Кольцевой лазер Советский патент 1992 года по МПК H01S3/83 

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано для создания мощных импульсных источников оптического излучения.

Известен лазер, содержащий моно.блочный электрооптйческий затвор е призмой анализатором и соединенный с блоком питания; делительную пластинку; активный элемент и призму полного внутреннего отражения, последовательно расположенные на одной оси резонаTopia, образованного призмой полного внутреннего отражения и призмой-аналиоо

со ю

затором электрооптического затвора;

зеркало, расположенное вне резонато-ра, разрядник, соединенный с блоком

питания электрооптического затвора; возвратный отражатель, оптически связанный через призму-анализатор электрооптическо-го затвора с резонатором лазера. В качестве выходного отражателя использована одна из граней призмы-крьппи (анализатора) электрропткческого затвора совместно с его модуляционным , элементом .

Недостатками известного лазера являются низкая мощность и энергия сдвоенных импульсов оптического излучения с перестраиваемьЕ 1 временным интервалом между ними и малый диапазон перестройки временного интервала между генерируемыми сдвоенными импульсами оптического излучения. Это вызвано тем, что с помощью призмы-крыши электрооптического затвора совместно с призмой полного внутреннего отражения накопленное в резонаторе излучение при выключении.электрооптического затвора расщепляется на два пучка плоскостью, перпендикулярной к торпу рубинового элемента. Одна из граней ; призмы-крыши -электрооптического затвора совместно с его модуляци онным элементом является выходным отражателем, через который выводится из резонатора на выход в виде первого импульса один из пучков излучения. Второй пучок через вторую грань призмы анализатора и модуляционный элемент электрооптического затвора выводится из резонатора в направлении возвратчого отражателя. Отразившись от возвратного отражателя, этот пучок опять попадает в резонатор и аналогично первому поступает на выход. В известном лазере поляризатором электрооптического затвора служит рубиновый элемент, являющийся анизотропным кристаллом и по этой причине обладающий плоскополяризованным излучением гене рации. Рубиновый элемент, как поляризатор, в формировании сдвоенньтх имПЗШЬСОБ излучения, в формировании вр менного интервала между ними, в выведении импульсов излучения из резонатора в известном лазере не участвует В известном кольцевом лазере перестройка временного интервала между генерируемь1ми сдвоенными импульсами оптического излучения осуществляется с помощью перемещения возвратного от ражателя. В,этом случае для получения сдвоенных импульсов на выходе лазера с временным интервалом, напри 6.10с, возвратный отражатель необходимо удалить от оси резонатора ра расстояние до 100 м, что не реаль но при практическом использовании указанных лазеров. Наиболее близким из известных является кольцевой лазер, ссТдержащий размещенные в резонаторе с возвратным и ВЫХОДНЫМ- отражателями активный элемент, электрооптический затвор, со состоящий из поляризатора, модуля102 ционного элемента и анализатора. В качестве выходного отражателя использовано зеркало-расщепитель. Возвратный отражатель выполняет функцию зеркала-лодкачки, которое совместно с зеркалом-расщепителем образует пассивный вентиль для создания режима однонаправленной генерации. Однако и этот кольцевой лазер не позволяет получать сдвоенные импульсы оптического излучения с перестраиваемым временным интервалом высокой мощности и энергии и увеличить ,диапазон перестройки временного интервала между генерируемыми сдвоенными импульсами. Целью изобретения является увеличение мощности и энергии сдвоенных импульсов оптического излучения с пере- страивае11ьпч временным интервалом между ними. Поставленная цель достигается тем, что в кольцевом лазере, содержащем размещенные в резонаторе с возвратным и выходным отражателями активный элемент, электрооптический затвор, состоящий из поляризатора, модуляционного элемента и анализатора, при этом возвратный отражатель установлен вне резонатора и оптически связан с лен на расстоянии S от анализатора, удовлетворяющем соотношению: Q - t(t - 2tл.) - 1 - X Ь , оптическая длина резонатора; оптическое расстояние между поляризатором и анализатором электрооптического затвора; скорость света; временной интервал между генерируемыми импульсами; время прохождения излучением переменной оптической линии задержки, и в лазер введена переменная линия задержки, установленная между анализатором и возвратным отражателем. На чертеже изображен кольцевой лазер, содержащий отражатели 1, 2, 3, образующие резонатор, в котором расположены активный элемент 4 и электрооптический затвор.5, состоящий из , поляризатора 6, являющегося также выходным отражателем, модуляционного элемента 7 и анализатора 8. Вне резонатора на оптическом расстоянии S от анализатора 8 установлен возврат ный отражатель 9. Переменная оптиче кая линия 10 задержки установлена м ду анализатором 8 и возвратным отра жателем 9, Размеры резонатора и взаимное расположение оптических элементов связаны соотношением 1 + X +28 ct, что позволяет, зная характерное время (tj, переменной линии 10 задержки, рассчитывать оптическую схему кольцевого лазера для требуемого временного интервала между генерируемыми сдвое ными импульсами Коз зфициент отражения отражателей 1, 2., 3 близок к единице. Устройство представлено с полувол новым электрорптйческим затвором 5, плоскости поляризации поляризатора 6 и анализатора 8 в котором совпадают. Следует отметить, что поляризато и анализатор в устройстве взаимозаменяемы. Устройство может быть осуществлено и с другими конструкциями электрооптических затворов,.рабо тающих как на проход, так и на отражение, Коэффи1щент отражения возвратного отражателя 9 близок к единице. Принцип работы устройства состоит в следующем. Устройство работает в режиме сдво енных сверхкоротких импульсов оптического излучения с перестраиваемым временным интервалом между ними, а также в режиме сдвоенных импульсов наносекундной длительности с узким спектром излучения и перестраиваемым временным интервалом между ними. Режим сдвоенных сверхкоротких импульсов оптического излучения с перестраиваемым временным интервалом между ними может быть осупдествлен с использованием как активной, так и пассивной синхронизации мод. В первом случае в процессе накачки активного э|1емента 4 на злектрооптичес кий затвор 5 подают сначала предварительный управляющий импульс напряжения , обеспечивающий увеличение доб ротности резонатора до 20-60% максимального значениями модулируют предварительный управляющий импульс с частотой равной частотному интервалу между модами кольцевого лазера. Большое время развития генерации на этом этапе позв1оляет в неселективном резонаторе кольцевого лазера осуществить за счет резонансной модуляции добротности фазировку больщого количества мод. Синхронизация мод в этом случае приводит к формированию в резонаторе Кольцевого лазера сверхкороткого импульса. Затем в момент, соответствуюпщй развитию генерации, .