Субмиллиметровый лазер

 

1.СУБМИЛЛИМЕТРОВЫЙ ЛАЗЕР с оптической накачкой, содержащий оптический резонатор, образованньй эшелеттом и зеркалом, непрозрачным для излучения накачки, и расположенный внутри этого резонатора субмиллиметровый резонатор, образованный тем же зеркалом и зеркалом связи , установленным с возможностью перемещения вдоль оси субмиллиметрового резонатора, отличающийся тем, что, с целью повышения мощности генерируемого излучения и расширения диапазона рабочих частот, зеркало связи выполнено в виде одномерной периодической металлической решетки, имеющей период i определяемый соотношением 0.-.,., где „ - дпина волны излучения накачки; А - длина волны генерируемого излучения; и установлеиной с возможностью ориен (Л тации её образующих параллельно или с перпендикулярно штрихам эшелетта, при этом зеркало, общее для субмиллиметрового и оптического резонаторов , выполнено частично прозрачным для генерируемого излучения.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) 01) 150 4 Н 01 S 3/082

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Фиг 5

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3597168/24-25 (22) 20.05,83 (46) 15.01 86.Бюл. У 2 (71) Ордена Трудового Красного Знамени институт радиотехники и электроники АН СССР (72) Э.П.Шлитерис (53) 621.375.8(088.8) (56) Патент США Ф 4050034, кл.331-94,5, опублик. 1979.

Орлов Л.Н. Кристаллические отражатели в резонаторах молекулярных лазеров с оптической накачкой, ЖТФ, 1979, 11 7, с.1561-1563. (54) (57) I . СУБМИЛЛИИЕТРОВЫЙ ЛАЗЕР с оптической накачкой, содержащий оптический резонатор, образованный эшелеттом и зеркалом, непрозрачным для излучения накачки, и расположенный внутри этого резонатора субмиллиметровый резонатор, образованный тем же зеркалом и зеркалом связи, установленным с возможностью перемещения вдоль оси субмиллиметрового резонатора, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения мощности генерируемого излучения и расширения диапазона рабочих частот, зеркало связи выполнено в виде одномерной периодической металлической решетки, имеющей период определяемый соотношением

09ЪНа Р à c— > 9 где h„— длина волны излучения накачки; — длина волны генерируемого излучения; и установленной с воэможностью ориентации ее образующих параллельно или перпендикулярно штрихам эшелетта, при этом зеркало, общее для субмиллиметрового и оптического резонаторов, выполнено частично прозрачным для генерируемого излучения.

1158005

2. Лазер по и.1, о т л и ч а юшийся тем, что зеркало, общее для субмиллиметрового и оптического резонаторов, выполнено в виде подложки из диэлектрика, прозрачного для генерируемого излучения, с нанесенными на ее поверхность отражающим покрытием для излучения накачки и двумерной периодической металлической решеткой, образующие которой ориентированы параллельно и перпендикулярно штрихам эшелетта и расположены с периодами соответственно и P<., определяемыми из условий ляются узкий диапазон рабочих частот и отсутствие независимой настройки на две одновременно генерируемые волны. Резонатор СО -лазера

5 селективно не перестраивается по многим линиям и работает на нескольких линиях вблизи 10Р20 что очень ограничивает частотный диапазон генерируемого излучения и число возможных CMM переходов.

Наиболее близким по технической где 3" и Ъ вЂ” длины волн генерируемого излучения, поляризованного параллельно образующим двумерной металлической решетки, ориентированным

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании субмиллиметровых (СММ ) лазеров, нашедших применение в спектроскопии, лазерной интерферометрии плазмы, метрологии частоты и времени.

Известен СММ лазер с оптической накачкой СО -лазером, содержащий оптический резонатор и общий с ним

CMM резонатор, образованный эерка— лами, непрозрачными для излучения накачки. СО возбуждается электрическим разрядом в одной секции оптического резонатора, а активная среда CMM лазера возбуждается излучением СО -лазера в другой секции, и CMM излучение выводится через центральное отверстие в одном из общих зеркал.

