ЛАЗЕР С ПЕРЕСТРАИВАЕМЫМ СПЕКТРОМ ИЗЛУЧЕНИЯ
LASER WITH TUNALBE EMISSION SPECTRUM

Изобретение относится к области квантовой электроники, в частности лазерной техники, и может быть использовано в лазерных технологических установках, системах лазерной локации, дальнометрии, связи и системах мониторинга атмосферы.
Известен лазер с перестраиваемым спектром излучения, предложенный в [А.С. SU 1793817, БИ №1, 1995, стр.256], принятый за аналог к заявленному изобретению. Лазер содержит резонаторное зеркало, активный элемент, устройство накачки, оптическую систему, выполненную в виде многогранной призмы, и дисперсионный элемент. При работе лазера устройство накачки накачивает определенные участки активной среды, часть возникающего при этом спонтанного излучения распространяется в направлении, перпендикулярном поверхности резонаторного зеркала, отражается от него и вновь попадает в накачанные участки активной среды, где происходит усиление этого излучения, представляющего собой несколько параллельных пучков. Далее усиленное излучение попадает на оптическую систему, выполненную в виде многогранной призмы. Пучки оптического излучения, формируемые различными накачанными участками активной среды, после прохождения первой входной и последующих граней призмы отклоняются на разные углы и под разными углами падают на дисперсионный элемент. Углы между первой и остальными гранями призмы выполнены так, чтобы при заданной установке призмы для каждого из формируемых световых пучков выполнялось условие автоколлимационного отражения на одной из заданных длин волн генерации. Поэтому дисперсионный элемент, в качестве которого используется дифракционная решетка, направляет излучение на заданных длинах волн обратно по тем же оптическим путям. Это излучение после повторного преломления многогранной призмой в виде набора параллельных друг другу пучков, каждый из которых имеет свою длину волны, вновь попадает в накачиваемые участки активной среды и усиливается. Тем самым для различных накачиваемых участков активной среды резонатор лазера создает обратную связь для различных заданных длин волн. При мощности накачки, превышающей пороговую, в лазере формируется излучение в виде набора пучков излучения с заданными длинами волн.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относятся следующие. Во-первых, отсутствует возможность оперативного управления числом генерируемых спектральных компонент. Число генерируемых спектральных компонент лимитируется числом боковых граней многогранной призмы, которая выполняется так, что величины углов между первой и остальными боковыми гранями подчиняются определенным соотношениям между показателем преломления материала, из которого изготовлена призма, и угловой дисперсией используемого дисперсионного элемента. В лазере также отсутствует возможность оперативного управления значением длины волны каждой спектральной компоненты. Для обеспечения генерации требуется обеспечение высоких точностей при расчетах конструкции призмы и ее изготовлении, что снижает технологичность изготовления лазера. В предлагаемой конструкции также отсутствует схема вывода из резонатора излучения с определенной спектральной компонентой.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному устройству по совокупности признаков является лазер с перестраиваемой длиной волны, предложенный в [Патент US 6141361, дата публикации 31.10.2000], принятый за прототип. Конструкция лазера в варианте исполнения, указанном в одном из пунктов формулы изобретения, включает перестраиваемый фильтр, расположенный внутри оптического резонатора лазера. Указанный перестраиваемый фильтр состоит из динамического голографического дифракционного элемента и статической дифракционной решетки или голограммы. Динамический голографический дифракционный элемент включает в себя, в свою очередь, голограмму (которая может быть, в том числе, компьютерно генерированной) и пространственный модулятор света (ПМС). Действие динамического голографического дифракционного элемента обеспечивается путем отображения голограммной структуры на ПМС. При этом на волновую перестройку фильтра влияет пространственная частота голограммы, отображаемой на ПМС.
Если источник излучения является многоволновым, то совместное функционирование дифракционных элементов фильтра формирует наборы разложений многоволнового источника по длинам волн. Вначале более «грубое» разделение длин волн в определенных угловых направлениях осуществляет динамический голографический дифракционный элемент, а затем более «тонкую» селекцию длины волны осуществляет статическая голограмма с высокой дисперсией. Для преобразования углового распределения пучков излучения в порядках дифракции в более приемлемое пространственное распределение в выходной плоскости на пути пучков в резонаторе устанавливаются линзы.
