Лазер с внутренней ультразвуковой модуляцией интенсивности излучения

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ql г !

Саюэ Советскик

Социамистическив

Веслублик

«i>556688

Н 01 Б 3/10 (53) УДК 621 ° 375. ,8 (088 ° 8) (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22} Заявлено 1701.75 (2!) 2097349/25 (51)М. Кл,2 с присоединением заявки Но—

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий

С23) Приоритет—

Опубликовано 1505 79. Бюллетень М 18

Дата опубликования описания 180579 (72) Автор изобретения

Г.Н. Белова (71) Заявитель (54) ЛАЗЕР С ВНУТРЕННЕЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ

МОДУЛЯЦИЕЙ ИНТЕНСИВНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ

Изобретение относится к лазерным устройствам с внутренней модуляцией интенсивности излучения и может использоваться в лазерной локации в высокоскоростной фотографии, в нелинейных оптических системах.

Известно два типа твердотельных лазеров с внутренней ультразвуковой модуляцией интенсивности, излучение которых представляет собой регулярную последовательность коротких световых импульсов (пнчков), следующих с частотой, равной или вдвое большей частоты возбуждаемого ультразвука. 15

К первому типу относятся лазеры, содержащие внутри оптического резонатора дополнительный элемент — ультразвуковую ячейку (1). Ультразвуковая ячейка состоит,иэ оптически прозрачной среды и ультразвукового.преобразователя, возбуждающего в ней бегущую или стоячую упругую волну. Указанная ячейка расположена в резонаторе лазера таким образом, чтобы световой пучок распространялся перпендикулярно или под.небольшим углом к направлению распространения ультразвуковой волны. Модуляция излучения лазера возникает за счет явлений диф-ЗО ракции либо рефракции света на ультразвуке ° Специфическим недостатком указанных лазеров является уменьшение (до 50%) общей энергии излучения из-за введения дополнительного элемента в резонатор.

Ко второму типу лазеров с внутренней ультразвуковой модуляцией интенсивности излучения относятся лазеры, у которых один из элементов системы (активный стержень или зеркало резонатора) совершает колебания с ультразвуковой частотой (2). Излу-. чение таких лазеров в отличие от лазеров первого типа характеризуется увеличенной в несколько раз пиковой интенсивностью при неизменной обшей энергии излучения °

В указанных пазерах с,колеблющимся активным стержнем:модуляция излучения возникает при возбуждении в стержне продольных, поперечных или изгибных колебаний. Для достижения максимальной амплитуды колебаний возбуждение осуществляется на резонансных частотах, которые характеризуются строгим соответствием между размерами активных стержней и выбранной частотой ультразвука. Это условие устанавливает взаимосвязь во времени определяется формой огибающей импульса (пичка) .

Отсутствие модуляции интенсивн ости в к аждом отдел ьн ом импул ьс е (пичке) является недостатком всех известных лазеров, который ограничивает воэможности их использования, например, в системах высокоскоростной фотографии, нелинейной оптики, лазерной локации.

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей устройства путем получения управляемого излучения в виде регулярных импульсов света с высокочастотным заполнением.

Поставленная цель достигается за счет того, что подложка второго зеркала резонатора выполнена в виде устройства, возбуждающего в отражающем покрытии ультразвуковую бегущую поверхностную волну. При этом подложка может быть выполнена из оптически прозрачного пьезоэлектрика, в средней части ее на стороне, обращенной к активной среде, нанесено отражающее покрытие, а по.обе стороны от отражающего покрытия на той же поверхности. размещены система электродов, образующая совместно с пьезоэлектрической подложкой ультразвуковой преобразователь упругих поверхностных волн, и поглотитель.

ila фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого лазера на фиг. 2 представлен эскиз второго зеркала резонатора.

Устройство состоит из активной среды элемента 1, двух внеМних зеркал 2 и 3 оптического резонатора, подложки 4 зеркала 2, ультразвукового преобразователя 5 продольных колебаний, концентратора 6, ультразвукового генератора 7, подложки 8 зеркала 3, которая выполнена в виде устройства, возбуждающего в отражающем покрытии ультразвуковую бегущую поверхностную волну. Подложка 8 может быть BkIIIIQJIHена из оптически прозрачного пьезоэлектрика, в средней части ее нанесено отражающее покрытие — зеркало 3, рядом с отражающим покрытием на той же стороне подложки размещена система электродов 9, обРазующая совместно с пьезоэлектрической подложкой 8 преобразователь,:.Упругих поверхностных волн. Система электродов 9 соединена с высокочастотным генератором 10. На другом крае поверхности подложки за отражающим покрытием 3 находится поглотитель 11, обеспечивающий режим бегущей волны путем поглощения падающей на поглотитель 11 упругой поверхностной волны. -.

