БИБЛИОТЕКА I Советский патент 1972 года по МПК H01S3/11 

Г1

Изобретение относится -к области оптической квантовой электроники может быть использовано в наземной и космической связи, .локации, лазерном телевидении, .нелинейной .оптике, ./физике высокотемпературно-й .плазмы :и .при исследованиях вещества с помощью ..сверхкоротких световых им.пульсов.

Известны оптические квантовые генераторы |(ОКГ) с модулированным выходным излуче:нием и .устройства, служащие для амплитуд:нойИ частотной модул-яции. .При этом частот.ная модуляция ,{ЧМ) излучения, обеспечива:ющая наиболее высокое качество передачи шнформаций ;и .помехоустойчивость, в настоящее ;вр1ем.я осуществлена лищь для газовых ЮЮГ. Однако газовые ЧМ-источники, как правило, имеют низкую выходную мощность, а величина девиации частоты Д/ не превыщает щага дискретности аксиальных мод оптического резонатора (Д/ ;100-200 мгц).

Известны способы перестройки частоты генерации наиболее мощных современных ОКГ: твердотельных и жидкостных. Из них наиболее простым и эф.фективным является применение дисперсионных резонаторов. Такие резонаторы служат для статической перестройки частоты, либо для относительно медленного сканирования частоты в процессе генерации. Известно также, что в режиме самосинхрониза.ции мод возможна генерация пикосекундных световых импульсов, длительность которых обратно пропорциональна щирине спектра генерации Avr.

В известных ОКГ, генерирующих короткие световые импульсы, имеет место малая величина Avr (для рубина, например а для стекол, активированных неодимом, см. Кроме того, длительность импульсов ограничены инерционностью пассивных затворов, служащих для модуляции добротности резонатора.

В предлагаемом ОКГ осуществление режима широкодиапазонной частотой модуляции

лазеров на активированных конденсированных средах и .дальнейшее сокращение длительности сверхкоротких световых импульсов достигается за счет введения в дисперсионный оптический резонатор устройства, которое отклоняет пучок излучения в плоскости дисперсии с частотой, о.пределяемой источником питания - модулятором и связанной следующим соотно.щением с размерами резонатора:

f

2L

калыюм резонаторе, либо половина оптической длины кольцевого резонатора.

Полученное ЧМ-излучение преобразовывается в серию сверхкоротких импульсов с помощью внешнего дисперсионного сжимающего устройства. Большая девиация частоты и отс лгствие пассивного затвора предопределяют малую длительность сжатых м-пульсов.

На фиг. 1 представлена схема ОКГ с двухзеркальным резонатором; на фиг, 2 - схема ОКГ с кольцевым резонатором; на фиг. 3 показано положение пучка, соответствующее генерации частоты vi; на фиг. 4 - положение пучка, соответствующее генерации частоты V2.

ОКГ (см. фиг. 1 и 2) состоит из активного тела 1, оптического резонатора, образованного зеркалами 2, дисперсионного элемента 3 и отклоняющего устройства 4, расположенного в резонаторе и соединенного с источником 5 питания. Одно из зеркал резонатора выполнено полупрозрачным-..(выходное зеркало); за ним .помещено внотнеё дисперсионное устройство 5, сжимающее ЧМ-сигналы 7. На выходе этого устройства получают сверхкороткие световые нм-пульсы 8.

В случае линейного резонатора (см. фиг. 1) отклоняющее устройство 4 расположено на таком расстоянии от зеркал, что оптическая длина .пути от каждого зеркала до устройства 4 соответственно равна.

В случае кольцевого резонатора (см. фиг. 2) местоположение отклоняющего устройства может быть произвольным, а на выходе одновременно может быть получены ЧМ-излучение и сверхкороткие импульсы.

В качестве активного тела 1 используют любые лазерные материалы, генерирующие в обычном оптическом резонаторе. Ими могут быть, в частности, активированные кристаллы, стекла, органические красители, замороженные газы и т. п.

Зеркалами 2 являются стандартные отражатели оптических резонаторов ОКГ. Вместо них могут -быть использованы также призмы полного или частичного внутреннего отражения. Дисперсионным элементом 3 являются дисперсионные призмы, интерферометры, дифракционные решетки (в том числе и голографические) и т. д., т. е. устройства, осущеставляющие пространственное разложение спектра излучения активного тела.

Отклоняющими устройствами 4 могут быть, например электро- или магнитооптические системы пространственного отклонения (сканирования) пучка. Закон отклонения задается источником 5 питания. В простейшем случае им является источник синусоидального или пилообразного напряжения, выход которого соединен с отклоняющим устройство.м 4.

