Способ селекции частот излучения лазера Советский патент 1983 года по МПК H01S3/98 

Изобретение относится к оиласти кванфовой электроники, в частности может быть использовано для сужения спектра -генерации и селекции частот лазеров. . , Известен способ управления частот HiJM спектром лазера, основанный на создании различных потерь для разных типов колебаний путем внесения в резонатор пластинки из прозрачного материала, однаповерхность которой -просветлена, а вторая покры, та тонким поглощающим или рассеивакшим слр.ем оптическая толщина которого значительно (например, в де сятки раз меньше длины волйы С ЗОднако указанйый способ обладает существенными недостатками: частот. ный спектр излучения сильно за висит От положения пластинки в резонаторе, I имеет большее потери и неприменим к ла зерам бегущей волны при ста-, билизации частоты необходимо стабилизировать в равной мере как. оптическую длину резонатора, так и положение пленки, что вносит, дополни тельные, трудности. Известен способ селекции частот излучения лазера с амплитудно анизотропным р.езрна тором, включающий создание фазовой анизотропии в активной среде лазера и компенсацию фазовой анизотропии для излучения выделяемой частоты. Для этого в активной среде лазера с ампЛитудво анизотропным резонатором индуцируют с помощью продольного или поперечного магнитного поля фазовую анизотропию, эайисящуда сэт частоты в пределах контура усиления/ я компенсируют фазову аиизотропию для излучения частоты, выделяемой из спектра генерации, с пОмощьй установленного в резонатор элемента, изменяющего величину фазоной анизотропии П23. Однако известный способ не позволяет, осуществлять селекцию частот излучения лазеров с молекулярными активными средами/ работающих на крлебательно-рращательных переходах или обладающих широкими контурами усиления, так как эффект , а следовательно, и резонансные эффекты Фарадея и Коттон-Йутона в этих средах сла:бо проявляются. Целью изобретения является уменьшение потерь в лазерах с молекулярны Ми Активными средам. Цель достигаемся тем, что по спос бу селекции частот излучения лазера с а мплитудноанизот ропным резонаторо В{сл10чакщ0лу создание фазовой анизотр ПИИ, активной среде лазера и компен сацию фазовой -йнизотрр р я для излуче ния выделяемой чаетотыУ- через активйуй среду Лазера пропускают анизотро ное по.поляризации излучение, причем угол МеяДУ главными направлен1сями анизотропии излучения и анизотропии резонатора отличен от О и 90. Вследствие пропускания через активную среду анизотропного излучения возникает различие в коэффициентах усиления актиЬной среды для волн различной поляризации. Различие в коэффициентах усиления приводит в силу дисперсионных соотношений к неодинаковым Фазовым набегам в среде для волн с различными поляризациями. При зтом возникающая разность набегов фаз (фазовая анизотропия обладает час- тонной зависимостью в области усиления. Это позволяет сделать минимальными оптические потери лазера в за- , данном спектральном диапазоне и осуществить тем самым селекцию генерируемых частот в этом диапазоне с помОщьюпомещенных в резонатор амплитудно анизотропного элемента н элемента с фазовой анизотропией, не зависящей или слабо зависящей от частоты и компенсирующей в области ceлeктнpye ыx частот фазовую анизотропию активной .среды. , . . Возможны следующие варианты осуществления способа. В качестве анизотропного по поляризации излучения можно использовать. излучение накачки. Данный вариант, применим для лазеров с оптической накачкой. На фиг.1 представлена схема осуществления способа для лазера на красителе, где 1 - излучение лааеоа. П;- излучение накачки зеркала резонатора 1,2, кювета 3 с активным; тбеществом -с окошками под углом Врюстера, источник накачки 4,- поворотное зеркало 5. В схеме используется продольный .вариант накачки. Излучение яакачкй {луч П) имеет циркуляриую иЛи . , лнгнейную поляризацию, причем в пос- / леднем случае электрический вектор : волны составляет некотоЕялй угол с направлением максимального пропускзА ния поляризатора, роль которого мо- гут выполнять окошки кюветы,- распо.ложе нные под углом Брюстера,, При такой накачке создается разность коэффициентов усиления в активной среде для циркуЛярно противоположно поляризованных волн или для воЛн плоскость поляризации которых паралг лельна и перпендикулярна плоскости поляризации излучения накачки. J Способ также можно осуществить П15О евеч1 ванием активной среДы.поляризованным излучением, резонансным с переходом между уровнями .активной среды, один из которых является лазерным.-В этом варианте используются связанные перехоЛда. Две возможные схемы связанных переходёв, на ко.торых можно осуществить предлагаекмй способ, изображены на фиг.2, где ypoBfiH лазерного перехода 1 и 2, уровень 3 перехода, связанного с

лазерным, I - лазерный переход, II - связанный переход.

При прохождении через активную среду излучения II, резонансного с переходом между ур;овнями 1 и 3 (см.фиг;.2а) или уровнями 2 и 3 (см.фиг.26) ,изменяется населенность общего для двух переходов (уровня 1 на фиг.2а или уровня 2 на фиг.2б Резонансное излучение И поляризовано, поэтому усиление активной ере ды на переходе между уровнями I и 2 имеет различную величину для волн с разными поляризациями. В случае, .представленном на фиг.2а/ излучение II увеличивает также общую инверсию между уровнями 1 и 2 и тем самым суммарный коэффициент усиления, что должно приводить к увеличению мощности генерации.

