Устройство для измерения переходных характеристик оптических усилителей Российский патент 2018 года по МПК G02F1/00 

Область техники

Изобретение относится к области физики фемтосекундных лазеров, акустооптики, оптоэлектроники.

Уровень техники

Из уровня техники известно, что метод частотно-контрастных характеристик широко применяется при измерении пространственной разрешающей способности оптических систем. Метод заключается в подаче на систему оптического тестового сигнала, сформированного тестовым устройством, и содержащего упорядоченное множество пространственных частот.В простейшем известном случае для анализа пространственного разрешения оптических систем тестовое устройство технически выполняется в виде оптической миры с заданным одномерным или двумерным пропусканием (Дж. Гудмен. Введение в Фурье-оптику / М.: Мир, 1973).

Метод частотно-контрастных характеристик показывает отклик произвольной системы (оптической, электрической, механической) на тестовый сигнал, формирующий переходные характеристики в значимой для системы области параметров. Он является весьма общим и может быть применен и в других областях науки и техники, не имеющих отношения к его традиционному использованию для анализа пространственного разрешения оптических систем. При этом частотно-контрастная характеристика формируется на основе массива экспериментальных данных отклика произвольной линейной системы на тестовый сигнал, описываемый функцией вида Σrect(a_nx-b_n), где х - характеризующий систему параметр. Из уровня техники известно, что наиболее существенной проблемой метода частотно-контрастных характеристик является разработка и создание тестового устройства, формирующего тестовый объект для измерения переходных характеристик линейной системы (оптической, электрической, механической) и устройства регистрации переходных характеристик системы. При этом и тестовое устройство и устройство регистрации переходных характеристик могут являться достаточно сложными оптоэлектронными устройствами. В случае измерения частотно-контрастных характеристик во временной области тестовым объектом является оптический импульс, имеющий форму меандра.

Из уровня техники известно, что в последние годы в физике ультракоротких сверхмощных лазерных импульсов особое значение приобретает исследование переходных характеристик мощных оптических усилителей во временной области или временного разрешения усилителей. В мощных лазерных системах для инерциального термоядерного синтеза наиболее важным принципом осуществления термоядерной реакции является пространственно-временное согласование процессов сжатия и нагрева плазмы в процессе имплозии мишени, обеспечивающих безударное сжатие мишени за счет использования профилированного во времени лазерного импульса по специальному закону (С.Ю. Гуськов. Быстрое зажигание мишеней инерциального синтеза // Физика плазмы.- Т. 39, №1. - С. 3. - 2013).

Из уровня техники известно, что в установках инерциального термоядерного синтеза NIF (США) и LMJ (Франция) для создания программируемого во времени воздействия лазерных импульсов многоканальной системы на термоядерную мишень в стартовой части применяются электрооптические модуляционные устройства (аналоги) с характерным значением переходной характеристики 50 пс. Затем оптический импульс со сформированным профилем направляется в каскады усиления (J.K. Crane, R.B. Wilcox, N.W. Hopps, et al. Integrated operations of the National Ignition Facility (NIF) optical pulse generation development system // Third International Conference on Solid State Lasers for Application to Inertial Confinement Fusion - W.H. Lowdermilk, ed. / Proc. SPIE - V. 3492 - P. 100 - 1999; A. Jolly, J.F. Gleyze, J. Luce, et al. Front-end sources of the LIL-LMJ fusion lasers: progress report and prospects // Optical Engineering - V. 42, №5. - P. 1427-2003).

Активные среды мощных оптических усилителей вызывают спектральные и фазовые искажения ультракоротких усиливаемых импульсов и, соответственно, искажения переходных временных процессов в рабочем режиме, в том числе, искажение временных профилей импульсов, оптимальных для безударного сжатия мишеней. Это обстоятельство является крайне значимым также и для временной синхронизации всех лазерных каналов при многоканальном воздействии на мишень излучения импульсных источников энергии (для справки NIF имеет 192 лазерных канала). Для обеспечения требуемого профилирования лазерных импульсов и их синхронного воздействия на мишень переходные характеристики оптических усилителей подлежат измерению в рабочем режиме.

