Компактный источник лазерного излучения с уменьшенной шириной спектра



Компактный источник лазерного излучения с уменьшенной шириной спектра
Компактный источник лазерного излучения с уменьшенной шириной спектра
Компактный источник лазерного излучения с уменьшенной шириной спектра
Компактный источник лазерного излучения с уменьшенной шириной спектра
Компактный источник лазерного излучения с уменьшенной шириной спектра
Компактный источник лазерного излучения с уменьшенной шириной спектра
Компактный источник лазерного излучения с уменьшенной шириной спектра
Компактный источник лазерного излучения с уменьшенной шириной спектра

 


Владельцы патента RU 2457591:

ТАЛЬ (FR)
САНТР НАСЬОНАЛЬ Д'ЭТЮД СПАСЬАЛЬ (FR)
ОБСЕРВАТУАР ДЕ ПАРИ (FR)

Изобретение относится к лазерной технике. Источник содержит лазерный диод (ЛД), установленный в расширенном оптическом резонаторе (30, 82), расположенном между двумя отражающими поверхностями (92, 48), и фильтр (44, 86) селекции мод на оптическом пути в резонаторе. Расширенный резонатор (82) содержит следующие устройства, расположенные в нем на оптическом пути: оптическое устройство (94), содержащее поляризатор (100), который пропускает 100% линейной поляризации сгенерированного лазерным диодом луча Fd, имеющего исходный угол θ0 поляризации, равный 0°, устройство (102) поворота плоскости поляризации, которое поворачивает плоскость поляризации луча (Fc1), выходящего из поляризатора, на заданный угол θ1 поворота, поляризационный делитель (104), предназначенный для разделения луча (Frt), выходящего из устройства поворота плоскости поляризации, оптическое устройство, предотвращающее возврат отраженного луча (Freturn), а именно отраженного полезного луча (Fu), в лазерный диод (ЛД). Указанный поляризационный делитель расположен в резонаторе под таким углом, что его ось (tt') пропускания ориентирована под углом (-θ1) противоположного знака и такой же самой величины, как угол поляризации луча (Frt), выходящего из устройства (102) поворота плоскости поляризации. Технический результат заключается в уменьшении ширины спектральной линии и уменьшении нагрузки на лазерный диод при сохранении мощности на выходе источника. 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к компактному источнику лазерного излучения, предназначенному для областей применения, в которых требуется узкая ширина спектра и высокая мощность.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Такие источники лазерного излучения используют в оптических установках для таких областей применения, как, например, эксперименты по лазерному охлаждению атомов, атомной интерферометрии, и для инерциальных датчиков или для других научных применений.

В качестве источника лазерного излучения во многих областях применения используют лазерные диоды с DBR (распределенным брэгговским отражателем). Они имеют преимущество, заключающееся в простоте управления ими. Например, диод с DBR может излучать на длине волны 852 нм в полосе частот приблизительно 4 ТГц на одной из продольных мод. Он работает, как правило, в одномодовом режиме, который легко получен на заданной частоте путем стабилизации управляющего тока диода и сканирования заданного значения температуры.

Однако при работе в одномодовом режиме на желательной частоте лазерные диоды имеют ширину спектральной линии приблизительно 3 МГц, что несовместимо с рабочими характеристиками, требуемыми для таких областей применения.

Для уменьшения ширины спектра или ширины спектральной линии в одномодовом режиме необходимо произвести выбор из источников лазерного излучения, изготовленных в виде лазерного диода в конфигурации с расширенным резонатором, в котором в таком случае добавлен дополнительный параметр, а именно длина резонатора.

В частности, ширина спектральной линии одномодового излучения, полученная посредством оптического резонатора, изменяется обратно пропорционально длине резонатора. Эта ширина спектральной линии выражается следующим уравнением:

ΔVEC=ΔVdiode [Ldiode/LEC]2,

где ΔVEC - ширина спектральной линии одномодового излучения в резонаторе;

ΔVdiode - ширина спектральной линии одномодового излучения, выдаваемого самим лазерным диодом;

Ldiode - длина резонатора лазерного диода; и

LEC - длина расширенного резонатора.

Путем увеличения длины LEC расширенного резонатора уменьшают ширину спектральной линии ΔVEC одномодового излучения в резонаторе.

Однако использование более длинного резонатора для уменьшения ширины спектральной линии имеет недостаток, заключающийся в получении на выходе резонансных мод лазера, являющихся намного более близкими с точки зрения частоты, чем при использовании только самого лазерного диода. В расширенном резонаторе становится необходимым наличие селектора основной моды.

