СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ГИРОЛАЗЕР С АНИЗОТРОПНОЙ ЛАЗЕРНОЙ СРЕДОЙ
STABILISED SOLID GYROLASER WITH ANISOTROPIC LASER MEDIUM

Областью изобретения является область твердотельных гиролазеров, используемых в качестве инерционных узлов управления. Этот тип оборудования, в частности, используется в авиации.
Гиролазер, разработанный тридцать лет назад, широко распространен и используется в наши дни. Принцип его функционирования основан на эффекте Саньяка, который вызывает разность частот Δν между двумя оптическими модами передачи излучения, называемых встречно распространяющимися модами, распространяющимися в противоположных направлениях из равномерно вращающегося двунаправленного кольцевого лазерного резонатора. Классически разность частот Δν равна:
Δν=4AΩ/λL,
где L и A - соответственно длина и площадь поперечного сечения резонатора; λ - длина волны лазерного излучения вне эффекта Санька; Ω - скорость вращения узла. Измерение Δν, полученное посредством спектрального анализа биения двух испускаемых лучей, позволяет узнать значение Ω с очень большой точностью.
Можно также продемонстрировать, что гиролазер будет функционировать правильно только при определенной скорости вращения, необходимой для уменьшения влияния межмодовых взаимодействий. Диапазон скоростей вращения, расположенный ниже этой границы, классически называется слепой зоной.
Условием наблюдения биения и, следовательно, функционирования гиролазера является стабильность интенсивностей, испускаемых в двух направлениях. Ее получение не является, на первый взгляд, легким делом ввиду явления межмодовой конкуренции, которое является причиной того, что одна из двух встречно распространяющихся мод может иметь склонность монополизировать доступное усиление в ущерб другой моде.
Эта проблема решена в обычных гиролазерах путем использования газовой среды усиления, как правило, смеси гелия и неона, функционирующей при температуре окружающей среды. Кривая усиления газовой смеси имеет доплеровское уширение, вызванное тепловым движением атомов. Таким образом, единственными атомами, способными производить усиление моды заданной частоты, являются те, скорость которых вызывает доплеровское смещение видимой частоты волны, которое приводит атом к резонансу с рассматриваемой модой. Вынуждая лазерное излучение иметь место в другом месте, а не в центре кривой усиления пьезоэлектрическим регулированием длины оптического пути, убеждаются, что атомы в резонансе с резонатором имеют скорость, отличную от нуля. Таким образом, атомы, которые могут способствовать усилению в одном из двух направлений, имеют скорости, противоположные скоростям атомов, которые могут способствовать усилению в противоположном направлении. Таким образом, все происходит так, как если бы имелись две независимые усиливающие среды, по одной для каждого направления. Когда межмодовая конкуренция, таким образом, исчезла, получают двунаправленное устойчивое и уравновешенное излучение. На самом деле, чтобы сгладить другие проблемы, используют смесь двух различных изотопов неона.
Газовая природа усиливающей среды все-таки является источником технических сложностей при производстве гиролазера, особенно ввиду высокой требуемой чистоты газа и преждевременного износа во время его использования, износа, связанного, в частности, с утечками газа, с повреждением электродов высокими напряжениями, используемыми для установления инверсии заселенности.
В настоящее время, возможно производить твердотельный гиролазер, функционирующий в видимой или в ближней области инфракрасного излучения, используя, например, усиливающую среду на основе кристаллов YAG (иттриевоалюминиевый гранат), лигированных неодимом вместо газовой смеси гелий-неон; оптическая накачка, в таком случае, обеспечивается лазерными диодами, функционирующими в ближней области инфракрасного излучения. В качестве усиливающей среды также можно использовать полупроводниковый материал, кристаллическую матрицу или стекло, легированное ионами, принадлежащими классу редкоземельных элементов (эрбий, иттербий…). Таким образом, фактически устраняют все проблемы, присущие газовому состоянию усиливающей среды. Все-таки такое исполнение представляется очень сложным из-за однородного характера уширения кривой усиления твердых сред, которое вызывает очень сильную межмодовую конкуренцию и существование большого числа различных режимов функционирования, среди которых двунаправленный режим, уравновешенный по интенсивности и не ограниченный частотой, называемой «режимом биения», является частным и неустойчивым случаем (N.Kravtsov, E.Lariontsev, Self-modulation oscillations and relaxations processes in solid-state ring lasers, Quantum Electronics 24(10) 841-856 (1994)). Это основное физическое препятствие сильно ограничило развитие твердотельных гиролазеров, вплоть до настоящего времени.