Недостатком электрооптических модуляционных устройств (аналогов) является относительно медленная для физики сверхбыстрых оптических процессов переходная характеристика, которая не превышает характерного значения 50 пс, что ограничивает применение электрооптических устройств в качестве тестовых устройств с высоким временным разрешением для прецизионного измерения переходных характеристик мощных оптических усилителей.

Из уровня техники известны акустооптические устройства (дисперсионные линии задержки). Данные устройства основаны на явлении анизотропной дифракции оптического излучения на акустических волнах в кристаллах и предназначены для коррекции формы фемтосекундных импульсов посредством компенсации дисперсий высших порядков, возникающих в лазерном оптическом тракте. Известно акустооптическое устройство (аналог) (Молчанов В.Я., Чижиков СИ., Макаров О.Ю. / Акустооптическая дисперсионная линия задержки: пат. РФ на изобретение от 21.03.2011. - RU 2453878 С1; Молчанов В.Я., Чижиков С.И., Макаров О.Ю. / Акустооптическая дисперсионная линия задержки: пат. РФ на полезную модель от 24.03.2011.- RU 106004 U1), осуществляющее управление комплексными спектрами ультракоротких лазерных импульсов посредством произвольной амплитудной и фазовой модуляции их оптических спектров при акустооптическом взаимодействии. Данные устройства основаны на явлении анизотропной дифракции оптического излучения на акустических волнах в кристаллах.

Наиболее близким к заявленному техническому решению по технической сущности (прототипом) является устройство, осуществляющее измерение переходных характеристик акустооптических дисперсионных линий задержки в спектральной области (K.В. Yushkov, V.Ya. Molchanov. MTF formalism for measurement of spectral resolution of acousto-optical devices with synthesized transmission function // Optics Letters. - V. 38, №18. - P. 3578. - 2013). Устройство состоит из фемтосекундного лазерного осциллятора, излучение которого направляется на акустооптическую дисперсионную линию. Усилитель подает на пьезопреобразователь дисперсионной линии управляющий высокочастотный (ВЧ) сигнал от генератора функций произвольной формы, который формирует в кристалле адаптивную линейно частотно-модулированную (ЛЧМ) ультразвуковую решетку с амплитудной и фазовой модуляцией таким образом, чтобы теоретический спектр дифрагировавшего излучения представлял собой эквидистантный набор бинарных функций. Спектр дифрагировавшего излучения регистрируется спектрометром. Частотно-контрастная характеристика акустооптической дисперсионной линии задержки строится в спектральной области на основании нормированных спектров пропускания.

Недостатком устройства-прототипа является то, что оно формирует переходную Задачей изобретения является создание на основе специализированной линии задержки устройства для измерения переходных характеристик лазерных оптических усилителей во временной области.

Техническим результатом, обеспечиваемым разработанным устройством на основе специализированной конструкции акустооптической дисперсионной линии задержки, управляемой ВЧ-сигналом, является обеспечение возможности измерения переходных временных характеристик лазерных оптических усилителей с возможностью адаптивного варьирования параметров оптического тестового сигнала, вырабатываемого устройством, посредством изменения параметров управляющего ВЧ-сигнала.

