Субмиллиметровый лазер Советский патент 1986 года по МПК H01S3/82 

2. Лазер по п.I, отличающийся тем, что зеркало, общее для субмиллиметрового и оптического резонаторов, вьтолнено в виде подложки из диэлектрика, прозрачного для генерируемого излучения, с нанесенными на ее поверхность отражающим покрытием для излучения накачки и двумерной периодической металлической решеткой, образующие которой ориентированы параллельно и перпендикуля |но штрихам эшелетта и расположены с периодами соответственно

где и Л - длины волн генерируемого излучения, поляризованного параллельно образующим двумерной металлической решетки, ориентированным

соответственно перпендикулярно и параллельно штрихам эшелетта;

Т, и Т - коэффициенты пропускания двумерной металлической решетки на длине волны i и соответственно.

3. Лазер по пп.1 и 2, о т л и чающийся тем, что, с целью независимой настройки на две одновременно генерируемые волны с взаимно перпендикулярной поляризацией, в него введена дополнительная одномерная металлическая решетка с периодом -Еа , определяемым соотноше4

нием 0,9 установленная в субмиллиметровом резонаторе с возможностью перемещения вдоль его оси при этом образующие дополнительной металлической решетки ориентированы перпендикулярно, а образующие зеркала связи - параллельно штрихам эшелетта.

1.СУБМИЛЛИМЕТРОВЫЙ ЛАЗЕР с оптической накачкой, содержащий оптический резонатор, образованньй эшелеттом и зеркалом, непрозрачным для излучения накачки, и расположенный внутри этого резонатора субмиллиметровый резонатор, образованный тем же зеркалом и зеркалом связи, установленным с возможностью перемещения вдоль оси субмиллиметрового резонатора, отличающийся тем, что, с целью повышения мощности генерируемого излучения и расширения диапазона рабочих частот, зеркало связи выполнено в виде одномерной периодической металлической решетки, имеющей период i определяемый соотношением 0.-.,., где „ - дпина волны излучения накачки; А - длина волны генерируемого излучения; и установлеиной с возможностью ориен(Л тации её образующих параллельно или с перпендикулярно штрихам эшелетта, при этом зеркало, общее для субмиллиметрового и оптического резонаторов , выполнено частично прозрачным для генерируемого излучения.

1

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании субмиллиметровых fСММ ) лазеров, нашедших применение в спектроскопии, лазерной интерферометрии плазмы, метрологии частоты и времени.

Известен СМИ лазер с оптической накачкой С02-лазером, содержащий отический резонатор и общий с ним СММ резонатор, образованный зеркалами, непрозрачными для излучения накачки. СО возбуждается электрическим разрядом в одной секции оптического резонатора, а активная среда СММ лазера возбуждается излучением СО -лазера в другой секции, и СММ излучение выводится через центральное отверстие в одном из общих зеркал.

Недостатком такого лазера являеся низкая мощность генерируемого илучения, обусловленная невозможностью поддержания различного оптимального давления в каждой секци и невозможностью настройки СММ резонатора по длине на максимальную мощность. Другими недостатками являются узкий диапазон рабочих частот и отсутствие независимой настройки на две одновременно генерируемые ВОЛНЫ. Резонатор СО -лазера

селективно не перестраивается по

многим линиям и работает на нескольких линиях вблизи 10Р20, что очень ограничивает частотный диапазон генерируемого излучения и число

возможных СММ переходов.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является СММ лазер с оптической накачкой, содержащий оптический резонатор, образованный эшелеттом и зеркалом, непрозрачным для излучения накйчки, и расположенный внутри этого резонатора СММ резонатор, образованный тем же зеркалом и зеркалом связи.

установленным с возможностью перемещения вдоль оси СММ резонатора и выполненным с отверстием в центре. Вьгоод генерируемогоизлучения осуществляется черезотверстие диаметром 12-15 ммв зеркалесвязи послеотражения отселективного отражателя,являющегося одновременнобрюстерным окном газоразрядной трубкилазера накачки.