На Фиг. 1А схематично показан лазерный диод (ЛД) 10. На Фиг. 1Б показан источник 22 лазерного излучения, содержащий лазерный диод (ЛД) 10 из Фиг. 1А, установленный в расширенном резонаторе.

Лазерный диод (ЛД) 10 из Фиг. 1А, имеющий длину Ld резонатора, равную 1 миллиметру, выдает одномодовый лазерный луч Fd с шириной спектра, равной 30 МГц.

Источник лазерного излучения, показанный на Фиг. 1Б, содержит лазерный диод (ЛД) 10, установленный в расширенном резонаторе, который генерирует моды, имеющие намного меньшие значения ширины спектральной линии, порядка 100 кГц, чем ширина спектральной линии самого диода. На оптическом пути лазерного луча Fd размещен селектор 24 для селекции длины волны, равной X, который предназначен для селекции основной моды объемного резонатора. Длина Ls источника лазерного излучения равна 60 миллиметрам.

В источниках лазерного излучения из известного уровня техники селектор изготовлен имеющим дифракционную решетку (в конфигурации Литтроу (Littrow) или Литмана (Litmann)) или интерференционный фильтр очень малой толщины, обычно равной 20 мкм.

При использовании интерференционного фильтра вместо дифракционной решетки можно обеспечить лучшую стабильность расширенного резонатора, поскольку процедура самоюстировки может быть осуществлена в двух поперечных направлениях.

На Фиг. 2 показан пример источника лазерного излучения, созданного согласно известному уровню техники, который выдает одномодовый лазерный луч Fu с малой шириной спектральной линии.

Источник лазерного излучения, показанный на Фиг. 2, содержит лазерный диод (ЛД) 10, расширенный оптический резонатор 30, обеспечивающий оптический путь для лазерного луча Fd, сгенерированного лазерным диодом 10, и входную коллимирующую линзу 40 для луча Fd, выходящего из лазерного диода (ЛД) 10.

Луч Fd проходит вдоль резонатора 30 через эталон 44, образующий селектор (СЕЛ), и выходную коллимирующую линзу 46 к выходной отражающей пластине 47, которая отражает часть падающего луча Fd, обозначенную как Frf, назад к лазерному диоду 10 и пропускает другую часть падающего луча Fd, обозначенную как Ftr, наружу из расширенного резонатора 30, которая образует полезный лазерный луч, Fu, сгенерированный источником.

Оптический резонанс в резонаторе происходит за счет многократного прохождения отраженного луча в прямом и в обратном направлениях между двумя отражающими поверхностями, которыми являются выходная отражающая пластина 47 и отражающая пластина 48 резонатора лазерного диода 10.

Пьезоэлектрический блок 49, имеющий отверстие 50, через которое проходит полезный лазерный луч Fu, обеспечивает возможность регулировки длины расширенного резонатора.

Лазерный диод 10 является очень чувствительным к отраженному лучу Freturn, который может быть порожден отражением полезного луча Fu на выходе источника лазерного излучения. Для предотвращения нарушения работы лазерного диода (ЛД) из-за отраженного луча Freturn расширенный резонатор 30 содержит оптическую развязку 60 для луча, выходящего из выходной отражающей пластины 47, которая имеет функцию блокирования отраженного луча Freturn через выход SI источника лазерного излучения.

Коллимирующая линза 52 устройства развязки фокусирует луч, выходящий из расширенного резонатора, на оптическую развязку 60.

Как известно, оптическая развязка 60 включает в себя поляризатор 62, расположенный на оси XX' распространения луча, выходящего из расширенного резонатора, который пропускает линейно поляризованный луч с углом поляризации луча, равным 0°, выходящий из резонатора 30.

Устройство 64 поворота плоскости поляризации на эффекте Фарадея поворачивает плоскость поляризации луча, выходящего из поляризатора 62, на угол +45°. Луч, выходящий из устройства 64 поворота плоскости поляризации на эффекте Фарадея, проходит через поляризационный делитель 66, расположенный под углом +45°, и пропускает полезный лазерный луч Fu на выход SI источника лазерного излучения с поляризацией 45°.

В том случае когда луч Freturn возвращается через выход SI источника лазерного излучения назад к лазерному диоду (ЛД) вследствие отражения полезного луча Fu, устройство 66 поворота плоскости поляризации снова поворачивает плоскость поляризации отраженного луча Freturn на +45°. Особенностью устройства поворота плоскости поляризации на эффекте Фарадея является то, что оно поворачивает плоскость поляризации в одном и том же направлении для любого направления прохождения светового луча через устройство поворота плоскости поляризации.

