RU2399129C1 - Laser with tunalbe emission spectrum - Google Patents
Laser with tunalbe emission spectrum Download PDFInfo
- Publication number
- RU2399129C1 RU2399129C1 RU2009101596/28A RU2009101596A RU2399129C1 RU 2399129 C1 RU2399129 C1 RU 2399129C1 RU 2009101596/28 A RU2009101596/28 A RU 2009101596/28A RU 2009101596 A RU2009101596 A RU 2009101596A RU 2399129 C1 RU2399129 C1 RU 2399129C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- prism
- resonator
- laser
- light modulator
- spatial light
- Prior art date
Links
- 238000000295 emission spectrum Methods 0.000 title claims abstract description 9
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 62
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 27
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 21
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims abstract description 5
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 abstract description 31
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 11
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 7
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 4
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 3
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 2
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 2
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 2
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 description 1
- FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N lanthanum atom Chemical compound [La] FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N lead zirconate titanate Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ti+4].[Zr+4].[Pb+2] HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052451 lead zirconate titanate Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Lasers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области квантовой электроники, в частности лазерной техники, и может быть использовано в лазерных технологических установках, системах лазерной локации, дальнометрии, связи и системах мониторинга атмосферы.The invention relates to the field of quantum electronics, in particular laser technology, and can be used in laser processing systems, laser location systems, ranging, communications and atmospheric monitoring systems.
Известен лазер с перестраиваемым спектром излучения, предложенный в [А.С. SU 1793817, БИ №1, 1995, стр.256], принятый за аналог к заявленному изобретению. Лазер содержит резонаторное зеркало, активный элемент, устройство накачки, оптическую систему, выполненную в виде многогранной призмы, и дисперсионный элемент. При работе лазера устройство накачки накачивает определенные участки активной среды, часть возникающего при этом спонтанного излучения распространяется в направлении, перпендикулярном поверхности резонаторного зеркала, отражается от него и вновь попадает в накачанные участки активной среды, где происходит усиление этого излучения, представляющего собой несколько параллельных пучков. Далее усиленное излучение попадает на оптическую систему, выполненную в виде многогранной призмы. Пучки оптического излучения, формируемые различными накачанными участками активной среды, после прохождения первой входной и последующих граней призмы отклоняются на разные углы и под разными углами падают на дисперсионный элемент. Углы между первой и остальными гранями призмы выполнены так, чтобы при заданной установке призмы для каждого из формируемых световых пучков выполнялось условие автоколлимационного отражения на одной из заданных длин волн генерации. Поэтому дисперсионный элемент, в качестве которого используется дифракционная решетка, направляет излучение на заданных длинах волн обратно по тем же оптическим путям. Это излучение после повторного преломления многогранной призмой в виде набора параллельных друг другу пучков, каждый из которых имеет свою длину волны, вновь попадает в накачиваемые участки активной среды и усиливается. Тем самым для различных накачиваемых участков активной среды резонатор лазера создает обратную связь для различных заданных длин волн. При мощности накачки, превышающей пороговую, в лазере формируется излучение в виде набора пучков излучения с заданными длинами волн.A known laser with a tunable emission spectrum, proposed in [A.S. SU 1793817, BI No. 1, 1995, p.256], adopted as an analogue to the claimed invention. The laser contains a resonator mirror, an active element, a pump device, an optical system made in the form of a multifaceted prism, and a dispersion element. When the laser is operating, the pump device pumps up certain areas of the active medium, part of the spontaneous emission that occurs during this propagates in the direction perpendicular to the surface of the resonator mirror, is reflected from it and again enters the pumped areas of the active medium, where this radiation, which consists of several parallel beams, is amplified. Further, the amplified radiation enters the optical system, made in the form of a multifaceted prism. The optical radiation beams formed by various pumped sections of the active medium, after passing through the first input and subsequent faces of the prism, are deflected at different angles and fall at different angles on the dispersion element. The angles between the first and other faces of the prism are made so that for a given installation of the prism, for each of the generated light beams, the condition of autocollimation reflection at one of the given generation wavelengths is satisfied. Therefore, the dispersion element, which is used as a diffraction grating, directs the radiation at given wavelengths back along the same optical paths. This radiation after repeated refraction by a multifaceted prism in the form of a set of beams parallel to each other, each of which has its own wavelength, again enters the pumped areas of the active medium and amplifies. Thus, for various pumped sections of the active medium, the laser resonator creates feedback for various given wavelengths. When the pump power exceeds the threshold, radiation is formed in the laser in the form of a set of radiation beams with specified wavelengths.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относятся следующие. Во-первых, отсутствует возможность оперативного управления числом генерируемых спектральных компонент. Число генерируемых спектральных компонент лимитируется числом боковых граней многогранной призмы, которая выполняется так, что величины углов между первой и остальными боковыми гранями подчиняются определенным соотношениям между показателем преломления материала, из которого изготовлена призма, и угловой дисперсией используемого дисперсионного элемента. В лазере также отсутствует возможность оперативного управления значением длины волны каждой спектральной компоненты. Для обеспечения генерации требуется обеспечение высоких точностей при расчетах конструкции призмы и ее изготовлении, что снижает технологичность изготовления лазера. В предлагаемой конструкции также отсутствует схема вывода из резонатора излучения с определенной спектральной компонентой.The reasons that impede the achievement of the following technical result when using a known device include the following. Firstly, there is no possibility of operational control of the number of generated spectral components. The number of generated spectral components is limited by the number of side faces of a polyhedral prism, which is performed so that the angles between the first and other side faces obey certain ratios between the refractive index of the material from which the prism is made and the angular dispersion of the dispersion element used. The laser also lacks the ability to operatively control the wavelength of each spectral component. To ensure generation, it is necessary to ensure high accuracy in the design of the prism and its manufacture, which reduces the manufacturability of the laser. The proposed design also lacks a scheme for deriving radiation from a resonator with a specific spectral component.