Недостатком такого лазера является низкая мощность генерируемого излучения, обусловленная невозможностью поддержания различного оптимального давления в каждой секции и невозможностью настройки СММ резонатора по длине на максимальную мощность. Другими недостатками явсоответственно перпендикулярно и параллельно штрихам эшелетта;

Т,и Т вЂ” коэффициенты пропускания двумерной металлической решетки на длине волны 3 и соответсти L венно.

3. Лазер по пп.l и 2, о т л и— ч а ю щ -и и с я тем, что, с целью независимой настройки на две одновременно генерируемые волны с взаимно перпендикулярной поляризацией, в него введена дополнительная одномерная металлическая решетка с периодом, определяемым соотношением 0,9 h „ %„, установленная в субмиллиметровом резонаторе с возможностью перемещения вдоль его оси, при этом образующие дополнительной металлической решетки ориентированы перпендикулярно, а образующие зеркала связи — параллельно штрихам эшелетта.

l сущности к предложенному является

CMM лазер с оптической накачкой, содержащий оптический резонатор, образованный эшелеттом и зеркалом, непрозрачным для излучения накачки, и расположенный внутри этого резо— натора СММ резонатор, образованный тем же зеркалом и зеркалом связи, установленным с возможностью перемещения вдоль оси CMM резонатора и выполненным с отверстием в цен-ре.

Вывод генерируемогоизлучения осуществляется черезотверстие диаметром

12 — 15 ммв зеркалесвязи послеотражения отселективного отражателя, являющегося одновременнобрюстерным окном газоразрядной трубкилазера накачки.

1158005

Недостатком этого лазера является низкая мощность генерируемого излучения, обусловленная близкими по величине диаметрами центрального отверстия в зеркале связи (12-15 MM)

1 цилиндрического объема возбужденных молекул активной среды в СИИ резонаторе и низшей моды колебаний на зеркале связи. Вследствие этого лазер не будет работать на низшей моде, имеющей наименьшие потери, так как при равенстве диаметра моды и диаметра отверстия на зеркале свя зи возбужденные молекулы будут излучать спонтанно в другие моды, лов этому такой лазер работает на высших модах, имеющих большие потери и соответственно пониженную мощность генерируемого излучения. Кроме того, в этой конструкции лазера имеются потери выводимой мощности

10-20Х, связанные с отражением от брюстерного окна. Другим недостатком известного лазера является узкий рабочий диапазон частот, так как генерируемое излучение выводится после отражения от кристаллического селективного отражателя, установлен— ного в качестве брюстерного окна.

Как описано выше, только в узком частотном диапазоне кристаллические селективные отражатели имеют коэффициент отражения 80-90Х. Еще одним недостатком лазера является отсутствие независимой настройки на две одновременно генерируемые волны с взаимно перпендикулярной поляризацией.

В CMM лазере известной êîíñòðóêции можно выбрать одну длину CMM резонатора, удовлетворяющую условиям резонанса для двух волн в полосе частот, ограниченной 200-300 ГГц, но нельзя настраивать CMM резонатор на эти волны независимо. Например, при одной длине CMM резонатора и селективно отражающем брюстерном окне из калия бромистого можно получить одновременно генерацию на двух волнах 80,3 и 80,6 мкм, но нельзя перестраивать их частоту независимо.

Целью изобретения является повышение мощности генерируемого излучения и расширение диапазона рабочих частот.

Дополнительной целью изобретения является обеспечение независимой настройки на две одновременно генерируемые волны с взаимно перпендикулярной поляризацией.

Для достижения указанных целей в CMM лазере с оптической накачкой содержащем оптический резонатор, образованный эшелеттом и зеркалом, непрозрачным для излучения накачки, и расположенный внутри этого резонатора CMM резонатор, образованный

10 тем же зеркалом и зеркалом связи, установленным с возможностью перемещения вдоль оси CMM резонатора, зеркало связи выполнено в виде одномерной периодической металлической

15 решетки, имеющей период E „ определяемый соотношением»

