Акустооптическая модуляция добротности

СОДЕРЖАНИЕ:

Модуляция добротности

Перевод Ксении Троць

Для получения импульсного режима работы лазера используется техника модуляции добротности (Q-switch, заглавной буквой Q обозначается добротность резонаторов различного типа). Лазер, в котором применяется методика активной или пассивной модуляции добротности, называется лазером с модуляцией добротности.

Типичные области применения таких лазеров, обработка материалов (например, резка, сверление, лазерная маркировка), накачка нелинейных преобразователей частоты, дальномеры и дистанционное зондирование.

Активная среда твердотельного лазера имеет хорошие возможности запасания энергии, и лазеры на объемных кристаллах позволяют получить большую площадь моды (для высокой энергии импульса и пиковой мощности) или лазеры с коротким резонатором (в сравнении с волоконными лазерами). Для длин волн в спектральной области 1 мкм, наиболее распространены импульсные лазеры на основе легированного неодимом лазерного кристалла, такого как Nd:YAG, Nd:YVO4, Nd:YLF. Также могут быть использованы легированные иттербием усиливающие среды.

Есть лазеры с модуляцией добротности и с большей длиной волны излучения, часто используются усиливающие среды легированные эрбием, например как Er:YAG для 1,65 или 2,94 мкм, или кристаллы легированные туллием для ≈ 2 мкм.

Наиболее распространенным типом лазеров с модуляцией добротности является твердотельный лазер с активным затвором. Резонатор лазера содержит активный лазерный затвор — оптический модулятор, чаще всего это акустооптический модулятор.

Небольшой твердотельный лазер с активной модуляцией добротности может излучать 100 мВт средней мощности в импульсах длительностью 10 нс с частотой повторения 1 кГц и 100 мкДж энергии импульса. Достигаемая пиковая мощность ≈ 9 кВт.

Самые большие энергии импульсов и короткие длительности импульсов достигаются при низких частотах повторения импульсов (интервал между импульсами менее времени жизни верхнего уровня). При этом несколько уменьшается средняя выходная мощность. Для Nd:YAG лазера с источником накачки 10 Вт (например, диодная линейка) энергия импульса может достигать нескольких мДж.

Nd:YVO4 эффективен для получения короткой длительности импульсов и высокой частоты повторения импульсов, или для работы с низкой энергией накачки.

Существенно большая энергия в импульсе может быть получена с помощью лазерных систем, построенных по схеме генератор- усилитель (MOPA, т.е. Master Oscillator – Power Amplifier). Для получения высоких средних мощностей в сочетании с умеренными энергиями импульса используются волоконные системы MOPA.

Для получения мощных импульсов с малой частотой повторения ламповая накачка может быть экономически благоприятным вариантом, поскольку газоразрядные лампы намного дешевле, чем лазерные диоды для получения данной пиковой мощности. Однако для получения более высоких частот повторения импульсов, диодная накачка становится более привлекательной из-за снижения тепловых эффектов в лазерном кристалле.

Лазер с пассивной модуляцией добротности содержит насыщающийся поглотитель (пассивный переключатель добротности) вместо модулятора. При непрерывной накачке получаются регулярные импульсы, однако момент излучения импульса как правило, не может быть точно контролируем, а частота следования импульсов увеличивается с ростом мощности накачки.

Наиболее часто используемые насыщающиеся поглотители для лазеров 1-мкм — кристаллы Cr:YAG.

Большое распространение получили лазеры на микрочипе (микрочип-лазеры) с пассивной модуляцией добротности, которые очень надежны и компактны. Такие лазеры обычно излучают импульсы с энергией в пределах от нескольких нДж до мкДж, средние мощности в несколько десятков мВт и частотой повторения от нескольких кГц и нескольких МГц. Как правило, лазеры с пассивной модуляцией добротности имеют меньшую среднюю выходную мощность, чем лазеры с активной добротностью (насыщающийся поглотитель рассеивает часть энергии, так что могут возникнуть ограничивающие термические эффекты). Стоит обратить внимание, что насыщающиеся поглотители обычно имеют некоторые дополнительные тепловые потери, которые превышают теоретический уровень (который в принципе нельзя исключить).

