Субмиллиметровый лазер

// САНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ТЕЛЬС ВТОРСН тью мет повыизлучебочихно в ви л че оп)н- с сС излучения нае Я ол(57) РОВЫЙ ЛАЗЕР содержащий образованный непрозрачнь и располо ан и с оптичес оптически эшелеттом араллельно или обра циирпенди эт штрихам эшелетта, о, общее для субмилптического резонаточастично прозрачным го излучения. лярн для иэлуч женный вн зонатора субр, образован- зеркалом свялиметрового и ров, выполнен миллиметр ный тем ж нер ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР О ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ(71) Ордена Трудового Красного Знамни институт радиотехники и электроники АН СССР(56) Патент США У 4050034,кл.331-94,5, опублик. 1979.Орлов Л.Н. Кристаллические отражатели в резонаторах молекулярныхлазеров с оптической накачкой, ЖТФ,1979, Ф 7, с.1561-1563.СУБМИЛЛИМЕТ ой накачкойрезонатор, и зеркалом, ния накачки три этого ре вый резонато зеркалом и зи, установленным с возможнос перемещения вдоль оси субмилл рового резонатора, о т л и ч щ и й с я тем, что, с целью шения мощности генерируемого ния и расширения диапазона ра частот, зеркало связи выполне де одномерной периодической мской решетки, имеющей пери ределяемый соотношением качки;длина волны генерируемогоизлучения;енной с воэможностью орие1158005 2, Лазер по п.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что зеркало, общее для субмиллиметрового и оптического резонаторов, выполнено в виде подложки из диэлектрика, прозрачного для генерируемого излучения, с нанесенными на ее поверхность отражающим покрытием для излучения накачки и двумерной периодической металлической решеткой, образующие которой ориентированы параллельно и перпендикулярно штрихам эшелетта и расположены с периодами соответственнои 1, определяемыми из условий ляются узкий диапазон рабочих частот и отсутствие независимой настройки на две одновременно генерируемые волны. Резонатор СО-лазера 5 селективно не перестраивается помногим линиям и работает на нескольких линиях вблизи 10 Р 20, что оченьограничивает частотный диапазонгенерируемого излучения и числовозможных СММ переходов.Наиболее близким по технической сущности к предложенному является СММ лазер с оптической накачкой, содержащий оптический резонатор, об разованный эшелеттом и зеркалом,непрозрачным для излучения нак 1 чки, и расположенный внутри этого резонатора СММ резонатор, образованный тем же зеркалом и зеркалом связи, 20 установленным с возможностью перемещения вдоль оси СММ резонатора и выполненным с отверстием в цен-ре.Вывод генерируемогоизлучения осущест.вляется черезотверстие диаметром 12 - 15 ммв зеркалесвязи послеотражения отселективного отражателя, являющегося одновременнобрюстерным окном газоразрядной трубкилазера накачки. где Ъ" и Ъ - длины волн генерируемого излучения, поляризованного параллельно образующим двумерной металлической решетки, ориентированным 1Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании субмиллиметровых (СММ ) лазеров, нашедших применение в спектроскопии, лазерной интерферометрии плазмы, метрологии частоты и времени.Известен СММ лазер с оптической накачкой СО-лазером, содержащий оптический резонатор и общий с ним СММ резонатор, образованный зеркалами, непрозрачными для излучения накачки. СО возбуждается электрическим разрядом в одной секции оптического резонатора, а активная среда СММ лазера возбуждается излучением СО-лазера в другой секции, и СММ излучение выводится через центральное отверстие в одном из общих зеркал.Недостатком такого лазера является низкая мощность генерируемого излучения, обусловленная невозможностью поддержания различного оптимального давления в каждой секции и невозможностью настройки СММ резонатора по длине на максимальную мощность. Другими недостатками явсоответственно перпендикулярно и параллельно штрихам эшелетта;Т,и Т - коэффициенты пропускания двумерной металлической решетки на длине волны 3 и 3 соответстивенно.3, Лазер по пп,1 и 2, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что, с целью независимой настройки на две одновременно генерируемые волны с взаимно перпендикулярной поляризацией, в него введена дополнительная одномерная металлическая решетка с периодом, определяемым соотношением 0,9 Я с(%, установленная в субмиллиметровом резонаторе с возможностью перемещения вдоль его оси, при этом образующие дополнительной металлической решетки ориентированы перпендикулярно, а образующие зеркала связи - параллельно штрихам эшелетта.