Кольцевой лазер

 

КОЛЬВДВОП ЛАЗЕР, содержащий размещенные в резонаторе с возвратным, и выходным отражателями активный элемент , электрооптический затвор, состоящий из поляризатора, модуляционного элемента и анализатора, при этом возвратный отражатель установлен вне резонатора и оптически связан с ним, о т л и I а ю щ и и с я тем, что, с целью увеличения мощности и энергии IGECOA3HM ПИЕЙТНЭ-ТЕШЧЕШЙ 6ИБЛИОТЕКА. сдвоенных импульсов излучения с перестраиваемым временным интервалом между ними, возвратный отражатель установлен перпендикулярно к излучению на расстоянии S от анализатора, удовлетворяющем соотношению с c(t - 2tлэ) - 1 - X S - 2 где 1 опттшская длина резонатора; расстояние между поляризатоX ром и анализатором; скорость света; с интервал между генерируемыми t импульсами; tA3время прохождения излучением переменной оптической линш задержки, и в лазер введена переменная линия задержки, установленная между анализатором и возвратным отражателем .

А1 (gg)g Н 01 S 3/083

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ н *втаес вм 6аЩаТОъстви с (2< 3)

Б =2

1 где 1.— х— лэ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

IlO ИЗОБ1%ЧЗНИЯМ И mHPblYHRM

Я И ГННТ CCCP

1 (21) 2878529/25 (25) 3295435/25 (22) 01.02.80 (46) 30.01.92. Бюл, Р 4 (71) Институт электроники АН БССР (72) Б.Н. Тюшкевич. (53) 621.375.8(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

В 819421, кл. Н 01 S 3/082, 1979.

Авторское свидетельство СССР

У 764577, кл. Н 01 S 3/083, 1978. (54) (57) КОЛЬЩВОЙ ЛАЗЕР, содержащий размещенные в резонаторе с возвратньпк и выходным отражателями активный элемент, электрооптический затвор, состоящий из поляризатора, модуляционного элемента и анализатора, при этом возвратный отражатель установлен вне: резонатора и оптически связан с ним, отличающийся тем, что, с целью увеличения мощности и энергии .1

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано для создания мощных импульсных источников оптического излучения.

Известен лазер, содержащий моно.блочный электрооптический затвор с призмой-анализатором и соединенный с блоком питания; делительную пластинку> активный элемент и призму полного внутреннего отражения, последовательно расположенные на одной оси резонатора, образованного призмой полного внутреннего отражения и призмой-анали.,Я0„„1О31392

2 сдвоенных импульсов излучения с не-рестраиваемым временным интервалом между ними, возвратный отражатель установлен перпендикулярно к излуче-. нию на расстоянии S от анализатора, удовлетворяющем соотношению оптическая длина резонатора; расстояние между поляризатором и анализатором; — скорость света; — интервал между генерируемыми импульсами; время прохождения излучением переменной оптической линии . задержки, и в лазер введена переменная линия задержки, установленная между анализа- " тором и возвратным отражателем. затором электрооптического затвора; phil

1 зеркало, расположенное вне резонато.ра, разрядник, соединенный с блоком © питания электрооптического затвора; возвратный отражатель, оптически связанный через призму-анализатор электрооптического затвора с резонатором лазера. В качестве выходного отражателя использована одна иэ граней приз- ай мы-крыши (анализатора) электрооптического затвора совместно с его модуляционным,элементом.

Недостатками известного лазера являются низкая мощность и энергия

1031392 сдвоенных импульсов оптического излучения с перестраиваемым временным интервалом между ними и малый диапазон перестройки временного интервала между генерируемыми сдвоенными импульсами оптического излучения. Это вызвано тем, что с помощью призмы-крыши электрооптического затвора совместно с призмой полного внутреннего отражения накопленное в резонаторе излучение при выключении.электрооптического затвора расщепляется на два пучка плоскостью, перпендикулярной к торцу рубинового элемента. Одна из граней ; призмы-крыши электрооптического затвора совместно с его модуляци-. онным элементом является выходным отражателем, через который выводится из резонатора на выход в виде первого

;тмпульса один из пучков излучения.

