Устройство для фазовой синхронизации излучения активных элементов многолучевого лазера

 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в многолучевых лазерах для обработки материалов, оптической связи и локации. Целью изобретения является упрощение конструкции и повышение надежности генерации многолучевого лазера в синхронизованном режиме. Устройство содержит расположенные на оптической оси собирающую линзу, вогнутое зеркало и пространственный фильтр излучения. Взаимное расположение активных элементов, собирающей линзы и вогнутого зеркала обеспечивает отсутствие внутрирезонаторных потерь независимого излучения. Пространственный фильтр устанавливается в плоскости наиболее сильного различия в распределении интенсивности независимого и когерентного излучения, благодаря чему селектируется режим фазовой синхронизации. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

А1

„„SU„, 151708 (5!) 4

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 433288)/24-25 (22) 21.10 ° 87 (46) 23.10.89. Бюл.Р 39 (72) О.P.Êà÷óðèí (53)- 621.375.8(088.8) (56) Rediker R.Н. et all. Operation

of individual diode lasers as а со"

herent ensemble controlled by à spatial filter within an external cavity.

Appl.Phys. Letters, 1985, v.46, 11 2, р. 133-135.

Anderson К.K. et аll. High-spectral-purity cw and pulse output an

ensemble of discrete diode lasers.—

Аррl. Phys. Letters, 1987, ч.50, р.1-3. (54) УСТРОИСТВО ДЛЯ ФАЗОВОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

МНОГОЛУЧЕВОГО ЛАЗЕРА (57) Изобретение относится к квантовой электронике и может быть испольИзобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в многолучевых лазерах, применяемых для обработки материалов оптической связи и локации.

Цель изобретения — упрощение конструкции и повышение надежности.

На фиг.1 и 2 показано устройство, варианты.

Устройство состоит из периодического набора активных элементов 1 с расстоянием d между их оптическими осями и углом ц между базисными векторами о, d периодического набора, 1 если такой набор двумерный. Сообщающаяся линза 2 с фокусным расстоянием зовано в многолучевых лазерах для обработки материалов, оптической связи и локации. Целью изобретения является упрощение конструкции и повышение надежности генерации многолучевого лазера в синхронизованном режиме. Устройство содержит расположенные на оптической оси соби. рающую линзу, вогнутое зеркало и пространственный фильтр излучения.

Взаимное расположение активных элементов, собирающей линзы и вогнутого зеркала обеспечивает отсутствие внутрирезонаторных потерь независимого излучения. Пространственный фильтр устанавливается в плоскости наиболее сильного различия в распределении интенсивности независимого и когерентного излучения, благодаря чему селектируется режим фазовой синхронизации.

2 з.п. ф-лы, 2 ил.

f и вогнутое зеркало 3 с радиусом кривизны К образуют телескопическую систему с увеличением, равным единице. Для этого линза 2 расположена на

f расстоянии f(+ 1) от активных элемен

R тов, а зеркало расположено на расстоянии (f+R) от линзы..

Такая телескопическая система с увеличением, равным единице, эквивалентна плоскому зеркалу, расположенно

f му на расстоянии 2 „ = Н вЂ” f(- + 1) от активных элементов многолучевого лазера, где Н вЂ” расстояние от активных элементов до линзы.

1517086

Таким об>ра 3(>;.1 ((>и(расстонни<. От

<1<<ТИННЫХ ЗЛЕ M(ИТОН,I(> ЛИНЗЫ 11 1?>НО

Н = f(- + 1), т.е. Z = О, такая теле5

< K(,ïè÷(. ñêàÿ система эквивалентна плосгде — длина волны излучения, N целое число, распределение интенсивности когерентного излучения в этой плоскости будет точно воспроизводить 40 поле излучения на торцах активных элементов. Следовательно, пространственный фильтр 4, установленный линзой 2 и активными элементами 1 (фиг.1) на расстоянии L, <1

-- N от активных элементов, сильно

45 поглощает независимое излучение и хорошо пропускает когерентное.