Недостатком этого лазера является низкая мощность генерируемого излучения, обусловленная близкими по величине диаметрами центрального отверстия в зеркале связи (12-15 мм цилиндрического объема возбужденных молекул активной среды в СММ резонаторе и низшей моды колебаний на зеркале связи. Вследствие этого лазер не будет работать на низшей моде, имеющей наименьшие потери, так как при равенстве диаметра моды и диаметра отверстия на зеркале свя- зи возбужденные молекулы будут излучать спонтанно в другие моды, поэтому такой лазер работает на высших модах, имеющих большие потери и соответственно пониженную мощность генерируемого излучения. Кроме того, в этой конструкции лазера имеются потери выводимой мощности 10-202, связанные с отражением от брюстерного окна. Другим недостатком известного лазера является узкий рабочий диапазон частот, так как генерируемое излучение выводится после отражения от кристаллического селективного отражателя, установленного в качестве брюстерного окна. Как описано выше, только в узком частотном диапазоне кристаллические селективные отражатели имеют коэффициент отражения 80-903. Еще одним недостатком лазера является отсутствие независимой настройки на две одновременно генерируемые волны с взаимно перпендикулярной поляризацией.В СММ лазере известной конструкции можно выбрать одну длину СММ резонатора, удовлетворяющую условиям резонанса для двух волн в полосе частот, ограниченной 200-300 ГГц, но нельзя настраивать СММ резонатор на эти волны независимо. Например, при одной длине СММ резонатора и селективно отражающем брюстерном окне из калия бромистого можно получить одновременно генерацию на двух волнах 80,3 и 80,6 мкм, но нельзя перестраивать их частоту независимо.Целью изобретения является повышение мощности генерируемого излучения и расширение диапазона рабочих частот. Дополнительной целью изобретенияявляется обеспечение независимойнастройки на две одновременно гене 1158005рируемые волны с взаимно перпендикулярной поляризацией.Для достижения указанных целейв СММ лазере с оптической накачкойсодержащем оптический резонатор, образованный эшелеттом и зеркалом,непрозрачным для излучения накачки,и расположенный внутри этого резонатора СММ резонатор, образованный 10 тем же зеркалом и зеркалом связи,установленным с возможностью перемещения вдоль оси СММ резонатора,зеркало связи выполнено в виде одномернойпериодической металлической 5 решетки, имеющей период 1 , определяемый соотношениемЪочи Ен- с 10где Ъ - длина волны излучения на качки;Э - длина волны генерируемогоизлучения;и установленной с возможностью ориентации ее образующих параллельноили перпендикулярно штрихам эшелетта, при этом зеркало, общее для СММи оптического резонаторов, выполнено частично прозрачным для генерируемого излучения. Это зеркаломожет быть выполнено в виде подложки из диэлектрика, прозрачногодля генерируемого излучения, с нанесенными на ее поверхность отражающим покрытием для излучения накачкии двумерной периодической металлической решеткой, образующие которойориентированы параллельно и перпендикулярно штрихам эшелетта и расположены с периодами, соответственнои 1, определяемыми из условий 40 где " и- длины волн генерируемого излучения, поляризованного 45 параллельно образующим двумернойметаллической решетки, ориентированным соответственно перпендикулярнои параллельно штрихам эшелеттаТ, и Т - ффцеты про пускания двумерной металлической решетки на длине волн 3 и Я соответственно.