Акустооптический фильтр без радиочастотного сдвига отфильтрованного излучения и лазерные устройства с его применением Российский патент 2021 года по МПК G02F1/11 

Изобретение относится к лазерной технике, прикладной оптике, акустооптике, спектроскопии, измерительной технике.

Известна конструкция неколлинеарного акустооптического фильтра (АОФ), используемая для частотной фильтрации спектра оптического излучения, [1]. АОФ содержит одноосный кристалл, к которому присоединен высокочастотный (ВЧ) излучатель ультразвуковых волн (УЗВ), позволяющий возбуждать в кристалле УЗВ регулируемой частоты. Кристалл ориентирован так, что его оптическая ось лежит в плоскости дифракции, задаваемой волновыми векторами падающей и дифрагировавшей световых волн. Одна из двух ортогонально плоско-поляризованных компонент (о- или е-) падающего на кристалл светового пучка, длина волны которого λ соответствует условию анизотропной дифракции Брэгга на УЗВ с частотой ƒ, изменяет в результате дифракции как направление своего распространения, так и состояние своей поляризации на ортогональное. При этом частота дифрагированного пучка отличается от частоты падающего на частоту ƒ УЗВ. В результате, дифрагированный пучок приобретает радиочастотный сдвиг (РЧС).

Присутствие РЧС является недостатком указанного АОФ при встраивании его в резонатор лазера с целью обужения и электронной перестройки линии генерации в рабочем спектральном диапазоне. Проблема в том, что при каждом проходе излучения через резонатор с АОФ абсолютное значение РЧС увеличивается на величину ƒ, что уширяет спектральную линию, ограничивая тем самым степень ее сужения, и может привести к нестабильности выходной мощности лазерной генерации.

Известна конструкция неколлинеарного АОФ, [2], встроенного в резонатор волоконного лазера. Использованный в [2] АОФ выполнен на одноосном положительном кристалле ТеО₂, к которому присоединен ВЧ излучатель УЗВ, позволяющий возбуждать в кристалле УЗВ регулируемой частоты. Кристалл ориентирован так, что его оптическая ось лежит в плоскости дифракции, задаваемой волновыми векторами падающей и дифрагированной световых волн. Пучки излучения с двух выходов АОФ через градиентные коллиматоры (в данном случае это GRIN-линзы) вводились в анизотропные одномодовые волокна типа «Panda», у которых две анизотропные ортогональные оси были ориентированы параллельно и перпендикулярно плоскости дифракции. Противоположные концы волокон «Panda», также через две GRIN-линзы, были интегрированы с выходами призменного поляризационного делителя из монокристалла СаСО₃. Этот поляризационный делитель позволял без поляризационных потерь согласовать анизотропный АОФ с доступным и распространенным изотропным волоконным световодом лазерного резонатора.

Основным недостатком описанной схемы с АОФ является то обстоятельство, что при каждом акте АО дифракции световой пучок приобретает РЧС, равный частоте ƒ УЗВ, так что суммарный РЧС нарастал пропорционально числу проходов излучения через резонатор. Это уширяет линию генерации и может стать причиной нерегулярной синхронизации продольных мод резонатора, вызванной случайными совпадениями РЧ сдвигов с величинами, кратными межмодовому частотному расстоянию резонатора. В результате, работа лазера при изменении частоты УЗВ может становиться хаотичной.

Цель настоящего изобретения - устранение указанного недостатка. Достигаемым техническим результатом при использовании заявленного устройства является отсутствие РЧС для излучения в лазерном резонаторе.

Данный технический результат достигается следующим образом:

1. Предлагаемая геометрия акусто-оптического взаимодействия обеспечивает в одноосном кристалле одновременную дифракцию на акустической волне о- и е- плоско поляризованных компонент первоначально произвольно поляризованного светового пучка с длиной волны λ.

2. Ориентации плоскостей поляризации однократно дифрагированных пучков на выходе из АОФ изменяются на ортогональные либо с помощью полуволнового фазового элемента, либо с помощью повернутого на 90° вокруг своей продольной геометрической оси анизотропого волокна.