амплитуду управляющего импульса напряжения увеличивают до значения, соответствующего полному открыванию элёктроглтического затвора 5 и максимальному значению добротности резонатор а При этом в резонаторе кольцевого лазера происходит резкое усиление сверхкороткого импульса, который бьш сформирован в процессе медленного развития генера11ии. Поскольку в кольцевом лазере поляризатор 6, являющийся выходным отражателем, и возвратный отражатель 9 не образуют невзаимный элемент для создания однонаправленной генерации, излучение в резонаторе лазера представляет практически два сверхкоротких импульса, распространяю-; щихся во взаимно противоположных-на;правлениях. В момент, соответствующий максимуму плотности излучения резонатора, амплитуду управляющего импульса напряжения изменяют до значения., соответствующего полному закрытию . электрооптического затвора 5 и минимальному значению добротности резонатора. Тем самым осуществляется выведение сфо1даированных сверхкоротких импульсов из резонатора кольцевого лазера. При этом первый сверхкороткий импульс, поступающий на электрооптический затвор 5 со стороны отражателя 2, проходит через айализатор 8 без изменения, затем при прохождении через модуляционный элемент 7 плос- , кость поляризации его излучения поворачивается на 90, и он выводится из резонатора через поляризатор 6. Второй Сверхкороткий импульс, поступающий на электрооптический затвор 5 со стороны отражателя 1, проходит через поляризатор 6 без изменения, затем при прохождении модуляционного элемента 7 плоскость поляризации его излзгчения поворачивается на 90 , авали затором 8 он выводится из резонатора, проходит через переменную оптическую линию Ю задержки, отразившись от возвратного отражателя 9, опять проходит черея переменную оптическую линию 10 задержки, далее через ана- . лизатор 8 снова поступает на модуляцнонньш элемент 7, при прохождении которого плоскость поляризации второ сверхкороткого -импульса поворачивает ся на 90, он проходит без изменения через поляризатор 6, отражается от отражателя 1, несколько усиливается .при прохождении через активный элеме 4, отражается от отражателей 3,2,про ходит через анализатор 8, при прохож дении через модуляционный элемент 7 плоскость его поляризации поворачивается на 90°, и поляризатором 6он выводится из резонатора кольцевого лазера через промежуток времени t (1.+ X + 2S)/с после первого сверхкороткого импульса. Для фазировки мод может быть использован и любой другой активный модулятор потерь либо модулятор оптической длины резонатора. При пассивной синхронизации для фазировки мод может быть использован насыщающий поглотитель, а выведение сформированных сверхкоротких импульсов из резонатора осуп1ествлябтся аналогично рассмотренному выше. Дпительность сверх коротких импульсов на выходе кольцевого лазера при рассмотренном режиме генерации определяется количеством сфазированных мод. И режтЫе сдвоенных импульсов нано - секундной длительности с узким спект ром излучения и перестраиваемьш временным интервалом между ними в процессе накачки активного элемента 4 на электрооптический затвор 5 подают сначала предварительный управляющий импульс напряжения, обеспечивающий увеличение добротности резонатора до 20-60% максимального значения. Большое время развития генерации на этом этапе позволяет в селективном резонаторе кольцевого лазера сформир вать узкополосное затравочное излуче ние. Затем в момент, соответствующий развитию генерации, амплитуду управляющего импульса напряжения увеличивают до значения, соответствующего полногу открыванию электрооптическог затвора 5 и максимальному значению добротности резонатора. При этом происходит резкое усиление узкополос ного излучения, которое в связи с тем, что поляризатор 6, являющийся выходным отражателем, совместно с возвратным отражателем 9 не образует в кольцевом зазоре невзаимных элементов, распространяется в резонаторе в двух противоположных направлениях. В момент, соответствующий максимуму плотности излучения в резонаторе, амплитуду управляющего импульса напряжения изменяют до значения, соответствующего полному закрытию электрооптического затвора 5 и минимальному значению добротности резонатора. Тем самым осуществляется выведение сформированного излучения из резонатора Кольцевого лазера аналогично режиму, рассмотренному выше, Предельная длительность импульса на выходе кольцевого лазера при данном режиме генерации определяется временем обхода излучения по резонатору, а предельно достижимая ширина спектра излучения соответствует соотношению неопределенности. Устройство может быть осуществлено и с другими конструкциями электрооптических затворов, а также с различными разновидностями кольцевых резонаторов. Максимальная мощность, которая может быть получена на выходе данного кольцевого лазера, определяется соотношением 2 Р где р - плотность мощности; с1 - диаметр активного элемента, т.е. по максимальной мощности выходного излучения генерируемых сдвоенних Импульсов оптического излучения с перестраиваемым временным интервалом между ними кольцевой лазер в 2 раза превосходит прототип. При одинаковой длительнЪсти импульсов максимальная энергия генерируемьтх 1тмпуЛьсов в данном кольцевом лазере также в 2 раза больше, чем в прототипе. Таким образом, данный кольцевой лазер позволяет в 2 раза увеличить мощность и энергию сдвоенных импульсов оптического излучения с перестраиваемьм временным интервалом между ними и значительно расширить диапазон перестройки временного интервала между генерируемыми сдвоенными импульсами оптического излучения. Учитывая, что кольцевой лазер может работать как в режиме сдвоенных сверхкоротких импульсов оптического излучения с перестраиваемым временньм интервалом между ними, так и в режиме сдвоенных импуль- сов наносекундной длительности с уз- j КИМ спектром излучения и перестраиваемым временным интервалом между ними, рассмотренные выше преимущества значительно позволяют расширить область его применения.10