В частности, некоторые из небольших лазеров, а также, некоторые лазеры с более длинными резонатором, содержащим оптический фильтр (например объемная Брэгговская решетка), работают в одномодовом режиме (одна поперечная мода). Это приводит к хорошей форме импульса и небольшой ширине полосы импульса, часто ограниченной длительностью импульса. Другие лазеры осциллируют на нескольких модах резонатора, что приводит к эффекту модовых биений: оптическая мощность модулируется с частотами, которые кратны частоте резонатора.

Волоконные лазеры могут также быть с активной или пассивной добротностью. Тем не менее, полностью волоконные лазеры довольно ограничены с точки зрения параметров. В то время как волоконные лазеры с модуляцией добротности, содержащие объемные оптические элементы (например, акустооптический переключатель добротности (см. рис. 4)) являются менее надежными по конструкции, а также еще менее мощными в сравнении с твердотельными лазерами на объемных кристаллах. Сравнительно небольшой размер моды (даже при использовании большой площади моды волокна) создает проблемы с нелинейностью в волокне и ограничением плотности мощности в волокне, которые ограничивают энергию импульса и пиковую мощность.

Стоит отметить, что, как правило, очень высокий коэффициент усиления волоконного лазера имеет важные последствия для лазерной динамики. В частности, это может привести к образованию сложной временнОй суб-структуры.

С другой стороны, волоконные усилители высокой мощности пригодны для усиления последовательности импульсов с высокой средней мощностью, но с умеренной энергией импульса. Некоторая степень нелинейных искажений импульсов в таком усилителе приемлема.

Акустооптические модуляторы (АОМ)

Принцип действия основан на дифракции света на акустических волнах.

Акустическая (ультразвуковая) волна, распространяющаяся в оптически прозрачной среде, создает в ней области локального сжатия и разрежения и вызывает периодическое изменение показателя преломления n за счет эффекта фотоупругости.

Эффект фотоупругости (или линейный упругооптический эффект) заключается в том, что показатель преломления среды изменяется пропорционально механической деформации.

Достоинства:

— АОМ широко используется в лазерной технике из-за простоты и надежности. При этом амплитудные, фазовые, частотные, поляризационные модуляторы могут быть реализованы на базе одного и того же устройства при незначительных изменениях входной и выходной оптики.;

— пространственное разделение дифрагированного и нулевого пучков на выходе АОМ обеспечивает 100% глубину модуляции;

— суммарные оптические потери в 3-6 раз меньше , чем в ЭОМ;

— высокая температурная стабильность.

Недостатки:

— невысокое быстродействие, ограниченное временем распространение акустической волны.

23. Оптическая волоконная связь на борту самолета.Рассмотрим использование ВОЛС в авиации. По

мнению зарубежных специалистов целесообразными направлениями использования волоконной техники в авиации являются:

• в системе передачи изображений по волоконным жгутам;

• в самолётных бортовых системах с низкими информационными

• в самолётных каналах информационного обмена большой ёмкости;

• в наземной технике связи;

• в системе передачи команд в авиационных ракетах.

Жгуты можно использовать для передачи визуальной информации лётчику от различных датчиков изображений (телевизионных и других датчиков). При наземном обслуживании самолётов они используются для контроля

за элементами конструкции самолёта в труднодоступных местах.

Наметившаяся тенденция ухода от управления самолётом посредством

системы тяг в пользу проводной линии приведёт к снижению его общей массы и позволит более гибко формировать сигналы управления в зависимости

от условий его полёта. В этом случае волоконные кабели с низкими информационными потоками вполне могут заменить электрические. В такой системе низкая потребная информационная ёмкость каналов связи определяется

относительно медленным изменением параметров полёта самолёта.

Устойчивость к внешним помехам и малая масса ВОЛС говорят о

предпочтительности применения этой системы. При построении единой мультиплексной (сложной и многократной) бортовой системы информационного обмена большой ёмкости наибольший выигрыш можно получить от применения волоконно-оптических линий (магистралей). В этом случае на борту

самолёта находятся несколько управляющих вычислительных машин (ЭВМ).

Каждая из этих машин способна решать все задачи и передавать часть своих

задач на другие ЭВМ в случае отказа.

