СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ИМПУЛЬСОВ ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR GENERATING TERAHERTZ RADIATION PULSES AND APPARATUS FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу генерации импульсов терагерцового излучения и к устройству для его осуществления. Терагерцовый диапазон электромагнитных колебаний лежит между инфракрасным и сверхвысокочастотным диапазонами.
Уровень техники
В настоящее время известно множество работ, в которых представлены лазеры с модуляцией добротности с одновременной генерацией на двух достаточно близких частотах, например Z. Wang et al., Passively Q-switched dual-wavelength laser output of LD-end-pumped ceramic Nd:YAG laser, Opt. Express 17, 12076 (2009), а также S.D. Liu et al., Passively Q-switched Nd:ScYSiO dual-wavelength laser with the ortogonally polarized output, Opt. Express 20, 22448 (2012). Генерация излучения на двух близких частотах позволяет за счет выделения разностных частот в нелинейно-оптическом кристалле получать терагерцовое излучение, см. например Y. Liu et al., Compact and stable high-repetition-rate terahertz generation based on an efficient coaxially pumped dual-wavelength laser, Opt. Express 25, 31988 (2017), а также V.V. Bezotosnyi et al., Coherent THz repetitive pulse generation in a GaSe crystal by dual-wavelength Nd:YLF laser, Physics Procedia 72, 405 (2015).
В патенте CIIIA №7551652, (опубл. 23.06.2009) описаны два импульсных волоконных лазера с общим акусто-оптическим модулятором добротности. Лазеры генерируют совпадающие во времени импульсы длительностью 30-100 нс с несколько отличными частотами. Эти лазеры могут быть использованы для генерации разностной частоты. Недостатком схемы является относительно большая длительность импульсов и, соответственно, небольшая пиковая мощность генерируемых импульсов.
В патенте США №10481467 (опубл. 19.11.2019) описан источник терагерцового излучения, также основанный на принципе генерации разностных частот, в котором используются два волоконных импульсных лазера с перестройкой частоты в близком к длине волны 1064 нм диапазоне, синхронизируемых во времени устройством контроля (детали устройства не приводятся). Длительность полученных импульсов составила 750 пс, частота повторения 200 кГц. Недостатком является относительно небольшая энергия импульсов волоконных лазеров порядка 10÷20 мкДж, что приводит к уменьшению мощности и энергии терагерцового излучения.
Наиболее близкий аналог описан в заявке США №2012/0044959 (опубл. 23.02.2012). Представленный там источник терагерцового излучения содержит два плеча одного лазера и соответствующие активные элементы в каждом из этих плеч, частоты генерации которых отличаются на заданную величину в терагерцовом диапазоне, при этом оба плеча имеют источники накачки, каждый из которых предназначен для накачки активной среды соответствующего плеча лазера; поляризатор, обеспечивающий совмещение излучения обоих плеч лазера; оптический модулятор, предназначенный для формирования импульсов излучения и расположенный в третьем плече лазера; нелинейно-оптический элемент, предназначенный для генерации импульсов терагерцового излучения и расположенный вне лазера. Недостатком этого источника терагерцового излучения является то, что в нем не обеспечена синхронная генерация импульсов на различных частотах, и они возникают, вообще говоря, в различные моменты времени в силу различия в сечениях вынужденного излучения на этих частотах, а это приводит к нестабильности мощности терагерцового излучения. Для совмещения импульсов во времени приходится подбирать уровень накачки одной из лазерных сред при фиксированной накачке второй лазерной среды.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является расширение арсенала технических средств для получения стабильных мощных импульсов терагерцового излучения за счет генерации разностной частоты излучения двух лазеров, работающих в режиме модуляции добротности и разгрузки резонаторов. При этом достигается технический результат в виде повышения стабильности мощности терагерцового излучения.
Данная задача решается с достижением указанного технического результата в первом объекте настоящего изобретения, представляющем собой способ генерации импульсов терагерцового излучения, заключающийся в том, что: обеспечивают накачку активных сред в двух лазерах, частоты генерации которых отличаются на заданную величину в терагерцовом диапазоне; синхронизируют вывод генерируемых лазерами импульсов излучения; совмещают синхронизированные импульсы излучения с ортогональной поляризацией в блоке совмещения перед их подачей в нелинейно-оптический элемент; выводят импульсы терагерцового излучения из нелинейно-оптического элемента.
Особенность способа по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что накачку активной среды в каждом из лазеров могут осуществлять по меньшей мере одним лазерным диодом.
