других активных веществ, в том числе активированных кристаллов или стекол. Первой операцией предлагаемого способа является операция возбуждения (накачка) лазерной среды. В дальнейшем при всех последующих операциях лазерная среда находится и поддерживается посредством блока накачки 2 в возбужденном состоянии. Возбуждение лазерной среды осуществляют путем оптической накачки, посредством блока накачки 2, содержащего импульсный источник света на основе, например, газоразрядных ламп. В результате действия блока накачки 2 лазерная среда, заполняющая кювету 1, переходит в возбужденное состояние, характеризуемое инверсией заселенностей соответствующих энергетических уровней лазерной среды, используемых в качестве рабочих переходов. В случае применения указанного активного вещества в газовой фазе активным элементом лазерной среды в кювете 1 является возбужденный атомарный йод, который образуется в возбужденном состоянии под действием оптической накачки блока накачки 2. Рабочим лазерным переходом в атоме йода является магнитодипольный переход между уровнями ²P_3/2 и ²P_1/2, характеризуемый большим радиационным временем жизни τ =0,124 сек, что обуславливает предельно узкую полосу квантового усиления, равную Δ ϑ =0,01 см^-1.

Лазерная среда в возбужденном состоянии, заполняющая кювету 1, используется в качестве высокочувствительного оптического квантового усилителя - активного квантового фильтра - в системах лазерной локации и связи. Далее в возбужденной лазерной среде осуществляют формирование возмущающего воздействия. При наличии возмущающего лазерного воздействия характеристики лазерной среды изменяются.

Целью предлагаемого способа является измерение (исследование) характеристик лазерной среды, в частности, при наличии возмущающего воздействия. В качестве возмущающего воздействия для примера рассмотрено воздействие на лазерную среду магнитного поля, создаваемого соленоидом 3 с источником тока 4. Направление вектора магнитного поля Н_m, создаваемого в лазерной среде, может быть выбрано как перпендикулярно оптической оси O₁-О₂ (фиг.1), так и параллельно ей. Возмущающее воздействие на лазерную среду 1 с помощью магнитного поля обуславливает изменение характеристик лазерной среды, заключающееся в изменении положения энергетических уровней, обуславливающих смещение полосы квантового усиления лазерной среды. Таким образом, после возбуждения лазерной среды 1 с помощью блока накачки 2 осуществляют формирование возмущающего воздействия на лазерную среду путем создания в объеме кюветы 1 постоянного магнитного поля с помощью соленоида 3, подсоединенного к источнику тока 4. Управление включением или выключением тока в обмотке соленоида 3 осуществляют с помощью блока обработки информации 12, с выхода которого управляющий сигнал поступает на вход источника тока 4. Далее осуществляют собственно определение характеристик лазерной среды в кювете 1. Для этого формируют первый оптический контрольный сигнал (ОКС) и пропускают его через кювету 1, заполненную лазерной средой. Формирование первого оптического контрольного сигнала осуществляют с помощью генератора первого оптического контрольного сигнала (ОКС) 5, в качестве которого использован, например, полупроводниковый лазер - лазерный диод. Первый ОКС формируют импульсно-периодическим в виде последовательности импульсов оптического излучения, получаемого за счет импульсно-периодической накачки лазерного диода. Рассмотрение реализации способа далее изложено на примере обработки одного импульса излучения первого ОКС. Данная обработка, выполненная для одного импульса излучения, повторяется далее для каждого последующего импульса излучения первого ОКС.

Накачка лазерного диода - генератора первого оптического контрольного сигнала 5 - осуществляется с помощью генератора импульсных сигналов 6, выход которого подсоединен к генератору 5. Генератор импульсных сигналов 6 формирует импульсно-периодическую последовательность электрических импульсов тока для накачки генератора первого ОКС 5 (лазерного диода), при этом длительность каждого импульса, а также момент времени его появления определяются управляющим сигналом (импульсом), поступающим на вход генератора импульсных сигналов 6 с выхода блока обработки информации 12.

Далее, как указано, рассматривается генерация и обработка одного импульса из формируемой импульсно-периодической последовательности импульсов.

Во время формирования первого ОКС осуществляют сканирование его частоты излучения (термин “сканирование” означает в данном изложении изменение соответствующего параметра во времени). Сканирование частоты f_к излучения первого ОКС осуществляют путем соответствующего сканирования частоты излучения генератора первого ОКС 5. В дальнейшем эти термины определяют одну и ту же операцию и считаются синонимами. В результате сканирования частота излучения f_к и соответственно длина волны λ _к излучения первого ОКС изменяется во времени по линейному (пилообразному) закону, условно представленному на фиг.2, поз.1. На фиг.2, поз. 2 условно представлен один импульс тока накачки, поступающий на электрический вход генератора 5 первого ОКС от генератора импульсных сигналов 6.

На фиг.2 показан момент времени t₁, являющийся моментом времени начала формирования первого ОКС, который соответствует переднему фронту импульса тока накачки (фиг.2, поз.2), формируемого генератором импульсных сигналов 6.

Сканирование частоты излучения f_к генератора первого ОКС 5 - полупроводникового лазерного диода - осуществляют путем изменения температуры данного лазерного диода, которое обусловлено воздействием токового импульса накачки, поступающего на лазерный диод от генератора импульсных сигналов 6, при этом за счет энергии, которую несет токовый импульс накачки, происходит не только возбуждение генерации лазерного диода, но и небольшое изменение его температуры , которая возрастает от начала к концу действия токового импульса накачки. Изменение температуры лазерного диода обуславливает изменение параметров резонатора лазерного диода и как следствие обуславливает изменение во времени (сканирование) частоты излучения лазерного диода. Изменение частоты излучения лазерного диода от температуры имеет в первом приближении линейный характер, и для лазерных диодов на основе соединений, например, GaAs (галлий-арсенид) составляет в длинах волн Δ λ _п=0,2 нм на 1К в пределах диапазона температур 4K∠ T∠ 300K [5]. Реализация режима сканирования частоты f_к излучения, генерируемого лазерным диодом, достигается при определенной, достаточно большой амплитуде тока импульса накачки, поступающей на лазерный диод, при которой за весьма малое время длительности импульса накачки происходит изменение температуры лазерного диода и изменение параметров его резонатора. Для сканирования излучения лазерного диода возможно также использование изменения гидростатического давления или неаксиального сжатия в магнитном поле [5]. В качестве генератора первого ОКС возможно использование помимо полупроводникового лазерного диода также лазерных генераторов на других физических принципах, обеспечивающих непрерывную перестройку (сканирование) частоты генерируемого излучения.

Далее сформированный первый ОКС с выхода генератора 5 первого ОКС пропускают через исследуемую лазерную среду, находящуюся в кювете 1. В момент времени прохождения первого ОКС через кювету 1 с лазерной средой соленоид 3 создает возмущающее магнитное поле Н_m, для чего источник тока 4 генерирует соответствующий импульс тока, проходящий через соленоид. Включение источника тока 4 осуществляют одновременно с генерированием первого ОКС генератором первого ОКС 5.

При формировании первого ОКС и пропускании его через кювету 1 оптический затвор 31 находится в открытом состоянии. Первый оптический контрольный сигнал поступает на вход кюветы 1 с выхода генератора 5 через первую формирующую линзу 7 и зеркала 13, 8, 24, которые выполнены полупрозрачными. Формирующая линза 7 осуществляет формирование параллельного светового пучка с выхода генератора ОКС 5. Сформированный световой пучок с выхода формирующей линзы 7, представляющий собой первый оптический контрольный сигнал, проходит через кювету 1 с исследуемой лазерной средой и далее зеркалом 9 и второй линзой 10 фокусируется на фоточувствительной площадке фотоприемника 11, который преобразует поступающий на него световой сигнал в электрический сигнал, поступающий далее на вход блока анализа импульсов 25. Далее посредством блока анализа импульсов 25 осуществляют периодическое измерение параметров первого ОКС после прохождения его через исследуемую лазерную среду. При периодическом измерении определяют амплитуды А_i выбросов интенсивности излучения первого ОКС и моменты времени t_ai их появления относительно момента времени t₁ начала формирования первого ОКС.