% очи =Е = —, с 10 где h — длина волны излучения на20 качки; — длина волны генерируемого излучения; и установленной с возможностью ориентации ее образующих параллельно или перпендикулярно штрихам эшелетта, при этом зеркало, общее для СИИ и оптического резонаторов, выполнено частично прозрачным для генерируемого излучения. Это зеркало может быть выполнено в виде подложки из диэлектрика, прозрачного для генерируемого излучения, с нанесенными на ее поверхность отражающим покрытием для излучения накачки и двумерной периодической металличес35 кой решеткой, образующие которой ориентированы параллельно и перпендикулярно штрихам эшелетта и расположены с периодами, соответственно и 1, определяемыми из условий

40 где " и — длины волн генерируемого излучения, поляризованного

45 параллельно образующим двумерной металлической решетки, ориентированным соответственно перпендикулярно и параллельно штрихам эшелетта

Т, и Т вЂ” коэффициенты про50 пускания двумерной металлической решетки на длине волн 3 и h соответственно.

Кроме того, в CMM лазер введена дополнительная одномерная металли55 ческая решетка с периодом y, определяемым соотношением 0,9 höа 3 A я у установленная в CMM резонаторе с возможностью перемещения вдоль его оси, 1! 58005

55 при этом образующие дополнительной металлической решетки ориентированы перпендикулярно, а образующие зеркала связи — параллельно штрихам эшелетта.

На фиг.1 и 2 схематически изображены два варианта предложенного лазера.

Лазер, показанный на фиг.l, содержит газоразрядную трубку 1 оптического лазера накачки, в частности

СΠ†лазе, кювету 2 с активным веществом CMM лазера, оптический резонатор, образованный эшелеттом 3 и зеркалом 4, непрозрачным для излучения накачки, и расположенный внутри оптического резонатора CMM резонатор образованный зеркалом 4 и зеркалом связи 5 ° Эшелетт 3 установлен с возможностью вращения вокруг аси, лежащей в плоскости эшелетта и перпендикулярной оси лазера. Зеркало связи

5 выполнено в виде одномерной периодической решетки, нанесенной на плоскопараллельную пластину 6 из диэлектрика, прозрачного для излучения накачки, например из BaF, которая в данном варианте служит герметичной перегородкой между газоразрядной трубкой 1 и кюветой 2. Зеркало связи

5 установлено на кольцевом пьезокорректоре 7 с возможностью ориентации образующих решетки параллельно или перпендикулярно штрихам эшелетта 3.

Оно установлено на сильфоны 8, соединенные с газоразрядной трубкой 1 и с кюветой 2, и может перемещаться вдоль оси резонатора с помощью микрометрических винтов (на фиг.l не показаны). Период 1;, решетки определяется из соотношения 0,9 Ъ„ t /1 н- с

Выбор периода 3 в указанном интервале значений обеспечивает высокий коэффициент отражения для гене— рируемого CMM излучения с поляризацией, параллельной образующим решетки, и прозрачность для излучения накачки с поляризацией, параллельной или перпендикулярной этим образующим

Верхний предел с обусловлен требованием высокодобротного CMM резонатора с максимально высоким коэффициентом отражения для зеркала связи с соответствующим минимальным коэффи циентом пропускания. Подходящим для достижения поставленных целей будет зеркало связи с коэффициентом пропус кания íà CMM менее 17.. Эксперимен5

О, 50 тально установлено, что при периоде одномерной металлической решетки

3 /10, коэффициент пропускания ее для CMM волны с поляризацией, параллельной образующим решетки, меньше 0,01. Нижний предел периода . обусловлен тем, что условие прозрачности одномерной решетки для излучения накачки с поляризацией, па— раллельной образующим решетки, выполняется при 0,9 Яцс (, < Я „Ширина образующих д не должна превышать

Ъ /2, так как потери излучения накачки растут с увеличением ширины образующих. Поэтому а < 1 /2 и чем образующие уже, тем будут меньше потери. Для излучения накачки с поляризацией, перпендикулярной образующим решетки, дополнительных условий для выбора периода нет. Зер« кало 4, общее для СММ и оптического резонаторов,в данном варианте лазера выполнено из прозрачного для генерируемого излучения материала, например из кристаллического кварца с кольцевым металлическим покрытием 9, например из золота. Такое зеркало является непрозрачным для излучения накачки и частично прозрачным для генерируемого излучения. Вариант лазера, показанный на фиг.2, отличается от описанного выше тем, что он содержит дополнительную одномерную металлическую решетку 10, установленную на кольцевом пьезокорректоре ll внутри CMM резонатора.