Для вывода из резонатора одной или более длин волн необходимо создание одного или более выходных каналов. В патенте US 6141361 предложена конструкция перестраиваемого волоконно-кольцевого лазера, использующего перестраиваемый фильтр и обеспечивающего вывод из резонатора излучения только с одной длиной волны. Пучок излучения от входящего одномодового волокна выстраивается вдоль оптической оси, коллимируется первой дублетной линзой, проходит через динамическую решетку с ПМС, где разлагается на дифракционные порядки, которые затем разделяются по углам статической фазовой решеткой, оптимизированной к фазовым изменениям на определенной длине волны. Дифракционные порядки проходят затем через вторую дублетную линзу, которая преобразует угловое разложение дифракционных порядков в пространственное распределение в фокальной плоскости. В фокальной плоскости второй линзы расположен второй конец световолокна, в который попадает пучок лучей с определенной длиной волны. Изменение длины волны генерации можно осуществлять изменением пространственной частоты голограммы, отображаемой на ПМС.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного лазера, относятся следующие. Перестраиваемый фильтр, находящийся в резонаторе лазера, формирует ограниченный набор разложений многоволнового источника излучения по длинам волн, определяемый набором голограммных структур, формируемых дифракционными элементами фильтра. Естественно считать, что при внутрирезонаторном расположении фильтра многоволновым источником излучения в резонаторе будет являться активный элемент, излучающий в некотором спектральном диапазоне. Работа фильтра, содержащего последовательно два дифракционных элемента, направлена на достижение узкополосности спектра выходного луча. Обеспечение генерации излучения на определенных узких спектральных линиях требует расчета и изготовления соответствующих дифракционных и голографических элементов, соответствующих линз и т.д., а также наличие своего выходного канала для каждой длины волны. Все это уменьшает возможность оперативного управления числом и длиной волны генерируемых спектральных компонент.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Задачей изобретения является создание лазера с перестраиваемым спектром излучения и оперативным управлением числом и длиной волны излучаемых спектральных компонент.
Техническим результатом, который достигается при осуществлении изобретения, является обеспечение генерации лазером перестраиваемого спектра излучения с оперативным управлением числом и длиной волны излучаемых спектральных компонент при высокой надежности работы лазера. Предлагаемая конструкция лазера обеспечивает высокую скорость переключения генерации излучения с одной спектральной компоненты на другую, возможность одновременной генерации на управляемом числе спектральных компонент и генерации любой совокупности спектральных компонент.
Указанный технический результат достигается тем, что в лазере, включающем активный элемент, связанный с источником накачки активного элемента, излучающий при накачке пучок лучей разных длин волн, и пространственный модулятор света, отличным является то, что резонатор лазера содержит выходное частично отражающее плоское зеркало, расположенное на оптической оси резонатора перед активным элементом, плоское полностью отражающее зеркало, расположенное на оптической оси резонатора после пространственного модулятора света, призменную составную систему и четвертьволновую фазовую пластинку, последовательно расположенные на оптической оси резонатора между активным элементом и пространственным модулятором света, при этом призменная составная система состоит из четного числа оптически сопряженных идентичных трехгранных 2N призм, где N больше или равно 1, расположенных по отношению друг к другу так, что плоскости входной и выходной граней любой i-той призмы параллельны плоскостям, соответственно, выходной и входной граней [(2N+1)-i]-той призмы, где i меняется от 1 до N, пространственный модулятор света выполнен в виде электроуправляемой пластины, расположенной ортогонально оптической оси резонатора, с линейными управляющими электродами, направленными параллельно линии пересечения плоскостей входной и выходной граней последней призмы призменной составной системы, пространственный модулятор света связан с блоком напряжений, выполненным с возможностью программного управления величиной напряжений на электродах пространственного модулятора света.
Если призменная составная система расположена на оптической оси резонатора так, пучок лазерного излучения падает на входную грань первой призмы под углом Брюстера, то это решение характеризует одну из частных форм реализации изобретения, при которой мощность излучаемых спектральных компонент будет достигать максимального значения.
