Устройство для усиления оптических сигналов

 

Изобретение относится квантовой электронике, а именно (с оптическим усилителям , и может быть использовано для при ена, усиления м измерения энергетическим и спектральных хэрактернстш принимав мого оптического излучения Цепью изобретения явлчетсл повышение чу ветви тепьносги Цель.достигается за счет использования устройства для усиления оптическч1 сигналов включающего источник когерентного света, резонатор состоящий из ппооого зеркала раСпочпч енносо пер пенди упярно оптической оси резонатора и зернала выпЬл ненн(хо е виде пппрр ности сегмента эллипсоида вращения финальная ось которогд сбвпй4эет с оптичссюй осью резонатора причем фш-ycti эллипсоида наводятся на равны и расстояния« по обе стороны от ппосюго. зеркала с инвертированной активной средой ме: ду зеркалами В конструкцию устройства нипдя так.+е фотоприемник ; : электронная система обработки сигнала и приемная оптига содержащая кольцевое сферическое зеркало распо по еннОе пб перйферии з еркэпа выполненного в Поверхности сегмента эллипсоида Вращения причем фок ус сферического aepirahl совпадает с негодящимся вне резонатОр а фокусом зеркала, выполненного в виде поверхности сегмента эллипсоида вращения 1 ил ел с

г О ОЭ CCIBF rht1I

Г-ЯЧг1Алглс п1 IFrl lf a

РГГПУ% Пг19

11111 Н ОЧ 3/ lI)t

ГОСУ6АРСМЯЕ ltfbt4l КОМ1ТЕТ

tlo11çoÁÐåòFí11ëì 11 ОтФРыг! 1ялп

ПРИ ГКНТ СССР

М АВТОРС)1,.ОМУ СВИДЕТЕПЬСТВУ (4Н) 23„07,93, Блл, Р" "7 (Щ 4775666(25

Г22) 29 12„89 (71) Институт геокимии и аналитичесгои имиИ им 811 Вернадсггого ЬН СССР (72) А И. Мигюшин, А M Полглщуг, С K..Исаев и В С..1"зрпов (56) Устинов Н Д.. и др Юетодьг обработн и оптически попеА в лазерной nohaqhtll М

Наука, 1983,, с 3 30 — 190

Берштейн И tl и СтепзновД П Обнаружение и измерение мзльг обратны. Отрз+ е нийла ерногоизлученгля -Иав ВУ3ов, сер

Радиофизи, з, 3973, и 14, И 4, с 511 — 536

p4) УСТРОЙСТВО ДПЙ УСИЛЕНИЯ АПТИ

ЧЕСУИ . СИГН4 ООВ (57) Изобретение относится вваг4товогл элелтрониле, а именно к оптг1чеслг1лл усилителям, и hllottrPT быть 11спопьзовано для nplfейз, усиления tl измерения энергеплчегл г1 и спектральны к::арастерг1стил принимае

МОГО ОПТИЧЕСЛОГО ИЗЛУЧеНИЯ ЦеПЬЮ изобретения являетсп повышение чувствиИзобретение относится > лвантовой

-иектрони е з именно к оптичеслим усипитесям и ллоэег быть испопьэавзно для приема, усиления и иэмергния энергетичеа if и спектральны гэралтаристиФ пр11ниг1паг. мого оптичеслого иэпучанйя

И:лвестни рз лп(1чние тглпи Оптг1чег1 и н усилитепегг. Недостатлам Mhl1 типов усипигепег1 является отнпгитапьнО небоп щвг1 коэффищгленг усиления Иэваствн 1етаровинныг1 ллетод усипания спт11чег ии ctfrHBпов gCHOBHtAH НеДОГТit rlinhf 1 з 01 О рада

SU t 702844 А) Terlt Hol-.. Цепь достигается Bà счет использования устро cTBB,цпя усиления оптиче

chг1 сигналов влпючаюгцего источнг1л (1 ОгерентноГО света, pp:10н 10р состОящ tel

lfa nnOCaOt O kepi ann paCnOiin ti eHHnra nep пейдилулярно оптическпЙ оги реэанзтора и зеркала выполненного El виде ппвер насти

1 1 ( сегмента элпипсоида яра <ения фанзпьнзя ось которого совпадает с оптичсслой Осло реэонаторз причем фплусц 1ппипсоида на.одятся на равны р4СГ10яния пп обе стороны от плоского эеркзпэ с инварп1рованной злтглвнОЙ cpe+III1 hfdf it ду fp..pt Зпамг1