Та же задача с достижением того же технического результата решается во втором объекте настоящего изобретения, представляющем собой устройство для генерации импульсов терагерцового излучения, содержащее: два лазера, частоты генерации которых отличаются на заданную величину в терагерцовом диапазоне; по меньшей мере один источник накачки, каждый из которых предназначен для накачки активной среды хотя бы одного из лазеров; два оптических модулятора, которые предназначены для формирования генерируемых лазерами импульсов излучения и их синхронного вывода; блок совмещения импульсов, предназначенный для совмещения синхронизированных импульсов излучения лазеров перед подачей в нелинейно-оптический элемент, причем блок совмещения импульсов выполнен либо в виде призмы Глана, на которую синхронизированные импульсы излучения лазеров с ортогональными плоскостями поляризации поданы так, чтобы обеспечить их соосность на выходе из призмы Глана, либо в виде линзы, на которую синхронизированные импульсы излучения лазеров поданы со смещением параллельно один другому; нелинейно-оптический элемент, предназначенный для генерации импульсов терагерцового излучения.
Особенность устройства по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что в качестве источника накачки может быть использован по меньшей мере один лазерный диод.
Другая особенность устройства по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что в качестве оптических модуляторов могут быть использованы ячейки Поккельса.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение поясняется чертежами, на которых одинаковые или сходные элементы обозначены одними и теми же ссылочными позициями.
На Фиг. 1 показана оптическая схема устройства по одному варианту осуществления настоящего изобретения.
На Фиг. 2 показана оптическая схема устройства по другому варианту осуществления настоящего изобретения.
На Фиг. 3 приведены временные диаграммы, поясняющие работу устройства по Фиг. 1 и 2.
На Фиг. 4 показана оптическая схема устройства по третьему варианту осуществления настоящего изобретения.
На Фиг. 5 приведены временные диаграммы, поясняющие работу устройства по Фиг. 4.
На Фиг. 6 показана оптическая схема устройства по четвертому варианту осуществления настоящего изобретения.
На Фиг. 7 приведены временные диаграммы, поясняющие работу устройства по Фиг. 6.
Подробное описание вариантов осуществления
Способ по первому объекту настоящего изобретения может быть реализован с помощью устройства по второму объекту настоящего изобретения, имеющего различные варианты осуществления, описанные ниже. Следует, однако, иметь в виду, что все эти варианты осуществления лишь иллюстрируют сущность настоящего изобретения, объем охраны которого определяется исключительно приложенной формулой изобретения.
Во всех описанных ниже вариантах осуществления устройство по второму объекту настоящего изобретения содержит два лазера, частоты генерации которых отличаются на заданную величину в терагерцовом диапазоне. Возбуждение этих лазеров осуществляется одним или двумя источниками накачки, воздействующими на активную лазерную среду каждого из двух упомянутых лазеров. В каждом лазере имеется оптический модулятор, предназначенный для формирования импульсов излучения, генерируемых каждым из лазеров, и для синхронного вывода этих импульсов. На выходе устройства по второму варианту настоящего изобретения имеется блок совмещения импульсов, предназначенный для совмещения синхронизированных импульсов излучения в нелинейно-оптическом элементе, который предназначен для генерации импульсов терагерцового излучения.
Для всех вариантов осуществления, описанных ниже со ссылками на Фиг. 1, 2, 4 и 6, при упоминании парных элементов, имеющихся в первом и втором лазерах, нечетные (меньшие) ссылочные позиции относятся к первому, а четные - ко второму лазеру.
На Фиг. 1 показана оптическая схема устройства по одному варианту осуществления настоящего изобретения. В этом варианте (назовем его первым исключительно для простоты) использованы первый и второй источники 1 и 2 накачки, представляющие собой в данном случае одиночный лазерный диод или линейку лазерных диодов с волоконным выходом. Излучение источников 1 и 2 накачки фокусируется соответственно первой и второй линзами 3 и 4 в первую и вторую активные лазерные среды 5 и 6 первого и второго лазеров. Первая и вторая активные среды 5 и 6 находятся в одноименных резонаторах, первый из которых образован зеркалами 7 и 9, а второй - зеркалами 8 и 10. Отметим, что все зеркала 7-10 являются глухими для излучений, генерируемых активными средами 5 и 6, но при этом зеркала 7 и 8, размещенные между линзами 3, 4 и активными средами 5, 6, прозрачны для излучения накачки от источников 1 и 2.
