Генератор коротковолнового излучения с точечной обратной связью Советский патент 1980 года по МПК H01S3/08 

Изобретение относится к квантовой электронике, более конкретно к устройствам для генерации коротковолнового, например, субмиллиметрового, оптического или рентгеновского излучения. Известны устройства для генерации оптического излучения, в которых активная (усиливакхцая) среда помещается в оптический резонатор. Зеркала резонатора создают обратную связь для усиливаемого излучения. За счет многократных отражений от них формируются световые колебания, близкие по пространственной структуре и к собственным колебаниям резонатора, обладающим, в свою очередь, по отдельности высокой пространственной когерентностью. При не слишком больших значениях коэффициента усиления объеме активной среды, например, не больших единицы, излучение соответствующего лазера состоит из одного или небольшого числа собственных колебаний резонатора и поэтому обладает тоже высокой пространственной когерентностью. Зеркала резонатора в таких устрой ствах могут быть интерференционными диэлектрическими слоями, хорошо проводящими полированными поверхностями, дифракционными решетками. Дифракционные решетки применяются в т.наз. резонаторах-излучателях для вывода части световой энергии из них непосредственно при отражении от зеркала-решетки, а также в т.наз. дисперсионных резонаторах для выделения определенной длины волны генерации лазера. Существенным недостатком таких устройств является то, что при больших значениях koэффициeнтa усиления (например, не меньше ста в резонаторе может возбуждаться сразу много собственных колебаний, в результате чего генерируемое излучение обладает низкой пространственной когерентностью (напри.мер, такой же, как при суперлюминесценции из объема активной средаа) . Иавестно устройство для генерации оптического излучения в квантовом генерато1 е с т.наз. нерезонансной обратной связью. В этом случае активная среда помещается между зеркалами, такими же и так же ресположенными, как и в оптическом резонатор е. Отличие от оптического резонатора заклю- чается в том, что одно из зеркал совершает поступательное движение с. достаточно большой скоростью.

Недостатком этого устройства так же как и предыдущего является низкая пространственная когерентность генерируемого излучения при больших значениях коэффициента усиления в объеме активной среды.

Известно устройство для генераций оптического излучения в квантовом генераторе с т.наз. распределенной обратной связью, когда отражения усиливаемого излучения происходят в объемах среды с периодическим по пространству изменением диэлектрической проницаемости.

Недостаток этого устройства - тот же, что и двух предыдущих: при больших значениях коэффициента усиления в объеме активной среды генерируемое излучение облгщает низкой пространственной когерентностью.

Известно устройство для генерации оптического излучения в квантовом генераторе со стохастической обратной связью, осуществляемой заменой одного из зеркал оптического резонатора диффузным отражателем подобных размеров.

Недостатком этого устройства является низкая пространственная когерентность генерируемого излучения (такая же, как при суперлюминесценции из объема активной среды) при любых значениях коэффициента усиления в активном объеме.

Известны устройства для генерации оптического излучения с высокой пространственной когерентностью при использовании объемов среды с большими значениями коэффициента усиления (например, больше десяти в системе задающий генератор + усилитель). В этих устройствах объем среды с большим значением коэффициента, усиления используется лишь в качестве усилиТзля, в то время как задающим является относительно маломощный оптимальный оптический квантовый генератор, формирующий на входе в усилитель слабый сигнал с высокой пространственно когерентностью. Такие устройства ширко используются в настоящее время дл решения проблемы получения мощных прстранственно-когерентных световых пучков, энергия которых достаточна, например, для инициирования в мишени термоядерного синтеза с положительны энергетическим выходом 1.

Недостатками таких устройств являются: 1) необходимость в дополнительном оптическом квантовом генераторе с высокой пространственной когерентностью излучения и общая сложность конструкции; 2) существенное (мелкомасштабное) искажение фазового фронта и однородности профиля интенсивности усиленного светового сигнала при большой мощности, обусловленное

нелинейной рефракцией света в активной средне. Реально это искажение не позволяет сфокусировать излучение на мишень и тем самым лимитирует достижимую полезную мощность получаемого светового пучка.

Известно устройство для генерации, оптического излучения с высокой пространственной когерентностью при использовании активных объемов с большими коэффициентами усиления в кван-. товом генераторе с т.наз. точе,чной обратной связью 2.

В этом устройстве объем активной среды с большим значениемкоэффициента усиления помещается между отражающими элементами, размеры которых d: удовлетворяют условию dj /Л « L где L - расстояние между отражающими элементами; Х длина волны усиливаемого в среде излучения; например, размеры d; могут составлять несколько длин или несколько десятков длин световой волны. Благодаря столь малым з)1ачениям размеров d( , рассматриваемых элементов, излучение в целом выглядит расходящимися из соответствующих им точек сферическими волнами ограниченными диаграммой направленности этих элементов как отражателей.

Недостатком данного устройства в ряде случаев (например, при коэффициенте усиления не менее ) является практическая сложность устранения паразитной обратной связи возникающей за счет отражений от подложек рассматриваемых элементов (или от торцов активного объема, если эти элементы нанесены непосредственно на торцы) и нарушсшщей пространственную когерентность генерируемого излучения Например, при коэффициентах усиления не менее 10+104 устранение влияния паразитной обратной связи обычно сводится Ктребованию, чтобы коэффициент отражения от подложек был меньше, чем , что, в свою очередь, трудно осуществимо. Реально это ограничивает достижимую мощность светового пучка.