Б нонструкцг1ю устрог1ства в пцят твом +c фа топриемник элелтроннзя система абработ. и сигнала и приемная Оптига содар зщап л ОпьцРвое сферглчесг ОР эер1апо распо

ПОФРннбе п6 пернферии эерлзпз вцпапHeíHoÃ0 EI виде noBEp f ности reÃìeHòÇ эппипсоида вращения причем фон ус сферического эерлМа совпадает с н .одящиллся вне реэонзтбра фо усом эерьзпз, выполненного в виде повер.ности cåãtfåíòý мпипсоида вр э<ценг1я Ч ип

-Ф (QcIfn fTellel1 ЯвпЯетГЯ weol3 : oIllft tncTb СОГ IB

Сования воп110ви ь франтпв 11 ус I ttF нгle Опт!1

lect: è сиГнапОв 11ллеющ 1 ° птногитепьнО

BVC0I BIO nPOC rP 4HC rneHH Iii In lf ВРаг1ЕНН У о огерентнасгь

Наиболее бпи1ь им пп те:: ничес ll11 сущ. ности г устраигтву пп иэпбргте плн л па угипения Опт!1чег1 и: cil Ãll 1 пппб яви яатся устроистпа реап I Inlllаг 1 1пrt IlIIiòpt1рг ланаторНПГП npl IF>f 1 I i г 1г П, г11О Гn и Irl ti IFH t i tt

1702844 ц Ao)! у1= — ——

2 л() 1

Устройство для внутрирезонаторного усиления оптических сигналов включает в себя источник когереитйого света с резонатором, состоящим из плоского зеркала и где t — длина активнои среды; зеркала с криволинеййой отражаюгдей по- 5 g — м«имая часть восприимчивости акверхностью с инвертированной активной тивной среды, средой между ними, фотоприемиик. Размещенный на оптической оси в«е резонатора, (Э)

: И электронную систему обработки сигнала.

Устройствр аффективно работает как в ви- 10 димом, так и в Йнфракрасном диапазоне;: Лв — ширина полось резонатора;

Недостаткой описываемого устрпйства: .. в - частота лазерного излучения; является относительно низкая увствитель- А - амплитуда поля внутри резонатора. ность; - .: " .: .. :: .: .: Из выражения (1) видно, что перемен. Внутрирезонаторный прием слабого 15 ная часть амплитуды зависит от гоэффициоптического сигнала осуществляется через ента пропускания выходного зеркала Т и одно из зеркал резонатора лазера. Уст- cos po ройство содержит резонатор и и«верти-: Квадратичйаязааисймость переменной

Рованиую среду, т.е. РаботаЮций лазер и части амплитуды излучения лазера от козфпрйемопередающую оптику. фотоп6ие ник 20 mini мента пройускания отражает тот факт, лазерного излуче«ия и электрон:vin,:иств- . что в формуле (1) учитывается величина выму выделения полезного сигнала. Upt1 зтом хода зо«дкгрующего излучения и входа чисти лазерное иэлученив,.отраженное или расее- рассе.- « - о излучения снова в Резонатор. янное от объекта, наг1рааляется на i6 ке .. Поэтому, сг,и удастся увеличить av»r"-лиМесто выходного зеркала, из которого выхо- 25 6о образом коэффициент пропуска юч без дило зондирующее лазерйое излучение. Та " измененйй условий возбуждения генерации часть излучения, котоРая подается обРа но лазера (без изменений величины порога re s лазерный резонатор; вызывает изменение нерации), то удастся увеличить переменную частотйо-временных характеристик излуче.: часть амплитуды генерации и снизить порог. ния лазера, Модулированное излучение ла- 30 обнаружения слабых оптических сигналов. зера принимается у другога зеркала целью изобретения является повыше.Реэонатора на фбтоприемник выход »о- ние чувствительности, рого соедийен с электронной системой об- . Цель достигается засчетиспользовэния работки сигнала. При этом происходит как устройства для усиления оптических сигнаамплитудная. так и частотная модуляции 35 лов, включающего источник когерентного выходного излучения. - ::,: .:,, света, резонатор, состоящий иэ плоского

Рассмотрим амплитудную модуляцию . зеркала, Расположенного перпендикулярно

Иеремейная компонента амплитуды а, воз- - оптической оси резонатора. и зеркала, вы.нимающая при воздействии на резона ор полненного в виде поверхности сегмента лазера йринимэемого сигнала, находится 40 зллипсоида вращения, фокальная ось котоиз выражения .: .::::: . рого совпадает с оптической осью резонато,ра, причем фокусы зллипсоида находятся иа

