Лазер с внутренней ультразвуковой модуляцией интенсивности излучения Советский патент 1979 года по МПК H01S3/10 

между частотой модуляции интенсивности и размерами активных стержней что и является первым характерным недостатком таких лазеров. Второй недостаток обусловлен тем, что использование колеблющегося активног с.тержня для модуляции излучения соз дает ряд дополнительных трудностей при закреплении его в лазерной системе и требует конструирования специальной лазерной головки, в которую, кроме активного стержня, ламп накачки и отражателя, входит ультра звуковой преобразователь. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является лазер, содержащий активную среду и два внешних зеркала оптичес кого резонатора, одно из которых за креплено на ультразвуковом преобразователе, возбуждающем колебания зеркала вдоль оси резонатора, а вто рое зеркало состоит из отражающего покрытия на подложке из оптически прозрачного материала 3. Указанный лазер по сравнению с лазерами с колеблющимся активным стержнем обладает тем преимуществом что позволяет модулировать излучени на любой частоте в диапазоне от десятка килогерц до нескольких мегаЗге независимо от размеров активного стержня. Ультразвуковая колебательная система, с помощью которой возбуждаются колебания зеркала ре-зонатора в .области частот до 100 кГц, состоит из преобразователя продольных колебаний (пьезоэлектрического пакетного, ферритового или магнитострикционного), концентратора ультр звуковой энергии и стеклянной подложки с напыленным, полностью отражающим зеркалом. Длина всей колебательной системы равна целому числу полуволн ультразвука на выбранной частоте. Для возбуждения колебаний зеркала резонатора в области частот от нескольких сотен килогерц до нескольких мегагерц используются пьез кварцевые или пьезокерамические пла тины, совершающиепродольные колеба ния по толщине на основной частоте или на ее гармониках. Возбуждение ультразвуковых колебаний одного из зеркал вдоль оси резонатора позволяет управлять моментом генерации лазера и тем самым формировать выходное -излучение в виде 1р,ёгулярной последовательности импульсов (пичков), частота следования которых строго соответствует частоте колебаний зеркал. При этом интенсивность излучения в каждом импульсе (пичке) значительно выше, чем при неподвижных зеркалах, а ее величина зависит от амплитуды ксзлебаний зеркала. Однако характер излучения в каждом импульсе (пичке) не меняется, и изменение интенсивности во времени определяется формой огибающей импульса (пичка). Отсутствие модуляции интенсивности в каждом отдельном импульсе (пичке) является недостатком всех известных лазеров, который ограничивает возможности их использования, например, в системах высокоскоростной фотографии, нелинейной оптики, лазерной локации. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства путем получения управляемого излучения в виде регулярных импульсов света с высокочастотным заполнением. Поставленная цель достигается за счет того, что подложка второго зеркала резонатора выполнена в виде устройства, возбуждающего в отражающем покрытии ультразвуковую; бегущую поверхностную волну. При этом подложка может быть выполнена из оптически прозрачного пьезоэлектрика, в средней части ее на стороне, обращенной к активной среде, нанесено отражающее покрытие, а по обе стороны от отражающего покрытия на той же поверхности, размещены система электродов, образующая совместно с пьезоэлектрической подложкой ультразвуковой преобразователь упругих поверхностных волн, и поглотитель. На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого лазера на фиг. 2 представлен эскиз второго зеркала резонатора. Устройство состоит из активной среды элемента 1, двух внайних зеркал 2 и 3 оптического резонатора, подложки 4 зеркала 2, ультразвукового преобразователя 5 продольных колебаний, концентратора 6, ультразвукового генератора 7, подложки 8 зеркала 3, которая выполнена в виде устройства, возбуждающего в отражающем покрытии ультразвуковую бегущую поверхностную волну. Подлсвкка 8 может быть выполнена из оптически прозрачного пьезоэлектрика, в средней части ее нанесено отражающее покрытие - зеркало 3, рядом с отражающим покрытием на той же стороне подложки размещена система электродов 9, образующая совместно с пьезоэлектрической подложкой 8 преобразователь лупругих поверхностных волн. Система электродов 9 соединена с высокочастотным генератором 10. На другом крае поверхности подложки за отражающим покрытием 3 находится поглотитель 11, обеспечивалощий режим бегущей волны путем поглощения падающей на поглотитель 11 упругой поверхностной волны. Устройство работает следующим образом. Активный элемент 1 создает в оптическом резонаторе, образованном зеркалами 2 и 3, индуцированное излучение, которое выходит из резонатора через зеркало 3, состоящее из отреикающего покрытия на подложке 8 из оптически прозрачного материала. Колебания полностью отражающего зеркала 2 вдоль оси резонатора приводят к формированию в оптическом резонаторе излучения в виде регулярных световых импульсов (пичков), следующих с удвоенной частотой колебаний зеркала. Продольные колебания зеркала 2 возбуждаются за счет закрепления подложки 4 зеркала 2 на ультразвуковом преобразователе :5 через концентратор 6 ультразвуковой энергии. При этом электрическое напряжение на ультразвуковой преобразователь 5 подается от генератора 7. Одновременно с возбуждением колебаний зеркала 2 во втором зеркале 3 возбуждается ультразвуковая бегущая поверхностная волна.