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному устройству по совокупности признаков является лазер с перестраиваемой длиной волны, предложенный в [Патент US 6141361, дата публикации 31.10.2000], принятый за прототип. Конструкция лазера в варианте исполнения, указанном в одном из пунктов формулы изобретения, включает перестраиваемый фильтр, расположенный внутри оптического резонатора лазера. Указанный перестраиваемый фильтр состоит из динамического голографического дифракционного элемента и статической дифракционной решетки или голограммы. Динамический голографический дифракционный элемент включает в себя, в свою очередь, голограмму (которая может быть, в том числе, компьютерно генерированной) и пространственный модулятор света (ПМС). Действие динамического голографического дифракционного элемента обеспечивается путем отображения голограммной структуры на ПМС. При этом на волновую перестройку фильтра влияет пространственная частота голограммы, отображаемой на ПМС.The closest device of the same purpose to the claimed device for a combination of features is a laser with a tunable wavelength, proposed in [Patent US 6141361, publication date 10/31/2000], adopted as a prototype. The design of the laser in the embodiment indicated in one of the claims includes a tunable filter located inside the optical cavity of the laser. Said tunable filter consists of a dynamic holographic diffraction element and a static diffraction grating or hologram. A dynamic holographic diffraction element includes, in turn, a hologram (which can be, including, a computer generated one) and a spatial light modulator (PMS). The action of a dynamic holographic diffraction element is provided by displaying a hologram structure on a PMS. At the same time, the spatial frequency of the hologram displayed on the ICP affects the filter wave tuning.
Если источник излучения является многоволновым, то совместное функционирование дифракционных элементов фильтра формирует наборы разложений многоволнового источника по длинам волн. Вначале более «грубое» разделение длин волн в определенных угловых направлениях осуществляет динамический голографический дифракционный элемент, а затем более «тонкую» селекцию длины волны осуществляет статическая голограмма с высокой дисперсией. Для преобразования углового распределения пучков излучения в порядках дифракции в более приемлемое пространственное распределение в выходной плоскости на пути пучков в резонаторе устанавливаются линзы.If the radiation source is multiwave, then the combined functioning of the diffraction elements of the filter forms sets of decompositions of the multiwave source in terms of wavelengths. At first, a more “coarse” separation of wavelengths in certain angular directions is carried out by a dynamic holographic diffraction element, and then a more “finer” selection of the wavelength is carried out by a high-dispersion static hologram. To convert the angular distribution of radiation beams in diffraction orders into a more acceptable spatial distribution in the output plane, lenses are installed in the resonator path of the beams.
Для вывода из резонатора одной или более длин волн необходимо создание одного или более выходных каналов. В патенте US 6141361 предложена конструкция перестраиваемого волоконно-кольцевого лазера, использующего перестраиваемый фильтр и обеспечивающего вывод из резонатора излучения только с одной длиной волны. Пучок излучения от входящего одномодового волокна выстраивается вдоль оптической оси, коллимируется первой дублетной линзой, проходит через динамическую решетку с ПМС, где разлагается на дифракционные порядки, которые затем разделяются по углам статической фазовой решеткой, оптимизированной к фазовым изменениям на определенной длине волны. Дифракционные порядки проходят затем через вторую дублетную линзу, которая преобразует угловое разложение дифракционных порядков в пространственное распределение в фокальной плоскости. В фокальной плоскости второй линзы расположен второй конец световолокна, в который попадает пучок лучей с определенной длиной волны. Изменение длины волны генерации можно осуществлять изменением пространственной частоты голограммы, отображаемой на ПМС.To output one or more wavelengths from the resonator, it is necessary to create one or more output channels. US Pat. No. 6,141,361 proposes the construction of a tunable fiber-ring laser using a tunable filter and providing output from the resonator of radiation with only one wavelength. A beam of radiation from an incoming single-mode fiber is aligned along the optical axis, collimated by the first doublet lens, passes through a dynamic lattice with PMS, where it is decomposed into diffraction orders, which are then separated at the corners by a static phase lattice optimized for phase changes at a specific wavelength. The diffraction orders then pass through a second doublet lens, which converts the angular decomposition of the diffraction orders into a spatial distribution in the focal plane. In the focal plane of the second lens is the second end of the optical fiber, into which a beam of rays with a certain wavelength falls. Changing the generation wavelength can be accomplished by changing the spatial frequency of the hologram displayed on the ICP.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного лазера, относятся следующие. Перестраиваемый фильтр, находящийся в резонаторе лазера, формирует ограниченный набор разложений многоволнового источника излучения по длинам волн, определяемый набором голограммных структур, формируемых дифракционными элементами фильтра. Естественно считать, что при внутрирезонаторном расположении фильтра многоволновым источником излучения в резонаторе будет являться активный элемент, излучающий в некотором спектральном диапазоне. Работа фильтра, содержащего последовательно два дифракционных элемента, направлена на достижение узкополосности спектра выходного луча. Обеспечение генерации излучения на определенных узких спектральных линиях требует расчета и изготовления соответствующих дифракционных и голографических элементов, соответствующих линз и т.д., а также наличие своего выходного канала для каждой длины волны. Все это уменьшает возможность оперативного управления числом и длиной волны генерируемых спектральных компонент.The reasons that impede the achievement of the following technical result when using a known laser include the following. A tunable filter located in the laser cavity forms a limited set of decompositions of a multi-wavelength radiation source according to wavelengths, determined by a set of hologram structures formed by diffraction elements of the filter. It is natural to assume that with the intracavity arrangement of the filter, the multiwave radiation source in the resonator will be the active element emitting in a certain spectral range. The operation of the filter, which contains two diffraction elements in series, is aimed at achieving a narrow-band spectrum of the output beam. Ensuring the generation of radiation on certain narrow spectral lines requires the calculation and manufacture of the corresponding diffraction and holographic elements, corresponding lenses, etc., as well as the presence of its output channel for each wavelength. All this reduces the possibility of operational control of the number and wavelength of the generated spectral components.
