МНОГОЛУЧЕВОЙ ВОЛНОВОДНЫЙ ЛАЗЕР Советский патент 1994 года по МПК H01S3/05 

Изобретение относится к лазерной технике, более точно к многолучевым волноводным лазерам, и может найти использование в устройствах связи и локации на оптических частотах.

Известен волноводный лазер [1] , содержащий волновод, заполненный активной средой, и оптической резонатор, состоящий из двух отражателей. Недостатком такого лазера является низкая мощность выходного излучения.

Наиболее близок к изобретению многолучевой волноводный лазер, содержащий по крайней мере один блок параллельных волноводов, заполненных активной средой, и оптический резонатор, состоящий из двух отражателей, один из которых расположен на расстоянии от торца блока волноводов [2] .

В этом лазере генерация в отдельных волноводах, входящих в блок, происходит независимо, поэтому излучения отдельных волноводов не находятся в фазе друг с другом. Таким образом, недостатком известного лазера является невысокая пространственная когерентность выходного излучения.

Цель изобретения состоит в повышении когерентности выходного излучения.

Указанная цель достигается тем, что в многолучевом волноводном лазере, содержащем по крайней мере один блок параллельных волноводов, заполненных активной средой, и оптической резонатор, состоящий из двух отражателей, один из которых расположен на расстоянии от торца блока волноводов, волноводы расположены в блоке так, что их отверстия на торце блока образуют прямоугольную периодическую решетку, а указанный отражатель расположен на расстоянии L от торца блока волноводов, удовлетворяющем соотношению
_≫L> где h - период решетки, D - поперечный размер блока, - λ - длина волны генерируемого излучения; кроме того, торец блока волноводов может быть выполнен и отражающим.

Указанный отражатель может быть выполнен в виде уголкового отражателя, вершина которого расположена на расстоянии L от торца блока волноводов.

Указанный отражатель может быть выполнен в виде растра канавок треугольного профиля с углом при вершине 90^о.

Указанные блоки волноводов могут быть установлены соосно и последовательно на расстоянии 2L друг от друга, а указанные отражатели выполняются в данном случае полупрозрачными и располагаются между блоками на середине расстояния между ними.

Такое выполнение многолучевого волноводного лазера позволяет повысить когерентность излучения лазера за счет когерентного сложения излучений отдельных волноводов, что дает возможность снизить весогабаритные характеристики и повысить эффективность оптического узла в устройствах лазерной связи и технологии.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 показано схематическое изображение основного варианта исполнения лазера с плоскими зеркалами. На фиг. 2 изображен лазер с уголковым отражателем. На фиг. 3 дано схематическое изображение лазера в модульном исполнении.

Многолучевой волноводный лазер схематически представлен на фиг. 1. Он содержит резонатор 1, блок волноводов 2 и отражатели 3 и 4. Цифрой 5 обозначен торец блока, выходное излучение лазера 6. Волноводы 2 в блоке расположены регулярным образом, так, что их отверстия диаметром d образуют на торце 5 блока прямоугольную периодическую решетку с периодом h. Отражатель 3 отстоит от торца 5 блока волноводов L. Расстояние L удовлетворяет условию L₁ < L < L₂, где L₁ = h²/λ , - начало зоны фраунгоферовской дифракции от периода h, а L₂ = D²/ λ - начало зоны фраунгоферовской дифракции от всего блока волноводов, где λ - длина волны генерируемого излучения. Кроме того, при этом должно выполняться соотношение
L= n , где n = 1, 2, 3 (1)
Лазер работает следующим образом.

При возбуждении активной среды в волноводах 2 в них возникают колебания светового поля, что приводит к излучению света из волноводов в сторону отражателя 3. При распространении света от решетки когерентных излучателей (отверстия волноводов на торце 5) пучки света от отдельных волноводов 2 дифрагируют и интерферируют между собой так, что на расстоянии 2L в сечении суммарного пучка реализуется распределение освещенности, в точности соответствующее первичной картине излучения на торце 5. Таким образом, при назначении расстояния L от торца 5 до отражателя 3 в волноводы войдут пучки того же размера и конфигурации, что и исходные. Таким путем образуется обратная связь всего многолучевого волноводного лазера и осуществляется возможность его генерации.

Соотношение для L (1) получается при последовательном рассмотрении френелевской дифракции излучения от решетки периодически расположенных когерентных излучателей.

Следует подчеркнуть, что поле формируется в результате интерференции всех полей отдельных излучателей решетки. При отражении от зеркала, установленного на расстоянии L, определяемом соотношением (1), каждый излучатель находится во фраунгоферовской зоне дифракции периода решетки, когда выполняется условие h²/ λL < 1. Так как отраженное излучение воспроизводит распределение поля, выходящего из волновода, потери при прохождении расстояния L и отражения от зеркала малы. В то же время дифракционное расширение луча, выходящего из одного волновода, велико, и потери при развитии некогерентной генерации также велики.

Существенной особенностью рассматриваемого распределения является то, что парциальные пучки, входящие в волноводы после обратного отражения от отражателя 3, образованы реконструированным излучением всех первичных пучков, выходящих из волноводов 2 на торце 5. Таким образом, уже после 1-го отражения от отражателя 3 излучение всех волноводов оказывается обобщенным и генерация во всех волноводах оказывается связной, чем и обусловливается когерентность полного выходного излучения лазера.

