Лазерный источник с управляемой поляризацией излучения
Владельцы патента RU 2778035:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" (RU)
Изобретение относится к лазерной технике, к импульсным лазерным источникам с модуляцией добротности. Лазерный источник состоит из первого непрозрачного зеркала и второго полупрозрачного зеркала, образующих открытый резонатор, активного элемента и акустооптического затвора, последовательно расположенных на оптической оси резонатора, устройства накачки, установленного с возможностью фокусирования его излучения в активном элементе, двухканального высокочастотного генератора, при этом акустооптический затвор состоит из светозвукопровода, выполненного из кристалла моноклинной системы, имеющего первую и вторую оптические грани, перпендикулярные кристаллографической оси симметрии второго порядка светозвукопровода, первую и вторую акустические грани, параллельные кристаллографической оси симметрии второго порядка светозвукопровода, на которых расположены первый и второй сдвиговые пьезопреобразователи соответственно, имеющие сдвиговую поляризацию, ортогональную кристаллографической оси симметрии второго порядка светозвукопровода, и соединенные высокочастотными трактами с выходными каналами генератора. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей устройства. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к лазерной технике, в частности, оно может быть отнесено к импульсным лазерным источникам с модуляцией добротности.
Импульсные лазеры с модуляцией добротности находят широкое применение в науки и технике, благодаря более высокой, чем у непрерывных лазеров, пиковой интенсивности излучения. Важной характеристикой лазера является поляризация выходного излучения. Состояние поляризации влияет на взаимодействие лазерного излучения с веществом, позволяет передавать информацию, определяет свойства прохождения пучка через оптические элементы, в том числе, субволновые структуры нанооптики, и возможность управления другими параметрами пучка, например, его направлением, при помощи различных оптоэлектронных приборов. Таким образом, управление поляризацией лазера является актуальной технической задачей. В некоторых типах лазерных источников, например, в волоконных лазерах и в твердотельных лазерах с резонаторами со слабой анизотропией, возможна случайная генерация различных поляризационных состояний выходного излучения. Стабилизация поляризации таких лазеров требует внутрирезонаторных элементов управления поляризацией.
Известен лазерный источник с хаотически меняющимся состоянием выходной поляризации (Н.P. Cheng et al., "Monolithic dual-polarization self-mode-locked Nd:YAG 946-nm lasers: controlling beat frequency and observation of temporal chaos" // Optics Express - 2016. - V. 24. - P. 23829). Источник представляет собой монолитный твердотельный резонатор из кристалла алюмо-иттриевого граната, допированного неодимом (Nd:АИГ), Nd3+:Y3Al5O12, с продольной диодной накачкой. Недостатком технического решения является невозможность управлять состоянием выходной поляризации лазера, которая может хаотически меняться между двумя ортогональными состояниями.
Известен лазерный источник с управляемой поляризацией излучения, осуществляемой изменением поляризации излучения накачки (G. Verschaffelt et al. "Delayed polarization dynamics in Nd3+-doped yttrium-aluminum-garnet lasers" // Phys. Rev. A. - 2008 - V. 77. - P. 063801). Лазерный источник состоит из открытого резонатора, активной среды из кристалла Nd:АИГ, диодного лазера накачки и электрооптического модулятора, переключающего поляризацию излучения накачки. Недостатком технического решения является задержка между изменением состояния поляризации излучения накачки и изменением состояния поляризации выходного излучения.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является лазерный источник с открытым резонатором (RU 2603336 С1 от 27.11.2016), имеющий линейную поляризацию излучения, контролируемую при помощи акустооптического фильтра. Акустооптический фильтр в прототипе играет роль модулятора добротности резонатора, совмещающего в себе также функции поляризатора и спектрального селектора мод резонатора. Недостатками прототипа являются относительно низкий порог лазерного разрушения размещенного в резонаторе монокристалла парателлурита и невозможность управления поляризацией лазерного излучения, поскольку конструкция акустооптического фильтра обеспечивает совпадение оси дифрагированного луча на выходе кристалла с осью резонатора только для одной из двух ортогонально поляризованных оптических мод кристалла парателлурита.
Технической задачей изобретения является создание импульсного лазерного источника с управляемой поляризацией излучения.
Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения возможности генерации импульсного излучения с заданной бинарной последовательностью состояний поляризации путем независимого управления поляризацией каждого отдельного импульса лазера с внутрирезонаторной модуляцией добротности.
Указанный технический результат достигается следующим образом.