Блок анализа импульсов 25 осуществляет измерение параметров электрических импульсов с выхода фотоприемника 11, а именно измерение амплитуд выбросов поступающих импульсов и моментов времени их появления относительно момента времени t₁ начала формирования первого ОКС - переднего фронта импульса тока накачки (фиг.2, поз.2). Эта операция соответствует выполнению операции измерения параметров первого оптического контрольного сигнала после прохождения через лазерную среду. При выполнении этой операции определяют моменты времени t_ai появления выбросов интенсивности излучения первого ОКС и определяют амплитуды А_i этих выбросов. Для получения информации о моменте времени t₁, соответствующем переднему фронту импульса тока накачки, последний с выхода генератора импульсных сигналов 6 поступает на второй вход блока анализа импульсов 25. В регистры памяти, входящие в состав блока анализа импульсов 25, заносится информация об амплитудах выбросов A_i в анализируемом импульсе с выхода фотоприемника 11 и моментах времени t_ai их появления относительно переднего фронта t₁ импульса тока накачки (фиг.2, поз.2). В блоке анализа импульсов 25 определяют выброс с наибольшим значением амплитуды А₂ и момент времени t_a2 его появления относительно момента времени t₁. Этим реализуется операция определения выброса интенсивности излучения первого ОКС с наибольшей амплитудой А₂ и момента времени t_a2 его появления. На фиг.2 поз. 3 условно показан импульс с выхода фотоприемника 11, полученный в результате прохождения через исследуемую лазерную среду 1 сформированного первого ОКС. Показанному на фиг.2, поз.3 моменту времени t_a2 соответствует выброс с наибольшей амплитудой А₂. Информация об амплитуде А₂ данного выброса и моменте времени t_a2 его появления заносится в регистр памяти блока анализа импульсов 25. Данный выброс с наибольшей амплитудой А₂ соответствует моменту времени t_a2, в котором частота излучения f_k, генерируемого генератором 5 первого ОКС (лазерного диода), соответствует частоте полосы квантового усиления f_uv лазерной среды 1 при наличии в ней возмущающего воздействия, созданного магнитным полем, соленоида 3: f_k=f_uv. При этом частота полосы квантового усиления f_uv лазерной среды при наличии возмущающего воздействия является смещенной относительно частоты квантового усиления f_u0 лазерной среды в невозмущенном состоянии - при отсутствии магнитного поля Н_m=0, на некоторую неизвестную пока величину Δ f₁, обусловленную интенсивностью возмущающего воздействия - величиной созданного в лазерной среде магнитного поля Н_m, - и параметрами лазерной среды:

На фиг.2, поз.4 условно показан импульс на выходе фотоприемника 11, который мог быть получен при пропускании излучения первого ОКС через исследуемую лазерную среду при отсутствии возмущающего воздействия (Н_m=0). При этом момент времени t_a0 появления выброса с наибольшей амплитудой А₂₀ соответствует частоте генерации f_k0 генератора первого ОКС, совпадающего с частотой полосы квантового усиления f_u0 лазерной среды 1 при отсутствии внешнего возмущающего воздействия f_k=f_k0=f_u0 (см. фиг.2, поз.1). Задачей данного способа является определение частоты f_uv полосы квантового усиления лазерной среды при наличии возмущающего воздействия в виде, например, магнитного поля Н_m, а также определения коэффициента усиления К₂ лазерной среды в полосе квантового усиления на частоте f_uv при наличии указанного возмущающего воздействия.

Разность моментов времени t_a2-t_a0 характеризует величину сдвига частоты Δ f₁ полосы квантового усиления лазерной среды при наличии возмущающего воздействия. Однако точность определения сдвига частоты Δ f₁ по величине промежутка времени t_a2-t_a0 оказывается невысокой вследствие отсутствия точной информации о перестроечной характеристике генератора первого ОКС 5 - лазерного диода. Для обеспечения высокой точности определения величины частотного сдвига Δ f₁ полосы квантового усиления лазерной среды осуществляют формирование второго оптического контрольного сигнала (ОКС), который затем пропускают через исследуемую лазерную среду, после чего определяют параметры этого сигнала в результате прохождения через лазерную среду. Для формирования указанного второго ОКС ответвляют часть сформированного первого ОКС посредством третьего полупрозрачного зеркала 13. Далее осуществляют собственно формирование второго ОКС. Для этого осуществляют смещение спектра излучения ответвленной части первого ОКС на величину Δ f. Величина смещения Δ f в единицах измерения частоты (или в длинах волн Δ λ ) устанавливается и изменяется в устройстве, реализующем способ, в некотором заданном диапазоне частот и является точно известной величиной. Смещение спектра излучения осуществляют посредством акустооптического модулятора света 14. Для смещения спектра излучения ответвленной части первого ОКС на заданную величину Δ f пропускают излучения этой ответвленной части первого ОКС через акустооптический модулятор света, в котором возбуждают акустические волны с частотой модуляции f_M, соответствующей необходимой величине Δ f смещения спектра излучения ответвленной части первого ОКС. На управляющий электрод акустооптического модулятора света 14 (АОМС) поступает электрический управляющий сигнал с точно известной частотой f_M, сформированный в синтезаторе частоты 27 при поступлении на него управляющего сигнала с выхода блока обработки информации 12, определяющего величину этой частоты f_M. Электрический управляющий сигнал с выхода синтезатора частоты 27 усиливается электронным усилителем 26, поступает на управляющий вход АОМС 14 и обеспечивает возбуждение акустических волн в АОМС с частотой модуляции f_M, соответствующей частоте управляющего сигнала. В используемом АОМС 14 реализован режим модуляции проходящего через АОМС светового пучка акустическими волнами, соответствующий дифракции Брэгга [6, 9]. При этом режиме модуляции за счет дифракции световых волн на акустических волнах интенсивность всех дифракционный максимумов (порядков), кроме основного плюс или минус первого максимума, становятся пренебрежимо малыми. Частота дифрагировавшего светового пучка смещается относительно частоты входного оптического сигнала на величину f_M, соответствующую частоте управляющего электрического сигнала, поступающего на управляющий вход АОМС 14 от синтезатора частоты 27 через электронный усилитель 26. Таким образом, в результате прохождения через АОМС 14 ответвленной части первого ОКС весь излучаемый спектр последнего смещается на величину Δ f=f_M, которая обусловлена частотой управляющего электрического сигнала, сформированного в синтезаторе частоты 27. С помощью диафрагмы 16 и линз 15, 17 осуществляют выделение дифракционного порядка, полученного в результате дифракции в режиме Брэгга, распространяющегося под некоторым углом относительно оси О₃-O₄. При этом диафрагма 16 задерживает недифрагировавший световой поток, в котором отсутствует смещение частоты.

Далее выделенный продифрагировавший световой поток со смещенным на величину f_M спектром излучения, после расширения линзой 17 поступает на рассеивающую пластину 18, которая отражает световой поток в широком угловом поле относительно оптической оси О₅-О₆. С помощью линзы 19 и третьей диафрагмы 20, расположенной в фокусе линзы 19, осуществляют выделение из отраженного от рассеивающей пластины 18 светового пучка, распространяющегося в широком угловом поле, светового потока, распространяющегося строго вдоль оптической оси O₅-О₆. Этим реализуется формирование второго ОКС, обладающего смещением спектра излучения на заданную величину Δ f=f_M и распространяющегося строго по оптической оси О₆-O₇ независимо от углового смещения светового пучка на выходе АОМС 14, полученного в результате режима дифракции Брэгга светового пучка, поступающего на оптический вход АОМС 14 с выхода генератора первого ОКС 5. При этом линза 21 обеспечивает расширение сформированного светового пучка до некоторых заданных пределов, обусловленных размером входной апертуры кюветы 1, на вход которой направляют сформированный второй оптический контрольный сигнал. После формирования второго ОКС осуществляют его задержку по времени на величину Δ Т посредством оптической линии задержки 30. Для этого второй оптический контрольный сигнал с выхода линзы 21 поступает на вход оптической линии задержки (ОЛЗ) 30. Задержку по времени оптического сигнала осуществляют путем увеличения пути, проходимого данным сигналом, при этом длину L пути, проходимого задерживаемым ОКС, выбирают из условия L=Δ T· с, где с - скорость света, Δ T - величина необходимого времени задержки оптического сигнала. Последнюю выбирают, исходя из требования выполнения следующих условий: Δ Т>τ _c; Δ T>t_k, где τ _c - длительность времени отключения (выключения) источника тока 4, подключенного к соленоиду 3. Длительность времени отключения τ _c равно времени, необходимому для снятия возмущающего воздействия на лазерную среду. Величина Δ t_k - длительность импульса первого оптического контрольного сигнала, сформированного генератором 5 первого ОКС. Первое из двух условий обеспечивает пропускание второго ОКС после выключения магнитного поля, осуществляющего создание возмущающего воздействия в лазерной среде. Второе условие обеспечивает пропускание второго ОКС через кювету 1 после прохождения через нее первого ОКС. Генератор 5 первого ОКС формирует импульсы короткой длительности Δ t_k≅_{1 мксек, при этом τ >Δ tk, и второе условие автоматически выполняется при выполнении первого из указанных условий.}

Таким образом, после пропускания через кювету 1 с лазерной средой первого ОКС при наличии возмущающего воздействия в лазерной среде осуществляют пропускание через кювету 1 второго ОКС в следующий момент времени, при отсутствии возмущающего воздействия в измеряемой лазерной среде. В момент времени прохождения второго ОКС через кювету 1 с лазерной средой обеспечивают выключение (снятие) внешнего возмущающего воздействия на лазерную среду путем выключения источника тока 4 и обесточивания соленоида 3, для чего от блока обработки информации 12 на источник тока 4 поступает соответствующий управляющий сигнал в момент времени, непосредственно предшествующий прохождению второго ОКС через кювету 1.

