ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ЧАСТОТНЫЙ СЕЛЕКТОР
TUNABLE FREQUENCY SELECTOR

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для создания перестраиваемых лазеров в ближнем ИК-диапазоне для спектральной оптической когерентной томографии.
Применение перестраиваемых лазеров охватывает многие области науки и техники. В зависимости от конкретного применения, к перестраиваемым лазерам предъявляются различные требования по диапазону перестройки, центральной длине волны, мощности выходного излучения, ширине спектральной линии. Все эти характеристики напрямую зависят от типа используемого для создания перестраиваемого лазера перестраиваемого частотного селектора. Также важной характеристикой для ряда задач является режим генерации перестраиваемого источника (генерация на одной или нескольких продольных и поперечных модах активного резонатора). Режим генерации на одной продольной моде активного резонатора достигается, когда в узкую спектральную полосу, создаваемую перестраиваемым частотным селектором, попадает одна продольная мода активного резонатора, расстояние между которыми определяется оптической длиной активного резонатора.
7
Известен перестраиваемый частотный селектор (патент US 7242697, МПК H01S 3/10, опубл. 10.07.2007), содержащий поляризатор, две отражающие пластины, заполненные средой с изменяемым показателем преломления (резонатор Фабри - Перо), заключенные между двумя фарадеевскими ротаторами, и отражающее зеркало. Широкополосное излучение направляется на поляризатор, проходя через который приобретает линейную поляризацию, затем, пройдя через фарадеевские ротаторы и резонатор Фабри - Перо, отражается от отражающего зеркала и, снова пройдя через фарадеевские ротаторы и резонатор Фабри - Перо, возвращается через поляризатор назад в систему. При этом излучение, отраженное от передней отражающей пластины, составляющей резонатор Фабри - Перо, задерживается поляризатором. На выходе из перестраиваемого частотного селектора спектр излучения представляет собой узкую спектральную полосу. Сканирование по частоте производится путем изменения показателя преломления среды с изменяемым показателем преломления между двумя отражающими пластинами.
Недостатком данного перестраиваемого частотного селектора является то, что его использование предполагает наличие внутри активного резонатора большого количества оптических элементов, что увеличивает его оптическую длину, что, в свою очередь, затрудняет создание перестраиваемого лазера, работающего в режиме генерации одной продольной моды активного резонатора.
7
Ближайшим аналогом разработанного перестраиваемого частотного селектора является перестраиваемый частотные селектор, известный по патенту US 6301274, МПК H01S 3/10, опубл. 09.10.2001. Перестраиваемый частотный селектор состоит из линзы, резонатора Фабри - Перо, наклоненного по отношению к оптической оси системы под достаточно большим углом для предотвращения отражения назад в систему от переднего зеркала, образующего резонатор Фабри - Перо, и отражающего зеркала. Широкополосное излучение проходит через линзу, обеспечивающую согласование моды активной среды, используемой при создании перестраиваемого лазера, и моды резонатора Фабри - Перо, затем проходит через резонатор Фабри - Перо, отражается от отражающего зеркала и, снова пройдя через резонатор Фабри - Перо и линзу, попадает назад в систему, при этом спектр излучения представляет собой узкую спектральную полосу. Сканирование по частоте производится путем изменения базы резонатора Фабри - Перо.
В отличие от предыдущего устройства, перестраиваемый лазер, использующий данный перестраиваемый частотный селектор, будет иметь меньше оптических элементов внутри своего активного резонатора. Однако оптическая длина такого лазера может быть уменьшена при использовании частотного селектора в качестве одного из зеркал лазера.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка перестраиваемого частотного селектора для перестраиваемого лазера с наименьшей возможной оптической длиной активного резонатора, включающего в себя частотный селектор, для работы в режиме генерации одной продольной моды активного резонатора. За счет использования частотного селектора в качестве одного из зеркал лазера снижается количество настроек оптических элементов лазера и снижается его стоимость.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что разработанный перестраиваемый частотный селектор так же, как и ближайший аналог, содержит резонатор Фабри - Перо с переменной оптической длиной между зеркалами.
