Лазер

 

ЛАЗЕР, содержащий активный элемент, основной резонатор и связанный с ним дополнительный кольцевой резонатор, в котором расположены поляризатор и фазово-анизотропный элемент, отличающийс я тем, что, с целью осуществления автономного внутрирезонаторного управления поляризацией излучения, в основной резонатор лазера дополнительно введен анизотропный элемент, главные направления которого совпадают с плоскостями поляризации поляризатора, а в дополнительный резонатор введен второй поляризатор, расположенный так, что фазово-анизотропный элемент находится между поляризаторами, причем плоскость поляризации второго поляризатора развернута на угол 90** относительно плоскости поляризации первого поляризатора, а фазово-анизотропный элемент выполнен с регулируемой величиной фазовой анизотропии.(Л1U00ы V» ^

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

И»»

РЕСПУБЛИН

ЯУ 13570 (51)4 Н 01 S 3 083

ГОСУДАРСТВЕНН 1Й KOMHTET CCCP

hO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬГПФ я

GllHGAHHE ИЗОБРЕТЕНИЯ :

М ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

4м

М 4 (21) 2611271/18-25 (22) 03.05.78 (46) 23.10.85. Бюл. tt. 39 (71) Ордена Трудового Красного Знамени институт физики AH Белорусской ССР, (72) В.И. Сардыко (53) 621.375.8(088.8) (56) Леднева Г.П. и др. Поляризационно-частотные характеристики сложных кольцевых анизотропных резонаторов с одним и двумя зеркалами связи. ЖПС. 1977, с. 27 и 46.

Авторское свидетельство СССР

У 496878, кл. Н 01 S 3/083, 1974 (прототип). (54)(57) ЛАЗЕР, содержащий активный элемент, основной резонатор и связанный с ним дополнительный кольцевой резонатор, в котором расположены поляризатор и фазово-анизотропный элемент, о т л ч ч а ю щ и й» с я тем, что, с целью осуществления автономного внутрирезонаторного управления поляризацией излучения, в основной резонатор лазера дополнительно введен анизотропный элемент, главные направления которого совпадают с плоскостями поляризации поляризатора, а в дополнительный резонатор введен второй поляризатор, расположенный так, что фазово-анизотропный элемент находится между поляризаторами, причем плоскость поляризации второго поляризатора развернута на угол 90 относительно плоскости поляризации первого поляризатора, а фазово-анизотропный элемент выполнен с регулируемой величиной фазовой анизотропии.

813570

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано для управления (например модуляции) поляризацией излучения и измерения малых величин фазовой 5 анизотропии.

Известен лазер, содержащий активный элемент с брюстеровскими окнами, основной и дополнительный кольцевой резонаторы. В дополнительном

10 резонаторе размещены частичный поляризатор и циркулярно-фазовая пластинка. В этом лазере можно осуще- ствлять внутрирезонаторное управление поляризацией излучения (1 3.

Существенный недостаток лазера заключается в том, что .с изменением поляризации излучения изменяются и амплитудно-частотные параметры, что исключает возможность использования лазера для автономного внутрирезонаторного управления поляризацией излучения, Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является лазер, содержащий активный элемент, основной резонатор и связанный с ним дополнительный коль цевой резонатор, в котором расположены поляризатор и фазово-анизотропный элемент. В этом квантовом генераторе достигается разделение плоскостей поляризаций встречных волн на 90 .

К недостаткам лазера относится З5 невозможность автономного внутрирезонаторного управления поляризацией излучения.

Цель .изобретения — осуществление внутрирезонаторного автономного уп- 40 равления поляризацией излучения лазера.

Цель достигается тем, что в основной резонатор лазера дополнительно введен анизотропный элемент, глав- 45 ные направления которого совпадают с плоскостями поляризации поляризатора, а в дополнительный резонатор введен второй поляризатор, расположенный таким образом, что фаэово-ани 50 зотропный элемент находится между поляризаторами, причем плоскость поляризации второго поляризатора развернута на угол 90 относительно плоскости поляризации первого 55 поляризатора, а фазово-анизотропный элемент выполнен с регулируемой величиной фазовой анизотропии.

На фиг. 1 и 2 показана оптическая схема предлагаемого лазера, варианты, на фиг. 3 - зависимость состояния поляризации, на фиг. 4— зависимость азимута поляризации.