Следует отметить, что во время пропускания как первого, так и второго ОКС лазерная среда в кювете 1 находится в возбужденном состоянии, обеспечиваемом блоком накачки 2 лазерной среды. После прохождения через оптическую линию задержки 30 второй ОКС направляют на вход кюветы 1 посредством зеркал 23, 24. После прохождения через кювету 1 второй ОКС аналогично первому ОКС поступает на вход фотоприемника 11 посредством линзы 10. Соответствующий второму ОКС электрический импульс поступает с выхода фотоприемника 11 на вход блока анализа импульсов 25.

Далее после прохождения через кювету 1 с лазерной средой второго ОКС осуществляют периодическое измерение его параметров, аналогично измерению параметров первого ОКС после прохождению через лазерную среду. Определяют амплитуды B_i выбросов интенсивности излучения второго ОКС и моменты времени t_bi их появления относительно момента времени t₁ начала формирования первого ОКС. Определяют выброс интенсивности излучения второго ОКС с наибольшей амплитудой В₂ и момент времени t_b2 его появления. Указанные операции осуществляют в блоке анализа импульсов 25. В последнем осуществляют периодическое измерение амплитуд выбросов импульсов и моментов времени t_bi их появления относительно момента времени t₁, определяют выброс с наибольшей амплитудой В₂ и момент времени его появления t_b2 относительно момента времени t₁ начала формирования первого оптического контрольного сигнала. Информация о моменте времени t_b2 выброса с наибольшей амплитудой В₂ и величина В₂ этой амплитуды заносятся в блоке анализа импульсов 25 в его регистр памяти, входящий в состав блока 25. Далее по величинам измеренных моментов времени t_a2, t_b2 и величине смещения f_M спектра излучения, задаваемого частотой модулирующего сигнала в АОМС 14, формируемого в синтезаторе частоты 27, осуществляют определение характеристик исследуемой лазерной среды в кювете 1 путем изменения величины смещения Δ f спектра излучения ответвленной части первого ОКС.

Для этого осуществляют изменение частоты f_M электрического модулирующего сигнала, поступающего на АОМС 14 от синтезатора частоты 27 через электронный усилитель 26. Величина смещения спектра Δ f=f_M равна величине частоты f_M указанного модулирующего сигнала, устанавливаемой с высокой точностью в синтезаторе частоты 27. При этом изменении частоты f_m происходит сдвиг по времени момента появления t_b2 выброса с наибольшей амплитудой, регистрируемого фотоприемником 11 в ходе определения параметров второго ОКС после прохождения последним через кювету с лазерной средой при отсутствии возмущающего воздействия. Амплитуда В₂ этого выброса остается неизменной. В ходе изменения частоты f_m измеряют разность R=t_b2-t_a2 между моментами времени появления выбросов интенсивности с наибольшей амплитудой первого и второго ОКС.

Данную операцию осуществляют посредством блока анализа импульсов 25.

В ходе изменения частоты f_M и соответственно величины смещения Δ f спектра излучения ответвленной части первого ОКС устанавливают такую величину смещения Δ f=f_M1, при которой измеренная разность R= t_b2-t_a2 равна величине времени задержки Δ T второго ОКС, осуществленной ОЛЗ 30: R=t_b2-t_a2=Δ T. Для этого в блоке анализа импульсов 25 при измерении разности R=t_b2-t_a2 фиксируется момент времени, когда при изменении частоты модуляции f_M в АОМС 14 величина разности R станет равной Δ T - заранее известной фиксированной величине, внесенной в регистр памяти блока 25: R=t_b2-t_a2=Δ T. В этот момент времени из блока анализа импульсов 25 в блок обработки информации и на синтезатор частоты 27 поступает соответствующий управляющий сигнал-импульс. В результате в синтезаторе частоты 27 фиксируется значение частоты f_M1, соответствующее выполнению условия R=t_b2-t_a2=Δ T. Этим действием определяют величину смещения Δ f=f_m1 спектра излучения ответвленной части первого ОКС, для которой соответствующая разность R=t_b2-t_a2=Δ T. При этом Δ f=f_M1,так как величина смещения спектра Δ f определяется и равна частоте модулирующего сигнала АОМС 14.

Выполнение условия R=Δ T означает выполнение следующего соотношения между моментами появления выбросов с наибольшей амплитудой первого и второго ОКС:

На фиг.2, поз.5 условно показан импульс излучения, зарегистрированный фотоприемником 11 после прохождения второго ОКС через кювету 1 с лазерной средой при отсутствии возмущающего воздействия. При этом временная координата t', отложенная на данном графике по оси абсцисс, соответствует временной координате t на остальных графиках фиг.2 за вычетом постоянной временной задержки Δ T:t'=t-Δ T.

В соответствии с (2) момент появления выброса с наибольшей амплитудой на фиг.2, поз.5 совпадает с моментом появления t_a2 выброса с наибольшей амплитудой на фиг.2, поз.3:

Выполнение равенства (2) означает эквивалентность смещения частоты полосы квантового усиления исследуемой лазерной среды при наличии возмущающего воздействия на величину Δ f₁ величине смещения всего спектра излучения первого ОКС на установленную величину Δ f=f_M1 посредством АОМС 14, при этом, как было отмечено, данное смещение всего спектра первого ОКС осуществляют при формировании второго ОКС, после чего последний пропускают через исследуемую лазерную среду при отсутствии в ней возмущающего воздействия. Частота f_m1 модулирующего сигнала АОМС 14 точно известна, так как определена синтезатором частоты 27 для момента выполнения равенства (2).

Момент времени t_a2, соответствующий максимальной амплитуде выброса А₂ при прохождении первого ОКС сигнала через лазерную среду при наличии возмущающего воздействия, соответствует величине f_k частоты излучения, генерируемого в этот момент времени генератором 5 первого ОКС. Напомним, что последний работает в режиме генерации излучения со сканированием по времени частоты излучения f=f(t) (см. фиг.2, поз.1, 3). При сканировании частоты излучения каждому отдельному моменту времени в промежутке t₁-t₅ однозначно соответствует конкретное значение частоты излучения первого ОКС f(t). Момент времени t_b2 согласно равенству (2) соответствует прохождению через кювету 1 второго ОКС, сформированного на основе ответвленной части первого ОКС, причем частота излучения второго ОКС f₂₀ для этого момента времени равна частоте f_k первого ОКС в момент времени t_a2, но смещенной на величину f_M1 модулирующего сигнала АОМС 14, которая точно установлена с помощью синтезатора частоты 27:

Следует отметить, что с помощью АОМС 14 смещение частоты спектра излучения согласно (3) может быть осуществлено как с повышением частоты (знак “+” в (3)), так и с понижением частоты, в зависимости от геометрии взаимодействия светового потока второго ОКС, проходящего через АОМС 14 и акустической волны, возбуждаемой через АОМС 14 модулирующим сигналом f_М1 [6], [9].

Напомним, что частота излучения первого ОКС в момент времени t_a2, равная частоте излучения f_k, генерируемого источником первого ОКС в этот момент времени, соответствующий выбросу с наибольшей амплитудой А₂, соответствует частоте полосы квантового усиления лазерной среды f_uv при наличии возмущающего воздействия: f_к=f_uv.

Второй ОКС проходит через кювету 1 с лазерной средой при отсутствии в последней возмущающего воздействия. При этом наличие выброса интенсивности второго ОКС с наибольшей амплитудой B₂ в момент времени t_b2 (2) означает выполнение следующего соотношения для частот излучения первого и второго ОКС согласно (3):

f_k=f_UV; f₂₀=f_UV-f_M1=f₂₀,

где f_U0 - частота полосы квантового усиления лазерной среды в кювете 1 при отсутствии возмущающего воздействия в момент времени прохождения через кювету 1 второго ОКС.

Действительно, при отсутствии возмущающего воздействия частота полосы квантового усиления лазерной среды равна ее невозмущенной величине f_U0 и точно известна из спектральных характеристик исследуемой лазерной среды. В то же время наличие выброса с максимальной амплитудой при прохождении вторым ОКС лазерной среды (при отсутствии возмущающего воздействия) означает, что частота f₂₀ излучения второго ОКС, проходящего через лазерную среду в момент времени t_b2, соответствует частоте f_U0 полосы квантового усиления данной невозмущенной лазерной среды, т.е. выполняется соотношение (4).

Таким образом, выполнение условия (2), определяющего момент времени появления максимального выброса интенсивности с амплитудой В₂ после прохождения второго ОКС, означает автоматическое одновременное выполнение соотношения (4).