Сущность изобретения заключается в следующем.The invention consists in the following.
Задачей изобретения является создание лазера с перестраиваемым спектром излучения и оперативным управлением числом и длиной волны излучаемых спектральных компонент.The objective of the invention is to provide a laser with a tunable emission spectrum and operational control of the number and wavelength of the emitted spectral components.
Техническим результатом, который достигается при осуществлении изобретения, является обеспечение генерации лазером перестраиваемого спектра излучения с оперативным управлением числом и длиной волны излучаемых спектральных компонент при высокой надежности работы лазера. Предлагаемая конструкция лазера обеспечивает высокую скорость переключения генерации излучения с одной спектральной компоненты на другую, возможность одновременной генерации на управляемом числе спектральных компонент и генерации любой совокупности спектральных компонент.The technical result that is achieved by the implementation of the invention is to provide a laser with a tunable emission spectrum with operational control of the number and wavelength of the emitted spectral components with high reliability of the laser. The proposed laser design provides a high rate of switching the generation of radiation from one spectral component to another, the possibility of simultaneous generation on a controlled number of spectral components and the generation of any combination of spectral components.
Указанный технический результат достигается тем, что в лазере, включающем активный элемент, связанный с источником накачки активного элемента, излучающий при накачке пучок лучей разных длин волн, и пространственный модулятор света, отличным является то, что резонатор лазера содержит выходное частично отражающее плоское зеркало, расположенное на оптической оси резонатора перед активным элементом, плоское полностью отражающее зеркало, расположенное на оптической оси резонатора после пространственного модулятора света, призменную составную систему и четвертьволновую фазовую пластинку, последовательно расположенные на оптической оси резонатора между активным элементом и пространственным модулятором света, при этом призменная составная система состоит из четного числа оптически сопряженных идентичных трехгранных 2N призм, где N больше или равно 1, расположенных по отношению друг к другу так, что плоскости входной и выходной граней любой i-той призмы параллельны плоскостям, соответственно, выходной и входной граней [(2N+1)-i]-той призмы, где i меняется от 1 до N, пространственный модулятор света выполнен в виде электроуправляемой пластины, расположенной ортогонально оптической оси резонатора, с линейными управляющими электродами, направленными параллельно линии пересечения плоскостей входной и выходной граней последней призмы призменной составной системы, пространственный модулятор света связан с блоком напряжений, выполненным с возможностью программного управления величиной напряжений на электродах пространственного модулятора света.The indicated technical result is achieved in that in a laser including an active element connected to a pump source of an active element, emitting a beam of rays of different wavelengths when pumping, and a spatial light modulator, it is excellent that the laser cavity contains an output partially reflecting plane mirror located on the optical axis of the resonator in front of the active element, a flat fully reflecting mirror located on the optical axis of the resonator after the spatial light modulator, prismatic A similar system and a quarter-wave phase plate are sequentially located on the optical axis of the resonator between the active element and the spatial light modulator, while the prismatic composite system consists of an even number of optically conjugated identical trihedral 2N prisms, where N is greater than or equal to 1 located in relation to each other so that the planes of the input and output faces of any i-th prism are parallel to the planes, respectively, of the output and input faces of the [(2N + 1) -i] -th prism, where i varies from 1 to N, is spatial the th light modulator is made in the form of an electrically controlled plate located orthogonally to the optical axis of the resonator, with linear control electrodes directed parallel to the line of intersection of the planes of the input and output faces of the last prism of the prismatic composite system, the spatial light modulator is connected to a voltage unit configured to programmatically control the voltage value on the electrodes of a spatial light modulator.
Если призменная составная система расположена на оптической оси резонатора так, пучок лазерного излучения падает на входную грань первой призмы под углом Брюстера, то это решение характеризует одну из частных форм реализации изобретения, при которой мощность излучаемых спектральных компонент будет достигать максимального значения.If the prism component system is located on the optical axis of the resonator so that the laser beam falls on the input face of the first prism at the Brewster angle, then this solution characterizes one of the particular forms of implementation of the invention, in which the power of the emitted spectral components reaches its maximum value.