Лазер содержит зеркала 1-3 основного резонатора, зеркало 4 связи между резонаторами, зеркала 5-7 дополнительного резонатора, активный элемент 8, элемент 9, обладающий линейной анизотропией, регулируемый фазово-анизотропный элемент 10, стопроцентные линейные поляризаторы 11 и 12, элемент 13 с управляемой линейной анизотропией, четвертьволновая пластина 14, стопроцентный линейный поляризатор 15, магнитный и естественный вращатели 16 и 17 плоскости поляризации соответственно.

Элемент 9 может обладать как фазовой, так и амплитудной анизотропией. Он может быть выполнен в виде наклонной пластинки, пленочного поляроида, линейно-фаэовой пластинки и т.д. Элемент 9 может отсутствовать, если используется активный элемент

8 с наклоннымн окошками, которые соз-, дают линейную амплитудную аниэотропию в резонаторе, а также, если зеркала основного резонатора обладают линей ой анизотропией.

Поляризаторы,11, 12 и 15 полностью поляризуют лроходящее через них излучение. В качестве них могут быть использованы поляриэационные призмы, пленочные поляроиды и т.д. На фиг ° 1 азимуты поляризаторов 11 и 12 различаются на 90 и совпадают с азимутами главных направлений элемента 9. В другом варианте используется поляризатор

11 с двумя выходами излучения, поляризованного B ортогональных плоскостях. Это позволяет исключить из схемы поляризатор 12. Главное направление поляризатора 15 совпадает с плоскостями поляризации поляризатора 11. Фазово-анизотропный элемент 10 характеризуется тем, что в нем может быть индуцирована с помощью внешних полей круговая или линейная фазовая анизотропия. Он может представлять собой ячейку Фарадея, Керра или Поккельса и т.д.

Главные направления элемента 13 совпадают с главными направлениями поляризаторов 11 и 12. Вращате813570

Через оптические элементы 10— t2 помещенные в дополнительный резонатор, излучение проходит только тогда, когда величина индуцированной в элементе 10 фазовой анизотропии отлична от 2% и (Ф вЂ” целое число) . В противном случае через него излучение не проходит, и дополнительный резонатор не сказывает влияния на генерацию излучения, а поляризация излучения полностью

30 определяется азимутом выделенного напряжения элемента 9 с линейной анизотропией. Предположим, что элемент 9 обладает амплитудной анизотропией с параметрами, позволяю- 35 щими осуществить генерацию излучения, поляризованного в плоскости, перпендикулярной плоскости резонагора. Пусть поляризаторы 12 и 11 ориентированы таким образом, что полностью гасят компоненты световой волны, лежащие в плоскости резонатора и в перпендикулярной ей плоскости соответственно. Если в оптическом элементе 10 индуцирова- 45 на фазовая анизотропия, то излучение частично проходит через дополнительный резонатор, и при отражении света от анизотропного дополнительного резонатора происходит преобразование поляризации света. Так как поляризаторы 11 и 12 скрещены, то излучение, прошедшее через зеркало 4 связи в дополнительный резонатор, завершает только один обход этого резонатора и после одного обхода попадает в основной резонатор поляризованным в плоскости резонатора

40 ли 16 и 17 обеспечивают поворот плоскости поляризации на 45 каждый. В качестве вращателя 16 может быть использована ячейка Фарадея, в качестве вращателя 17 — естест- 5 венная циркулярно-фазовая пластинка или линейно-фазовая полуволновая пластинка, большая ось которой нао правлена под углом 45 относительно главных направлений поляризаторов

11 и 15. Элементы 11, 16, 17, 15 образуют вентиль, пропускающий излучение в дополнительном резонаторе только по часовой стрелке.

Представленные на фиг. 1 и 2 схемы работают в оптическом диапазоне, но могут быть использованы и в других частотных диапазонах (например в диапазоне СВ-частот), (в направлении распространения, указанном на фиг. 1 и 2 стрелками).