На основании соотношения (4) получаем точную оценку величины f_k=f_UV частоты полосы квантового усиления лазерной среды при наличии возмущающего воздействия:

Здесь f_U0 - частота полосы квантового усиления лазерной среды без возмущающего воздействия - частота спектральной линии рабочего перехода лазерной среды, известная точно; f_M1 - частота смещения спектра излучения первого ОКС, обусловленная частотой модулирующего сигнала АОМС 14, установленная с помощью синтезатора частоты 27 с высокой степенью точности. Таким образом, на основании (5) реализуется измерение величины f_UV частоты полосы квантового усиления возмущенной лазерной среды с высокой степенью точности. Вычисление величины f_UV по соотношению (5) осуществляют в блоке обработки информации 12, в который от синтезатора частоты 27 поступает информация об установленной величине f_M1 модулирующей частоты АОМС 14. Одновременно в блок информации 12 от блока анализа импульсов 25 поступает информация о моментах времени t_a2 и t_b2 появления f_M1 выбросов интенсивности с максимальной амплитудой после прохождения через кювету 1 соответственно первого и второго ОКС. В блоке информации 12 формируется разностный сигнал:

Одновременно с этим в блоке обработки информации 12 формируют управляющие сигналы, поступающие в синтезатор частоты 27 и обеспечивающие последовательное изменение формируемой частоты f_M генерируемого этим блоком управляющего электрического сигнала, поступающего далее через электронный усилитель 26 в АОМС 14. В блоке обработки информации 12 (в его блоке памяти) содержится информация о величине Δ T задержки по времени второго ОКС, осуществляемой оптической линией задержки 30. Данная величина является фиксированной, точно известной и определяется параметрами ОЛЗ 30. При изменении частоты f_M в момент времени достижения разностным сигналом (6) величины R=Δ T в блоке информации 12 фиксируется величина частоты f_M1, соответствующая этому моменту времени и соответственно выполнению условия (2). Далее на основании полученной величины f_M1 в блоке обработки информации 12 осуществляют определение величины f_UV по формуле (5), определяющей измеряемую частоту полосы квантового усиления лазерной среды, смещенную под действием возмущающего воздействия.

Указанные операции по измерению параметров первого и второго ОКС осуществляют периодически для каждого импульса излучения первого и второго ОКС из формируемой генератором первого ОКС 5 периодической последовательности импульсов излучения до момента достижения равенства, определяемого соотношением R=t_b2-t_a2=Δ T.

Одновременно с определением величины f_UV частоты полосы квантового усиления в блоке обработки информации 12 осуществляют определение относительного коэффициента усиления лазерной среды γ ₂ при наличии возмущающего воздействия, соответствующего измеренной величине частоты f_UV полосы квантового усиления лазерной среды.

Относительный коэффициент усиления лазерной среды по определению равен К₂ и К₀ соответственно коэффициенты усиления лазерной среды при наличии возмущающего воздействия на частоте fuv и при отсутствии возмущающего воздействия на частоте f_U0 рабочего лазерного перехода. Параметр γ ₂ характеризует усилительные свойства лазерной среды на новой смещенной частоте полосы квантового усиления при наличии возмущающего воздействия относительно усилительных свойств лазерной среды в невозмущенном режиме усиления на частоте f_U0 рабочего лазерного перехода. Определение относительного коэффициента усиления лазерной среды γ ₂, соответствующего частоте f_UV полосы квантового усиления лазерной среды, осуществляют по следующей формуле:

где А₂, B₂ - соответственно измеренные величины максимальных амплитуд выбросов интенсивностей излучений первого и второго ОКС при наличии и отсутствии возмущающего воздействий лазерной среды;

β - относительный коэффициент ослабления излучения первого и второго ОКС при их формировании.

Информация об амплитудах выбросов интенсивностей излучения А₂, В₂ получена ранее при измерении параметров первого и второго ОКС и зарегистрирована в регистрах памяти блока анализа импульсов 25 и блока обработки информации 12. Параметр β является фиксированной аппаратурной характеристикой устройства, реализующего способ, и равен:

где τ ₁ - коэффициент ослабления первого ОКС при его формировании от выхода генератора 5 первого ОКС до оптического входа кюветы 1;

τ ₂ - коэффициент ослабления второго ОКС при его формировании от выхода генератора 5 первого ОКС до оптического входа кюветы 1.

Коэффициент ослабления излучения τ ₀ при прохождении через какой-либо оптический элемент равен отношению:

где I_вх, I_вых - соответственно световые потоки (интенсивности) на входе и на выходе оптического элемента. Соответственно коэффициент пропускания τ _n оптического элемента равен

Величины τ ₁, τ ₂ могут быть получены как расчетным путем, так и путем экспериментального измерения ослабления оптических сигналов при формировании первого и второго ОКС.

Рассмотрим определение параметра β расчетным путем непосредственно по блок-схеме устройства на фиг.1. Полагаем полупрозрачные зеркала 13, 8, 24 имеющими 50% пропускания и отражения на рабочей длине волны лазерной среды, а оптический затвор 31 считаем имеющим 100% пропускание. Отсюда коэффициент ослабления излучения первого ОКС τ ₁ равен произведению коэффициентов ослабления всех оптических элементов на пути распространения первого ОКС при формировании первого ОКС от выхода генератора первого ОКС 5 до оптического входа кюветы 1 с лазерной средой:

Здесь τ _i - коэффициенты ослабления оптических элементов с позициями i=7, 8, 13, 24 согласно блок-схеме на фиг.1. При расчете численного значения τ ₁ условно принято τ ₇=1. Аналогично коэффициент ослабления излучения второго ОКС τ ₂ равен произведению коэффициентов ослабления излучения всех оптических элементов на пути распространения второго ОКС при формировании второго ОКС от выхода генератора первого ОКС 5 до оптического входа кюветы 1 с лазерной средой:

При этом коэффициент ослабления излучения АОМС 14 определяется в стандартном режиме работы данного элемента при амплитуде модулирующего сигнала U_m с выхода усилителя 26, обеспечивающего режим дифракции Брэгга, и частоте модуляции этого сигнала f_M, соответствующей некоторой средней частоте диапазона частот предполагаемого смещения полосы квантового усиления лазерной среды при наличии возмущающего воздействия. В режиме дифракции Брэгга интенсивность дифрагировавшего и промодулированного светового потока после прохождения АОМС 14 равна I_-1:

где I₀ - интенсивность входного сигнала,

η - дифракционная эффективность АОМС 14 в режиме дифракции Брэгга.

Отсюда коэффициент ослабления излучения АОМС

Следует отметить, что в режиме дифракции Брэгга параметры η и соответственно τ ₁₄ постоянны в широком диапазоне модулирующих частот f_m, перекрывающих диапазон возможных смещений полосы квантового усиления лазерной среды. Параметр η известен из характеристик материала, используемого АОМС [6]. Аналогично параметр τ ₁₈ ослабления оптического сигнала рассеивающей пластины определяется материалом этого элемента [5]. На основании соотношений (9) и (10) параметр β - относительный коэффициент ослабления излучения первого и второго ОКС - равен:

где i = 7,13-24;30.

Параметр β может быть определен экспериментальным путем непосредственно в устройстве, реализующем способ, фиг.1. Для экспериментального определения коэффициента относительного ослабления β первого и второго оптических контрольных сигналов в устройстве на фиг.1 последовательно во времени осуществляют формирование первого и второго оптических контрольных сигналов, порознь пропускают их через лазерную среду в кювете 1 в невозбужденном состоянии (при отсутствии накачки и при отсутствии возмущающего воздействия), порознь определяют интенсивность излучений первого I₁ и второго 12 ОКС посредством фотоприемника 11 и блока анализа импульсов 25, определяют параметр β на основании соотношения:

Формирование первого и второго ОКС осуществляют в соответствии с последовательностью операций, изложенной выше. При этом при пропускании через кювету 1 первого ОКС канал формирования второго ОКС перекрывают путем выключения АОМС 14, а оптический затвор 31 устанавливают в открытом состоянии. Соответственно при формировании второго ОКС канал формирования первого ОКС перекрывают путем закрытия оптического затвора 31.

Покажем далее, что относительный коэффициент усиления исследуемой лазерной среды на измеренной частоте f_UV равен величине, определяемой соотношением (7).

При прохождении через кювету 1 с возбужденной лазерной средой при наличии возмущающего воздействия первого ОКС амплитуда его выброса интенсивности с наибольшей величиной А₂ равна:

где I₂₁ - интенсивность первого ОКС на выходе генератора 5 первого ОКС в момент времени t_a2, когда частота генерации f_к излучения генератора 5 первого ОКС совпадает с частотой fuv полосы квантового усиления лазерной среды при наличии возмущающего воздействия;

К₂ - коэффициент усиления лазерной среды при наличии возмущающего воздействия на частоте f_UV;

τ ₁ - коэффициент ослабления первого ОКС согласно (9).

S_фп - параметр чувствительности фотоприемника - коэффициент пропорциональности, связывающий интенсивность входного сигнала фотоприемника с амплитудой входного электрического сигнала.

Аналогично при прохождении через кювету 1 с лазерной средой второго ОКС при отсутствии возмущающего воздействия амплитуда выброса интенсивности с наибольшей величиной амплитуды B₂ равна:

где τ ₂ - коэффициент ослабления второго ОКС согласно (10);

К₀ - коэффициент усиления лазерной среды при отсутствии возмущающего воздействия на частоте f_U0 рабочего лазерного перехода.