Кроме того, в СММ лазер введенадополнительная одномерная металли ческая решетка с периодом, определяемым соотношением О, 9ц а 3Яй,установленная в СММ резонаторе с возможностью перемещения вдоль его оси, 1580055 1 О 15 20 25 30 35 40 О, 45 50 55 при этом образующие дополнительной металлической решетки ориентированы перпендикулярно, а образующие зеркала связи - параллельно штрихам эшелетта,На фиг.1 и 2 схематически изображены два варианта предложенного лазера. тально установлено, что при периоде одномерной металлической решетки3 /10, коэффициент пропускания ее для СММ волны с поляризацией, параллельной образующим решетки, меньше 0,01, Нижний предел периода . обусловлен тем, что условие прозрачности одномерной решетки для излучения накачки с поляризацией, параллельной образующим решетки, выполняется при 0,9 ЯцсШирина образующих а не должна превышать 3 /2, так как потери излучения накачки растут с увеличением ширины образующих. Поэтому а а 1 /2 и чем образующие уже, тем будут меньше потери. Для излучения накачки с поляризацией, перпендикулярной образующим решетки, дополнительных условий для выбора периода нет. Зер кало 4, общее для СММ и оптического резонаторов,в данном варианте лазера выполнено из прозрачного для генерируемого излучения материала, например из кристаллического кварца с кольцевым металлическим покрытием 9, например из золота. Такое зеркало является непрозрачным для излучения накачки и частично прозрачным для генерируемого излучения. Вариант лазера, показанный на фиг.2, отличается от описанного выше тем, что он содержит дополнительную одномерную металлическую решетку 10, установленную на кольцевом пьезокорректоре 11 внутри СММ резонатора. Эта решетка 1 О и зеркало связи 5 ус - тановлены на сильфоны 8, соединяющиеся с кюветой 2, и могут перемещаться вдоль оси резонатора с помощью микрометрических винтов (на фиг.2 не показаны), Периодрасположения образующих дополнительной решетки 10 выбран из условия 0,9 Я =- Я , а сами образующие ориентированы перпендикулярно штрихам эшелетта 3. Образу.зщие решетки зеркала связи 5 в этом варианте ориентированы параллельно штрихам эшелетта 3. Роль герметичной перегородки между газоразрядной трубкой 1 и кюветой 2 вместо плоскопараллельной пластины из ВаГ выполняет перегородка 12 из материала, прозрачногодля излучения накачки, например, из СаАв, расположенная под углам Брюстера к оси СММ резонатора, Зеркало 4, общее для СММ и оптического11580 1 О резонаторов, выполнено из диэлектри-ка, прозрачного для генерируемогоизлучения, например из СаАз, с нанесенным на его поверхность отражающим покрытием для излучения накачки и двумерной периодической металлической решеткой 13. Отражающее покрытие может быть выполнено в видеинтерференционного многослойногопокрытия из М 8 Р и 2 п 8. Периоды 1,и 1 расположения образующих двумерной решетки 13 определяются из условий а"О,= 24 Т, и О,= - 4 Т15 где а" и- длины волны генерируемого излучения, поляризованного параллельно образующим решетки, ориентированным соответственно перпендикулярно и параллельно штрихам эшелетта 3;Т, и Т - коэффициенты пропускания этой решеткина длине волны, соответственно а и а . указанноеи25 соотношение между параметрами решетки и длиной волны является эмпирическим. Оно было получено при экспериментальном исследовании двумерных гальванических решеток с периодом 1 О мкм в диапазоне длин волн 30030 700 мкм. Полученные при этом значения коэффициента пропускания составляли 0,02-0,2, что с удовлетворительной точностью согласуется с упомянутым соотношением. Пропускание двумерной решетки зеркала 4 оптимизируется по выходной мощности излуче.ния для каждой конкретной волны Э и а путем выбора периодов решетки В, и В. в зависимости от параметров рабочего вещества: коэффициента усиления СММ излучения для слабого сигнала, коэффициента поглощения и мощности насыщения излучения накачки. Для интенсивных СММ линий, какими, 45 например, являются 18,83 мкм в СНзОН и 393,63 мкм в НСООН, Т =0,1- 0,2. Для большинства менее интенсивных лазерных линий, например с Я )1 мм, оптимальный коэффициент пропускания не превышает величины Т =0,01 - 0,02, Аналогичное зеркало 4 целесообразно использовать и в варианте лазера, показанного на фиг.1.Лазер, показанный на фиг.1, работает следующим образом.