МОДУЛЯТОР ДОБРОТНОСТИ ЛАЗЕРА НА ЭФФЕКТЕ НАРУШЕНИЯ ПОЛНОГО ВНУТРЕННЕГО ОТРАЖЕНИЯ

Предполагаемая полезная модель относится к устройствам для управления интенсивностью, частотой, фазой или направлением лазерных излучателей и используется в оптическом приборостроении, а именно в оптической связи, лазерной локации, в оптотехнике, а конкретно для импульсных твердотельных лазеров, работающих в широком диапазоне температур.
Известен модулятор добротности лазера на эффекте нарушения полного внутреннего отражения [Патент РФ №2022433, Н01S 3/10, публ. 30.10.1994 г.], состоящий из двух усеченных призм из стекла марки ТБФ-10. Призмы жестко соединены большими основаниями с рабочим зазором толщиной 0,2λ, где λ длина волны пропускания. На малых (усеченных) гранях каждой призмы размещены пьезопреобразователи, изготовленные из пьезокерамики типа ЦТСНВ-1. Угол падения модулируемого светового потока на зазор больше угла полного внутреннего отражения. При подаче напряжения на пьезопреобразователь происходит схлопывание зазора между призмами, Модулятор открывается.
Недостатками модулятора является малая степень стабильности толщины зазора при изменении температуры и малый ресурс работы модулятора вследствие нарушения со временем контакта поверхностей при схлопывании зазора.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является модулятор добротности лазера на эффекте нарушения полного внутреннего отражения, который состоит из двух усеченных призм, соединенных между собой большими основаниями с рабочим зазором, на малом основании одной из призм через термокомпенсационные прокладки жестко закреплен пьезопреобразователь, управляющий толщиной зазора, при этом одни из боковых граней усеченных призм выполнены под углом Брюстера по отношению к падающему и выходящему излучению [Свидетельство на полезную модель РФ №27074 U1, H01S 3/10, публ. 29.07.2002 г.].
Недостатком такого модулятора является ограниченный ресурс работы, поскольку модулятор открывается путем ударного соприкосновения призм, осуществляемого пьезопреобразователем. Вследствие многократных ударов поверхности выкрашиваются, и зазор с течением времени не полностью перекрывается. В результате пропускание светового потока модулятором падает, и энергия импульса излучения лазера уменьшается.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание модулятора добротности лазера на эффекте нарушения полного внутреннего отражения с улучшенными техническими характеристиками, позволяющими добиться технического результата, заключающегося в увеличении ресурса работы модулятора путем сохранения со временем его пропускающей способности (так как пропускание происходит на расстоянии без соприкосновения призм) и увеличение быстродействия модулятора за счет уменьшения времени открывания модулятора.
Это достигается тем, что в модуляторе добротности лазера на эффекте нарушения полного внутреннего отражения, состоящим из первой и второй усеченных призм, обращенных большими основаниями навстречу друг другу, на малом основании одной из призм через термокомпенсационные прокладки жестко закреплен пьезопреобразователь. К тыльной стороне пьезопреобразователя прикреплен согласователь, две передние боковые поверхности призм выполнены под углом брюстера α по отношению к падающему и выходящему излучению. В отличии от известного, две другие боковые поверхности призм выполнены под углом брюстера α по отношению к падающему и выходящему излучению и на эти боковые поверхности нанесено зеркальное покрытие с коэффициентом отражения ρ≥99,9% на рабочие длины волн лазера и с коэффициентом отражения р≤0,5% на длину волны конкурирующего перехода. На малом основании второй призмы может быть жестко закреплен через термокомпенсационную прокладку второй пьезопреобразователь, который работает синхронно с первым на схлопывание зазора.
Фиг.1 - предлагаемая конструкция модулятора добротности лазера на эффекте нарушенного полного внутреннего отражения;
Фиг.2 - модулятора добротности лазера на эффекте нарушенного полного внутреннего отражения с зеркальными покрытиями как часть резонатора лазера;
Фиг.3 - предлагаемая конструкция модулятора добротности лазера на эффекте нарушенного полного внутреннего отражения с двумя пьезопреобразователями, закрепленными на малых основаниях двух призм.