Чтобы сгладить этот недостаток, техническое решение заключается в том, чтобы ослабить влияние конкуренции между встречно распространяющимися модами в кольцевом твердотельном лазере, вводя в резонатор оптические потери, зависящие от направления распространения оптической моды и от ее интенсивности. Принцип заключается в изменении посредством устройства автоматического регулирования этих потерь в зависимости от разности между интенсивностями двух испускаемых мод, для содействия наиболее слабой моде в ущерб другой, таким образом, чтобы постоянно связать интенсивность двух встречно распространяющихся мод либо с общим значением, либо с постоянной разностью. Технически осуществление устройства автоматического регулирования может основываться на сочетании трех оптических устройств, действующих на состояние поляризации оптических мод. Эти три устройства представляют собой линейный поляризатор, взаимный вращатель или пластинку с разностью хода в одну длину волны и невзаимный вращатель (заявка на французский патент 0303645).
Объектом изобретения является устройство автоматического регулирования (устройство с обратной связью) для твердотельного гиролазера, содержащее внутрирезонаторный оптический узел, позволяющий регулировать интенсивность встречно распространяющихся оптических мод, основанное не на оптических потерях, зависящих от направления распространения, а на оптическом усилении, зависящем от направления распространения оптической моды и ее интенсивности. Устройство автоматического регулирования производит тогда оптическое усиление в зависимости от разности интенсивности между двумя испускаемыми модами для содействия, наиболее слабой моде в ущерб другой, таким образом, чтобы постоянно связать интенсивность двух встречно распространяющихся мод с общим значением или с постоянной разностью.
Точнее, согласно аспекту изобретения предусмотрен гиролазер, содержащий, по меньшей мере, один кольцевой оптический резонатор, усиливающую твердотельную среду и систему автоматического регулирования, две оптические моды, названные встречно распространяющимися, которые могут распространяться в направлениях, противоположных друг другу внутри вышеупомянутого оптического резонатора, система автоматического регулирования предназначена для связывания интенсивности двух встречно распространяющихся мод, отличающийся тем, что усиливающая среда является анизотропной, и тем, что система автоматического регулирования содержит внутри резонатора, по меньшей мере, один оптический блок, содержащий оптический элемент, действующий на состояние поляризации встречно распространяющихся мод, по меньшей мере, один из вышеупомянутых оптических элементов или вышеупомянутый оптический вращатель является регулируемым.
Оптический элемент является либо взаимным оптическим вращателем, либо пластинкой с разностью хода в одну длину волны. Относительно системы автоматического регулирования возможны два основных технических решения:
- предположим эффект взаимного вращения вращателя или пластинки с разностью хода в одну длину волны постоянен, в этом случае эффект невзаимного вращения должен быть регулируемым для того, чтобы устройство автоматического регулирования могло бы функционировать;
- предположим эффект невзаимного вращения постоянен, в этом случае эффект взаимного вращения или пластинки с разностью хода в одну длину волны должен быть регулируемым для того, чтобы устройство автоматического регулирования могло бы функционировать.