Если в резонатор лазера дополнительно ввести плоскопараллельную пластинку, прозрачную в диапазоне длин волн излучения активного элемента, расположенную на оптической оси резонатора после призменной составной системы и выполненную с возможностью вращения вокруг оси, направленной параллельно линии пересечения плоскостей входной и выходной граней последней призмы призменной составной системы, то возникает дополнительный технический результат, заключающийся в том, что при повороте плоскопараллельной пластинки вокруг этой оси происходит плавное параллельное смещение лучей разных длин волн в направлении, перпендикулярном направлению расположения линейных управляющих электродов, и перестройка излучаемых спектральных компонент осуществляется плавным образом.If we additionally introduce a plane parallel plate transparent in the radiation wavelength range of the active element, located on the optical axis of the resonator after the prism component system and configured to rotate around an axis parallel to the line of intersection of the planes of the input and output faces of the last prism of the prism component system, then an additional technical result arises, namely, that when a plane-parallel plate rotates around this axis, gives a smooth parallel shift of the rays of different wavelengths in the direction perpendicular to the direction of the location of the linear control electrodes, and the reconstruction of the emitted spectral components is carried out in a smooth manner.
На фиг.1 представлена оптическая схема лазера с перестраиваемым спектром излучения, где 1 - выходное частично отражающее плоское зеркало, 2 - активный элемент, 3.1., 3.2., 3.3., 3.4. - соответственно, первая, вторая, третья и четвертая призмы призменной составной системы (приведен пример системы, состоящей из четырех трехгранных призм, когда 2N=4), 4 - плоскопараллельная пластинка, 5 - четвертьволновая фазовая пластинка, 6 - ПМС, 7 - полностью отражающее плоское зеркало, 8 - блок напряжений, связанный с ПМС и выполненный с возможностью программного управления величиной напряжений на электродах ПМС, 9 - блок накачки активного элемента. Зеркала 1 и 7 выполнены, соответственно, частично и полностью отражающими в диапазоне длин излучения активного элемента.Figure 1 presents the optical diagram of a laser with a tunable emission spectrum, where 1 is the output partially reflecting flat mirror, 2 is the active element, 3.1., 3.2., 3.3., 3.4. - accordingly, the first, second, third and fourth prisms of the prismatic composite system (an example of a system consisting of four trihedral prisms when 2N = 4 is given), 4 is a plane-parallel plate, 5 is a quarter-wave phase plate, 6 is a PMS, 7 is fully reflective a flat mirror, 8 is a voltage unit associated with the ICP and configured to programmatically control the magnitude of the voltages on the ICP electrodes, 9 is a pumping unit of the active element. Mirrors 1 and 7 are respectively partially and fully reflective in the range of radiation lengths of the active element.
Лазер с перестраиваемым спектром излучения работает следующим образом.A laser with a tunable emission spectrum operates as follows.
Активный элемент 2, призменная составная система, состоящая из призм 3.1., 3.2., 3.3., 3.4., четвертьволновая фазовая пластинка 5 и ПМС 6 размещаются на оси резонатора, образованного выходным частично отражающим плоским зеркалом 1, расположенным перед активным элементом 2, и полностью отражающим плоским зеркалом 7. В качестве активного элемента 2 использовался кристалл Al2O3:Ti3+, испускающий при накачке, осуществляемой блоком накачки активного элемента 9, пучок лучей в красной и ближней ИК-областях спектра. Призменная составная система состоит в общем случае из четного числа идентичных трехгранных 2N призм, расположенных по отношению друг к другу так, что плоскости входной и выходной граней любой i-той призмы параллельны плоскостям, соответственно, выходной и входной граней [(2N+1)-i]-той призмы, где i меняется от 1 до N. На фиг.1 приведен пример системы, состоящей из четырех призм, когда 2N=4. Для такой системы входная и выходная грани первой призмы 3.1.параллельны, соответственно, выходной и входной грани четвертой призмы 3.4., а входная и выходная грани второй призмы 3.2. параллельны, соответственно, выходной и входной грани третьей призмы 3.3. по ходу пучка от источника излучения.The active element 2, a prismatic composite system consisting of prisms 3.1., 3.2., 3.3., 3.4., The quarter-wave phase plate 5 and the ICP 6 are placed on the axis of the resonator formed by the output partially reflecting flat mirror 1 located in front of the active element 2, and completely reflecting flat mirror 7. As the active element 2, we used an Al 2 O 3 : Ti 3+ crystal, which, when pumped by the pumping unit of the active element 9, emits a beam of rays in the red and near infrared regions of the spectrum. The prismatic composite system generally consists of an even number of identical trihedral 2N prisms arranged in relation to each other so that the planes of the input and output faces of any ith prism are parallel to the planes, respectively, of the output and input faces [(2N + 1) - i] -th prism, where i varies from 1 to N. Figure 1 shows an example of a system consisting of four prisms, when 2N = 4. For such a system, the input and output faces of the first prism 3.1. Are parallel, respectively, the output and input faces of the fourth prism 3.4., And the input and output faces of the second prism 3.2. parallel, respectively, the output and input faces of the third prism 3.3. along the beam from the radiation source.