Таким образом, являясь внутрирезонаторным элементом, пространственный фильтр представляет эффективный селектор кигерентного режима генерации.

Б случае, когда 1.,; f (- + 1)

15 т.е. расстояние от активных элементов д« плоскости расположения пространственн«го фи (>-тр:. <>«2(ьп(е расстояния (>т активнь! < >. (< .ментОВ до линзы> про

К<»<1< зеркалу, расположенному впл«тную к активным элементам. Следователь(<о, замена общего плоско го зеркала, расположенного вплотную к активным элеме>(там, на телескопическую систему (фиг.1 и 2), не приводит к падению выходной мощности многолучевого лазера н независимом режиме, но дает возможность помещать внутрирезонаторные 15 элементы. Между активными элементами и вогнутым зеркалом расположен пр«странственный фильтр 4, пронускание которого соответствует распределению интенсивности к< герентного излучения.

Пространственный фильтр 4 н случае одномерного набора активных элементов представляющий собой совокуп>н< сть параллельных щелей, расположенных перпендикулярно плоскости, в которой лежат оси оптических элементов, располагается в той плоскости, где существует резкое отличие в пространствен>ном распределении интенсивностей когерентного и независимого излучения многолучевого лазера. Периодические когерентные поля обладают свойством воспроизведения в свободном пространстве, Это означает, что на расстоянии

d2

L = -- N от активных элементов, 35

Л с (p1>«.òs(n><èé фильтр нахопит(я За линзой ((>>иг. - ) на расстоянии Ь >

f

f(— + 1) +

1

+

L — f(- + 1)

R

Если при установке пространственно г<> фильтра между активными элементами и линз<>й (фиг. 1) период расположения, составляющих его щелей равен d, то в случае его нахождения за линзой (фиг.2) этот период равен

1 +

L — f(— + 1)

К

Совершенно аналогичные рассуждения справедливы.и при синхронизации излучения активных элементов многолучевого лазера, оптические оси котсрь>х параллельны и образуют в сечении двумерную периодическую структуру. В d,l Id

1 Л в соответствии с ранее введенными обозначениями, а пространственный фильтр представляет собой экран с отверстиями, форма и расположение кото" рых соответствует исходной периодической структуре светового поля °

Устройство работает следующим образом. Излучение каждого активного элемента 1 (фиг.1 и 2) проходит через собирающую линзу 2, отражается от вогнутого зеркала 3, вновь проходит через линзу 2 и попадает обратно в активные элементы 1 строго по их оптическим осям. В силу эквивалентности данной телескопической системы общему плоскому зеркалу, расположенному вплотную к активным элементам, при отсутствии в резонаторе пространственного фильтра 4 происходит независимая генерация всех активных элементов 1 многолучевого лазера. При помещении пространственного фильтра 4 из-за pcs кого отличия распределения интенсивностей когерентного и независимого излучений в плоскости воспроизведения периодических когерентных полей происходит сильное поглощение независимого излучения и хорошее пропускание когерентного. Таким образом, являясь внутрирезонаторнь>м селектором, пр(>стран(-.твенный фильтр 4 осуществля1517086 ст выделение когерентного излучения или фазовую синхронизацию излучения всех активных элементов многолучевого лазера.

Кроме того, устройство в силу зависимости величин L, и L от длины волны излучения Л позволяет перестраивать длину волны генерируемого излучения в пределах полосы усиления активной среды.

В случае отличия значения расстояния между активными элементами 1 и

f линзой 2 от величины f(- + 1) и значеR 35 ния расстояния между линзой 2 и зеркалом 3 от величины (R + f) телескопическая система перестает быть эквивалентной плоскому зеркалу, расположенному вплотную к активным элементам, 20 что должно приводить к появлению внутрирезонаторных потерь как независимого так и когерентного излучения каждого активного элемента.

