Лазер Советский патент 1985 года по МПК H01S3/83 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано для управления (например модуляции) поляризацией излучения и измерения малых величин фазовой анизотропии.

Известен лазер, содержардий активный элемент с брюстеровскими окнами, основной и дополнительный кольцевой резонаторы. В дополнительном резонаторе размещены частичный поляризатор и циркулярно-фазовая пластинка. В этом лазере можно осуществлять внутрирезонаторное управление поляризацией излучения C13.

Существенньш недостаток лазера заключается в том, что jc. изменением поляризации излучения изменяются и амплитудно-частотные параметры, что исключает возможность использования лазера для автономного внутрирезонаторного управления поляризацией излучения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является лазер, содержащий активный элемент, основной резонатор и связанный с ним дополнительный коль цевой резонатор, в котором расположены поляризатор и фазово-анизотропньй элемент. В этом квантовом генераторе достигается разделение плоскостей поляризаций встречных волн на 90.

К недостаткам лазера относится невозможность автономного внутрирезонаторного управления поляризацией излучения.

Цель изобретения - осуществление внутрирезонаторного автономного управления поляризацией излучения лазера.

Цель достигается тем, что в осно ной резонатор лазера дополнительно введен анизотропный элемент, главные направления которого совпадают с плоскостями поляризации поляризатора, а в дополнительный резонатор введен второй поляризатор, расположенный таким образом, что фазово-ан зотропный элемент находится между поляризаторами, причем плоскость поляризации второго поляризатора развернута на угол 90 относительно плоскости поляризации первого поляризатора, а фазово-анизотропный элемент выполнен с регулируемой величиной фазовой анизотропии.

На фиг. 1 и 2 показана оптическая схема предлагаемого лазера, варианты, на фиг. 3 - зависимость состояния поляризации, на фиг. 4 зависимость азимута поляризации.

Лазер содержит зеркала 1-3 основного резонатора, зеркало 4 связи между резонаторами, зеркала 5-7 дополнительного резонатора, активный элемент 8, элемент 9, обладающий линейной анизотропией, регулируемый фазово-анизотропный элемент 10, стопроцентные линейные поляризаторы 11 и 12, элемент 13 с управляемой линейной анизотропией, четвертьволновая пластина 14, стопроцентный линейный поляризатор 13, магнитный и естественный вращатели 16 и 17 плоскости поляризации соответственно.

Элемент 9 может обладать как фазовой, так и амплитудной анизотропией. Он может быть выполнен в виде наклонной пластинки, пленочного поляроида, линейно-фазовой пластинки и т.д. Элемент 9 может отсутствовать, если используется активньй элемент 8 с наклонными окошками, которые создают линейную амплитудную анизотропию

в резонаторе, а также, если зеркала основного резонатора обладают линей|€ой анизотропией.

Поляризаторы,11, 12 и 15 полностью поляризуют .проходящее

через них излучение. В качестве них могут быть использованы поляризационные призмы, пленочные поляроиды и т.д. На фиг. 1 азимуты поляризаторов 11 и 12 различаются на 90

и совпадают с азимутами главных направлений элемента 9. В другом варианте используется поляризатор 11 с двумя выходами излучения, поляризованного в ортогональных плоскостях. Это позволяет исключить из схемы поляризатор 12. Главное направление поляризатора 15 совпадает с плоскостями поляризации поляризатора 11. Фазово-анизотропный