При прохождении пучка лучей, испускаемых активным элементом 2, через систему идентичных трехгранных 2N призм осуществляются следующие преобразования пучка. После прохождения первых N призм (для случая на фиг.1 это первая 3.1 и вторая 3.2. призмы) происходит угловое разложение пучка в зависимости от длины волны лучей, присутствующих в пучке. Далее лучи, распространяющиеся в разных угловых направлениях, проходят через оставшиеся N призм (для случая на фиг.1 это третья 3.3. и четвертая 3.4. призмы) и преобразуются в параллельный пучок лучей разных длин волн. Направление распространения пучка на выходе из последней призмы системы будет при этом параллельно направлению падения первоначального пучка лучей на входную грань первой призмы.When a beam of rays emitted by the active element 2 passes through a system of identical trihedral 2N prisms, the following beam transformations are performed. After passing through the first N prisms (for the case in FIG. 1, this is the first 3.1 and second 3.2. Prisms), the beam is angularly decomposed depending on the wavelength of the rays present in the beam. Further, the rays propagating in different angular directions pass through the remaining N prisms (for the case in Fig. 1, this is the third 3.3. And fourth 3.4. Prisms) and are converted into a parallel beam of rays of different wavelengths. The direction of propagation of the beam at the exit from the last prism of the system will be parallel to the direction of incidence of the initial beam of rays on the input face of the first prism.
На выходе из системы призм расстояние между спектральными компонентами пучка в плоскости главного сечения последней призмы будет зависеть от длины волны компонент. Количество призм в системе в общем случае должно быть обязательно четным, так как в необходимых преобразованиях пучка, а именно в его угловом разложении по длинам волн с последующим разложением в параллельный пучок, участвуют каждый раз пара призм, соответственно первая и последняя (2N-тая), вторая и предпоследняя ((2N-1)-тая), i-тая и [(2N+1)-i]-тая.At the exit from the prism system, the distance between the spectral components of the beam in the plane of the main section of the last prism will depend on the wavelength of the components. The number of prisms in the system in the general case must be necessarily even, because in the necessary transformations of the beam, namely, in its angular expansion in wavelengths and subsequent expansion in a parallel beam, each time a pair of prisms, respectively, the first and last (2N-th) , the second and last but one ((2N-1) -th), i-th and [(2N + 1) -i] -th.
После призменной составной системы параллельный пучок лучей проходит четвертьволновую фазовую пластинку 5, прозрачные ячейки ПМС 6, расположенные на электроуправляемой пластине между линейными управляющими электродами, достигает плоского зеркала 7 и отражается от него.After the prismatic composite system, a parallel beam of rays passes through the quarter-wave phase plate 5, the transparent cells of the ICP 6, located on the electrically-controlled plate between the linear control electrodes, reaches a flat mirror 7 and is reflected from it.
В конкретном варианте исполнения лазера с перестраиваемым спектром излучения использовался ПМС, состоящий из электроуправляемой пластины, выполненной на основе прозрачной электрооптической поликристаллической керамики ЦТСЛ (цирконат-титанат свинца, легированный лантаном), обладающей высоким электрооптическим эффектом и высокой скоростью электрооптического отклика. На поверхности пластины на определенном расстоянии друг от друга нанесены металлические электроды, между которыми расположены ячейки. Так как направление расположения линейных управляющих электродов ПМС параллельно линии пересечения плоскостей входной и выходной граней последней призмы призменной составной системы, то из параллельного пучка лучей, выходящих из последней призмы, после прохода четвертьволновой фазовой пластинки на каждую ячейку ПМС будут попадать лучи с определенным значением длины волны. Эти лучи, пройдя через прозрачные ячейки ПМС и отразившись от плоского зеркала 7, идут по тому же пути в противоположном направлении через ячейки ПМС, четвертьволновую фазовую пластинку, призменную составную систему, попадают в накачиваемые участки активной среды и усиливаются. Вследствие того, что величина отражения от призм для излучения с поляризацией, лежащей в плоскости падения, меньше, чем величина отражения для излучения с поляризацией, перпендикулярной плоскости падения, то после многократного прохождения излучения призменной составной системы в процессе развития генерации происходит линейная поляризация излучения с вектором поляризации, расположенным в плоскости падения лучей на призмы.In a particular embodiment of the laser with a tunable emission spectrum, a PMS was used, consisting of an electrically controlled plate based on transparent electro-optical polycrystalline ceramic TsTSL (lead zirconate-titanate doped with lanthanum), which has a high electro-optical effect and a high electro-optical response speed. On the surface of the plate at a certain distance from each other, metal electrodes are applied, between which the cells are located. Since the direction of the arrangement of the linear control electrodes of the PMS parallel to the line of intersection of the planes of the input and output faces of the last prism of the prismatic composite system, then after passing a quarter-wave phase plate, rays with a certain wavelength value will fall on each PMS cell after passing the quarter-wave phase plate . These rays, passing through the transparent PMS cells and reflected from the plane mirror 7, follow the same path in the opposite direction through the PMS cells, the quarter-wave phase plate, the prismatic composite system, fall into the pumped areas of the active medium and amplify. Due to the fact that the reflection value from prisms for radiation with polarization lying in the plane of incidence is smaller than the reflection value for radiation with polarization perpendicular to the plane of incidence, linear radiation polarization with a vector occurs after multiple passage of the radiation of the prismatic composite system during the development of generation polarization located in the plane of incidence of the rays on the prism.