Если в резонатор лазера дополнительно ввести плоскопараллельную пластинку, прозрачную в диапазоне длин волн излучения активного элемента, расположенную на оптической оси резонатора после призменной составной системы и выполненную с возможностью вращения вокруг оси, направленной параллельно линии пересечения плоскостей входной и выходной граней последней призмы призменной составной системы, то возникает дополнительный технический результат, заключающийся в том, что при повороте плоскопараллельной пластинки вокруг этой оси происходит плавное параллельное смещение лучей разных длин волн в направлении, перпендикулярном направлению расположения линейных управляющих электродов, и перестройка излучаемых спектральных компонент осуществляется плавным образом.
На фиг.1 представлена оптическая схема лазера с перестраиваемым спектром излучения, где 1 - выходное частично отражающее плоское зеркало, 2 - активный элемент, 3.1., 3.2., 3.3., 3.4. - соответственно, первая, вторая, третья и четвертая призмы призменной составной системы (приведен пример системы, состоящей из четырех трехгранных призм, когда 2N=4), 4 - плоскопараллельная пластинка, 5 - четвертьволновая фазовая пластинка, 6 - ПМС, 7 - полностью отражающее плоское зеркало, 8 - блок напряжений, связанный с ПМС и выполненный с возможностью программного управления величиной напряжений на электродах ПМС, 9 - блок накачки активного элемента. Зеркала 1 и 7 выполнены, соответственно, частично и полностью отражающими в диапазоне длин излучения активного элемента.
Лазер с перестраиваемым спектром излучения работает следующим образом.
2
3
3+
Активный элемент 2, призменная составная система, состоящая из призм 3.1., 3.2., 3.3., 3.4., четвертьволновая фазовая пластинка 5 и ПМС 6 размещаются на оси резонатора, образованного выходным частично отражающим плоским зеркалом 1, расположенным перед активным элементом 2, и полностью отражающим плоским зеркалом 7. В качестве активного элемента 2 использовался кристалл AlO:Ti, испускающий при накачке, осуществляемой блоком накачки активного элемента 9, пучок лучей в красной и ближней ИК-областях спектра. Призменная составная система состоит в общем случае из четного числа идентичных трехгранных 2N призм, расположенных по отношению друг к другу так, что плоскости входной и выходной граней любой i-той призмы параллельны плоскостям, соответственно, выходной и входной граней [(2N+1)-i]-той призмы, где i меняется от 1 до N. На фиг.1 приведен пример системы, состоящей из четырех призм, когда 2N=4. Для такой системы входная и выходная грани первой призмы 3.1.параллельны, соответственно, выходной и входной грани четвертой призмы 3.4., а входная и выходная грани второй призмы 3.2. параллельны, соответственно, выходной и входной грани третьей призмы 3.3. по ходу пучка от источника излучения.
При прохождении пучка лучей, испускаемых активным элементом 2, через систему идентичных трехгранных 2N призм осуществляются следующие преобразования пучка. После прохождения первых N призм (для случая на фиг.1 это первая 3.1 и вторая 3.2. призмы) происходит угловое разложение пучка в зависимости от длины волны лучей, присутствующих в пучке. Далее лучи, распространяющиеся в разных угловых направлениях, проходят через оставшиеся N призм (для случая на фиг.1 это третья 3.3. и четвертая 3.4. призмы) и преобразуются в параллельный пучок лучей разных длин волн. Направление распространения пучка на выходе из последней призмы системы будет при этом параллельно направлению падения первоначального пучка лучей на входную грань первой призмы.
На выходе из системы призм расстояние между спектральными компонентами пучка в плоскости главного сечения последней призмы будет зависеть от длины волны компонент. Количество призм в системе в общем случае должно быть обязательно четным, так как в необходимых преобразованиях пучка, а именно в его угловом разложении по длинам волн с последующим разложением в параллельный пучок, участвуют каждый раз пара призм, соответственно первая и последняя (2N-тая), вторая и предпоследняя ((2N-1)-тая), i-тая и [(2N+1)-i]-тая.