Эта решетка 10 и зеркало связи 5 ус— тановлены на сильфоны 8, соединяющиеся с кюветой 2, и могут перемещаться вдоль оси резонатора с помощью микрометрических винтов (на фиг.2 не показаны). Период расположения образующих дополнительной решетки 10 выбран из условия 0,9 Я „<

= ) 3<, а сами образующие ориентированы перпендикулярно штрихам эшелетта 3. Образу.эщие решетки зеркала связи 5 в этом варианте ориентированы параллельно штрихам эшелетта 3. Роль герметичной перегородки между газоразрядной трубкой 1 и кюветой 2 вместо плоскопараллельной пластины из BaF> выполняет перегородка 12 из материала, прозрачного для излучения накачки, например, из СаАв, расположенная под углам

Брюстера к оси СММ резонатора. 3еркало 4, общее для СММ и оптического

11580

10 резонаторов, выполнено из диэлектри- ка, прозрачного для генерируемого излучения, например из GaAs, с нанесенным на его поверхность отражающим покрытием для излучения накачки и двумерной периодической металлической решеткой 13. Отражающее покрытие может быть выполнено в виде интерференционного многослойного покрытия из MgF u ZnS. Периоды 8, и расположения образующих двумер ной решетки 13 определяются из условий а pl.

Е,=-, У,. е,=-, т,, 15 где п и — длины волны генерируемого излучения, поляризованного параллельно образующим решетки, ориентированным соответственно перпендикулярно и параллельно штрихам эшелетта 3;

Т, и Т вЂ” коэффициенты пропускания этой решетки на длине волны, соответственно и Я . Указанное и

25 соотношение между параметрами решетки и длиной волны является эмпирическим. Оно было получено при экспериментальном исследовании двумерных гальванических решеток с периодом 10170 мкм в диапазоне длин волн 30030

700 мкм. Полученные при этом значения коэффициента пропускания составляли 0,02-0,2, что с удовлетворительной точностью согласуется с упомянутым соотношением. Пропускание двумерной решетки зеркала 4 оптимизируется по выходной мощности излуче.ния для каждой конкретной волны A и h путем выбора периодов решетки

I и 8<. в зависимости от параметров рабочего вещества: коэффициента усиления СМИ излучения для слабого сигнала, коэффициента поглощения и мощности насыщения излучения накачки.

Для интенсивных СИМ линий, какими, 45 например, являются 1!8,83 мкм в

СНзОН и 393,63 мкм в НСООН, Т =0,10,2. Для большинства менее интенсивных лазерных линий, например с A )1 мм, оптимальный коэффициент пропускания не превышает величины T =0,01 — 0,02, Аналогичное зеркало 4 целесообразно использовать и в варианте лазера, показанного на фиг.1.

Лазер, показанный на фиг.1, работает следующим образом.

В газоразрядной трубке 1, заполненной СО, возбуждается разряд. На05 8 правление вектора поляризации возбуждаемого оптического излучения накачки определяется ориентацией штрихов эшелетта 3. Эшелетт 3 работает в первом порядке, для которого максимальный коэффициент отражения соответствует поляризации излучения перпендикулярно штрихам. Поэтому электрический вектор поля накачки всегда ориентирован перпендикулярно штрихам эшелетта 3. При этом поляризация колебаний генерируемого излучения устанавливается параллельно или перпендикулярно этому вектору в соответствии с правилами дипольных переходов. Образующие решетки зеркала связи 5 ориентируют параллельно поляризации колебаний генерируемого излучения, что соответствует их ориентации параллельно или пер— пендикулярно штрихам эшелетта 3.

