Оптический квантовый генератор бегущей волны Советский патент 1977 года по МПК H01S3/83 

(54) ОПТИЧЕСКИЙ КВАНТОВЫЙ ГЕНЕРАТОР БЕГУЩЕЙ

Изобретение относится к обдасти квантовой электроники и может быть использовано для создания мощных ОКГ бегущей волны с кольцевым резонатором, применимых в голографии, спектроскопии и т.д.5

Известны оптические квантовые генераторы (ОКГ) бегущей волны, содержащие установпеиные в кольцевом резонаторе .активный элемент в оптический вентиль для подавления одной из двух распространяющихся в ре- ю зонаторе встречных волн.

В качестве оптических вентилей используются либо ячейки Фарадея, обладающие маг« нитооптическими свойствами (активные вентили), либо, системы зеркал, обеспечивающие is перекачку части энергии обратной волны в прямую (пассивные вентили),

Основными недостатками известных ОКГ являются низкая эффективность в ИК и суб- 20 миллиметровом диапазонах, невозможность осуществления плавной перестройки дли1иы волны генерации, необходимость применения мощных полей и их синхронизации с импульсной схемой накачки,25

ВОЛНЫ

С целью устранения этих недостатков в предлагаемом ОКГ бегущей волны один иа отражателей кольцевого резонатора выполнен в виде дифракционной решетки, которая одновременно является оптическим вентилем и селектором частоты. Дополнительное повыш&нне эффективности подавления обратной достигается выполнением на одном из от ражатепей, вблизи оси резонатора, зоны с низким коэффициентом отражения, площадь поверхности которой значительно, например в 100-20О раз, меньше площади поперечного сечения активного элемента.

На фиг, 1 представлена схема предлагаемого оптического квантового генератора; на фиг. 2 - дифракция волны Г распространяющейся в направлении часовой стрелки; на фиг.З дифракция волны, распространякяцейся против часовой стрелки.

ОКГ бегущей волны состоит из активного элемента 1 и дисперсионного кольцевого.резонатора, образованного зеркалами 2 и 3 и отражательной дифракционной решеткой 4« Плоскость дисперсии решетки совмещена с плоскостью кольца резонатора. Для устранойия нежелательных отражений от торцов акгтивнсго .элемента 1 последние ;ср. под углом Бристера к его оси. .Зеркала нанесены на клиновых подложках, что предотвращает паразитное селектирование, связанное с., и терференцией пучков, отраженных от зеркаль вой и невапыленной поверхностей пЪдложки. В центре одного на зеркал (зеркало 2} bi ражаюшее покрытие удалено для создания зо ны с визквм коэффициентом отражения. В качестве дифракциовной решетки лучше .всего использовать ашелетт, т.е, решетку с асимметричным протешем ш1рихоВ| ковяе1:к трируюшую большую часть световой энергии в каком либо избранном высолсом псфядке дли фракции Возможвость использования да рашшоннсй решетки в качестве оптического вектила обу словлева зависвмостью ее свойства от ваг.праалваня раепростраиёвия вопнвГр 15Ш1ТОрё, В 4acTH(ibTBjjny40K, распростравяюпшйся в одиу стороуу (например по часовой стрелке) под действием, решетки уменьшается в сече ВИИ (см.фиг.2), в пучок, распрос1равяюши ся в «противоположном ваправлениИ| - увел чвввбтся в сечении (см.фег.З). Это означает, что волна, бегущая.в кольцевом резонаторе слева нш1раво«| с каждым проходом ежи мается в объ&ыв-, в то время как встречная волна занимает все больший объем. Соотношение сечений пучков, расположеввых сорт ветственно слева и справа от нормали к поверхности решетки, равно g , COSU А cos/3 где ot- и -соответственно угол падения и уго дифракции на фиг. 2 и угол дифракции и угоо падения на г, 3, При этом для волны, сечение которой уменьшается, угловая дисперсия, т.е. расходимость пучка, больше в 9° pfuj. Кроме того, ;можно, выбрать такие углы падения и дифракции, что коэф(|я1циевт отражения от решетки для одной из дифрагируюших волн в направлении другой будет в&лик, а коэффициент отражения второй волны в направлении первой будет близок к нулю, В частности, для дифракционных решеток с 6ОО штр/мм, рассчитанных на работу в первом и втором порядке дифракции, оптимальные углы падения и дифракции oi, .сос тавпяют; соответственно О . 22 . и 35 . ( 570 для длиьш волны 6328 А.. Предлагаемый оптический квантовый генератор бегущей БСШНЫ работаех следующим образом, ре возникают бегущие навстречу друг другу волны, В силу отмеченных выше свойств решетки, волна, бегущая по часовой стрелке, уменьшается в сечении, структура ее становится менее однородной, она испытывает боль iiiyid дасперсию и имеет большую расходи мость.Кроме того, коэффициент отражения от решетки в направлении этой волны равен нулю, поэтому встречная волна ие дает в нее никакого вклада. Волна, бегущая против часовой стрелки, увеличивается в сечении, структура ее более однородна (значит генерируются преимущественно моды нижайшего поперечного индекса), она испытывает мень шую дисперсию и имеет меньшую расходинмость,КЬэффициент ;отражёния от решетки в ваправлении этой волны велик, поэтому зва чительная часть энергии встречной волны бу дет в нее перекачиваться,. Таким образом, волна, распространякнцаяся против часовой; стрелки в схеме (фиг.1), будет подавлять встречную волну, , Следовательно, волна, распростравякяцаяся против часовой стрелки, является прямой, а волна, распространяюШаясй до часовой стрелке, - обратной. Дополнительное подавление обратной волны обеспечивается наличием на зеркале 2 зоны с низким коэф4я1циентом отражения, так как обратная волна, сечевие которой все вр&мя уменьшается, будет испытывать все возрастающие потери и, наконец, когда сечение обратной волны сравнится или станет меш ше плоишди неотражающей части зеркала, потерн для нее будут максимальны, Плоишдь поверхности неотражающей зовы должна быть значительно меюаше сечения- ак тивного элемента (в противном случав будут велики энергетические потери), |Для наиболее распространенного случая, когда сечение ди фрагировавшего-пучка изменяется в 1,5-3 раза, эмпирическое соотнмиение таково:.отражающее покрытие должно бытьудалено с площади, во столько раз меньшей поперечного сечения активного элемента, во сколько раз сечение пучка прямой волны превышает сечение пучка обратной волны через два-три прохода по кольцу. Так, например, для обра&ца с площадью поперечного сечения 10О-2ОО м необходимо удалить покрытие плошади е« 1 мм .Эффективность подавления :будётнаиболее высокой для цилиндрических образцов, фокусирующих свет накачки к оси, так как в этом случае, как правило, retiepauHH начинается в узком канале на оси образца и увеличивается в объеме с накачкой. Обратная вагена будет полностью подавлена практически за один проход, и влияние прямой волнь1 бует преобладающим, поэтому предл(гаемое

