Генератор коротковолнового излучения с точечной обратной связью

Союз Советских Социалистических Республик(51)М. Кл,с присоединением заявки М Н 01 5 3/08 Государственный комитет СССР по делам изобретений н открытий(72) Автор изобретения В.Н. Луговой Ордена Ленина физический институт им. П.Н. Лебедева АН Белорусской ССР(54) ГЕНЕРАТОР КОРОТКОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ТОЧЕЧНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮИзобретение относится к квантовой электронике, более конкретно к устройствам для генерации коротковолнового, например, субмиллиметрового, оптического или рентгеновского излучения.Известны устройства для генерации оптического излучения, в которых активная (усиливающая) среда помещается в оптический резонатор. Зеркала 10 резонатора создают обратную связь для усиливаемого излучения. За счет многократных отражений от них формируются световые колебания, близкие по пространственной структуре и к 15 собственным колебаниям резонатора, обладающим, в свою очередь, по отдельности высокой пространственной когерентностью, При не слишком больших значениях коэффициента усиления в 20 объеме активной среды, например, не больших единицы, излучение соответствующего лазера состоит из одного или небольшого числа собственных колебаний резонатора и поэтому облада ет тоже высокой пространственной когерентностью.Зеркала резонатора в таких устройствах могут быть интерференционными диэлектрическими слоями, хорошо проводящими полированными поверхностями, дифракционными решетками, Дифракционные решетки применяются в т.наз. резонаторах-излучателях для вывода части световой энергии иэ них непосредственно при отражении от зеркала-решетки, а также в т.наз. дисперсионных резонаторах для выделения определенной длины волны генерации лазера.Существенным недостатком таких устройств является то, что при больших значениях 1 соэффициента усиления (например, не меньше ста в резонаторе может возбуждаться сразу много собственных колебаний, в результате чего генерируемое излучение обладает низкой пространственной когерентностью (например, такой же, как при суперлюминесценции иэ объема активной среды). Известно устройство для генерации оптического излучения в квантовом генераторе с т.наз. нерезонансной обратной связью. В этом случае активная среда помещается между зеркалами, такими же и так же ресположенными, как и в оптическом резонаторе. Отличие от оптического резонатора заключается в том, что одно из зеркал соверщает поступательное движение с. достаточно большой скоростью,Недостатком этого устройства также как и предыдущего является низкаяпространственная когерентность генерируемого излучения при больших значениях коэффициента усиления в объеме активной среды.Известно устройство для генерацииоптического излучения в квантовомгенераторе с т.наз, распределеннойобратной связью, когда отражения усиливаемого излучения происходят вобъемах среды с периодическим попространству изменением диэлектрической проницаемости.Недостаток этого устройства - тотже, что и двух предыдущих: при больших значениях коэффициента усиленияв объеме активной среды генерируемоеизлучение обладает низкой пространственной когерентностью, 20Известно устройство для генерацииоптического излучения в квантовомгенераторе со стохастической обратной связью, осуществляемой заменойодного из зеркал оптического резонатора диффузным отражателем подобныхразмерон.Недостатком этого устройства является низкая пространственная когерентность генерируемого излучения(такая же, как при суперлюминесценции из объема активной среды) прилюбых значениях коэффициента усиления н активном объеме.