Второй пучок через вторую грань призмыанализатора и модуляционный элемент электрооптического затвора выводится из резонатора в направлении возврат- 25 чого отражателя. Отразившись от возвратного отражателя, этот пучок опять попадает в резонатор и аналогично первому поступает на выход. В известном лазере поляризатором электроогти- 30 ческого затвора служит рубиновый элемент, являющийся анизотропным кристаллом и по этой причине обладающий плоскополяризованным излучением генерации, Рубиновый элемент, как поляризатор, в д>ормировании сдвоенных импульсов излучения, в формировании временного интервала между ними, в выведении импульсов излучения и резона.— тора в известном лазере не участвует. 40

В известном. кольцевом лазере перестройка временного интервала между генериоуемыми сдвоенными импульсами оптического излучения осуществляется с помощью перемещения возвратного от- 4 ражателя, В этом случае для получения сдвоенных импульсов на выходе лазера с временным интервалом, например, 6 10 " с, возвратный отражатель необходимо удалить от оси резонатора уа расстояние до 100 м, что не реально при практическом использовании указанных лазеров.

Наиболее близким из известных является кольцевой лазер, содержащий размещенные в резонаторе с возвратным и выходным отражателями активный элемент, электрооптический затвор, сосостоящий из поляризатора, модуляционного элемента и анализатора. В качестве выходного отражателя исполь-зовано зеркало-расщепитель. Возвратный отражатель выполняет функцию зеркала-подкачки, которое совместно с зеркалом-расщепителем образует пассивный вентиль для создания режима однонаправленнои генерации.

Однако и этот кольцевой лазер не позволяет получать сдвоенные импульсы оптического излучения с перестраиваемым временным интервалом высокой мощности и энергии и увеличить,диапазон перестройки временного интервала между генерируемыми сдвоенными импульсами.

Целью изобретения является увеличение мощности и энергии сдвоенных импульсов оптического излучения с перестраиваемым временным интервалом между ними.

Поставленная цель достигается тем, что в кольцевом лазере, содержащем размещенные в резонаторе с возвратным и выходным отражателями активный элемент, электрооптический затвор, состоящий из поляризатора, модуляционного элемента и анализатора, при этом возвратный отражатель установлен вне резонатора и оптически связан с ним, возвратный отражатель установлен на расстоянии S от анализатора, удовлетворяющем соотношению:

2<ë4

Я

2 где 1 — оптическая длина резонатора; х — оптическое расстояние между поляризатором и анализатором электрооптического затвора; с — скорость света; — временной интервал между генерируемыми импульсами; — время прохождения излучением переменной оптической линии задержки, и в лазер введена переменная линия задержки, установленная между анализатором и возвратным отражателем.

На чертеже изображен кольцевой лазер, содержащий отражатели 1, 2, 3, образующие резонатор, в котором расположены активный элемент 4 и электрооптический затвор,5, состоящий из поляризатора 6, являющегося также выходным отражателем, модуляционного элемента 7 и анализатора 8. Вне резо1031392 натора на оптическом расстоянии S от анализатора. 8 установлен возвратный отражатель 9. Переменная оптическая линия 10 задержки установлена меж5 ду анализатором 8 и возвратным отражателем 9. Размеры. резонатора и взаимное расположение оптических элементов связаны соотношением

1 + х + 28 = ct, что позволяет, 10 зная характерное время (й„g переменной линии 10 задержки, рассчитывать оптическую схему кольцевого лазера для требуемого временного интервала между генерируемыми сдвоен- 15 ными импульсами.

Коэффициент отражения отражателей

1, 2, 3 близок к единице.