Таким образом, при условии расположения излучателей в узлах прямоугольной решетки с периодом h и расположении обратного отражателя на расстоянии L отраженное от него излучение возвращается в волноводы.

Примем для конкретности h = 0,2 см, λ = 10^-3 см (СО₂ - лазер), n = 1, тогда получаем L = 40 см. Таким образом, требуемые условия выполняются и поставленная цель достигается при разумных габаритах устройства.

Для сокращения размера торец 5 волноводов может быть выполнен плоским и отражающим.

В этом случае при распространении световых пучков внутри волновода в нем возбуждаются дискретные моды, характеризуемые углами наклона световых пучков Θ к оси волновода. В общем случае преимущество в генерации получает мода с наибольшей добротностью, которая определяет характеристики выходного излучения лазера - его расходимость и спектральную чистоту.

Излучение, выходящее из волноводов под характерным углом Θ к оси волновода, испытывает затем одно или несколько отражений от отражателя 3 и торца 5, сохраняя всякий раз неизменным угол наклона Θ к оси волноводов, и попадает в соседний волновод, усиливая возбуждаемую в нем моду с тем же самым характерным углом Θ . Все волноводы оказываются таким образом связанными посредством излучения, распространяющего между отражающими поверхностями отражателя 3 и торца 5, и колебания оптического поля в волноводах происходят синфазно. Этим обеспечивается когерентность излучения отдельных волноводов на выходе и, следовательно, цельность волнового фронта, т. е. пространственная когерентность общего выходного излучения всех волноводов.

Для эффективного функционирования лазера должны быть выполнены следующие условия.

Колебания, возникающие в каждом волноводе и в сопряженном оптическом резонаторе, состоящем из отражателя 3 и торца 5, и колебания оптического поля в волноводах происходят синфазно. Этим обеспечивается когерентность излучения отдельных волноводов на выходе и, следовательно, цельность волнового фронта, т. е. пространственная когерентность общего выходного излучения всех волноводов.

Колебания, возникающие в каждом волноводе и в сопряженном оптическом резонаторе, состоящем из отражателя 3 и торца 5, должны быть согласованы по фазе и частоте.

Сопряженный оптический резонатор, образованный отражателем 3 и торцом 5, должен обеспечить достаточно сильные колебания светового поля на входе в каждый волновод. Иными словами, волна, распространяющаяся вдоль волновода в сторону сопряженного резонатора, должна отражаться от него с достаточно высоким коэффициентом отражения.

Поставленная выше цель достигается также при выполнении отражателя 3 в виде уголкового отражателя, размещенного так, что вершина уголкового отражателя располагается от торца 5 блока на расстоянии L (фиг. 2). При таком выполнении устройства облегчается и упрощается его регулировка, поскольку уголковый отражатель нечувствителен к угловой разъюстировке.

Поставленная цель достигается также при выполнении отражателя 3 в виде растра прямых или непрямых канавок с отражающей поверхностью и углом 90^о при вершине. При таком выполнении упрощается технология изготовления отражателя 3.

Поставленная цель достигается также при выполнении многолучевого волноводного лазера в виде нескольких блоков волноводов, располагаемых соосно и последовательно, тогда как отражатели 3, выполняемые при этом полупрозрачными, располагаются между блоками волноводов на расстоянии L от торцов смежных блоков волноводов (фиг. 3). Такое выполнение многолучевого волноводного лазера отличается тем достоинством, что допускает модульную компоновку лазеров различной мощности из однотипных модулей.

Данный многолучевой волноводный лазер может быть применен в устройствах поиска и локации, а также связи на оптических частотах. Он может быть также применен для дальней передачи лучистой энергии, а также для устройств лазерной технологии. Во всех областях использования многолучевой волноводный лазер может обеспечить значительный технический эффект, обусловленный 5-10-кратным снижением весогабаритных характеристик оптического блока в соответствующем аппарате. Одновременно значительно более чем в 3-5 раза возрастает плотность энергии в пятне фокусировки излучения такого лазера, чем обуславливается его высокая эффективность. (56) Smith P. W. Wavequae gas laser. Appl. Phys. Lett. 1971, v. 19, N 5, p. 13 2.

1. МНОГОЛУЧЕВОЙ ВОЛНОВОДНЫЙ ЛАЗЕР, содержащий по крайней мере один блок параллельных волноводов, заполненных активной средой, и оптический резонатор, состоящий из двух отражателей, один из которых расположен на расстоянии от торца блока волноводов, отличающийся тем, что, с целью повышения когерентности выходного излучения, волноводы расположены в блоке так, что их отверстия на торце блока образуют периодическую прямоугольную решетку, а отражатель расположен на расстоянии L от торца блока волноводов, удовлетворяющим соотношению
_≫L>,
где D - поперечный размер блока;
λ - длина волны генерируемого излучения;
h - период решетки. 2. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что торец блока волноводов выполнен отражающим. 3. Лазер по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что отражатель выполнен в виде уголкового отражателя, вершина которого расположена на расстоянии L от торца блока волновода. 4. Лазер по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что отражатель выполнен в виде растра канавок треугольного профиля с углом при вершине 90^o. 5. Лазер по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что блоки волноводов установлены соосно и последовательно на расстоянии 2 L один от другого, а отражатели выполнены полупрозрачными и размещены между блоками на середине расстояния между ними.