Резонатор субмиллиметрового лазера с оптической накачкой

 

Использование: изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в лазерах субмиллиметрового диапазона. Сущность изобретения: резонатор содержит металлический волновод круглого поперечного сечения, входное зеркало с выходной апертурой, которая смещена относительно центра зеркала и расположена в области, определяемой значениями радиальной координаты r, выбираемой из условия 0,2a < r < 0,8 a, где a - радиус волновода. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в лазерах субмиллиметрового (СБМ) диапазона с оптической накачкой.

Применение в СБМ лазерах металлических кювет для активного вещества, служащих также волноводными секциями СБМ резонатора, перспективно для обеспечения широкополосности частотных характеристик СБМ ячейки. Это связано с тем, что постоянная затухания моды металлического СБМ пропорциональна длине волны в степени 1,5, тогда как для диэлектрического волновода - в степени 2.

Для обеспечения высоких значений выходной мощности и монохроматичности генерации стремятся выполнить СБМ ячейку так, чтобы генерация происходила на основной моде. Для волноводных резонаторов с металлическими волноводными секциями в СБМ диапазоне такой модой является ТЕ₀₁. В (1) для обеспечения генерации на ТЕ₀₁ моде в СБМ волноводном лазере используется волновод малого диаметра, отношение которого к рабочей длине волны порядка 10. При этом условия генерации выполняются только для ТЕ₀₁ моды. Волноводный СБМ лазер с оптической накачкой состоит из металлического волновода и зеркал, одно из которых для обеспечения вывода СБМ сигнала выполнено в виде тонкой кремниевой пластины, частично пропускающей СБМ волны. Недостатком такого устройства является невозможность получить генерацию в широком диапазоне длин волн, так как с ростом длины волны потери энергии в тонком металлическом волноводе становятся столь высокими, что их невозможно компенсировать коэффициентом усиления активной среды.

Указанный недостаток устраняется в СБМ лазера (2) с металлическим волноводом кругового поперечного сечения и зеркалами, одно из которых содержит выходную апертуру, представляющую собой отверстие, расположенное в центре зеркала. Отношение диаметра волновода d к рабочей длине волны λ порядка 50.

Поскольку постоянная затухания металлического волновода пропорциональна а^-3, выбранное отношение а/λ позволяет в широком диапазоне длин волн достигать условия генерации, что обеспечивает возможность использования одной конструкции СБМ резонатора для создания лазера генерирующего в широкой области длин волн СБМ диапазона. Однако, в данном устройстве исчезает селективность основной моды. Как условия генерации, так и связь типов колебаний со свободным пространством обеспечивают многомодовую структуру выходного излучения, что снижает его монохроматичность.

Кроме того, в данном устройстве для разных частот СБМ излучения получается различная его поляризация. Это происходит из-за того, что в силу осевой симметрии резонатора его неосесимметричные моды, например, ТЕ₁₁, ТМ₁₁, будут изменять свою поляризацию параллельно или перпендикулярно поляризации излучения накачки в зависимости от типа активного вещества.

Для того, чтобы получить постоянную поляризацию СБМ излучения в рабочем диапазоне длин волн независимо от типа активного вещества и поляризации излучения накачки, а также иметь наименьшие паразитные потери энергии в материале стенок волновода, резонатор субмиллиметрового лазера с оптической накачкой, содержащий по крайней мере один металлический волновод круглого поперечного сечения, входное зеркало и зеркало с выходной апертурой отличается тем, что апертура смещена относительно центра зеркала и расположена в области, определяемой значениями радиальной координаты r из условия 0,2а < r < <0,8a, где а - радиус волновода.

Указанный технический результат достигается за счет того, что выходная апертура расположена в области поперечных координат, где доминирующая мода ТЕ₀₁ имеет максимальное значение для распределения интенсивности. В этом случае реализуется оптимальная связь ТЕ₀₁ моды со свободным пространством, обеспечивающая максимальную выходную мощность лазера. При r/a 0,2 и r/a 0,8 такая связь осуществляется для моды ТЕ₀₂.

Обеспечивая генерацию для всех частот рабочего диапазона на ТЕ₀₁моде, имеющей круговую поляризацию, достигают следующие положительные качества излучения: - постоянство поляризационных характеристик во всем рабочем диапазоне вне зависимости от активной среды и поляризаций излучения накачки, - возможность выбором размеров выходной апертуры получить поляризацию, близкую к линейной, - возможность путем обеспечения вращения выходного зеркала вокруг оси изменять плоскость поляризации выходного сигнала.

На чертеже приведена схема конкретной реализации резонатора, поясняющая его принцип действия.

Резонатор содержит зеркало 1 с осесимметричным отверстием, кювету 2 с активной средой и выходное зеркало 3 с апертурой 4, смещенной относительно центра зеркала.

Излучение накачки через осесимметричное отверстие в зеркале 1 возбуждает СБМ активную среду, заключенную в кювету 2, являющуюся металлическим (медным) волноводом. СБМ сигнал выходит через апертуру 4 в зеркале 3. Медный волновод имеет диаметр 19,7 мм, входная апертура 2 мм, выходная - 3 мм. На различных активных средах получена генерация в диапазоне от 0,070 мм до 0,742 мм.

Данные о выходной мощности и степени линейной поляризации приведены в таблице в 4-й и 5-й колонках. Во 2-ой и 3-й колонках для сравнения приведены данные для прототипа. Из таблицы видно, что в диапазоне 0,119-0,742 мм для предлагаемого изобретения наблюдается более стабильная степень линейной поляризации при близких значениях выходной мощности.

Формула изобретения

РЕЗОНАТОР СУБМИЛЛИМЕТРОВОГО ЛАЗЕРА С ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКОЙ, содержащий по крайней мере один металлический волновод круглого поперечного сечения, входное зеркало с выходной апертурой, отличающийся тем, что выходная апертура смещена относительно центра зеркала и расположена в области, определяемой значениями радиальной координаты r из условия 0,2 a< r < 0,8 a, где a - радиус волновода.

РИСУНКИ

Рисунок 1