ИЗМЕРИТЕЛЬ МОЩНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ОПТИЧЕСКИХ КВАНТОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ Российский патент 2010 года по МПК G01J1/20 G01J11/00 

Изобретение относится к области физической оптики и квантовой электроники и может быть использовано в измерительной технике, в частности при измерении мощности излучения импульсных ОКГ, работающих в режимах с модулированной добротностью или синхронизации мод.

В лазерах на основе веществ, имеющих сравнительно большое время релаксации возбужденных частиц, можно осуществить генерацию короткого одиночного импульса достаточно большой мощности. Лазер в режиме стационарной генерации не может излучать мощность, превышающую мощность накачки. Но если выбрать вещество с достаточно большим временем релаксации и выключить обратную связь, то, располагая источником накачки сравнительно небольшой мощности, можно на верхнем рабочем уровне накопить большое число возбужденных частиц. Если после окончания процесса накопления быстро включить обратную связь, то за счет большого числа возбужденных частиц развивается мощный импульс лазерного излучения (режим формирования гигантских импульсов модуляцией добротности резонатора ОКГ). При мощности накачки в десятки кВт импульсная мощность генерируемого излучения может достигать сотен МВт. Режим с модулированной добротностью характерен для твердотельных лазеров - рубиновых, неодимовых и YAG, газовых - йодных и CO₂ и полупроводниковых лазеров. Модуляция параметров в них может приводить к возникновению хаотических пульсаций мощности, которым в фазовом пространстве соответствует сложный набор траекторий, называемых странным аттрактором.

Оптический резонатор лазера имеет набор собственных типов колебаний (мод) - продольных и поперечных. Собственные частоты продольных мод отделены друг от друга интервалом Δ′Ω=c/2L_РЕЗ, где с - скорость света, L_РЕЗ - оптическая длина резонатора с учетом показателя преломления активной среды. Поперечные моды группируются около продольных, являясь их сателлитами. В оптическом диапазоне обычно ширина спектральной линии спонтанного излучения активного вещества Δω>>Δ′Ω (доплеровская ширина), так что в ее пределы попадает большое число мод резонатора. В процессе развития генерации все генерируемые частоты должны были бы быть подавленными, кроме одной, ближайшей к резонансной частоте спектральной линии. Однако это справедливо только в том случае, когда спектральная линия однородно уширена, если все моды в пространстве полностью перекрываются. В действительности каждая мода имеет свое пространственное распределение поля в резонаторе и полного перекрытия мод не происходит. Конкуренция между ними ослаблена, что приводит к многомодовой генерации. Неоднородно уширенная спектральная линия означает набор частиц с различной частотой перехода. Для генерации определенной моды используется энергия лишь тех частиц, частоты которых достаточно близки к собственной частоте моды. Энергия удаленных по частоте частиц оказывается неиспользованной и может служить источником излучения, соответствующего моде с другой собственной частотой.

Многомодовая генерация может оказаться полезной для генерации мощных импульсов излучения очень короткой длительности. Совокупность N синусоидальных колебаний со строго фиксированной частотой, набор частот которых представляет собой арифметическую прогрессию, образует последовательность импульсов. Временной интервал между импульсами τ_C=Δ′Ω^-1, длительность импульса τ_И=(NΔ′Ω)^-1 В реальных системах интервал Δ′Ω=10⁸-10⁹ Гц, и при N=Δω_Д/Δ′Ω=10³ можно получить импульсы длительностью τ_И=10^-11-10^-12 c. Поэтому для генерации ультракоротких импульсов применяются активные среды с большой шириной линии Δω_Д (стекло, активированное неодимом, иттрий-алюминиевый гранат, красители, полупроводники).

В нормальном режиме генерации каждая мода представляет практически независимый генератор, фаза излучения которого по отношению к фазам волн других мод произвольна, и импульсная структура в этом случае не возникает. Поэтому для генерирования ультракоротких импульсов необходимо согласовать фазы отдельных мод. Этого можно добиться, модулируя, например, накачку лазера с частотой f, равной межмодовому интервалу, так что 2πf=Δ′Ω, или применяя насыщающиеся фильтры, надлежащий подбор которых и выбор их положения в резонаторе лазера позволяет получить гигантский импульс, состоящий из последовательности ультракоротких импульсов. Из них с помощью оптических затворов может быть выделен одиночный ультракороткий импульс, который может быть подвергнут дальнейшей компрессии во времени специальными методами [1-4]. В результате удается получить импульсы фемтосекундной длительности.