Известны устройства для генерацииоптического излучения с высокой пространственной когерентностью при использовании объемов среды с большимизначениями коэффициента усиления (например, больше десяти в системе задающий генератор + усилитель). В 40этих устройствах объем среды с большим значением коэффициента усиленияиспользуется лишь в качестве усилит:ля, н то время как задающим является относительно маломощный оптимальный оптический квантовый генератор,формирующий на входе н усилитель слабый сигнал с высокой пространственнойкогерентностью. Такие устройства широко используются н настоящее время длярешения проблемы получения мощных пространственно-когерентных световыхпучков, энергия которых достаточна,например, для инициирования в мишени)термоядерного синтеза с положительнымэнергетическим выходом 1.55Недостатками таких устройств являются: 1) необходимость в дополнительном оптическом квантовом генераторес высокой пространственной когерентностью излучения и общая сложность доконструкции; 2) существенное (мелкомасштабное) искажение фазового фронта и однородности профиля интенсивности усиленного светового сигналапри большой мощности, обусловленное нелинейной рефракцией света в активной среде. Реально это искажение непозволяет сфокусировать излучениена мишень и тем самым лимитируетдостижимую полезную мощность получаемого светового пучка,Известно устройство для генерации,оптического излучения с высокой пространственной когерентностью при использовании активных объемов с большими коэффициентами усиления в кнан-,товом генераторе с т,наз. точечнойобратной связью 2 ,В этом устройстве объем активнойсреды с большим значением коэффициента усиления помещается между отражающими элементами, размеры которых д;2.удовлетворяют условию б; (Агде- расстояние между отражающимиэлементами, Ъ. - длина волны усиливаемого в среде излучения; например,размеры д могут составлять несколькодлин или несколько десятков длин све-.товой волны. Благодаря столь малымзначениям размеров д;, рассматриваемых элементов, излучение в целом выглядит расходящимися из соответствующих им точек сферическими волнами,ограниченными диаграммой направленности этих элементов как отражателей,Недостатком данного устройства нряде случаев (например, при коэффициенте усиления не менее ста) является практическая сложность устранения"паразитной" обратной связи возникающЬй за счет отражений от подложекрассматриваемых элементов (или от торцов активного объема, если эти эле"менты нанесены непосредственно наторцы) и нарушающей пространственнуюкогерентность генерируемого излучения,Например, при коэффициентах усиленияче менее 10+104 устранение влиянияпаразитной обратной связи обычно своцится к требованию, чтобы коэффициентотражения от подложек был меньше, чем10 - 10 , что, в свою очередь, трудно осуществимо. Реально это ограничивает достижимую мощность световогопучка.Цель описываемого изобретения состоит н увеличении пространственнойкогерентности излучения при расширении диапазона значений коэффициентаусиления н активной среде в областьболее высоких значений и при однонременном отсутствии мелкомасштабныхискажений фазового фронта и однородности профиля интенсивности выходного излучения вследствие нелинейнойрефракции н активной среде.Поставленная цель достигается тем,что объем активной среды с большимзначением коэффициента усиления помещается между отражающими элементами,по крайней мере, один из которых является точечным, причем размер егогде 1. - расстояние между отражающимиэлементами,Я - длина волны излучения, усиливаемого в активной среде.Точечные отражающие элементы имеют внутреннюю периодическую структуру с пространственным периодом Х, удовлетворяющим условию д, ) ,Х и наклонены к оси генератора йод углом 0 = агс 51 п,./2 Ас тОчнОстьюЭта структура является периодической, например, по одной из координат (Х ) в плоскости отражающего элемента и может быть идЕнтична структуре обычной дифракционной решетки. Указанная структура легко может быть осуществлена также за счет периодической зависимости от Х коэффициентов отражения 1", рассматриваемых элементов. При этом 1-й отражающий элемент ориентируется так, что угол между нормалью к плоскости этого элемента и осью всей системы составляет6= а г с 5 1 и (/1 / 2 ) . )где Я . - период структуры 1-го отражающего элемента или период функцииГ;Х; ), а ось Х лежит в одной плоскости с указанной нормалью и осьюсистемы. Отражающий элемент рассматриваемого вида может быть, в частности, один вто время как другие отражения, замыкающие обратную связь,могут осуществляться с помощью обычных (например, плоских или выпуклых)зеркал или за счет отражений от одного из торцов активного объема среды отражающие элементы (отражающийэлемент) могут быть нанесены непосредственно на торцы (торец) активного объема среды, т.