Способ модуляции излучения лазера Советский патент 1990 года по МПК H01S3/10 

t

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано для получения импульсно-периодического излучения с управляемыми параметрами для систем оптической локации, передачи информации и для физических исследований. Цель изобретения - получение стабильной последовательности импульсов в условиях механических и электромагнитных помех, управление периодом следования импульсов и расширение диапазона управления периодом следования и длительностью импульсов. Для получения стабильной последовательности импульсов в условиях механических и электромагнитных помех используется способ модуляции излучения лазера, заключающийся в пропускании пучка излучения лазера через среду, размещенную в кювете 4 и обладающую линейным поглощением, не вызывающим срыва генерации, и имеющую значение термооптической константы ( @ N/ @ T)_V меньшим значения ( @ N/ @ T)_P. Для управления периодом следования импульсов изменяют мощность накачки лазера. С целью расширения диапазона управления периодом следования и управления длительностью импульсов перед пропусканием излучения через среду изменяют сечение пучка с помощью оптической системы 3 с управляемой телескопичностью, при этом среду перемещают перпендикулярно оптической оси резонатора со скоростью, меньшей скорости звука в среде. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

т

Фг/2./

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано для получения импульсно-периодическо- го излучения с управляемыми параметра ми для систем оптической локации, передачи информации и для физических исследований.

Цель изобретения - получение стабильной последовательности импульсов в условиях механических и электромагнитных помех, управление периодом следования импульсов и расширение диапазона управления периодом следования и длительностью импульсов.

На фиг.1 приведена схема лазера; на фиг02 - осциллограмма генерации лазера

На схеме представлены зеркала 1 резонатора, активная среда 2, опти- ческая система 3 кювета 4 с поглощающей средой.

Способ модуляции излучения лазера осуществляется следующим образом.

Пучок излучения лазера пропускают через поглощающую среду, размещенную в резонаторе, среду выбирают со значением термооптической константы

,3пч/эги

(Q)V меньшим (ду)р , и с линейным

поглощением, не вызывающим срыва генерации, среду перемещают поперек оптической оси резонатора со скоростью, меньшей скорости звука в среде, а добротность резонатора и попереч- ный размер пучка генерации в среде изменяют с помощью оптической системы, расположенной в резонаторе, накачку лазера осуществляют непрерывным или квазинепрерывным образом.

При возникновении генерации и возрастании интенсивности поля в резонаторе лазера часть энергии излучения, заключенного в резонаторе, поглощается в кювете, наполненной жидкой или газообразной средой. Разогрев среды в канале генерации приводит к изменению ее показателя преломления. Поскольку распределение интенсивности по сечению пучка неравномерное, то в среде образуется линза. Однако в жидкой и газообразной средах изменение показателя преломления при нагреве, но неизменном объеме (т.е.

(т)„) весьма малая величина и оптисТ v

ческая сила образующейся линзы пренебрежимо малая величина. Когда же

нагрев среды приводит к выравниванию давления, т.е. перераспределению плотности среды, то начинает сказы-

,ЭПч

ваться () D для жидкостей и газов

3) г

на несколько порядков большая величина, чем (В)«- В этом случае линза

|о 1

оказывается сильной и приводит к нарушению устойчивости резонатора и срыву генерации. Время выравнивания давления определяется временем пробега звука через поперечное сечение пучка. По прошествии этого времени линза становится сильной. Следовательно, в течение времени, меньше указанного, потери резонатора лазера будут неизменными и будет излучаться импуль в резонаторе максимальной добротности т.е. с максимальным КПД. Когда же образующаяся линза станет сильной, то произойдет срыв генерации и импульс окончится.

