Двухволновой лазер Советский патент 1986 года по МПК H01S3/10 

Изобретение относится к области ква 1товой электроники и может быть использовано при абсорбционном спектральном анализе веществ в качестве, источника двухволново го излучения с переключением длин волн.

Известен двухволновой лазер с широкой областью усиления, включающий в себя активную среду (краситель), оптический элемент внутри лазерного резонатора, разделяющий излучение на два пучка,два селективных отражателя и одно общее дл.я обоих длин волн выходное зеркало. Генерация на двух длинах волн осуществляется за счет наличия двух независимых диспергирующих элементов.

Переключение генерации с одной длины волны на другую производится путем попеременной блокировки пучков излучения механическим устройством. Существенными недостатками такого лазера являются: невысокая частота переключения длин волн, нестабильность мощности при переключении и низкий КПД устройства.

Известен также переключаемый по длинам волн двухволновой лазер, содержащий резонатор, образованный , двумя зеркалами, внутри которого расположены активный элемент со смесью веществ и поглощающая ячейка с метаном, подключенная к вакуумной системе. Работает лазер на двух связанных переходах с длинами волн 3,3922 мкм и 3,3912 мкм. В отсутствии метана в результате конкуренции генерация обыно осуществляется на длине волны 3,3922 мкм. С увеличением давления метана генерация на этой длине волны подавляется и возникает генерация на длине волны 3,3912 мкм. Изменяя давление метана в ячейке, осуществляют периодическое переключение генерации с одной длины волны на другую.

Недостатком этого двухволнового лазера является невозможность изменения интервала между переключаемыми длинами волн, что ограничивает круг исследуемых веществ.

Из известных наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является лазер на растворах органических соединений с узкими линиями генерации, привязанными к линиям поглощения вещества. Этот двухколновый лазер содержит последовательно расположенные в резонаторе на одной оптической оси активный элемент, поглощающую ячейку в соленоиде, создающем в поглощающей ячейке продольное магнитное поле, н-ерезонансный фарадеевский вращатель плоскости поляризации с блоком питания соленоида этого вращателя и поляризатор.

Вьщеление двух длин волн из широкого спектра генерации известного лазера

осуществляется следующим образом: при прохождении излучения через поглощающую ячейку, помещенную в продольное магнитное поле, с веществом или смесью двух веществ, имеющих две

линии поглощения в пределах полосы усиления красителя, происходит поворот плоскости поляризации излучения, зависящий от длины волны.

Затем с помощью фарадеевского вращателя подбирают нерезонасный поворот плоскости поляризации такой величины и направления, чтобы скомпенсировать поворот в поглощающей среде. Вследствие наличия в резонаторе поляризатора создаются дополнительные потери на всех частотах полосы усиления, кроме тех, на которых осуществлена компенсация поворота плоскости поляризации. В результате этого из широкого спектра генерации будут вьщеляться две узкие линии. Подбором веществ можно выделить и большее число линий. Основными недостатками известного лазера являются следующие.

При использовании в поглощающей ячейке одного вещества практически невозможно.менять положение одной линии генерации относительно другой. Это накладывает существенные ограничения на класс исследуемых веществ, на диапазон генерируемых длин волн и интервалы между ними, а также на отношение сигнала к шуму. J .

Кроме того, в одном веществе для

переключения излучения с одной дпины волны на другую необходимо однот : временно существенно менять и создавать различные условия для генерации на этих длинах волн, что при изменении магнитного поля может приводить к невоспроизводимому изменению мощности излучения на этих линиях (ухудшению стабильности) при переключении длины волны.