Одной из важных задач техники измерений лазерного излучения является задача измерения мощности сверхкоротких и сверхмощных импульсов когерентного излучения. Известные методы измерения в ряде случаев оказываются неточными и инерционными, дающими лишь представление о среднем значении мощности излучения, например, при использовании болометрических средств. Болометр - тепловой неселективный приемник излучения, основанный на изменении электрического сопротивления термочувствительного элемента из металла, полупроводника или диэлектрика при его нагревании вследствие поглощения потока излучения [5]. Значительно менее инерционными являются фотодиодные приемники [6] - нелинейные преобразователи оптического излучения видимого и инфракрасного диапазонов волн в электрические сигналы, несущие информацию о параметрах оптического излучения (интенсивности, частоте, фазе), к числу которых относятся фоторезисторы, фотодиоды, фотоумножители, имеющие квадратичную зависимость фототока от напряженности электрического поля световой волны. Последнее обстоятельство ограничивает область применения таких детекторов излучения.

Целями заявляемого технического решения являются обеспечение линейной оценки мощности ультракоротких и мощных импульсов лазерного излучения и исследование их тонкой структуры.

Реализация этих целей достигается в измерителе мощности излучения импульсных оптических квантовых генераторов, работающих в режимах с модулируемой добротностью или синхронизации мод, состоящем из двухлучевого интерферометра Рождественского с двумя глухими и двумя полупрозрачными зеркалами, в первой его оптической ветви - сигнальной последовательно установлены магнитооптическая ячейка Коттона-Мутона и скрещенный николь (анализатор поляризации), а во второй - опорной последовательно установлены фазовая пластина, фотометрический клин и полуволновая пластина; с оптическим входом интерферометра Рождественского связан одночастотный одномодовый оптический квантовый генератор непрерывного действия, например CO₂-лазер, через поляроид, излучение измеряемого импульсного оптического квантового генератора через четвертьволновую пластину, глухой отражатель и диафрагму облучает магнитооптическую ячейку Коттона-Мутона в направлении, перпендикулярном распространению в ней лазерного излучения от одночастотного одномодового оптического квантового генератора непрерывного действия; оптический выход интерферометра Рождественского связан с входом гомодинного фотодетектора на соединении «кадмий-ртуть-теллур», охлаждаемым жидким азотом, электрический выход которого подключен к входу спектроанализатора.

Достижение поставленных целей в заявляемом техническом решении объясняется линейностью преобразования амплитуды вращающегося электрического поля измеряемого излучения в соответствующую ей намагниченность материала в магнитооптической ячейке Коттона-Мутона под действием обратного эффекта Фарадея и линейностью гомодинного преобразования сигнального и опорного взаимно когерентных пучков излучения одночастотного одномодового оптического квантового генератора (ОКГ) в линейном фотодетекторе, на выходе которого возникает электрический широкополосный сигнал, спектр которого, анализируемый в спектроанализаторе, характеризует спектральную плотность сигнала, модулирующего среду магнитооптической ячейки Коттона-Мутона, которая линейно связана со спектральной плотностью мощности измеряемого излучения.

Действие устройства понятно из представленного чертежа.

Устройство включает следующие элементы и узлы:

1 - двухлучевой интерферометр Рождественского,

2 и 3 - глухие зеркала оптических ветвей интерферометра Рождественского,

4 и 5 - полупрозрачные зеркала оптических ветвей интерферометра Рождественского,

6 - магнитооптическую ячейку Коттона-Мутона,

7 - скрещенный николь (анализатор поляризации),

8 - фазовую пластину с гранями, расположенными под углами Брюстера,

9 - фотометрический клин (для регулировки амплитуды опорной волны),

10 - полуволновую пластину,

11 - одночастотный одномодовый ОКГ непрерывного действия, например CO₂-лазер,

12 - поляризатор излучения,

13 - измеряемый импульсный ОКГ,

14 - четвертьволновую пластину, преобразующую плоскую волну в волну с круговой поляризацией,

15 - глухой отражатель,

16 - апертурную диафрагму (определяющую длину пути опорного излучения ОКГ непрерывного действия в магнитооптической ячейке Коттона-Мутона),

17 - линейный гомодинный фотодетектор на тройном соединении KdHgTl (KPT), охлаждаемом жидким азотом,

18 - широкополосный спектроанализатор.

Рассмотрим действие заявляемого устройства.

