Пассивный модулятор добротности резонатора лазера Советский патент 1983 года по МПК H01S3/11 

ДАКМ Ьвмн

V

12 4,тм 198 Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к пассивным моцуляторам добротности резонаторов лазеров, и может быть использовано при получении частотно-периодических реясимов лазерного и синхронизации мод лазеров. Известны пассивные модуляторы добротности, выпол11енные на основе растворов органических красителей IJ Недостатком таких модуляторов является их кизкая фототермическая и фотохим1гческая УСТОЙЧИВОСТЬ, невозможность работы в частотно-периодическом режиме без принудительной прокачки раствора, сильная завидим ость начального поглоще-J Ния ат температуры, токсичность.. Наиболее близким к предлаг-аемому является модулятор на основе щелочногаловдного кристалла, содержащего поглощающиецентры з. Этот модулятор отличается высокой фoтoтep aIчecкoй и фотохимической 5стойчивосгью, позволяет осуществпять частотно-периодический режим работы без специального принудительного охлаИф,ен1Ш|, нетоксичен и, кроме того, способен иб:юпечивать синхроюгзацию мод лазера. Недостат5сйм такого модулятора является ограниченная возможность управпе НИЯ диапазоном рабочих .длин волн. Этот недостаток яшшется следствием того, . что в качестве рабочих центров в этом модуляторе используют центры окраски, спектральйые области поглоШешя которых 42 определяются самим -кристаллом, ВведеNOI ,71 и (ше таких примесеЙ как других смещает диапазон рабочих длин волн в пределах 100 нм, но не обеспечивает возможности управления диапазоном рабочих длин.волн в оптической области спектра от О,4 до 2 мкм. Для управления диапазоном рабочих длин вол в пассивном модуляторе добротности резонатора лазера на основе щелочногалоидного кристалла, содержащего .поглощающие центры, щелочногалоидный кристалл содерясит Z - центры окраски, гфичем 2 - центры образованы легированием щелочногалоидного кристалла двухвалентными ионами щелочноземельных мета плов (Р, 3 П, либо Z - центры образованы лепфованием шелочногалоцдного кристалла двухвалентньми ионами редкоземельных металлов (1Ц.З), либо Z центры образованы легированием щелочногалоидного кристалла одновременно иона- . ми щелочноземельных и редкоземельных металлов.. Спектральная область оптического поглощения Ъ - центров зависит как от самого кристалла, так и от легирующей примеси. Полосы поглощения центров окрао ки Ъ - типа ( Z,,, 22. 3 И щелочногалоидных кристаллах перекрывают широкую область спектра от 0,4 до мкм.. Это видно из таблицы, в которой приведены положения максимумов по-лос поглощения Z - центров.

0,470,471

НаСе . Са

5г

О,506 0,516

то же

Ва

EU Са

0,502 О,516 0,59 ксе

Sr

0,590,635

то же

.0,4

0,4

0,67 0,96 1,2

0,402

0,491,2 1,53

0,496 1,02 t,26 1,59 О,59 О,595 КВ 0,668 0,668 то же 0,657 0,716 0,675 0,675 0,675 О,675 0,754 О,635

С 5 ВК

Са

Продолжение габлпиы

0,742 ,639 О,815 0,716 0,7160,849 1,О2 1,42 1,93 0,512 1,14 1,72 О,7ОО,Б56 О,558 0,98 1,14 1,49 0,720 0,849 0,95 1,29 1,77 0,840 О,750 О,832 1,04 1,16 1,46 2,03 О.730,86. ОД25 О,92О О.84О ..