Недостатком этого лазера является низкая мощность генерируемого излучения, обусловленная близкими по величине диаметрами центрального отверстия в зеркале связи (12-15 мм цилиндрического объема возбужденных молекул активной среды в СМИ резонаторе и низшей моды колебаний на зеркале связи. Вследствие этого лазер не будет работать на низшей моде, имеющей наименьшие потери, та как при равенстве диаметра моды и диаметра отверстия на зеркале связи возбужденные молекулы будут излучать спонтанно в другие моды, поэтому такой лазер работает на высших модах, имеющих большие потери и соответственно пониженную мощность генерируемого излучения. Кром того, в этой конструкции лазера имеются потери вьшодимой мощности 10-20%, связанные с отражением от брюстерного окна. Другим недостатко известного лазера является узкий рабочий диапазон частот,, так как генерируемое излучение вьшодится после отражения от кристаллического селективного отражателя, установленного в качестве брюстерного окна. Как описано выше, только в узком частотном диапазоне кристаллические селективные отражатели имеют коэффициент отражения 80-90%. Еще одним недостатком лазера является отсутствие независимой настройки на две одновременно генерируемые волны с взаимно перпендикулярной поляризадией.

В СММ лазере известной конструкции можно выбрать одну длину СММ резонатора, удовлетворяющую условиям резонанса для двух волн в полосе частот, ограниченной 200-300 ГГц, но нельзя настраивать СММ резонатор на эти волны независимо. Например, при одной длине СММ резонатора и селективно отражающем брюстерном окне из калия бромистого можно получить одновременно генерацию на двух волнах 80,3 и 80,6 мкм, но нельзя перестраивать их частоту независимо

Целью изобретения является повышение мощности генерируемого излучения и расширение диапазона рабочих частот.

Дополнительной целью изобретения является обеспечение независимой настройки на две одновременно гене8005

рируемые волны с взаимно перпендикулярной поляризацией.

Дпя достижения указанных целей в СММ лазере с оптической накачкой

5 содержащем оптический резонатор, образованный эшелеттом и зеркалом, непрозрачным для излучения накачки, и расположенный внутри этого резонатора СММ резонатор, образованный

10 тем же зеркалом и зеркалом связи, установленным с возможностью перемещения вдоль оси СММ резонатора, зеркало связи выполнено в виде одномерной периодической металлической

15 решетки, имеющей период Е , опре-

С

деляемый соотношением

о..-,

с10 где Ъц - длина волны излучения на2Q качки;

Л - длина волны генерируемого

излучения;

и установленной с возможностью ориентации ее образующих параллельно

25 или перпендикулярно штрихам эшелетта, при этом зеркало, общее для СММ и оптического резонаторов, вьтолнено частично прозрачным для генерируемого излучения. Это зеркало может быть выполнено в виде под30ложки из диэлектрика, прозрачного для генерируемого излучения, с нанесенными на ее поверхность отражающим покрытием для излучения накачки и двумерной периодической металлической решеткой, образующие которой ориентированы параллельно и перпендикулярно штрихам эшелетта и расположены с периодами, соответственно 6, и В , определяемыми из условий

40

л Х р X ггг1,, и .,

где -А и й-- - длины волн генерируемого излучения, поляризованного

45 параллельно образующим двумерной

металлической решетки, ориентированньм соответственно перпендикулярно и параллельно штрихам эшелетта

Т, и Т - коэффициенты пропускания двумерной металлической решетки на длине волн к 7i соответственно.