е, роль подло-.жек могут выполнять сами торцы, Схемы генераторов могут быть как линейные, так и кольцевые.На фиг. 1 для наглядности представлен график возможной. периодической зависимости коэффициента отражения 1-го отражающего элемента от координаты Х , лежащей в его плоскости. Размер этого элемента обозначенчерез дНа фиг, 2 в качестве примера представлена одна из возможных схем генератора коротковолнового излученияс обратной связью, осуществляемойдвумя отражающими элементами описанного типа (1=1,2), Обозначения следующие: 1, 2 - отражающие элементырассматриваемого типа; 3, 4 - подложки этих элементов; 5 - активнаясреда б - ось системы; 6- угол между нормалью к плоскости первого отражающего элемента и осью системы,9 - угол между нормалью к плоскостивторого отражающего элемента и осью3.системы,На фиг. 3 - в качестве примерапредставлена одна из возможных схем 1генератора коротковолнового излучения с обратной связью, осуществляеФормула изобретения Генератор коротковолнового излучения с точечной обратной связью, со.держащий активную среду, установленную между отражающими элементами, по крайней мере, один из которых является точечньм, причем размер его д1/1.Л о т л и ч а ю щ и й с я 1,тем, что, с целью увеличения пространственной когерентности излучения при расширении диапазона значений коэффициента, усиления в активной среде в область более высоких значений и при одновременном отсутствии мелкомасштабных искажений фазового фронта и однородности профиля интенсивности выходного излучения вследствие нелинейной рефракции в актив 1 50 55 60 Ммой с помощью одного отражающего элемента описанного типа (1=1), нанесенного непосредственно на торец активного объема среды.В предлагаемом устройстве генерируемое излучение подобно предыдущемуустройству состоит из расходящихсяот отражающих элементов сферическихволн, подобных волне, расходящейся 10 из отдельной точки, с тем однако отличием, что указанные волны ограничены одним из "лепестков" диаграммынаправленности рассматриваемых элементов как отражателей. Поскольку са ми отражающие элементы (" точки" ) имеют теперь внутреннюю структуру, тообусловленную ими обратную связь можно назвать структурно-точечной. Благодаря внутренней периодической струк туре этих элементов заметное отражение от них в направлении назад вдольоси системы оказывается достижимьмпри больших наклонах плоскости подложек к этой оси(значения 9, например,могут составлять 10-40 ),что позволяетлегко устранить паразитную обратнуюсвязь, вообще возможную без участиярассматриваемых элементов за счетлишь отражений от самих подложек,При использовании отражающих элеменЗ 0 тов с достаточно мальки размерами д;(например д, - 10-100 Л) генерируемоеизлучение в данном методе оказывается подобным излучению, с гладким фазовым фронтом, выходящему из области с 35 малыми поперечными размерами, и поэтому заведомо обладает высокой пространственной когерентностью. При этомодновременно достигается достаточнобольшая степень сферичности излуча емых волн, что предотвращает существенно мелкомасштабные искажения фазо"вого фронта и искажения однородностипрофиля интенсивности,. вообще возможные вследствие нелинейной рефракциисвета в активной среде.Ъ769671 7 ьская Корректор М. Кост И, Сталева Составитель Техред М. Ко Реда Сурко Заказ 7868/7 Тираж 844ИИПИ Государственпо делам изобрете5, Москва, %-35,г 4/5 а 113 филиал ППП "Патент"г. Ужгород, ул. Проектная ной среде, точечные отражающие элемент 1та имеют внутреннюю периодическуюструктуру с пространственным периодом Л;,удовлетворяющим условиюд. ) ЛА, и наклонены к оси генератора под углами 6;: агсь п(А/2 Л;)с точностью ь 6, -Л/дгде- расстояние между отражающими элементами,Л- длина волны излучения усиливаемого в активной среде.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. "Квантовая электроника", 1973,М 5, с. 57,2, Письма в ЖЭТФ 1974, т.20,с. 625. Подписноеомитета СССРоткрытийая наб., д.