Перестраиваемый лазерный резонатор
TUNABLE LASER RESONATOR

Изобретение относится к лазерной технике, к конструкциям или форме оптических резонаторов, и может быть использовано в мощных узкополосных твердотельных лазерах с плавной регулировкой длины волны выходного излучения.
Известно несколько разновидностей резонаторов лазеров с перестраиваемой длиной волны излучения, выполненных на основе резонатора Фабри-Перо. В книге О. Звелто «Принципы лазеров», пер. с англ., изд. «Лань», 2008 г., С. 324, приведена схема такого резонатора, в котором в качестве одного из зеркал используется рельефная отражательная дифракционная решетка, действующая в автоколлимационном режиме (схема Литтрова). Изменение длины волны эффективного отражения решетки производится поворотом решетки. Недостатком этого аналога является сравнительно широкая полоса спектрального отражения решетки, что ограничивает возможности достижения узкополосной генерации лазера.
В статье С.А. Васильев, О.И. Медведков, И.Г. Королев, А.С. Божков, А.С. Курков, Е.М. Дианов, Квантовая электроника, 2005 г., Т. 35, №12 С. 1085-1103, описан лазер с спектрально-селективным отражательным элементом на основе волоконной решетки Брэгга, в котором изменение длины волны эффективного отражения отражательного элемента производится при деформации (растяжении либо сжатии) волоконной решетки. Недостатками этого резонатора являются сложность конструкции и малый диапазон перестраиваемых частот лазера, использующего волоконную решетку в качестве селективного отражателя.
Известен лазерный резонатор, описанный в патенте № RU 2248076, содержащий систему зеркал, вогнутого и плоского с отверстиями, периодически расположенными в шахматном порядке, позволяющий уменьшить потери мощности в резонаторе. Недостатком этого аналога является значительная сложность конструкции резонатора и сложность перестройки рабочей длины волны лазера.
Также известен лазерный резонатор согласно патенту № RU 2455669 в конструкции которого используется призма полного внутреннего отражения и плоскопараллельная пластина, обеспечивающие кольцевую траекторию лучей света в резонаторе. Недостаток этой конструкции -большие потери излучения в кольцевом резонаторе при многократном отражении света на оптических поверхностях раздела.
Известен резонатор полупроводникового лазера согласно патенту США № US 7.756.188 В2, в котором в качестве зеркал используются призменные уголковые отражатели. Недостатки этого аналога - низкая добротность и невозможность плавной перестройки рабочей длины волны.
Прототипом изобретения является резонатор лазера, описанный в статье В.П. Дураев, С.В. Медведев, Перестраиваемые одночастотные полупроводниковые лазеры, Физика и техника полупроводников, 2014, том 48, вып. 1, С. 125-128. Здесь одночастотный режим генерации лазера и дискретная перестройка рабочей длины волны обеспечиваются благодаря использованию нескольких волоконных брэгговских дифракционных решеток с разными периодами, являющимися составной частью резонатора лазера, а переключение рабочих длин волн производится при изменении тока накачки полупроводниковой усиливающей (активной) среды лазера. Недостатками прототипа являются сложность конструкции спектрального селектора и невозможность плавной перестройки рабочей длины волны такого лазера. Кроме этого, температурный механизм перестройки рабочей длины волны вызывает необходимость тщательного контроля температуры рабочей среды лазера и требует применения специальных систем охлаждения.
Целью изобретения является упрощение конструкции резонатора перестраиваемого по длине волны узкополосного лазера.
Эта цель достигается, благодаря использованию в лазерном резонаторе высокоселективной объемной отражательной дифракционной решетки, изофазные поверхности (поверхности постоянного показателя преломления) которой параллельны поверхности решетки. Неизменность углового положения выходящего из лазерного резонатора луча света при повороте решетки, необходимом для изменения длины волны генерации лазера, обеспечивается, благодаря установке на пути луча света, отраженного решеткой, плоского зеркала, расположенного под углом 90° относительно плоскости решетки. В отличие от прототипа, в изобретении не используется дорогостоящая и требующая прецизионной регулировки волоконная решетка Брэгга. Совместное действие высокоселективной объемной отражательной дифракционной решетки и плоского зеркала, расположенного под прямым углом относительно плоскости решетки, обеспечивает достижение цели изобретения.
Сущность изобретения и ход лучей света в резонаторе поясняются иллюстрациями. На фигуре 1 показан общий вид устройства, а на фигуре. 2 - схема действия спектрального селектора при повороте платформы.
Лазер содержит: 1 - частично-прозрачное первое зеркало резонатора Фабри-Перо; 2 - активная среда лазера; 3 - отражательная объемная дифракционная решетка (отражательная голограмма с плоскими и параллельными поверхности голограммы изофазными поверхностями); 4 - зеркало, расположенное под углом 90° к плоскости отражательной голограммы; 5 - второе частично-прозрачное (либо полностью отражающее концевое) зеркало резонатора; 6 - поворотная платформа, на которой жестко закреплены элементы 3 и 4 устройства. В качестве материала отражательной дифракционной решетки удобно использование фоторефрактивного кристалла ниобата лития, легированного ионами железа, а также фотохромных материалов, пористых стекол и фотополимеров «реоксан». При толщине Т голографической решетки величиной 1-3 мм спектральная селективность таких решеток в ближнем ИК диапазоне волн достигает нескольких единиц-долей ангстрема (А.П. Попов, А.Ф. Кавтрев, А.В. Вениаминов, Г.И. Пашков «Оптическая голография с записью в трехмерных средах», Изд. «Наука», Л., 1986, С. 82-91).
Фигура 2 поясняет действие спектрального селектора при повороте платформы 6, необходимом для перестройки длины волны отражения селектора. Расположенные под углом 90° голограмма 3 и зеркало 4 подобны уголковому отражателю, в котором направление отраженного светового луча ориентированно вдоль падающего луча света и не изменяется при повороте рефлектора. Поворот рефлектора обеспечивает заданное значение, в соответствии с условием эффективной дифракции Брэгга,
λ=2×d×n×sin(θ)
(λ - длина волны эффективной дифракции, d - период решетки, n - средний показатель преломления материала решетки, θ - угол Брэгга) длины волны генерации лазера. Высокая спектральная селективность  объемной фазовой отражательной решетки Брэгга достигается вследствие сравнительно большой толщины Т решетки,  Это обстоятельство, наряду с положительным влиянием на спектральную селективность резонатора лазера его полной длины, способствует установлению одночастотного режима генерации перестраиваемого лазера. Поворот решетки на 1-3 градуса вызывает сдвиг длины волны эффективной дифракции величиной в несколько единиц-десятков нм, при этом, как показывает элементарный расчет геометрии хода лучей в резонаторе, угловое положение выходящего из резонатора луча света постоянно.
Материал голограммы - фотополимер «реоксан» (см. В.И. Суханов, Г.И. Лашков и др. «Оптическая голография», изд. «Наука», Л. 1979, С. 21-42). Толщина голограммы 2 мм, угловая селективность дифракции 6 угл. мин, дифракционная эффективность 56%. Активная среда: стержень YAG:Nd длиной 90 мм, диаметром 6 мм, рабочая длина волны около 1.06 мкм, система накачки квантрон с решеткой светодиодов. Поворотное устройство производства компании ORIEL Corp., модель Rotator 2510. Взаимное расположение элементов конструкции соответствует фигуре 1 описания.