Лазер с внутренней ультразвуковой модуляцией интенсивности излучения — SU 556688 (original) (raw)

ОП ИКАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Саюэ СоаетскикСоциелистическивВеслублик п 556688 Н 01 Б 3/10(51)М. Кл. с присоединением заявки М -Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(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. 15К 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 ультразвукеСпецифическим 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, Излучение таких лазеров в отличие от лазеров первого типа характеризуется увеличенной в несколько раз пиковой интенсивностью при неизменной общей энергии излученияВ 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 взаимосвязь1 О 15 20 25 Р 30 35 40 45 50 55 между частотой модуляции интенсивности и размерами активных стержней,что и является первым характернымнедостатком таких лазеров. Второйнедостаток обусловлен тем, что использование колеблющегося активногостержня для модуляции излучения создает ряд дополнительных трудностейпри закреплении его в лазерной системе и требует конструирования специальной лазерной головки, в которую, кроме активного стержня, лампнакачки и отражателя, входит ультразвуковой преобразователь,НаибоЛее близким по техническойсущности к предлагаемому устройствуявляется лазер, содержащий активнуюсреду и два внешних зеркала оптического резонатора, одно из которых закреплено на ультразвуковом преобразователе, возбуждающем колебаниязеркала вдоль оси резонатора, а второе зеркало состоит из отражающегопокрытия на подложке из оптическипрозрачного материала 3)Указанный лазер по сравнению слазерами с колеблющимся активнымстержнем обладает тем преимуществом,что позволяет модулировать излучениена любой частоте в диапазоне от десятка килогерц до нескольких мегагерцнезависимо от размеров активногостержняУльтразвуковая колебательная система, с помощью которой возбуждаются колебания зеркала резонатора в области частот до 100 кГц,состоит из преобразователя продольных колебаний (пьезоэлектрическогопакетного, ферритового или магнитострикционного), концентратора ультразвуковой энергии и стеклянной подложки с напыпенным, полностью отражающим зеркалом. Длина всей колебательной системы равна целому числуполуволн ультразвука на выбраннойчастоте. Для возбуждения колебанийзеркала резонатора в области частотот нескольких сотен килогерц до нескольких мегагерц используются пьезокварцевые или пьезокерамические пластины, совершающие продольные колебания по толщине на основной частотеили на ее гармониках.Возбуждение ультразвуковых колебаний одного из зеркал вдоль осирезонатора позволяет управлять моментом генерации лазера и тем самымформировать выходное излучение ввиде "регулярной последовательностиимпульсов (пичков), частота следования которых строго соответствуетчастоте колебаний зеркал, При этоминтенсивность излучения в каждомимпульсе (пичке) значительно выше,чем при неподвижных зеркалах, а еевеличина зависит от амплитуды колебаний зеркала.Однако характер излучения в каждом импульсе (пичке) неменяется, и изменение интенсивности во времени определяется формой огибающей импульса (пичка) .Отсутствие модуляции интенсивности в каждом отдельном импульсе(пичке) является недостатком всехизвестных лазеров, который ограничи.вает воэможности их использования,например, в системах высокоскоростной фотографии, нелинейной оптики,лазерной локации.Цель изобретения - расширениефункциональных возможностей устройства путем получения управляемогоизлучения в виде регулярных импульсов досвета е высокочастотным заполнением.Поставленная цель достигается засчет того, что подложка второго зеркала резонатора выполнена в виде устройства, возбуждающего в отражающемпокрытии ультразвуковую бегущуюповерхностную волну. При этом подложка может быть выполнена из оптическипрозрачного пьезоэлектрика, в средней части ее на стороне, обращеннойк активной среде, нанесено отражающее покрытие, а по.обе стороны ототражающего покрытия на той же поверхности. размещены система электродов, образующая совместно с пьезоэлектрической подложкой ультразвуковой преобразователь упругих поверхностных волн, и поглотитель,Ыа фиг. 1 приведена блок-схемапредлагаемого лазера на фиг. 2 представлен эскиз второго зеркала резонатора.Устройство состоит из активнойсреды 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 зер"кала 3, которая выполнена в видеустройства, возбуждающего в отражающем покрытии ультразвуковую бегущуюповерхностную волну. Подложка 8 может быть выполнена из оптически прозрачного пьезоэлектрика, в среднейчасти ее нанесено отражающее покрытие - зеркало 3, рядом с отражающимпокрытием на той же стороне подложкиразмещена система электродов 9, обРазующая совместно с пьезоэлектрической подложкой 8 преобразователь.,:.