SvEu Ba, Eu

Обозначения и примечания: Черточка - данные пока не получены. Звездочка - данные взяты из спектров , возбуждения гаоминесценции. Полуширины попос - порядка 100 - ISO HMI. Положения мaкcимyIvIoв измерены при 77 К, На чертеже показаны полосы поглощения оаного -из видов 2 - центров, а имен но 2г - центров в кристаллах На С1 Са ( -St (2), КСе -Са(3) КВр -Ей (4), КСе - Ва (5),RbBl Ва (6), CsJ (7), а также центров 2 (8) и 2(9) центров в зфисталлах прототипа Подбором легирующей примеси и щелочногаловдного кристалла получают легированный кристалл с заданны ми cпeктpaльньпvШ оптическими свойствами, например с полосой поглощения в нужном диапазоне д1шн волн. Одновремен ным легированием кристалла двумя (или более) сортами примеси получают легированный кристйлл, имеющий рабочий диапазон необходимой ширины. Таким образом, как показьюают измерения, использование Z - центров окраски в щелочногалоидных кристаллах позволяет достичь цели изобретения управпения диапазоном рабочих длин воли в широких спектральных предеНесмотря на то, что центры окраски 2, - типа пока изучаются лтиь в щелочн галоидньпс. кристаллах теоретически не исключета возможность образования подобных центров, окраски в других ионных кристаллах. Нахождение 2 - подобных центров в других ионный кристаллах еще более расширит возможности управления диапазоном рабочих длин волн.,

