ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР, УПРАВЛЯЕМЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ, И СПОСОБ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ЧАСТОТЫ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА
ELECTRIC FIELD CONTROLLED SOLID-STATE LASER AND METHOD OF SHIFTING SOLID-STATE LASER FREQUENCY

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к твердотельным лазерам на активных центрах. Возбуждение излучения в данных лазерах осуществляется с помощью луча накачки от другого лазера. Обратная связь в таких структурах осуществляется с помощью периодического изменения оптических параметров активной среды, так называемой распределенной обратной связи (РОС) [1], при этом генерируемое излучение распространяется вдоль активного слоя, допированного активными центрами, то есть здесь осуществляется волноводный режим генерации.
Регулярная модуляция оптических параметров активного слоя может быть постоянной, например, в виде периодического изменения показателя преломления. Такая РОС называется морфологической. Кроме того, модуляция оптических параметров может возникать только в процессе накачки, например модуляция населенности возбужденных уровней активных центров. Такая РОС называется динамической или светоиндуцированной и может быть получена при возбуждении активного слоя через периодическую маску (голографическую решетку) или при интерференции когерентных лучей накачки. РОС, полученная в результате интерференции лучей накачки, носит еще название голографическая РОС.
Волноводные лазеры могут быть реализованы в тонких слоях жидких растворов красителей [2, 3], в допированных красителями полимерах [4-6], в жидкокристаллических слоях с красителями [7-9] и в стеклянных матрицах с внедренными в них активными центрами, полученными с помощью золь-гельного процесса [10,11].
В настоящее время наблюдается значительный интерес к разработке твердотельных лазеров на активных центрах вследствие хорошей перспективы их применения в фотонных технологиях, включая дисплейную и лазерную технологию, а также в телекоммуникации. Твердотельные лазеры на активных центрах с динамической РОС генерируют короткие импульсы с узкими линиями и, следовательно, являются перспективными компактными когерентными источниками света. Тонкопленочные волноводные лазеры необходимы для эффективного встраивания в планарные волноводные схемы.
Золь-гельный метод хорошо подходит для изготовления активных устройств, так как большое количество функциональных активных центров может быть внедрено в стеклянную матрицу (например, редкоземельные элементы, полупроводники, органические красители и т.п.). В большинстве практических применений в интегральной оптике прямоугольные диэлектрические волноводы - наиболее часто используемая структура, на которой основаны многие активные или пассивные устройства (волноводные фильтры, оптические переключатели, мультиплексоры и т.д.).
Стеклянные волноводы имеют определенные преимущества перед полимерами благодаря более высокому показателю преломления. Высокий индекс преломления делает возможным изготовление волноводных пленок на большом количестве подложек (боросиликатных стеклах, кварце, плавленом кварце, полимерах и т.д.), а прозрачность в коротковолновой части спектра позволяет получать лазерную генерацию в ультрафиолетовой и сине-зеленой частях спектра. Неорганические стекла, допированные лазерными красителями, могут быть изготовлены методом низкотемпературной золь-гельной технологии.
g
Длина волны излучения λ при голографическом методе накачки определяется условием Брэгга и зависит от величины показателя преломления активной среды n и угла схождения интерферирующих лучей 2θ:
g
здесь λ - длина волны излучения накачки, М- порядок Брэгговской дифракции. Соответственно управление длиной волны лазерной генерации при голографическом методе накачки может осуществляться либо путем изменения эффективного показателя преломления активной среды, либо изменением угла схождения возбуждающих лучей.