По определению, данному выше, относительный коэффициент усиления лазерной среды γ ₂ равен отношению На основании (14), (15) и (8) получаем:

что совпадает с соотношением (7).

Таким образом, относительный коэффициент усиления γ ₂ исследуемой лазерной среды полностью определяется амплитудами измеренных выбросов интенсивности и параметром β относительного ослабления первого и второго ОКС. В результате проведения изложенных операций получена следующая информация о характеристиках исследуемой лазерной среды при наличии возмущающего воздействия:

1. Определена величина f_UV частоты полосы квантового усиления лазерной среды относительно частоты f_U0 полосы квантового усиления в невозмущенном состоянии - частоты спектральной линии рабочего перехода лазерной среды [формула (5)].

2. Определен относительный коэффициент усиления лазерной среды при наличии возмущающего воздействия по отношению к коэффициенту усиления лазерной среды в невозмущенном состоянии [формула (7)] для исследуемого рабочего перехода лазерной среды.

Информация о параметрах исследуемой лазерной среды, полученная в результате вычислительных операций (5), (7) в блоке обработки информации 12, заносится в последнем в регистр памяти и далее может быть представлена внешним потребителям. Величина f_U0 частоты полосы квантового усиления - спектральной линии лазерной среды в невозмущенном состоянии - для каждой конкретной лазерной среды с хорошей точностью известна из спектральных измерений параметров данной среды в невозмущенном состоянии. Величина коэффициента усиления лазерной среды на рабочем переходе в невозмущенном состоянии также хорошо известна и может быть измерена простыми известными средствами. Так, например, для определения величины К_о в устройстве на фиг.1 используют в качестве генератора 5 первого ОКС лазерный диод в монохроматическом режиме излучения, или используют в качестве генератора 5 лазерный генератор с лазерной средой, аналогичной лазерной среде в кювете 1 в режиме генерации излучения, соответствующего рабочему переходу исследуемой лазерной среды. При этом измеряют амплитуду сигнала на выходе фотоприемника 11 при отсутствии накачки лазерной среды в кювете I-I₀ и при наличии накачки лазерной среды - I₁. Отношение этих величин соответствует коэффициенту усиления лазерной среды в кювете 1 в невозмущенном состоянии на исследуемом рабочем лазерном переходе.

Коэффициент усиления лазерной среды К_о на рабочем лазерном переходе при отсутствии возмущающих воздействий может быть получен расчетным путем на основании следующих соотношений [7]:

К(ω ) = exp[L_aσ_{(ω )Δ .}

Здесь: ω =2π γ - частота излучения;

Δ - инверсия лазерного перехода;

L_a - длина активной области лазерной среды;

- сечение перехода между энергетическими уровнями;

А - коэффициент Эйнштейна;

λ - длина волны электромагнитного излучения с частотой ω ₀=2π ν ₀, соответствующей центру полосы квантового усиления;

g(ω -ω ₀) - форм фактор контура (полосы) лазерного усиления.

Для гауссова контура

где Δ ω _1/2 - ширина контура по уровню

Отсюда величина коэффициента усиления К_о лазерной среды, соответствующая центру полосы квантового усиления К₀=К(ω ₀), используемая при определении относительного коэффициента усиления γ ₂ (7), равна К₀=К(ω ₀)=exp[La· σ (ω ₀)· Δ ],

где

Полученная информация, заключенная в величинах f_UV и γ ₂, соответствует параметрам одной полосы квантового усиления исследуемой лазерной среды при наличии возмущающего воздействия. При наличии нескольких полос квантового усиления, возникших в результате введения возмущающего воздействия, приведенные выше операции измерений смещения исходной частоты f_U0 полосы квантового усиления повторяют для каждой вновь возникшей смещенной полосы квантового усиления и определяют параметры f_Ui; γ _i; i=1, 2,... n для всех имеющихся полос квантового усиления, где f_Ui - полосы квантового усиления; γ _i - относительный коэффициент усиления данной i-й полосы усиления относительно невозмущенной полосы усиления, соответствующей основному рабочему переходу лазерной среды. При этом обнаружение соответствующей i-й полосы квантового усиления лазерной среды при наличии возмущающего воздействия осуществляют по наличию локального максимума амплитуды при анализе величины амплитуд выбросов в первом оптическом контрольном сигнале после прохождения последним лазерной среды в кювете 1 при наличии возмущающего воздействия. Далее для каждого обнаруженного локального максимума амплитуды A_i выброса осуществляют измерение соответствующей смещенной частоты полосы квантового усиления f_i и относительного коэффициента усиления γ _i. Полученная совокупность параметров {f_i;γ _i} является исследуемой характеристикой лазерной среды в кювете 1. На диаграмме, представленной на фиг.3, условно показаны полученные в результате измерительных операций действующие полосы квантового усиления исследуемой квантовой среды при наличии возмущающего воздействия. По оси абсцисс отложена частота f, а по оси ординат - относительный коэффициент усиления γ . Здесь коэффициент усиления лазерной среды при отсутствии возмущающего воздействия принят равным единице γ ₀=1. Частота полосы квантового усиления лазерной среды в невозмущенном состоянии равна f_U0 и соответствует частоте используемого рабочего перехода. При наличии возмущающего воздействия вновь возникшие полосы квантового усиления имеют частоты f_U1, f_U2, f_Ui и соответственно относительные коэффициенты усиления γ ₁, γ ₂, γ _i.

Представленная на фиг.3 диаграмма определяет характеристики исследуемой лазерной среды при наличии возмущающего воздействия. На этом цикл действий по измерению характеристик лазерной среды завершен.

Рассмотренная выше последовательность операций предложенного способа измерения характеристик лазерной среды реализована на основе определения параметров прошедшего через кювету 1 излучения первого и второго оптических контрольных сигналов, сформированных на основе одного импульса излучения, генерируемого генератором первого ОКС 5. При этом для разделения прохождения во времени через кювету 1 первого и второго оптических контрольных сигналов использована задержка по времени на величину Δ T второго ОКС. Во время указанной задержки во времени осуществляют выключение внешнего возмущающего воздействия, что обеспечивает прохождение второго ОКС через лазерную среду в невозмущенном состоянии.

Рассмотрим второй возможный вариант реализации способа измерений, исключающий необходимость использования оптической линии задержки 30. В этом случае генератор первого ОКС 5 работает в импульсно-периодическом режиме и формирует последовательность импульсов излучения, идентичных по своим параметрам. При этом измерение параметров лазерной среды при прохождении первого ОКС осуществляют на основе первого импульса излучения, генерируемого генератором первого ОКС 5. В этом случае оптический затвор 31 находится в открытом состоянии, и на АОМС 14 управляющий сигнал от синтезатора частоты 27 не подают. Синтезатор частоты 27 по команде от блока обработки информации 12 устанавливают в режим отсутствия генерации сигналов. В результате АОМС 14 выполняет функцию оптического затвора - поток излучения в ненужном направлении через АОМС 14 не проходит и формирования второго ОКС не происходит. Через кювету 1 проходит только первый ОКС, параметры которого t_a2 и А₂ после прохождения через кювету 1 измеряет фотоприемник 11 и блок анализа импульсов 25. При этом в кювете 1 создают возмущающее воздействие - магнитное поле с помощью соленоида 3.

Во время генерации в генераторе первого ОКС 5 второго импульса излучения из импульсно-периодической последовательности импульсов оптический затвор 31 переводят в закрытое состояние, а на АОМС 14 подают управляющий сигнал от синтезатора частоты 27. Одновременно с этим осуществляют выключение магнитного поля Н_m путем обесточивания соленоида 3 и переводят лазерную среду в кювете 1 в невозмущенное состояние. В результате с помощью АОМС 14 осуществляют формирование второго оптического контрольного сигнала, пропускают его через кювету 1 и измеряют параметры t_b2 и В₂ второго контрольного оптического сигнала фотоприемником 11 и блоком анализа импульсов 25. При этом временную задержку второго оптического контрольного сигнала не производят путем исключения линии оптической задержки 30 из блок-схемы устройства на фиг.1, например, путем вывода ОЛЗ 30 из пути прохождения оптического излучения по оси О₆-O₇. При установлении параметров частоты f_M1 модулирующего сигнала АОМС 14 в равенстве (2) величину Δ T полагают равной нулю: Δ Т=0. В остальном все операции по реализации способа являются идентичными вышеизложенным, а характер импульсных сигналов в результате измерительных операций соответствует показанному на фиг.2 при условии Δ T=0 и соответственно t'=t. Таким образом, измерение параметров лазерной среды осуществляют за два последовательных идентичных импульса излучения, формируемого генератором первого ОКС 5. Рассмотрим третий возможный вариант реализации способа измерений параметров лазерной среды, исключающий необходимость использования ОЛЗ 30 и оптического затвора 31, которые в этом варианте из блок-схемы устройства, реализующего способ, на фиг.1 исключаются. Одновременно в устройство на фиг.1 для реализации третьего варианта осуществления предложенного способа введены следующие дополнительные элементы:

Поз.33 - вторая кювета с лазерной средой, идентичной лазерной среде в кювете 1,

34 - второй блок накачки лазерной среды;

35 - седьмая линза;

36 - второй фотоприемник;

37 - седьмое зеркало.