Продолжение таблицы

0,742

г,ог 1.41

O,92O O,84O I. - Изобретение можно использовать в качестве активного элемента лазерв в связи с тем, что временные параметры люминесценции 2 - центров подобны параметрам люминесценции центров окрас-, ки прототипа. Преимущество I лазера на Z - центрах состоит в возможности управления длинами волн генерируемого , излучения, подбором легирующей -примеси и кристалла, поскольку длина волны люминесценции 2 - центров зависит как от того, так и от другого, Центрь окраски 2. - типа создают подобно центрам прототипа с помощью облучения кристаллов ионизирующей радиацией или частицами вьюокзнх энергий, или прогревом кристалла в течение нескольких часов в пар щелочного металла при температуре., близкой к температуре плавления кристалла, т. е, способом аддитивного окрашивания. ,: Пассивный модулятор вьшолнен в виде параллелепипеда, размеры которого брались в пределах от 10«10 О,5 мм до lOlOlO кол J В качестве MaTepHa- ла модулятора использовались монокристаллы щелочных галондовэ например NoiCE , ксе , квг, KJ , RB.ce , С5се, , и другие, выращенные из расплава, с добавлением в исходную шихту галоидных солей легирующей примеси, например примеси кальция, стронция, бария, европия, щтгербия и других. Вводят либо соль одного какого-либо металла, либо комбинацию из двух или более легирующих солей (см. табл., п. 27). Концентрацию легирующих примесей берут в широких пределах, так как она не влияет на ра-. бочий диапазон .олин волн Изменение концентрации примеси приводит лишь к необходимости измене шя эффективной длины модулятора для обеспечения требуемого значения начального оптического пропускания модулятора. Четл выше кон центрадия примесей, тем, бол ее тонкие пластинки кристаллов используют. Верхний предел концентраций ограничен раств римостью солей легирующей примеси в веществе кристалла и специфичен цля каж дой примеси вкаждом кристалле.В используемых кристаллах верхний предел концентраций примеси лежит в интервале 0,8-1 вес. % примеси в шихте. Превышениз его ведет к выпадению фазы легирующей сопи помутнению кристалла, т, в. к его порче. Нижний предел кон- 1 ентраций примеси .диктуется разумными размерами модулятора, которые, в свою очередь, зависят от размеров резонатора Например, при эффективной длине модулятора около I мм концентрац1по примеси берут порядка ОД вес. % в шихте, а при эффективной .длине порядка Ю мм для обеспечения того же начального пропуска ния концентрация примеси будет около ,0,О1 вес.% в шихте. При использовании пассивных модуляторов, ИЗГОТОВЛЙ1НЫХ из окрашеннь1х щелочногаловдных кристаллов, легированных ЩЗилиРЗ примесями,по;1учены гигантские моноимпульсы излучения рубинового и неодимового лазеров. Например, модуля- . цию добротности резонатора неодимового лазера, работающего на .длине волны 1,О64 мкм, производят с помошью модулятора, вьшолненного из легированного двухвалентными ионами бария аддитивно окрашенного кристалла R вВг , содержащего щэеимущественно I, - центры. Конц«1трацкя бария бается из интервала от 0,1 до 0,5 вес. % в щихте, посжольку превышение концентрации 0,5 вес.% приводит к выпчдеЬию фазы примесной соли, уменьшение концентрации примеси ниже О,1 вес. % нецелесообразно, поскольку ведет к увеличению размеров модулятора Модулятор эффективно работает без специального принудительного охлаждения с. частотой повторения ш шульсов в интер вале 12,5-1ОО Гц. Наработка составляет Ю нмпуттьсов без существенного измен ния параметров модулятора. Начальное оптическое пропускание модулятора на длине волны генерации составляет 55%.Энергйямонои мпульсаравняетсяО,01 Дж. В режиме свобооной генерации энергия импу;1Ь са. равна 0,14 Дж. Дл rreпьнocть моно- . импульса в реж1а1е мо.цуляции .добротности порядка 2О-30 не. Фор п1рование гигантского импульса нео.цпмового лазера .длительностью порядка 2О НС -наблю.далось также с помощью пассивного модулятора, выполненного из гамма-обЛ енного кристалла КСР - Si , содержащего центры окраски - типа. Модуляция добротности резонатора рубинового лазера, работакяцего в режиме одиночных импульсов на длине волны , 0,694 мкм, достигнута с помощью пассивного мо.дулятора, выполненного из легированного двухвалентным европием аддитиНо окрагенного кристалла КВр , содержащего преимущественно 2 Центры. Начальное оптическое пропускание равняется 45%. Энергия в импульсе составляет 0,23 Дж в режиме свободной генерации и О,О2 Дж в режиме с модуляцией добротности. Длительность гигантского импульса равняется 20-ЗО не. Концентрацию примеси в Ш11хте берут из интервала О,,8 вес. % Выход за пре.делы интеовала нецелесообразен. Мо.дуляция .добротности резонатора рубинового лазера дост1П нута кроме того, с помощью аддитивно .окрашенных кристаллов RBBf -Sr , KbBi- -eu . КСС -Ва и kCE -Са, содержащих центры окраски 21 - -типа. Пассивная модуляция добротности резонатора Неодимового и рубинового лазе- ров осуществлена также с помощью аддитивно окрашенного кристапла RbBr легированного одновременно двухвалентными-ионами европия и бария. В шихту вводится по О,1 или по 0,5 вес. % легйрукдцих примесей. Спектр оптического поглощения такого кристалла содержит как - полосы, характерные для европия, так и 7i - полосы, характерные для бария, что и позволяет производить модуляцию добротности резонатора в диапазоне .длин волн необходик ой ширины с помощью одного и того же кристалла. С помощью пре.цлагаемого пассивного модулятора осуществлена пассивная син хроЕйзация мод рубинового, а также неодимовог-О лазеров. В качестве материала модулятора используются аддитивно и гамма- окрашенные кристалы КС С - Са, КОЙ - 9i и кеб - Ва с центрами окраски 2, - типа. Начальное оптическое прог скание кристаллов на длине волны 9.9 генерации около 5О%, Наблюдалась дост точно устойчивая (ввроткость v , 30%) картина синхронизации мод лазера. Расстояние межпу отдельными импульсами в цуге порядка 6 не, а длительность импульса - порядка отен пикосекунд. Концентрация примеси взята из области верхнего щэедела концентраций с тем, чтобь кристаллические пластинки имели как можно меньшую толщину, что важно случае синхронизации мод, так как кристалл модулятора необходимо помещать в резонатор как можно ближе к одному из зеркал. Таким образом, испытания показали, что пассивные модуляторы на основе . 4 окрашенных щелочногалоидных кристаллов, легированных двухвалентными ионами ЩЗ или РЗ металлов или комбинациями этих ионов, способы обеспечить возможность управления диапазоном рабочих длин в пределах О,6-1,2 (мкм). Использование центров окраски примесной природы позволяет увеличить концентрацию рабочих цейтров, по крайней мере на порядок по сравнению с прототипом и, следовательно во столько же раз уменьшить эффективную длину модулятора. Последнее важно в случае синхронизации мод или при использовании в резонаторах малых размеров.