Отраженный луч Freturn попадает на поляризатор 62 с поляризацией, равной 90°, которая, следовательно, блокируется поляризатором 62, что предотвращает возврат этого луча в лазерный диод (ЛД).

Потери интенсивности света в таком источнике являются существенными, составляя приблизительно 50% относительно интенсивности луча, выходящего из лазерного диода (ЛД) 10.

При использовании отражательного поляризатора 62 отраженный луч Freturn отражается в направлении, перпендикулярном к направлению полезного луча, что также предотвращает возврат этого луча в лазерный диод (ЛД).

Основным недостатком такого источника лазерного излучения с расширенным резонатором, который снабжен устройством 60 развязки, предотвращающим возврат луча Freturn в лазерный диод, является его размер. Такие источники сложно транспортировать и это препятствует разработке оптических устройств, предназначенных для размещения на борту движущихся летательных аппаратов или спутников для применений в космосе.

Стоит напомнить, что важными характеристиками, требуемыми от источников лазерного излучения, являются следующие: для оптических установок для охлаждения атомов необходим лазерный луч с шириной спектральной линии менее 1 МГц при мощности порядка 100 мВт; для оптических установок для детектирования атомов необходим лазерный луч с шириной спектральной линии менее 100 кГц при мощности порядка 5 мВт.

В случае компактной оптической установки, которая может использоваться для охлаждения и детектирования атомов, труднее добиться необходимых характеристик источников лазерного излучения, поскольку для этого, в частности, требуется лазерный луч с шириной спектральной линии менее 100 кГц при мощности порядка 100 мВт.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Для частичного устранения недостатков источников лазерного излучения из известного уровня техники в настоящем изобретении предложен источник лазерного излучения с внешним резонатором, генерирующий полезный лазерный луч, который содержит, по меньшей мере, один лазерный диод (ЛД), установленный в расширенном оптическом резонаторе, расположенном между двумя отражающими поверхностями, являющимися его границами, который обеспечивает оптический путь для лазерного луча Fd, сгенерированного лазерным диодом (ЛД), и фильтр селекции мод на оптическом пути в резонаторе, предназначенный для селекции резонансной моды из нескольких резонансных мод лазерного луча в резонаторе.

Расширенный резонатор содержит следующие устройства, расположенные в нем на оптическом пути: оптическое устройство, содержащее поляризатор, который пропускает 100% линейной поляризации сгенерированного лазерным диодом луча Fd, имеющего исходный угол θ0 поляризации, равный 0°, устройство поворота плоскости поляризации, которое поворачивает плоскость поляризации луча, выходящего из поляризатора, на заданный угол θ1 поворота, поляризационный делитель, предназначенный для разделения луча, выходящий из поляризационного устройства поворота плоскости поляризации, причем этот поляризационный делитель расположен в резонаторе под таким углом, что его ось пропускания ориентирована под углом -θ1 противоположного знака и такой же самой величины, как угол поляризации луча, выходящего из устройства поворота плоскости поляризации, оптическое устройство, предотвращающее возврат отраженного луча, а именно отраженного полезного луча в лазерный диод (ЛД).

В предпочтительном варианте поляризационный делитель делит луч, выходящий из устройства поворота плоскости поляризации, на отраженный луч вдоль его оси отражения, формируя полезный лазерный луч, и на прошедший луч вдоль оси пропускания, перпендикулярной к оси отражения, который должен отражаться одной из двух отражающих поверхностей расширенного резонатора назад на лазерный диод (ЛД).

В одном из вариантов осуществления изобретения угол θ1 поворота поляризации луча, выходящего из устройства поворота плоскости поляризации, и угол -θ1 оси пропускания поляризационного делителя заданы согласно желательным значениям интенсивности It прошедшего луча и интенсивности Ir отраженного луча, которые пропущены и отражены поляризационным делителем, причем эти значения интенсивности определяются следующими выражениями:

It=cos2(2θ1)

Ir=sin2(2θ11).

В другом варианте осуществления источника лазерного излучения согласно настоящему изобретению угол θ1 поворота плоскости поляризации луча, выходящего из устройства поворота плоскости поляризации, выбран равным +28°, причем в этом случае ось пропускания поляризационного делителя ориентирована под углом -28°, а ось отражения ориентирована под углом 90-θ1, то есть под углом +62°.

В другом варианте осуществления изобретения фильтром селекции мод является интерференционный фильтр.