Новым в разработанном перестраиваемом частотном селекторе является то, что размер перетяжки моды резонатора Фабри - Перо составляет несколько длин волн излучения, перед резонатором Фабри - Перо введен волновод с размером моды несколько длин волн, при этом моды волновода и резонатора Фабри - Перо частично согласованы так, что модуль коэффициента связи с волноводом моды резонатора Фабри - Перо выше, чем модуль коэффициента связи с волноводом отраженной от переднего зеркала резонатора Фабри - Перо моды волновода.
В первом частном случае реализации перестраиваемого частотного селектора резонатор Фабри - Перо расположен под углом к оптической оси волновода.
Во втором частном случае реализации перестраиваемого частотного селектора резонатор Фабри - Перо выполнен в виде двух зеркал, по крайней мере одно из которых является выпуклым.
В третьем частном случае реализации перестраиваемого частотного селектора резонатор Фабри - Перо выполнен в виде двух зеркал, по крайней мере одно из которых не обладает радиальной симметрией.
В четвертом частном случае реализации перестраиваемого частотного селектора между волноводом и резонатором Фабри - Перо введена линзовая система, состоящая из по крайней мере одной линзы.
В пятом частном случае реализации перестраиваемого частотного селектора он выполнен в виде выходного зеркала перестраиваемого лазера.
В шестом частном случае реализации перестраиваемого частотного селектора после резонатора Фабри - Перо введена линзовая система, состоящая из по крайней мере одной линзы.
В седьмом частном случае реализации перестраиваемого частотного селектора введен пьезокерамический актуатор для изменения оптического расстояния между зеркалами резонатора Фабри - Перо.
В восьмом частном случае реализации перестраиваемого частного селектора волновод является активным.
На фиг.1 представлена реализация перестраиваемого частотного селектора с использованием волновода и резонатора Фабри - Перо, мода которого частично согласована с модой волновода.
На фиг.2 представлена реализация перестраиваемого частотного селектора с использованием волновода и резонатора Фабри - Перо, расположенного под углом к оптической оси волновода.
На фиг.3 представлена взаимная геометрия падающего гауссова пучка и моды открытого резонатора в случае их рассогласования по расположению и величине перетяжек.
На фиг.4 представлена взаимная геометрия падающего гауссова пучка и моды открытого резонатора в случае их рассогласования по углу и смещению осей.
На фиг.5 представлены зависимости долей мощности (по отношению к мощности падающего излучения) отраженного от переднего вогнутого зеркала широкополосного излучения падающего гауссова пучка и моды открытого оптического резонатора, чей спектр представляет собой узкие спектральные полосы попадающих назад в волновод, от угла между осью волновода и открытым оптическим резонатором.
На фиг.6 представлены спектры попавшего назад в волновод излучения, отраженного от открытого оптического резонатора, в зависимости от угла между открытым оптическим резонатором и осью волновода.
На фиг.7 представлена реализация перестраиваемого частотного селектора с использованием волновода и резонатора Фабри - Перо, одно из зеркал которого является выпуклым.
На фиг.8 представлена реализация перестраиваемого частотного селектора с использованием волновода, линзы и резонатора Фабри - Перо.
На фиг.9 представлена реализация перестраиваемого частотного селектора с использованием линзы после резонатора Фабри - Перо для организации вывода селектированного изучения.
Перестраиваемый частотный селектор по фиг.1 в общем случае реализации содержит волновод 1 и резонатор Фабри - Перо 2, размер перетяжки моды которого составляет несколько длин волн излучения, при этом моды открытого оптического резонатора и волновода частично согласованы.