Кроме того, в СММ лазер введена дополнительная одномерная металлическая решетка с периодом j , определяемым соотношением 0,9АцбВа йц установленная в СММ резонаторе с возможностью перемещения вдоль его оси. 5 при этом образующие дополнительной металлической решетки ориентированы перпендикулярно, а образующие зеркала связи - параллельно штрихам эшелетта. На фиг.1 и 2 схематически изображены два варианта предложенного лазера . Лазер, показанный на фиг.1, содержит газоразрядную трубку 1 оптического лазера накачки, в частности С02-лазера, кювету 2 с активным веществом СММ лазера, оптический резонатор, образованный зшелеттом 3 и зеркалом 4, непрозрачным для излучения накачки, и расположенный внутри оптического резонатора СММ резонатор образованный зеркалом 4 и зеркалом связи 5. Эшелетт 3 установлен с возможностью вращения вокруг оси, лежащей в плоскости эшелетта и перпендикулярной оси лазера. Зеркало связи 5 вьтолнено в виде одномерной периодической решетки, нанесенной на плоскопараллельную пластину 6 из диэлектрика, прозрачного для излучения накачки, например из BaF , которая в данном варианте служит герметичной перегородкой между газоразрядной трубкой 1 и кюветой 2. Зеркало связи 5 установлено на кольцевом пьезокорректоре 7 с возможностью ориентации образующих решетки параллельно или перпендикулярно штрихам эшелетта 3. Оно установлено на сильфоны 8, соединенные с газоразрядной трубкой 1 и с кюветой 2, и может перемещаться вдоль оси резонатора с помощью микрометрических винтов (на фиг.1 не показаны). Период i решетки определяется из соотношения 0, Выбор периода С, в указанном интервале значений обеспечивает высокий коэффициент отражения для хенерируемого СММ излучения с поляризацией, параллельной образующим решетки, и прозрачность для излучения на качки с поляризацией, параллельной или перпендикулярной этим образующим Верхний предел Ер обусловлен требованием высокодобротного СММ резонатора с максимально высоким коэффициентом отражения для зеркала связи с соответствующим минимальным коэффи циентом пропускания. Подходящим для достижения поставленных целей будет зеркало связи с коэффициентом пропу кания на СММ менее 1%, Эксперимен56тально установлено, что при периоде одномерной металлической решетки 6 Д /10, коэффициент пропускания ее для СММ волны с поляризацией, параллельной образующим решетки, меньше 0,01, Нижний предел периода Р, . обусловлен тем, что условие прозрачности одномерной решетки для излучения накачки с поляризацией, параллельной образующим решетки, выполняется при 0,9Лцй6р Яц ..Ширина образующих а не должна .превьшзать Л ч /2, так как потери излучения накачки растут с увеличением ширины образующих. Поэтому а /2 и чем образующие уже, тем будут меньше потери. Для излучения накачки с поляризацией, перпендикулярной образующим решетки, дополнительных условий для выбора периода нет, Зер кало 4, общее для СММ и оптического резонаторов в данном варианте лазера выполнено из прозрачного для генерируемого излучения материала, например из кристаллического кварца с кольцевым металлическим покрытием 9, например из золота. Такое зеркало является непрозрачным для излучения накачки и частично прозрачным для генерируемого излучения. Вариант лазера, показанный на фиг,2, отличается от описанного выше тем, что он содержит дополнительную одномерную металлическую решетку 10, установленную на кольцевом пьезокорректоре 11 внутри СММ резонатора. Эта решетка 10 и зеркало связи 5 установлены на сильфоны 8, соединяющиеся с кюветой 2, и могут перемещаться вдоль оси резонатора с помощью микрометрических винтов (на фиг.2 не показаны), Период to расположения образующих дополнительной решетки 10 выбран из условия 0,9Яц t Р и Я, , а сами образующие ориентированы перпендикулярно штрихам эшелетта 3, 06pa3y jmjie решетки зеркала связи 5 в этом варианте ориентированы параллельно штрихам эшелетта 3. Роль герметичной перегородки между газоразрядной трубкой 1 и кюветой 2 вместо плоскопараллельной пластины из BaF2 вьтолняет перегородка 12 из материала, прозрачного