Способ модуляции излучения лазера

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК 19) И 1) 51)5 Н 01 Я 3 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР ЬЦЯ,уГ ИСАНИЕ ИЗОВРЕ ЕНИЯ(71) Институт Физики и Инстут оптоэлектроники ехничекой академии ПНР(56) Зверев Г.М, и др, Лазеры на амоиттериевом гранате с неодимом.М.: Радио и связь, 1985, с, 93Тихонов Е.А Шпак М,Т, Пассивнамодуляция добротности ОКГ, основанна индуцированном рассеянии светаМандельштама - Бриллюэна, - Письмав ЖЭТФ, 1968, т,Р, Г 6, с. 282,(54) СПОСОБ МОДУЛЯЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРА(57) Изобрквантаэлектроник ользовдля получе одичесго излучен и е импульсов в условиях механических иэлектромагнитных помех, управлениепериодом следования импульсов и расширение диапазона управления периодом следования и длительностью импульсов. Лля получения стабильной пос"ледовательности импульсов в условияхмеханических и электромагнитных помехиспользуется способ модуляции излучения лазера, заключающийся в пропуска"нии пучка излучения лазера черезсреду, размещенную в кювете 4 и обладающую линейным поглощением, не вызывающим срыва генерации, и имеющуюзначение термооптической константы9 и/а Т)меньше значения(ап/аТ) . Дляуправления периодом следования импульсов изменяют мощность накачки лазера.С целью расширения диапазона управления периодом следования и управлениядлительностью импульсов перед пропусканием излучения через среду изменяютсечение пучка с помощью оптическойсистемы 3 с управляемой телескопичностью, при этом среду перемещаютперпендикулярно оптической оси резонатора со скоростью, меньшей скоростизвука в среде, 2 з,п, Ф-лы, 2 ил,АН УССРВоенно-т во етение относится к е и может быть исп ния импульсно-пери ия с управляемыми истем оптической л нФормации и для Фи ийЦель изобретен абильной последова ано арам каци ичес Я ельн рами дляпередачиисследовалучение с ти А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУИзобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано для получения импульсно-периодического излучения с управляемыми параметрами для систем оптической локации, передачи информации и для физических исследований.Цель изобретения - получение стабильной последовательности импульсов 10 в условиях механических и электромагнитных помех, управление периодом следования импульсов и расширение диапазона управления периодом следо" вания и длительностью импульсов. 15На фиг.1 приведена схема лазера; на фиг.2 - осциллограмма генерации лазера.На схеме представлены зеркала 1 резонатора, активная среда 2, опти ческая система 3, кювета ч с поглощающей средой.Способ модуляции излучения лазера осуществляется следующим. образом.Пучок излучения лазера пропускают 25 через поглощающую среду, размещенную в резонаторе, среду выбирают со эна" чением термооптической константыдп дпменьшим , и с линейнымдт чф ат Р 30 поглощением, не вызывающим срыва генерации, среду перемещают поперек оптической оси резонатора со скоростью, меньшей скорости звука в среде, а добротность резонатора и поперечный размер пучка генерации в среде изменяют с помощью оптической системы, расположенной в резонаторе, на" качку лазера осуществляют непрерывным или квазинепрерывным образом. 40При возникновении генерации и возрастании интенсивности поля в резонаторе лазера часть энергии излучения, заключенного в резонаторе, поглощается в кювете, наполненной жидкой или 45 газообразной средой. Разогрев среды в канале генерации приводит к изменению ее показателя преломления. Поскольку распределение интенсивности по сечению пучка неравномерное, то 50 в среде образуется линзаОднако в жидкой и газообразной средах изменение показателя преломления при нагреве, но неизменном объеме (т.е.55 ("-) ) весьма малая величина и оптиЗпатческая сила образующейся линзы пренебрежимо малая величина. Когда же нагрев среды приводит к выравниваниюдавления, т.е, перераспределениюплотности среды, то начинает сказыватьсядля жидкостеи и газовдпат гна несколько порядков большая величидпна чем. В этом случае линзаВатоказывается сильной и приводит к нарушению устойчивости резонатора и срыву генерации. Время выравнивания давления определяется временем пробе" га звука через поперечное сечение пучка. По прошествии этого времени линза становится сильной, Следовательно, в течение времени, меньше укаэанного, потери резонатора лазера будут неизменными и будет излучаться импульс в резонаторе максимальной добротности, т.е. с максимальным КПД. Когда же образующаяся линза станет сильной, то произойдет срыв генерации и импульс окончится.