Данное устройство может быть широко использовано в.пикосекундной лазерной спектроскопии, в голографической интерферометрии, при голографи- ческой съемке быстропротекающих процессов парными импульсами, Б лазерных системах связи и з других областях в качестве источника мощных импульсов оптического излучения.

КОЛЬВДВОП ЛАЗЕР, содержащий размещенные в резонаторе с возвратным, и выходным отражателями активный элемент, электрооптический затвор, состоящий из поляризатора, модуляционного элемента и анализатора, при этом возвратный отражатель установлен вне резонатора и оптически связан с ним, о т л и I а ю щ и и с я тем, что, с целью увеличения мощности и энергии IGECOA3HM ПИЕЙТНЭ-ТЕШЧЕШЙ 6ИБЛИОТЕКА. сдвоенных импульсов излучения с перестраиваемым временным интервалом между ними, возвратный отражатель установлен перпендикулярно к излучению на расстоянии S от анализатора, удовлетворяющем соотношению с c(t - 2tлэ) - 1 - X S - 2 где 1 опттшская длина резонатора; расстояние между поляризатоX ром и анализатором; скорость света; с интервал между генерируемыми t импульсами; tA3время прохождения излучением переменной оптической линш задержки, и в лазер введена переменная линия задержки, установленная между анализатором и возвратным отражателем.