Если на электродах ПМС нет электрического напряжения, то поляризация излучения, проходящего через ПМС, не меняется, но после двойного прохода излучения через четвертьволновую фазовую пластинку происходит поворот вектора поляризации излучения на 90°. Четвертьволновый фазовый сдвиг происходит при расположении фазовой пластинки на оптической оси резонатора так, что, по крайней мере, одна из главных осей фазовой пластинки составляет угол 45° с направлением вектора поляризации падающего излучения (в нашем случае направление вектора поляризации падающего излучения лежит в плоскости падения лучей на призмы, ортогонально направлению расположения линейных электродов ПМС). В результате излучение становится линейно поляризованным с вектором, лежащим перпендикулярно плоскости падения лучей на призмы. Потери излучения в резонаторе становятся в этом случае максимальными, так как при падении на поверхность призм излучения с вектором поляризации, ориентированным под углом 90° к плоскости падения, отражение от этих поверхностей максимально.If there is no electric voltage on the PMS electrodes, the polarization of the radiation passing through the PMS does not change, but after a double passage of radiation through the quarter-wave phase plate, the radiation polarization vector rotates 90 °. A quarter-wave phase shift occurs when the phase plate is located on the optical axis of the resonator so that at least one of the main axes of the phase plate makes an angle of 45 ° with the direction of the polarization vector of the incident radiation (in our case, the direction of the polarization vector of the incident radiation lies in the plane of incidence of the rays prisms, orthogonal to the direction of the location of the linear electrodes of the ICP). As a result, the radiation becomes linearly polarized with a vector lying perpendicular to the plane of incidence of the rays on the prisms. In this case, radiation losses in the cavity become maximum, since when radiation is incident on the surface of prisms with a polarization vector oriented at an angle of 90 ° to the plane of incidence, reflection from these surfaces is maximum.
Если на некоторые электроды ПМС подано напряжение, то в ячейках, которые расположены между этими электродами, возникает электрооптический эффект, величина которого тем больше, чем больше напряжение. Если на электроды подано напряжение, равное четвертьволновому напряжению, то после прохождения излучения через соответствующие ячейки в обоих направлениях происходит полная компенсация фазового сдвига, возникшего при прохождении излучения через четвертьволновую фазовую пластинку, поэтому вектор поляризации в этом случае не меняет своего направления и лежит в плоскости падения излучения на призмы. В этом случае потери излучения в резонаторе лазера имеют минимальную величину, так как минимальную величину имеют отражения от поверхностей призм.If voltage is applied to some PMS electrodes, then an electro-optical effect occurs in the cells located between these electrodes, the magnitude of which is greater, the greater the voltage. If a voltage equal to a quarter-wave voltage is applied to the electrodes, then after the radiation passes through the corresponding cells in both directions, the phase shift that occurs when the radiation passes through the quarter-wave phase plate is completely compensated, therefore, the polarization vector in this case does not change its direction and lies in the plane of incidence radiation to prisms. In this case, the radiation loss in the laser cavity has a minimum value, since reflections from the surfaces of prisms have a minimum value.
Таким образом, в зависимости от того, подано напряжение на электроды ПМС или нет, потери в резонаторе для распространяющегося в нем излучения имеют разную величину. И эта разница максимальна при напряжении, равном четвертьволновому напряжению.Thus, depending on whether the voltage is applied to the PMS electrodes or not, the losses in the resonator for the radiation propagating in it have different values. And this difference is maximum at a voltage equal to a quarter-wave voltage.
Генерация в лазере возникает в том случае, если при прохождении излучения через резонатор лазера в обоих направлениях усиление в активной среде для этого излучения больше или равно потерям излучения. Поэтому для возникновения генерации в лазере необходимо обеспечить величину накачки, создающую в активном элементе усиление излучения больше, чем потери излучения. Подбирая величину накачки, при которой величина усиления будет большей, чем потери для излучения, проходящего через ячейки, на которые подано напряжение, и меньшей, чем потери для излучения, проходящего через ячейки, на которые не подано напряжение, можно обеспечить генерацию излучения, попадающего на те ячейки, на которые напряжение подано, и отсутствие генерации излучения, соответствующего ячейкам, на которые напряжение не подано. Поэтому, меняя напряжение на электродах ПМС с помощью блока напряжений для ПМС, выполненного с возможностью программного управления величиной напряжений на электродах, можно менять набор спектральных компонент в излучении лазера. Вывод излучения осуществляется через плоское зеркало 1, частично отражающее в диапазоне длин волн излучения активного элемента.Lasing in a laser occurs if, when radiation passes through the laser cavity in both directions, the gain in the active medium for this radiation is greater than or equal to the radiation loss. Therefore, in order for lasing to occur in the laser, it is necessary to provide a pump value that generates more radiation amplification in the active element than radiation loss. By choosing a pump value at which the gain is greater than the loss for radiation passing through the cells to which voltage is applied, and less than the loss for radiation passing through cells that are not supplied voltage, it is possible to generate radiation incident on those cells to which voltage is applied, and the absence of generation of radiation corresponding to cells to which voltage is not applied. Therefore, by changing the voltage at the PMS electrodes using the voltage block for the PMS, configured to programmatically control the magnitude of the voltage at the electrodes, one can change the set of spectral components in the laser radiation. The radiation is output through a flat mirror 1, partially reflecting in the range of wavelengths of radiation of the active element.