Технический результат достигается тем, что устройство для измерения переходных характеристик оптических лазерных усилителей содержит из лазерный задающий осциллятор, генерирующий ультракороткие импульсы, стретчер, обеспечивающий чирпирование лазерных импульсов во времени по линейному закону до необходимой длительности, акустооптическую дисперсионную линию, выполненную на основе кристалла, и осуществляющую формирование оптического тестового сигнала посредством дифракции входных лазерных импульсов при произвольной амплитудной и фазовой модуляции его оптического спектра за время нестационарного акустооптического взаимодействия, устройство регистрации переходной характеристики усилителей после усиления ими оптического тестового сигнала, содержащее пикосекундную стрик-камеру и цифровую камеру, ВЧ-генератор управляющих сигналов произвольной формы, обеспечивающих в акустооптическом кристалле ультразвуковую фазовую дифракционную решетку с переменными периодом и глубиной модуляции, обеспечивающую необходимый временной профиль дифрагировавшего лазерного импульса для последующего измерения переходных характеристик оптических усилителей устройством регистрации, ВЧ-усилитель, обеспечивающий усиление радиосигналов, формируемых генератором сигналов произвольной формы и подаваемых на пьезопреобразователь акустооптической дисперсионной линии, систему синхронизации ВЧ-генератора, оптического усилителя и стрик-камеры с лазерным задающим осциллятором, так что при пространственном совпадении координаты оптической спектральной компоненты с координатой ультразвуковой решетки, соответствующей брэгговскому синхронизму в кристалле акустооптической дисперсионной линии, происходит дифракция данной спектральной компоненты лазерного импульса с определенной пиковой мощностью и определенным положением в пространстве в данный момент времени.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1. Блок-схема заявленного устройства для измерения переходных характеристик усилителей во временной области.

Фиг. 2. Блок-схема созданного экспериментального устройства.

Фиг. 3. Тестовый оптический сигнал, сформированный и измеренный заявленным экспериментальным устройством, демонстрирующий экстремально малое время нарастания фронта тестового оптического объекта, равное 5 пс.

Раскрытие изобретения

На Фиг. 1 и 2 обозначены: лазерный задающий осциллятор 1; пучок ультракоротких лазерных импульсов 2; светоделитель 3; вспомогательный пучок 4; стретч ер импульсов 5; пучок чирпированных импульсов 6, акустооптическая дисперсионная линия 7; оптический тестовый сигнал 8; оптический усилитель 9; пучок прошедших через усилитель импульсов 10; пикосекундная стрик-камера 11; цифровая камера 12; система синхронизации 13; ВЧ-генератор сигналов произвольной формы 14; ВЧ-усилитель 15; управляющий радиосигнал акустооптической дисперсионной линии 16; цифровой генератор задержек 17; компьютер 18; объектив 19. Основными элементами устройства являются: лазерный задающий осциллятор, стретчер ультракоротких импульсов, акустооптическая дисперсионная линия, оптический усилитель, пикосекундная стрик-камера, цифровая камера, система синхронизации, ВЧ-усилитель, ВЧ-генератор сигналов произвольной формы.

Устройство для измерения переходных характеристик оптических усилителей состоит из задающего осциллятора 1, генерирующего фемтосекундные лазерные импульсы 2; светоделителя 3, формирующего вспомогательный пучок 4; стретчера 5, обеспечивающего растяжение во времени по линейному закону Фурье-ограниченного лазерного импульса от задающего осциллятора из фемтосекундного диапазона длительности до субнаносекундного диапазона длительности и, тем самым, устанавливающего взаимно однозначное соответствие между значением оптической частоты и временем в чирпированном импульсе 6; акустооптической дисперсионной линии 7, выполненной на основе кристалла с квазиколинеарной геометрией взаимодействия и осуществляющей формирование оптического тестового сигнала 8 при взаимодействия и осуществляющей формирование оптического тестового сигнала 8 при дифракции входных чирпированных лазерных импульсов 6 при произвольной амплитудной и фазовой модуляции их оптических спектров за время акустооптического взаимодействия в акустооптической дисперсионной линии 7, в частности, формирование временных оптических тестовых сигналов вида Σrect(a_nt-b_n); оптического усилителя 9, переходные характеристики 10 которого измеряются; устройства временной регистрации оптического сигнала, содержащего пикосекундную стрик-камеру 11 и цифровую камеру 12; системы синхронизации 13, формирующей электрические импульсы синхронизации из оптических импульсов вспомогательного пучка 4; генератора функций произвольной формы 14, формирующего управляющий ВЧ-сигнал 16; ВЧ-усилителя 15, подающего на пьезопреобразователь дисперсионной линии 7 управляющий ЛЧМ-сигнал с амплитудной и фазовой модуляцией, преобразуемый пьезоэлектрическим преобразователем акустооптической дисперсионной линии в ультразвуковую волну в кристалле таким образом, чтобы обеспечить необходимый временной профиль дифрагировавшего лазерного импульса (тестового оптического сигнала 8) для последующего измерения переходных характеристик оптического усилителя 9. Устройство может содержать вспомогательные оптические элементы (линзы, зеркала, фазовые пластинки, поляризаторы, аттенюаторы и т.п.) не влияющие на принцип работы изобретения.