Лазерный источник состоит из первого непрозрачного зеркала и второго полупрозрачного зеркала, образующих открытый резонатор, активного элемента и акустооптического затвора, последовательно расположенных на оптической оси резонатора, устройства накачки, установленного с возможностью фокусирования его излучения в активном элементе, двухканального высокочастотного генератора, при этом акустооптический затвор состоит из светозвукопровода, выполненного из кристалла моноклинной системы, имеющего первую и вторую оптические грани, перпендикулярные кристаллографической оси симметрии второго порядка светозвукопровода, первую и вторую акустические грани, параллельные кристаллографической оси симметрии второго порядка светозвукопровода, на которых расположены первый и второй сдвиговые пьезопреобразователи соответственно, имеющие сдвиговую поляризацию, ортогональную кристаллографической оси симметрии второго порядка светозвукопровода, и соединенные высокочастотными трактами с выходными каналами генератора.
Кроме того светозвукопровод акустооптического затвора выполнен из монокристалла KY(WO4)2, при этом его первая акустическая грань, параллельна диэлектрической оси Np монокристалла и составляет угол от плюс 8 до плюс 17 градусов к диэлектрической оси Nm, а вторая акустическая грань параллельна диэлектрической оси Np монокристалла и составляет угол от минус 62 до минус 58 градусов к диэлектрической оси Nm монокристалла, причем первый и второй сдвиговые пьезопреобразователи выполнены из монокристаллов LiNbO3 и имеют поляризацию, ортогональную оси Np светозукопровода.
Также устройство накачки активного элемента состоит из блока питания и лазерного или светодиодного или лампового источника оптического излучения.
При этом устройство накачки активного элемента является импульсным и соединено каналом синхронизации с высокочастотным генератором.
Также первый и второй высокочастотные тракты содержат соответственно цепи согласования импеданса первого и второго пьезопреобразователей с выходным сопротивлением генератора.
Изобретение поясняется чертежом, на котором приведена общая схема лазерного источника.
На чертеже обозначены: непрозрачное зеркало 1, полупрозрачное зеркало 2, открытый резонатор 3, оптическая ось 4 резонатора 3, активный элемент 5, устройство 6 накачки активного элемента 5, акустооптический затвор 7, светозвукопровод 8, первая оптическая грань 9, вторая оптическая грань 10, первая акустическая грань 11, первый пьезопреобразователь 12, первый высокочастотный тракт 13, вторая акустическая грань 14, второй пьезопреобразователь 15, второй высокочастотный тракт 16, двухканальный высокочастотный генератор 17.
В изобретении возможность независимого управления поляризацией каждого отдельного импульса лазера с внутрирезонаторной модуляцией добротности позволяет получать импульсное излучение с заданной бинарной последовательностью состояний поляризации.
В устройстве двухкоординатный акустооптический затвор 7 на одном монокристалле позволяет независимо модулировать добротность открытого резонатора 3 для двух ортогональных поляризаций излучения путем включения и выключения высокочастотного сигнала, подаваемого с генератора 17 на пьезопреобразователи 12, 15 затвора 7.
Использование светозвукопровода 8 из моноклинного кристалла с изотропной дифракцией на квазисдвиговой ультразвуковой волне является необходимым условием реализации такого устройства, поскольку только в моноклинных кристаллах существует необходимый набор ненулевых фотоупругих констант, позволяющий получить различные нули эффективности дифракции для ортогональных поляризаций, когда оптический пучок распространяется вдоль кристаллографической оси симметрии второго порядка светозвукопровода 8, а плоскость дифракции ортогональна ей.
Пример реализации
Устройство содержит акустооптический затвор 7 со светозвукопроводом 8, выполненным из монокристалла калий-иттриевого вольфрамата (КИВ), KY(WO4)2. Кристалл КИВ является моноклинным кристаллом, в котором диэлектрическая ось Np, соответствующая наименьшему из собственных значений тензора диэлектрической проницаемости, параллельна кристаллографической оси симметрии второго порядка. В качестве активного элемента 5 может выступать кристалл Nd:АИГ, широко используемый в импульсных лазерах и излучающий на длине волны 1064 нм.