Таким образом, принципиальным отличием предлагаемого способа от известных решений является наличие в системе отрицательной обратной связи, При достижении определенной мощности генерации потери возрастают до величины, при которой наступает срыв генерации, при этом импульсы излучения оказыва" ются нормированы по амплитуде независимо от уровня пороговых потерь. Длительность оптического импульса зависит от скорости звука в поглощающей среде, величины поглощения и сечения пучка (т.е. от факторов, определяющих время формирования и оптическую силу линзы) и от конкретной конфигурации резонатора. Например, при наличии не" которой положительной линзы в резонаторе (лазер на гранате) возникающая отрицательная линза в поглощающей среде вначале уменьшает потери, компенсируя действие положительной линзы, а затем вновь увеличивает их, когда ее оптическая сила становится больше оптической силы положительной линзы. Это приводит к увеличению длительности импульса излучения по сравнению со случаем отсутствия положительной линзы, После прекращения дей" ствия излучения линза в поглощающей среде исчезает за время, зависящее от температуропроводимости среды, диаметра линзы, т.е, диаметра создавшего ее пучка, и ее оптической силы, Прсле5 154348 возвращения резонатора к конфигурации, близкой к исходной, добротность вновь увеличивается и генерация возникает снова, процесс повторяется и формируется следующий импульс генерации, Поскольку величина наводимых потерь определяется энергией импульса генерации, которая стабильна по величине, а скорость уменьшения потерь при рас" сасывании тепловой линзы в среде постоянна, то период импульсов генерации оказывается также стабильным. В промежутках между импульсами в активной среде накапливается инверсия и усиление в системе вбзрастает.Таким образом, периодический характер генерации согласно предлагаемому способу осуществляется благодаря эа" держке появления потерь по отношению О к излучаемому в резонаторе импульсу. Управление временем задержки скоростями нарастания и спада потерь позволяет управлять периодом следования и длительностью импульсов генерации. 25Ускорить процесс восстановления добротности резонатора можно, двигая поглощающую среду поперек оси резонатора, т.е. сдвигая линзу из канала генерации. При изменении сечения пуч- ЗО ка в поглоцающей среде с помощью линзы или телескопа изменяется время возникновения линзы и время ее исчез" новения. На эти параметры можно также влиять, изменяя добротность резонато" ра, например, изменяя мощность накачки активной среды, что приводит к изменению мощности излучения в резона" торе и, следовательно, величины наводимых потерь, что,в свою очередь, 4 О приводит к,изменению периода следования импульсов. Известно, что частота пульсаций Я, переходного колебатель" ного процесса при работе импульсного твердотельного лазера зависит от .мощ ности накачки 1:Я 2Я = О(Ы) -- .4Поскольку Г=Т,/Т - отношение времени жизни Т возбужденных центров на верхнем уровне к времени жизни Тр фотонов в резонаторе составляет величину 10 5, а И в единицах пороговой мощности накачки может составлять не" сколько единиц, то 55Я,: Б:1.Поскольку приведенная закономер" ность по сути определяет частоту пов 9 6торения импульсов, связанную со скоростью изменения усиления независимоот природы и уровня пороговых потерь,то полученное выражение правильноотражает характер изменения частотыпульсаций и для описываемого решенияСогласно предлагаемому способу привведении отрицательной обратной связивремя уменьшения потерь в промежуткемежду импульсами определяется временем рассасывания тепловой линзы всреде и зависит от теплопроводностисреды и размеров линзы (т.е. от сечения пучка), Поэтому при постоянномсечении пучка частота пульсаций увеличивается с ростом мощности накачки.Поскольку в реальных экспериментальных условиях диапазон изменения мощности накачки составляет примерноО ( и( 10, то частоту пульсаций приизменении И можно изменять в преде"лах 2-3 раз.Добротность резонатора можно изменить, например, при изменении коэффициента отражения выходного зеркалаили при помощи плоскопараллельнойпластинки, установленной в резонаторе и выводящей часть излучения в сторону от кюветы с поглощающей средой.