В третьем варианте построения устройства четвертое зеркало поз.22 на фиг.1 изымается из оптической схемы устройства (или выполняется полупрозрачным).

Все операции при реализации предложенного способа по третьему варианту реализации идентичны рассмотренным выше. Первый и второй оптические контрольные сигналы формируют одновременно и пропускают через две отдельные кюветы 1 и 33, заполненные идентичной лазерной средой. Осуществляют одновременную накачку лазерной среды в кювете 1 и 33 посредством блоков накачки 2, 34. При этом второй ОКС пропускают через кювету 33 с невозмущенной лазерной средой - возмущающее воздействие в кювете 33 отсутствует.

Анализ параметров второго ОКС после прохождения через кювету 33 осуществляют посредством второго фотоприемника 36, с выхода которого сигнал поступает на второй дополнительный вход блока анализа импульсов 25. В нем осуществляют анализ параметров импульса излучения, прошедшего через кювету 33, одновременно и аналогично анализу импульса излучения, прошедшего через кювету 1 с лазерной средой с возмущающим воздействием в виде магнитного поля Н_m, созданного соленоидом 3. Характер анализируемых импульсов соответствует фиг.2 при Δ T=0 и t'=t. Определение характеристик исследуемой лазерной среды в кювете 1 осуществляют на основе одного импульса излучения, сформированного генератором первого ОКС 5.

Рассмотренные три варианта реализации предложенного способа измерений идентичны по достигаемому результату и различаются по используемым техническим средствам в устройстве, реализующем способ. В зависимости от условий эксплуатации устройства, реализующего способ, может быть выбран какой-либо один из рассмотренных вариантов построения устройства. Так, например, третий вариант реализации способа является наиболее простым, но требует дополнительной второй кюветы с лазерной средой, т.е. характеризуется простым увеличением количества используемой аппаратуры.

Предложенный способ и устройство для его осуществления могут быть использованы для решения различных научных и технических задач в области квантовой электроники. Одной из областей использования способа и устройства является осуществление лазерной космической связи между подвижными объектами. При этом кювета 1 с лазерной средой представляет собой высокочувствительный и одновременно узкополосный квантовый усилитель - активный квантовый фильтр, обеспечивающий прием излучения и его регистрацию на уровне единиц фотонов (квантов излучения). Высокая чувствительность квантового усилителя с лазерной средой на основе соединений типа перфторалкилиодиодов С₃F₇I и атомарного йода [4], ограниченная лишь квантовым пределом, позволяет использовать его в качестве высокочувствительного приемного устройства системы лазерной космической связи и существенно повысить дальность действия последней.

В этом случае важной проблемой является компенсация доплеровского сдвига частоты принимаемого излучения, обусловленного относительным движением с высокой скоростью передатчика и приемника системы лазерной космической связи. Компенсация доплеровского сдвига осуществляется путем смещения частоты полосы квантового усиления лазерной среды в кювете 1 под действием возмущающего воздействия - магнитного поля Н_m.

При этом предложенные способ и устройство позволяют оперативно и с высокой степенью точности установить требуемую для компенсации доплеровского сдвига частоту полосы квантового усиления f_UV=f_U0+f_M лазерной среды. Для осуществления этого с помощью синтезатора частоты 27 устанавливают величину частоты f_M модулирующего сигнала АОМС 14, которая соответствует величине доплеровского сдвига Δ f_D, обусловленного скоростью перемещения V приемника относительно передатчика космической системы связи:

где с - скорость света; f₀ - частота сигнала передатчика, соответствующая рабочей частоте полосы квантового усиления лазерной среды в невозбужденном состоянии.

Величина скорости V является известной по информации о параметрах движения приемника и передатчика, получаемой на основании траекторных или радиолокационных измерений.

Далее с помощью соленоида 3 внутри лазерной среды в кювете 1 устанавливают некоторую величину H_m1 магнитного поля и определяют соответствующее ей значение моментов времени t_a2 и в соответствии с одним из трех изложенных вариантов построения устройства, реализующего способ. Далее осуществляют изменение величины магнитного поля H_m1 внутри лазерной среды в кювете 1 до момента выполнения условия (2): , что обеспечивает такую величину магнитного поля Н_m=Н_m2, при которой величина f_UV частоты полосы квантового усиления лазерной среды соответствует соотношению (5):

Таким образом, частота f_UV полосы квантового усиления лазерной среды является точно настроенный на частоту f_П принимаемого сигнала от передатчика лазерной космической связи, движущегося относительно приемного устройства со скоростью V. Далее прием оптических сигналов осуществляют при непрерывном воздействии магнитного поля с установленной величиной H_m2, что обеспечивает компенсацию указанного доплеровского сдвига частоты и реализацию предельно высокой квантовой чувствительности при приеме и усилении слабых оптических сигналов посредством узкополосной и высокочувствительной лазерной среды.

При осуществлении приема и усиления внешних слабых оптических сигналов, поступающих на оптический вход устройства на фиг.1 и распространяющихся по оси О₁-О₂, зеркало 8 убирают с пути распространения сигналов или используют в качестве зеркала 8 полупрозрачное зеркало.

Следует отметить, что на основе измеренных моментов времени и t_a2 можно непосредственно определить величину частоты f_UV полосы квантового усиления лазерной среды при наличии возмущающего воздействия. Действительно, составляя отношение измеренных величин на основании предположения о линейной зависимости изменения частоты лазерного диода от времени, получаем:

отсюда

где f_М1 - частота модулирующего сигнала АОМС 14, соответствующая моменту времени выброса В₂ с наибольшей амплитудой.

По данной формуле можно осуществить оценку величины частоты f_UV, точность которой будет ограничена нелинейностью характеристик f(t) лазерного диода. При определении частоты f_UV в соответствии с изложенным способом на основе уравнивания моментов времени обеспечивается высокая точность измерения, независимая от нелинейности характеристики лазерного диода.

Таким образом, предложенный способ и устройство позволяют с высокой точностью осуществить определение характеристик лазерной среды при наличии возмущающего воздействия, а также осуществить настройку частоты квантового усиления лазерной среды на заданную величину частоты принимаемого оптического сигнала, смещенной относительно частоты сигнала, излучаемого передатчиком вследствие эффекта Доплера.

Кроме того, способ и устройство позволяют исследовать характеристики и структуру энергетических уровней лазерной среды, находящейся в любом состоянии, в том числе при наличии или отсутствии возмущающего воздействия. На фиг.10 приведена расчетная структура энергетических уровней сверхтонкого расщепления перехода ²P_1/2-²P_3/2 атомарного йода - лазерной среды фотодиссоционного квантового усилителя - активного квантового фильтра [10], рассмотренного выше в качестве устройства, реализующего способ. Данная структура энергетических уровней может быть исследована посредством предложенного способа при условии соответствующего выбора параметров устройства, реализующего способ.

Преимуществом предложенного способа является высокая точность определения характеристик лазерной среды и одновременно высокое быстродействие при осуществлении процесса определения характеристик лазерной среды.

Высокая точность измерений сдвига частоты полосы квантового усиления обеспечивается за счет использования при установлении частоты модулирующего сигнала АОМС 14 синтезатора частоты 27, выполненного на основе кварцевых или квантовых стандартов частоты. Упомянутые стандарты частоты обеспечивают высокую точность частоты генерируемого электрического сигнала [3, стр. 426].

Высокое быстродействие обеспечивается использованием в качестве генератора 5 первого оптического контрольного сигнала лазерного диода в режиме сканирования частоты генерируемого излучения. При этом лазерный диод осуществляет непрерывное изменение частоты излучения в широком диапазоне с весьма высокой скоростью за время действия импульса накачки от генератора импульсных сигналов 6, составляющего Δ t=1-10 мксек. Лазерный диод осуществляет быстрый анализ всех имеющихся полос квантового усиления лазерной среды в соответствии с фиг.3.

С помощью синтезатора частоты 27 осуществляют с высокой точностью (до нескольких значащих разрядов после запятой) измерение частот обнаруженных полос квантового усиления лазерной среды f_U1, f_U2... относительно исходной рабочей полосы квантового усиления с частотой f_U0 рабочего квантового перехода лазерной среды в невозмущенном состоянии. Следует отметить, что синтезатор частоты не обладает возможностью сканирования частоты с высокой скоростью в широком диапазоне частот. Лазерный диод не обладает точностью установления частоты генерируемого лазерного излучения, которая определяется рядом эксплуатационных факторов. Объединение лазерного диода и синтезатора частоты в одном устройстве, реализующем способ, позволило обеспечить высокую точность измерения или установления характеристик лазерной среды при одновременном обеспечении высокой скорости проведения измерений.

Это позволило использовать предложенные способ и устройство для реализации систем дальней космической лазерной связи, а также в системах анализа и быстрой диагностики различных физических сред, например диагностики плазмы.

