ЛАЗЕР Советский патент 1995 года по МПК H01S3/02 

Изобретение относится к приборам квантовой электроники, в частности, к оптическим передающим устройствам с управлением положения оси диаграммы направленности излучения и может использоваться в активных системах локации с электронным сканированием луча передатчика и с когерентным приемом оптического сигнала.

Целью изобретения является повышение стабильности оптической частоты и увеличение мощности излучения.

Положительный эффект достигается в предлагаемом устройстве за счет того, что задающий генератор, образованный частью активной среды, заключенной внутри открытого резонатора, осуществляет генерацию стабилизированного по частоте одномодового излучения, которое преобразуется формирователем пространственных мод в многомодовое и поступает в линзовый волновод бегущей волны, содержащий другую часть активной среды, выполняющий функцию усиления лазерного излучения задающего генератора, при этом обеспечивается включение усиления только на выбранной воде, а на участок зеркала с управляемым коэффициентом отражения, соответствующий выбранной моде, падает излучение, соизмеримое с выходной мощностью излучения устройства. Другими слоями, плотность мощности излучения, падающего на участок с управляемым коэффициентом отражения, в предлагаемом устройстве в 1/1-R_m раз меньше, чем в прототипе (при одинаковой выходной мощности обоих устройств). В результате открывается принципиальная возможность получать в предлагаемом устройстве выходную мощность в 1/1-R_m раз большую, чем в прототипе; (R_m коэфф. отражения выходного зеркала резонатора).

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлен вариант конструкции предлагаемого устройства.

Лазер содержит кювету 1 длиной L плоское частично-прозрачное зеркало 2, являющееся выходом открытого резонатора, и с помощью вспомогательных зеркал 3 и 4 оптически сопряженное с формирователем пространственных мод, выполненным в виде непрозрачной пластины 5 с М отверстиями, каждое из которых имеет площадь S_отвπ /4(d/λf)² (равную площади одной моды), установленной в фокусе линзы 6 с фокусным расстоянием f. Формирователь пространственных мод размещен на входе линзового волновода бегущей волны, состоящего из первого 7 и второго 8 сферических зеркал одинакового радиуса кривизны r24, а также сферического зеркала 9 того же радиуса кривизны с электронным управлением коэффициентом отражения каждой точки его отражающей поверхности, размещенного в отверстии, выполненном во втором сферическом зеркале 8; фокус первого сферического зеркала 7 находится на отражающей поверхности зеркала с управляемым коэффициентом отражения 9, фокус которого, как и фокус второго сферического зеркала 8, находится на отражающей поверхности первого сферического зеркала 7. Плоский отражатель 10, размещенный на расстоянии L r/2 от частично-прозрачного зеркала 2, формирует открытый резонатор, в котором размещена другая часть активной среды. Зеркало с управляемым коэффициентом отражения 9 находится внутри электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) и представляет собой пленку двуокиси ванадия, нанесенную на германиевую подложку. На зеркалах 7, 8, 9, образующих линзовый волновод, цифрами (начиная с 12) обозначены световые зоны области пересечения лучей, проходящих через волновод, с отражающими поверхностями зеркал. После усиления излучение покидает устройство через выходное отверстие 11.

Устройство работает следующим образом.