В источнике лазерного излучения с внешним резонатором согласно настоящему изобретению оптическое устройство сконфигурировано таким образом, что, с одной стороны, луч, отраженный одной из двух отражающих поверхностей резонатора назад к лазерному диоду (ЛД) через оптическое устройство, имеет ту же самую поляризацию 0°, как и поляризация луча, выходящего из лазерного диода (ЛД), для создания резонанса в расширенном резонаторе, а с другой стороны, отраженный луч, а именно отражение полезного луча, возвращающегося через выход SI источника через поляризационный делитель и устройство поворота плоскости поляризации, имеет поляризацию, перпендикулярную к поляризации луча, выходящего из поляризатора, а этот поляризатор предотвращает обратное прохождение отраженного луча в лазерный диод (ЛД).

Главной целью этого изобретения является создание произвести небольшого компактного источника лазерного излучения, который, тем не менее, обеспечивает получение хороших спектральных характеристик одномодового луча и высокой мощности лазерного излучения на выходе.

Другой целью является создание надежного источника лазерного излучения с более низкой стоимостью изготовления, чем стоимость изготовления источников, существующих в настоящее время.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение станет более понятным из описания варианта осуществления источника лазерного излучения согласно настоящему изобретению, который приведен в качестве примера, при помощи пронумерованных чертежей, на которых изображено следующее:

на Фиг. 1А, описание которого уже было приведено выше, схематично показан лазерный диод (ЛД);

на Фиг. 1Б, описание которого уже было приведено выше, показан источник лазерного излучения, содержащий лазерный диод (ЛД) из Фиг. 1А, установленный в расширенном резонаторе;

на Фиг. 2, описание которого уже было приведено выше, показан приведенный в качестве примера вариант осуществления источника лазерного излучения из известного уровня техники, выдающего одномодовый лазерный луч;

на Фиг. 3 показан источник лазерного излучения с расширенным резонатором согласно настоящему изобретению;

на Фиг. 4А и Фиг. 4Б показана поляризация различных лазерных лучей в расширенном резонаторе из Фиг. 3; и

на Фиг. 5А и Фиг. 5Б показан вариант физического осуществления компактного источника лазерного излучения согласно настоящему изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На Фиг. 3 показан источник лазерного излучения с расширенным резонатором согласно настоящему изобретению.

Источник, показанный на Фиг. 3, содержит следующие элементы, расположенные вдоль главной оси XX' распространения лазерного луча Fd в резонаторе:

- лазерный диод (ЛД) 80, установленный в расширенном резонаторе 82, обеспечивающем оптический путь для сгенерированного лазерным диодом линейно-поляризованного лазерного луча Fd, имеющего исходный угол θ0 поляризации, равный 0°. В этом варианте осуществления изобретения расширенный резонатор 82 расположен между двумя отражающими поверхностями, являющимися его границами, а именно зеркалом 92, расположенным на одном конце резонатора, которое образует первую отражающую поверхность резонатора, и отражающей пластиной 48 резонатора лазерного диода (ЛД), как показано на Фиг. 1А и Фиг. 1Б, расположенной на другом конце расширенного резонатора 82, которая образует вторую отражающую поверхность;

- входную коллимирующую линзу 84 для лазерного луча Fd в резонаторе;

- эталон 86, предназначенный для селекции резонансной моды в расширенном резонаторе;

- выходную световозвращающую линзу 90, фокусирующую лазерный луч на зеркало 92 резонатора; и

- согласно главному отличительному признаку настоящего изобретения оптическое устройство 94 содержит следующие элементы, расположенные между входной коллимирующей линзой 84 и эталоном 86 (фильтром 86 селекции мод):

- поляризатор 100, пропускающий 100% линейной поляризации с углом θ0 поляризации, равным 0°, луча Fd, сгенерированного лазерным диодом;

- устройство 102 поворота плоскости поляризации, сконфигурированное таким образом, что оно поворачивает поляризацию луча Fc1, выходящего из поляризатора 100, на угол θ1 поворота, то есть эта поляризация становится равной Pfrt; и

- поляризационный делитель 104, который разделяет луч Frt, выходящий из устройства 102 поворота плоскости поляризации, на отраженный луч R (см. Фиг. 4А) вдоль оси rr' отражения, формируя полезный лазерный луч Fu, и на прошедший луч T вдоль оси tt' пропускания, перпендикулярной к оси rr' отражения.

Поляризационный делитель 104 расположен под углом к оси XX' расширенного резонатора 82 таким образом, что его ось tt' пропускания ориентирована под углом -θ1 противоположного знака и такой же самой величины, как угол θ1 поворота плоскости поляризации на выходе устройства 104 поворота плоскости поляризации, причем его ось rr' отражения ориентирована под углом (90-θ1), дополнительным до 90°.