Предлагаемлй способ может быть осуществлен в кольцевом лазере., В этом случае анизотропным по поляризации излучением является один из лучей кольцевого квантового генератора, который создает анизотропный по поляризации коэффициент усиления для встречного луча, поляризаций Которого отличается от поляризации первого луча. Одна из схем осуадествления способа показана на фиг.3 где активные элементы 1, элемент Фарадея 2, пластинка Д/2 3, зеркала ре- . эонатора 4, поворотные зеркала. 5 и б, приемйик излучения 7, осилллограф 8, активный элемент 9 с ками под углом Брюстера. | . - Встречные лучи в лазере в этом случае имеют линейные поляризации примем поляризация одного луча I совпадает с направлением максшла ьнрго пропускания поляризатора, а . поляризация встречного луча П Ha правлена под некоторым углом к на правлению максимального пропускание поляризатора. Луч 1 создает разность коэффициентов усиления дпя волны с роляриз.ацией, совпадающей с напрев лением ,поляризации луча И и для волны, поляризация которой повернута на 90 относительно этого направления. -:

Можно также использовать луч U с круговой поляризацией для создания разности коэффициентов усиления для волн с ортогональными круговыми поляризациями встречного луча 1. . В этом случае используют схему, ставленную на фиг.4, где 1 - пластинка. Л/4, 2,3 - элементы Фарадея; 4-- поляризатор-; 5 - зеркала резоййтора; 6 - активные элементы. Поляриэатор 4 ориентирован п.од углом 22, относительно плоскости резонатора. Обе пластинки 1 ориентированы одйнаково под нулевым углом относительн плоскости резонатора. Элемент Фараде

2 поворачивает плockocть поляризации излучения на угол 22,, а элемент Фарадея 3 поворачивает плоскость поляризации излучения на - 22,5.

.Здесь создается циркулярно-фазова анизотропия для встречно о луча, направление лннейной поляризации которого совпадает с направлением максимального пропускания поляризатора.

Используя физические основы предлагаемого способа, селекцию частот излучения можно осуществить путем ориентации частиц активно среды квантового генератора. Ориентацию можно осуществить в том случае, если свойства частицы не обладают сферической симметрией. Если частицы активной среды (например, молекулы красителя ) сферически несимметричны, то преимущественную ориентацию можно осуществлять за счет направленного движения красителя, когда молекулы ориентируются в потоке.

I . Вследствие ориентации при изотропной по поляризации накачке создается разность коэффициентов усиления для волны с поляризацией вдоль преимущественной ориентации частиц и для волны с поляризацией, перпендикулярной ориейтации частиц актив- i ной среды.

Ориентацию также можно осущест,вкть, используя, внешние поля.

Пр и ме р. Способ осуществлен в лабораторных условиях для случая 1 И качестве излучения, создающего раз.личие в коэФфиииента.х усиления для волн различной поляризации, используют излучение рубинового лазера, который применяют для накачки лазера на красителе; Рубиновый лазер накачки работает в режиме модулированной добротности. Схема эксперимента аналоги 1на схеме, изобрсикенной на ф1)г.1. Юовета с красителем имела окошки расположенные под углом Брюстера, которые выполняют роль поляризатора. Вкачестве активной среды используют краситель 1,3,3; 1 , З, з- гексаметш1-4,5Н, 5- дибензо- 2,2-индодикарбоцианин перхлорат, растворенный в этиловом спирте. Излучение . лазера на красителе регистрируется на фотопластинке с прмощькз спектрографа ДФС-13. Изменение распределения энергии генерируемого излучения по спектру наблюдается лишб в случае, когда угол между главными направлени;1ми анизотропии излучения ;И анизотропии резонатора изменяют ; от 30 до 7О через каждые пить градуI сов.Это изменением выражается в умень-г шений интенсивнести центральных частот генерируемого спектра. Распределение энергии по спектру излучения более равномерное, чем в случае, когда угол между главными направлениями анизотропии иэлуче(;ия и анизотропией резонатора равен О или 90.

) . .

Использование способа позволяет осуществить фазово-поляризационными методами (испояьзупцими резонансную фазовую анизотропию активной среды ) селекцию с малыми потерями и пере-стройку спектра излучения лазеров с.активными средами, в которых по каким-либо причинам нельзя создать фазовую анизотропии за счет расщепЛенин контура усиления на несколько компонент с помощью внешних магнитных полей, Способ может использоваться для любых лазеров, но особенно он эффективен для квантовых генераторов с такими .активные-«средами, для которых эффекты Зе.емана и Штарка имеют малую величину. D способе не используется расщепление контура усиления, что позволяет увеличить эффективность сужения спектра излу- , чения фазово-поляризационными методами,.

СПОСОБ СЕЛЕКЦИИ ЧАСТОТ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРА е й^^плитyднo анизотропным резонатором, вкл'ючающий . создание .фазовой анизотропии в активной среде лазера и компенсацию фаэовой анизотропии для излучения выделяемой, частоты, отличающийся' тем, что, с целью уменьшения потерь в лазерах с молекулярными активными средами, через актив- 'йую среду лазера пропускают анизотропное по поляризации излучение, причем ,угол между главныкт направлениями анизотропии излучения ,и анизотропии резонатора отличен от О и 90".§(ЛыiCO елсо00

Фаг, 2