Задающий квантовый генератор, образованный частью активной среды, заключенной между плоскими зеркалами 2 и 10 открытого резонатора (Фабри-Перо), осуществляет генерацию стабилизированного по частоте одномодового излучения. Выходящее из генератора через частично-прозрачное зеркало 2 излучение направляется зеркалами 3 и 4 на формирователь пространственных мод, преобразующий одномодовое излучение задающего генератора в многомодовое. После этого излучение поступает в линзовый волновод, образованный частью активной среды, заключенной между сферическими зеркалами 7, 8, 9 в световую зону 12 на зеркале 8. Зеркалом 8 каждая из пространственных мод излучения фокусируется в световой зоне 13 на отражающей поверхности зеркала 7. Отразившись от зеркала 7, излучение заполняет световую зону 14 зеркала 8, с которого излучение направляется на зеркало 7 в световую зону 15. Зеркалом 7 каждая из пространственных мод излучения фокусируется на зеркало 9, отразившись от которого, заполняет световую зону 17 на зеркале 7. Зеркалом 7 излучение направляется на зеркало 8 и т.д. до тех пор, пока не выйдет из устройства через выходное отверстие 11. Таким образом, осуществляется многократное прохождение излучения через усиливающую среду. При этом каждая из пространственных мод фокусируется в одну и ту же точку на зеркале 9 после каждого цикла ходов оптического излучения, равного шести проходам. Другими словами, каждой пространственной моде излучения соответствует точка на зеркале с управляемым коэффициентом отражения 9, в которой отражается только луч, соответствующий этой моде. Изменяя коэффициент отражения поверхности зеркала 9, соответствующий выбранной моде, например, существенно увеличивая его по сравнению с коэффициентом отражения на остальной поверхности зеркала 9, можно увеличить интенсивность излучения, распространяющегося по оси только этой моды. Действительно, увеличив коэффициент отражения зеркала 9 в точке, соответствующей выбранной моде, путем, например, кратковременного нагрева с помощью электронного луча до температуры фазового перехода, можно на короткое время изменить коэффициент отражения в этой точке, например, с R_min 0,1 до R_max 0,4, что вполне достаточно, чтобы мощность излучения, распространяющегося по оси выбранной моды, превысила бы мощность излучения, распространяющегося в других модах, в раз, где n число ходов излучения задающего генератора в волноводе. Производя последовательное облучение точек зеркала 9, соответствующих той или иной моде, можно осуществить сканирование диаграммой направленности излучения. При этом скорость сканирования определяется теплофизическими свойствами зеркала 9, мощностью электронного луча, временем его воздействия на одну точку и по оценкам может составлять 10⁶ положений в секунду. Каждое переключение моды сопровождается случайным изменением фазы излучения при частоте переключений 10⁶/с. При этом максимальное уширение линии излучения не будет превышать 1 МГц, что является вполне приемлемым для решения большинства задач.

Выходную мощность излучения предлагаемого лазера можно приблизительно оценить с помощью следующего выражения:
P_вых= R R e^nαnP_зг где R коэффициент отражения зеркал волновода;
R_max коэффициент отражения участка зеркала с управляемым коэффициентом отражения, засвеченного электронным лучом;
L длина кюветы;
n число проходов излучения в волноводе;
α- показатель усиления активной среды;
Р_зг мощность излучения задающего генератора.

При этом плотность мощности излучения ρ₁, падающего на засвеченный электронным лучом участок зеркала 9 площадью S связана с выходной мощностью излучения лазера Р_вых.1 отношением
Р_вых.1 ρ₁S.

В то же время выходная мощность излучения лазера, принятого за прототип, Р_вых.2 и плотность мощности излучения ρ₂, падающего на зеркало 9, связаны зависимостью:
Р_вых.2 (1-R_rn) ρ₂S
Таким образом, при одинаковой тепловой нагрузке на зеркало с управляемым коэффициентом отражения в предлагаемом устройстве и в устройстве-прототипе выходная мощность излучения в лазере предлагаемой конструкции превысит выходную мощность излучения устройства-прототипа в
N раз
В принципе можно использовать для управления коэффициентом отражения не только электронный луч, но и лазерный луч, или иной вид излучения.

Использование: источник когерентного излучения относится к приборам квантовой электроники, а точнее к оптическим передающим устройствам, и предназначено для использования в активных системах локации. Сущность изобретения: в устройство, содержащее активную среду, размещенную в открытом резонаторе, введены два сферических зеркала одинакового радиуса кривизны, которые вместе с зеркалом с управляемым коэффициентом отражения каждой его точки образуют линзовый волновод бегущей волны. На входе линзового волновода установлен оптически сопряженный с выходом открытого резонатора формирователь пространственных мод. 1 ил.

ЛАЗЕР, содержащий два отражателя, один из которых выполнен в виде зеркала с возможностью управления коэффициентом отражения каждой точки его отражающей поверхности, и активную среду, размещенную в открытом резонаторе, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности оптической частоты и увеличения мощности излучения, в него введены дополнительный отражатель, оптически связанный с вторым отражателем с образованием открытого резонатора, и два сферических зеркала одинакового радиуса кривизны r, расположенные на расстоянии L r/2 друг от друга и образующие вместе с зеркалом с управляемым коэффициентом отражения, выполненным также сферическим с радиусом кривизны r, линзовый волновод бегущей волны с размещенной в нем активной средой, на входе которого установлен оптический сопряженный с выходом открытого резонатора формирователь пространственных мод, выполненный в виде линзы с диаметром d и фокусным расстоянием f, в фокусе которой размещена изготовленная из непрозрачного или лазерного излучения материала пластина с M отверстиями площадью каждое, где λ длина волны лазерного излучения, M - число положений оси диаграммы направленности, причем зеркало с управляемым коэффициентом отражения установлено в отверстии, выполненном во втором сферическом зеркале, при этом фокус первого сферического зеркала расположен на отражающей поверхности зеркала с управляемым коэффициентом отражения, фокус которого, как и фокус второго сферического зеркала, расположен на отражающей поверхности первого сферического зеркала.