элемент 10 характеризуется тем,

что в нем может быть индуцирована с помощью внешних полей круговая или линейная фазовая анизотропия. Он может- представлять собой ячейку Фарадея, Керра или Поккельса и т.д. Главные направления элемента 13 совпадают с главными направлениями поляризаторов 11 и 12. Вращатели 16 и 1.7 обеспечивают поворот плоскости поляризации на 45 каждый. В качестве вращателя 16 может быть использована ячейка Фарадея в качестве вращателя 17 - естественная циркулярно-фазовая пластинк или линейно-фазовая полуволновая пластинка, большая ось которой направлена под углом 45° относительн главных направлений поляризаторов 11и 15. Элементы 11, 16, 17, 15 образуют вентиль, пропускающий изл чение в дополнительном резонаторе только по часовой стрелке. Представленные на фиг. 1 и 2 сх мы работают в оптическом диапазоне но могут быть использованы и в других частотных диапазонах (напри мер в диапазоне СВ-частот). Через оптические элементы 1012помещенные в дополнительный резонатор, излучение проходит только тогда, когда величина индуцированной в элементе Ю фазовой анизотро пии отлична от ( - целое число). В противном случае через него излучение не проходит, и дополнительный резонатор не сказывае влияния на генерацию излучения, а поляризация излучения полностью определяется азимутом вьщеленного напряжения элемента 9 с линейной анизотропией. Предположим, что элемент 9 обладает амплитудной ани зотропией с параметрами, позволяющими осуществить генерацию излучения, поляризованного в плоскости, перпендикулярной плоскости резонатора. Пусть поляризаторы 12 и 11 ориентированы таким образом, что полностью гасят компоненты световой волны, лежащие в плоскости резонатора и в перпендикулярной ей плоскости соответственно. Если в оптическом элементе 10 индуцирована фазовая анизотропия, то излучен частично проходит через дополнител ньш резонатор, и при отражении све та от анизотропного дополнительног резонатора происходит преобразование поляризации света. Так как пол ризаторы 11 и 12 скрещены, то излу чение, прошедшее через зеркало 4 связи в дополнительный резонатор, завершает только один обход этого резонатора и после одного обхода попадает в основной резонатор поля ризованным в плоскости резонатора 04 (в направлении распространения, указанном на фиг. 1 и 2 стрелками). Влияние дополнительного резонатора на поляризацию отраженного излучения заключается в том, что прошедшая через этот резонатор волна имеет только компоненту, лежащую в плоскости резонатора, амплитуда которой определяется величиной индукционной в элементе 10 фазовой анизотропии, а фаза - оптической длиной периметра дополнительного резонатора. Таким образом, световое излучение, вьшедшее из активного элемента 8, частично поляризуется при прохождении через элемент 9 в плоскости, перпендикулярной плоскости резонатора, а после взаимодействия с дополнительным резонатором - в плоскости резонатора. Совокупное влияние этих двух эффектов приводит к тому, что поляризация генерируемого излучения имеет промежуточное эллиптическое (в общем случае) состояние, параметры которого зависят от величины линейной анизотропии элемента 9, а также от фазы (набега фазы волны за полный обход дополнительного резонатора) и величины связи между резонаторами (коэффициента пропускания зеркала 4 связи, прозрачности элементов 10-12 и величины индуцированной в элементе 10 фазовой анизотропии). Если элемент 10 обладает циркулярно-фазовой анизотропией, отношение комплексных компонент поляризации волны (модули которых определяют их амплитуды, аргументы - их фазы), лежащих в плоскости резонатора и в перпендикулярной ей плоскости, определяется выражением „-X + V е 5й г( - максимальное и минимальное пропускание частичного поляризатора 11 по амплитуде, коэффициенты отражения и пропускания зеркала 4 связи по амплитуде, амплитудный коэффициент изотропных оптических потерь (за исключением потерь на зеркале 4 связи и набег фазы волны за полный обход

дополнительного резонатора,

- фазовая анизотропия, индуцированная в элементе 10.

Выражение (1) относится/ к излучению, направленному по часовой стрелке в основном резонаторе (фиг.1 Идущее во встречном направлении излу чение не зависит от параметров дополнительного резонатора,, так как поля ризатор 11 не пропускает излучение, поляризованное в плоскости, перпендикулярной плоскости резонатора. В схеме лазера, изображенной на фиг.2, в дополнительном резонаторе излучение проходит только по -часовой стрел ке, так как здесь находится вентиль. Поэтому работа квантового генератора, изображенного на фиг. 2, аналогична работе предьщущего, а поляризация генерируемого им излучения описывается выражением, аналогичным выражению (1).

Зависимость состояния поляризации генерируемого излучения, определяемого вьгражением (1), от входящих в него параметров поясняется фиг, 3, на которой изображена сфера Пуанкаре, Здесь кругами, эллипсами и отрезками прямых со стрелками обозначены состояния поляризации. В том случае, когда If I-, излучение становится поляризованным в плоскости, перпендикулярной плоскости резонатора, а на сфере Пуанкар этому состоянию поляризации соответствует точка А. При излучение поляризовано в плоскости резонатора (точка В на сфере Пуанкаре). При промежуточном значении из лучение имеет эллиптическзпо поляризацию (точка С на сфере). Из формулы (1) следует, что j&| зависит от

ф , Изменение величины индуцированной анизотропии в элементе 10 приводит к изменению состояния поляризации, которое на сфере Пуанкаре соответствует перемещению точки С вдоль радиуса R , что на фиг. 2 изоражено стрелкой. Изменение «г Е вызывает такое изменение состояния поляризации, которое на сфере Пуанкаре соответствует перемещению точки С вдоль окружности, что также изображено стрелкой. Как следует из формулы (1), определяется фазой связи У между основным и дополнительным резонаторами, т.е. оптической длиной периметра дополнительного ;резонатора, которую можно изменять либо с помощью пьезоэлемента, на котором закреплено зеркало 5, либо с помощью дополнительного элемента 13 с управляемой линейной анизотропией Изменение длины периметра дополнител ного резонатора на длину волны соответствует смещению точки С вдоль окружности 5 на один .оборот.

При отсутствии связи между основным и дополнительным резонаторами ( V 0), когда излучение поляризовано в плоскости, перпендикулярной плоскости резонатора, интенсивность и частота генерируемого излучения определяются добротностью и оптической длиной периметра основного резонатора. При наличии связи между резонаторами ( 2К ) состояние поляризации изменяется, и для волны с этим состоянием поляризации происходит изменение оптических потерь и набега фазы в основном резонаторе Изменения амплитуды и фазы волны компенсируются при ее взаимодействии с дополнительным резонатором, -в результате чего изменение параметров дополнительного резонатора не оказывает влияния на амплитудные и частотные характеристики генерируемого излучения. Таким образом, в предлагаемом лазере можно осуществлять автономное управление эллиптичностью и азимутом главной оси эллипса поляризации за счет изменения величин индуцированной анизотропии в элементах 10 и 13 (либо изм нением оптической длины дополнитель ного резонатора с помощью пьезоэлемента) .