Принцип измерения переходных характеристик усилителей заключается в следующем. На оптический усилитель 9 подается оптический тестовый сигнал 8, который формируется дисперсионной линией задержки 7 из поступающего на дисперсионную линию задержки чирпированного лазерного излучения 6. Стретчер 5, установленный после лазерного задающего осциллятора 1 перед акустооптической дисперсионной линией 7, обеспечивает чирпирование во времени по линейному закону лазерного импульса 4 из фемтосекундного диапазона длительности до субнаносекундного диапазона длительности и тем самым устанавливает взаимно-однозначное соответствие между значением оптической частоты произвольной спектральной компоненты чирпированного импульса 6 и временем совпадения (соответственно, координатой) данной спектральной компоненты с координатой ЛЧМ ультразвуковой дифракционной решетки с амплитудной и фазовой модуляцией с ультразвуковой частотой, соответствующей брэгговскому синхронизму в кристалле акустооптической линии задержки. Формирование оптического тестового сигнала является адаптивным. В частном случае он может представлять собой бинарную последовательность ультракоротких лазерных импульсов вида Σrect(a_nt-b_n) с экстремально малым временем нарастания/спада фронта. Прошедший через усилитель 9 оптический тестовый сигнал преобразуется в переходный отклик усилителя 10 и направляется на устройство регистрации, содержащее пикосекундную стрик-камеру 11 и цифровую камеру 12. Устройство регистрации представляет собой оптическую импульсную измерительную систему, собранную на основе стрик-камеры с экстремально высоким собственным быстродействием 1-1,5 пс. Устройство регистрации позволяет наблюдать временную форму усиленного оптического тестового сигнала и измерять время нарастания/спада фронта и тем определять временную переходную характеристику усилителя. Быстродействие заявленного измерительного устройства на 1-2 порядка превышает быстродействие современных оптических усилителей, тем самым после математической обработки массива экспериментальных данных гарантируется высокая точность измерений.

Оптический тестовый сигнал 8 формируется в акустооптической дисперсионной линии 7 следующим образом. Акустооптическая дисперсионная линия сконструирована на основе квазиколлинеарной геометрии, при которой лазерный пучок распространяется вдоль групповой скорости акустической волны в кристалле. Это позволяет реализовать высокое спектральное разрешение в статическом режиме порядка 10⁴, что минимизирует затягивание фронтов оптического тестового сигнала и дает возможность достичь сверхкоротких фронтов оптических дифрагировавших импульсов (оптических тестовых сигналов) с характерным значением в единицы пикосекунд. В заявленном устройстве акустооптический анизотропный кристалл, в котором можно реализовать квазиколлинеарную или коллинеарную геометрию акустооптического взаимодействия, может быть одноосным или двуосным, например, парателлурит, ниобат лития, молибдат кальция, кристаллы семейства калий-редкоземельных вольфраматов. В акустооптической дисперсионной линии происходит акустооптическое взаимодействие ранее подготовленных определенным образом во временном и спектральном масштабе лазерного импульса и акустического импульса, образующего ЛЧМ дифракционную решетку с амплитудной и фазовой модуляцией внутри акустооптической дисперсионной линии. Скорости акустических волн и света отличаются на несколько порядков, вследствие чего дифракционную решетку можно считать неподвижной.