С R Т А: ..:: - : Равных расстояниях по обе стороны от пло. ского зеркале с инвертированной активной

Р

45 средой между зеркалами. В конструкцию

Й вЂ” доля излучения лазера, возвращенная, устройства входят также фотоприемник, на поверхность выходного зеркала;, . Размещенный иа оптической оси вне резо. Т вЂ” коэффициент пропускания выходно- натора, электронная система обработки,пого зеркала;.:;. - .:: .... - лезиого сигнала и приемная оптика, L — расстояние между зеркалами резо- 50 содеРжащая кольцевое сферическое зерканатора;: .: . ло, расйоложениое по периферии зеркала, Ao — амплитуда поля на выходе резона- выполненного в виде поверхности сегмента тора при отсутствии внешнего воздействия; зллипсоида вращения, причем фокус сферис —. скорость света; . ческого зеркала совпадает с находящимся

- pn — фаза. зависящая от расстояния до 55 вне резонатора фокусом зеркала, выполобъекта ненного в виде поверхности сегмента зл\ .р — коэффициент проч«ости предельно- липсоида вращения.

ro цикла, отражающий процессы в рассмат- . Анализ технической и пате . «ой лигериваемой двтоколебатепьной системе Ратуры не выявил тех«и«еск г:-:ч е,н1й об1702844 где t — рэссттояййе между зеркалами

ЭО

Устройство для усиления оптических сигналов состоит иэ лазера, образованного резонатором из двух зеркал t и 2, активной

R1 - радиус кривизны зеркала.

В случае полуэлиптического резонатора среды 3, системы 4 нэкa x«. Зеркало 2 пред- кривизна злпйптического зеркала меняется ставпяет собой сегмент эллипсоида ора>це- . в разных точках поверхности. Следователь35 но, увеличение резонтэтора меняется йри отния с фокусами 5 и 6. расположенными внутри и вне резонатора соответственно. ступпении от егб оси. Это означает, что при

Зеркало 1 плоское и распойожейо на florio- -приближении пучка света к оси площадь его вине расстояния между фокусами йерпен- " сечения умоньшэется в M раз на каждом проходе. Во столько же раз увеличивается дикулярно фокапьной оси, совпадающей с оптической осью лазера и усилителя в цеплотность мощности излучения в пучке лом. Приемопередающая оптика направля- Следовательно, генерация в таком резонает свет на фрагмент сферическотго зеркалЭ торе развивается преимущественно нэ оси

7, выполненного в виде шарового пояса. резонатора (вдоль oc4). Поэтому перифеФокус сферического зеркала совпадает с . рййные части инвертированной активной фокусом 6 эллиптического зеркала, т.e. c среды не оказывают влияния на спектральфокусом, который находится вне резонато- но-времейнйе характеристики в генерации ра. В качестве приемной оптики использу- и могут служить для усиленйя йсследуемого ется линза 8 с фокусом 9 в сочетании с оптического сигнала. Таким образом, пространственно- частотным фильтром 10, прежде, чем принймэемое излучение приобразующим пучки света Пт и П2. Для ре- 50 близится к оси реэойатора, îío усилится

ГИСтрацИИ И ОбрабОтКй ВЫХОДНОГО СИГНала ОрОПОрцИОтНаЛЬМО ЧИСЛУ ПрОХОдОВ. лазера служит фотоприемник 1,1. соединен- .::: 8 качестве примера конкретной реалиный с электронной системой 12 обработки:: зэции устройства приведем конструкцию полезного сигнала. . : - -":: or>Tè÷acêàão внутрирезонэторного усили е55 ля, активной средой которого является

Устройство работает следующим обра YAG + Nd . работающий на длине вол> ы

+з зом. После оключения (начала генерации) 1.06 мкм, Выбор этого вещества обусловлен лазера, образованного активной средой 3 и возможностью создания достаточно ми»иазеркалами 1 и 2, лазерное излучение через тарного устройства с высоким коз >фиципн т т зеркало2поступаетнадетекториэлектрон- том усиления. Кристалл YAG Мб дл .«. падающих совокупностью существенных ную систему обработки, энализиру>ощую признаков, совпадающих с предложенным, его амплитудно-чя:тотные характеристики. что позволяет сделать вывод о соответствии - Регистрируемое излучение, содержэпредлагаемого технического решения кри- щее полезную информацию, принимается терию "существенные отличия". 5 приемной оптикой 8, парэллепьйым пучком

