МИНИАТЮРНЫЙ ВНУТРИРЕЗОНАТОРНЫЙ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР ФАЗЫ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к светотехническим устройствам, в частности к модуляторам лазерного излучения, и может быть использована для управления фазой лазерного излучения. Возможность управлять фазой лазерного излучения позволяет контролировать его характеристики и решать, таким образом, целый ряд задач - от приема/передачи информации с помощью лазерного излучения до создания высокостабильных по частоте лазеров.
Наибольший полезный эффект от применения предлагаемого электрооптического модулятора достигается при его использовании в лазерах с синхронизацией мод. Однако не исключена возможность его применения в различных лазерных устройствах - от волоконных до обычных лазерных систем.
Электрооптический модулятор (ЭОМ) представляет собой устройство, которое позволяет контролировать мощность, фазу или поляризацию лазерного излучения с помощью электрического сигнала. Принцип работы ЭОМ основан на линейном электрооптическом эффекте (также называемом эффектом Поккельса), т.е. на изменении показателя преломления в нелинейном кристалле под действием электрического поля, пропорциональном напряженности поля. Обычно ЭОМ содержит кристалл, обладающий линейным электрооптическим эффектом (ячейка Поккельса), и электроды для приложения к кристаллу электрического напряжения [F.T.S. Yu, X. Yang, Introduction to Optical Engineering, Cambridge University Press, 1997, 410 pp.]. Одним из достоинств ЭОМ является малое время отклика (несколько наносекунд), что позволяет создавать быстродействующие схемы управления характеристиками лазерного излучения.
ЭОМ может быть использован для стабилизации линейки оптических частот, получающейся на выходе фемтосекундных лазеров, работающих в режиме синхронизации мод. В этом случае модулятор необходимо расположить внутри резонатора лазера [Б.Н. Нюшков, В.С. Пивцов, Н.А. Коляда, А.Б. Каплун, А.Б. Мешалкин, Стабилизация волоконного фемтосекундного лазера по оптическому стандарту частоты с использованием электрооптического кристалла КТР, «Квантовая электроника», Том 45, №5, с. 486-491 (2015)], и такое расположение накладывает ряд требований на ЭОМ. Важно, чтобы ЭОМ не привносил большие потери в резонатор (это ухудшает добротность резонатора), обладал малой дисперсией (не смещал путь луча в резонаторе) и обладал достаточной чувствительностью для подстройки оптических частот без необходимости подачи высокого (более 100 В) напряжения на его обкладки, так как более высокие напряжения приводят к деградации кристалла ЭОМ. Также критически важным параметром становится размер кристалла (желательно менее одного сантиметра) во избежание значительного увеличения длины резонатора и, как следствие, уменьшения межмодовой частоты лазера (как правило, приемлемая межмодовая частота для линейки частот, генерируемой фемтосекундным лазером, должна быть не менее 100 МГц).
3
Наиболее широко в лазерной технике и оптических телекоммуникациях используются фазовые электрооптические модуляторы на основе нелинейных одноосных кристаллов, например, ниобата лития (LiNbO). Существует ряд коммерчески доступных фазовых модуляторов такого типа (например, модуляторы LN66S-SC и LN81S фирмы Thorlabs).
2
В качестве прототипа полезной модели принят ЭОМ на основе ниобата лития, описанный в работе [Hudson D.D., Holman K.W., Jones R.J., Cundiff S.T., Ye J., Jones D.J., Mode-locked fiber laser frequency-controlled with an intracavity electro-optic modulator, Opt. Lett., Vol. 30, №21, pp.2948-2950 (2005)]. Он состоит из кристалла ниобата лития с прикрепленными к нему электродами для подачи электрического напряжения. Данный ЭОМ размещался внутри резонатора фемтосекундного волоконного лазера и использовался для стабилизации линейки оптических частот, генерируемой лазером. Для решения задач стабилизации потребовался кристалл длиной 2 см и толщиной 5 мм. Дисперсия на длине волны 1.55 мкм составила +1000 фс/см. Кристалл внес потери в резонатор порядка 2%. На ЭОМ можно подавать напряжение до 500 Вив этом диапазоне напряжений зависимость изменения частоты от напряжения ведет себя линейно.
Недостатками прототипа являются высокое значение оптической дисперсии и относительно небольшой коэффициент электрооптического эффекта, приводящие к невозможности сделать ЭОМ миниатюрным. Чем ниже коэффициент электрооптического эффекта, тем большей должна быть длина кристалла для обеспечения необходимой глубины модуляции фазы, и тем большим будет смещение луча при прохождении через кристалл, что усложняет настройку резонатора или требует внесения в резонатор дополнительных компенсационных элементов, что в совокупности увеличивает длину резонатора. Так, в прототипе длина используемого кристалла равна 2 см, и для компенсации оптической дисперсии в резонатор фемтосекундного волоконного лазера дополнительно вносилась балка из плавленого кварца длиной 9 см, усложняя конструкцию лазера.
Полезная модель решает задачу создания миниатюрного электрооптического модулятора, который позволял бы эффективно осуществлять динамическое управление фазой лазерного излучения, находясь внутри резонатора лазера, и при этом не усложнял бы конструкцию резонатора.