Будем полагать, что импульсный ОКГ создает сверхмощное плоско поляризованное излучение, которое нельзя подавать непосредственно на фотоприемные устройства из-за опасности их ослепления, а также из-за нелинейности фотоэлектрического преобразования, искажающего распределение спектральной плотности излучения в сигнале на выходе спектроанализатора. Спектр этого излучения в устройстве переносится на модулирующую функцию - оператор действия на магнитооптическую ячейку Коттона-Мутона с использованием обратного эффекта Фарадея [7-12]. Этот эффект связан с намагничиванием диэлектрических оптически прозрачных сред при прохождении через них циркулярно поляризованной волны света с большой амплитудой электрической компоненты по закону:

где Н_ф - напряженность возникающего магнитного поля в объеме диэлектрика, облученного электромагнитной волной с плотностью потока мощности σ (вектор Пойтинга) и частотой ν, χ - постоянная обратного эффекта Фарадея, φ - разность фаз между обыкновенной и необыкновенной волнами в составе циркулярно поляризованной волны лазерного излучения. При φ=0 излучение является плоско поляризованным, а при φ=π/2 - с круговой поляризацией. С помощью четвертьволновой пластины 14 для излучения импульсного ОКГ 13 его излучение имеет круговую поляризацию, и значение Н_ф является наибольшим возможным.

Благодаря эффекту Коттона-Мутона, заключающемуся в возникновении линейного двойного лучепреломления в среде, помещенной во внешнее магнитное поле, при распространении света перпендикулярно этому полю [13], в заявляемом устройстве осуществляется амплитудная модуляция излучения одночастотного одномодового ОКГ непрерывного излучения (например, CO₂-лазера) 11 с плоской поляризацией, определяемой поляризатором 12 от взаимодействия последнего с магнитооптической ячейкой Коттона-Мутона 6 и с учетом действия скрещенного николя 7 (анализатора), главная плоскость поляризации которого расположена ортогонально главной плоскости поляризации поляризатора 12. Знак индуцированной разности фаз не зависит от направлении приложенного магнитного поля и, следовательно, зависимость наведенного двулучепреломления должна определяться лишь четными степенями напряженности магнитного поля Н_ф. В подавляющем большинстве случаев оказывается возможным ограничиться квадратичным по Н_ф членом:

где Δ_λ - разность хода лучей, выраженная в длинах волн, L - длина пути света в веществе ячейки, охваченном поперечным магнитным полем, определяемая апертурой диафрагмы 15, n_e и n_o - показатели преломления материала магнитооптической ячейки на длине волны λ в вакууме необыкновенной и обыкновенной волн в излучении ОКГ 11, С - константа Коттона-Мутона, зависящая от свойств среды ячейки 6, длины волны излучения ОКГ 11 и температуры.

Таким образом, спектр излучения импульсного ОКГ 13 переносится на спектр оптического излучения, образующегося на выходе сигнальной ветви интерферометра Рождественского 1. Использование в его опорной ветви полуволновой пластины 10 преобразует опорную волну, плоскость поляризации которой совпадает с плоскостью поляризации сигнальной волны на выходе скрещенного николя 7. Это увеличивает эффективность фотосмешения в фотодетекторе 17.

Для обеспечения линейного фотодетектирования модулированного излучения ОКГ 11 следует использовать режим гомодинного (синхронного) фотосмешения сигнальной и опорной взаимно когерентных волн, смешиваемых в полупрозрачном зеркале 5. Взаимная когерентность смешиваемых волн важна для существенного снижения искажений, связанных с фактором кратковременной стабильности частоты излучения ОКГ 11 непрерывного действия [14]. С этой целью необходимо выравнивать оптическую разность хода лучей сигнального и опорного пучков при использовании фазовой пластины 8 (соответствующим выбором ее оптической толщины). Подстройка амплитуды опорной волны осуществляется с помощью фотометрического клина 9.

Две коллинеарных плоских волны света - сигнальная с широкой полосой и опорная с частотой, равной центральной частоте спектра сигнальной волны, воздействуют на КРТ фотоприемное малошумящее устройство 17. При этом на его выходе образуется широкополосный видеосигнал, который линейно представляет спектр мощности излучения импульсного ОКГ 13. Известно, что при гомодинном и гетеродинном режимах фотосмешения реализуется принцип синхронного детектирования, которое является линейной операцией. Эти режимы фотосмешения широко используются в лазерной локации [15-17].

Среди материалов для магнитооптической ячейки Коттона-Мутона перспективными могут оказаться прозрачные ферриты, например, в ферромагнитном кристалле EuSe величина магнитного линейного двулучепреломления Δn=n_e-n_o достигает 1,5·10^-2.

Заявляемое техническое решение может быть использовано при разработке мощных импульсных ОКГ, например солитоновых лазеров и лазеров для термоядерного синтеза.