Устройство работает следующим образом.

Активный элемент 1 создает в оптическом резонаторе, образованном зерз 556688 4 между частотой модуляции интенсивности и размерами активных стержней, что и является первым характерным недостатком таких лазеров. Второй недостаток обусловлен тем, что использование колеблющегося активного стержня для модуляции излучения соз- 5 дает ряд дополнительных трудностей при закреплении его в лазерной системе и требует конструирования специальной лазерной головки, в которуго, кроме активного стержня, ламп (0 накачки и отражателя, входит ультразвуковой преобразователь.

НаибоЛее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является лазер, содержащий активную среду и два внешних зеркала оптического резонатора, одно из которых закреплено на ультразвуковом преобразователе, возбуждающем колебания зеркала вдоль оси резонатора, а второе зеркало состоит из отражающего покрытия на подложке из оптически прозрачного материала (3) °

Указанный лазер по сравнению с лазерами с колеблющимся активным стержнем обладает тем преимуществом, что позволяет модулировать излучение на любой частоте в диапазоне.от десятка килогерц до нескольких мегагерц, независимо от размеров активного стержня. Ультразвуковая колебатель- 30 ная система, с помощью которой возбуждаются колебания зеркала резонатора в области частот до 100 кГц, состоит из преобразователя продольных колебаний (пьезоэлектрического 35 пакетного, ферритового или .магнитострикционного), концентратора ультразвуковой энергии и стеклянной подложки с напыленным, полностью отражающим зеркалом. Длина всей колеба- 40 тельной системы равна целому числу полуволн ультразвука на выбранной частоте. Для возбуждения колебаний зеркала резонатора в области частот от нескольких сотен килогерц до нескольких мегагерц используются пьезокварцевые или пьезокерамические пластины совершающие продольные колебания по толщине на основной частоте или на ее гармониках.

Возбуждение ультразвуковых коле баний одного из зеркал вдоль оси резонатора позволяет управлять моментом генерации лазера и тем самым формировать выходное излучение в виде "регулярной последовательности импульсов (пичков), частота следования которых строго соответствует частоте колебаний зеркал. При этом интенсивность излучения в каждом импульсе (пичке) значительно выше, g) чем при неподвижных зеркалах, а ее величина зависит от амплитуды колебаний зеркала. Однако характер излучения в каждом импульсе (пичке) не меняется, и изменение интенсивности

6688 6 пульсе (пичке) с частотой упругой поверхностной волны.

Известно несколько типов ультразвуковых преобразователей, с помощью которых можно возбудить на свободной поверхности подложки 8 с отражающим покрытием ультразвуковую поверхностную волну. Выбор типа ультразвукового преобразователя определяет особенности устройства подложки 8 зеркала 3 °

Наиболее эффективное возбуждение ультразвуковых поверхностных волн в широком диапазоне частот позволяют осуществлять преобразователи типа фазовая решетка (двухфазные или однофазные) .

С точки зрения конструктивного решения предлагаемого устройства наиболее удобен для использования преобразователь типа двухфазная решетка (двухфазный гребенчатый преобразователь) . В этом случае для возбуждения в отражающем покрытии зеркала 3 ультразвуковой поверхностной волны подложка 8 зеркала 3 выполнена из оптически прозрачного пьезоэлектрика и на поверхности ее рядом с отражающим покрытием размещена система электродов 9, образующая совместно с пьезоэлектрической подложкой двухфазный гребенчатый преобразователь. Иа систему электро-, ЗС дов 9 подается переменный электрический сигнал от высокочастотного генератора 1С. Поглотитель 11 предотвращает отражение упругой поверхностной волны от края подложки. 8 и

35 тем самым обеспечивает распространение в отражающем покрытии бегущей поверхностной волны.

Предлагаемый лазер с внутренней ультразвуковой модуляцией интенсив40, ности излучения является устройством, позволяющим получать управляемое оптическ эе излучение в виде регулярных пакетов из импульсов длительно-. стью с i / f с заданной частотой следования пакетов и с заданной дли45 тельностью и частотой повторения заполняющих эти пакеты импульсов.

5 55 калами 2 и 3, индуцированное излучение, которое выходит из резонатора через зеркало 3, состоящее из отражающего покрытия на подложке 8 из оптически прозрачного материала. Колебания полностью отражающего зеркала 2 вдоль оси резонатора приводят к формированию в оптическом резонаторе излучения в виде регулярных световых импульсов (пичков), следующих с удвоенной частотой колебаний зеркала.