После призменной составной системы параллельный пучок лучей проходит четвертьволновую фазовую пластинку 5, прозрачные ячейки ПМС 6, расположенные на электроуправляемой пластине между линейными управляющими электродами, достигает плоского зеркала 7 и отражается от него.
В конкретном варианте исполнения лазера с перестраиваемым спектром излучения использовался ПМС, состоящий из электроуправляемой пластины, выполненной на основе прозрачной электрооптической поликристаллической керамики ЦТСЛ (цирконат-титанат свинца, легированный лантаном), обладающей высоким электрооптическим эффектом и высокой скоростью электрооптического отклика. На поверхности пластины на определенном расстоянии друг от друга нанесены металлические электроды, между которыми расположены ячейки. Так как направление расположения линейных управляющих электродов ПМС параллельно линии пересечения плоскостей входной и выходной граней последней призмы призменной составной системы, то из параллельного пучка лучей, выходящих из последней призмы, после прохода четвертьволновой фазовой пластинки на каждую ячейку ПМС будут попадать лучи с определенным значением длины волны. Эти лучи, пройдя через прозрачные ячейки ПМС и отразившись от плоского зеркала 7, идут по тому же пути в противоположном направлении через ячейки ПМС, четвертьволновую фазовую пластинку, призменную составную систему, попадают в накачиваемые участки активной среды и усиливаются. Вследствие того, что величина отражения от призм для излучения с поляризацией, лежащей в плоскости падения, меньше, чем величина отражения для излучения с поляризацией, перпендикулярной плоскости падения, то после многократного прохождения излучения призменной составной системы в процессе развития генерации происходит линейная поляризация излучения с вектором поляризации, расположенным в плоскости падения лучей на призмы.
Если на электродах ПМС нет электрического напряжения, то поляризация излучения, проходящего через ПМС, не меняется, но после двойного прохода излучения через четвертьволновую фазовую пластинку происходит поворот вектора поляризации излучения на 90°. Четвертьволновый фазовый сдвиг происходит при расположении фазовой пластинки на оптической оси резонатора так, что, по крайней мере, одна из главных осей фазовой пластинки составляет угол 45° с направлением вектора поляризации падающего излучения (в нашем случае направление вектора поляризации падающего излучения лежит в плоскости падения лучей на призмы, ортогонально направлению расположения линейных электродов ПМС). В результате излучение становится линейно поляризованным с вектором, лежащим перпендикулярно плоскости падения лучей на призмы. Потери излучения в резонаторе становятся в этом случае максимальными, так как при падении на поверхность призм излучения с вектором поляризации, ориентированным под углом 90° к плоскости падения, отражение от этих поверхностей максимально.
Если на некоторые электроды ПМС подано напряжение, то в ячейках, которые расположены между этими электродами, возникает электрооптический эффект, величина которого тем больше, чем больше напряжение. Если на электроды подано напряжение, равное четвертьволновому напряжению, то после прохождения излучения через соответствующие ячейки в обоих направлениях происходит полная компенсация фазового сдвига, возникшего при прохождении излучения через четвертьволновую фазовую пластинку, поэтому вектор поляризации в этом случае не меняет своего направления и лежит в плоскости падения излучения на призмы. В этом случае потери излучения в резонаторе лазера имеют минимальную величину, так как минимальную величину имеют отражения от поверхностей призм.
Таким образом, в зависимости от того, подано напряжение на электроды ПМС или нет, потери в резонаторе для распространяющегося в нем излучения имеют разную величину. И эта разница максимальна при напряжении, равном четвертьволновому напряжению.
Генерация в лазере возникает в том случае, если при прохождении излучения через резонатор лазера в обоих направлениях усиление в активной среде для этого излучения больше или равно потерям излучения. Поэтому для возникновения генерации в лазере необходимо обеспечить величину накачки, создающую в активном элементе усиление излучения больше, чем потери излучения. Подбирая величину накачки, при которой величина усиления будет большей, чем потери для излучения, проходящего через ячейки, на которые подано напряжение, и меньшей, чем потери для излучения, проходящего через ячейки, на которые не подано напряжение, можно обеспечить генерацию излучения, попадающего на те ячейки, на которые напряжение подано, и отсутствие генерации излучения, соответствующего ячейкам, на которые напряжение не подано. Поэтому, меняя напряжение на электродах ПМС с помощью блока напряжений для ПМС, выполненного с возможностью программного управления величиной напряжений на электродах, можно менять набор спектральных компонент в излучении лазера. Вывод излучения осуществляется через плоское зеркало 1, частично отражающее в диапазоне длин волн излучения активного элемента.