Прошедший луч Ftr на оптическом пути резонатора должен отражаться отраженным назад в лазерный диод (ЛД) зеркалом 92 резонатора, образуя оптические резонансы в расширенном резонаторе между зеркалом 92 в расширенном резонаторе и отражающей пластиной 48 резонатора лазерного диода (ЛД).

В отличие от источников из известного уровня техники, полезный луч Fu источника лазерного излучения согласно настоящему изобретению выходит сбоку вдоль оси YY', перпендикулярной к оси XX' оптического пути луча Fd, сгенерированного лазерным диодом (ЛД) в резонаторе.

В этом варианте осуществления согласно настоящему изобретению оптическое устройство 94 сконфигурировано таким образом, что:

- с одной стороны, луч, отраженный зеркалом 92 резонатора назад к лазерному диоду (ЛД), проходящий через расположенный под углом поляризационный делитель 104 и устройство 102 поворота плоскости поляризации, которое снова производит поворот отраженного луча на тот же самый угол θ, имеет ту же самую поляризацию 0°, как и поляризация луча Fd, выходящего из лазерного диода (ЛД), для создания резонанса за счет многократного прохождения луча в прямом и в обратном направлениях между зеркалом 92 резонатора и отражающей пластиной 48 лазерного диода (ЛД); и

- с другой стороны, отраженный луч Freturn, а именно отражение полезного луча Fu, возвратившийся через выход SI, через поляризационный делитель 104 и устройство 102 поворота плоскости поляризации, имеет поляризацию, перпендикулярную к поляризации луча Fc1, выходящего из поляризатора 100. Поляризатор 100 предотвращает возврат отраженного луча Freturn в лазерный диод (ЛД).

В предпочтительном варианте осуществления изобретения угол θ1 поворота плоскости поляризации луча Frt, выходящего из устройства 102 поворота плоскости поляризации, выбран равным +28°. В этом случае ось tt' пропускания поляризационного делителя 104 ориентирована под углом -28°, а ось rr' отражения ориентирована под углом 90-θ1, то есть под углом +62 °.

Отраженный луч R является полезным лучом Fu, выходящим из резонатора сбоку через выход SI. Прошедший луч T, прошедший вдоль главного направления резонатора после того как он прошел через эталон 86 и световозвращающую линзу 90, отражается зеркалом 92 назад к лазерному диоду (ЛД).

В одном из вариантов осуществления изобретения поляризатором 100 является куб 1, например, такого типа, который имеет плоскость Pp расщепления поляризации. Посредством лазерного луча Fd, сгенерированного лазерным диодом (ЛД), на оптическом пути резонатора будет пропущена только поляризация 0°. Поляризационным делителем 104 является другой куб 2, имеющий плоскость Ps расщепления поляризации.

Устройство 102 поворота плоскости поляризации представляет собой устройство поворота плоскости поляризации на эффекте Фарадея. В устройстве поворота плоскости поляризации этого типа поворот плоскости поляризации зависит от интенсивности магнитного поля, приложенного к устройству поворота плоскости поляризации.

В одном из вариантов осуществления источника согласно настоящему изобретению поляризатором 100 является поляризатор заграждающего типа, который блокирует отраженный луч Freturn.

В другом варианте осуществления источника согласно настоящему изобретению поляризатором 100 является поляризатор отражательного типа, который отражает отраженный луч Freturn перпендикулярно оси пропускания, предотвращая прохождение луча Freturn назад к лазерному диоду (ЛД).

Описание функционирования источника лазерного излучения согласно настоящему изобретению приведено ниже.

На Фиг. 4А и 4Б показана поляризация различных лазерных лучей в расширенном резонаторе из Фиг. 3.

Лазерный диод (ЛД) сконфигурирован таким образом, что на выходе дает лазерный луч Fd, имеющий линейную поляризацию Pfd с исходным углом θ0 поляризации, равным 0°, как показано на Фиг. 4А.

Куб 1 (поляризатор 100) ориентирован таким образом, что пропускает вдоль оси XX' резонатора луч Fc1 со 100% этой поляризации 0°, отражая в направлении, перпендикулярном к оси XX' оптического пути резонатора, любую часть луча, которая не имеет ту же самую поляризацию.

Луч Fc1 с поляризацией 0°, выходящий из куба 1, проходит через устройство 102 поворота плоскости поляризации, которое поворачивает его поляризацию на +28°. На Фиг. 4А показана поляризация Pfrt луча Frt, выходящего из устройства 102 поворота плоскости поляризации, равная +28°.

Луч Frt, выходящий из устройства 102 поворота плоскости поляризации, проходит через куб 2, ось T пропускания которого ориентирована под углом -28°, а ось R отражения ориентирована под углом +62°.