Оптическое излучение свободно проходит через одномерную решетку зеркала связи 5, период которой выбран в указанном выше интервале в зависимости от поляризации этого излучения, и попадает на зеркало 4, образующее оптический резонатор с эшелеттом 3. Вращая эшелетт 3 вокруг оси, совпадающей с его плоскостью и перпендикулярной оси резонатора, на-, страивают его на выбранную волну, Оптическое излучение, поглощаемое на вращательно-колебательных переходах активного вещества, заполняющего кювету 2, приводит к возникновению CMM излучения. С помощью микрометрического винта устанавливают зеркало связи 5 на расстоянии L от зеркала 4 кратном h /2, где h — выбранная длина волны генерируемого излучения.

СМИ излучение отражается от решетки зеркала связи 5, т.е. ориентация ее образующих и период выбраны из условия минимального пропускания для генерируемого излучения, попадает на частично прозрачное для этого излучения зеркало 4 и также отражается от него. В результате многократного прохождения CMM излучения через объем активного вещества, заполняющего кювету 2, происходят усиление и геГ нерация излучения на длине волны, определяемой положением зеркала связи 5, т.е. длиной L CMM резонатора.

Часть генерируемого излучения выводится через центральную часть зеркала 4. Перестройка CMM лазера по

1 158005 клинам вочн осуществляется изменением угла наклона эшелетта 3 относительно оси оптического резонатора и перемещением зеркала связи 5 вдоль оси СММ резонатора.

Рассмотрим работу конкретного лазера, в котором в качестве активного вещества, заполняющего кювету

2, используется двуокись серы, в качестве лазера накачки — СΠ— ла- 10 г зер, оптический резонатор которого образован эшелеттом 3 с числом штрихов 150 мм, углом блеска 45 и о сферическим зеркалом 4, а CMM резонатор образован тем же зеркалом 15

4 и зеркалом связи 5 с периодом расположения образующих решетки 8

=9 мкм. Обычно СО -лазер работает в диапазоне 9,15- 11,00 мкм. Вращая эшелетт 3 вокруг оси, совпадающей с 20 его плоскостью, устанавливают угол о падения излучения на зшелетт 44 16

При этом СО -лазер будет работать на линии R 14 полосы 00 1 02 0 с Я„

=9,305 мкм. Кювету СИМ резонатора за- 25 полняем до 20 — 50 Па двуокисью серы, на которой при накачке линией R 14

СО -лазера в CMM резонаторе можно

2 получить две волны Ъ " =208 мкм и

=139,5 мкм. Ориентируем обра- Зо зующие зеркала связи 5 параллельно штрихам эшелетта 3, настраиваем резонатор на резонансную длину 1, для волны 208 мкм и получаем на ней генерацию. После изменения ориентировки образующих решетки 5 при повороте .кольцевого пьезокорректора 7 вместе с решеткой вокруг оси резонатора и соответствующей настройки длины получим генерацию на волне 139,5 мкм.4О

Лазер, показанный на фиг.2, в отличие от описанного выше, позволяет осуществить независимую перестройку двух одновременно генерируемых волн и h с взаимно перпендикулярной 4 ориентацией. Для этого зеркало связи 5, образующие решетки которого ориентированы параллельно штрихам эшелетта 3, устанавливают на расстоянии L от зеркала 4, удовлетА воряющем резонансному условию

1 Ъ где п1 — целое число, а дополнительную решетку 10, образующие которой ориентированы перпендику-55 лярно штрихам эшелетта, устанавливаll ют на расстоянии L от зеркала 4, удовлетворяющем резонансному усло. rh

II вию 1, =о — — где в — целое

2 число. Минимальное расстояние Л1. между зеркалом связи 5 и дополни— тельной решеткой 10 при в =О может быть определено из формулы где „ -, "о и g с 1, rl =0,1,2,3, 11

При этом следует учесть, что чем меньше h L, тем проще изготовить юстировочный узел, позволяющий осуществлять перемещение обеих решеток при сохранении их взаимной параллельности. Излучение накачки свободно проходит через брюстерное окно 12, одномерную решетку зеркала связи 5, дополнительную одномерную решетку 10 и частично поглощается активным веществом, заполняющим кювету 2. При этом возникает СММ излучение на двух длинах волн и h с вза1 П имно перпендикулярной поляризацией.