Устройство для реализации предложенного способа выполнено на основе ряда известных оптических, электронных блоков и физических элементов.

В качестве блока обработки информации 12 использована стандартная персональная ЭВМ, осуществляющая по специальной программе управление всеми блоками и элементами устройства на фиг.1. Блок обработки информации осуществляет формирование управляющих импульсов, определяющих моменты времени накачки лазерной среды посредством блоков накачки 2, 34, управление запуском генератора импульсных сигналов 6, управление заданием частоты в синтезаторе частоты 27, включение и выключение источника тока 4.

Блок обработки информации 12 осуществляет анализ получаемой из блока анализа импульсов 25 информации об амплитудах выбросов импульсов, моментах времени их появления и формирует на основе анализа соотношения (2) управляющие сигналы для синтезатора частоты 27 и оценку величины смещения частоты полос квантового усиления в соответствии с соотношением (5). Информация о характеристиках исследуемой лазерной среды в виде совокупности параметров {f_i, γ _i} регистрируется в регистрах памяти блока 12 и может быть представлена внешнему потребителю, например, в виде диаграммы на фиг.3 на дисплее блока 12.

Блок анализа импульсов 25, блок-схема которого представлена на фиг.4, выполнен на стандартных цифровых элементах. Принцип анализа параметров импульсов в блоке 25 заключается в следующем. Электронный переключатель 46 по командам от блока обработки информации 12 осуществляет подключение выхода фотоприемника 11 к аналого-цифровому преобразователю (АЦП) 38 или к АЦП 39. При этом при регистрации в ФП 11 импульсов после прохождения через кювету 1 первого ОКС выход ФП 11 подключен к АЦП 38, а при регистрации второго ОКС выход ФП 11 подключается ко входу АЦП 39.

В результате АЦП 38 осуществляет преобразование в цифровую форму параметров выбросов импульса от первого ОКС, а в АЦП - соответственно от второго ОКС. При выполнении устройства, реализующего способ, по третьему варианту фотоприемник 36 подключается непосредственно к АЦП 39. Информация с выходов АЦП 38,39 регистрируется в регистрах памяти 40, 41, в которые одновременно поступает информация о моментах времени появления выбросов анализируемых импульсов. Для фиксации временных параметров оцифрованных амплитуд импульсов на вторые входы регистров памяти 40, 41 поступают синхроимпульсы от генератора синхроимпульсов 45. Запуск последнего осуществляют от формирователя импульсов 44, который формирует специальный импульсный сигнал запуска генератора синхроимпульсов 45, выполняющего функцию формирования внутреннего временного масштаба. Запуск формирователя импульсов 44 осуществляют по переднему фронту импульса накачки от генератора импульсов 6, поступающего на вход генератора первого ОКС 5 и одновременно на вход формирователя импульсов 44. В состав каждого из регистров памяти 40, 41 входит счетчик поступающих синхроимпульсов от генератора синхроимпульсов 45. В результате в регистрах памяти 40, 41 регистрируется информация об амплитудах выбросов анализируемых импульсных сигналов и о моментах их появления от переднего фронта импульса с выхода генератора импульсных сигналов 6, т.е. от момента времени t₁ начала формирования первого ОКС (см. фиг.2 поз.1; 2). Процессор 43 осуществляет анализ амплитуд выбросов, зарегистрированных в регистрах памяти 40, 41, определяет выбросы с наибольшей величиной амплитуды и информацию о величинах наибольших амплитуд и моментах времени их появления передает в регистр памяти 42, выполняющий роль буферной памяти. Далее информация из регистра памяти поступает в блок обработки информации 12. В качестве процессора 43 может быть использована стандартная вычислительная ячейка с фиксированной программой функционирования. Функции процессора 43 могут также выполняться в блоке обработки информации 12. В этом случае определение величин наибольших амплитуд импульсов и моментов времени их появления осуществляет блок обработки информации 12, в который поступает информация о параметрах выбросов импульсов из регистров памяти 40, 41, 42.

Акустооптический модулятор света АОМС 14 представляет собой фотоупругий кристалл, например кристалл кварца [6, 9], снабженный пьезодатчиком 52, на который подают электрический модулирующий сигнал заданной частоты f_M с выхода электронного усилителя 26. Модуляция светового пучка с помощью АОМС была осуществлена экспериментально для максимальной частоты f_M модуляции, равной 9,5 ГГц [6], что более чем в 30 раз превышает ширину полосы квантового усиления фотодиссоционного квантового усилителя [4].

Источник тока 4 представляет собой стабилизированный источник постоянного тока, выполненный на основе управляемых элементов, например тиристорах, величина формируемого тока в котором может изменяться под действием внешнего управляющего сигнала, поступающего от блока обработки информации 12.

В качестве генератора первого ОКС 5 может быть использован лазерный светоизлучающий диод в режиме генерации излучения со сканированием частоты по времени, что достигается выбором достаточно большой амплитуды импульса накачки, формируемого генератором импульсных сигналов 6, генерирующего периодическую последовательность импульсов.

Задержку во времени сформированного второго ОКС осуществляют с помощью оптической линии задержки (ОЛЗ) 30, блок-схема которой приведена на фиг.5. ОЛЗ содержит входную и выходную диафрагмы 47, 48, первую и вторую согласующие линзы 49, 50, которые осуществляют перепроектирование потока излучения от входной 47 до выходной 48 диафрагм с сохранением геометрических размеров потока излучения. Задержка на время Δ T осуществляется за счет конечного времени распространения излучения с - скорость света. Для получения заданной величины задержки по времени Δ T в соответствии с условием Δ Т≥ τ _c выбирают рабочую длину l₀ ОЛЗ на фиг.5 в соответствии с соотношением В качестве ОЛЗ возможно использование волоконно-оптических линий связи, содержащих оптическое волокно, намотанное на специальные бобины, что обеспечивает большое время задержки при малых габаритах.

Проведенные исследования экспериментального образца устройства, реализующего способ, подтвердили возможность достижения высокой точности определения характеристик лазерной среды при одновременном обеспечении высокого быстродействия при осуществлении процесса измерений. На фиг.6 представлена осциллограмма, полученная при моделировании лазерной среды при наличии возмущающего воздействия. По оси абсцисс отложена частота входного ОКС, сканируемая в процессе его генерации. По оси ординат отложена величина амплитуды контрольного сигнала после прохождения лазерной среды, пропорциональная коэффициенту усиления лазерной среды.

Осциллограмма на фиг.6 эквивалентна диаграмме на фиг.3, на которой действующие полосы квантового усиления лазерной среды представлены схематично. На осциллограмме фиг.6 видно наличие нескольких полос квантового усиления лазерной среды при наличии возмущающего воздействия. При этом высокая точность определения частоты полосы квантового усиления достигается, как было отмечено, за счет использования синтезатора частоты, а осциллограмма на фиг.6 представляет визуализацию быстрого панорамного сканирования диапазона частот всей совокупности полос квантового усиления лазерной среды. Моделирование лазерной среды при наличии возмущающего воздействия осуществлено на основе специального электронного генератора сигналов с параметрическим возбуждением совокупности каналов усиления или генерирования сигналов, смещенных относительно исходного невозмущенного канала (полосы) усиления сигналов [8].

На фиг.7, 8, 9 представлены осциллограммы, полученные при пропускании излучения лазерного полупроводникового диода через лазерную среду на основе возбужденного атомарного йода [4]. Данные осциллограммы иллюстрируют режим сканирования по частоте излучения лазерного диода за счет действия импульса тока накачки.

Лазерная среда находилась в возбужденном состоянии при отсутствии внешнего возмущающего воздействия. В этом режиме лазерная среда характеризуется наличием одной весьма узкой полосы квантового усиления, частота которой соответствует основному квантовому переходу атомарного йода ²P_1/2-²P_3/2,f_U0=2,3· 10¹⁴ Гц, с шириной полосы Δ ν =0,01 см^-1; Δ f=300 МГц; Δ λ =0,017 .