Характер отраженного назад в волновод излучения определяется коэффициентами связи  моды волновода и моды открытого оптического резонатора, где p, l, ,  - индексы моды резонатора и моды волновода соответственно. Доля мощности, переходящая из моды волновода с индексами ,  в возбуждаемую моду резонатора Фабри - Перо с индексами р, l определяется как . Для взаимодействия моды волновода, представляющей собой гауссов пучок с индексами 0,0 с модой с индексами 0,0 резонатора Фабри - Перо, эти коэффициенты определяются формулой
0
2
где R,  - конфокальные параметры резонатора и моды волновода соответственно,  - размер перетяжки основной моды резонатора Фабри - Перо,  - угол расходимости моды резонатора Фабри - Перо. Λ - расстояние между перетяжками моды волновода и моды резонатора Фабри - Перо. Δ - расстояние между осями моды волновода и моды резонатора Фабри - Перо, δ - угол между осями моды волновода и моды резонатора Фабри - Перо. Коэффициент χ определяет долю мощности излучения со спектром мод резонатора Фабри - Перо, попадающего назад в волновод.
Аналогичную формулу можно записать для доли мощности моды волновода, отраженной от переднего зеркала и зеркала резонатора Фабри - Перо и попадающей назад в волновод.
В случае частичного согласования можно добиться ситуации, при которой доля мощности, попадающая назад в волновод, для отраженной от переднего зеркала моды волновода будет много меньше доли мощности, попадающей назад в волновод для моды резонатора Фабри - Перо. Таким образом, спектр излучения, попавшего назад в волновод, будет совпадать со спектром мод резонатора Фабри - Перо, представляющим собой узкие спектральные полосы. В результате можно добиться обеспечения обратной связи в лазере лишь для резонансных частот резонатора Фабри - Перо. В частности, используя в качестве волновода полупроводниковый оптический усилитель, можно добиться режима генерации одной продольной моды активного резонатора.
3
В частном случае реализации, представленном на фиг.2, перестраиваемый частотный селектор содержит волновод 1 и резонатор Фабри - Перо 2, расположенный под углом к оптической оси схемы. В качестве фактора рассогласования в данном случае используется рассогласование по углу между осями моды волновода и моды резонатора Фабри - Перо δ. Рассмотрим, какие доли мощности отраженной от переднего зеркала моды волновода и моды резонатора Фабри - Перо попадут назад в волновод. Зависимость доли мощности (по отношению к мощности падающего на резонатор Фабри - Перо излучения) моды резонатора Фабри - Перо, попадающей назад в волновод, от угла будет пропорциональна . Зависимость доли мощности (по отношению к мощности падающего на резонатор Фабри - Перо излучения) отраженного от переднего зеркала излучения, попадающей назад в волновод, от угла будет пропорциональна , поскольку угол отражения равен углу падения. В некотором интервале углов назад в волновод попадает менее 0.01 процента мощности отраженного от переднего зеркала падающего излучения, в то время как мощность моды резонатора Фабри - Перо, попадающая в волновод, составляет около 5% от мощности падающего излучения, что является оптимальным для обеспечения обратной связи в лазерах на полупроводниковых оптических усилителях с коэффициентом усиления порядка 10. Сканирование по частоте производится путем изменения оптического расстояния между зеркалами, составляющими резонатора Фабри - Перо.
На фиг.3 поясняется значение величины Λ - расстояние между перетяжками падающего гауссова пучка и моды резонатора Фабри - Перо.
На фиг.4 поясняется значение величин Δ - расстояние между осями падающего гауссова пучка и моды открытого оптического резонатора и δ - угол между осями падающего гауссова пучка и моды резонатора Фабри - Перо.
На фиг.5 представлены зависимости долей мощности (по отношению к мощности падающего излучения) отраженной от переднего вогнутого зеркала моды волновода с широким спектром и моды резонатора Фабри - Перо, чей спектр представляет собой узкие спектральные полосы, попадающих назад в волновод, от угла между осью волновода и резонатора Фабри - Перо.
Спектры отраженного назад в волновод от резонатора Фабри - Перо излучения, в зависимости от угла между осью открытого оптического резонатора и осью волновода, представлены на фиг.6.