Вместо светоделителя 3 для формирования вспомогательного пучка 4 может быть использовано полупрозрачное зеркало в резонаторе лазерного задающего осциллятора 1, нулевой порядок дифракционной решетки стретчера 3, нулевой порядок дифракции на выходе акустооптической дисперсионной линии 5 или иное отражение от вспомогательных оптических элементов.

Применение стретчера в такой архитектуре устройства дает возможность осуществить оптимальную параллельную спектральную обработку одиночного чирпированного лазерного импульса посредством акустооптической дисперсионной линии задержки и получить после дифракции в дисперсионной линии задержки оптический тестовый сигнал - одиночный оптический импульс или бинарную последовательность оптических импульсов со временем нарастания/спада оптического фронта дифрагировавшего импульса с типичным значением в единицы пикосекунд, что на порядок превышает время нарастания/спада современных электрооптических устройств.

Использование генератора сигналов произвольной формы дает возможность адаптивно сформировать во времени оптический тестовый сигнал или последовательность тестовых сигналов оптимальной для анализа переходных характеристик оптических усилителей формы.

Использование для регистрации переходной временной характеристики оптического усилителя сверхбыстродействующей установки регистрации на основе пикосекундной стрик-камеры, объединенной с цифровой камерой и системой синхронизации, позволяет достичь в системе регистрации собственного импульсного отклика порядка 1-1.5 пс, что дает возможность проводить измерения переходной временной характеристики оптических усилителей с исключительно высоким временным разрешением в единицы пикосекунд.

В заявленном устройстве акустооптический анизотропный кристалл, используемый для изготовления дисперсионной линии задержки может быть одноосным или двуосным кристаллом, в котором можно реализовать квазиколлинеарную или коллинеарную геометрию акустооптического взаимодействия, например, парателлурит, ниобат лития, молибдат кальция, кристаллы семейства калий-редкоземельных вольфраматов.

Заявленное устройство для измерения переходных характеристик мощных лазерных усилителей может быть эффективно применено для измерения временного разрешения и других оптических устройств.

Сущность заявленного устройства и его функционирование основаны на фундаментальных свойствах нестационарной дифракции света, происходящей со скоростью света на протяженной амплитудо-фазовой дифракционной решетке, сформированной при распространении акустической волны в кристалле дисперсионной линии задержки. Работа данного устройства оказывается возможной, благодаря найденной специфической оптической архитектуре устройства, обеспечивающей акустооптическое взаимодействие протяженных в пространстве чирпированных оптических импульсов с протяженными в пространстве акустическими дифракционными решетками, порожденными ультразвуковыми волнами в кристалле. Длина чирпированного лазерного импульса определяется коэффициентом растяжения применяемого стретчера и спектральной полосой исходного Фурье-ограниченного импульса, в свою очередь длина протяженной дифракционной решетки в кристалле определяет спектральную полосу дисперсионной линии в статическом режиме. Состояние оптического импульса (оптическая частота, спектр, фаза, поляризация, пиковая мощность, направление распространения) полностью изменяется вследствие дифракции в тот момент времени, когда оптический импульс покидает область акустооптического взаимодействия в кристалле дисперсионной линии. При этом характерная длительность импульса дифрагированного излучения или тестового оптического объекта связана со скоростью распространения света и, вообще говоря, определяется временем пробега протяженного оптического импульса через протяженную область акустооптического взаимодействия в кристалле. В результате при такой архитектуре акустооптического взаимодействия можно адаптивно формировать тестовые оптические сигналы, модулированные по амплитуде с частотами субтерагерцового диапазона.

Подготовка акустической дифракционной решетки заключается в следующем. Управляющий ВЧ-сигнал 16 от генератора функции произвольной формы 14 через ВЧ-усилитель 15 поступает на пьезопреобразователь акустооптической дисперсионной линии 7 и формирует в кристалле адаптивную протяженную чирпированную ЛЧМ ультразвуковую решетку с амплитудной и фазовой модуляцией.

