Лазер

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано для управления (например модуляции) поляризацией излучения и измерения малых величин фазовой 5 анизотропии.Известен лазер, содержащий активный элемент с брюстеровскими окнами, основной и дополнительный кольцевой резонаторы. В дополнительном10 резонаторе размещены частичный поляризатор и циркулярно-фазовая пластинка. В этом лазере можно осуще- ствлять внутрирезонаторное управление поляризацией излучения 1 3.Существенный недостаток лазера заключается в том, что .с изменением поляризации излучения изменяются и амплитудно-частотные параметры, что исключает возможность использования лазера для автономного внутрирезонаторного управления поляризацией излучения,Наиболее близким по технической сущности к предлагаемомуявляется лазер, содержащий актив"ный элемент, основной резонатор исвязанный с ним дополнительный кольцевой резонатор, в котором расположены поляризатор и фазово-ани- ЗОзотропный элемент. В этом квантовомгенераторе достигается разделениеплоскостей поляризаций встречныхволн на 90.К недостаткам лазера относится 35невозможность автономного внутрирезонаторного управления поляризацией излучения.Цель изобретения - осуществлениевнутрирезонаторного автономного управления поляризацией излучения лазера.Цель достигается тем, что в основной резонатор лазера дополнительновведен анизотропный элемент, главные направления которого совпадаютс плоскостями поляризации поляризатора, а в дополнительный резонаторвведен второй поляризатор, расположенный таким образом, что фазово-ани 50зотропный элемент находится междуполяризаторами, причем плоскостьполяризации второго поляризатораразвернута на угол 90 ф относительно плоскости поляризации первого 55поляризатора, а фазово-анизотропный элемент выполнен с регулируемойвеличиной фазовой анизотропии,На фиг. 1 и 2 показана оптическая схема предлагаемого лазера,варианты, на фиг. 3 - зависимостьсостояния поляризации, на фиг, 4 -зависимость азимута поляризации.Лазер содержит зеркала 1-3 основного резонатора, зеркало 4 связимежду резонаторами, зеркала 5-7 дополнительного резонатора, активный элемент 8, элемент 9, обладающийлинейной анизотропией, регулируемыйфазово-анизотропный элемент 10, стопроцентные линейные поляризаторы 11и 12, элемент 13 с управляемой линейной анизотропией, четвертьволновая пластина 14, стопроцентный линейный поляризатор 15, магнитныйи естественный вращатели 16 и 17плоскости поляризации соответственно.Элемент 9 может обладать как фазовой, так и амплитудной анизотропией. Он может быть выполнен в виденаклонной пластинки, пленочного поляроида, линейно-фаэовой пластинкии т.д. Элемент 9 может отсутствовать,если используется активный элемент8 с наклоннымн окошками, которые соз-,дают линейную амплитудную аниэотропиюв резонаторе, а также, если зеркалаосновного резонатора обладают линейой анизотропией,Поляризаторы,11, 12 и 15полностью поляризуют лроходящеечерез них излучение. В качестве нихмогут быть использованы поляриэационные призмы, пленочные поляроидыи т.д. На фиг1 азимуты поляризаторов 11 и 12 различаются на 90и совпадают с азимутами главныхнаправлений элемента 9, В другомварианте используется поляризатор11 с двумя выходами излучения, поляризованного в ортогональных плоскостях. Это позволяет исключитьиз схемы поляризатор 12, Главноенаправление поляризатора 15 совпадает с плоскостями поляризации поляризатора 11, фазово-анизотропныйэлемент 10 характеризуется тем,что в нем может быть индуцирована спомощью внешних полей круговая илилинейная фазовая анизотропия. Онможет представлять собой ячейку фарадея, Керра или Поккельса и т.д.Главные направления элемента 13совпадают с главными направлениями поляризаторов 11 и 12. Вращате20 40 ли 16 и 17 обеспечивают поворотплоскости поляризации на 45 каждый, В качестве вращателя 16 можетбыть использована ячейка Фарадея,в качестве вращателя 17 - естественная циркулярно-фазовая пластинкаили линейно-фазовая полуволноваяпластинка, большая ось которой наоправлена под углом 45 относительноглавных направлений поляризаторов11 и 15. Элементы 11, 16, 17, 15образуют вентиль, пропускающий излучение в дополнительном резонаторетолько по часовой стрелке.Представленные на фиг. 1 и 2 схе" 15мы работают в оптическом диапазоне,но могут быть использованы и вдругих частотных диапазонах (например в диапазоне СВ-частот),Через оптические элементы 10 -12 помещенные в дополнительный резонатор, излучение проходит толькотогда, когда величина индуцированной в элементе 10 фазовой анизотропии отлична от 2% и ( В - целоечисло), В противном случае черезнего излучение не проходит, и дополнительный резонатор не сказываетвлияния на генерацию излучения, аполяризация излучения полностьюЗОопределяется азимутом выделенногонапряжения элемента 9 с линейнойанизотропией, Предположим, чтоэлемент 9 обладает амплитудной анизотропией с параметрами, позволяющими осуществить генерацию излучения, поляризованного в плоскости,перпендикулярной