3. Однократно дифрагироваванные пучки возвращаются с помощью специальной оптической схемы обратно в АОФ таким образом, чтобы они вторично продифрагировали на той же звуковой волне с частотой ƒ.

4. В результате, первично и вторично дифрагировавшие световые пучки имеют равные по модулю РЧС, но с противоположными знаками. Итог - дважды дифрагировавший пучок имеет нулевой РЧС, при этом его траектория совпадает с траекторией падающего пучка.

Суть и применение настоящего изобретения демонстрируются Фиг. 1 - Фиг. 6.

На Фиг. 1 изображена диаграмма волновых векторов света и звука, показывающая дифракцию исходно неполяризованного излучения в АОФ, выполненном из одноосного, положительного, оптически активного кристалла ТеO₂, показатели преломления которого n_o (о-луч) и n_е (е-луч) находятся в соотношении n_o≤n_е. Пусть исходный неполяризованный световой пучок падает нормально на переднюю оптическую грань АОФ. Попадая в двулучепреломляющий кристалл, он разделяется на две ортогонально плоско-поляризованные волны, соосные волновые векторы которых o и e ориентированы под углом θ к оптической оси Z. В результате дифракции на поперечной акустической волне с волновым вектором q, направленным под углом γ к оси [110], в кристалле распространяются дифрагировавшие пучки е→о и о→е, а также непродифрагировавшие пучки о и е. При фиксированной длине волны излучения λ дифракция этих пучков происходит на одной частоте ƒ звуковой волны, если выполняется следующее условие, [3]:

δ - параметр гиротропии, ρ - удельная вращательная способность кристалла.

Решения уравнения (1) определяют множество пар угловых значений {γ, θ}, при которых дифракция пучков е→о и о→е с фиксированной длиной волны излучения λ происходит на единой частоте УЗВ ƒ(γ,θ).

Это множество включает подмножество пар [γ, θ], для которых выполняются дополнительные условия, а именно: значения γ лежат в интервале (γ₁, γ₂), а значения θ в интервале (θ₁, θ₂), где и γ₁, θ₁ и γ₂, θ₂ являются решениями уравнений:

где V - скорость УЗВ.

Таким образом, γ₁, θ₁ являются решением системы уравнений (1), (2), а γ₂, θ₂ являются решением решения системы уравнений (1), (3).

Последнее подмножество пар [γ, θ] замечательно тем, что обладает следующим практически важным свойством: дифрагировавшие световые волны е→о, о→е распространяются в кристалле под теми же углами, что и недифрагировавшие ей о, соответственно. Их угловое разделение происходит только при выходе пучков из кристалла в воздух. Это означает, что дифрагировавшие пучки, выходящие из АОФ, не уширяются и сохраняют гауссовское пространственное распределение интенсивности падающих на АОФ световых пучков. По этой причине они имеют минимальные (в сравнении с другими членами множества {γ, θ}) потери при вводе этих пучков в одномодовые волоконные световоды.

На Фиг. 2 показан ход световых пучков в воздухе и в кристалле АОФ, для которого γ₁≤γ≤γ₂ и θ₁≤θ≤θ₂. Символом «ВЧ» обозначен управляющий высокочастотный вход. Здесь 1 - входной световой пучок с произвольной поляризацией, нормально падающий на переднюю оптическую грань АОФ; 2 - кристалл АОФ; 3, 4 - недифрагировавшие пучки, параллельные пучку 1; 5, 6 - дифрагировавшие пучки е→о и о→е; 7 - излучатель поперечной УЗВ с размерами L×H (размер L - вдоль распространения света, размер Н - поперек этого направления); 8 -звукопоглотитель для обеспечения режима бегущей УЗВ; штриховкой показан звуковой столб в кристалле АОФ.

В кристалле фильтра обыкновенный луч о- распространяется параллельно волновым векторам о, е, а необыкновенный луч е-, вследствии энергетического сноса, под углом Δ к направлению волновых векторов о, е:

Расстояние между точками выхода лучей о- и е- из кристалла АОФ :

где А - длина кристалла АОФ. Дифрагировавшие и недифрагировавшие пучки разделяются по углу в точке выхода из кристалла в воздух, причем углы между пучками 3, 5 и 4, 6 равны α₁ и α₂, соответственно:

Формулы (4) - (9) полностью определяют точки выхода осей пучков из кристалла и направление этих осей.