В качестве оптических модуляторов в каждом лазере во всех описанных вариантах осуществления используются ячейки 11, 12 Поккельса или иные оптические модуляторы, обеспечивающие режим модуляции добротности и разгрузки резонатора, как это известно специалистам. На Фиг. 1 вместе с первой и второй ячейками 11, 12 Поккельса используются первая и вторая четвертьволновые пластинки 13, 14, предназначенные для поворота плоскости поляризации луча на 90° при прямом и обратном проходах через эти пластинки. Для поляризации излучения активной лазерной среды 5 или 6 используется соответствующий тонкопленочный поляризатор 15 или 16. Тонкопленочные поляризаторы 10 и 11 обеспечивают прохождение излучения с поляризацией в плоскости падения (р-поляризация) и отражение излучения с поляризацией перпендикулярно плоскости падения (s-поляризация).
В качестве блока совмещения синхронизированных импульсов, излученных обоими лазерами, на Фиг. 1 показана призма 18 Глана, при этом ссылочная позиция 17 обозначает глухое зеркало для поворота луча первого лазера. Пунктирный прямоугольник 19 условно показывает полуволновую пластинку для случая, когда поляризации обоих лазеров одинаковы. Выходная линза 20 фокусирует лучи из блока совмещения (из призмы 18 Глана в данном случае) в нелинейно-оптическом кристалле 21, выполненном, к примеру, из GaSe, ZnTe, GaP.
На Фиг. 2 показана оптическая схема устройства по другому варианту (второй вариант) осуществления настоящего изобретения. На этом чертеже те же элементы, что и на Фиг. 1, обозначены одинаковыми ссылочными позициями. Но, в отличие от варианта устройства по Фиг. 1, на Фиг. 2 блок совмещения не содержит призмы Глана, а вместо этого, наряду с глухим зеркалом 17, использовано еще одно глухое зеркало 22, обеспечивающее направление луча второго лазера в выходную линзу 20. В случае, когда лучи обоих лазеров от глухих зеркал 17 и 22 непараллельны, выходная линза 20 может отсутствовать.
1
2
Временные диаграммы на Фиг. 3 поясняют работу устройства по первому и второму вариантам осуществления. Активные лазерные среды 5 и 6 накачиваются источниками 1 и 2 накачки, излучение каждого из которых фокусируется в соответствующую лазерную среду 5 или 6 линзами 3 или 4. Излучения накачки включаются в общем случае в различные моменты времени t и t. Это обеспечивает оптимальное накопление инверсии в лазерных средах 5, 6, поскольку время жизни верхнего лазерного уровня в каждой лазерной среде в общем случае различно.
3
1
4
2
λ/4
3
4
5
3
5
4
Оптические модуляторы (ячейки 11, 12 Поккельса) служат для модуляции добротности и разгрузки резонаторов обоих лазеров. В течение времени t - t в первом лазере и t - t во втором лазере добротности резонаторов обоих лазеров низки за счет четвертьволновых пластинок 13, 14, стоящих у зеркал 9 и 10. При подаче на ячейки 11, 12 Поккельса четвертьволнового напряжения U в моменты времени t и t добротности резонаторов возрастают до максимума, возможного при глухих лазерных зеркалах 7, 9 и 8, 10, и в обоих лазерах развивается генерация. В момент времени t5 снятия напряжения с ячеек 11, 12 Поккельса накопленное в обоих лазерах излучение одновременно выводится из резонаторов. Время развития генерации в обоих лазерах t - t и t - t различно, т.к. в общем случае различны сечения вынужденного излучения в обеих активных лазерных средах 5, 6.
Для совмещения излучений в обоих лазерах в один пучок при коллинеарной схеме генерации терагерцового излучения используется призма 18 Глана (Фиг. 1), но она используется только в том случае, если поляризации двух пучков различны. Если они одинаковы, то в один из пучков (второго лазера на Фиг. 1 и 2) ставится полуволновая пластинка 19, которая поворачивает плоскость поляризации на 90°. При использовании неколлинеарной схемы генерации терагерцового излучения призма Глана не устанавливается (Фиг. 2). В этом случае ставится зеркало 22, отражающее излучение второго (нижнего на чертежах) лазера, чтобы излучение первого (верхнего на чертежах) лазера, отраженное зеркалом 17, проходило рядом с излучением от зеркала 22. Излучения обоих лазеров совмещаются неколлинеарно в нелинейно-оптическом кристалле 21 при фокусировке линзой 20 или без фокусировки за счет наклона лучей двух лазеров при наклоне зеркал 17 и(или) 22 и последующего совмещения лучей в нелинейно-оптическом кристалле 21, где происходит выделение разностной частоты излучений обоих лазеров, лежащей в терагерцовом диапазоне.