плоскости резонагора. Пусть поляризаторы 12 и 11ориентированы таким образом, чтополностью гасят компоненты световой волны, лежащие в плоскости резонатора и в перпендикулярной ейплоскости соответственно, Если воптическом элементе 10 индуцирована фазовая анизотропия, то излучениечастично проходит через дополнительный резонатор, и при отражении света от анизотропного дополнительногорезонатора происходит преобразование поляризации света. Так как поляризаторы 11 и 12 скрещены, то излучение, прошедшее через зеркало 4связи в дополнительный резонатор,завершает только один обход этогорезонатора и после одного обходапопадает в основной резонатор поляризованным в плоскости резонатора(в направлении распространения,указанном на фиг, 1 и 2 стрелками).Влияние дополнительного резонаторана поляризацию отраженного излучения заключается в том, что прошедшая через этот резонатор волна имееттолько компоненту, лежащую в плоскости резонатора, амплитуда которойопределяется величиной индукционнойв элементе 10 фазовой анизотропии,а фаза - оптической длиной периметрадополнительного резонатора. Такимобразом, световое излучение, вьппедшее из активного элемента 8, частично поляризуется при прохождениичерез элемент 9 в плоскости, перпендикулярной плоскости резонатора.а после взаимодействия с дополнительным резонатором - в плоскости резонатора, Совокупное влияние этихдвух эффектов приводит к тому, чтополяризация генерируемого излученияимеет промежуточное эллиптическое(в общем случае) состояние, параметрыкоторого зависят от величины линейной анизотропии элемента 9, а такжеот фазы (набега фазы волны за полныйобход дополнительного резонатора)и величины связи между резонаторами (коэффициента пропускания зеркала 4связи, прозрачности элементов 10-12и величины индуцированной в элементе10 фазовой анизотропии),Если элемент 10 обладает циркулярно-фазовой анизотропией, отношениекомплексных компонент поляризацииволны (модули которых определяют.их амплитуды, аргументы - их фазы),лежащих в плоскости резонатора и вперпендикулярной ей плоскости, определяется выражением211- 1 . - И)Р 5 гдеТЭ - максимальное и минимальР 1 эное пропускание частичного поляризатора 11 поамплитуде,р и- коэффициенты отраженияи пропускания зеркала4 связи по амплитуде,- амплитудный коэффициентизотропных оптическихпотерь (за исключениемпотерь на зеркале 4связи и набег фазыволны эа полный обхор20 дополнительного резонатора,М - фаэовая анизотропия,индуцированная в элементе 10.5Выражение (1) относится к излучению, направленному по часовойстрелке в основном резонаторе (фиг,1)Идущее во встречном направлении иэлу-Очение не зависит от параметров допол=нительного резонатора, так как поляриэатор 11 не пропускает излучение,поляризованное в плоскости, перпендикулярной плоскости резонатораВсхеме лазера, изображенной на фиг.2,в дополнительном резонаторе излучение проходит только по .часовой стрел.ке, так как здесь находится вентиль.Поэтому работа квантового генератора, изображенного на фиг. 2, аналогична работе предыдущего, а поляризация генерируемого им излучения описывается выражением, аналогичным выражению (1).25Зависимость состояния поляризации генерируемого излучения, определяемого выражением (1), от входящих в него параметров поясняетсяФиг. 3, на которой изображена сфераПуанкаре. Здесь кругамй, эллипсамии отрезками прямых со стрелкамиобозначены состояния поляризации.В том случае, когда 1 " ео, излучение становится поляризованным вплоскости, перпендикулярной плос 35кости резонатора, а на сфере Пуанкареэтому состоянию поляризации соответствует точка А. При= 0 излучение поляризовано в плоскости резонатора (точка В на сфере Пуанкаре),40При промежуточном значенииизлучение имеет эллиптическую поляризацию (точка С на сфере). Из формулы (1) следует, что 1 зависит отИзменение величины индуциро/ 45ванной анизотропии в элементе 10приводит к изменению состояния поляризации, которое на сфере Пуанкаресоответствует перемещению точки Свдоль радиуса б , что на фиг, 2 изоб 50ражено стрелкой. Изменение агвызывает такое изменение состоянияполяризации, которое на сфере Пуанкаре соответствует перемещению точкиС вдоль окружности, что также изображено стрелкой. Как следует изФормулы ( 1), агопределяется Фазойсвязи 9 между основным и дополнительным резонаторамИ, т.е. оптической длиной периметра дополнительного резонатора, которую можно изменять либо с помощьюпьезоэлемента, на котором закреплено зеркало 5, либо спомощью дополнительного элемента 13с управляемой линейной анизотропией.Изменение длины периметра дополнительного резонатора на длину волны соответствует смещению точки С вдоль окружностина один оборот.При отсутствии связи между основным и дополнительным резонаторами ( т= О), когда излучение поляриэовано в плоскости, перпендикулярной плоскости резонатора, интенсивность и частота генерируемого излучения определяются добротностью и оптической длиной периметра основного резонатора. При наличии связи между резонаторами ( У 1 21 ср ) состояние поляризации изменяется, и для волны с этим состоянием поляризации происходит изменение оптических потерь и набега фазы в основном резонаторе.