В частности, если набег фазы в дополнительном резонаторе .V nT ( п - целое число), то

(i),

и излучение, поляризовано линейно (точка В на сфере Пуанкаре), так как в этом случае - - действительная величина. Изменение фазовой ани зотропии V элемента 10 приведет к изменению азимута поляризации (точка О перемещается вдоль экватора сферы). Типичная зависимость азимута поляризации от (модулА ционная кривая) приведена на фиг. где кривые о, 61 ij, в рассчитаны при значениях - 5-10 5-10-t t 5-10-710-% -ЮЛ р 0,995, 0,99 н 0,9 и 6 0,8, 0, и 0,93 соответственно. Таким обра при соответствующем подборе параметров квантового генератора коэффициент пропорциональности между и V в области их линейной зависимости на 2-3 порядка больше единицы, что позволяет использовать управляюпщй сигнал малой величины для модуляции азимута поляризации излучения. Если набег фазы в дополнительно резонаторе v, (3), и излучение поляризовано по эллип су, одна из осей которого располо жена в плоскости резонатора (точка Е на фиг. 3), а изменение фазовой анизотропии приводит к изменению аллиптичности (точка g на фиг. 3 перемещается вдоль перидиана сферы Пуанкаре). Управление поляризацией излучения за счет изменения величины цир кулярно-фазовой анизотропии элемен та 10 происходит благодаря тому, что при этом изменяется величина связи между резонаторами. При использовании элемента 10 с линейнофазовой анизотропией интенсивность излучения, прошедшего через элементы. 10 - 12, .а следовательно, и управление поляризацией излучения квантового генератора можно регулировать за счет изменения как величины, так и направления анизотропии. Таким же образом работает лазер и тогда, когда элемент 9 обладает линейной фазовой анизотропией. В этом случае селекция двух типов колебаний резонатора, соотвеТствую щих максимальному и минимальному н бегу фазы в элементе 9, осуществля ется за счет их конкурентного взаи модействия в активной среде. В предлагаемом лазере поляризацию излучения можно изменять отдельно как по азимуту, так и по эллиптичности. Однако такое управление поляризацией можно осуществить только при фиксированных значениях фа2г +1зы связи и . Если же выходное излучение пропускать через четвертьволновую пластину 14, ориентированную таким образом, что ее главные оси развернуты относительно главных направлений элемента 9 на 45, то можно управлять поляризацией излучения по азимуту и эллиптичности независимо при любых значениях V . В этом случае точки А и В, соответствующие излучению, поляризованному в плоскости резонатора и в перпендикулярной ей плоскости, переместятся на полюсы сферы Пуанкаре (фиг, 3). Изменение в этом случае приведет к перемещению точки, изображающей поляризацию излучения, вдоль одного из меридианов сферы, т.е. будет изменяться только эллиптичность излучения, а изменение (вызовет перемещение точки вдоль одной из параллелей сферы - будет изменяться только азимут большой оси эллипса. , А - . . Таким образом, в квантовом ге нераторе осуществляется управление Эллиптичностью и азимутом большей оси эллипса поляризации излучения как одновременно, так и в отдельности без изменения других характеристик генерируемого излучения, т.е. достигается автономное внутрирезонаторное управление поляризацией излучения, что является существенным .преимуществом по сравнению с известными устройствами. То, что уровень в элементе 10 с фазовой анизотропией не влияет на порог генерации лазера, позволяет использовать лазер для прехщзионных измерений фазовой анизотропии веществ, помещая вместо элемента 10 испытуемое вещество. В других устройствах внутрйрезонаторный метод измерения фазовой анизотропии применим только для веществ с малыми оптическими потерями, которые не приводят к срьгоу генерации. Как следует из формулы (2), коэффициент пропорциональности между ) и V мо981357010

жет достигнуть величин порядка 10 - анизотропии по сравнению с известны 10, что дает возможность увеличить чувствительность измерения фазовой

ми внерезонаторными методами примерно на два порядка.

ЛАЗЕР, содержащий активный элемент, основной резонатор и связанный с ним дополнительный кольцевой резонатор, в котором расположены поляризатор и фазово-анизо- тропный элемент, отличающий- с я тем, что, с целью осуществления автономного внутрирезонаторного управления поляризацией излучения, в основной резонатор лазера дополнительно введен анизотропный элемент, главные направления которого совпадают с плоскостями поляризации поляризатора, а в дополнительный резонатор введен второй поляризатор, расположенный так, что фазово-анизо- тропный элемент находится между поляризаторами, причем плоскость поляризации второго поляризатора развернута на угол 90** относительно плоскости поляризации первого поляризатора, а фазово-анизотропный элемент выполнен с регулируемой величиной фазовой анизотропии.(Л1U00ы V» ^

/ /

8

fl-И

4 // fff f7 fS

13

Ю

игЛ