Устройство представлено с полуволновым электрооптическим затвором 5, плоскости поляризации поляризатора

6 и анализатора 8 в котором совпадают. Следует отметить, что поляризатор и анализатор в устройстве взаимозаменяемы. Устройство может быть 25 осуществлено и с другими конструкциями электрооптических затворов,.работающих как на проход, так и на отражение.

Коэффициент отражения возвратного 3р отражателя 9 близок к единице.

Принцип работы устройства состоит в следующем.

Устройство работает в режиме сдвоенных сверхкоротких импульсов оптического излучения с перестраиваемым временным интервалом между ними, а также в режиме сдвоенных импульсов наносекундной длительности с узким спектром излучения и перестраиваемым временным интервалом между ними.

Режим сдвоенных сверхкоротких импульсов оптического излучения с перестраиваемым временным интервалом между ними может быть осуществлен с 45 использованием как активной, так и пассивной синхронизации мод. В первом случае в процессе накачки активного элемента 4 на электрооптический затвор 5 подают сначала предварительный управляющий импульс напряжения, обеспечивающий увеличение доб." ротиости резонатора до 20-60Х максимального значения,и модулируют предварительный -управляющий импульс с частотой,:равной частотному интерва- лу между иодами кольцевого лазера.

Большое время развития генерации на этом этапе позволяет в неселективном резонаторе кольцевого лазера осуществить за счет резонансной модуляции добротности фазировку большого количества мод. Синхронизация мод в этом случае приводит к формированию в резонаторе кольцевого лазера сверхкороткого импульса. Затем в момент, соответствующий развитию генерации, амплитуду управляющего импульса напряжения увеличивают до значения, соответствующего полному открыванию электрогптического затвора 5 и максимальному значению добротности резонатора, При этом в резонаторе кольцевого лазера происходит. резкое усиление. сверхкороткого импульса, который был сформирован в процессе медленного развития генерации. Поскольку в кольцевом лазере поляризатор 6, являющийся вы- ходным отражателем, и возвратный отражатель 9 не образуют невзаимный элемент для соэдания однонаправленной генерации, излучение в резонаторе лазера представляет практически два сверхкоротких импульса, распространяю-, щихся во взаимно противоположных направлениях. В момент, соответствующий максимуму плотности излучения резонатора, амплитуду управляющего импульса напряжения изменяют до значения соответствующего полному закрытию электрооптического затвора 5 и минимальному значению добротности резонатора. Тем самым осуществляется выведение сформированных сверхкоротких импульсов нз резонатора кольцевого лазера. При этом первый сверхкороткий импульс, поступающий на электрооптический затвор 5 со стороны отражателя 2, проходит через айализатор 8 без изменения, затем при прохождении через модуляционный элемент 7 плос» кость поляризации его излучения поворачивается на 90, и он выводится из резонатора через поляризатор 6. Второй сверхкороткий импульс, поступающий на электрооптический затвор 5 со стороны отражателя 1, проходит через поляризатор 6 без изменения, затем при прохождении модуляционного элемента 7 плоскость поляризации его из- . лучения поворачивается на 90, авали»

0 затором 8 он выводится из резонатора, проходит через переменную оптическую линию 10 задержки, отразившись от возвратного отражателя 9, опять про- ходит через переменную оптическую линию 10 задержки, далее через ана7 1031392 8 лиэатор 8 снова поступает на модуляционньпл элемент 7, при прохождении которого плоскость поляризации второго сверхкороткого импульса поворачиваето 5 ся на 90, on проходит без изменения через поляризатор 6, отражается от отражателя 1, несколько усиливается при прохождении через активный элемент отражается от отражателей 3,2,про- 0 ходит через анализатор 8, при прохождении через модуляционный элемент 7 плоскость его поляризации поворачивается на 90, и поляризатором 6 он о выводится из резонатора кольцевого лазера через промежуток времени t =

2th + {1 + х + 2S)/с после первого сверхкороткого импульса. Для фазировки мод может; быть использован и любой другой активный модулятор потерь либо модулятор оптической длины резонатора. При пассивной синхронизации для фазировки мод может быть использован насыщающий поглотитель, а выведение сформированных сверхкоротких импульсов из резонатора осуществляется аналогично рассмотренному выше. Длительность сверхкоротких 22мпульсов на выходе кольцевого лазера при рассмотренном режи- 30 ме генерации определяется количеством сфазированных мод.