Упругих поверхностных волн. Система электродов 9 соединена с высокочастотным генератором 10, Ла другом краеповерхности подложки за отражающимпокрытием 3 находится поглотитель 11,обеспечивающий режим бегущей волныпутем поглощения падающей на поглотитель 11 упругой поверхностной волныУстройствоработает следующим образом. Активный элемент 1 создает в оптическом резонаторе, образованном зер6688 6пульсе (пичке) с частотой упругойповерхностной волны,Известно несколько типов ультразвуковых преобразователей, с помощьюкоторых можно возбудить на свободнойповерхности подложки 8 с отражающимпокрытием ультразвуковую поверхностную волну. Выбор типа ультразвуковогопреобразователя определяет особенности устройства подложки 8 зеркала 3наиболее эффективное возбуждение10 ультразвуковых поверхностных волн вшироком диапазоне частот позволяютосуществлять преобразователи типафазовая решетка (двухфазные илиоднофазные),15С точки зрения конструктивногорешения предлагаемого устройстванаиболее удобен для использованияпреобразователь типа двухфазнаярешетка (двухфазный гребенчатыйпреобразователь) . В этом случае длявозбуждения в отражающем покрытиизеркала 3 ультразвуковой поверхностной волны подложка 8 зеркала 3 выполнена из оптически прозрачногопьезоэлектрика и на поверхности ее25 рядом с отражающим покрытием размещена система электродов 9, образующая совместно с пьезоэлектрическойподложкой двухфазный гребенчатыйпреобразователь, За систему электро-,30 дов 9 подается переменный электрический сигнал от высокочастотногогенератора 10, Поглотитель 11 предотвращает отражение упругой поверхностной волны от края подложки. 8 и35 тем самым обеспечивает распространение в отражающем покрытии бегущейповерхностной волны,Предлагаемый лазер с внутреннейультразвуковой модуляцией интенсив 40,ности излучения является устройством,позволяющим получать управляемое оптическое излучение в виде регулярных пакетов из импульсов длительно-.стьюс 11 с заданной частотойследования пакетов и с заданной дли"45 тельностью и частотой повторениязаполняющих 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 распростране" ния 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 соотно- ениемг аеи Чгп + " )(где Л - длина волны света,Ь - длина волны звука,В - порядок дифракции.Частота света в щ-ом дифракционноммаксимуме отличается от частоты падающего света на величину + вй,где Хчастота ультразвуковой поверхностнойволны.Отражение света под углом (Рп 1 сосдвигом частоты на +ай приводит кпоявлению в резонаторе новых типовколебаний, частоты которых сдвинутына величину, равную Й. Многоцратностьотражений света от зеркала к зеркалув резонаторе при малых углах распространения , обеспечивает не толькоусиление таких .искусственно созданныхтипов колебаний, но и их эффективноевзаимодействие. Биения, возникающиепри их взаимодействии, приводят кмодуляции интенсивности в каждом имДля получения оптического излучения указанного вида не требуется 50 введения каких-либо дополнительныхэлементов в резонатор или вне его, а конструкция зеркал оптического резонатора отличается простотой и легкостью выполнения. Их замена не тре бует перестройки всей лазерной системы, что особенно важно при необходимости быстрой частотной перестройки (изменения частоты следования пакетов или длительности импульсов 600 высокочастотного заполнения), Предлагаемое устройство позволяет свести до минимума габариты лазерной системы, осуществить модуляцию без потерь общей энергии излучения, при увеличении его интенсивности, а также при556688 1 О Формула изобретения 15 пи сное ул,Проек малых мощностях модулирующих электрических сигналовПредлагаемый лазер может быть рекомендован для применения в самых различных областях техники, например в лазерной локации, в высокоскоростной фотографии, в качестве генерато ра 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, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем получения управляемого излучения в виде регулярных импульсов света с высоко.частотнымзаполнением, подложка второго зеркала выполнена в виде устройства, возбуждающего в отражающем поЦИИИПИ Заказ 2758/67 Ти Филиал ППППатент, г.уж крытии ультразвуковую бегущую поверхностную волну.2. Лазер по п, 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что подложка второгозеркала резонатора выполнена из оптически прозрачного пьезоэлектрика и всредней части ее на стороне, обращенной к активной среде, нанесено отражающее покрытие, а по обе стороны ототражающего покрытия на той же поверхности размещены система электррдов, фобразующая совместно с пЬеэозлектрической подложкой ультразвуковой преобразователь упругих поверхностныхволн, и поглотитель.Источники информации, принятые вовнимание при экспертизе1,Андрианова И,И. и др. Экспериментальное исследование управлениягенерацией рубинового ОКГ с помощьюдифракционнсго модулятора на бегущей модулированной ультразвуковойволне. Оптика и спектроскопия,1966, т. 20 вып. 5, с. 924,2, Белова Г.И., Кузнецов В.Ф.Ультразвуковая модуляция оптическогоквантового генератора. Акустическийжурнал, 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,

Смотреть

Лазер с внутренней ультразвуковой модуляцией интенсивности излучения