Способ стабилизации лазерного излучения

 

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к стабилизации лазерного излучения, и может быть использовано в системах оптической связи, обработки информации и в научных экспериментах. Эффект стабилизации достигается путем использования комбинации двух цепей задержанной обратной связи (ОС) положительной и отрицательной, причем задержка в цепи отрицательной ОС выбирается меньшей времени обхода светом лазерного резонатора, а в положительной - не меньшей времени обхода. При условии превышения воздействия отрицательной ОС над положительной использование такой комбинации обеспечивает гигантскую область стабильности по полному усилению (максимальное допустимо усиление более чем в 10 раз превышает пороговое). Оптимальное соотношение воздействия положительной и отрицательной ОС лежит в диапазоне 10-50%. При соответствующих временных параметрах ОС производят синхронизацию мод лазера и обеспечивает генерацию длинных цугов ультракоротких импульсов. Технический результат : изобретение позволяет стабилизировать работу лазера в широком диапазоне усилений активной среды и добротности резонатора как в непрерывном режиме, так и в режиме генерации длинных цугов ультракоротких импульсов. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к стабилизации лазерного излучения, и может быть использовано в системах оптической связи, обработки информации и в научных экспериментах.

Известен способ стабилизации излучения лазера с помощью цепи внешней отрицательной обратной связи. В устройстве [1], реализующем этот способ, отрицательная обратная связь осуществляется с помощью внутрирезонаторной ячейки Керра. Часть лазерного излучения выделяется и через линию оптической задержки направляется на оптоэлектронную схему, формирующую управляющее напряжение ячейки.

Недостатком известного способа является принципиальная нестабильность генерации при высоком уровне усиления, обусловленная свойствами нелинейных динамических систем с задержанной отрицательной обратной связью. Это проявляется в том, что при увеличении накачки во временном ходе лазерного излучения возникают самопульсации с последующим переходом к хаотическому режиму работы, при котором мощность излучения представляет собой случайную функцию времени. Предельные значения усиления, допускающие стабильную генерацию, в таком устройстве не более чем в 2-3 раза превышают пороговое значение.

Известен также способ генерации, основанный на применении внешней или внутренней положительной обратной связи. Одним из примеров лазеров с внутренней быстрой положительной обратной связью является лазер с внутрирезонаторным насыщающимся поглотителем [2]. Этот способ характеризуется тем, что принципиальная неустойчивость, связанная с наличием положительной обратной связи, приводит к импульсной генерации, а режим квазистационарного излучения не реализуется.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ стабилизации мощности излучения лазера с внутренней быстрой положительной обратной связью при помощи внешней задержанной отрицательной обратной связи [3] . Лазер, в котором реализован такой способ, содержит внутрирезонаторную кювету с насыщающимся поглотителем и оптоэлектронную систему инерционной задержанной отрицательной обратной связи. При этом насыщающийся поглотитель, обеспечивающий положительную обратную связь, осуществляет синхронизацию мод лазера, а система отрицательной обратной связи позволяет стабилизировать импульсный режим, получить квазистационарную генерацию и улучшить характеристики импульсов.

Недостатком прототипа является низкая область стабильности, характерная для комбинированных систем, содержащих задержанную отрицательную обратную связь и безынерционную положительную. Известно [3], что область стабильности по усилению сложным образом зависит от параметров цепи обратной связи (времени задержки, временной постоянной и т. п.), но до сих пор не было найдено параметров, обеспечивавших бы достижение стабильной генерации при усилениях активной среды, более чем троекратно превышавших порог генерации. Кроме того, прототип принципиально исключает возможность введения задержки в цепи положительной обратной связи, что препятствует реализации высокостабильных режимов в лазерах подобной конструкции.

Задачей, решаемой изобретением, является стабилизация работы лазера в широком диапазоне усилений активной среды и добротности резонатора как в непрерывном режиме, так и в режиме генерации длинных цугов ультракоротких импульсов. Во втором случае дополнительной задачей является также сокращение длительности лазерных импульсов.

Задача решается введением в цепь положительной обратной связи задержки, не меньшей времени обхода светом лазерного резонатора, и выбором задержки в цепи отрицательной обратной связи, меньшей времени обхода. При этом воздействие отрицательной обратной связи должно превышать воздействие положительной. Схема такого способа стабилизации генерации представлена на фиг. 1. Обратная связь осуществляется следующим образом: из оптического резонатора (зеркала 1, 2), в который помещена активная лазерная среда 3, выводится часть излучения 4, а затем из нее формируются два пропорциональных интенсивности отклоненного излучения управляющих сигнала 5 и 6. Эти сигналы задерживают (7 и 8 соответственно), а затем производят изменение полного усиления света за проход (включающего в себя как усиление в активной среде, так и потери в резонаторе) прямо пропорционально амплитуде первого сигнала (9, положительная обратная связь) и обратно пропорционально амплитуде второго сигнала (10, отрицательная обратная связь). Амплитуды управляющих сигналов (или коэффициенты пропорциональности) подбираются таким образом, чтобы воздействие сигнала 6 превышало воздействие сигнала 5.