Литература

1. Справочник по лазерам. Пер. с англ., под ред. А.М.Прохорова, т.1-2, 1978.

2. Звелто О. Принципы лазеров. Пер. с англ., 2-е изд., М., 1984.

3. О'Шиа Д., Колен Р., Роде У. Лазерная техника. Пер.с англ., М., 1980.

4. Тарасов Л.В. Физика процессов в генераторах когерентного оптического излучения. М, 1981.

5. Марков М.Н. Приемники инфракрасного излучения. М., 1988.

6. Росс М. Лазерные приемники. Пер.с англ., М., 1969.

7. Меньших О.Ф. Светомагнитный эффект. Заявка на открытие, рег.№32-ОТ-4540 от 30.06.1965.

8. Першан, Ван-дер-Циль, Мальмстрем. «Обратный эффект Фарадея». Доклад на IV Международной конференции по квантовой электронике в Пуэрто-Рико, 28-30.06.1965 г., опубл. УФН, 88, №1, 177, 1965 г.

9. Physics of Quantum Electronics, ed. Kelley, Lax, Tannenwald, 1966, p.3.

10. Pershan, V.d.Ziel, Malmstrom, Phys. Rev. Lett., 15, 190 (1965).

11. Меньших О.Ф. Устройство для измерения параметров диэлектриков. Авт.свид. СССР №1371223.

12. Меньших О.Ф. Способ генерирования электрических колебаний. Авт.свид. СССР №1380476.

13. Смоленский Г.А., Писарев Р.В., Синий И.Г. Двойное лучепреломление в многоупорядоченных кристаллах. «УФН», 1975, т.116, с.231.

14. Меньших О.Ф. Способ измерения кратковременной стабильности частоты излучения газового лазера. Авт.свид. СССР №1554719 с приоритетом от 06.11.1987.

15. Меньших О.Ф. Лазерный доплеровский локатор. Патент РФ №1829641 с приоритетом от 25.03.1991.

16. Меньших О.Ф. Способ локации. Патент РФ №2296350 с приоритетом от 03.10.2005, опубл. в бюлл. №9 от 27.03.2007.

17. Лазерная локация. Под ред. Н.Д.Устинова. М.: Машиностроение, 1984.

Измеритель мощности излучения импульсных оптических квантовых генераторов содержит двухлучевой интерферометр Рождественского с двумя глухими и двумя полупрозрачными зеркалами. В первой его оптической ветви - сигнальной последовательно установлены магнитооптическая ячейка Коттона-Мутона и скрещенный николь, а во второй - опорной последовательно установлены фазовая пластина, фотометрический клин и полуволновая пластина. С входом интерферометра Рождественского через поляроид связан одночастотный одномодовый оптический квантовый генератор непрерывного действия. Излучение измеряемого импульсного оптического квантового генератора через четвертьволновую пластину и диафрагму облучает магнитооптическую ячейку Коттона-Мутона в направлении, перпендикулярном распространению в ней лазерного излучения от одночастотного одномодового оптического квантового генератора непрерывного действия. Выход интерферометра Рождественского связан с входом гомодинного фотодетектора на соединении «кадмий-ртуть-теллур», охлаждаемом жидким азотом, электрический выход которого подключен к входу спектроанализатора. Технический результат заключается в обеспечении линейной оценки мощности ультракоротких и мощных импульсов лазерного излучения оптических квантовых генераторов, работающих в режимах с модулируемой добротностью или синхронизации мод. 1 ил.

Измеритель мощности излучения импульсных оптических квантовых генераторов, работающих в режимах с модулируемой добротностью или синхронизации мод, состоящий из двухлучевого интерферометра Рождественского с двумя глухими и двумя полупрозрачными зеркалами, в первой его оптической ветви - сигнальной - последовательно установлены магнитооптическая ячейка Коттона-Мутона и скрещенный николь (анализатор поляризации), а во второй - опорной - последовательно установлены фазовая пластина, фотометрический клин и полуволновая пластина; с оптическим входом интерферометра Рождественского связан одночастотный одномодовый оптический квантовый генератор непрерывного действия, например СO₂-лазер, через поляроид, излучение измеряемого импульсного оптического квантового генератора через четвертьволновую пластину, глухой отражатель и диафрагму облучает магнитооптическую ячейку Коттона-Мутона в направлении, перпендикулярном распространению в ней лазерного излучения от одночастотного одномодового оптического квантового генератора непрерывного действия; оптический выход интерферометра Рождественского связан с входом гомодинного фотодетектора на соединении «кадмий-ртуть-теллур», охлаждаемом жидким азотом, электрический выход которого подключен к входу спектроанализатора.