Луч Fu, отраженный кубом 2, который имеет поляризацию Pfu, равную +62°, формирует полезный луч Fu на выходе SI резонатора; прошедший луч Ftr, прошедший через куб 2 (поляризационный делитель 104), отражается зеркалом резонатора 92 после того, как он прошел через эталон 86 и световозвращающую фокусирующую линзу 90, дойдя до зеркала резонатора 92.

Следовательно, интенсивность It света отраженного луча Fu выражается следующим уравнением:

It=cos2(2θ1),

и, следовательно, интенсивность Ir света прошедшего луча Ftr выражается следующим уравнением:

Ir=sin2(2θ1).

В этом варианте осуществления изобретения при θ1=+28° интенсивность It прошедшего излучения, которое прошло через куб 2, составляет 30% от интенсивности луча Frt, попадающего на куб 2, а интенсивность Ir отраженного излучения составляет 70%. Мощность полезного луча Fu составляет 70% от мощности луча, сгенерированного лазерным диодом (ЛД), являясь намного большей, чем выходная мощность источников лазерного излучения из известного уровня техники, в которых использован тот же самый лазерный диод (ЛД).

Рассмотрим прошедший луч Ftr, прошедший к зеркалу 92 расширенного резонатора. Прошедший луч Ftr с поляризацией -28° отражается зеркалом 92 резонатора через световозвращающую линзу 90 и эталон 86, образуя отраженный луч Ftrc в резонаторе. Отраженный луч Ftrc проходит назад через куб 2 и устройство 102 поворота плоскости поляризации на эффекте Фарадея. Устройство 102 поворота плоскости поляризации поворачивает поляризацию Pftrc отраженного луча Ftrc в резонаторе на +28°, после чего этот луч имеет поляризацию Pftrc0, равную 0° (см. Фиг. 4Б). Куб 1 пропускает отраженный луч в резонаторе, то есть луч Ftrf0, возвращающийся в лазерный диод (ЛД) с той же самой поляризацией, равной 0°.

Теперь рассмотрим отраженный луч Freturn, являющийся результатом отражения полезного луча Fu с той же самой поляризацией, проникающего через выход SI резонатора.

Отраженный луч Freturn, отраженный кубом 2 в направлении лазерного диода (ЛД), на оптическом пути резонатора вдоль оси XX', проходит через устройство 102 поворота плоскости поляризации, которое поворачивает его плоскость поляризации на +28°.

Поляризация отраженного луча Freturn на выходе из устройства 102 поворота плоскости поляризации будет представлять собой его исходную поляризацию +62° (поляризацию полезного луча Fu), угол которой увеличен за счет поворота поляризации в устройстве 102 поворота плоскости поляризации, а именно 62°+28°, то есть равен 90°. Куб 1 (поляризатор 100) отражает этот отраженный луч в направлении, перпендикулярном к оптическому пути XX' резонатора, предотвращая его прохождение назад к лазерному диоду (ЛД).

Оптическое устройство 94 в расширенном резонаторе работает как циркулятор, обеспечивающий возможность многократного прохождения лучей (Fd, Ftrc) в прямом и в обратном направлениях вдоль оптического пути резонатора, но изолирующий отраженные лучи Freturn, возвращающиеся через выход SI резонатора, предотвращая тем самым нарушение работы лазерного диода (ЛД).

В другом варианте осуществления источника лазерного излучения согласно настоящему изобретению может быть предусмотрено наличие пьезоэлектрического блока 120, предназначенного для модуляции положения зеркала 92 в расширенном резонаторе, который изготовлен из цельного куба или цилиндра, имеющего отражающую грань. Эта отражающая грань, действующая как зеркало 92, может быть создана путем металлизации одной из граней пьезоэлектрического блока, которая предназначена для отражения лазерного луча в резонаторе.

Это обусловлено тем, что в отличие от источников из известного уровня техники пьезоэлектрический блок 120 больше не должен иметь отверстие 50 (см. Фиг. 2) для полезного луча Fu, выходящего из резонатора. В таком случае может использоваться пьезоэлектрический блок, имеющий высокую резонансную частоту (обычно равную 300 кГц), и он позволяет производить подстройку в широкой полосе частот.

На Фиг. 5А и 5Б показан вариант физического осуществления компактного источника лазерного излучения согласно настоящему изобретению.

На Фиг. 5А показаны оптические компоненты источника согласно настоящему изобретению, а на Фиг. 5Б показаны оптические компоненты, установленные в механической опорной конструкции.