Использованный в эксперименте лазерный диод работал в многомодовом режиме, характеризующемся наличием нескольких спектральных линий генерации излучения. При этом ширина полосы Δ ν квантового усиления указанной лазерной среды существенно меньше ширины спектра, генерируемого лазерным диодом, и позволяет при сканировании излучения последнего по частоте визуализировать тонкую структуру спектра излучения лазерного диода в многомодовом режиме генерации излучения, что и отображают осциллограммы на фиг.7, 8, 9. Сканирование по частоте излучения лазерного диода осуществлялось за счет быстрого изменения температуры лазерного диода при воздействии импульса тока накачки. В результате весь спектр излучения лазерного диода как целое смещался по частоте полосы квантового усиления лазерной среды за время длительности импульса генерации излучения лазерного диода. Фотоприемник 11 на выходе лазерной среды регистрировал осциллограммы на фиг.7, 8, 9, которые отображают наличие тонкой спектральной структуры излучения лазерного диода, сканируемой относительно полосы квантового усиления лазерной среды и проявляющейся в наличии нескольких коротких выбросов амплитуды на фоне исходного генерируемого импульса излучения лазерного диода с большой длительностью. Амплитуда выбросов пропорциональна коэффициенту усиления лазерной среды. Среди выбросов амплитуды на фиг.7-9 существует выброс с наибольшей амплитудой, соответствующий центру спектральной полосы генерации лазерного излучения и моменту времени t_a2. Данный выброс с наибольшей амплитудой может быть использован при проведении измерительных операций и выделений максимальной амплитуды в блоке анализа импульсов 25. Осциллограммы на фиг.7, 8,9 получены при различной температуре корпуса лазерного диода. При этом изменение температуры лазерного диода обуславливает смещение по оси частот центральной частоты f_c полосы генерации лазерного диода, что соответствует смещению выброса с максимальной амплитудой по временной оси - оси абсцисс на фиг.7, 8, 9 в соответствии с изменяемой температурой корпуса Т0 д

Таким образом, быстрое локальное изменение температуры резонатора лазерного диода, обусловленное действием импульса тока накачки, обеспечивает сканирование частоты генерации лазерного диода в некоторых пределах ±Δ f_cк относительно центральной частоты f_c полосы генерации лазерного диода. Последняя смещается по оси частот в зависимости от средней температуры корпуса лазерного диода. Таким образом, смещение по частоте всей полосы генерации излучения лазерного диода как целого может быть осуществлено путем контролируемого изменения средней температуры лазерного диода, например, путем его нагрева или охлаждения.

Применение предложенного способа и устройства для его осуществления в лазерных измерительных системах позволяет получить следующие результаты:

- обеспечить высокую точность определения характеристик лазерной среды при наличии различных возмущающих воздействий, например наличия магнитного поля, воздействующего на лазерную среду;

- обеспечить высокую скорость определения характеристик лазерной среды, что необходимо для осуществления оперативного функционального контроля параметров лазерных усилителей в системах дальней лазерной космической связи;

- обеспечить высокую точность и оперативность установления частоты полосы квантового усиления в лазерных информационных системах для компенсации доплеровского сдвига частоты.

Реализация предложенного способа при проведении физических экспериментов с лазерной средой фотодиссоционного лазера [7] позволила осуществить оптимизацию характеристик лазерной среды при приеме слабых оптических сигналов и реализовать предельно высокую чувствительность, ограниченную квантовым пределом.

На фиг.11, поз.2 приведена осциллограмма выходного сигнала фотоприемника 11 фиг.1, полученная в результате усиления в лазерной среде 1 слабого оптического импульсного сигнала, поданного на вход кюветы с лазерной средой 1 от задающего лазерного генератора 5. Формируемый на входе лазерной среды 1 оптический импульс измерялся с помощью отдельного калиброванного интегрирующего фотоприемника, осциллограмма на выходе которого представлена на фиг.11, поз. 1. Далее оптический импульс подвергался ослаблению с помощью калиброванного ослабителя и поступал на оптический вход кюветы 1. В результате определения характеристик лазерной среды и точной ее настройки на длину волны генерируемого лазерного излучения реализована предельная квантовая чувствительность. Осциллограмма на фиг.11, поз. 2 получена в результате усиления в лазерной среде 1 оптического импульса, содержащего 85 фотонов. Отношение сигнал/шум на осциллограмме равно q=17, что соответствует величине пороговой чувствительности N_min =5 фотонов для q=1. Реализованная чувствительность соответствует квантовому пределу для использованной в эксперименте длительности оптического импульса и приеме излучения в дифракционном входном угле.

Источники информации

1. В.А.Зубов. Методы измерения характеристик лазерного излучения. М., Наука, М. 1973 г., стр. 45.

2. Авт. свид. СССР №766500. Б.И. №2 15.01.1982 г.

3. Р.А.Валитов и др. Радиотехнические измерения. М., Сов. Радио, 1970 г., стр. 443-445; стр. 426.

4. Земсков Е.М., Казанский В.М., Кутаев Ю.Ф., Манкевич С.К., Носач О.Ю. Патент РФ №2133533, опубл. 20.07.99 г. Бюл. №20 (прототип).

5. Справочник по лазерной технике под ред. А.П.Напартовича. М., Энергоатомиздат., 1991 г.

6. Е.Р.Мустель, В.Н.Парыгин. Методы модуляции и сканирования света. М., Наука, 1970 г.

7. Ю.Ф.Кутаев, С.К.Манкевич, О.Ю.Носач, Е.П.Орлов. Лазерное приемное устройство с квантовым пределом чувствительности в ближнем ИК-диапазоне. “Квантовая электроника”, 30, №9 (2000), стр. 833.

8. С.К.Манкевич и др. “Устройство для генерирования сложных периодических колебаний”. Авт. свид. СССР №433617 от 08.09.1969 г. Опубл. 25.06.1974 г. Бюл. №23.

9. В.И.Балакший, С.К.Манкевич, В.Н.Парыгин и др. Акустооптическое устройство для преобразования изображения в электрический сигнал. Квантовая электроника, 12, №4 (1985 г.), стр. 743.

10. ЖЭТФ, 1972,5, стр. 1673.

Изобретение относится к области лазерной техники и оптоэлектроники и может быть использовано в физической измерительной аппаратуре, лазерной локации и в системах лазерной космической связи для высокоточного и оперативного измерения характеристик лазерных сред, входящих в состав лазерных генераторов и лазерных усилителей оптических сигналов. Согласно предлагаемому способу, в возбужденной лазерной среде формируют возмущающее воздействие, осуществляют формирование первого и второго оптических контрольных сигналов (ОКС), которые пропускают через лазерную среду при наличии и отсутствии в ней возмущающего воздействия, осуществляют измерение параметров выбросов интенсивности первого и второго ОКС после прохождения через лазерную среду, на основании которых определяют характеристики лазерной среды. Устройство, осуществляющее способ, позволяет реализовать указанный технический результат, который подтвержден экспериментально при испытаниях устройства. Технический результат - увеличение точности определения характеристик лазерной среды, повышение быстродействия процесса измерений. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Способ определения характеристик лазерной среды, заключающийся в возбуждении лазерной среды, формировании в ней возмущающего воздействия (например, магнитного поля), формировании и пропускании через лазерную среду первого оптического контрольного сигнала (ОКС) и последующем измерении его параметров, отличающийся тем, что первый ОКС формируют импульсно-периодическим, при формировании первого ОКС осуществляют сканирование его частоты излучения, формируют второй оптический контрольный сигнал (ОКС) путем ответвления части первого ОКС, после пропускания первого ОКС через возмущенную лазерную среду при периодическом измерении параметров первого ОКС определяют амплитуды А_i выбросов интенсивности первого ОКС и моменты времени t_ai их появления относительно момента времени t₁ начала формирования первого ОКС и выделяют максимальное значение выброса интенсивности А₂ первого ОКС и момент времени t_a2 его появления, у ранее сформированного второго ОКС осуществляют смещение спектра излучения на величину Δf, задерживают второй ОКС по времени на величину ΔT, пропускают второй ОКС через невозмущенную лазерную среду, осуществляют периодическое измерение выбросов интенсивности В_i второго ОКС и моментов времени t_bi появления выбросов относительно момента времени t₁ начала формирования первого ОКС, выделяют максимальное значение В₂ выброса интенсивности второго ОКС и момент времени появления выброса t_b2, определяют величину разности R между моментами времени появления выбросов интенсивности с максимальной амплитудой первого и второго ОКС после прохождения через лазерную среду R=t_b2-t_a2, изменяют величину смещения спектра излучения Δf до момента достижения равенства разности R величине времени задержки ΔТ второго ОКС R=t_b2-t_a2=ΔТ, определяют величину смещения Δf=f_M1 спектра излучения, соответствующую выполнению этого равенства, и определяют характеристики лазерной среды по следующим формулам:

где f_uv - частота полосы квантового усиления возмущенной лазерной среды;

f_u0 - известная частота полосы квантового усиления невозмущенной лазерной среды, соответствующая рабочему лазерному переходу;

γ₂ - относительный коэффициент усиления возмущенной лазерной среды, соответствующий частоте f_uv полосы квантового усиления;

β - относительный коэффициент ослабления излучения первого и второго оптических контрольных сигналов, равный отношению коэффициентов ослабления излучения второго τ₂ и первого τ₁ оптических контрольных сигналов при их формировании;

при этом относительный коэффициент усиления γ₂ лазерной среды характеризует отношение величин К₂, К₀:

где K₀ - коэффициент усиления лазерной среды на частоте f_u0 полосы квантового усиления, соответствующей невозмущенному рабочему лазерному переходу;

К₂ - коэффициент усиления лазерной среды, соответствующий частоте f_uv полосы квантового усиления возмущенной лазерной среды.

ΔТ>τ_c;

ΔТ>Δt_k,

где τ_c - длительность промежутка времени, необходимого для выключения возмущающего воздействия на лазерную среду;

Δt_k - длительность импульса первого оптического контрольного сигнала.