В качестве второго аспекта изобретения предусмотрен гиролазер, содержащий, по меньшей мере, один кольцевой оптический резонатор, твердотельную усиливающую среду и систему автоматического регулирования, две оптические моды, названные встречно распространяющимися, могут распространяться в противоположных друг другу направлениях внутри вышеупомянутого оптического резонатора, система автоматического регулирования предназначена связывать интенсивность двух встречно распространяющихся мод, отличающийся тем, что усиливающая среда является анизотропной, и тем, что резонатор является непланарным, то есть тем, что две встречно распространяющиеся моды не распространяются в одной плоскости, и тем, что система автоматического регулирования содержит внутри резонатора, по меньшей мере, один регулируемый вращатель невзаимного действия.
Изобретение будет лучше понято и другие преимущества станут очевидны при изучении данного в качестве неограничивающего последующего описания и благодаря приложенным чертежам, в числе которых:
- фиг.1 показывает принцип невзаимного эффекта Фарадея;
- фиг.2a и 2b показывают основной принцип устройства автоматического регулирования в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения;
- фиг.3 показывает общую схему устройства автоматического регулирования в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения;
- фиг.4a и 4b показывают общий принцип взаимного вращения, производимого некомпланарным резонатором;
- фиг.5 показывает общий вид монолитного резонатора;
- фиг.6 показывает общий вид гиролазера, содержащего монолитный резонатор;
- фиг.7 показывает принципиальную схему непланарного и монолитного резонатора;
- фиг.8a и 8b показывают принципиальные схемы создания переменного магнитного поля в монолитном резонаторе, демонстрирующем эффект Фарадея;
- фиг.9 показывает принципиальную схему создания постоянного магнитного поля в монолитном резонаторе, демонстрирующем эффект Фарадея.
Оптическое вращение плоскости поляризации волны названо невзаимным потому, что эффекты вращения плоскости поляризации накапливаются после двойного хода вышеупомянутой волны в оптическом элементе, обладающем этим эффектом. Оптический элемент назван оптическим вращателем невзаимного действия. Например, материалы, обладающие эффектом Фарадея, являются материалами, которые, когда они подвергнуты воздействию магнитного поля, заставляют поворачиваться плоскость поляризации лучей, которые через них проходят. Этот эффект не является взаимным. Таким образом, один и тот же луч, проходящий в обратном направлении, подвергнется повороту его плоскости поляризации в том же направлении. Этот принцип показан на фиг.1. Направление поляризации 51 линейно-поляризованного луча 5 подвергается повороту на угол β, когда он проходит через фарадеевский элемент 8 в прямом направлении (верхняя схема на фиг.1). Если снова пропустить через фарадеевский элемент идентичный луч 6, распространяющийся в противоположном направлении и направление поляризации которого изначально повернуто на β, его направление поляризации 51, проходя через элемент, снова поворачивается на угол β, тогда после двойного хода полный угол поворота составляет 2β (центральная схема на фиг.2a). В традиционном вращателе 7 взаимного действия направление поляризации 51 было повернуто на - β так, чтобы восстановить его начальное положение (нижняя схема на фиг.1).
прямой
обратный
Принцип сочетания взаимного вращения и невзаимного вращения проиллюстрирован на примере чертежей 2a и 2b в случае падающих линейно-поляризованных лучей 5 и 6. Обозначение направления поляризации оптических лучей было показано стрелкой. Первый элемент 7 взаимного действия поворачивает плоскость поляризации излучения на угол α в прямом направлении и второй элемент 8 поворачивает плоскость поляризации на угол β также в прямом направлении. Элемент 7 может быть, в частности, природным оптическим вращателем, таким как кварцевая пластинка. Вышеупомянутый элемент 7 может быть также пластинкой с разностью хода в одну длину волны, как, например, пластинка с разностью фаз в полволны, повернутая на угол α/2 по отношению к направлению падающей волны. Элемент 8 может быть фарадеевским вращателем, таким как упомянутый ранее. Предположим, первый вертикально линейно-поляризованный оптический луч 5 и проходит последовательно через первый и второй элементы, как показано на фиг.2a, после прохождения через первый элемент его направление поляризации повернулось на угол α и после прохождения через второй элемент его направление поляризации повернулось на угол θ, равный углу α+β. Предположим, второй линейно-поляризованный оптический луч 6 последовательно проходит в направлении, обратном первому лучу 5 через второй, а затем через первый элемент, как показано на фиг.2b, после прохождения через второй элемент его направление поляризации повернулось на угол - β и после прохождения через первый элемент его направление поляризации повернулось на угол θ, равный углу α-β.
