Лазер с динамической распределенной обратной связью Советский патент 1986 года по МПК H01S3/05 

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в линейной и нелинейной оптике, лазерной спектроскопии высокого разрешения и других областях.

Известен лазер с динамической распределенной обратной связью (ДРОС), содержащий источник накачки, телескоп-светоделитель, систему зеркал дпя сведения в активной среде, обра|зующихся после светоделителя двух пучков накачки, так что в активной среде совмещейы прямые изображения источника накачки, активную среду ,на оптическом контакте с пр.измой.

Однако описанный лазер обладает существенными недостатками: сложностью осуществления указанного синхронного вращательно-поступательного движения зеркал при перестройке, связанной с необходимостью обеспечения неподвижности области интерференции активной среды при перестройке (несинхронность вращения зеркал должна быть ±6 при угле поворота 5-6 точность вращения зеркал и угол поворота определяется соответственно шириной линии генерации и диапазоном перестройки лазера с динамической распределенной обратной связью); малой виброустойчивостью системы зеркал (исходя из ширины линии генерации, требуется обеспечить непрдвижность каждого элемента лазера в пределах (где п - число элемент он

Наиболее близок к изобретению лазер с динамической распределенной обратной связью, содержащий источник накачки, сферо-цилиндрический телескоп и активную среду на оптическом контакте с катетной гранью прямоугольной призмы полного внутреннего отражения (ПВО), установленной с возможностью вращения вокруг оси, параллельной боковым ребрам призмы.

В активной среде интерферируют часть пучка источника накачки, непосредственно падающую на активную среду; часть пучка источника накачки испытавшую полное внутреннее отражение на сопряженной относительно активной среды катетной грани прямоугольной призмы ПВО.

Перестройка длины волны генерации осуществляется путем простого вращения призмы ПВО, при этом обеспечивается большая жесткость (виброусточивость) конструкции, так ijaK отпадает необходимость в наличии системы

зеркал для совмещения в активной срё де пучков накачки. Синхронное изменение угла встречи интерферирующих пучков в призме ПВО при вращении достигается автоматически; при любом угле падения пучка накачки на призму ПВО плоскости узлов и пучностей интерференционной картины всегда перпендикулярны катетной грани призмы ПВО, на контакте с которой расположена активная среда.

Однако в подобной схеме в активной среде интерферируют пучки накачки, принадлежащие разным участкам волнового фронта источника накачки. Это приводит к тому, что видность интерференционной картины, а следовательно, эффективность распределенной обратной связи зависит от степени пространственной когерентности источника накачки, и при использовании для накачки лазеров без селекции поперечных типов колебаний диапазон перестройки ограничен областью в 100150 А из-за возникновения сильного фона суперлюминесценции.

Цель изобретения - увеличение диапазона перестройки частоты генерации путем увеличения эффективности распределенной обратной связи при использовании для накачки лазеров с низкой степенью пространственной когерентности и сохранения виброустойчивости и простоты перестройки частоты генерации.

Указанная цель достигается тем, что в лазере с динамической распределенной обратной связью, содержащем-. . источник накачки, сферо-цилиндричёский телескоп и активную среду на оптическом контакте с катетной гранью прямоугольной призмы полного внутреннего отражения, установленной с возможностью вращения вокруг оси, параллельной боковым ребра м призмы, между телескопом и прямоугольной призмой полного внутреннего отражения установлен светоделитель, выполненный в виде прмоугольной призмы, основанием которой является равнобедренный треугольник с углом при вершине (f , удовлетворяющим условию

г -1 п /о

/1- sintf

90°.

V arc sin -- +

( - угол между оптической осью пучка накачки и нормалью к светоделителю;

п - коэффициент преломления материала светоделителя.

На фиг. 1 представлена оптическая схема лазера с динамической распределенной обратной связью; на фиг. 2 - ход лучей в светоделителе.

Лазер состоит из последовательно расположенных вдоль оптической оси источника 1 накачки, сферо-цилиндрического телескопа 2, светоделителя 3, призмы ПВО 4, активной среды 5, установленной на оптическом контакте с одной из катетной гранью призмы ПВО.

Лазер работает следующим образом.

Пучок источника 1 накачки, пройдя сферо-цилиндрический телескоп 2, падает на светоделитель 3. Часть излучения накачки а-Ь , отраженная от грани .светоделителя АС, падает на гипотенузную грань FD призмы ПВО, а после преломления, испытав полное внутреннее отражениена катетной грани FN призмы ПВО, падает на активную среду 5.,

Другая часть излучения накачки а - b , испытав преломление на грани светоделителя АС и два последовательных полных внутренних отражений на гранях светоделителя ВС и АВ, падает после преломления на грани АС светоделителя на гипотенузную грань FD призмы ПВО и после преломления на ней - на активную среду 5. Так как полное число отражений пучков а - Ь , , а- Ь четное, а при каждом отражении происходит поворот волнового фронта на 180°, то в активной среде интерферируют прямые изображения источника накачки, и видность интерференционной картины и связанная с ней эффективность распределенной обратной связи не зависят от степени пространственной когерентности источника накачки.