В газоразрядной трубке 1, заполненной СО, возбуждается разряд. На 05 8правление вектора поляризации возбуждаемого оптического излучения накачкиопределяется ориентацией штрихов эшелетта 3. Эшелетт 3 работает в первомпорядке, для которого максимальныйкоэффициент отражения соответствуетполяризации излучения перпендикулярно штрихам. Поэтому электрическийвектор поля накачки всегда ориентирован перпендикулярно штрихам эшелетта 3. При этом поляризация колебаний генерируемого излучения устанавливается параллельно или перпендикулярно этому вектору в соответствии с правилами дипольных переходов. Образующие решетки зеркаласвязи 5 ориентируют параллельно поляризации колебаний генерируемого излучения, что соответствует их ориентации параллельно или перпендикулярно штрихам эшелетта 3.1Оптическое излучение свободно проходит через одномерную решетку зеркала связи 5, периодкоторойвыбран в указанном выше интервалев зависимости от поляризации этогоизлучения, и попадает на зеркало 4,образующее оптический резонатор сэшелеттом 3. Вращая эшелетт 3 вокругоси, совпадающей с его плоскостью иперпендикулярной оси резонатора, на-,страивают его на выбранную волну а,Оптическое излучение, поглощаемое навращательно-колебательных переходахактивного вещества, заполняющего кювету 2, приводит к возникновению СММизлучения. С помощьюмикрометрического винта устанавливают зеркало свя.зи 5 на расстоянии 1, от зеркала 4кратном а /2, где а - выбраннаядлина волны генерируемого излучения.СММ излучение отражается от решеткизеркала связи 5, т.е. ориентация ееобразующих и период выбраны из условия минимального пропускания для генерируемого излучения, попадает начастично прозрачное для этого излучения зеркало 4 и также отражаетсяот него. В результате многократногопрохождения СММ излучения через объем активного вещества, заполняющегокювету 2, происходят усиление и генерация излучения на длине волны,определяемой положением зеркала связи 5, т.е, длиной . СММ резонатора.Часть генерируемого излучения выводится через центральную часть зеркала 4. Перестройка СММ лазера поюццам волц осуществляется изменением угла наклона эшелетта 3 относительно оси оптического резонатора и перемещением зеркала связи 5 вдоль оси СММ резонатора.5Рассмотрим работу конкретного лазера, в котором в качестве активного вещества, заполняющего кювету 2, используется двуокись серы, в качестве лазера накачки - СО - ла- Ог зер, оптический резонатор которого образован эшелеттом 3 с числом штрихов 150 мм , углом блеска 45 ио сферическим зеркалом 4, а СММ резонатор образован тем же зеркалом 15 4 и зеркалом связи 5 с периодом расположения образующих решетки =9 мкм. Обычно СОг -лазер работает в диапазоне 9,15- 11,00 мкм. Вращая эшелетт 3 вокруг оси, совпадающей с 20 его плоскостью, устанавливают уголо падения излучения на зшелетт 44 1 б При этом СОг-лазер будет работать на линии 1 14 полосы 00 1-02 0 с Я =9,305 мкм. Кювету СММ резонатора за полняем до 20-50 Па двуокисью серы, на которой при накачке линией 1 14 СО -лазера в СММ резонаторе можно получить две волны Ъ " =208 мкм и=139,5 мкм. Ориентируем обра- Зо зующие зеркала связи 5 параллельно штрихам эшелетта 3, настраиваем резонатор на резонансную длинудля волны 208 мкм и получаем на ней генерацию. После изменения ориентировки образующих решетки 5 при повороте .кольцевого пьезокорректора 7 вместе с решеткой вокруг оси резонатора и соответствующей настройки длины 1 получим генерацию на волне 139,5 мкм,4 ОЛазер, показанный на фиг.2, в отличие от описанного выше, позволяет осуществить независимую перестройку двух одновременно генерируемых волнис взаимно перпендикулярной 45 ориентацией. Для этого зеркало связи 5, образующие решетки которого ориентированы параллельно штрихам эшелетта 3, устанавливают на расстоянии 1. от зеркала 4, удовлетворяющем резонансному условию1 Ът 2где- целое число, адополнительную решетку 10, образующие которой ориентированы перпендикулярно штрихам эшелетта, устанавливают на расстоянии , от зеркала 4, удовлетворяющем резонансному усло))вию 1, =и в вгде )и - целое2число. Минимальное расстояние Ь 1, между зеркалом связи 5 и дополнительной решеткой 1 О при в =О может быть определено из формулыЪ )61 = 1, 1, . - в - -т.