для излучения накачки, например, из GaAs, расположенная под углом Брюстера к оси СММ резонатора. Зеркало 4, общее для СММ и оптического 7 резонаторов, выполнено из диэлектри ка, прозрачного для генерируемого излучения, например из GaAs, с нанесенным на его поверхность отражаю щим покрытием для излучения накачки и двзгмерной периодической металлической решеткой 13. Отражающее по рытие может быть выполнено в виде интерференционного многослойного покрытия из MgFj и ZnS. Периоды S, и 2 расположения образующих двумер ной рещетки 13 определяются из условий е,,44, где Л и - длины волны генерируемого излучения, поляризованного параллельно образующим решетки, ори ентированным соответственно перпендикулярно и параллельно щтрихам эше летта 3; Т, и Т - коэффициенты пропус кания этой решетки на длине волны, соответственно Д и . Указанно соотношение между параметрами решет ки и длиной волны является эмпирическим. Оно было получено при экспе риментальном исследовании двумерных гальванических решеток с периодом 1 170 мкм в диапазоне длин волн 300700 мкм. Полученные при этом значения коэффициента пропускания состав ляли 0,02-0,2, что с удовлетворитель ной точностью согласуется с упомянутым соотношением.,Пропускание двумерной решетки зеркала 4 оптимизируется по выходной мощности излуче.ния для каждой конкретной волны и путем выбора периодов решетки Е, и 2 в зависимости от параметров рабочего вещества: коэффициента усиления СММ излучения для слабого сигнала, коэффициента поглощения и мощности насыщения излучения накачки. Дпя интенсивных СММ линий, какими, например, являются 118,83 мкм в CHjOH и 393,63 мкм в НСООН, Т 0,10,2. Дпя большинства менее интенсивных лазерных линий, например с 1 м оптимальный коэффициент пропускания не превьш1ает величины Т 0,01-0,02 Аналогичное зеркало 4 целесообразно использовать и в варианте лазера, по казанного на фиг.1. Лазер, показанный на фиг.1, работает следуюпщм образом. В газоразрядной трубке 1, заполненной СО, возбуждается разряд. На058правление вектора поляризации возбуждаемого оптического излучения накачки определяется ориентацией штрихов эшелетта 3. Эшелетт 3 работает в первом порядке, для которого максимальный коэффициент отражения соответствует поляризации излучения перпендикулярно штрихам. Поэтому электрический вектор поля накачки всегда ориентирован перпендикулярно штрихам эшелетта 3. При этом поляризация колебаний генерируемого излучения устанавливается параллельно или перпендикулярно этому вектору в соответствии с правилами дипольных переходов. Образующие решетки зеркала связи 5 ориентируют параллельно поляризации колебаний генерируемого излучения, что соответствует их ориентации параллельно или перпендикулярно штрихам эшелетта 3. Оптическое излучение свободно проходит через одномерную решетку зеркала связи 5, период 6 которой выбран в указанном выше интервале в зависимости от поляризации этого излучения, и попадает на зеркало 4, образующее оптический резонатор с эшелеттом 3. Вращая эшелетт 3 вокруг оси, совпадающей с его плоскостью и перпендикулярной оси резонатора, на- . страивают его на выбранную волну ц, Оптическое излучение, поглощаемое на вращательно-колебательных переходах активного вещества, заполняющего кювету 2, приводит к возникновению СММ излучения. С помощью микрометрического винта устанавливают зеркало свя.зи 5 на расстоянии L от зеркала 4 кратном 9i/2, где X - выбранная длина волны генерируемого излучения. СММ излучение отражается от решетки зеркала связи 5, т.е. ориентация ее образующих и период выбраны из услоВИЯ минимального пропускания для генерируемого излучения, попадает на частично прозрачное для этого излучения зеркало 4 и также отражается от него. В результате многократного прохождения СММ излучения через объем активного вещества, заполняющего кювету 2, происходят усиление и генерацияизлучения на длине волны, определяемой положением зеркала связи 5, т.е. длиной L СММ резонатора. Часть генерируемого излучения вьшодится через центральную часть зеркала 4. Перестройка СММ лазера по