Целесообразней всего располагать призмы призменной составной системы так, чтобы пучок лазерного излучения падал на входную грань первой призмы под углом Брюстера. В этом случае после прохождения всей призменной системы пучок параллельных лучей будет выходить из системы также под углом Брюстера к выходной боковой грани последней призмы. При этом потери на отражение от поверхностей призм для излучения с поляризацией, лежащей в плоскости падения, будут равны нулю, и мощность излучаемых спектральных компонент будет максимальна.It is most advisable to position the prisms of the prismatic composite system so that the laser beam falls on the input face of the first prism at a Brewster angle. In this case, after passing through the entire prism system, a beam of parallel rays will also exit the system at a Brewster angle to the output side face of the last prism. In this case, the reflection loss from the surfaces of prisms for radiation with polarization lying in the plane of incidence will be zero, and the power of the emitted spectral components will be maximum.
Так как угол Брюстера зависит от коэффициента преломления материала, из которого изготовлены призмы, а коэффициент преломления, в свою очередь, зависит от длины волны излучения, то для разных спектральных компонент излучения, испускаемого активным элементом, коэффициент преломления будет иметь различные значения. Следовательно, разные значения для разных спектральных компонент будет иметь и величина угла Брюстера. Но так как в реальных ситуациях угол Брюстера для разных длин волн в излучении активного элемента отличается незначительно, то призму можно устанавливать под углом Брюстера для какой-нибудь одной, выбранной, спектральной компоненты излучения. При этом для других спектральных компонент угол падения на поверхность призмы будет отличаться от угла Брюстера незначительно. Например, в случае использования в качестве активного элемента кристалла Al2O3:Ti3+, излучающего в диапазоне 700-1100 нм, и призм, изготовленных из стекла ТФ5, угол Брюстера для различных спектральных компонент лежит в диапазоне от 59°54'до 60°10', то есть меняется всего на 16'.Since the Brewster angle depends on the refractive index of the material from which the prisms are made, and the refractive index, in turn, depends on the radiation wavelength, for different spectral components of the radiation emitted by the active element, the refractive index will have different values. Therefore, the values of the Brewster angle will have different values for different spectral components. But since in real situations the Brewster angle for different wavelengths in the radiation of the active element differs insignificantly, the prism can be installed at the Brewster angle for any one selected spectral component of the radiation. Moreover, for other spectral components, the angle of incidence on the prism surface will differ slightly from the Brewster angle. For example, in the case of using an Al 2 O 3 : Ti 3+ crystal emitting in the range of 700-1100 nm and prisms made of TF5 glass as an active element, the Brewster angle for various spectral components lies in the range from 59 ° 54'do 60 ° 10 ', that is, it changes only 16'.
Чем большее число призм будет включать призменная составная система, тем больше будет угловая дисперсия системы призм, тем на большее расстояние от оптической оси смещаются спектральные компоненты на выходе из последней призмы, следовательно, тем большее число ячеек может включать в себя ПМС. Число же ячеек равно числу спектральных компонент, генерацией которых можно управлять с помощью ПМС. Следовательно, с увеличением числа призм будет увеличиваться число спектральных компонент в излучении лазера.The larger the number of prisms the prismic composite system includes, the greater the angular dispersion of the prism system, the greater the distance from the optical axis to the spectral components at the exit of the last prism, therefore, the larger the number of cells can include ICP. The number of cells is equal to the number of spectral components, the generation of which can be controlled using PMS. Therefore, with an increase in the number of prisms, the number of spectral components in the laser radiation will increase.
Если на оптической оси резонатора лазера после призменной составной системы установить плоскопараллельную пластинку 4, прозрачную в диапазоне длин волн излучения активного элемента, и выполнить ее с возможностью вращения вокруг оси, направленной параллельно линии пересечения плоскостей входной и выходной граней последней призмы призменной составной системы, то при повороте плоскопараллельной пластинки 4 вокруг этой оси будет происходить плавное параллельное смещение лучей разных длин волн в направлении, перпендикулярном направлению расположения на электроуправляемой пластине линейных управляющих электродов, причем величина этого смещения зависит от угла, под которым плоскопараллельная пластинка наклонена к проходящему излучению. При этом на те же ячейки ПМС будут попадать лучи с другими длинами волн, а следовательно, меняются длины волн спектральных компонент, присутствующих в излучении, генерируемом лазером. Таким образом, вращая эту пластинку, можно плавно перестраивать длины волн спектральных компонент.If, on the optical axis of the laser cavity after the prismatic composite system, a plane-parallel plate 4 is installed that is transparent in the radiation wavelength range of the active element and can rotate around an axis parallel to the line of intersection of the planes of the input and output faces of the last prism of the prismatic composite system, then the rotation of the plane-parallel plate 4 around this axis will be a smooth parallel displacement of the rays of different wavelengths in the direction perpendicular to the direction location of linear control electrodes on an electrically controlled plate, and the magnitude of this displacement depends on the angle at which the plane-parallel plate is inclined to the transmitted radiation. At the same time, rays with different wavelengths will fall on the same PMS cells, and therefore the wavelengths of the spectral components present in the radiation generated by the laser will change. Thus, by rotating this plate, it is possible to smoothly tune the wavelengths of the spectral components.