Известен способ управления длиной волны лазерной генерации в волноводном лазере при голографическом способе накачки с помощью электрического поля, воздействующего на ориентацию жидкого кристалла, являющегося активной средой [7, 8]. Известен также способ получения лазерной генерацией и управления длиной волны лазерного излучения в холестерическом жидкокристаллическом лазере посредством управляемой электрическим полем фазовой пластинки [9]. Кроме того, известен способ управления длиной волны генерации в золь-гельных матрицах, допированных красителем, посредством механического изменения угла падения луча накачки [10, 11]. Следует заметить, что управление длиной волны генерации с помощью электрического поля имеет значительные преимущества перед механическим управлением в скорости, в надежности и в простоте реализации. Однако твердотельные лазеры удобнее в применении, чем жидкостные.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению и выбранным в качестве прототипа является твердотельный волноводный лазер [11] на основе золь-гельного стекла, допированного активными центрами, возбуждаемого второй гармоникой Nd:YAG лазера с помощью прямоугольной призмы. Луч накачки проходит через поляризатор для создания необходимой линейной поляризации света и расширяется с помощью телескопической системы, состоящей из двух линз - отрицательной и положительной. Далее луч фокусируется с помощью цилиндрической линзы в узкую тонкую полоску и падает на гипотенузную грань прямоугольной призмы с нанесенным отражающим слоем на одном из катетов. На другой катетной грани установлен образец золь-гельной стеклянной пластины, допированной активными центрами, находящийся в оптическом контакте, обеспеченном силиконовым маслом, с гранью призмы. Часть луча накачки падает непосредственно на грань, контактирующую с золь-гельным образцом. Другая часть луча сначала падает на перпендикулярную грань призмы с нанесенным слоем хрома, далее отражается от нее и также падает на грань, контактирующую с образцом, создавая интерференционную картину. Интерференционная картина представляет собой чередующиеся темные и светлые полосы с периодом d, определяемым формулой:
p
1
здесь λ - длина волны излучения накачки, n - показатель преломления призмы, β - угол призмы, прилегающий к катетной грани, на которой происходит интерференция света, φ - угол падения луча накачки на гипотенузную грань. В соответствии с периодом модуляции накачки возникает генерация излучения, определяемая условием Брэгга (1):
Из формулы (3) видно, что изменение угла падения луча накачки на грань призмы приведет к изменению периода модуляции накачки и соответственно к изменению длины генерации излучения.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание способа и устройства, позволяющего управлять длиной волны лазерной генерации твердотельного лазера на активных центрах, возбуждаемого лучом накачки другого лазера с помощью электрического напряжения за счет возможности переключения частоты излучения.
Данный технический результат достигается тем, что в твердотельный лазер, состоящий из последовательно расположенных на одной оптической оси источника лазерного излучения, поляризатора, телескопической системы из двух линз, собирающей цилиндрической линзы, твердотельного активного элемента в виде прямоугольной призмы, одна из катетных граней которой содержит элемент на основе золь-гельного образца, допированного активными центрами, а вторая катетная грань содержит отражающий слой, согласно изобретению дополнительно между источником излучения и активным элементом установлен электрооптический дефлектор, содержащий оптически связанные жидкокристаллическую твист-ячейку, управляемую электрическим полем (электрическим напряжением), и двулучепреломляющую призму.
Способ переключения частоты твердотельного лазера заключается в следующем. Проводят возбуждение активного элемента лазера исходным лазерным излучением в виде двух сходящихся когерентных пучков света, образованных путем расщепления излучения на прямоугольной призме, для создания распределенной обратной связи в виде периодического изменения оптических параметров активного элемента за счет интерференции этих пучков, согласно изобретению изменяют угол падения исходного лазерного излучения на активный элемент путем пропускания его через жидкокристаллическую твист-ячейку, управляемую электрическим полем (электрическим напряжением), изменяющую плоскость поляризации исходного лазерного излучения на 90°, и далее пропускают лучи через двулучепреломляющую призму, отклоняющую исходное излучение с различными плоскостями поляризации на различные углы.