Продольные колебания зеркала 2 возбуждаются за счет закрепления подложки 4 зеркала 2 на ультразвуковом преобразователе 5 через концентратор б ультразвуковой энергии. При этом электрическое напряжение на ультразвуковой преобразователь 5 подается от генератора 7. Одновременно с возбуждением колебаний зеркала 2 во втором зеркале. 3 возбуждается ультразвуковая бегущая поверхностная волна.

Распространение поверхностной волны по свободной поверхности подложки с зеркалом приводит к деформации этой поверхности с пространственным периодом, равным длине упругой поверхностной волны Ь . Поверхность зеркала из плоской превращается в волнистую, гофрированную. Такая поверхность в случае бегущей ультразвуковой поверхностной волны для падающего на нее светового пучка представляет собой движущуюся со скоростью распространения звука фазовую дифракционную решетку.

В результате дифракции на такой фазовой решетке вся отраженная от зеркала световая энергия распределяется между нулевым и более высокого порядка дифракционными максимумами

Угловое расстояние ц),„ между максимумами для случая нормального падения на зеркало определяется соотноениемг а э<я Чгп + п )

L где 5\ — длина волны света, L — - длина волны звука, N — порядок дифракции.

Частота света в m-ом дифракционном максимуме отличается от частоты падающего света на величину + mf,где fчастота ультразвуковой поверхностной волны.

Отражение света под углом фщ со сдвигом частоты на + mf приводит к появлению в резонаторе новых типов колебаний, частоты которых сдвинуты на величину, равную f. Многоцратность отражений света от зеркала к зеркалу в резонаторе при малых углах распространения „, обеспечивает не только усиление таких .искусственно созданных типов колебаний, но и их эффективное взаимодействие. Биения, возникающие при их взаимодействии, приводят к модуляции интенсивности в каждом им)Зля получения оптического излучения указанного вида не требуется

5() введения каких-либо дополнительных элементов в резонатор или вне его, а конструкция зеркал оптического резонатора отличается простотой и легкостью выполнения. Их замена не тре55 бует перестройки всей лазерной системы, что особенно важно при необходимости быстрой частотной перестройки (изменения частоты следования пакетов или длительности импульсов

С высокочастотного заполнения) . Предлагаемое устройство позволяет свести до минимума габариты лазерной системы, осуществить модуляцию без потерь общей энергии излучения, при увеличении его интенсивности, а также при

556688

1О

Формула и э обр ет ени я

ЦИИИПИ Заказ 2758/67 Тираж 922 Подписное

Филиал IIIIII Патент, г.ужгород,ул.Проектная, 4 малых мощностях модулирующих электрических сигналов..

Предлагаемый лазер может быть рекомендован для применения в самых различных областях техники, например в лазерной локации, в высокоскоростной фотографии, в качестве генератора накачки в системах нелинейной оптики, в системах обработки информации.

1. Лазер с внутренней ультразвуковой модуляцией интенсивности излучения, содержащий активную среду и два внешних зеркала оптического резонатора, одно из которых закреплено на ультразвуковом преобразователе, возбуждающем Колебания зеркала вдоль оси резонатора, а второе зеркало состоит иэ отражающего покрытия на подложке из оптически прозрачного материала, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем получения управляемого излучения в виде регулярных импульсов света с высоко.частотным заполнением, подложка второго зеркала выполнена в виде устройства, возбуждающего в отражающем покрытии ультразвуковую бегущую поверхностную волну.

2. Лазер по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что подложка второго зеркала резонатора выполнена из оптически прозрачного пьезоэлектрика и в средней части ее на стороне, обращенной к активной среде, нанесено отра-. жающее покрытие, а по обе стороны от отражающего покрытия на той же поверхности размещены система электррдов, образующая совместно с пьезоэлектрической подложкой ультразвуковой преобразователь упругих поверхностных волн, и поглотитель.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Андрианова И.И. и др. Экспериментальное исследование управления генерацией рубинового ОКГ с помощью дифракционнсго модулятора на бегущей модулированной ультразвуковой волне. Оптика и спектроскопия, 1966, т. 20,,вып. 5, с. 924. 2. Белова Г . И . Куэ н ецов В.Ф.

Ультразвуковая модуляция оптического квантового генератора. Акустический журнал, 1969, т. 15, вып. 1, с. 5.

3. Белова Г.И. Модуляция излучения ОКГ с помощью колеблющегося зеркала. Акустический журнал, 1971, т. 17, вып. 3, с. 365.