Вследствие того, что управление длиной волны генерации лазерного излучения осуществляется в заявляемом техническом решении подачей импульса напряжения на нужные управляющие электроды ПМС, то обеспечивается высокая скорость переключения генерации с одной длины волны на другую, возможность одновременной генерации на управляемом числе спектральных компонент и генерации любой совокупности спектральных компонент. При этом все элементы резонатора находятся в статическом положении, что значительно повышает надежность работы прибора.Due to the fact that the control of the wavelength of the generation of laser radiation is carried out in the claimed technical solution by applying a voltage pulse to the desired control electrodes of the ICP, a high switching speed of generation from one wavelength to another, the possibility of simultaneous generation on a controlled number of spectral components and generation of any combination of spectral component. Moreover, all the elements of the resonator are in a static position, which significantly increases the reliability of the device.
Создание лазеров, подобных описанному выше, с регулируемыми в широком диапазоне длиной волны и числом спектральных компонент излучения позволит использовать их для успешного решения множества прикладных задач. Такими перспективными областями применения заявленного лазера с перестраиваемым спектром генерации являются лидарные системы для контроля загрязненности сред отдельными примесями, системы оптической связи и т.д.The creation of lasers, similar to those described above, with a wide range of wavelengths and the number of spectral components of radiation that are adjustable will allow them to be used to successfully solve many applied problems. Such promising fields of application of the claimed laser with a tunable generation spectrum are lidar systems for controlling environmental pollution by individual impurities, optical communication systems, etc.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009101596/28A RU2399129C1 (en) | 2009-01-19 | 2009-01-19 | Laser with tunalbe emission spectrum |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009101596/28A RU2399129C1 (en) | 2009-01-19 | 2009-01-19 | Laser with tunalbe emission spectrum |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2009101596A RU2009101596A (en) | 2010-07-27 |
| RU2399129C1 true RU2399129C1 (en) | 2010-09-10 |
Family
ID=42697738
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009101596/28A RU2399129C1 (en) | 2009-01-19 | 2009-01-19 | Laser with tunalbe emission spectrum |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2399129C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022191866A1 (en) * | 2021-03-08 | 2022-09-15 | Nlight, Inc. | Suppression of undesired wavelengths in laser light |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5235605A (en) * | 1991-02-01 | 1993-08-10 | Schwartz Electro-Optics, Inc. | Solid state laser |
| RU2017292C1 (en) * | 1992-01-23 | 1994-07-30 | Институт спектроскопии РАН | Laser with frequency-changed radiation |
| RU2119705C1 (en) * | 1992-05-16 | 1998-09-27 | Николай Витальевич Кондратюк | Tunable laser |
| US6614828B1 (en) * | 1999-02-03 | 2003-09-02 | Lambda Physik Ag | Wavelength selector for laser with adjustable angular dispersion |
-
2009
- 2009-01-19 RU RU2009101596/28A patent/RU2399129C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5235605A (en) * | 1991-02-01 | 1993-08-10 | Schwartz Electro-Optics, Inc. | Solid state laser |
| RU2017292C1 (en) * | 1992-01-23 | 1994-07-30 | Институт спектроскопии РАН | Laser with frequency-changed radiation |
| RU2119705C1 (en) * | 1992-05-16 | 1998-09-27 | Николай Витальевич Кондратюк | Tunable laser |
| US6614828B1 (en) * | 1999-02-03 | 2003-09-02 | Lambda Physik Ag | Wavelength selector for laser with adjustable angular dispersion |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022191866A1 (en) * | 2021-03-08 | 2022-09-15 | Nlight, Inc. | Suppression of undesired wavelengths in laser light |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2009101596A (en) | 2010-07-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101718177B1 (en) | Pulse-width converting apparatus and optical amplifying system | |
| US9472922B2 (en) | Wavelength-tunable light source | |
| Duarte et al. | A double-prism beam expander for pulsed dye lasers | |
| US7764723B2 (en) | High brightness laser module | |
| US20060221449A1 (en) | Stretching and compression of laser pulses by means of high efficiency volume diffractive gratings with variable periods in photo-thermo-refractive glass | |
| US4127828A (en) | Optical beam expander for dye laser | |
| EP1212648A2 (en) | Splicing asymmetric reflective array for combining high power laser beams | |
| Glebov | High-performance solid-state and fiber lasers controlled by volume Bragg gratings | |
| EP0805532B1 (en) | Optical parametric oscillator | |
| WO2009126810A2 (en) | Phase modulator system for generating millijoule level few-cycle laser pulses | |
| US6690709B2 (en) | Device and method for reduction of spontaneous emission from external cavity lasers | |
| JP2015056469A (en) | Diode laser module wavelength controlled by external resonator | |
| CN111262124B (en) | Brillouin laser | |
| RU2399129C1 (en) | Laser with tunalbe emission spectrum | |
| CN110908129A (en) | Beam combining optical device | |
| FR2756672A1 (en) | LIGHT AMPLIFIER DEVICE WITH TWO INCIDENT BEAMS | |
| Lyndin et al. | Laser system composed of several active elements connected by single-mode couplers | |
| CN113206429A (en) | Miniaturized solid laser | |
| CN115995756A (en) | Wavelength locking system and wavelength locking method | |
| EP1537637B1 (en) | Wavelength tunable resonator with a prism | |
| US5012473A (en) | Fixed wavelength laser using multiorder halfwave plate | |
| Jain et al. | Passive coherent locking of fiber lasers using volume Bragg gratings | |
| RU2182739C2 (en) | Microlaser (versions) | |
| CN115327788B (en) | Spectral beam combining device and method | |
| US20240195139A1 (en) | Systems and methods using a pair of rotated volume bragg gratings for laser amplification |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20121224 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190120 |