Влияние дополнительного резонатора на поляризацию отраженного излучения заключается в том, что прошедшая через этот резонатор волна имеет только компоненту, лежащую в плоскости резонатора, амплитуда которой определяется величиной индукционной в элементе 10 фазовой анизотропии, а фаза — оптической длиной периметра дополнительного резонатора. Таким образом, световое излучение, вьппедшее из активного элемента 8, частично поляризуется при прохождении через элемент 9 в плоскости, перпендикулярной плоскости резонатора. а после взаимодействия с дополнительным резонатором — в плоскости резонатора. Совокупное влияние этих двух эффектов приводит к тому, что поляризация генерируемого излучения имеет промежуточное эллиптическое (в общем случае) состояние, параметры которого зависят от величины линейной анизотропии элемента 9, а также от фазы (набега фазы волны за полный обход дополнительного резонатора) и величины связи между резонаторами (коэффициента пропускания зеркала 4 связи, прозрачности элементов 10-12 и величины индуцированной в элементе

10 фазовой анизотропии), Если элемент 10 обладает циркулярно-фазовой анизотропией, отношение комплексных компонент поляризации волны (модули которых определяют их амплитуды, аргументы — их фазы), лежащих в плоскости резонатора и в перпендикулярной ей плоскости, определяется выражением где

).„Э вЂ” максимальное и минимальР1э ное пропускание частичного поляризатора 11 по амплитуде, р и (— коэффициенты отражения и пропускания зеркала

4 связи по амплитуде, — амплитудный коэффициент изотропных оптических потерь (за исключением потерь на зеркале 4 связи и набег фазы волны за полный обход

813570

20 дополнительного резонатора, М вЂ” фаэовая анизотропия, индуцированная в элементе 10.

Выражение (1) относится к излучению, направленному по часовой стрелке в основном резонаторе (фиг. 1)

Идущее во встречном направлении иэлу-,.0 чение не зависит от параметров допол= нительного резонатора, так как поля риэатор 11 не пропускает излучение, поляризованное в плоскости, перпендикулярной плоскости резонатора ° В схеме лазера, изображенной на фиг.2, в дополнительном резонаторе излучение проходит только по .часовой стрел ке, так как здесь находится вентиль.

Поэтому работа квантового генератора, изображенного на фиг. 2, аналогична работе предыдущего, а поляризация генерируемого им излучения описывается выражением, аналогичным выражению (1).

Зависимбсть состояния поляризации генерируемого излучения, определяемого выражением (1), от входящих в него параметров поясняется фиг. 3, на которой изображена сфера

Пуанкаре. Здесь кругамй, эллипсами и отрезками прямых со стрелками обозначены состояния поляризации.

В том случае, когда t(l oo, излучение становится поляризованным в плоскости, перпендикулярной плос35 кости резонатора, а на сфере Пуанкаре этому состоянию поляризации соответствует точка А. При = 0 излучение поляризовано в плоскости резонатора (точка В на сфере Пуанкаре) .

При промежуточном э начении иэ— лучение имеет эллиптическую поляризацию (точка С на сфере). Из формулы (1) следует, что i зависит от

Изменение величины индуциро-! 45 ванной анизотропии в элементе 10 приводит к изменению состояния поляризации, которое на сфере Пуанкаре соответствует перемещению точки С вдоль радиуса R, что на фиг, 2 изоб50 ражено стрелкой. Изменение erg ( вызывает такое изменение состояния поляризации, которое на сфере Пуанкаре соответствует перемещению точки

С вдоль окружности, что также изображено стрелкой. Как следует из формулы (1), aug F определяется фазой связи между основным и дополнительным резонаторамИ, т.е. оптической длиной периметра дополнительного резонатора, которую можно изменять либо с pîìoùüþ пьезоэлемента, на котором закреплено зеркало 5, либо с помощью дополнительного элемента 13 с управляемой линейной анизотропией.

Изменение длины периметра дополнитель ного резонатора на длину волны соответствует смещению точки С вдоль окружности на один оборот.

При отсутствии связи между основным и дополнительным резонаторами (= О), когда излучение поляриэовано в плоскости, перпендикулярной плоскости резонатора, интенсивность и частота генерируемого излучения определяются добротностью и оптической длиной периметра основного резонатора. При наличии связи между резонаторами (У ggp ) состояние поляризации изменяется, и для волны с этим состоянием поляризации происходит изменение оптических потерь и набега фазы в основном резонаторе.

Изменения амплитуды и фазы волны компенсируются при ее взаимодействии с дополнительным резонатором, в результате чего изменение параметров дополнительного резонатора не оказывает влияния на амплитудные и частотные характеристики генерируемого излучения. Таким образом, в предлагаемом лазере можно осуществлять автономное управление эллиптичностью и азимутом главной оси эллипса поляризации за счет измене- . ния величин индуцированной анизотропии в элементах 10 и 13 (либо изме нением оптической длины дополнитель ного резонатора с помощью пьезоэлемента).