В случае невыполнения условия L, I d I I <1< I sin f

N или L f(- +

f

+ l)+f 1+ в плосL — f(- + 1)

f к кости установки пространственного фильтра распределение интенсивности когерентного излучения многолучевого лазера не будет точно соответствовать исходному распределению интенсивности излучения на торцах активных элементов, что приведет к появлению внутрирезонаторных потерь когерентного излучения. 40

Примером конкретного выполнения может служить устройство, осуществляющее фазовую синхронизацию излучения 61 активного элемента газоразрядного многолучевого лазера, расположенных в узлах двумерной треугольной периодической решетки с периодом d 0,85 см. Длина волны излучения

10 мкм. Для демонстрации работы устройства не ставилась задача максимального сокращения его габаритных размеров. Исследовались схемы как с положением пространственного фильтра ,4 между активными элементами и собирающей линзой 2 (фиг.l), так и внутри телескопа (фиг.2). Телескоп образован линзой с фокусным расстоянием f 2,15 м и зеркалом с радиусом кривизны К 0,8 м. Расстояние от линзы до активных элементов составf ляет при этом f(- + 1) 7,9 м. При исследовании одномерного набора девяти активных элементов ди пространственd2 ного фильтра составляет L

Л

6,8 м, Прстранственный фильтр представляет собой набор параллельных щелей с периодом d 0,85 см. При использовании двумерного набора из 61 активного элемента расстояние L, составля2Р sirl 2 60 f ет †--- †---- - 10 2 м ) f(- + 1)

Л

Э

7,9 м, поэтому пространственный фильтр расположен на расстоянии L >

f f

-f(-+1) +

R f

Ю

f (f /R + 1)

9 м от активных элементов. Пространственный фильтр в этом случае представляет собой набор отверстий образующих периодическую треугольную структуру с периодом d 1

0,41 см.

1 +

В обеих схемах эксперимента при наличии в резонаторе пространственного фильтра наблюдается устойчивый когерентный режим работы, независимый режим отсутствует. Без проведения оптимизации пространственного фильтра мощность когерентной генерации составляет 80Х от мошности независимого режима ° Путем изменения расстояний

L и L осуществляют перестройку длины волны излучения.

Использование предлагаемого устройства обеспечивает снижение стоимости конструкции и повышение надежноt сти работы иэ-за меньшего количества юстируемых оптических элементов, более низкого значения интенсивности излучения в плоскости установки пространственного фильтра, менее жестких требований к точности изготовления и установки последнего.

Формула и з обретения

l. Устройство для фазовой синхронизации излучения активных элементов многолучевого лазера, оптические

1517086

2. Устройство по п.l o т л и ч а ю щ е е с я тем, что пространственный фильтр установлен между линзой и активными элементами и отстоит от

f f

Ь *f(-+1) +

R f

1 + — — — — — ——

Ь вЂ” f(- + 1)

Составитель В.Сасов

Техред Л.Сердюкова

Редактор А.Мотыль

Корректор М.Шароши

Заказ 6397/54

Тираж 616 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101 оси которых параллельны и образуют в сечении периодическую структуру,. содержащее расположенные на оптической оси собирающую линзу с фокусным расстоянием f установленное эа ней по ходу излучения зеркало и пространственный фильтр, пропускание которого соответствует распределению интенсивного когерентного излучения, о т л и -10 ч а ю щ е е с я тем, что, с целью упрощения конструкции и повышения надежности, указанное зеркало выполнено вогнутым, причем расстояние от активных элементов до линзы определя- 15

f ется соотношением Й(- + 1), от линзы до зеркала соотношением (R + f), где

R — - радиус кривизны. зеркала, при этом пространственный фильтр расположен 20

f на расстоянии меньшем f(- + 2), от

R активных элементов. них на расстоянии Ь,, равном

1dд1 I d 91п Ч

Л

У

+ -Ф где d,, d < - базисные векторы периодической структуры; Ч- угол между ними, Я вЂ” длина волны иэлучения;

N — целое число, 3. Устройство по п.1, о т л и ч а- = ю щ е е с я тем, что пространственный фильтр установлен между линзой и зеркалом и отстоит от активных элементов на расстоянии Ь<, равном