λ/4
На Фиг. 4 показана оптическая схема устройства по третьему варианту осуществления настоящего изобретения. В этом варианте ячейки 11, 12 Поккельса выполнены каждая из двух частей (11а, 11b и 12а, 12b). Первые части 11а и 12а используются так же, как и в предыдущих вариантах, а вторые части 11b, 12b предназначены для подачи на каждую из них четвертьволнового напряжения U, в результате чего эти ячейки Поккельса работают как четвертьволновые пластинки. В остальном данный вариант не отличается от варианта по Фиг. 1.
λ/4
3
1
4
2
λ/4
3
4
5
5
3
5
4
Временные диаграммы на Фиг. 5 поясняют работу устройства по третьему варианту осуществления. В этом варианте на нижние по Фиг. 4 секции 11а, 12а ячеек Поккельса подается четвертьволновое напряжение U, в результате чего каждая из этих секций играет роль λ/4 пластинки. За счет этого в течение времени t - t в первом лазере и t - t во втором добротности лазеров низки. При подаче на другие секции 11b, 12b ячеек Поккельса четвертьволнового напряжения U в моменты времени t и t добротности возрастают до возможного при глухих лазерных зеркалах 7, 9 и 8, 10 максимума, и в обоих лазерах развивается генерация. В момент времени t снятия напряжения с этих секций 11b, 12b ячеек Поккельса накопленное в обоих лазерах излучение одновременно выводится из резонаторов. Время развития генерации в обоих лазерах t - t и t - t различно, т.к. в общем случае различны сечения вынужденного излучения в обеих активных лазерных средах 5 и 6. В остальном работа по этому варианту осуществления не отличается от уже описанной для первого и второго вариантов.
5
λ/4
λ/4
Недостатком третьего варианта устройства по Фиг. 4 является то, что вывод излучений из резонаторов лазеров в момент времени t производится при снятии напряжений U с соответствующих секций 11b, 12b ячеек Поккельса, т.е. в момент времени, когда полупроводниковый ключ, формирующий четвертьволновое напряжение, перестает быть активным. Длительность спада напряжения U определяется разрядом емкостей секций ячеек Поккельса плюс паразитная емкость через разрядное сопротивление. Это приводит к затягиванию длительности импульсов лазеров.
На Фиг. 6 показана оптическая схема устройства по четвертому варианту осуществления настоящего изобретения. В этом устройстве третий вариант дополнен четвертьволновыми пластинками 13, 14 из первого варианта по Фиг. 1. Способ по первому объекту настоящего изобретения реализуется в вариантах устройства по второму объекту настоящего изобретения следующим образом.
3
1
4
2
λ/4
3
4
s
λ/4
Временные диаграммы на Фиг. 7 поясняют работу устройства по четвертому варианту осуществления. В данном варианте устройства отсутствует недостаток третьего варианта устройства по Фиг. 4. В течение времени t - t в первом лазере и t - t во втором добротности лазеров низки за счет четвертьволновых пластинок 13, 14, стоящих у зеркал 9 и 10. При подаче на секции 11а, 12а ячеек Поккельса четвертьволнового напряжения U в моменты времени t и t добротности возрастают до возможного при глухих лазерных зеркалах 7, 9 и 8, 10 максимума, и в лазерах развивается генерация. В момент времени t подачи четвертьволнового напряжения U на другие секции 11b, 12b ячеек Поккельса добротности резонаторов снова становятся минимальными, и накопленные в обоих лазерах излучения одновременно выводятся из резонаторов. Таким образом, это происходит в момент активного действия полупроводникового ключа, формирующего четвертьволновое напряжение, что способствует укорочению длительности импульсов лазеров. В остальном работа по этому варианту осуществления не отличается от уже описанной для первого и второго вариантов.
Таким образом, реализуется способ генерации импульсов терагерцового излучения по первому объекту настоящего изобретения, в котором: обеспечивают накачку активных сред в двух лазерах, частоты генерации которых отличаются на заданную величину в терагерцовом диапазоне; синхронизируют вывод генерируемых лазерами импульсов излучения; совмещают синхронизированные импульсы излучения в нелинейно-оптическом элементе; выводят импульсы терагерцового излучения из нелинейно-оптического элемента.