Перспективность использования ВОЛС для связи между блоками ЭВМв наземных пунктах управления определяется, в частности, такими преимуществами, как гальваническая развязка и отсутствие электрических наводокна кабель. ВОЛС в системе передачи команд в авиационной ракете применяютсяв основном благодаря их высокой помехоустойчивости по отношению к электрическим наводкам. Считается, что с оптическими линиями связи возможно снижение весасамолёта (при других равных условиях) в пределах четырёх тонн, а стоимости до 10 миллионов долларов.Область использования волоконных световодов не ограничивается система-ми связи и передачи информации. Примером применения инфракрасных световодов является волоконно-оптический фторидный лазер (см. рисунок 2.18)фирмы General Telephone and Electronics, Inc. Здесь активным элементом лазера служит световод из фторидного стекла с добавкой неодима. Такой световод помещён между зеркалами, одно из которых полупрозрачное. Устройство преобразует сине-зелёное лазерное излучение в инфракрасное за счёт того, что сине-зелёный свет возбуждает ионы неодима, вкраплённые в фторидное стекло световода, которое затем испускает инфракрасное излучение.

Акустооптическая модуляция добротности

Практический интерес представляет случай, когда свет (лазерный пучок) направляется на стекло под углом Брэгга. При этом наблюдается дифракция Брэгга, при которой интенсивности всех дифракционных максимумов, кроме первого, становятся пренебрежимо малыми.

Характеристики АОМ

Дифракционный угол

Длина волны звуковой волны в стекле равна: ,
где — скорость звука (см. таблицу ниже), а — частота звука. При частоте модуляции 80 МГц (самая распространенная частота АОМ) и скорости звука в стекле

3км/сек, длина волны звука в стекле составляет мкм, а угол отклонения дифрагированного луча первого порядка равен около 10 миллирадиан.

Интенсивность

Интенсивность дифрагированных лучей зависит от интенсивности звуковой волны. Модулируя интенсивность звуковой волны можно менять (нелинейно) интенсивность дифраированных лучей. Как правило, интенсивность луча нулевого порядка меняется от 15 % до 99 %, а интенсивность первого порядка — (0-80)%. Контрастность модуляции может достигать 1000.

Частота

Частота дифрагированных лучей вследствие эффекта Допплера изменяется по формуле

Такое смещение частоты обусловливается также законом сохранения энергии и импульса (фотонов и фононов). В некоторых АОМ акустические волны, распространяющиеся в противоположных направлениях, создают стоячую волну, в результате частоты дифракционных порядков не меняется.

Фаза дифрагированных лучей также смещается на величину фазы звуковой волны.

Поляризация

Звуковая волна наводит двулучепреломление в стекле, поэтому поляризация света после прохождения модулятора может меняться

Частота модуляции АОМ определяются упругооптическими свойствами акустической среды и может достигать 350 МГц (Эффективность АОМ на такой частоте невелика

Быстродействие

Быстродействие АОМ ограничивается временем прохождения звуковой волны через сечение светового пучка , (где d — поперечный размер лазерного луча, v — скорость звука в материале ячейки) и составляет

(2-10) мкс. АОМ может работать в режиме модулятора и дефлектора (т.е отклонять по углу падающий луч при изменении частоты звуковой волны).

Материалы, используемые для изготовления АОМ

Материал Оптический диапазон, мкм Показатель преломления Скорость звуковой волны, км/сек Добротность
Халькогенидное стекло 1.0 — 2.2 2.7 2.52 164
Флинт SF-6 0.45-2 1.8 3.51 8
Кварцевое стекло 0.2-4.5 1.46 5.96 1.56
Фосфит галлия 0.59-10 3.3 6.3 44
Германий 2-12 4.0 5.5 180
Фосфат индия 1-1.6 3.3 5.1 80
Ниобат лития 0.6-4.5 2.2 6.6 15
Оксид теллура 0.4-5 2.25 5.5 1000

Конструкция прибора

Оптически полированное стекло с помощью пайки под давлением (metal pressure bonding) соединяется с пьезопреобразователем, изготовленным из ниобата лития. Толщина пластины ниобата лития выбирается из нужной частоты модуляции (вплоть до 1ГГц).

