| Пріоритети: | Використання: в лазерній техніці, в оптичних вимірювальних приладах для стабілізації потужності випромінювання на кожній із частот, що генеруються. Сутність винаходу: лазер з поздовжньою монохроматичною накачкою введена чвертьхвильова пластинка, причому однією поверхнею пластинка розташована впритул до торця активного елемента, а інша поверхня пластинки поєднана з дзеркалом. 4 з.п. ф-ли, 2 іл.
Малюнки до патенту Україна 2034382
Винахід відноситься до лазерної техніки і може бути використане у вимірювальній техніці, спектроскопії та інтерферометрії, голографії.
Відомий двочастотний лазер, що містить розміщений в резонаторі активний елемент з однорідно розширеною лінією посилення [1] Недоліком цього лазера є нестабільність випромінювання, пов'язана з ламповим накачуванням і сильною конкуренцією двох мод, що генеруються.
Найбільш близьким до пропонованого є двочастотний твердотільний лазер, що містить розташований в оптичному резонаторі, що включає дихроічне дзеркало, активний елемент з однорідно розширеною лінією посилення, оптично пов'язаний через дихроічне дзеркало з джерелом накачування [2] Недоліком такого лазера є нестабільність конкуренцією мод, що генеруються.
Мета винаходу стабілізація потужності випромінювання на кожній із частот, що генеруються.
Мета досягається тим, що за рахунок розташуваннячвертьхвильової пластинки впритул до активного елементу і поєднання з одним з торців цієї пластинки дихроічне дзеркала здійснюється просторовий і поляризаційний поділ двох мод, що генеруються.
Стабілізація випромінювання досягається у двочастотному лазері за рахунок приміщення чвертьхвильової пластинки між активним елементом і діхроїчним дзеркалом так, що одна поверхня пластинки знаходиться в оптичному контакті з торцем активного елемента, а друга поєднана з діхроїчним дзеркалом. Новим є також внутрішньорезонаторна генерація другої гармоніки у запропонованому лазері з використанням нелінійного кристала, що має синхронізм другого типу.
На фіг. 1 наведено оптичну схему лазера з електрооптичним модулятором; на фіг. 2 те саме, з нелінійним елементом.
Двочастотно-твердотільний лазер з електрооптичним затвором містить резонатор, утворений дихроічним дзеркалом 1 і дзеркалом 2, активний елемент 3, чвертьхвильову пластинку 4, напівпровідниковий лазер 5 накачування, коліматор 6 і електрооптичний модулятор 7. Лазер з нелінійним елементом .
Лазер працює в такий спосіб.
При включенні лазера накачування 5 в активному елементі 3 виникає інверсія населеностей. При перевищенні порога в лазері виникає генерація на власних типах коливань з частотами, що відповідають максимальному посиленню активного елемента 3. За відсутності амплітудно-анізотропних елементів лазері генерація може здійснюватися на двох різних по поляризації типах мод. Якщо активний елемент виконаний з ізотропного матеріалу, власні типи поляризації лінійні, що збігаються з осями чвертьхвильової пластинки. У цьому випадку кожна з поляризаційних мод усередині резонатора представляєсобою стоячу лінійно поляризовану хвилю. Наявність чвертьхвильової платівки призводить до того, що вузли однієї поляризації іонної моди збігаються з пучностями іншої поляризаційної моди і навпаки. Такий просторовий поділ мод, що генеруються, в поздовжньому напрямку забезпечує суттєве послаблення конкуренції двох поляризаційних мод. В результаті стає стійкою двомодова генерація з однаковими потужностями двох поляризаційних мод з різними частотами генерації. Так як дві поляризаційні моди в сукупності насичують активний елемент рівномірно, забезпечується стійкість двомодової двочастотної генерації по відношенню до збудження третьої моди.
При введенні в резонатор електрооптичного модулятора 7 забезпечується можливість зміни величини різниці набігів фаз у цьому модуляторі для двох мод різної поляризації, що генеруються. Зміна різниці набігів фаз у межах від 0 до /2 призводить до зміни різниці частот генерованих мод від С/L до 0, де L оптична довжина резонатора, швидкість світла. При цьому послідовне розташування впритул друг до друга дзеркала резонатора, чвертьхвильової пластинки та активного елемента забезпечує стійкість двочастотної генерації у всьому діапазоні перебудови різницевої частоти.
Для отримання генерації у видимій області спектра резонатор лазера може бути внесений нелінійний елемент 9.