Целесообразней всего располагать призмы призменной составной системы так, чтобы пучок лазерного излучения падал на входную грань первой призмы под углом Брюстера. В этом случае после прохождения всей призменной системы пучок параллельных лучей будет выходить из системы также под углом Брюстера к выходной боковой грани последней призмы. При этом потери на отражение от поверхностей призм для излучения с поляризацией, лежащей в плоскости падения, будут равны нулю, и мощность излучаемых спектральных компонент будет максимальна.
2
3
3+
Так как угол Брюстера зависит от коэффициента преломления материала, из которого изготовлены призмы, а коэффициент преломления, в свою очередь, зависит от длины волны излучения, то для разных спектральных компонент излучения, испускаемого активным элементом, коэффициент преломления будет иметь различные значения. Следовательно, разные значения для разных спектральных компонент будет иметь и величина угла Брюстера. Но так как в реальных ситуациях угол Брюстера для разных длин волн в излучении активного элемента отличается незначительно, то призму можно устанавливать под углом Брюстера для какой-нибудь одной, выбранной, спектральной компоненты излучения. При этом для других спектральных компонент угол падения на поверхность призмы будет отличаться от угла Брюстера незначительно. Например, в случае использования в качестве активного элемента кристалла AlO:Ti, излучающего в диапазоне 700-1100 нм, и призм, изготовленных из стекла ТФ5, угол Брюстера для различных спектральных компонент лежит в диапазоне от 59°54'до 60°10', то есть меняется всего на 16'.
Чем большее число призм будет включать призменная составная система, тем больше будет угловая дисперсия системы призм, тем на большее расстояние от оптической оси смещаются спектральные компоненты на выходе из последней призмы, следовательно, тем большее число ячеек может включать в себя ПМС. Число же ячеек равно числу спектральных компонент, генерацией которых можно управлять с помощью ПМС. Следовательно, с увеличением числа призм будет увеличиваться число спектральных компонент в излучении лазера.
Если на оптической оси резонатора лазера после призменной составной системы установить плоскопараллельную пластинку 4, прозрачную в диапазоне длин волн излучения активного элемента, и выполнить ее с возможностью вращения вокруг оси, направленной параллельно линии пересечения плоскостей входной и выходной граней последней призмы призменной составной системы, то при повороте плоскопараллельной пластинки 4 вокруг этой оси будет происходить плавное параллельное смещение лучей разных длин волн в направлении, перпендикулярном направлению расположения на электроуправляемой пластине линейных управляющих электродов, причем величина этого смещения зависит от угла, под которым плоскопараллельная пластинка наклонена к проходящему излучению. При этом на те же ячейки ПМС будут попадать лучи с другими длинами волн, а следовательно, меняются длины волн спектральных компонент, присутствующих в излучении, генерируемом лазером. Таким образом, вращая эту пластинку, можно плавно перестраивать длины волн спектральных компонент.
Вследствие того, что управление длиной волны генерации лазерного излучения осуществляется в заявляемом техническом решении подачей импульса напряжения на нужные управляющие электроды ПМС, то обеспечивается высокая скорость переключения генерации с одной длины волны на другую, возможность одновременной генерации на управляемом числе спектральных компонент и генерации любой совокупности спектральных компонент. При этом все элементы резонатора находятся в статическом положении, что значительно повышает надежность работы прибора.
Создание лазеров, подобных описанному выше, с регулируемыми в широком диапазоне длиной волны и числом спектральных компонент излучения позволит использовать их для успешного решения множества прикладных задач. Такими перспективными областями применения заявленного лазера с перестраиваемым спектром генерации являются лидарные системы для контроля загрязненности сред отдельными примесями, системы оптической связи и т.д.