в 1где- , ":а и с,=0,1,23,При этом следует учесть, что чемменьше ь 1. , тем проще изготовитьюстировочный узел, позволяющий осуществлять перемещение обеих решетокпри сохранении их взаимной параллельности. Излучение накачки свободнопроходит через брюстерное окно 12,одномерную решетку зеркала связи 5,дополнительную одномерную решетку 10и частично поглощается активным веществом, заполняющим кювету 2. Приэтом возникает СММ излучение надвух длинах волни Э с взаимно перпендикулярной поляризацией.Излучение с длиной волны Ъ отражается от дополнительной одномерной решетки 1 О, тогда как излучение с длиной волны Эсвободно проходит через эту решетку 10 и отражается от решетки зеркала связи 5вследствие описанной выше ориентации образующих этих решеток, В результа 1 е многократного отраженияизлучения от этих решеток и зеркала4 в резонаторе, образованном дополнительной решеткой 10 и зеркалом 4,возникает генерация на длине волныпа в резонаторе, образованномрешеткой зеркала связи 5 и зеркалом4, возникает генерация на длине волны 3 . Часть генерируемого излучения выводится через зеркало 4, коэффициенты пропускания которого Т)и Тг для длин волн Я и Я выбраны в соответствии с описанными вы -ше рекомендациями, Перестройка лазера на другую пару волн включаетнастройку эшелетта на другую волнунакачки, перезаполнение рабочим веществом СММ кюветы и поочереднуюнастройку длин резонаторовина соответствующие максимумыгенерации для выбранных волн,Рассмотрим работу конкретноговарианта этого лазера, в которомактивные вещества лазера накачки иС 1":1 лазера аналогичны описанным вы11 1158005ше, период решетки 5 зеркала связи- 14 мкм, период дополнительнойрешетки 1 =9 мкм, периоды двумер 1ной решетки 13 при коэффициентахпропускания Т,: Т =0,1 для образующих параллельных штрихам эшелетта 3, 01 = 33 мкм, для образующихперпендикулярных штрихам эшелетта3, 1 =22 мкм, ДлинуСММ резонатора для волн=208.мкм устанавливаем, выбирая 1 п =9616, приэтом 1. =1,000064 м. Расстояние6между дополнительной решеткой10 и зеркалом связи 5 и величиныгп; 1 п ;при ц =0 определяемпо приведенной выше формуле. Так как111 ф =14337,835, 1 п" =14337,=1,000005 м. Если есть необходимость увеличить величину 61 , например на1 мм принимаем и =15ФВи тогда д=-988,087 мкм,=0,999069 м.Предложенный лазер по сравнениюс прототипом позволяет значительноповысить мощность генерируемого излучения. Обусловлено это следующим.Одномерная периодическая решетказеркала связи образует с общим зеркалом лазера резонатор с добротностью, например 1,2"10 на 1 м длины5для волны 393,63 мкм. Потери, вносимые этой решеткой в оптический резонатор накачки при с =(0,9 - 1) Ъ ,составляют 3% и они растут до 8%,когда 1 с = сопя, а Ъизменяетсяв пределах 0,19-11,00 мкм, т.е, вовсем диапазоне перестройки частотыСО-лазера. Если коэффициенты отражейия эшелетта и общего зеркала0,99, то с учетом потерь на зеркале связи до 8% и на поглощение врабочей среде СММ лазера до 2%, добротность двухметрового оптического 5 резонатора на волне 10 мкм состав 6ляет 7 10 . Высокие добротности резонаторов и возможность работы СММрезонатора на низких модах с наименьшими потерями обеспечивают повышение 1 О мощности генерируемого излучения.Ограничения рабочего диапазона лазера на низких частотах нет, так каквысокие коэффициенты отражения 0,980,99 решетки зеркала связи возраста ют при уменьшении частоты. Лазер может работать на частотах 0,1 ТГц иниже. Высокочастотная граница рабочего диапазона лазера определяетсяиз условия 0,9н а/10 и в слу - 20 чае СО - лазера находится при 3,70 ТГцДополнительным преимуществом является возможность одновременной работына двух независимо настраивающихсячастотах, что может быть использовано в интерферометрии плазмы, локации, элипсометрии и спектроскопии полупроводниковых материалов. Предложенное техническое решениепозволяет повысить эффективность работы СММ лазера по сравнению с известными решениями, повысить выводимую мощность в 8-10 раз, а при сохранении уровня СММ мощности позволяет 35 уменьшить длину лазера в 2 раза ибольше. Соответственно уменьшаютсявес и другие габариты лазера. Кроме того, лазер позволяет работать надвух независимо настраиваемых часто 40 тах. Фиг. ЯВНИИПИ Заказ 8558/6 Тираж 637 Подписное филиал ППП "Патент", г.Ужгород, ул.Проектная, 4