Решение поставленной задачи при реализации изобретения обеспечивается за счет того, что перед лазерным элементом на основе твердотельного золь-гельного волновода, допированного активными центрами, находящегося в оптическом контакте с одной из катетных граней прямоугольной призмы и возбуждаемого лучом накачки другого лазера, дополнительно устанавливается электрооптический дефлектор, то есть устройство, отклоняющее луч накачки на угол γ под действием электрического напряжения.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется фигурами 1-4 и иллюстрируется примерами 1-2. На фиг.1 изображена блок-схема твердотельного лазера; на фиг.2 изображена блок-схема оптического дефлектора; на фиг.3, 4 изображены спектры генерации излучения лазерного элемента при различных оптических параметрах.
Фиг.1 изображает блок-схему лазерного элемента и поясняет способ получения лазерной генерации с переключаемой длиной волны излучения при изменении угла падения луча накачки. Блок-схема содержит: 1 - поляризатор для создания необходимой линейной поляризации света; 2 - отрицательная линза; 3 - положительная линза; 4 - цилиндрическая линза; 5 - электрооптический дефлектор; 6 - прямоугольная призма; 7 - отражающий слой прямоугольной призмы; 8 - покрытие силиконовым маслом, обеспечивающее оптический контакт золь-гельного образца с призмой; 9 - золь-гельный образец, допированный активными центрами.
На фиг.2 представлена блок-схема электрооптического дефлектора 5, управляемого электрическим полем и состоящего из жидкокристаллической (ЖК) твист-ячейки и призмы 10 из двулучепреломляющего материала. Жидкокристаллическая ячейка содержит: 11 - стекла; 12 - прокладки, задающие толщину жидкокристаллического слоя; 13 - прозрачные токопроводящие покрытия; 14 - соединительные провода для подачи напряжения на ячейку; 15 - нематический жидкий кристалл (НЖК).
Устройство работает следующим образом.
р
p
||
⊥
р
||
⊥
.
Исходный луч накачки проходит через поляризатор 1 для создания необходимой линейной поляризации света и расширяется с помощью телескопической системы, состоящей из двух линз, отрицательной 2 и положительной 3. Далее луч фокусируется с помощью цилиндрической линзы 4 в узкую тонкую полоску и с длиной волны λ падает на жидкокристаллическую ячейку, состоящую из двух стеклянных пластин 11, прозрачных электродов, нанесенных на внутренние поверхности пластин 13, прокладок 12, задающих толщину слоя жидкого кристалла, и нематического жидкого кристалла 15, а также соединительных проводов 14 для подачи электрического напряжения. Ориентация нематического жидкого кристалла (НЖК) на поверхности подложек планарная. Направления ориентации на подложках повернуты на угол 90°. Такая ячейка называется «твист-ячейка». Если параметры НЖК и толщина ячейки удовлетворяют условию Могена: λ<<(n-n)d, то твист-ячейка изменяет направление поляризации линейно-поляризованного света, прошедшего через нее, на 90°. Здесь λ - длина волны излучения накачки, n - показатель преломления НЖК параллельно направлению директора, n - показатель преломления перпендикулярно направлению директора, d - толщина слоя НЖК. При подаче напряжения на твист-ячейку нематический жидкий кристалл (НЖК) изменяет свою ориентацию с планарно-закрученной на гомеотропную. В этом случае прошедший через твист-ячейку свет сохраняет направление исходной поляризации. Таким образом, с помощью твист-ячейки осуществляется переключение направления линейной поляризации света на 90°.