Подготовка лазерного импульса заключается в следующем. Оптический ультракороткий импульс 2, генерируемым задающим осциллятором 1, направляется на стретчер 5, установленный перед акустооптической дисперсионной линией задержки 7. Стретчер осуществляет прецизионную трансформацию (чирпирование) длительности ультракороткого импульса по линейному закону и тем самым устанавливает взаимно однозначное соответствие между значением оптической частоты произвольной спектральной компоненты растянутого оптического импульса 8 и координатой данной спектральной компоненты в пространстве.

Данная оптическая архитектура обеспечивает нестационарное акустооптическое взаимодействие. При этом распространяющийся в пространстве протяженный оптический волновой пакет пересекает заранее сформированный неподвижный акустический волновой пакет в кристалле со скоростью света. Если частоты и амплитуды акустического волнового пакета в кристалле подобраны таким образом, что при распространении оптического волнового пакета вдоль кристалла в определенные моменты возникнут зоны брэгговского синхронизма, то произойдет дифракция. Дифрагировавший модулированный оптический импульс в заявленном устройстве используется как тестовый оптический сигнал. Такая архитектура акустооптического взаимодействия позволяет вырабатывать адаптивные тестовые оптические сигналы с экстремально короткими фронтами, вообще говоря, соответствующие характерному времени пробега чирпированного лазерного импульса через протяженную брэгговскую решетку в кристалле. В частном случае, возможно вырабатывать оптические сигналы вида Σrect(a_nt-b_n) для измерения временных переходных характеристик оптических устройств.

Данная архитектура нестационарного акустооптического взаимодействия обладает специфической особенностью, расширяющей функциональное применение заявленного устройства. Так как в чирпированном лазерном импульсе спектральные компоненты излучения распределены в пространстве, можно формировать оптические тестовые сигналы в различных спектральных областях длин волн из исходного пространственного спектрального массива и тем самым измерять оптические переходные характеристики оптических устройств в различных спектральных поддиапазонах длин волн в пределах области спектрального коэффициента усиления оптического усилителя или в пределах спектрального окна прозрачности оптического устройства.

Предлагаемое устройство для измерения переходных характеристик (временного разрешения) мощных лазерных усилителей в рабочем режиме может быть воспроизведено на основе элементов и приборов, освоенных и серийно выпускаемых промышленностью.

Заявленные функциональные особенности устройства для измерения переходных характеристик (временного разрешения) мощных лазерных усилителей в рабочем режиме подтверждены фактом изготовления экспериментального образца устройства и результатами эксперимента. Блок-схема экспериментального устройства представлена на Фиг. 3. Она концептуально соответствует блок-схеме заявленного устройства на Фиг. 2.

Задающий осциллятор 1 генерировал оптические импульсы длительностью 12 фс с шириной спектра 130 нм, центральная длина волны 800 нм, частота повторения импульсов 75 МГц. Генератор радиосигналов 14 произвольной формы управлялся от компьютера 18 посредством оригинальной программы (Юшков К.Б. / Программа синтеза произвольных функций пропускания акустооптического фильтра: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2015614750 от 05.03.2015). Усилитель 15 увеличивал амплитуду сигнала генератора до пиковой мощности 10 Вт. Стретчер 5 имел центральную длину волны 800 нм и конструктивное ограничение по пропускаемой спектральной полосе 100 нм. Стретчер растягивал фемтосекундный импульс до длительности 600 пс. Устройство регистрации фронтов состояло из пикосекундной стрик-камеры 11 с импульсным откликом 1,2 пс и генератора задержек 17. Система синхронизации 13 обеспечивала частоту синхроимпульсов 20 Гц.

Разработанная коллективом заявителей настоящего изобретения акустооптическая дисперсионная линия задержки 7 была изготовлена на основе монокристаллов парателлурита длиной 67 мм и имела ширину аппаратной функции 0,24 нм по уровню - 3 дБ, измеренную в одночастотном статическом режиме (В.Я. Молчанов, С.И. Чижиков, К.Б. Юшков. Двухкасадная акустооптическая дисперсионная линия задержки для сверхкоротких лазерных импульсов // Квантовая электроника.- Т. 41, №8. - С. 675. - 2011).