Излучение генерации с частотой, равной частоте Брэгга, распространяется перпендикулярно узлам и пучностям интерференционной картины, и для выполнения амплитудных условий генерации это направление должно совпадать с ориентацией активной среды. Так как активная среда находится IB оптическом контакте с катетной гранью призмы ПВО, необходимо, чтобы узлы и пучности интерференционной картины были перпендикулярны катетной грани призмы ПВО. Это будет достигнутр, если пучки я - Ь и а -Ь , падающие на гипотенузную грань призмы ПВО, будут параллельны.

Для определенности рассмотрим ход лучей а и а (фиг. 2). Покажем, что при выполнении указанного условия (f arc sin ---- + 90° лучи а

и а будут параллельны.

Пусть cf - угол падения излучения накачки на светоделитель;п - коэффициент преломления

призмы.

Из свойства углов треугольников, законов преломления и отражения можно установить следующую связь между углами (ff при вершине призмы, углом падения q, углом / преломления и углом о , под которым излучение выходит из призмы

/) arc sin--S- + 90° 180° n

- vL - DMC 180° - oC - BMN 130° -06 - (180 - V- cBNM) V + BNM - ei (j + AMO - ей V+ (180° - 90° -y -Об) V+ 90° - у - 2oi, s injf

( - f - 2 06

т.е. arc sin

n

(f - У - (180° -у) 2 - у - 180°,

30y 2(i/- 180° - arc sin-i--.

Если

y arc sin-i- +90°,

s itr 35 тогда 2arc sin+ 180° ,Q,,o sinV . sin .

- 180 - arc sin arcsin,

nn

a угол i) равен

L tI KCIJJ.

„ . r . . I 0 arc sin nlsin arc sin ---J

arc sin sincf (f ,

,

т.е. лучи a и a - параллельны. Из фиг. 2 следует необходимая

связь между геометрическими размерами призмы светоделителя и световым диаметром пучка излучений накачки. Если t - световой диаметр излучения накачки, (f - угол падения излучения

накачки. If - угол при вершине призмы то линейный размер боковой грани призмы - светоделителя равен

. V sinL 2Е -.

cosc

Пример конкретной реализации.

Приборы и элементы испытательного, стенда содержат:

макет лазера с динамической распределительной обратной связью Видео РОС-2, соответствующий оптической схеме (фиг. 1);

источник накачки - рубиновый лазер ОГМ-20, -Х 0,694 нм;

источник накачки - лазер на Nd ИАГ с генерацией на длинах волн 1,064 мк и 0,532 мк;

измерители длины волны генерации спектрограф ИСП-51;

измерители ширины генерации - интерферометр Фабри-Перо ИТ-51-30;

измерители энергии калориметрические - ИМО-2

измерители пиковой мощности на основе неаксиальных фотоэлементов серии ФЭК-16, ФЭК-15, ФЭК-13, связанных с измерителями параметров импульсов типа И-4-3,

Перекрытие диапазона 550-780 нм достигается с применением красителей - родамина 6ж, красителя 167-1, оксазина III. В случаях, когда необходимо устранить провал по мощности в областях 600-700 нм, используются красители - 6-аминофеноленон, резазурин. Перекрытие диапазона длин волн генерации 720-1000 нм достигается с использованием красителей ПК 686, ПК 742, ПК 803, ПК 865.

Представленные показывают, что излучение суперфлуоресценции подавлено во всей области усиления лазерных красителей, несмотря на использование источников накачки с низкой степенью пространственной когерентности по сечению пучка, а следовательно, основная цель изобретения расширение диапазона перестройки реализуется. Измерения диапазона перестройки с указанными красителями и источниками накачки с использованием устройства - прототипа, показывают, что диапазон перестройки не превышает ширины полосы суперфлуоресценции 10-15 нм, т.е. меньше в 2-4 раза.

В испытанном лазере с динамической распределенной обратной связью на основе предложенного изобретения реализуются и другие, признаки, такие как простота перестройки и вибро устойчивость, присущие прототипу, поскольку в нем не содержится дополнительных элементов сведения пучков накачки в активной области. Призма-делитель пучка накачки устанавливается неподвижно, а перестройка частоты генерации достигается только за счет осевого вращения призмыактивной среды, как и в случае прототипа.

J1A3EP С ДИНАМИЧЕСКОЙ РАСПРЕ.ДЕЛЕННОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ, содержащий источник накачки, сфероцилиндрический телескоп и активную среду на оптическом контакте с катетной гранью прямоугольной призмы полного внутреннего отражения, установленной с возможностью вращения вокруг оси, параллельной боковым ребрам призмы, отличающийся тем, что, с целью увеличения диапазона перестройки частоты генерации путем увеличения эффективности распределенной обратной связи при использовании для накачки лазеров с низкой степенью пространственной когерентности и сохранения виброустойчивости и простоты перестройки частоты генерации, между телескопом и прямоугольной призмой полного внутреннего отражения установлен светоделитель, выполненный в виде прямоугольной призмы, основаi нием которой является равнобедренный треугольник с углом при вершине (f , С/) удовлетворяющим условию V arc sin . 9QO где cji - угол между оптической -осью пучка накачки и нормалью к светоделителю; п - коэффициент преломления материала светоделителя. .