При повороте пластины величина отраженной энергии изменяется, что приводит к изменению периода следованияимпульсов,Изменяя параметры поглощающей среды, можно влиять на скорость звука итемпературопроводность среды и такимобразом управлять параметрами излучения, Для газообразной среды легкоменять давление в кювете, для жидкости - изменять состав. Например, длялазеров, работающих в области 1 мкм,можно использовать смесь спирта с водой в различных пропорциях, В этомслучае для управления длительностьюи периодом импульсов нет необходимо"сти изменять конфигурацию резонатора,что упрощает процесс управления параметрами генерации, Поскольку кюветас поглощающей средой выполняется сплоскопараллельными стенками, торазъюстировка кюветы во время работылазера даже на несколько градусовприводит к небольшому изменению положения пучка лазера, но не влияет наглубину модуляции или временные параметры излучения, т,е. система не подвержена влиянию со стороны механических вибраций, Поскольку период следо 1543489вания и длительность импульсов задаются соотношением характерных времен ряда нестационарных процессов, протекающих в лазере (а не с помощью внеш"5 ней электронной аппаратуры), то система не подвержена воздействию электромагнитных помех в виде ВЧ, СВЧ или радиационных полей.П р и м е р 1, Лазер на ИАГ: Ы" с непрерывной накацкой. В резонатор лазера помещается кювета с этиловым спиртом, имеющим коэффициент поглощения 0,15 см- на длине волны 1,06 мкм. Спирт прокацивается через кювету со скоростью 0,5 м/с с помощью насоса.В резонаторе расположена оптицеская система - телескоп, в качестве одной из линз которого используется термическая линза в активной среде. Кювета с этиловым спиртом имеет толщину 3 мм. Изменение сечения пуцка в области кюветы достигается при изменении уровня накачки и положения второй линзы.Поскольку Фокус термической линзы 25 изменяется как (И)(Ь - мощность накачки), то сечейие пучка в кювете изменяется как М. Учитывая, что мощность генерации т -:, а площадь сечения Б пучка пропорциональна 1 Я, 30 то плотность мощности, поглощаемаяв кювете Р=-, - -"=(И ) , Таким обра 1 ЫВ Юнзом, при увеличении линейных размеров линзы, что увеличивает время ее.возникновения, плотность поглощаемой мощности, а значит, и оптическая сила линзы уменьшаются, цто также увеличивает время ее накопления до момента прекращения генерации, Одновременное действие обоих Факторов приводит к увеличению длительности импульсов.При вариации мощности накацки на активной среде в пределах 1,5-4 кВт фо кусное расстояние термической линзы изменяется в пределах 110-30 см. Использование в качестве второй линзы объектива с йеременным Фокусным расстоянием й типа "Гратин" 8 см ( й20 см) позволяет изменять коэфФициент телескопичности от 14 до 1,5, т.е, сечение в области кюветы изменяется почти в 10 раз, что позвопяет управлять длительностью импульсов генерации в пределах 1-7 мкс и перио" дом следования 12-600 мкс, Осцилограмма генерации в.лазере на ИАГ::Ыф, приведенная на Фиг.2, снята при мощности накачки 2,5 кВт и Фокус,ном расстоянии линзы 20 см,П р и м е р 2. В резонаторе СО"лазера устанавливается плоскопараллельная германиевая кювета, черезкоторую прокачиваются пары воды. Ве-.личиной поглощения управляют приизменении давления паров. При коэфФициенте поглощения 0,5 см- в кювететолщиной 1 мм величина поглощаемоймощности составляет около 5. Мощность излучения внутри резонатора(лазер типа ЛГ) достигает величины100 Вт, и в кювете рассеивается около5 Вт, что обеспецивает средний нагревпаров на 100-120 С, Наличие "пульсирующей" линзы обеспечивает генерациюпериодического импульсного излучения,Телескоп, управляющий величиной сечения пучка в кювете с парами воды,выполняется из двух германиевых линзс просветляющими покрытиями на длиневолны 10,6 мкм, Скважность импульсовизлуцения изменяется в пределах 1020. Импульсная мощность возрастает посравнению с мощностью непрерывногоизлучения и достигает 1 кйт.Формула и з о б р е т е н и я1, Способ модуляции излучения лазера, заключающийся в пропусканиипучка излучения лазера через поглощающую среду, размещенную в резонаторе о т л и ч а ю щ и й с я тем,Учто, с целью получения стабильной последовательности импульсов в условиимеханических и электромагнитных помех, пучок излучения пропускают черезсреду с линейным поглощением, не вызывающим срыва генерации, и обладающую значением термооптической констанап ,дп.,ты , меньшим значения (дТ2. Способ по п,1, о т л и ч а ю "щ и й с я тем, что, с целью управления периодом следования импульсов,изменяют мощность накачки лазера,3. Способ по пп,1 и 2, о т л ич а ю щ и й с я тем цто, с цельюрасширения диапазона управления периодом следования и управления длительностью импульсов, перед пропусканиемизлучения через среду изменяют сеце"ние пучка излучения с помощью оптической системы с управляемой телескопицностью, при этом среду перемещаютперпендикулярно оптической оси резонатора со скоростью, меньшей скорости звука в среде.1543489Составитель К.Старосельская Редактор П.Веселовская Техред М,Ходанич Корректор О. Кундри к . Заказ 105 Тираж 396 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям н открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101