4
4
4
4
4
-11
-12
-1
-1
Поставленная задача решается тем, что предлагается миниатюрный внутрирезонаторный электрооптический модулятор фазы лазерного излучения, включающий кристалл и пару электродов, выполненную в форме двух хромированных поверхностей названного кристалла, расположенных с противолежащих сторон. Кристалл выполнен в форме параллелепипеда, линейный размер каждой грани которого не превышает 4 мм. В качестве электрооптического кристалла для указанного ЭОМ предлагается использовать нелинейный одноосный кристалл титанил-фосфата калия (KTiOPO-кристалл), обладающий малой электропроводностью (10-10 Омсм), малым оптическим поглощением и высокой лучевой стойкостью. Выращивание KTiOPO-кристаллов с указанными характеристиками осуществляется по специальной технологии, из полифосфатных растворов-расплавов модифицированным методом Чохральского на ориентированную в направлении оси х затравку в градиентном температурном поле [Горчаков А.В., Белостоцкий А.Л., Сапожников В.К., Руссов В.А., Мешалкин А.Б., Каплун А.Б., Технология высококонтрастных электрооптических модуляторов на основе кристаллов KTiOPO, Автометрия, №3, стр. 81-88 (2001)]. Затем из монокристаллического сектора такого KTiOPO-кристалла вырезается бездефектный оптический элемент в форме параллелепипеда с необходимыми размерами. Электрооптический эффект в KTiOPO-кристалле максимален при поперечной схеме использования, когда электрическое поле направлено по оси z, а излучение распространяется вдоль оси х.
4
4
4
4
2
Отличие заявляемой полезной модели от прототипа состоит в том, что кристалл ниобата лития в ней заменен на KTiOPO-кристалл, обладающий улучшенными характеристиками. Так, электрооптический коэффициент у KTiOPO-кристалла на 30% выше, чем у ниобата лития [Bierlein J.D., Vanherzeele Н., Potassium titanyl phosphate: properties and new applications, Journal of the Optical Society of America B, Vol. 6, Issue 4, pp. 622-633 (1989)], что позволяет сократить длину используемого кристалла и размер ЭОМ, не теряя при этом модуляционных характеристик ЭОМ. Также важным преимуществом KTiOPO-кристалла является малая абсолютная величина дисперсии на длине волны генерации задающего лазера (приблизительно - 100 фс/см на длине волны 1.55 мкм, что по абсолютной величине даже меньше дисперсии стандартного телекоммуникационного волокна). Таким образом, при использовании фазового ЭОМ на основе KTiOPO-кристалла не требуются дополнительные элементы для компенсации дисперсии, и такой ЭОМ не усложнит настройку оптических схем.
4
4
Предлагаемый миниатюрный внутрирезонаторный электрооптический модулятор фазы лазерного излучения работает следующим образом. Линейно поляризованное излучение лазера проходит вдоль оптической оси х KTiOPO-кристалла, вектор напряженности светового поля совпадает с осью z. При приложении электрического напряжения к хромированным поверхностям KTiOPO-кристалла показатель преломления кристалла изменяется пропорционально изменению напряжения, что приводит к изменению длины оптического пути в кристалле и, соответственно, к изменению фазы лазерного излучения, проходящего через кристалл.
4
4
Практическая реализация миниатюрного внутрирезонаторного электрооптического модулятора фазы лазерного излучения на основе KTiOPO-кристалла впервые была выполнена под задачу стабилизации линейки частот фемтосекундного волоконного эрбиевого лазера [Б.Н. Нюшков, В.С. Пивцов, Н.А. Коляда, А.Б. Каплун, А.Б. Мешалкин, Стабилизация волоконного фемтосекундного лазера по оптическому стандарту частоты с использованием электрооптического кристалла КТР, «Квантовая электроника», Том 45, №5, с. 486-491 (2015)]. При выборе размеров рабочего кристалла учитывалось, что измеренный размах кратковременных флуктуаций оптических частот, соответствующих продольным модам стабилизируемого лазера, не превышает 1 МГц (межмодовая частота ~100 МГц). Максимальное напряжение на кристалле, приемлемое для разрабатываемого на его основе компактного фемтосекундного синтезатора частот, не должно превышать 100 В. Таким требованиям по диапазону подстройки и вольтажу (с учетом расчетного полуволнового напряжения) удовлетворяет KTiOPO-кристалл размерами 3×4×3 мм (по осям х, y, z). Бездефектный оптический элемент с такими размерами был вырезан из монокристаллического сектора более крупного кристалла. На полированные грани, перпендикулярные оси х, были нанесены просветляющие покрытия (R<0.1%). Лазерный луч направлялся вдоль оси х, проходя через грани кристалла с просветляющими покрытиями. Металлическое покрытие из хрома на шлифованных гранях, перпендикулярных оси z, служило в качестве электродов, к которым прикладывалось управляющее напряжение. Расчетная емкость конденсатора при указанных размерах рабочего элемента составляет ~0.5 пф, а частота первого механического резонанса ~800 кГц, что позволяет считать возможным эффективное подавление частотно-фазовых возмущений в лазере в полосе частот до нескольких сотен килогерц. Благодаря короткой длине электрооптического кристалла (3 мм), малой величине вносимой им хроматической дисперсии, а также качественному просветляющему покрытию на гранях кристалла его установка в резонатор задающего фемтосекундного лазера не привела к значительному изменению параметров генерации. Кроме того, сравнительно слабое двулуче преломление в плоскости х-y упростило установку кристалла в резонатор - она оказалась слабо критичной к угловой юстировке кристалла. В итоге основные параметры излучения задающего лазера остались почти такими же, как и в исходной конструкции без ЭОМ.
4
Таким образом, использование KTiOPO-кристалла в качестве электрооптического элемента в ЭОМ позволяет миниатюризировать размеры самого ЭОМ без ухудшения модуляционных характеристик.