лиинам волн осуществляется изменением угла наклона эшелетта 3 относительно оси оптического резонатора и перемещением зеркала связи 5 вдоль оси СММ резонатора.

Рассмотрим работу конкретного лазера, в котором в качестве активного вещества, заполняющего кювету 2, используется двуокись серы, в качестве лазера накачки - лазер , оптический резонатор которого образован эшелеттом 3 с числом штрихов 150 мм , углом блеска 45 и сферическим зеркалом 4, а СММ резонатор образован тем же зеркалом 4 и зеркалом связи 5 с периодом расположения образующих решетки (, 9 мкм. Обычно COj-лазер работает в диапазоне 9,15-11,00 мкм. Вращая эшелетт 3 вокруг оси, совпадающей с его плоскостью, устанавливают угол падения излучения на эшелетт 44 16 При зтом COj-лазер будет работать на линии R 14 полосы О с Л 9,305 мкм. Кювету СММ резонатора заполняем до 20-50 Па двуокисью серы, на которой при накачке линией R 14 СО -лазера в СММ резонаторе можно получить две волны А 208 мкм и 139,5 мкм. Ориентируем образующие зеркала связи 5 параллельно штрихам эшелетта 3, настраиваем резонатор на резонансную длину ( для волны 208 мкм и получаем на ней генерацию. После изменения ориентировки образующих решетки 5 при повороте .кольцевого пьезокорректора 7 вместе с решеткой вокруг оси резонатора и соответствующей настройки длины L получим генерацию на волне 139,5 мкм

Лазер, показанный на фиг.2, в отличие от описанного выше, позволяет осуществить независимую перестройку двух одновременно генерируемых волн 9 с взаимно перпендикулярной ориентацией. Для этого зеркало связи 5, образующие решетки которого ориентированы параллельно штрихам эшелетта 3, устанавливают на расстоянии L от зеркала 4 , удовлетворяющем резонансному условию I 1 i

I X

где т - целое число, а - m -y-j

дополнительную решетку 10, образующие которой ориентированы перпендикулярно штрихам эшелетта, устанавливаI /

ют на расстоянии L от зеркала 4,

удовлетворяющем резонансному условию Ц m ) , где Я1 - целое число. Минимальное расстояние ДЦ между зеркалом связи 5 и дополнительной решеткой 10 при п 0 может быть определено из формулы

л1

uL L -I - m ,

Л

V А

I

и ( , П 0, 1 ,2,3.

При зтом следует учесть, что чем меньше л L , тем проще изготовить юстировочный узел, позволяющий осу5 ществлять перемещение обеих решеток при сохранении их взаимной параллельности. Излучение накачки свободно проходит через брюстерное окно 12, одномерную решетку зеркала связи 5, 20 дополнительную одномерную решетку 10 и частично поглощается активным веществом, заполняющим кювету 2. При этом возникает СММ излучение на двух длинах волн А и 91 с взаимно перпендикулярной поляризацией. Излучение с длиной волны отражается от дополнительной одномерной решетки 10, тогда как излучение с длиной волны свободно проходит через эту решетку 10 и отражается от решетки зеркала связи 5 вследствие описанной выше ориентации образующих этих решеток. В результате многократного отражения

5 излучения от этих решеток и зеркала 4 в резонаторе, образованном дополнительной решеткой 10 и зеркалом 4, возникает генерация на длине волны , а в резонаторе, образованном

0 решеткой зеркала связи 5 и зеркалом 4, возникает генерация на длине волны А . Часть генерируемого излучения выводится через зеркало 4, коэффициенты пропускания которого Т

5 и 2. длин волн А и / выбраны в соответствии с описанными выше рекомендациями. Перестройка лазера на другую пару волн включает настройку эшелетта на другую волну

0 накачки, перезаполнение рабочим веществом СММ кюветы и поочередную

настройку длин резонаторов L и

I

L на соответствующие максимумы

генерации для выбранных волн.

5 Рассмотрим работу конкретного варианта этого лазера, в котором активные вещества лазера накачки и СММ лазера аналогичны описанным вы