Суть предложенного способа состоит в том, что введение задержки в цепь положительной обратной связи, осуществляемой управляющим сигналом 5, в сочетании с использованием задержанной менее чем на один проход отрицательной обратной связи позволяет существенно изменить динамику системы [4]. Такая система описывается уравнением связывающим энергию излучения в резонаторе X_n+1 на (n+1)-м проходе с энергией на предыдущих проходах, полным усилением света за обход резонатора r, отношением амплитуд воздействий отрицательной и положительной обратных связей α и коэффициентом γ, характеризующим инерционность управляющего воздействия. Анализ на устойчивость показывает, что при оптимальном выборе параметров стабильная генерация лазера (соответствующая значениям декремента, заметно меньшим 1) достигается в диапазоне усилений от порога генерации до более чем десятикратного порогового усиления. Оптимальное значение коэффициента 1/α лежит в диапазоне 0.1-0.5. При значениях, меньших 0.1, система характеризуется большими временами установления стационарного режима, а при значениях, больших 0.5, существенно ограничивается область стабильности. Эти результаты иллюстрируются фиг. 2, изображающей зависимость декремента от r и γ при различных значениях α (на фиг. 2 и 3 RC = -lnγ). Таким образом, наилучший эффект достигается тогда, когда воздействие положительной обратной связи составляет 10-50% от воздействия отрицательной.

Для сравнения на фиг. 3 приводится аналогичная зависимость для прототипа. Такая система с быстрой положительной и задержанной отрицательной обратными связями описывается уравнением Очевидно, прототип обладает существенно меньшей областью стабильности.

Таким образом, использование задержанной на проход положительной обратной связи в сочетании с задержанной менее чем на один проход отрицательной при большем воздействии последней позволяет стабилизировать работу лазера в широком диапазоне значений усиления, недостижимом для известных ранее способов стабилизации лазерной генерации.

Известно, что при определенной задержке сигнала в цепи обратной связи и достаточно малом времени отклика управляющего сигнала лазер способен генерировать цуг ультракоротких импульсов. Если при этом задержку в обеих цепях обратной связи подобрать таким образом, чтобы лазерный импульс проходил через модулирующие устройства в момент достижения максимума добротности резонатора, то вышеописанный способ будет обеспечивать генерацию стабилизированной последовательности ультракоротких импульсов. При этом применение положительной обратной связи позволяет реализовать более резкое изменение добротности резонатора, что приводит к уменьшению длительности генерируемых импульсов.

При реализации описанного способа стабилизации мы предлагаем для задержки управляющего воздействия использовать оптические линии задержки, управляющие сигналы формировать при помощи оптоэлектронных элементов, а изменение полного усиления осуществлять посредством изменения добротности резонатора при помощи внутрирезонаторных ячеек Поккельса. При этом путем задания начального напряжения смещения на ячейках можно добиться того, чтобы одна цепь обратной связи была отрицательной (уменьшение пропускания модулятора при увеличении интенсивности света, падающего на электрооптический элемент), а другая - положительной.

Схема стабилизированного лазера с использованием указанных выше элементов приводится на фиг. 4. Зеркала 1 и 2 образуют лазерный резонатор, в который помещен активный элемент 3 и поляризатор 11. Оптический делитель 12 отклоняет часть излучения в линию оптической задержки 13, откуда свет направляется на оптоэлектронный элемент 14, входящий в схему управления 15, формирующую управляющее напряжение на электрооптическом модуляторе добротности 16. Элементы 12, 13, 14, 15 и 16 образуют цепь отрицательной обратной связи. Оптический делитель 17, линия переменной оптической задержки 18, содержащая призму 19 и зеркало 20, схема управления 21, включающая оптоэлектронный элемент 22, и электрооптический модулятор 23 образуют цепь положительной обратной связи.

Источники информации 1. H. Statz et al. Problem of Spike Elimination in Lasers. Journal of Applied Physics, vol. 36, N 5, 1965, p. 1510.

2. Б.Р. Белостоцкий и др. Основы лазерной техники. М.: Советское радио, 1972.

3. И.М. Баянов и др. Высокостабильный пикосекундный лазер на ИАГ:Nd³⁺ с отрицательной обратной связью. Квантовая электроника, 16, N 8, М., 1989, с. 1545.

4. Ю. В. Шабалин. Генерация временных структур пикомикросекундного диапазона ИАГ: Nd³⁺ лазером с отрицательной обратной связью. Дипломная работа МФТИ М., 1998.

Формула изобретения

1. Способ стабилизации лазерного излучения, основанный на применении комбинации положительной и отрицательной обратной связи, отличающийся тем, что в цепи отрицательной обратной связи сигнал задерживают на время, меньшее времени обхода светом лазерного резонатора, а в цепи положительной обратной связи - на время, большее или равное времени обхода, при этом воздействие отрицательной обратной связи превышает воздействие положительной.

2. Способ стабилизации по п.1, отличающийся тем, что воздействие положительной обратной связи составляет 10 - 50% от воздействия отрицательной.

3. Способ стабилизации по пп.1 и 2, отличающийся тем, что время отклика положительной обратной связи не превышает времени обхода светом лазерного резонатора, а ее задержка подбирается таким образом, чтобы обеспечить генерацию последовательности ультракоротких импульсов, при этом задержки в обеих цепях обратной связи соответствуют прохождению лазерного импульса в момент достижения максимума добротности резонатора.

4. Способ стабилизации по пп.1 и 2, отличающийся тем, что как положительную, так и отрицательную обратную связь осуществляют посредством преобразования части лазерного излучения в электрический сигнал с помощью оптоэлектронного элемента и последующего использования этого сигнала для управления внутрирезонаторной ячейкой Поккельса, а задержку в цепях обратной связи осуществляют при помощи оптической линии задержки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4