Излучение с длиной волны h отражается от дополнительной одномерной решетки 10, тогда как излучение с длиной волны 9 свободно проходит через эту решетку 10 и отражается от решетки зеркала связи 5 вследствие описанной выше ориентации образующих этих решеток. В результа1 е многократного отражения излучения от этих решеток и зеркала

4 в резонаторе, образованном дополнительной решеткой 10 и зеркалом 4, возникает генерация на длине волны и а в резонаторе, образованном решеткой зеркала связи 5 и зеркалом

4, возникает генерация на длине волны Я . Часть генерируемого излучеj ния выводится через зеркало 4, ко эффициенты пропускания которого Т

I и Т для длин волн Я и Я выбраны в соответствии с описанными вы— ше рекомендациями. Перестройка лазера на другую пару волн включает настройку эшелетта на другую волну накачки, перезаполнение рабочим веществом CMM кюветы и поочередную настройку длин резонаторов 1 и

fl на соответствующие максимумы генерации для выбранных волн.

Рассмотрим работу конкретного варианта этого лазера, в котором активные вещества лазера накачки и

С1М лазера аналогичны описанным вы11 1158005 ше, период решетки 5 зеркала связи — 14 мкм, период дополнительной решетки =9 мкм, периоды двумер1 = ной решетки 13 при коэффициентах пропускания Т, = Tq =0,1 для образующих параллельных штрихам эшелет— та 3, 1 = 33 мкм, для образующих перпендикулярных штрихам эшелетта

3, 0 =22 мкм. Длину L СММ резонатора для волн A =208.мкм устанавливаем, выбирая tn =9616, при этом 1. =1,000064 м. Расстояние

6 4 между дополнительной решеткой

10 и зеркалом связи 5 и величины

1n ) tn" g при И =0 определяем по приведенной выше формуле. Так как

m +q =14337,835, m" =14337, =0,835, то а1, =1., -1- =59 мкм и

=1,000005 м. Если есть необходимость увеличить величину 1, например на 1 мм принимаем и =15

I и тогда aI. =-988,087 мкм, =0,9990169 м.

Предложенный лазер по сравнению с прототипом позволяет значительно повысить мощность генерируемого из лучения. Обусловлено это следующим.

Одномерная периодическая решетка зеркала связи образует с общим зеркалом лазера резонатор с добротностью, например 1,2"10 на 1 м длины

5 для волны 393,63 мкм. Потери, вносимые этой решеткой в оптический резонатор накачки при 0с =(0,9 †) 4 „, составляют 3% и они растут до 8%, когда 1с = const, à h „ изменяется в пределах 0,19-11,00 мкм, т.е. во всем диапазоне перестройки частоты

СО -лазера. Если коэффициенты отражейия эшелетта и общего зеркала

I 2

0,99, то с учетом потерь на зеркале связи до 8% и на поглощение в рабочей среде СММ лазера до 2%, добротность двухметрового оптического

5 резонатора на волне 10 мкм состав6 ляет 7 10 . Высокие добротности резонаторов и возможность работы СММ резонатора на низких модах с наименьшими потерями обеспечивают повышение

10 мощности генерируемого излучения.

Ограничения рабочего диапазона лазера на низких частотах нет, так как высокие коэффициенты отражения 0,980,99 решетки зеркала связи возраста15 ют при уменьшении частоты. Лазер может работать на частотах 0,1 ТГц и ниже. Высокочастотная граница рабочего диапазона лазера определяется из условия 0,9 hí, а 9 /10 и в слу—

20 чае СΠ— лазера находится при 3,70 ТГц

Дополнительным преимуществом является возможность одновременной работы на двух независимо настраивающихся частотах, что может быть использовано в интерферометрии плазмы, локации, элипсометрии и спектроскопии полупроводниковых материалов.

Предложенное техническое решение позволяет повысить эффективность работы CMM лазера по сравнению с известными решениями, повысить выводимую мощность в 8-10 раз, а при сохранении уровня СММ мощности позволяет

35 уменьшить длину лазера в 2 раза и больше. Соответственно уменьшаются вес и другие габариты лазера. Кроме того, лазер позволяет работать на двух независимо настраиваемых часто40 тах.

Фиг.2

ВНИИПИ Заказ 85,58/6 Тираж 637 Подписное филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул.Проектная, 4