При распространении произвольно поляризованного оптического излучения вдоль кристаллографической оси симметрии двуосного кристалла, являющейся также одной из собственных осей тензора диэлектрической проницаемости кристалла, электромагнитная волна разделяется на две независимые компоненты (оптические моды), имеющие линейные поляризации, параллельные двум другим собственным осям тензора диэлектрической проницаемости. При размещении двулучепреломляющего кристалла светозвукопровода 8 в изотропном резонаторе 3, резонатор 3 становится поляризационно-анизотропным, и в нем могут формироваться моды с ортогональными линейными поляризациями. Каждая из ультразвуковых волн, возбуждаемых пьезопреобразователями 12, 15 в светозвукопроводе 8 акустооптического затвора 7, способна в общем случае вызвать дифракцию обеих ортогонально поляризованных оптических мод кристалла светозвукопровода 8. Внутри резонатора 3 это приводит к одновременному ослаблению двух поляризационных мод резонатора 3. Управление поляризацией выходного излучения устройства может быть осуществлено, когда акустооптический затвор 7 позволяет независимо ослаблять каждую из двух поляризационных мод резонатора 3. В моноклинном кристалле светозвукопровода 8 это условие может быть выполнено благодаря анизотропии фотоупругого эффекта при дифракции оптического излучения на сдвиговой ультразвуковой волне (А.И. Чижиков и др. «Акустооптическая модуляция поляризации в моноклинных кристаллах» // Квант, электрон - 2021. - Т. 51 - С. 343).
При распространении оптического пучка вдоль оси Np кристалла КИВ светозвукопровода 8, пучок распадается на две моды, имеющие линейные ортогональные поляризации по осям Nm и Ng. Из трех акустических мод в плоскости NmNg одна является квазисдвиговой волной с поляризацией, ортогональной оси Np. Если направление волнового вектора акустического пучка, ортогональное направлению акустической грани, с которой осуществляется возбуждение этого пучка, лежит в диапазоне от минус 82 до минус 73 градусов с осью Nm, то эффективная фотоупругая константа для поляризации по оси Nm близка к нулю, следовательно, такая акустическая волна эффективно модулирует только одну оптическую моду, поляризованную по оси Ng. Величина акустооптического качества для этой поляризации составляет величину М2=7,6×10-15 с3/кг. Если направление волнового вектора акустического пучка лежит в диапазоне от плюс 28 до плюс 32 градусов с осью Nm, то эффективная фотоупругая константа для поляризации по оси Ng близка к нулю, следовательно, такая акустическая волна эффективно модулирует только одну оптическую моду, поляризованную по оси Nm. Величина акустооптического качества для этой поляризации составляет величину М2=4,6×10-15 с3/кг. На основании данных оценок можно заключить, что двухкоординатный акустооптический затвор 7 со светозвукопроводом 8 на основе кристалла КИВ с длиной взаимодействия 40 мм и апертурой 2 мм будет потреблять не более 15 Вт мощности ВЧ-сигнала при эффективности 80% на длине волны лазерного излучения 1064 нм, что не превышает потребляемой мощности обычного акустооптического затвора на основе кристаллического кварца с такими же характеристиками, эффективно работающего только с одной линейной поляризацией оптического излучения.
1. Лазерный источник, состоящий из первого непрозрачного зеркала и второго полупрозрачного зеркала, образующих открытый резонатор, активного элемента и акустооптического затвора, последовательно расположенных на оптической оси резонатора, устройства накачки, установленного с возможностью фокусирования его излучения в активном элементе, двухканального высокочастотного генератора, при этом акустооптический затвор состоит из светозвукопровода, выполненного из кристалла моноклинной системы, имеющего первую и вторую оптические грани, перпендикулярные кристаллографической оси симметрии второго порядка светозвукопровода, первую и вторую акустические грани, параллельные кристаллографической оси симметрии второго порядка светозвукопровода, на которых расположены первый и второй сдвиговые пьезопреобразователи соответственно, имеющие сдвиговую поляризацию, ортогональную кристаллографической оси симметрии второго порядка светозвукопровода, и соединенные высокочастотными трактами с выходными каналами генератора.
2. Лазерный источник по п. 1, в котором светозвукопровод акустооптического затвора выполнен из монокристалла KY(WO4)2, при этом его первая акустическая грань параллельна диэлектрической оси Np монокристалла и составляет угол от плюс 8 до плюс 17 градусов к диэлектрической оси Nm, а вторая акустическая грань параллельна диэлектрической оси Np монокристалла и составляет угол от минус 62 до минус 58 градусов к диэлектрической оси Nm монокристалла, причем первый и второй сдвиговые пьезопреобразователи выполнены из монокристаллов LiNbO3 и имеют поляризацию, ортогональную оси Np светозукопровода.
3. Лазерный источник по п. 1, в котором устройство накачки активного элемента состоит из блока питания и лазерного или светодиодного или лампового источника оптического излучения.
4. Лазерный источник по п. 1, в котором устройство накачки активного элемента является импульсным и соединено каналом синхронизации с высокочастотным генератором.
5. Лазерный источник по п. 1, в котором первый и второй высокочастотные тракты содержат соответственно цепи согласования импеданса первого и второго пьезопреобразователей с выходным сопротивлением генератора.