Использование в поглощающей

ячейке смеси двух веществ затруднено из-за их возможной несовместимости (например, химической и т.п.) или из-за их взаимодействия, что ограни чивает класс исследуемых веществ и диапазон генерируемых пар длин волн Цель изобретения - расширение класса исследуемых веществ, расшире ние диапазона генерируемых длин вол увеличение отношения сигнал/шум и повьш1ение стабильности мощности генераций при переключении излучения с одной длины волны на другую. Цель достигается тем, что резонатор двухволнового лазера, содержа щего последовательно расположенные в резонаторе на одной оптической . оси активный элемент, поглощающую ячейку в соленоиде, создающем в поглощающей ячейке продольное магнитное поле, нерезонансньй фарадеевски вращатель плоскости поляризации с блоком питания соленоида этого вращателя и поляризатор, дополнительно помещена вторая поглощающая ячейка, заклйченная в соленоид, направление магнитного поля которого противоположно направлению магнитного поля в первой ячейке, причем обе поглощающие ячейки расположены с одной стороны от поляризатора, а блок питания соленоида нерезонансного фара деевского вращателя снабжен средством коммутации тока. На чертеже представлена схема предлагаемого устройства. В резонаторе лазера, образованном зеркалами 1 и 2, последователь но вдоль его оси расположены активный элемент 3, представляющий собой кювету с красителем, поглощающие ячейки 4 и 5 в соленоидах с различнь1ми поглощающими веществами, имею- щими в пределах полосы усиления несовпадающие между собой по одной атомарной или узкой молекулярной линии поглощения, фарадеевский нере зонансный вращатель 6 (например, флинт в соленоиде) с блоком 7 питания соленоида вращателя, снабженньй коммутирующим устройством 8, и поля, ризатор 9. Лазер работает следующим образом При накачке активного элемента 3 возникает вынужденное оптическое из чение с широким спектром генерации (от 5 до 15 нм). При прохождении световой волны через ячейки 4 и 5 происходит поворот плоскости поляри зации тех частей излучения, длины волн которых попадают в пределы кон туров поглощения веществ в ячейках, причем поворот этот максимален в центре каждого контура и уменьшается по мере отстройки длины волны от центральной. За пределами контуров поглощения поворот плоскости поляризации отсутствует. В нерезонансном фарадеевском вращателе поворот плоскости поляризации в этом случае происходит в обратном направлении, причем он слабо зависит от длины волны в пределах полосы генерации лазера. В случае совпадения направления магнитных полей на поглощающих ячейках и фара- деевском вращателе в центрах контуров осуществляется полная компенсация поворота плоскости поляризации, а на других длинах волн поворот сохраняется. Вследствие наличия в резонаторе поляризатора потери будут возрастать на всех длинах волн, кроме тех,на которых поворот полностью скомпенсирован, т.е. на центрах контуров поглощения веществ в ячейках 4 и 5. Таким образом, из широкого спектра генерации вьщеляются две узкие линии на длинах волн, совпадающих с центрами контуров поглощения: одна вещества в ячейке 4, другая - вещества в ячейке 5. Если на одной из ячеек поменять направление магнитного поля по отношению к направлению поля в фарадеевском вращателе, то компенсации угла поворота в этом веществе не будет, и соответственно, не будет генерации на данной длине волны. Если же при сохранении противоположного направления магнитных полей на поглощающих ячейках периодически изменять направление магнитного поля на фарадеевском вращателе, то лазер будет генерировать узкую полосу излучения, соответствующую линии поглощения TQ одного вещества, то другого, т.е. будет происходить переключение излучения с , одной длины волны на другую. При этом для исключения возникновения широкого спектра генерации при переключении длин волны к фарадеевскому вращателю прикладьшают переменное по направлению продольное магнитное поле прямоугольной формы. Для этого блок питания соленоида вращателя снабжен комутирующим устройством 8, которое ормирует периодическую последовательность прямоугольных импульсов тока.

.Для обеспечения совпадения направления магнитных полей в ячейках , и фарадеевском элементе при получении генерации на двух длинах волн одновременно в блоках питания всех трех соленоидов предусмотрено переключение полярности тока, а в блоке питания соленоида нерезонасного вращателя предусмотрено, кроме того, отключение коммутирующего устройства.

Отметим, что переключение длин волн в предлагаемом лазере можно осуществить также путем поочередного перектаочения магнитных полей одинакового направления с одной ячейки на другую или одновременным переключением полярности противоположно направленных магнитных полей на поглощающих ячейках при неизменном направлении магнитного поля на фарадеевском элементе.

Таким образом, предложенный лазер обеспечивает получение генерации двух узких, с высокой точностью воепроизводимых по частоте линий генерации, позволяет с высокой.частотой и точностью производить переключение излучения попеременно. с одной длины волны на другую; дает возможность получить двухволновую генерацию во всей области спектра, в кото7 ром возможна генерация лазера с широкой полосой усиления, и дискретно изменять интервалы между генерируемыми длинами волн в пределах полосы усиления выбранной активной среды путем подбора подходящих линий поглощения веществ. При этом диапазон изменения интервалов между этими длинами волн существенно увеличивается за счет использования второй поглощающей ячейки, что позволяет значительно расширить круг используемых для привязки спектра веществ, тем самым расширив класс исследуемых веществ.

Использование двух независимых веществ позволяет подбирать положение вспомогательной линии генерации и наиболее полно учитьшать нерезонансное поглощение и тем самым повьшать отношение сигнал/щум.

В предлагаемом устройстве мощност генерации на обеих длинах волн может быть подобрана одинаковой, и она не будет меняться при переключении генерации, поскольку в ячейках поглощения ни магнитное поле, ни другие параметры не изменяются, а меняется лишь направление поля в фарадеевском вращателе,

Использование двух ячеек снимает ограничение на несовместимость веществ, что устраняет сложности их выбора и подбора необходимых количественных соотношений поглощения на разных линиях и позволяет независимо изменять напряженности магнитных полей на ячейках.

Описанный двухволновьй лазер создан на базе лазера на красителе. В качестве активного вещества использовался краситель родамин 6Ж, в качестве поглощающих веществ - газы Не и Ne. При наложении на поглощаю:щие ячейки магнитных полей Нц : 1000 Э и 600 Э с помощью изменения направления поля на фарадеевском вращафеле осуществлялась попеременная генерация на двух длинах волн: 5881,895 А и 5875,966 А. Ширина спектра генерации на обеих линиях не превьщхала ширины контуров линии поглощения.

ДВУХВОЛНОВОЙ ЛАЗЕР, содержащий последовательно расположенные в резонаторе на одной оптической оси активный элемент, поглощающую ячейку в соленоиде, создающем в поглощающей ячейке продольное магнитное поле, нерезонансный фарадеевский вращатель плоскости поляризации с блоком питания соленоида этого вращателя и поляризатор, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что, с целью расширения класса исследуемых веществ, расширения диапазона генерируемых длин волн, увеличения отношения сигнал/шум и повышения стабильности мощности генерации при переключении излучения с одной длины волны на другую, в резонатор лазера дополнительi но помещена вторая поглощающая ячейка, заключенная в соленоид, (Л ление магнитного поля которого противоположно направлению магнитного поля в первой ячейке, причём обе поглощающие ячейки расположены с одной стороны от поляризатора, а блок питания соленоида нерезонансного фарадеевского вращателя снабжен средством коммутации тока.