Таким образом, принципиальным отличием предлагаемого способа от известных решений является наличие в системе отрицательной обратной связи. При достижении определенной мощности генерации потери возрастают до величины при которой наступает срыв генерации, при этом импульсы излучения оказываются нормированы по амплитуде независимо от уровня пороговых потерь. Длительность оптического импульса зависит от скорости звука в -поглощающей среде, величины поглощения и сечения пучка (т.е. от факторов, определяющих время формирования и оптическую силу линзы) и от конкретной конфигурации резонатора. Например, при наличии некоторой положительной линзы в резонаторе (лазер на гранате) возникающая отрицательная линза в поглощающей среде вначале уменьшает потери, компенсируя действие положительной линзы, а затем вновь увеличивает их, когда ее оптическая сила становится больше оптической силы положительной линзы. Это приводит к увеличению длительности импульса излучения по сравнению со случаем отсутствия положительной линзы. После прекращения действия излучения линза в поглощающей среде исчезает за время, зависящее от температуропроводимости среды, диаметра линзы, т.е. диаметра создавшего ее пучка, и ее оптической силы. Прсле

возвращения резонатора к конфигурации близкой к исходной, добротность вновь увеличивается и генерация возникает снова, процесс повторяется и формируется следующий импульс генерации. Поскольку величина наводимых потерь определяется энергией импульса генерации, которая стабильна по величине, а скорость уменьшения потерь при рассасывании тепловой линзы в среде постоянна, то период им.пульсов генерации оказывается также стабильным. В промежутках между импульсами в активной среде накапливается инверсия и усиление в системе в6зрастает„

Таким образом, периодический характер генерации согласно предлагаемому способу осуществляется благодаря задержке появления потерь по отношению к излучаемому в резонаторе импульсу. Управление временем задержки скоростями нарастания и спада потерь позволяет управлять периодом следования и длительностью импульсов генерации.

Ускорить процесс восстановления добротности резонатора можно, двигая поглощающую среду поперек оси резонатора, т.е. сдвигая линзу из канала генерации. При изменении сечения пучка в поглощающей среде с помощью линзы или телескопа изменяется время возникновения линзы и время ее исчезновения. На эти параметры можно также влиять, изменяя добротность резонато- ра, например, изменяя мощность накачки активной среды, что приводит к изменению мощности излучения в резонаторе и, следовательно, величины наводимых потерь, что ,в свою очередь, приводит к изменению периода следования импульсов. Известно, что частота пульсаций Q0 переходного колебательного процесса при работе импульсного твердотельного лазера зависит от .мощности накачки W:

SI.

Jo(w-i) W2

4

Поскольку ,/T - отношение времени жизни Т возбужденных центров на верхнем уровне к времени жизни ТР фотонов в резонаторе составляет величину 105, a W в единицах пороговой мощности накачки может составлять несколько единиц, то

- Йв Vw-1.

Поскольку приведенная закономерность по сути определяет частоту пов0

5

0

,

5

0

0

5

0

5

торения импульсов, связанную со скоростью изменения усиления независимо от природы и уровня пороговых потерь, то полученное выражение правильно отражает характер изменения частоты пульсаций и для описываемого решения. Согласно предлагаемому способу при введении отрицательной обратной связи время уменьшения потерь в промежутке между импульсами определяется временем рассасывания тепловой линзы в среде и зависит от теплопроводности среды и размеров линзы (т.е. от сечения пучка). Поэтому при постоянном сечении пучка частота пульсаций увеличивается с ростом мощности накачки. Поскольку в реальных экспериментальных условиях диапазон изменения мощности накачки составляет примерно О . W-1 : 10, то частоту пульсаций при изменении W можно изменять в пределах 2-3 раз.

Добротность резонатора можно изменить, например, при изменении коэффициента отражения выходного зеркала или при помощи плоскопараллельной пластинки, установленной в резонаторе и выводящей часть излучения в сторону от кюветы с поглощающей средой. При повороте пластины величина отра- женной энергии изменяется, что приводит к изменению периода следования импульсов.