4
3+
Анизотропная лазерная среда обладает особенностью вынужденного поляризованного излучения в особом направлении. Таким образом, для того чтобы оптический луч, проходящий через вышеупомянутую среду, был бы усилен с максимальным усилением, он должен быть поляризован в этом выделенном направлении. В направлении, перпендикулярном этому выделенному направлению, лазерная среда может предоставлять усиление, но обычно значение этого усиления очень близко к единице и оно не позволяет получить лазерный эффект. В качестве неограничивающего примера, в качестве анизотропной лазерной среды этого типа, приведем кристаллические среды, содержащие матрицу YVO или матрицу YLF, содержащую ионы неодима Nd.
прямой
обратный
прямой
обратный
Фиг.3 описывает основной принцип гиролазера в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения. Он содержит лазерный резонатор, имеющий три зеркала 11, 12 и 13, вышеупомянутый резонатор содержит взаимный вращатель или пластинку 7 с разностью хода в одну длину волны, невзаимный вращатель 8, подобный двум вращателям с фиг.2a и 2b, и анизотропную среду 19, генерирующую в оптическом диапазоне. В качестве примера, первый элемент 7 взаимного действия поворачивает плоскость поляризации излучения на угол α в прямом направлении и второй элемент 8 поворачивает плоскость поляризации излучения на угол β также в прямом направлении. Оптическая мода, линейно-поляризованная в том же направлении поляризации, что и мода вынужденного излучения, в среде, генерирующей в оптическом диапазоне, усилена с максимальным усилением и может, таким образом, эффективно колебаться. Когда такая внутрирезонаторная мода совершает полный обход резонатора, подвергаясь вначале взаимному эффекту, затем невзаимному эффекту, ее плоскость поляризации поворачивается на угол θ, равный α+β, в направлении, названном прямым направлением, и на угол θ, равный α-β, в противоположном направлении. В прямом направлении усиливается только проекция поляризации, параллельная направлению поляризации вынужденного излучения. Эта проекция пропорциональна углу θ. Когда внутрирезонаторная оптическая мода совершает полный обход в обратном направлении, также усиливается только проекция поляризации, параллельная направлению поляризации вынужденного излучения. Эта проекция пропорциональна углу θ.
Следовательно, коэффициент усиления в среде, генерирующей в оптическом диапазоне, различен по направлению распространения и зависит непосредственно от значения эффектов под действием поляризации двух мод. Также возможно изменять различным образом интенсивности встречно распространяющихся мод, изменяя, по меньшей мере, одно из значений эффектов, испытанных поляризацией двух мод. Для осуществления этой функции автоматического регулирования часть лучей 5 и 6 отсечена, например, по меньшей мере, двумя полупрозрачными пластинками 43 и направлена на два фотодетектора 42, как показано на фиг.3. Выходные сигналы, полученные от этих фотодетекторов, являются показателями интенсивности светового потока двух встречно распространяющихся оптических мод 5 и 6. Вышеупомянутые сигналы направляются в электронный модуль 4 автоматического регулирования, который в зависимости от интенсивности полученных сигналов управляет устройством переменного действия, содержащим элементы 7 и 8 (пунктирные стрелки). Это будет выражаться посредством изменений состояний поляризации двух встречно распространяющихся мод 5 и 6. Эти изменения состояний поляризации влекут за собой различные оптические усиления встречно распространяющихся оптических мод 5 и 6 каждый раз, когда, совершив полный обход, моды снова пересекают усиливающую среду 19. Эти усиления зависят от интенсивности выходных лучей. Если один из лучей имеет интенсивность светового потока больше, чем у другого, его интенсивность будет увеличена устройством автоматического регулирования в меньшей степени так, чтобы привести выходящие лучи к одному уровню интенсивности. Таким образом, двунаправленный режим стабилизируют по интенсивности.