В частности, если набег фазы в дополнительном резонаторе,У = nTi (n — целое число), то

27Р 7 х

$1П вЂ” (,Й) ) р2 и излучение. поляризовано линейно (точка 2 на сфере Пуанкаре), так как в этом случае — действительная величина. Изменение фазовой ани зотропии элемента 10 приведет к изменению азимута поляризации (точка 9 перемещается вдоль экватора сферы). Типичная зависимость ази813570 мута поляризации от 4 (модуляционная кривая) приведена на фиг. 4 где кривые м, 6 и, в рассчитаны при значениях = 10, 5 -10

5 -10, = 5-10 10 -10.", р =

= 0,995, 0,99 н 0,9 и В "= 0,8, 0,9 и 0,98 соответственно. Таким образом, при соответствующем подборе параметров квантового генератора коэффициент пропорциональности между и У в области их линейной зависимости на 2-3 порядка больше единицы, что позволяет использовать управляющий сигнал малой величины

15 для модуляции азимута поляризации излучения.

Если набег фазы в дополнительном резонаторе

20

2Л 1—

II то

2 р -х

f + " f В1 — i (3) 25

P 5 Р

Z и излучение поляризовано по эллипсу, одна из осей которого расположена в плоскости резонатора (точка

Е на фиг. 3), а изменение фазовой

30 анизотропии 1 приводит к изменению аллиптичности (точка Я на фиг. 3 перемещается вдоль перидиана сферы Пуанкаре).

Управление поляризацией излуче ния за счет изменения величины циркулярно-фазовой анизотропии элемента 10 происходит благодаря тому, что при этом изменяется величина связи между резонаторами. При использовании элемента 10 с линейнофазовой анизотропией интенсивность излучения, прошедшего через элементы .10 — 12, .а следовательно, и управление поляризацией излучения квантового генератора можно регулировать за счет изменения как величины, так и направления анизотропии.

Таким же образом работает лазер и тогда, когда элемент 9 обладает линейной фазовой анизотропией. В этом случае селекция двух типов колебаний резонатора, соотве1 ствующих максимальному и минимальному набегу фазы в элементе 9, осуществляется за счет их конкурентного взаимодействия в активной среде.

В предлагаемом лазере поляризацию излучения можно изменять отдельно как по азимуту, так и по эллиптичности. Однако такое управление поляризацией можно осуществить только при фиксированных значениях фа2 в+1 зы связи V =âé и Н.

2.

Если же выходное излучение пропускать через четвертьволновую пластину 14, ориентированную таким образом, что ее главные оси развернуты относительно главных направлений элемента 9 на 45, то можно управлять поляризацией излучения по азимуту и эллиптичности независимо при любых значениях 4 . В этом случае точки А и В, соответствующие излучению, поляризованному в плоскости резонатора и в перпендикулярной ей плоскости, переместятся на полюсы сферы Пуанкаре (фиг. 3). . Изменение в этом случае приведет к перемещению точки, изображающей поляризацию излучения, вдоль одного из меридианов сферы, т.е. будет изменяться только эллиптичность излучения, а изменение, вызовет пере, 1 мещение точки вдоль одной из параллелей сферы — будет изменяться только азимут большой оси эллипса.

Таким образом, в квантовом ге1нераторе осуществляется управление эллиптичностью и азимутом большей оси эллипса поляризации излучения как одновременно, так и в отдельности без изменения других характеристик генерируемого излучения, т.е. достигается автономное внутрирезонаторное управление поляризацией излучения, что является существенным .преимуществом по сравнению с известными устройствами.

То, что уровень в элементе 10 с фазовой анизотропией не влияет на порог генерации лазера, позволяет использовать лазер для прецизионных измерений фазовой анизотропии веществ, помещая вместо элемента fO испытуемое вещество. В других устройствах внутрирезонаторный метод измерения фазовой анизотропии применим только для веществ с малыми оптическими потерями, которые не приводят к срыву генерации. Как следует из формулы (2), коэффициент пропорциональности между у и М мо9 813570 10 жет достигнуть величин порядка 10 — анизотропии по сравнению с иэвестны10, что дает воэможность увеличить ми внерезонаторными методами пример чувствительность измерения фазовой но на два порядка.

8!3570

Составитель

Редактор Л. Письман Техред С.Мигунова

Корректор М. Демчик

Заказ 7025/2 Тираж 637

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород ул. Проектная, 4