0
e
После прохождения твист-ячейки линейно-поляризованный свет проходит через прямоугольную призму 10 из двулучепреломляющего материала, с углом при вершине α. В общем случае в призме распространяются два луча - обыкновенный и необыкновенный, углы преломления которых определяются показателями преломления для обыкновенного луча n и необыкновенного луча n соответственно. Можно выбрать направление линейной поляризации луча и направление главных осей двулучепреломляющего материала таким образом, что в призме будет распространяться только один луч - обыкновенный или необыкновенный. Если луч падает нормально на одну из катетных граней и оптическая ось материала призмы параллельна этой грани, но перпендикулярна другой, то угол между обыкновенным и необыкновенным лучами на выходе из призмы будет определяться соотношением:
Теперь направляем луч света на лазерный элемент на основе золь-гельного волновода и, переключая напряжение на твист-ячейке, меняем угол падения луча на лазерный элемент и тем самым меняем длину волны генерации света. При этом луч падает на гипотенузную грань прямоугольной призмы 6 с нанесенным отражающим слоем на одном из катетов 7. На другой катетной грани установлен образец золь-гельной стеклянной пластины 9, допированной активными центрами, находящийся в оптическом контакте, обеспеченном силиконовым маслом 8, с гранью призмы. Часть луча накачки падает непосредственно на грань, контактирующую с золь-гельным образцом 9. Другая часть луча сначала падает на перпендикулярную грань призмы с нанесенным слоем хрома, далее отражается от нее и также падает на грань, контактирующую с образцом, создавая интерференционную картину.
Сущность способа управления длиной волны лазерного излучения - переключения частоты твердотельного лазера, поясняется фигурой 2 и состоит в том, что к стандартной схеме получения лазерной генерации в золь-гельном элементе, возбуждаемого голографическим способом с помощью призмы с отражающим покрытием, добавляется электрооптический дефлектор, отклоняющий под воздействием электрического напряжения поляризованный луч света на определенный угол. Электрооптический дефлектор состоит из жидкокристаллической ячейки, поворачивающей плоскость поляризации проходящего через нее света на 90°, и двулучепреломляющей призмы 10, отклоняющей свет с взаимно-перпендикулярными направлениями поляризации на разные углы.
Таким образом, совместное действие жидкокриталлической ячейки и двулучепреломляющей призмы приводит к изменению угла падения луча накачки на отражающую призму и, как следствие, к изменению длины волны генерации излучения.
g
Фиг.3 изображает спектры генерации излучения лазерного элемента с двулучепреломляющей призмой с углом α при вершине 15°. Длина волны генерации λ при нулевом напряжении на жидкокристаллической ячейке составляет 592.07 нм и 602.7 нм при включенном напряжении.
g
Фиг.4 изображает спектры генерации излучения лазерного элемента с двулучепреломляющей призмой с углом α при вершине 4°. Длина волны генерации λ при нулевом напряжении на жидкокристаллической ячейке составляет 608.8 нм и 612.03 нм при включенном напряжении.
Пример 1
||
⊥
2
3
e
0
g
3+
-5
Жидкокристаллическая ячейка состоит из двух стекол К-8. Прозрачные электроды представляют слой окиси индия с окисью олова. В качестве жидкого кристалла взят нематический жидкий кристалл ЖКМ-1289 (ГНЦ РФ «НИОПИК»), с n=1.678 и n=1.510. Прозрачные электроды покрыты ориентирующим слоем полиимда. Направление ориентации задается натиранием во взаимно-перпендикулярных направлениях на каждом из стекол. Луч накачки, представляющий собой вторую гармонику Nd:YAG лазера, поляризованный в плоскости рисунка (направление поляризации обозначено стрелками), падает на ЖК ячейку. При нулевом напряжении на ячейке свет меняет свою поляризацию на ортогональную и на выходе из ячейки имеет поляризацию, перпендикулярную плоскости рисунка (направление поляризации обозначено кружочками с точками). При подаче напряжения на ячейку свет сохраняет исходную поляризацию в плоскости рисунка. Далее свет падает на призму из двулучепреломляющего материала кальцита (СаСО) с показателями преломления n=1.660 и n=1.487, углом при вершине призмы α=15°, и отклоняется на некоторый угол, зависящий от направления поляризации света. Угол γ между лучами с взаимно-перпендикулярными направлениями поляризации в соответствии с формулой (4) составляет ~2°35'42''. Далее луч накачки с той или иной поляризацией падает на гипотенузную грань прямоугольной призмы из стекла К-8. Угол при вершине призмы β=60° (фиг.1). Такая геометрия позволяет получать лазерную генерацию в спектральном диапазоне вблизи 600 нм для 1-го порядка дифракции Брэгга. На катетную грань, составляющую угол 30° с гипотенузной гранью, нанесено отражающее покрытие из хрома. Коэффициент отражения ~ 70%. Активный элемент, представляющий собой золь-гельное стекло, размерами 10×10×2 мм, допированный лазерным красителем Родамин 4С с концентрацией 6·10М, прикреплен к другой катетной грани с помощью иммерсионной жидкости. При угле падения луча накачки на гипотенузную грань φ=0° длина волны генерации λ в соответствии с формулой (3) составляет 592.0 нм. При подаче напряжения на ЖК ячейку угол падения луча накачки изменяется на 2°35'42'', а длина волны генерации составляет 602.7 нм. Спектры генерации для лазерного элемента данной генерации приведены на фиг.3.