Изготовители

  • Brimrose Corporation of America, http://www.brimrose.com/pdfandwordfiles/aointro.pdf
  • IntraAction Corporation, http://www.intraaction.com/FAQ_s/Contact_US/Definitions/Refrences/do_not_delete_page/AOM-80_AOM-110.pdf
  • Crystal Technology, http://www.crystaltechnology.com/

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое «Акустооптический модулятор» в других словарях:

акустооптический модулятор — Оптический модулятор, действие которого основано на использовании акустооптического эффекта. [ГОСТ 15093 90] Тематики лазерное оборудование EN acoustooptical modulator … Справочник технического переводчика

АКУСТООПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР — модулятор света, принцип действия к рого основан на перераспределении световой энергии между проходящим и дифрагированным на акустич. волне светом. А. м. позволяет управлять интенсивностью, фазой и частотой оптич. излучения. Обычно используются А … Большой энциклопедический политехнический словарь

АОМ — морской оперативный аэродром авиа, морск. Словарь: С. Фадеев. Словарь сокращений современного русского языка. С. Пб.: Политехника, 1997. 527 с. АОМ автомат ограничения мощности АОМ арт. ОМ артиллерия особой мощности … Словарь сокращений и аббревиатур

Модуляция света — Модуляция колебаний электромагнитного излучения оптического диапазона (видимого света, ультрафиолетового и инфракрасного излучений). При М. с. изменяются амплитуда (и следовательно, интенсивность), фаза, частота или поляризация световых… … Большая советская энциклопедия

АКУСТООПТИКА — изучает вз ствие эл. магн. волн со звуковыми в тв. телах и жидкостях. На основе этих явлений в технике создаются разл. приборы. Вз ствие света со звуком широко используется в оптике, электронике, лазерной технике для управления когерентным… … Физическая энциклопедия

НЕВЗАЙМНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ — оптические устройства, для к рых условия прохождения света в прямом и обратном направлениях неодинаковы. Oп тич. H. э. используются в системах управления оптич. излучением для создания однонаправленных оптич. схем, для возбуждения в кольцевых… … Физическая энциклопедия

. : Модулятор добротности (пассивный затвор) : .

1. Введение.

Твердотельник — это странное существо в мире лазеров. Первый открытытй в мире лазер был твердотельным. Но затем наоткрывали кучу других лазеров, имеющих больший кпд, большую среднюю мощность, более полезные длины волн. Расходимость излучения от твердотельного лазера, конечно, получше, чем у полупроводникового или жидкостного, но хуже, чем у большинства газовых или оптоволоконных. Ни цена ни простота конструкции тоже не выделяют твердотельники в положительном
смысле. (Да, конечно, когда у Вас уже есть лазерный кристалл и лампа, нет ничего проще, чем примотать их фольгой друг к другу. Но кристалл еще надо суметь вырастить и обработать, да и хорошую лампу сделать отнюдь не проще, чем разрядную трубку газового лазера.)

И тем не менее ни один из других типов лазеров так и не смог потеснить твердотельник. В чем же секрет его полезности? Ответ прост. — С помощью твердотельных лазеров удобнее всего получать очень короткие световые импульсы с огромной пиковой мощностью. Такие импульсы носят название «гигантских импульсов» а процесс их получения называется «модуляция добротности.» Дело в том, что благодаря сравнительно большому времени жизни верхнего лазерного уровня и отсутствию узких мест в механизмах накачки твердотельные лазеры относятся к классу «накопительных» — т.е. если лазеру не давать высвечиваться сразу, энергия может быть накоплена в лазерном стекле или кристалле, а потом высвечена за очень короткое время. Обычно — за 10..20 наносекунд.

Что это дает? Свет такой мощности легче преобразовывается. Например на http://www.milankarakas.org/pub/KDP/HomegrownKDP.html рассказывается, как невидимый свет неодимового лазера преобразовать в зеленый с помощью выращенного в домашних условиях кристалла.

Будучи сфокусирован, мощный лазерный импульс способен разрушать совершенно прозрачное стекло — на этом основан способ создания трехмерных изображений внутри стеклянных блоков. Ну и, конечно, же лазерная искра — оптический пробой воздуха.