На Фиг. 3 показана схема заявленного устройства по п. 1. Обозначения позиций (1-6) идентичны использованным на Фиг. 2. На пути выходящих из кристалла дифрагированных пучков е→о и о→е установлена ретро-призма 7, назначение которой - возврат пучков обратно в АОФ. А именно: выходящий из кристалла пучок е→o, пройдя ретро-призму, возвращается в кристалл по пути выходящего из кристалла пучка о→е. Аналогично, выходящий из кристалла пучок о→е, пройдя ретро-призму, возвращается в кристалл по пути выходящего из кристалла пучка е→о. На любом из воздушных участков траектории пучков от кристалла до призмы ортогонально пучку установлен полуволновый фазовый элемент 8 (например, λ/2-пластинка из кристалла кварца или λ/2-ромб Френеля, или 90°-ный вращатель поляризации из прозрачного для длины волны λ оптически активного кристалла), изменяющий ориентацию плоскости поляризации проходящего пучка на ортогональную. Непродифрагировавшие части исходного излучения (пучки 3 и 4) не используются и могут быть заблокированы, например, поглощающим экраном 9.

Ретро-призма полного внутреннего отражения (ПВО) может быть изготовлена из любого оптического материала (например, из стекла или кристалла кубической симметрии), прозрачного для рабочей длины волны излучения λ. Расчеты показывают, что световые пучки внутри призмы будут испытывать ПВО на ее гранях, если показатель преломления материала n≥1,58. Конструктивные углы призмы вычисляются следующим образом:

Возврат пучков в призму производится через заднюю оптическую грань кристалла ТеО₂ под углами α₂, α₁, обеспечивающими условия синхронизма для вторичной дифракции на УЗВ с частотой ƒ. При этом, в соответствии с векторной диаграммой на Фиг. 1, знак РЧС первично и вторично дифрагированных пучков противоположен. В итоге, результирующий дважды отфильтрованный световой пучок 10 имеет нулевой РЧС, неполяризован и распространяется в противоположном направлении относительно падающего пучка 1.

На Фиг. 4 показана схема заявленного устройства по п. 2. Обозначения позиций (1-6) идентичны использованным на Фиг. 3. По ходу выходящих из кристалла однократно дифрагировавших пучков е→о и о→е установлен любой анизотропный волоконный световод 7 (например, типа «Panda»), на двух концах которого расположены идентичные коллиматоры 8 и 9, обеспечивающие как поляризационно ориентированный ввод плоско-поляризованных пучков в волокно, так и преобразование гауссова пучка, исходящего из торца волоконного световода, в коллимированный пучок с диаметром световой перетяжки 2w₀, не превышающим поперечный размер звукового столба 2w₀≤H, [4].

Ввод излучения в волокно, например пучка 5, производится таким образом, чтобы плоскость поляризации света была ориентирована по одной из двух осей анизотропии волокна (пусть это будет «медленная» ось). Пучок 6 вводится в противоположный конец волокна, причем его плоскость поляризации тоже следует ориентировать по той же «медленной» оси, для чего волокно должно быть повернуто на 90° вокруг своей продольной геометрической оси.

Таким образом, согласно Фиг. 4, однократно дифрагировавшие пучки возвращаются в АОФ через анизотропный световод 7 с коллиматорами 8 и 9 через заднюю оптическую грань кристалла 2 под углами α₂ и α₁ и с направлениями плоскостей поляризации, необходимыми для условия синхронизма при вторичной дифракции на УЗВ с частотой ƒ. При этом, в соответствии с векторной диаграммой на Фиг. 1, знаки частотных сдвигов для первично и вторично дифрагировавших пучков противоположны. В итоге, результирующий дважды отфильтрованный световой пучок 10 будет иметь нулевой частотный сдвиг, при этом будет произвольно поляризованным, как исходный пучок, и будет распространяться в противоположном направлении к падающему пучку 1 по его же траектории.