На Фиг. 5А показан лазерный диод (ЛД), ориентированный вдоль оси XX' оптического пути расширенного резонатора 82. Расширенный резонатор 82 содержит оптическое устройство 94 (на Фиг. 5А оно не видно), поляризационный делитель 104 оптического устройства 94, эталон 86, световозвращающую фокусирующую линзу 90 и пьезоэлектрический блок 120 с его зеркалом 92.

На Фиг. 5Б показаны различные оптические компоненты источника согласно настоящему изобретению, установленного в механической опорной конструкции 140, которая обеспечивает установку оптических компонентов в надлежащее положение. Механическая опорная конструкция 140 имеет выходное отверстие SI для полезного лазерного луча Fu.

Полезный лазерный луч Fu выходит через выход SI вдоль направления YY', перпендикулярного к оси XX' расширенного резонатора.

Источник лазерного излучения согласно настоящему изобретению имеет множество преимуществ по сравнению с источниками лазерного излучения с расширенным резонатором из известного уровня техники и, в частности, следующие преимущества:

- экономия пространства для спектральной чистоты того же самого уровня за счет встраивания в расширенный резонатор оптического устройства 94 для развязки лазерного диода от отраженного луча;

- меньшая ширина спектральной линии при меньших размерах источника;

- выигрыш в мощности полезного лазерного луча Fu;

- меньшая нагрузка на лазерный диод при той же самой мощности на выходе источника и, следовательно, более надежный источник; и

- более простая конструкция, поскольку полезный луч, выходящий из резонатора, не должен проходить через пьезоэлектрический блок.

Описанный вариант осуществления изобретения не является ограничивающим, возможны другие варианты осуществления изобретения с использованием оптических компонентов, выполняющих описанные оптические функции.

Угол θ1 поворота устройства 102 поворота плоскости поляризации и, следовательно, угол -θ1 наклона оси пропускания поляризационного делителя 104 может быть выбран в соответствии с желательной мощностью отраженного излучения, созданной поляризационным делителем, и, следовательно, в соответствии с полезной мощностью Pu на выходе источника лазерного излучения.

1. Источник лазерного излучения с внешним резонатором, генерирующий полезный лазерный луч (Fu), который содержит, по меньшей мере, один лазерный диод (ЛД) (10), установленный в расширенном оптическом резонаторе (30, 82), расположенном между двумя отражающими поверхностями (92, 48), являющимися его границами, который обеспечивает оптический путь для лазерного луча Fd, сгенерированного лазерным диодом (ЛД), и фильтр (44, 86) селекции мод на оптическом пути в резонаторе, предназначенный для селекции резонансной моды из нескольких резонансных мод лазерного луча в резонаторе,
в котором расширенный резонатор (82) содержит следующие устройства, расположенные в нем на оптическом пути: оптическое устройство (94), содержащее поляризатор (100), который пропускает 100% линейной поляризации сгенерированного лазерным диодом луча Fd, имеющего исходный угол θ0 поляризации, равный 0°, устройство (102) поворота плоскости поляризации, которое поворачивает плоскость поляризации луча (Fc1), выходящего из поляризатора, на заданный угол θ1 поворота, поляризационный делитель (104), предназначенный для разделения луча (Frt), выходящего из устройства поворота плоскости поляризации, причем этот поляризационный делитель расположен в резонаторе под таким углом, что его ось (tt') пропускания ориентирована под углом (-θ1) противоположного знака и такой же самой величины, как угол поляризации луча (Frt), выходящего из устройства (102) поворота плоскости поляризации, оптическое устройство, предотвращающее возврат отраженного луча (Freturn), а именно отраженного полезного луча (Fu), в лазерный диод (ЛД).

2. Источник лазерного излучения с внешним резонатором по п.1, в котором поляризационный делитель (104) разделяет луч (Frt), выходящий из устройства (102) поворота плоскости поляризации, на отраженный луч вдоль его оси (rr') отражения, формируя полезный лазерный луч (Fu), и на прошедший луч (Ftr) вдоль оси (tt') пропускания, перпендикулярной к оси (rr') отражения, должен отражаться от одной из этих двух отражающих поверхностей (92) расширенного резонатора назад на лазерный диод (ЛД).

3. Источник лазерного излучения с внешним резонатором по п.1, в котором оптическое устройство (94) сконфигурировано таким образом, что с одной стороны луч, отраженный одной из двух отражающих поверхностей (92) резонатора назад к лазерному диоду (ЛД), который прошел через оптическое устройство (94), имеет ту же самую поляризацию 0°, что и поляризация луча (Fd), выходящего из лазерного диода (ЛД), для создания резонанса в расширенном резонаторе, а с другой стороны отраженный луч (Freturn), а именно отраженный полезный луч (Fu), возвращающийся назад через выход SI источника, который прошел через поляризационный делитель (104) и устройство (102) поворота плоскости поляризации, имеет поляризацию, перпендикулярную к поляризации луча (Fc1), выходящего из поляризатора (100), причем этот поляризатор (100) предотвращает возврат отраженного луча (Freturn) в лазерный диод (ЛД).