Осуществить внутриреэонаторный при- попадает нэ сферическое зеркало 7, ем оптических сигналов путем ввода его ми-: опоясывающее эллиптическое зер«эло мо зеркал оптического резонатора можно с 2. Отражаясь от сферического зеркала, использованием лазера с неустойчивым ре- свет фокусируется s направлении фокуса 6 . зонаторг>м. Неустойчивыерезонэторыявля- 10 эллиптического зеркала. совпадающего c ются классом резон">торов. а которых - фокусомсферическогоэеркэла. Напутипучположительная обратная связь Осущестоля-:-. ка света стоит плоское зеркало 1, отражаясь ется за счет некоторой части сечения пучка от которого принимаемый свет пройдет чегенерируемого излучения, Именно это и по- ". рез фокус 5, находящийся внутри резонатоэооляет ввести в резонатор анализируемое 15 рэ. Последовательно 6трэжаясь от зеркал 1 излучение мимо его зеркала; - . : ..: и 2 резонатора, пучок исследуемого света>

Излучение, попадающее в лазерный ре- будет уменьшаться в Сечений и приближэтьзанатор, вызывает изменейие амплитудно- ся к оси резонатора, частотных характеристик излучения лазера. ::::- В работе устройства можно выделить

Модулированное излучение лазера прини- 20 дваслучэя:активныйипасстбвный. Свойстве мается зэ другим зеркалом резонатора не- генерируемого излучения формируются в посредственно фотоприемником, выход С узкой активной зоне, вблизи оси резонакоторого соединен с электронной системой " торэ, определяемой геометрическими обработки сигнала и при помой и другого . свойствами резонатора, о частности его анализатора. например, спектрэпьного прй- 25 увеличением борз — аталона Фабри-перо.

На чертеже прелотаелена приниипи-,:,:">„- > > — Р + эльная схема устройства для усиления Опти. ческих сигналов.

17028 14

50-6О ллкм пом 1цэетгч в попузппиптиче скб»б» реэпнатор, одно эеркало латарого ппослое, а другое — эппб»пг11че -hot«Н31;1чкв кристалла асущестапл1этсч пампой ипи све тодб»одэм1» Воэл1ОЪ нэ лонстг»убцб»ч пр11 лoTop011I 1ephBn3 реэонэторэ выполнены прчмо нэ торца«. лрббстаппэ что дает возможность p360r3I t на 1эдной продопЬнай

Л»ОДЕ ФРаГМЕНТ ЗЕРКапа ЗППНПГОИДа ВРаЩЕнб1ч выбираемдб»эл»етром 10 rбм, рассточние

hhe«I ду фолусэл»1» — 75 мм Р,эсгтачн1»е ме.иду

ППОСКб»М И Зллббптб»ЧЕСб ббЛ» ЗЕрЛалаибб выбираем Г учетом длинь| и i»ohаэателч преломлснич àhтнвного кристалла Оно

0I ээывзетсв oh010 Bll мм Дпп приемоперед.1юще1» Оптбблб» пыб1.1рж м прббел»ныб1 абьентив в виде попо б»тельной пб»н.м с фо«усным рассточн«ем 50 мм и фрагмент

t h0ПЬЦа) СфЕРб1ЧЕСб ОГО 1еР1ЭПЭ С ()OI $CI-Itlrh рагсточн1,1елг 11А мм с внугpetlthltr» диэметрпм бопьца 10 мм и внеан11Ỡ— 100 мм Нэ

063 вертала нанесены t»íoãol:Itîltíûe диэllPItTPlIIIeCtl1e r10l pLI 71hll i 1№0»ффб»ббйеб1ТОМ пропускэь11111, бл!»экб»1-» № О О!