Перестраиваемый частотный селектор по фиг.7 в частном случае реализации содержит волновод 1 и открытый оптический резонатор 2, одно из зеркал которого является выпуклым. Перетяжка моды такого открытого оптического резонатора находится вне открытого оптического резонатора и ее размер составляет несколько длин волн излучения. В этом случае возможно добиться уменьшения доли мощности, попадающей назад в волновод для моды волновода, отраженной от переднего зеркала за счет несовпадения размеров и перетяжек отраженного пучка и моды волновода. При этом доля мощности, попадающая назад в волновод для моды резонатора Фабри - Перо, будет превосходить долю мощности попадающей назад в волновод моды волновода, отраженной от переднего зеркала на несколько порядков.
Падающая на резонатор Фабри - Перо мода волновода, представляющая собой гауссов пучок с индексами 0,0, может возбуждать не только моду резонатора Фабри - Перо с индексами 0,0, но и моды более высоких порядков. Поскольку они смещены по частоте, относительно моды резонатора Фабри - Перо с индексами 0,0, это может нарушить генерацию на одной продольной моде активного резонатора. Чтобы избежать этого эффекта, возможно выполнять резонатор Фабри - Перо из зеркал, не обладающих радиальной симметрией, поскольку в этом случае его моды также не будут обладать радиальной симметрией и коэффициенты связи (а значит и доли мощности), для мод такого резонатора Фабри - Перо с индексами, отличными от 0,0 будут на несколько порядков меньше, чем для моды резонатора Фабри - Перо с индексами 0,0.
Перестраиваемый частотный селектор по фиг.8 в частном случае реализации содержит волновод 1, резонатор Фабри - Перо 2 и линзу 3. Линза 3, введенная после волновода, при соответствующем выборе положения в пространстве и фокусного расстояния, обеспечивает дополнительное согласование с модой волновода для моды резонатора Фабри - Перо, большее, чем для отраженной от переднего зеркала резонатора Фабри - Перо моды волновода.
Поскольку мода резонатора Фабри - Перо высвечивается с обратной стороны резонатора Фабри - Перо, возможно использование данного перестраиваемого частотного селектора в качестве выходного зеркала перестраиваемого лазера.
Перестраиваемый частотный селектор по фиг.9 в частном случае реализации содержит волновод 1, расположенную после волновода линзу 3, резонатор Фабри - Перо 2 и линзу 4, расположенную с обратной стороны резонатора Фабри - Перо.
Как и в случае с перестраиваемым частотным селектором, изображенным на фиг.8, линза 3 и резонатор Фабри - Перо 2 обеспечивают отражение назад в волновод около 5% мощности падающего излучения, при этом спектр мощности отраженного излучения представляет собой узкие спектральные полосы. Линза 4, расположенная с обратной стороны резонатора Фабри - Перо, обеспечивает согласование моды резонатора Фабри - Перо с выходным трактом устройства, созданного на базе перестраиваемого частотного селектора, таким образом возможно использование данного перестраиваемого частотного селектора в качестве выходного зеркала перестраиваемого лазера.
В конкретной реализации перестраиваемого частотного селектора в качестве волновода 1 был использован полупроводниковый оптический усилитель фирмы Superlum, линзы 3 между волноводом и резонатором Фабри - Перо - линза GT-IFRL-060-005-50-NC фирмы Grintech, резонатор Фабри - Перо выполнен из двух вогнутых зеркал, радиус 1 метр, сделанных в ИПФ РАН, на пьезокерамических актуаторах, в качестве линзы 4 с обратной стороны резонатора - линза GT-LFRL-100-025-50-NC, фирмы Grintech.
Таким образом, разработанный престраиваемый частотный селектор используется для перестраиваемого лазера с наименьшей возможной оптической длиной активного резонатора, включающего в себя частотный селектор, для работы в режиме генерации одной продольной моды активного резонатора. За счет использования частотного селектора в качестве одного из зеркал лазера снижается количество настроек оптических элементов лазера и снижается его стоимость.