Целью эксперимента являлось формирование с помощью экспериментального устройства оптического тестового сигнала и измерение сформированных устройством оптических фронтов. С этой целью спектральный интервал излучения 100 нм после стретчера был разделен посредством акустооптической дисперсионной линии 7 на равные интервалы с шириной 0,96 нм каждый. Дифрагировавший пучок после акустооптической дисперсионной линии направлялся на систему регистрации оптических фронтов.

Вначале был осуществлен эксперимент по генерации в оптического тестового сигнала, состоящего из эквидистантно расположенных импульсных цугов. В этой целью каждый спектральный интервал был промодулирован по амплитуде со значениями либо 0, либо 1. Это дало возможность проверить линейность акустической ЛЧМ решетки в кристалле акустооптической дисперсионной линии и осуществить необходимую калибровку.

Для оценки функциональных возможностей заявленного устройства была выполнена серия измерений собственной переходной характеристики после акустооптической дисперсионной линии при прямоугольной спектральной модуляции чирпированного лазерного импульса в соответствии с произвольной бинарной последовательностью по закону Σrect(a_nt-b_n). Фрагмент переходной характеристики после акустооптической дисперсионной линии в интервале времени 50 пс получен экспериментально, массив данных подвергнут математической обработке. Результаты эксперимента представлены на Фиг. 3. Время нарастания/спада фронтов лазерного импульса составило величину порядка 5 пс. На Фиг. 3 обозначены: результат одиночного измерения 1; усреднение по результатам четырех измерений 2.

Результаты эксперимента подтверждают правильность разработанной заявителями концепции, архитектуры и конструкции измерительного устройства.

Из Фиг. 3 можно сделать вывод, что заявленное устройство для измерения оптических переходных характеристик оптических усилителей и других оптических приборов и систем ультракоротких лазерных импульсов акустооптическим методом, приведенное на Фиг. 1, может генерировать и регистрировать оптические тестовые сигналы с исключительно высоким собственным временным разрешением порядка единиц пикосекунд, что позволяет по сравнению с электрооптическим методом измерять на порядок более быстрые оптические процессы в оптических усилителях.

Изобретение относится к области физики фемтосекундных лазеров, акустооптики и спектроскопии. Устройство для измерения переходных характеристик оптических лазерных усилителей включает в себя лазерный задающий осциллятор, генерирующий ультракороткие импульсы, стретчер, обеспечивающий чирпирование во времени по линейному закону лазерного импульса от задающего осциллятора до необходимой длительности, акустооптическую дисперсионную линию, выполненную на основе кристалла и осуществляющую формирование оптического тестового сигнала посредством дифракции входных лазерных импульсов при произвольной амплитудной и фазовой модуляции их оптических спектров за время нестационарного акустооптического взаимодействия, устройство регистрации переходных характеристик усилителей после усиления ими оптического тестового сигнала, содержащее пикосекундную стрик-камеру и цифровую камеру; систему синхронизации; программно-аппаратный управляющий комплекс: ВЧ-генератор сигналов произвольной формы и усилитель, которые адаптивно формируют в акустооптическом кристалле ультразвуковую фазовую дифракционную решетку с переменными периодом и глубиной модуляции, чтобы обеспечить необходимый временной профиль дифрагировавшего лазерного импульса (оптического тестового сигнала) для последующего измерения переходных характеристик оптических усилителей устройством регистрации. Технический результат заключается в генерации и регистрации адаптивных оптических тестовых сигналов для измерения переходных характеристик с экстремально короткими фронтами в единицы пикосекунд. 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для измерения переходных характеристик оптических лазерных усилителей, содержащее лазерный задающий осциллятор, генерирующий ультракороткие импульсы, стретчер, обеспечивающий чирпирование лазерных импульсов во времени по линейному закону до необходимой длительности, акустооптическую дисперсионную линию, выполненную на основе кристалла и осуществляющую формирование оптического тестового сигнала посредством дифракции входных лазерных импульсов при произвольной амплитудной и фазовой модуляции его оптического спектра за время нестационарного акустооптического взаимодействия, устройство регистрации переходной характеристики усилителей после усиления ими оптического тестового сигнала, содержащее пикосекундную стрик-камеру и цифровую камеру, ВЧ-генератор управляющих сигналов произвольной формы, обеспечивающих в акустооптическом кристалле ультразвуковую фазовую дифракционную решетку с переменными периодом и глубиной модуляции, обеспечивающую необходимый временной профиль дифрагировавшего лазерного импульса для последующего измерения переходных характеристик оптических усилителей устройством регистрации, ВЧ-усилитель, обеспечивающий усиление радиосигналов, формируемых генератором сигналов произвольной формы и подаваемых на пьезопреобразователь акустооптической дисперсионной линии, систему синхронизации ВЧ-генератора, оптического усилителя и стрик-камеры с лазерным задающим осциллятором, так что при пространственном совпадении координаты оптической спектральной компоненты с координатой ультразвуковой решетки, соответствующей брэгговскому синхронизму в кристалле акустооптической дисперсионной линии, происходит дифракция данной спектральной компоненты лазерного импульса с определенной пиковой мощностью и определенным положением в пространстве в данный момент времени.