Изменяя параметры поглощающей среды, можно влиять на скорость звука и температуропроводность среды и таким образом управлять параметрами излучения. Для газообразной среды легко менять давление в кювете, для жидкости - изменять состав. Например, для лазеров, работающих в области мкм, можно использовать смесь спирта с водой в различных пропорциях. В этом случае для управления длительностью и периодом импульсов нет необходимо сти изменять конфигурацию резонатора, что упрощает процесс управления параметрами генерации. Поскольку кювета с поглощающей средой выполняется с плоскопараллельными стенкг.ми, то разъюстировка кюветы во время работы лазера даже на несколько градусов приводит к небольшому изменению положения пучка лазера, но не влияет на глубину модуляции или временные параметры излучения, т.е. система не подвержена влиянию со стороны механических вибраций. Поскольку период следования и длительность импульсов задаются соотношением характерных времен рядсз нестационарных процессов, протекающих в лазере (а не с помошыо внешней электронной аппаратуры) , то система не подвержена воздействию электромагнитных помех в виде ВЧ, СВЧ или радиационных полей.

Пример. Лазер на ИАГ : Nd3 с непрерывной накачкой. В резонатор лазера помещается кювета с этиловым спиртом, имекщим коэффициент поглощения 0,15 на длине волны ,06 мкм Спирт прокачивается через кювету со скоростью 055 м/с с помощью насоса. В резонаторе расположена оптическая система - телескоп, в качестве одной из линз которого используется термическая линза в активной среде. Кювета с этиловым спиртом имеет толщину 3 мм. Изменение сечения пучка в области кюветы достигается при изменении уровня накачки и положения второй линзы. Поскольку фокус термической линзы изменяется как (WH)1 (Ww - мощность накачки), то сечение пучка в кювете изменяется как W|j. Учитывая, что мощность генерации , а площадь сечения S пучка пропорциональна W2, то плотность мощности, поглощаемая

в кювете, Р гт|(Мн) 1 . Таким обра- н

зом, при увеличении линейных размеров линзы, что увеличивает время ее возникновения, плотность поглощаемой мощности, а значит, и оптическая сила линзы уменьшаются, что также увеличивает время ее накопления до момента прекращения генерации. Одновременное действие обоих факторов приводит к

увеличению длительности импульсов.

При вариации мощности накачки на активной среде в пределах 1,5 кВт фокусное расстояние термической линзы изменяется в пределах 110-30 см. Использование в качестве второй линзы объектива с переменным фокусным расстоянием f типа Гратин-11 (8 см f 20 см) позволяет изменять коэффициент телескопичности от 14 до 1,5, т.е. сечение в области кюветы изменяется почти в 10 раз,- что позволяет управлять длительностью импульсов генерации в пределах 1-7 мкс и периодом следования 12-600 мкс. Осцило- грамма генерации в лазере на ИАГ: :ШЭ , приведенная на фиг.2, снята

0 $ 0 5

0

5

0

5

0

5

при мощности накачки 2,5 кВт и фокус- хном расстоянии линзы 20 см.

Пример 2. В резонаторе лазера устанавливается плоскопарал- лельнзя германиевая кювета, через которую прокачиваются пары воды. Величиной поглощения управляют при изменении давления паров. При коэффициенте поглощения 0,5 в кювете толщиной 1 мм величина поглощаемой мощности составляет около 5%. Мощность излучения внутри резонатора (лазер типа ЛГ-22) достигает величины 100 Вт, и в кювете рассеивается около 5 Вт, что обеспечивает средний нагрев паров на 100 120°С. Наличие пульсирующей линзы обеспечивает генерацию периодического импульсного излучения. Телескоп, упрэвпякщий величиной сечения пучка в кювете с парами воды, выполняется из двух германиевых линз с просветляющими покрытиями на длине волны 10,6 мкм. Скважность импульсов излучения изменяется в пределах 10- 20. Импульсная мощность возрастает по сравнению с мощностью непрерывного излучения и достигает 1 кВт. Формула изобретения

что, с целью получения стабильной последовательности импульсов в условии механических и электромагнитных помех, пучок излучеьия пропускают через среду с линейным поглощением, не вызывающим срыва генерации, и обладающую значением термооптической констан/Зпл,эп,

ты (z,, меньшим значения (.-- .

Фб/2.2