Распространение поверхностной волны по свободной поверхности подложки с зеркалом приводит к деформации это поверхности с пространственным периодом, равным длине упругой поверхностной волны Ь . Поверхность зеркал из плоской превращается в волнистую, гофрированную. Такая поверхность в случае бегущей ультразвуковой поверхностной волны для падающего на нее светового пучка представляет собой движущуюся со скоростью распространения звука фазовую дифракционную решетку.

В результате дифракции на такой фазовой решетке вся отраженная от зеркала световая энергия распределяется между нулевым и более высокого порядка дифракционными максимумам Угловое расстояние ср между максимумами для случая нормального падения на зеркало определяется соотношением:

sincp ±tn-,

U

где А - длина волны света, L - длина волны звука, л - порядок дифракции.

Частота света в т-ом дифракционно максимуме отличается от частоты падающего света на величину, ± rof, где f частота ультразвуковой поверхностной волны.

Отражение света под углом (pfp со сдвигом частоты на t mf приводит к появлению в резонаторе новых типов колебаний, частоты которых сдвинуты на величину,равную f. Многократность отражений света от зеркала к зеркалу в резонаторе при мгшых углах распространения iff обеспечивает не только усиление таких .искусственно созданны типов колебаний, но и их эффективное взаимодействие. Биения, возникающие при их взаимодействии, приводят к модуляции интенсивности в каждом импульсе (пичке) с частотой упругой поверхностной волны.

Известно несколько типов ультразвуковых преобразователей, с помощью которых можно возбудить на свободной поверхности подложки 8 с отражающим покрытием ультразвуковую поверхностную волну. Выбор типа ультразвукового преобразователя определяет особенности устройства подложки 8 зеркала 3. Наиболее эффективное возбуждение ультразвуковых поверхностных волн в широком диапазоне частот позволяют осуществлять преобразователи типа фазовая решетка (двухфазные или однофазные).

С точки зрения конструктивного решения предлагаемого устройства наиболее удобен для использования преобразователь типа двухфазная решетка (двухфазный гребенчатый преобразователь). Ё этом случае для

0 возбуждения в отражающем покрытии зеркала 3 ультразвуковой поверхностной волны подложка 8 зеркала 3 выполнена из оптически прозрачного пьезоэлектрика и на поверхности ее

5 рядом с отражающим покрытием размещена система электродов 9, образующая совместно с пьезоэлектрической подложкой двухфазный гребенчатый преобразователь . На систему электрог0дов 9 подается переменный электрический сигнал от высокочастотного генератора 10. Поглотитель 11 предотвращает отражение упругой поверхностной волны от края подложки 8 и тем самым обеспечивает распростра5нение в отражающем покрытии бегущей поверхностной волны.

Предлагаемый лазер с внутренней ультразвуковой модуляцией интенсивности излучения является устройством,

0 позволяющим получать управляемое оптическое излучение в виде регулярных пакетов из импульсов длительно-. стью t li I / i с заданной частотой следования пакетов и с заданной дли5тельностью и Частотой повторения заполняющих эти пакеты импульсов.

Для получения оптического излучения указанного вида не требуется

0 введения каких-либо дополнительных элементов в резонатор или вне его, а конструкция .зеркал оптического резонатора отличается простотой и легкостью выполнения. Их замена не требует перестройки всей лазерной сис5темы, что особенно важно при необходимости быстрой частотной перестройки (изменения частоты следования , пакетов или длительности импульсов высокочастотного заполнения). Пред0лагаемое устройство позволяет свести до минимума габариты лазерной системы, осуществить модуляцию без потерь общей энергии излучения, при увеличении его интенсивности, а также при

малых мощностях модулирующих электрических сигналов..

Предлагаемый лазер может быть рекомендован для применения в самых различных областях техники, например в лазерной локации, в высокоскоростной фотографии, в качестве генератора накачки в системах нелинейной оптики, в системах обработки информации.

Формула изобретения

1. Лазер с внутренней ультразвуковой модуляцией интенсивности излучения, содержащий активную среду и два внешних зеркала оптического резонатора, одно из которых закреплено на ультразвуковом преобразователе, возбуждающем колебания зеркала вдоль оси резонатора, а второе зеркало состоит из отражающего покрытия на подложке из оптически прбзрачнбго материала, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем получения управляемого излучения в виде регулярных импульсов света с высоко.частотным заполнением, подложка второго зеркала выполнена в виде устройства, возбуждающего в отражающем покрытии ультразвуковую бегущую поверхностную волну.

2. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что подложка второго зеркала резонатора выполнена из оптически прозрачного пьезоэлектрика и в средней части ее на стороне, обращенной к активной среде, нанесено отражающее покрытие, а по обе стороны от отражающего покрытия на той же поверности размещены система электродов, образующая совместно с пьезоэлектрической подложкой ультразвуковой преобразователь упругих поверхностных волн, и поглотитель.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Андрианова И.И. и др. Экспериментальное исследование управления генерацией рубинового ОКГ с помощью дифракционного . модулятора на бегущей модулированной ультразвуковой волне; Оптика и спектроскопия , 1966, т. 20, ,вып. 5, с. 924.

2.Белова Г.Н., Кузнецов В.Ф. Ультразвуковая модуляция оптического квантового генератора. Акустически журнал , 1969, т. 15, вып. 1, с. 5.

3.Белова Г.Н. Модуляция излучения ОКГ с помощью колеблющегося зеркала. Акустический журнал , 1971, т. 17, вып. 3, с. 365.