Замети.м, что элементы 3 и 4 в принципе могут -быть объединены, т. е. отклоняющее устройство может одновременно играть роль дисперсионного элемента.

двух дифракционных решеток, либо другое внешнее дисперсионное устройство с подходящей характеристикой дисперсии.

При выключенном источнике 5 питания (или при постоянной величине питающего напряжения) в дисперсионном оптическом резонаторе возникает генерация на той частоте, излучение которой нормально .к обоим зеркалам (см. фиг. 1). В случае кольцевого резонатора излучение происходит на частоте, соответствующей направлению оси резонатора.

Поскольку устройство 4 может отклонять пучок в плоскости дисперсии, изменение амплитуды модулирующего напряжения источника 5 питания приводит к изменению частоты генерации (см. фиг. 3 и 4). При этом возможна как статическая перестройка частоты в паузах между генерационными .вспышками, так и динамическая - в процессе генерации. В последнем случае с повышением скорости перестройки (т. е. скорости отклонения пучка в плоскости дисперсии резонатора) условия геиерадии ухудшаются, так как формирование лавины фотонов каждого «цвета происходит за более короткое время. При этом спектр геиерадии все более сужается. В результате генерации становится неперестраиваемой и в принципе должна сорваться.

Однако можпо осуществить режим, при котором развитие генерации на всех возможных для дашюго активного тела частотах будет происходить в условиях, не отличающихся от неперестраиваемого дисперсионного резонатора. Такой режим реализуется при пространственном сканировании разложенного в спектр пучка с периодом, равным времени пролета фотона по оптическому резонатору.

Представим, что отклонение пучка происходит по пилообразному закону, а фиг. 3 и 4 иллюстрируют две фазы пилы, соответствующие двум, значениям амплитуды выхода мо/7дулятора. Нетрудно видеть, что при

Lt

отклоняющее устройство встречает отраженные от зеркал пучки фотонов данного «цвета всегда в одной и той же фазе. Таким образом, фотоны каждой частоты могут испытывать многократные отражения от зеркал без потерь на разъюстировку. Следовательно, генерадия будет происходить последовательно на всех собственных частотах резонатора, заключенных внутри полосы люминесценции активного тела, причем добротность всех этих частот определяется только контуром полосы люминесценции. ОКГ работает следующим образом.

С помощью источника накачки (любого типа) активное тело У переводится в возбужденное состояние. Его излучение раскладывается в спектр дисперсионным элементом, а устройство пространственного отклонения пучка делает резонатор настроенным последовательно на различные частоты внутри полосы излучения. Это приводит к модуляции

2L

частоты генерации с периодом .

Диапазон перестройки частоты в каждом цикле (девиадия частоты) определяются шириной полосы люминесценции активного тела и уровнем накачки. ЧМ-излучение может быть непосредственно выведено из резонатора или через устройство оптического сжатия ЧМ импульсов. В последнем случае длительность сжатых импульсов определяется только величиной девиации частоты. Оценки показывают, что, с помощью предлагаемого устройства, на современных лазерных материалах возможно получение рекордно коротких световых импульсов 10-14 се/с.

Поскольку в описанном режиме не происходит потерь энергии, можно вычислить пиковую мощность каждого импульса.

Пусть 100 дж, а общая длительность генерации мсек. Тогда, если время пролета по резонатору равно 10 нсек, общее количество импульсов равно , т. е. 10 Энергия в каждом импульсе 10- дж. Следовательно, пиковая мощность дж/ 10-1 ВТ.

Предмет изобретения

1. Оптический кваптовый генератор, содержащий оптический резонатор, активное тело

и дисперсионный элемент, отличающийся тем, что, с целью осуществления частотной модуляции выходного сигнала и получения сверхкоротких световых импульсов, в оптическом резонаторе установлено устройство прострапственного отклонения луча, например электрооптическое отклоняющее устройство, соединенное с источником модулирующего напряжения, например пилообразного, у которого период модуляции равен времени однократного пролета фотона по резонатору, а за выходным зеркалом установлено устройство оптического сжатия импульсов во времени.

2.Оптический квантовый генератор по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повыщения

величииы девиации частоты в линейном резонаторе, устройство пространственного отклонения луча установлено в резонаторе таким образом, что оптическая длина пути от каждого зеркала до устройства прострапственного отклонения луча соответственно равны.

3.Оптический квантовый генератор по п. 1, отличающийся тем, что устройство пространственного отклонения луча совмещено с зеркалом резонатора.