Модулятор добротности лазера на эффекте нарушенного полного внутреннего отражения состоит из (см. фиг.1) двух усеченных призм 1, которые жестко соединены большими основаниями с зазором на участке MN. На малом основании одной из призм жестко закреплен через термокомпенсационную пластину 2 пьезопреобразователь 3, к тыльной стороне которого прикреплен согласователь 4. Так же, как и у прототипа, призмы симметричны, и две передние боковые поверхности расположены под углом Брюстера α по отношению к падающему и выходящему излучению. В зоне, свободной от зазора, большие основания призм поставлены на глубокий оптический контакт. С целью безударного открывания модулятора на две другие боковые поверхности В и С призм, выполненные под углом брюстера α по отношению к падающему и выходящему излучению, нанесено зеркальное покрытие с коэффициентом отражения ρ≥99,9% на рабочие длины волн лазера и с коэффициентом отражения ρ≤0,5% на длину волны конкурирующего перехода. (Если в активной среде лазера есть конкурирующий переход).
Нанесение зеркального покрытия на вторые боковые поверхности призм приводит к формированию двух интерферирующих световых лучей, которые превращают модулятор в импульсное зеркало.
Модулятор добротности работает следующим образом:
В отсутствие электрического импульса на пьезопреобразователе зазор максимальный, падающий на зазор луч после двойного отражения от поверхности на участке MN, отражения от поверхностей В и С выходит наружу через поверхность D и к источнику излучения (в нашем случае в активную среду) не возвращается. Когда поверхности зазора соприкасаются, падающий на модулятор луч после отражения от поверхностей С и В также выходит наружу через поверхность D, и к источнику излучения также не возвращается. Когда зазор начинает сокращаться по действием электрического импульса, подаваемого на пьезопреобразователь, то один луч, отраженный от границы раздела призм на участке MN, после отражения от поверхностей В и С проходит через границу раздела призм на участке MN и выходит из призмы навстречу исходному лучу. Другой луч, прошедший через границу раздела призм на участке MN, после отражения от поверхностей С и В, отражается от границы раздела призм на участке MN и выходит из призмы также навстречу исходному лучу. Фазы этих лучей совпадают, а при определенной толщине зазора амплитуды этих лучей становятся максимальными, и пришедший к зазору луч полностью отражается в том направлении, откуда пришел.
Таким образом, модулятор с зеркальными покрытиями представляет собой часть резонатора лазера (Фиг.2), в котором помимо активного элемента 5 и лампы - накачки 6 глухое зеркало 7 объединено с модулятором добротности лазера на эффекте нарушения полного внутреннего отражения. Для зеркального отражения падающего на модулятор излучения не требуется плотного прижатия поверхностей зазора, а максимальное отражение возникает, когда поверхности зазора находятся на некотором расстоянии друг от друга. Поэтому ресурс работы модулятора значительно увеличивается. На малом основании второй призмы может быть жестко закреплен через термокомпенсационную прокладку второй пьезопреобразователь, который работает синхронно с первым на схлопывание зазора (Фиг.3).
Расчеты показывают, что для длины волны λ=1,54 мкм при угле падения луча на поверхность зазора равным 60° для р поляризации отражение достигает максимума при величине зазоре равном 0,34 мкм, а затем резко убывает при дальнейшем уменьшении величины зазора.
Примененная в предлагаемой конструкции двухлучевая интерференция, обеспечивающая зеркальное отражение, позволяет уменьшить габариты лазера вдоль оптической оси за счет того, что глухое зеркало 7 объединено с модулятором добротности лазера на эффекте нарушения полного внутреннего отражения.
Кроме того, увеличивается быстродействие модулятора за счет сокращения примерно в 2 раза времени открытия модулятора и за счет использования второго пьезопреобразователя.
Таким образом, в результате предложенного технического решения обеспечено получение технического результата: создан модулятор добротности лазера на эффекте нарушения полного внутреннего отражения в компактном исполнении, по сравнению с прототипом уменьшенными общими габаритами лазера, с большим ресурсом работы, увеличенным быстродействием.