2. Устройство по п. 1, в котором акустооптической дисперсионной линией формируется оптический тестовый сигнал вида Σrect(a_nt-b_n).

3. Устройство по п. 1, в котором акустооптическая дисперсионная линия выполнена на акустооптическом элементе квазиколлинеарной геометрии, который изготавливается из оптически анизотропного кристалла с химическим составом, в

котором реализуется квазиколлинеарная геометрия акустооптического взаимодействия, например, парателлурит, каломель, кварц, ниобат лития.

4. Устройство по п. 1, в котором акустооптическая дисперсионная линия выполнена на акустооптическом элементе коллинеарной геометрии, который изготавливается из оптически анизотропного кристалла с химическим составом, в котором реализуется коллинеарная геометрия акустооптического взаимодействия, например, кварц, молибдат кальция, кристаллы семейства калий-редкоземельных вольфраматов.

5. Устройство по п. 1, в котором акустооптическая дисперсионная линия выполнена на акустооптическом элементе неколлинеарной геометрии, который изготавливается из оптически анизотропного кристалла с химическим составом, в котором реализуется неколлинеарная геометрия акустооптического взаимодействия, например, парателлурит, каломель, кварц, молибдат кальция, кристаллы семейства калий-редкоземельных вольфраматов, парателлурит, ниобат лития, KDP, при этом в конструкции дисперсионной линии дополнительно используются дифракционные решетки.

6. Устройство по п. 1, в котором лазерный задающий осциллятор генерирует фемтосекундные Фурье-ограниченные импульсы, а стретчер обеспечивает чирпирование во времени по линейному закону лазерного импульса от задающего осциллятора из фемтосекундного диапазона длительности до субнаносекундного диапазона длительности.

7. Устройство по п. 1, в котором лазерный задающий осциллятор генерирует пикосекундные Фурье-ограниченные импульсы, а стретчер обеспечивает чирпирование во времени по линейному закону лазерного импульса от задающего осциллятора из пикосекундного диапазона длительности до наносекундного диапазона длительности.

8. Устройство по п. 1, в котором лазерный задающий осциллятор генерирует чирпированные импульсы.

9. Устройство по п. 1, в котором акустооптическая дисперсионная линия формирует оптические тестовые сигналы в различных спектральных поддиапазонах из диапазона спектрального коэффициента усиления.

10. Устройство по п. 1, в котором осуществляется измерение переходных временных характеристик дисперсионных оптических устройств и элементов.