Изменения амплитуды и фазы волныкомпенсируются при ее взаимодействии с дополнительным резонатором,в результате чего изменение параметров дополнительного резонаторане оказывает влияния на амплитудныеи частотные характеристики генерируемого излучения. Таким образом, в предлагаемом лазере можно осуществлять автономное управление эллиптичностью и азимутом главной осиэллипса поляризации за счет измене- . ния величин индуцированной анизотропии в элементах 10 и 13 (либо изме нением оптической длины дополнитель ного резонатора с помощью пьезоэлемента).В частности, если набег фазы вдополнительном резонаторе ,У: Т(, , р 2 1и излучение, поляризовано линейно (точка 2 на сфере Пуанкаре), так как в этом случае- действительная величина. Изменение фазовой ани зотропии У элемента 10 приведет к изменению азимута поляризации (точка 0 перемещается вдоль экватора сФеры). Типичная зависимость азимута поляризации у от 4 (модуляционная кривая) приведена на фиг. 4 где кривые м, 6 и, в рассчитаны при значенияхз = 10 , 5 1010-2 5 10-ЗСР 10-2 10-15 = 0,995, 0,99 н 0,9 и В " = 0,8, 0,9 и 0,98 соответственно. Таким образом, при соответствующем подборе параметров квантового генератора коэффициент пропорциональности между у и У в области их линейной зависимости на 2-3 порядка больше единицы, что позволяет использовать управляющий сигнал малой величины15 для модуляции азимута поляризации излучения.Если набег фазы в дополнительном резонаторе 1 О 20 Ь 1 -Н ) то и излучение поляризовано по эллипсу, одна из осей которого расположена в плоскости резонатора (точкана фиг. 3), а изменение фазовой30анизотропииприводит к изменению аллиптичности (точка Я нафиг. 3 перемещается вдоль перидиана сферы Пуанкаре).Управление поляризацией излуче ния за счет изменения величины циркулярно-фазовой анизотропии элемента 10 происходит благодаря тому,что при этом изменяется величинасвязи между резонаторами. При использовании элемента 10 с линейнофазовой анизотропией интенсивностьизлучения, прошедшего через элементы .10 - 12 а следовательно, иуправление поляризацией излученияквантового генератора можно регулировать за счет изменения каквеличины, так и направления анизотропии.Таким же образом работает лазери тогда, когда элемент 9 обладаетлинейной Фазовой анизотропией. Вэтом случае селекция двух типовколебаний резонатора, соответствующих максимальному и минимальному набегу фазы в элементе 9, осуществляется за счет их конкурентного взаимодействия в активной среде,В предлагаемом лазере поляризацию излучения можно изменять отдельно как по азимуту, так и по эллиптич- ности. Однако такое управление поляризацией можно осуществить только при фиксированных значениях фа 2 в+1зы связи Ч=о и У= Н.Если же выходное излучение пропускать через четвертьволновую пластину 14, ориентированную таким образом, что ее главные оси развернуты относительно главных направлений элемента 9 на 45, то можно управлять поляризацией излучения по азимуту и эллиптичности независимо при любых значениях М . В этом случае точки А и В, соответствующие излучению, поляризованному в плоскости резонатора и в перпендикулярной ей плоскости, переместятся на полюсы сферы Пуанкаре (фиг. 3). Изменение в этом случае приведет к перемещению точки, изображающей поляризацию излучения, вдоль одного из меридианов сферы, т.е. будет изменяться только эллиптичность излучения, а изменение ,/вызовет перемещение точки вдоль одной из параллелей сферы - будет изменяться только азимут большой оси эллипса./Таким образом, в квантовом генераторе осуществляется управление 1 эллиптичностью иазимутом большей оси эллипса поляризации излучения как одновременно, так и в отдельности без изменения других характеристик генерируемого излучения, т.е. достигается автономное внутрирезонаторное управление поляризацией излучения, что является существенным .преимуществом по сравнению с известными устройствами.То, что уровень в элементе 10 с фазовой анизотропией не влияет на порог генерации лазера, позволяет использовать лазер для прецизионных измерений фазовой анизотропии веществ, помещая вместо элемента 10 испытуемое вещество. В других устройствах внутрирезонаторный метод измерения фазовой анизотропии применим только для веществ с малыми оптическими потерями, которые не приводят к срыву генерации. Как следует из формулы (2), коэффициент пропорциональности между у и М мо 9 813570 10жет достигнуть величин порядка 10 - анизотропии по сравнению с иэвестны 10, что дает воэможность увеличить ми внерезонаторными методами примерчувствительность измерения фазовой но на два порядка.8357 Ъ СоставительРедактор Л, Письман Техред С.Мигунов М, ДемчикФ Корре з 7025/2 Тираж 637 ВНИИПИ Государственного комитета СС по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., одпис 4 5 иал ППП "Патент", г. Ужгород ул. Проектная, 4