4. Источник лазерного излучения с внешним резонатором по п.1, содержащий следующие элементы, расположенные вдоль главной оси XX' распространения лазерного луча в резонаторе:
- лазерный диод (ЛД) (80), установленный в расширенном резонаторе (82), обеспечивающем оптический путь для сгенерированного лазерным диодом линейно поляризованного лазерного луча (Fd), имеющего исходный угол θ0 поляризации, равный 0°, причем этот расширенный резонатор (82) расположен между двумя отражающими поверхностями, являющимися его границами, а именно зеркалом (92), расположенным на одном конце резонатора, которое образует первую отражающую поверхность резонатора, и отражающей пластиной (48) резонатора лазерного диода (ЛД), расположенной на другом конце расширенного резонатора (82), которая образует вторую отражающую поверхность;
- входную коллимирующую линзу (84) для лазерного луча (Fd) в резонаторе;
- эталон (86), предназначенный для селекции резонансной моды в расширенном резонаторе;
- выходную световозвращающую линзу (90), фокусирующую лазерный луч на зеркало (92) резонатора; и
- оптическое устройство (94), расположенное между входной коллимирующей линзой (84) и эталоном (86) (фильтром селекции мод).

5. Источник лазерного излучения с внешним резонатором по п.1, в котором угол (θ1) поворота плоскости поляризации луча (Frt), выходящего из устройства (102) поворота плоскости поляризации, и угол (-θ1) оси пропускания поляризационного делителя (104) заданы в соответствии с желательными значениями интенсивности It прошедшего луча, пропущенного поляризационным делителем (104), и интенсивности Ir отраженного луча, отраженного поляризационным делителем (104), причем эти значения интенсивности определяются следующими уравнениями:
It=cos2(2θ1)
Ir=sin2(2θ1).

6. Источник лазерного излучения с внешним резонатором по п.2, в котором угол (θ1) поворота плоскости поляризации луча (Frt), выходящего из устройства (102) поворота плоскости поляризации, выбран равным +28°, причем в этом случае ось (tt') пропускания поляризационного делителя (104) ориентирована под углом -28°, а ось (rr') отражения ориентирована под углом 90-θ1, то есть под углом +62°.

7. Источник лазерного излучения с внешним резонатором по п.1, в котором устройством (102) поворота плоскости поляризации является устройство поворота плоскости поляризации на эффекте Фарадея.

8. Источник лазерного излучения с внешним резонатором по п.1, в котором фильтром (86) селекции мод является интерференционный фильтр.

9. Источник лазерного излучения с внешним резонатором по п.4, который содержит пьезоэлектрический блок (120), предназначенный для модуляции положения зеркала (92) в расширенном резонаторе, который изготовлен из цельного куба или цилиндра, имеющего отражающую грань.

10. Источник лазерного излучения с внешним резонатором по п.9, в котором отражающая грань, действующая как зеркало (92), создана путем металлизации одной из граней пьезоэлектрического блока, которая предназначена для отражения лазерного луча в резонаторе.

11. Источник лазерного излучения с внешним резонатором по п.2, в котором оптическое устройство (94) сконфигурировано таким образом, что с одной стороны луч, отраженный одной из двух отражающих поверхностей (92) резонатора назад к лазерному диоду (ЛД), который прошел через оптическое устройство (94), имеет ту же самую поляризацию 0°, что и поляризация луча (Fd), выходящего из лазерного диода (ЛД), для создания резонанса в расширенном резонаторе, а с другой стороны отраженный луч (Freturn), а именно отраженный полезный луч (Fu), возвращающийся назад через выход SI источника, который прошел через поляризационный делитель (104) и устройство (102) поворота плоскости поляризации, имеет поляризацию, перпендикулярную к поляризации луча (Fc1), выходящего из поляризатора (100), причем этот поляризатор (100) предотвращает возврат отраженного луча (Freturn) в лазерный диод (ЛД).



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано для конструирования и разработки газовых лазеров, перестраиваемых по длинам волн. .

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано в лазерных линиях связи, в лазерном газоанализе, в измерительной технике и др. .

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в спектроскопии и фотохимии, лазерном разделении изотопов и изучении состава атмосферы. .
Наверх