Твердотельный лазер на мегаватт излучаемой мощности это небольшое устройство (1 МВт = 20 мДж/20 нс), состоящее из лазерного стержня, размерами с тонкий карандаш, лампы таких же размеров, оптического затвора и рамки с зеркалами резонатора. В блоке питания могут использоваться электролитические конденсаторы, поэтому по размерам он тоже получается небольшим. Ключевым элементом для получения большой мощности является именно оптический затвор, который в течение определенного времени держит резонатор запертым, не давая лучу свободно распротраняться между зеркалами, а потом за короткое время открывается, открывая путь для лавинообразного сброса энергии в виде лазерного излучения.

Затворы бывают активными и пассивными.
Активные затворы — те, которые открываются от внешнего управляющего воздействия. В основном бывают электрооптическими, механическими и акустооптическими. Механические затворы (с вращающимся зеркалом, призмой иои шторкой) требуют экзотических высокообортных электромоторов с плавным ходом. Акустооптические требуют применения весьма сложных схем управления. Схемы управления электрооптическими затворами попроще, однако их принцип работы основан на вращении поляризации (эффект Керра или Поккельса), а следовательно внутрь резонатора придется устанавливать светопрочный поляризатор на нужную длину волны. И если ячейку Поккельса можно, хотя и недешево, купить на еВау,
то с поляризатором все куда проблематичнее. Есть еще затворы на нарушенном полном внутреннем отражении. Для них не нужен поляризатор. Но там своя проблема — требуется тонкая подгонка оптических деталей, с которой Вы связываться вряд ли захотите.

Для самодельщика проще пассивный затвор — т.е. такой, который открывается самостоятельно. Пассивные затворы делаются обычно из так называемых фототропных материалов — таких, прозрачность которых растет с ростом интенсивности проходящего сквозь них излучения. Такими свойствами обладают некоторые красители, полупроводники, активированные стекла и кристаллы.

Красители Для применения в пассивных модуляторах добротности распространенных лазеров довольно редки и экзотичны. Для рубина они хотя бы имеют названия (фталоцианин хлористого алюминия, например). Красители для модуляции неодимового лазера вообще зачастую известны только под номерами.

Из твердых сред для рубинового лазера известно стекло КС-19, а для неодимового — алюмоиттриевый гранат, активированный четырехвалентным хромом (YAG:Cr4+). Однако и это довольно экзотические и трудно добываемые для самодельщика материалы.

Нельзя ли что нибудь попроще? Как выяснилось, известно несколько схем модуляции добротности, создаваемых на основе доступных материалов. Это в первую очередь резонаторы с изменением потерь за счет изменения параметра устойчивости (на основе эффекта самофокусировки), с изменением потерь за
счет включения обращения волнового фронта и еще довольно интересная схема на основе эффекта восстановленного полного внутреннего отражения. Кроме того выяснилось, что для рубинового лазера модуляция добротности может с определенным успехом осуществляться с помощью медицинского антисептического красителя — «бриллиантовой зелени.» Но, давайте обо всем по порядку.

2. Описание тестовых лазеров.

a) Рубиновый лазер.
Лазер собран на основе полуэллиптического осветителя от коммерческого лазера Диаметр рубинового стержня 6 мм, длина 75 мм. Тип рубина — розовый. Лампа типа FXQ-1302, ксеноновая, с кварцевой колбой внутренним диаметром 4 мм, наружным диаметром 6 мм. Межэлектродный зазор 75 мм.

Осветитель помещен в резонатор из двух плоских диэлектрических зеркал (из головки от пишущего DVD-привода). Зеркала подобраны таким образом, что одно из них имеет весьма малый коэффициент пропускания (менее 5%), пропускание второго зеркала составляет около 30%.

Лампа питается от самодельного накопительного блока на основе шести электролитических конденсаторов 1000 мкф x 450 Вольт, включенных последовательно-параллельно так, что общая емкость батареи составляет 1500 мкф. Схема питания лазера приведена на рис 2.1.