Разумеется, устройство согласно изобретению может быть адаптировано к любым сочетаниям взаимных вращений, к пластинкам с разностью хода в одну длину волны, к поляризаторам и невзаимным вращателям, действующим на состояние поляризации светового потока, так что вышеупомянутое сочетание могло бы быть преобразовано в изменение усиления средой, генерирующей в оптическом диапазоне. Кроме того, в реальном резонаторе различные типы элементов (зеркала резонатора, усиливающая среда, …) могут влиять на состояние поляризации оптических лучей, так же как и на их интенсивность. Чтобы точно понять параметры встречно распространяющихся лучей после полного обхода резонатора, используют матричный формализм Джонса. Он заключается в том, чтобы представить влияние одного элемента на состояние поляризации матрицей 2×2, относящейся к плоскости, перпендикулярной направлению распространения лучей. Обычно, выбранные оси системы координат соответствуют главным осям внутрирезонаторного поляризатора, что облегчает математическое представление. Чтобы понять результирующее влияние внутрирезонаторных элементов, достаточно перемножить различные репрезентативные матрицы этих элементов. Это произведение не является коммутативным, и вид некоторых матриц Джонса зависит от направления распространения, влияние может быть различным в соответствии с направлением распространения лучей. Продемонстрировано, что, по меньшей мере, один невзаимный вращатель и один взаимный вращатель или одна пластинка с разностью хода в одну длину волны или один поляризатор необходимы, чтобы получить этот эффект.
Существуют различные методы для осуществления постоянных взаимных вращателей.
Оптический элемент может быть линейным поляризатором, направление поляризации которого не параллельно направлению максимального усиления усиливающей среды.
Также возможно получить неподвижный взаимный вращатель, используя природный оптический вращатель, такой как оптическая пластинка с двойным лучепреломлением, полученная, например, из природного материала с двойным лучепреломлением, такого как кварц.
Можно также воздействовать на состояния поляризации, используя пластинку с разностью хода в одну длину волны. Разумеется, эта пластинка с разностью хода в одну длину волны может быть выполнена интегрированной с одним из зеркал резонатора, чтобы упростить осуществление устройства.
Во втором варианте осуществления изобретения можно, в частности, использовать, как описано на фиг.4a и 4b, непланарный резонатор вместо оптического элемента, действующего на состояние поляризации встречно распространяющихся мод. Пусть резонатор 1 содержит, по меньшей мере, четыре зеркала 11, 12, 13 и 14. Возможно расположить их, как показано на фиг.4a, таким образом, чтобы встречно распространяющиеся лучи распространялись в одной плоскости (плоскость (X, Y) на фиг.4a). В этом случае, если эти лучи линейно-поляризованы, направление поляризации сохраняется. Также возможно расположить их так, чтобы встречно распространяющиеся лучи не распространялись больше в одной плоскости, как показано, например, на фиг.4b, где зеркало 12 было перемещено по оси Z. В этом случае докажем, что направление поляризации встречно распространяющихся лучей повернулось на угол, зависящий от геометрии резонатора, когда луч совершил полный обход по резонатору (A.C.Nilsson, E.K.Gustafson and R.L.Byer - Eigenpolarization Theory of Monolithic Nonplanar Ring Oscillators - IEEE Journal of Quantum Electronics 25 (4) 767-790 (1989)). Это свойство может быть использовано для осуществления резонаторов согласно изобретению. В этом случае остается разместить переменный невзаимный вращатель внутри непланарного резонатора.