На Фиг. 5 показана одна из возможных схем перестраиваемого по частоте лазера, в резонатор которого встроено устройство с АОФ по Фиг. 4. В схеме Фиг. 5 АОФ в сочетании с оптическими элементами (5-9) играет роль отражающего зеркала с коэффициентом отражения, определяемым, главным образом, эффективностью дифракции, потерями при вводе пучков в волокна и качеством просветляющих покрытий, нанесенных на грани кристалла АОФ. Резонатор лазера содержит активное волокно 10 с диодной накачкой, выходное частично прозрачное зеркало 11, через которое перестраиваемое по частоте излучение 12 выходит наружу.

Другой вариант схемы Фиг. 5 заключается в том, что частично прозрачное зеркало 11 заменяется на «глухое» с максимально близким к 100% коэффициентом отражения. В этом варианте полезная лазерная мощность будет заключена в двух поляризованных пучках 3 и 4 нулевого порядка дифракции.

Обе лазерные схемы замечательны тем, что изменением интенсивности звука можно регулировать выходную лазерную мощность. В результате, появляется возможность подбирать коэффициент пропускания, оптимальный для данного уровня накачки лазера. Эта возможность следует из известной зависимости выходной мощности лазера от коэффициента пропускания Т эквивалентного выходного зеркала, Фиг. 6 [5].

На Фиг. 7 изображена схема с улучшенной эффективностью, достигаемой тем, что используются и недифрагировавшие пучки 3 и 4. Для этого они возвращаются назад «глухим» зеркалом 10 с коэффициентом отражения ≈100%. В этом варианте слева от АОФ дополнительно формируется такая же схема дифракции, что была сформирована справа от АОФ для исходного пучка 1.

Достоинство схемы Фиг. 7 в минимизации оптических потерь, связанных с отличием реальной эффективности дифракции от 100%. Минимизация происходит за счет возврата в резонатор недифрагировавших остатков пучков.

Цитированные источники:

[1] Chang I.C., «Noncollinear acousto-optic filter with large angular aperture», Appl. Phys. Lett., 1974, v.25, №7, pp. 370-372

[2] Давыдов Б.Л., Крылов A.A., «Перестраиваемый Yb³⁺-лазер на основе изотропного волоконного световода с анизотропным акустооптическим фильтром, встроенным в резонатор без сопутствующих поляризационных потерь с помощью нового поляризационного делителя», Квантовая Электроника (КЭ), 2007, т. 37, №9, стр. 843-846.

[3] Епихин В.М., «Расчет спектральных параметров акустооптического фильтра на одноосном гиротропном кристалле», Журнал Технической Физики (ЖТФ), 1995, т. 65, №9, стр. 71-75

[4] Айхлер Ю., Айхлер Г.И., «Лазеры; Исполнение, управление, применение», М.: Техносфера, 2012, стр. 495

[5] Степанов Б.И., Грибковский В.П., Рубанов А.С., Рубинов А.Н., Рутковский Ф.К., Самсон A.M., «Методы расчета оптических квантовых генераторов», Минск: Наука и техника, 1966 (т.1), 1968 (т.2)

Изобретение относится к лазерной технике, прикладной оптике, акустооптике, спектроскопии, измерительной технике. В неколлинеарном акустооптическом фильтре на одноосном двулучепреломляющем кристалле произвольно поляризованного излучения с длиной волны λ с двумя ортогонально плоскополяризованными однократно дифрагировавшими на ультразвуковой волне с частотой ƒ под углами α₁ и α₂ в воздухе относительно нормали к задней оптической грани кристалла фильтра световыми е- и о- пучками на выходе за задней выходной оптической гранью кристалла фильтра на пути этих дифрагировавших световых пучков установлено оптическое устройство для их возврата под теми же углами α₁ и α₂ обратно в кристалл фильтра. Каждый пучок возвращается по пути другого пучка с противоположной поляризацией. Указанное оптическое устройство имеет вид либо системы зеркал, либо вид ретропризмы с полными внутренними отражениями, изготовленной из оптически прозрачного материала в виде оптического стекла или кристалла кубической симметрии, причем и зеркала, и ретропризма используются в комплекте с поворачивающим плоскость поляризации на 90° фазовым элементом. Изобретение обеспечивает упрощение конструкции фильтра, возможность прямого встраивания анизотропного акустооптического фильтра в резонатор лазера с изотропным волоконным световодом без использования внешних поляризационных устройств, уменьшение оптических потерь вследствие отсутствия внешнего поляризационного делителя, отсутствие радиочастотного сдвига выходного светового пучка. 3 н.п. ф-лы, 7 ил.