Пример 2
g
Вся конструкция лазерного элемента такая же, как и в примере 1, только изменена конструкция двулучепреломляющей призмы из кальцита. Изменения касаются угла α при вершине призмы. В данном случае он составляет около 4°. Тогда угол γ между лучами с взаимно-перпендикулярными направлениями поляризации в соответствии с формулой (4) составляет ~41'31''. А угол падения луча накачки на гипотенузную грань φ при нулевом напряжении на жидкокристаллической ячейке составляет 4°. При этом длина волны генерации λ в соответствии с формулой (3) составляет 608.8 нм. При подаче напряжения на ЖК ячейку угол падения луча накачки соответственно изменяется на 41'31'', а длина волны генерации составляет около 612.0 нм. Спектры генерации для лазерного элемента данной конструкции приведены на фиг.4.
Учитывая вышеизложенное согласно предложенному изобретению, совместное действие жидкокристаллической ячейки и двулучепреломляющей призмы приводит к изменению угла падения луча накачки на отражающую призму и, как следствие, к изменению длины волны генерации излучения. Управление длиной волны генерации с помощью электрического поля имеет значительные преимущества перед механическим управлением в скорости, в надежности и в простоте реализации. При этом твердотельные лазеры обладают большей перспективой в применении, чем жидкостные.
Источники информации
1. Н.Kogelnik, and C.V.Shank, Appl, Phys. Lett. 18, 152 (1971).
2. C.V.Shank, J.E.Bjorkholm, Н.Kogelnik, Appl. Phys. Letts., 18, 395 (1971).
3. J.E.Bjorkholm, C.V.Shank, Appl. Phys. Letts., 20, 306 (1972).
4. В.М.Катаркевич, А.Н.Рубинов, С.А.Рыжечкин, Т.Ш.Эфендиев. Квантовая электроника, 21, 934 (1994).
5. N.Maeda, Y. Oki, К.Imamura, IEEE J. Quantum Electron, 33, 2146 (1997).
6. L.Rocha, V.Dumarcher, С.Denis, P.Raimond, C.Fiorini, J. Appl. Phys., 89, 3067 (2001).
7. Т.Matsui, M.Ozaki, К.Yoshino, Appl. Phys. Lett., 83, 422 (2003).
8. G.S. He, T.-Ch. Lin, V.K.S. Hsiao, A.N.Cartwright, P.N.Prasad, L.V.Natarajan, V.P.Tondiglia, R.Jacubiak, R.A.Vaia, and T.J.Bunning, Appl. Phys. Lett., 83, 2733 (2003).
9. Б.А.Уманский, М.И.Барник, Л.М.Блинов, В.В.Лазарев, С.П.Палто, Н.М.Штыков, С.В.Яблонский, С.В.Яковлев. Патент RU 2341856 (2006).
10. X.-L. Zhu, S.-K. Lam, and D. Lo, Appl. Opt, 39, 3104 (2000).
11. V.G.Balenko, A.G.Vitukhnovskii, A.I.Drobysh, A.V.Kovtun, A.M.Leontovich, V.M.Mizin, and A.F.Shalin, J. Rus. Las. Res., 24, 399 (2003).