импульсных квантовых генераторах и в лазерах, использующих для накачки мощные ко роткие импульсы вынужденного излучения Гнапример|. в лазерах на растворах органичео кйх красителей),

Дисперсионные свойства аяфр&кюлонкоЛ р«н шетки не позволяют произойти расщеплению частоты генерации сред с неоднородно уширенными полосами, люминесценции (так xafi полуширина кривой зависимости добротности дисперсионного резонатора от частоты мень ше величины спектрального расщепления, соотавл аошё1;о,. Mejgj лля , актедкн;

рованных V4 О 20-30 см ),,Поэтому: Одномодовый режи генерации осуществляем. Ья как для спектрально . однородных, так я для спектрально неоднородных активных. сред

Простым угловым поворотом зеркал (или решетки) в плоскости дисперсии можно взмв нять частоту генерации,, Таким образом, режим бегущей волны сочетается с плавкой перестройкой частоты.

Вывод излучения из дисперсноныого коль- цевого резонатора С дифракционной решеткой удобно осуществить через наиболее интенсивные нерабочие поргядкй дифракции (см. фиг. 1) в направлении,, которое не связано с гене рацией, обратной волны.

Предложенный ОКГ бегущей волны конструктивно ; значительно проще известных, он обладает высокой эффективностью при работе в длинноволновой части спектра и обеспечи-

isaeT высокую скорость установления режима бегущей волны.

Формула изобретения

1.Оптический квантовый генератор беог-у ей волны. Ьодержашвй активный элемент, Кольцевой резонатор и оптический вентиль, :отл ичающийся тем, что, с целью увеличения эффективности подавления o6pei ной волны в широком спектральном диапазоне и сочетания режима бегущей волны с не рестройкой частоты генерации, один из отра жателей резонатору выполнен в Ёиде ди(|ра& ционвой решаткв,

2.Генератор по П.1, отличающ я ft с,я тем,что на из отражателей вб빫

зи оси резонатора выполнена зона с пониженным коэффициентом отражения, площадь поверхности которой, например, в раз меньше площади поперечного сечения ш тивного вещества.

ф1/г. /

Фиг 2

Фиг.З