И реж2пле сдвоенных импульсов нано. секундной длительности с узким спект-, ром излучения и перестраиваемым вре35 менным интервалом между ними в процессе накачки активного элемента 4 на электрооптический затвор 5 подают сначала предварительный управляющий импульс напряжения, обеспечивающий увеличение добротности резонатора до 20-607. максимального значения.

Большое время развития генерации на этом этапе позволяет в селективном резонаторе кольцевого лазера сформировать узкополосное затравочное излучение. Затем в момент, соответствующий развитию генерации, амплитуду управляющего импульса напряжения увеличи50 вают до значения, соответствующего пол22ому Открыванию электрооптического затвора 5 и максимальному значению добротности резонатора. При этом происходит резкое усиление узкополосного 21злучения кОтОрОе В связи с

55 тем, что поляризатор 6, являющийся выходным отражателем, совместно с возвратным отражателем 9 не образует в кольцевом зазоре невзаимных элементов, распространяется в резонаторе в двух противоположных направлениях.

В момент, соответствующий максимуму плотности излучения в резонаторе, амплитуду управляющего импульса напряжения изменяют до значения, соответствующего полному закрытию злектрооптического затвора 5 и минимальному значению добротности резонатора. Тем самым осуществляется выведение сформированного излучения из резонатора кольцевого лазера аналогично режиму, рассмотренному выше. Предельная длительность импульса на выходе кольцевого лазера при данном режиме генерации определяется временем обхода излучения по резонатору, а предельно достижимая ширина спектра излучения соответствует соотношению неопределенности.

Устройство может быть осуществлено и с другими конструкциями электрооптических затворов, а также с различными разновидностями кольцевых резонаторов.

Максимальная мощность, которая может быть получена на выходе данного кольцевого лазера, определяется соотношением где P — плотность мощности;

Й вЂ” диаметр активного элемента, т.е, по максимальной мощности выходного излучения генерируемых сдвоенных импульсов оптического излучения с перестраиваемым временным интервалом между ними кольцевой лазер в 2 раза превосходит прототип. При одинаковой длительности импульсов максимальная энергия генерируемых импульсов в данном кольцевом лазере также в 2 раза больше, чем в прототипе.

Таким образом, данный кольцевой лазер позволяет в 2 раза увеличить мощность и энергию сдвоенных импульсов оптического излучения с перестраиваемым временным интервалом между ними и значительно расширить диапазон перестройки временного интервала между генерируемыми сдвоенными импульсами оптического излучения. Учитывая, что кольцевой лазер может работать как в режиме сдвоенных сверхкоротких им1О

1031392

Редактор Т. Нарганова Техред A.Êðàâ÷óê

Корректор Л.Пилипенко

Заказ 795

Подписное

Тираж

ВНИИНИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР. 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5.Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина, 101 пульсов оптического излучения с перестраиваемым временным. интервалом между ними, так и в режиме .сдвоенных импуль- " сов наносекундной длительности с узким спектром излучения и перестраивае-. мым временным интервалом между ними, рассмотренные выше преимущества значительно позволяют расширить область

eFo применения. 10

Данное устройство может быть широко использовано в.пикосекундной лазерной спектроскопии, в голографической интерферометрии, при голографи-ческой съемке.быстропротекаюших процессов парными импульсами, ь лазерных системах связи и в других областях в качестве источника мощных импульсов оптического излучения.