И нэ 1естве фотопр1»емникэ мориа исГбопь ппэть фотаул»но»;;б1тепь Ф:3у-20 чупствитепьн01 ть F„OTopÎÃÎ HB вопбlе 1,Об мб м

Д01-..татачl10 ВЫСО1 3 It ;.ОТОРЫ» P TO +Е QPPhiil

n6nадаеГ дастаго llto nhhcol 011 обнару лителhHOII спосабб10сть10 (В лачестве эпелтронно1«1 системы выделен!»ч попюнОГО сl»Гнапа hho 4 нп испопьэОвать спектроэнэпб1ээтор работа1ащий в с01этветствубо1цел» частотном ц1,1зпаэане

llpt» тал бб«параметра ° оптичесл ай С11стемы вы1пднэч мощность п,33ep3 буде поряд1 а 5 мВт при однопраценгнам превышенббб» нэ ачли над порогом При регббстрацибl раасвлннога паэернобо снега ега спектрапьббьбйдб1апа10Н доп бе11совг1ааагь с

Лб»нб»Еб» 1 СI»neНИЧ алтйвнай среДЫ

11ри а1эт»адэниб» внутрь реэонэтора б1сс едуемаго б»зпg ÷eítln с частотой 10, + Я где Й -- нелб1чб»на сл-1ещuнич частоты ltrcneдуеЛ»огр 9»и ченб»ч от центра ILHOI- частоtè спелтра лаэерэ rlt, нэбподаегсч лбадупчцич„б»эпучей!»ч паэерэ ЙГ»пп!»Гуду вы Одl(ОГО б1ЭПУЧЕНИЧ I"»0» НО ПРЕДСтанить О ВббДЕ

Ал -- 111 + а ГДе А — вы однао эл»ппббтУДа изпуч1 ..нич л31ерэ 4n — амплитуда Генера

g1.11» невоэл»ущеннога паэерэ

ПОСЛ ОПЬЛ>) 1»11 ГЕНСИВНОCГЬ ОП Гl»ЧЕГЛОГО

5 сигнала пропорциональна (д + 3l- то фогоТО! 113 оьб «Оде Ф. 1v нэр11ду с н ол»пОнентами с частотами Йи 2 Р будет тэл ле содер+ th компоненты, свчээнные Г фаэовой модуп1— цб»ей исследуемого сигнала

Ю 11спопьэуч вЫра ление (I) лto к:на rll3vr3 ать, что переменнэч составлч10шэч ампли туды поэрэстет по «райней мере на два парчдлэ, т е в 1131оел» cnysoe б»эпучен1»е по ступаег непосредственно в реэпнэтор rhlh15 нуч его эер1"эпэ

Т,11 им обрээом устройства дп 1 усипе

HItR ОптИЧЕСI И ГИГНаПОП ИМПЕт ПО <,Р31ЭНЕ

Нию с пратотипол» чу11ствб1тельнасть 113 два

Парвд1 а ВЫШе

2О Ф о р М у и 3 1» а о 6 р е т е н б1 ч /строб»ство дпч усипенич оптичесли>

cl;ITI1éëОв Ul="nIo÷310ùee б1! Гочнбll Р ОГсрентнОГО света, реэонатор состОРщl»й иэ плоского::Iepr à 13., рэспопо«1-енного перпен »5 ди1упчрна аптичеглаб» асl» ре301»Отара, и аерлэлэ с лрб»волб1не1»наб» отра кающей посер ность10 с м»л»е Гр1 1чно относительно оси реэо11атора с инвертированной алтб»внаб1 средой rhe +äó верб алэмб1, фотоприемнил, ЗО раэлбещенныб1 на оптичес1 ой Оси вне реэоHBToра rtpl;IphhIl tIIQ Оптбббуи эпектраннуlо с1»стему 06pабОГкб» папеэнпго сиГнапа, О Г и t1ч а I0 щ е е с я Tehh, что с целью попышнб1ч чувстви тел ьн ости зерб апо с л-ривп п»ней ной

35 отра-к;11оае1» павер№ностью выполнено в BL де павер«насти сегмента эппипсоидэ ваэщенил фон эпьнал ось которого совпадает с

Опт1,1 1есбай Осьбо РезОнэГОРэ пР119ehh факIfсы эппипсоидэ на одчтсч на равны рэссто4О чнбгп по абе сгароны от ппасл ого зерлапа э rtpvll tht13II оптика содер лб»т лопьцевое сферичеслое зеркало, рэсполо,+,еннае па периферии аеркалэ с лривопинейнай огра лабобцеб» понеркнбзстью npl»1ем фолус

45 сферббческ1эго эерлэпэ совпадает с на«адч щимсч вне реэонаторэ фа1усом 3eph эпа с л-ривопинейной отра кэющей повер,но1 сть1о

Составитель 8.Родченкова

Редактор Т.Лошкарева Техред М.Моргентал Корректор O.Кундрик

Заказ 3086 . Тираж: Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиюм при ГКНТ ССС

1 13035, МЬсква, Ж-35, Раушскан наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101