Для осуществления оптической функции, эквивалентной функции переменной пластинки с разностью хода в одну длину волны, возможное решение заключается в использовании устройства с контролируемым двойным лучепреломлением. Для того чтобы ввести контролируемое двойное лучепреломление, можно использовать:
1-x
x
i-y
y
3
- керамику на основе свинца, лантана, циркония и титана (PbLaZrTiO), у которых можно одновременно контролировать ориентацию нейтральных осей и двойное лучепреломление в зоне, окружая ее электродами и прикладывая электрическое поле в несколько сотен вольт. Эта керамика имеет толщину меньше миллиметра, излучает в ближнем инфракрасном диапазоне, имеет управляющие напряжения в несколько сотен вольт и время реакции порядка микросекунды, совместимое с необходимой полосой пропускания, исчисляемой в несколько десятков килогерц.
- жидкокристаллические клапаны толщиной приблизительно в один миллиметр (рабочая зона которых имеет толщину приблизительно 20 микрон), имеющие управляющие напряжения в несколько десятков вольт.
- ячейки Поккельса, сдвиг фаз которых изменяют, меняя прикладываемое напряжение (обычно 1 киловольт для того, чтобы полученный сдвиг фаз был бы равен π/2). Это ячейки, образованные из KDP (дигидрофосфата калия) или из ниобата лития, например, идентичные ячейкам, используемым для запуска лазера. Они имеют толщины от одного до двух сантиметров и малые вносимые потери.
Для осуществления невзаимного вращения обычно используют магнитооптические устройства, например фарадеевские, которые для функционирования требуют формирования магнитного поля. Эти фарадеевские элементы могут быть, в частности, выполнены непосредственно на зеркалах резонатора с помощью слоев из магнитооптического материала. Если необходимо получить постоянное невзаимное вращение, достаточно создать магнитное поле с помощью магнитных схем на базе постоянных магнитов. Если необходимо получить переменный невзаимный эффект, тогда достаточно создать переменное магнитное поле, например, с помощью катушки индуктивности, окружающей материал с эффектом Фарадея, управляемой посредством регулируемой силы тока.
Когда среда к этому подготовлена, преимущественнее использовать тот же элемент, что и усиливающая среда, и тот же, что и среда с эффектом Фарадея.
Преимущественно твердотельный лазер согласно изобретению выполнен на базе монолитного резонатора, как показано на фиг.5 и 6. Эта конфигурация имеет множество преимуществ.
Зеркала 11, 12 и 13 тогда расположены непосредственно на поверхностях монолитного резонатора. Резонатор может быть выполнен непосредственно в материале, служащем усиливающей средой. Фиг.6 показывает схему выполнения гиролазера согласно изобретению, использующего резонатор такого типа. Материал 19 резонатора служит также усиливающей средой. В этом случае оптическая накачка реализована посредством лазерного диода 2, луч 22 которого сфокусирован внутри усиливающей среды с помощью линзы 21. Элементы 7 и 8 на этом чертеже показаны пунктиром.
Монолитный резонатор может также быть непланарным. Таким образом получают взаимное вращение непосредственно при помощи формы самого резонатора. В примере на фиг.7 резонатор является толстой пластинкой, содержащей две плоские и параллельные между собой поверхности 195 и 196 и четыре боковые наклонные поверхности 191, 192, 193 и 194. Общая форма пластинки - это форма усеченного клина. Наклон боковых поверхностей выбран так, чтобы световые лучи проходили через резонатор по ромбу, как показано на фиг.7
Одно из других преимуществ монолитного резонатора заключается в использовании усиливающей среды 19 в качестве среды с эффектом Фарадея. В этом случае получение переменного магнитного поля достигается окружением монолитного резонатора катушкой индуктивности 73, как показано на фиг.8a. Также возможно, для улучшения эффективности магнитного поля, окружить только часть резонатора одной или несколькими катушками индуктивности, как показано на фиг.8b. В этом случае резонатор должен быть снабжен отверстиями для прохождения электрических проводов, образующих катушки индуктивности.
Получение постоянного магнитного поля достигается размещением на монолитном резонаторе постоянных магнитов 74, как показано на фиг.9.