Цель описываемого изобретения состоит в увеличении пространственной когерентности излучения при расширении диапазона значений коэффициента усиления в активной среде в область более высоких значений и при одновременном отсутствии мелкомасштабных искажений фазового фронта и однородности профиля интенсивности выходного излучения вследствие нелинейной рефракции в активной среде.

Поставленная цель достигается тем, что объем активной среды с большим значением коэффициента усиления помещается между отражающими элементе1ми, по крайней мере, один из которых является точечным, причем размер его

di «.VLX ,

где L - расстояние между отражающими

элементами,

Л- длина волны излучения, усиливаемого в активной среде.

Точечные отражающие элементы имею внутреннюю периодическую-структуру с пространственным периодом Х удовлетворяющим условию dj Х А. и наклонены к оси генератора под углом в) arcs i п iV/2 Л) ) с точностью uQi .

Эта структура является периодической, например, по одной из координат (Х-) в плоскости отражающего элемента и может быть идентична структуре обычной дифракционной решетки. Указанная структура легко может быть осуществлена также за счет периодической зависимости от Х| кооффициентов отражения рассматриваемых элементов. При этом i-и отражающий элемент ориентируется так, что угол между нормалью к плоскости этог элемента и осью всей системы составляет

9 arcsi п(Л;/2 Х;),

где Д. - период структуры i-го отражагацего элемента или период функции Г(Х ) , а ось Х- лежит в одной плоскости с указанной нормалью и осью системы. Отражающий элемент рассматриваемого вида может быть, в частности, один вто время как другие отражения, замыкающие обратную связь, могут осуществляться с помощью обычных (например, плоских или выпуклых) зеркал или за счет отражений от одного из торцов активного объема среды; отражаюцие элементы (отражающий элемент) могут быть нанесены непосредственно на торцы (торец) активного объема среды, т.е. роль подло-, жек могут выполнять сами торцы. Схемы генераторов могут быть как линейные, так и кольцевые.

На фиг. 1 для наглядности представлен график возможной, периодической зависимости коэффициента отражения i-ro отражаняцего элемента от координаты X. , лежащей в его плоскости. Размер этого элемента обозначен через d .

На фиг. 2 в качестве примера представлена одна из возможных схем генератора коротковолнового излучения с обратной связью, осуществляемой двумя отражакяцими элементами описанного типа (,2). Обозначения еледующие: 1,2- отражанадие элементы рассматриваемого типа; 3, 4 - подложки этих элементов; 5 - активная среда; б - ось системы; 6 -угол между нормалью к плоскости первого отражающего элемента и осью системы, Q - угол между нормалью к плоскости второго отражающего элемен.та и осью системы.

На фиг. 3 - в качестве примера представлена одна из возможных схем

генератора коротковолнового излучеjния с обратной связью, осуществляемой с помощью одного отражающего элемента описанного типа (), нанесенного непосредственно на торец активного объема среды.

В предлагаемом устройстве генери-руемое излучение подобно предыдущему устройству состоит из расходящихся от отражающих элементов сферических волн, подобных волне, расходящейся

o из отдельной точки, с тем однако отличием, что указанные волны ограничены одним из лепестков диаграммы направленности рассматриваемых элементов как отражателей. Поскольку са5ми отражающие элементы (точки) имеют теперь внутреннюю структуру, то обусловленную ими обратную связь можно назвать структурно-точечной. Благодаря внутренней периодической струк0туре этих элементов заметное отражение от них в направлении назад вдоль оси системы оказывается достижимыг при больших наклонах плоскости подложек к этой оси (значения 6 например,могут составлять 10-40°),что позволяет

5 легко устранить паразитную обратную связь, вообще возможную без участия рассматриваемых элементов за счет лишь отражений от самих подложек. При использовании отражающих элемен0тов с достаточно малыми размерами d; (например d. lO-lOOA) генерируемое излучение в данном методе оказывается подобным излучению, с гладким фазовым фронтом, выходящему из области с

5 малыми поперечными размерами, и поэтому заведомо обладает высокой пространственной когерентностью. При этом одновременно достигается достаточно большая степень сферичности излучаемых волн, что предотвратцает сущест0венно мелкомасштабные искажения фазового фронта и искажения однородности профиля интенсивности,, вообще возможные вследствие нелинейной рефракции света в активной среде.

5

Формула изобретения

Генератор коротковолнового излучения с точечной обратной связью, со0держащий активную среду, установленную между отражающими элементами, по крайней мере, один из которых является точечным, причем размер его dj « У1Г. отличающийся

5 ,тем, что, с целью увеличения пространственной когерентности излучения при расширении диапазона значений коэффициента, усиления в активной среде в область более высоких значе0ний и при одновременном отсутствии мелкомасштабньлх искажений фазового фронта и однородности профиля интенсивности выходного излучения вследствие нелинейной рефракции в активf-,. . 7 . 7696 ной среде, точечные отражающие элемента ты имеют внутреннюю периодическую - , структуру с пространственным периодом ЛJ,удовлетворяющим условию d Л; Я. и наклонены к оси генератора под углами Q; « arcs i п (Л/2Л;) с точностью ,rAe L - расстояние между отражаиощими элементами, « Х- длина волны излучения усиливаемого в активной среде. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Квантовая электроника, 1973, 5, с. 57. 2.Письма в ЖЭТФ 1974, т.20, с. 625.