Введення нелінійного елемента кристала для генерації другої гармоніки призводить до виникнення в резонаторі на частоті основної додаткових нелінійних втрат. Нелінійні втрати при генерації другої гармоніки в нелінійному кристалі, що володіє другим типом хвильового синхронізму, можуть бути записані у вигляді П 1 = d 2 eff [(Е 1х Е 2у) 2 +0,5 (Е 2х Е1у + Е 1х Е 2у) 2 ] (1) П 2 = d 2 eff [(E 1x Е2у) 2 +0,5 (Е 1х Е 2у + Е 2х Е 1у) 2] (2) де П 1,2 нелінійні втрати для першої та другої мод відповідно; Е ix , E iy проекції електричних полів відповідних мод (i=1,2) на власні осі нелінійного кристала; d eff коефіцієнт нелінійного перетворення.
При розташуванні нелінійного кристала таким чином, що його власні осі становлять кут 45 про осі чвертьхвильової пластинки, власні поляризації генерованих мод виявляються такими, що другий член у виразах (1,2) дорівнює нулю. Це означає, що конкурентна взаємодія між генерованими модами в нелінійному кристалі відсутня. Отже, двомодовий режим генерації зберігається і навіть стабілізується. Стабілізація пов'язана з тим, що втрати для кожної з хвиль пропорційні їх інтенсивності [перший член у виразах (1 і 2)] а значить, зі збільшенням d eff відбувається вирівнювання їх інтенсивностей.
При зміні кутів між оптичними осями активного і нелінійного елементів в межах 45 про 10 про стабільний двомодовий режим генерації зберігається, а при кутах більше 55 або менше 35 про при великому перевищенні накачування над порогом стає нестійким.
Зазначимо, що нелінійний елемент є принципово анізотропним, оскільки в анізотропній речовині не виконуються умови синхронізму. Активний елемент може бути як ізотропним, і анізотропним.
При виконанні активного елемента з анізотропної речовини (для усунення конкурентної взаємодії в нелінійному елементі) активний елемент повинен бути розташований так, щоб його осі також розташовувалися під кутом 45 про осі чвертьхвильової пластинки. У цьому випадку осі активного та нелінійного елементів паралельні, вони за поляризаційними властивостями еквівалентні анізотропному елементу і до нихсукупності відноситься все вищесказане про орієнтацію активного елемента. Така орієнтація активного елемента (оптичні осі активного елемента розташовані під кутом 45 про осі пластинки) необхідна тільки в тому випадку, якщо в резонаторі здійснюється генерація другої гармоніки.
Для отримання двох модифікованих за частотою мод за допомогою електрооптичного фазового модулятора бажано забезпечити генерацію лінійно поляризованого випромінювання. Це досягається в тому випадку, якщо осі всіх анізотропних елементів є паралельними. Лінійна поляризація двох генерованих мод в ортогональних площинах, паралельних осях електрооптичного модулятора, забезпечує максимальний діапазон перебудови кожної з генерованих мод і частоти різниці (частоти биття).
Активний елемент може бути виконаний зі скла з неодимом або кристалів алюмоіттрієвого гранату з неодимом, або зі скандієвих гранатів з неодимом або з будь-яких інших твердотільних активних середовищ, легованих неодимом, європієм або іншими рідкісноземельними елементами. Як нелінійний елемент може бути використаний кристал калій титаніл фосфату.
ФОРМУЛА ВИНАХОДУ
1. ДВУХЧАСТОТНИЙ ТВЕРДІЛЬНИЙ ЛАЗЕР, що містить оптичний резонатор, що включає дихроічне дзеркало, і розташований в ньому активний елемент з однорідно розширеною лінією посилення, оптично пов'язаний з джерелом оптичної накачування через дихроічне дзеркало що, з метою стабілізації потужності випромінювання на кожній із частот, що генеруються, резонатор лазера додатково містить двопроменезаломлюючу чвертьхвильову пластинку, розташовану так, що її перший торець знаходиться в оптичному контакті з першим торцем активногоелемента, а другий торець чвертьхвильової платівки поєднаний з дихроічним дзеркалом.
2. Лазер з п.1, який відрізняється тим, що, з метою перебудови частот генерації та різницевої частоти, лазер додатково містить електрооптичний модулятор.
3. Лазер за п.1 або 2, який відрізняється тим, що, з метою отримання двочастотної генерації у видимій області спектра, резонатор лазера додатково містить нелінійний кристал для генерації другої гармоніки, що володіє синхронізмом другого типу, причому нелінійний кристал розташований так, що його оптичні осі складають кут 45 10 o з осями чвертьхвильової пластинки.
4. Лазер за п. 3, який відрізняється тим, що активний елемент виконаний з анізотропного матеріалу і розташований так, що його оптичні осі паралельні осям нелінійного кристала.
5. Лазер за п. 2, який відрізняється тим, що активний елемент виконаний з анізотропного матеріалу, при цьому оптичні осі активного елемента, чвертьхвильової пластинки та електрооптичного модулятора паралельні.