1. Неколлинеарный акустооптический фильтр на одноосном двулучепреломляющем кристалле произвольно поляризованного излучения с длиной волны λ с двумя ортогонально плоскополяризованными однократно дифрагировавшими на ультразвуковой волне с частотой ƒ под углами α₁ и α₂ в воздухе относительно нормали к задней оптической грани кристалла фильтра световыми е- и о-пучками на выходе, отличающийся тем, что за задней выходной оптической гранью кристалла фильтра на пути этих дифрагировавших световых пучков установлено оптическое устройство для их возврата под теми же углами α₁ и α₂ обратно в кристалл фильтра, причем каждый пучок возвращается по пути другого пучка с противоположной поляризацией, при этом указанное оптическое устройство имеет вид либо системы зеркал, либо вид ретропризмы с полными внутренними отражениями, изготовленной из оптически прозрачного материала в виде оптического стекла или кристалла кубической симметрии, причем и зеркала, и ретропризма используются в комплекте с поворачивающим плоскость поляризации на 90° фазовым элементом в виде кристаллической λ/2-пластинки, или λ/2-ромба Френеля, или 90° поляризационного ротатора из прозрачного оптически активного кристалла, установленным на пути одного из дифрагировавших пучков, которые, вторично проходя через кристалл фильтра, вторично дифрагируют на ультразвуковой волне с той же частотой ƒ, в результате чего частотные сдвиги каждого пучка, полученные после первичной дифракции, компенсируются такими же частотными сдвигами, но с противоположными знаками, полученными при вторичной дифракции, а сами пучки в результате вторичной дифракции объединяются в неполяризованный световой пучок без акустического частотного сдвига в своем спектре, выходящий через переднюю оптическую грань кристалла фильтра встречно исходному падающему пучку.

2. Неколлинеарный акустооптический фильтр на одноосном двулучепреломляющем кристалле произвольно поляризованного излучения с длиной волны λ с двумя ортогонально плоскополяризованными однократно дифрагировавшими на ультразвуковой волне с частотой ƒ под углами α₁ и α₂ в воздухе относительно нормали к задней оптической грани кристалла фильтра световыми е- и о-пучками на выходе, отличающийся тем, что за задней выходной оптической гранью кристалла фильтра на пути этих дифрагировавших световых пучков установлено оптическое устройство для их возврата под теми же углами α₁ и α₂ обратно в кристалл фильтра, причем каждый пучок возвращается по пути другого пучка с противоположной поляризацией, при этом на пути каждого однократно дифрагировавшего светового пучка установлен один из двух торцов анизотропного, сохраняющего поляризацию волоконного световода «Panda», или «Bow-tie», причем на каждом таком торце имеется интегрированный с ним оптический коллиматор для ввода дифрагировавших ортогонально плоскополяризованных пучков в волокно с его противоположных концов, при этом ввод осуществляется так, чтобы ортогональные плоскости поляризации пучков были ориентированы только по какой-то одной из двух осей анизотропии волокна в поперечном сечении, причем само волокно предварительно повернуто на 90° вокруг своей продольной геометрической оси.

3. Лазер с перестраиваемой длиной волны излучения, в резонатор которого встроен неколлинеарный акустооптический фильтр, выполненный по п. 1 или 2, в результате чего спектр лазерного излучения не уширяется из-за отсутствия частотных акустических сдвигов оптической частоты, а мощность лазерного излучения стабилизируется во времени вследствие отсутствия случайной синхронизации мод при множественных проходах света через лазерный резонатор.