Рис 2.1. Схема питания рубинового лазера. Трансформатор Tr1 — фабричный трансформатор поджига от лампы-вспышки либо самодельный на феррите 400НМ, диаметром 6 мм, длиной 30мм. Вторичная обмотка 360 витков провода ПЭЛ-0.1 в три слоя с изоляцией. Первичная обмотка 4 витка провода ПЭЛ-0.5 мотается поверх вторичной. Разрядник SG1 — газовый грозозащитный разрядник на 470 в. Можно применить и на другие напряжения, но потребуется пересчитать делитель R5:R6.

Когда напряжение на накопителе достигает 770 Вольт срабатывает разрядник SG1 и поджигает лампу накачки лазера. Зарядное напряжение ограничивается, в основном, непомерно растущим током утечки накопительных конденсаторов. Таким образом запасенная энергия к моменту вспышки равна 440 Джоулей. Конструкция лазера показана на рис 2.2. Импульс поджига лампы подается на металлический корпус осветителя.

В режиме свободной генерации (без модуляции добротности) выходная энергия лазера составляет около 1 Дж. Измерено по методике первобытных лазерщиков — сколько бритвенных лезвий лазер способен пробить сфокусированным лучом — столько и джоулей на выходе.

Рис 2.2. Общий вид рубинового лазера.

б) Лазер на гранате с неодимом.
Используется кристалл алюмоиттриевого граната с неодимом (YAG:Nd) диаметром 8 мм и длиной 110 мм и ксеноновая авиа строб-лампа (точно такая же, как в описанных на этом сайте конструкциях лазеров на красителях) с внутренним диаметром 8 мм, наружным диаметром 10 мм и межэлектродным зазором 110 мм.

Осветитель самодельный — лампа примотана к стержню полированной медной фольгой. В принципе, работоспособный лазер получается и при использовании кухонной алюминиевой фольги, но ее использование непрактично. Фольгу доступной толщины (до 14 мкм) за несколько десятков импульсов рвет в клочья энергией вспышки. Снаружи это выглядит как плавное и необъяснимое снижение выходной энергии лазера от импульса к импульсу.

В качестве глухого зеркала используется диэлектрическое зеркало с отражением более 90% на длине волны 1064 нм (такие зеркала достаточно доступны), а в качестве выходного зеркала используются два микроскопных покровных стекла, сложенных вплотную и склеенных по периметру глюганом.

Схема питания лазера аналогична схеме питания рубинового лазера, за исключением того, что накопительная емкость представляет собой не батарею электролитических конденсаторов, а одиночный бумаго-масляный конденсатор типа КБГ-М номиналом 100 мкф х 2000 В. Зарядное напряжение составляет 2 кВ. Сделано это для согласования времени свечения лампы с временем жизни верхнего лазерного уровня. Импульс поджига лампы подается прямо на фольгу осветителя.

Используемый лазерный кристалл имеет скошенные торцы и матовую боковую поверхность, что вносит дополнительные потери и затрудняет юстировку, но позволяет накапливать большие энергии на верхнем лазерном уровне без развития генерации на отражении от торцов стержня. Кроме того один из торцов стержня имеет множество тонких («волосяных») царапин, что однако не препятствует генерации и, при достигнутых уровнях мощности, не приводит к оптическому повреждению.

Длина резонатора составляет 45 см, что делает лазер неособо компактным, зато позволяет всячески издеваться над резонатором, засовывая в него разнообразные линзы, фильтры, кюветы и диафрагмы. Фотография лазера приведена на рис 2.3. Схема питания — на рис 2.4.

В режиме свободной генерации (без модуляции добротности) выходная энергия лазера составляет около 2 Дж — тоже по количеству пробиваемых бритвенных лезвий. Расходимость луча около 3 мрад.

Рис 2.3. Общий вид лазера на гранате с неодимом.

Рис 2.4. Схема питания неодимового лазера. Параметры трансформатора Tr1 и разрядника SG1 аналогичны показанным на рис. 2.1.

3. Наблюдение факта модуляции добротности.

Самый прямой способ получения информации, позволяющей утверждать, что модуляция добротности имела место — использование быстродействующего фотодиода и осциллографа. Если величина, обратная ширине полосы пропускания осциллографа, составляет небольшую долю от ожидаемой длительности импульса, то можно регистрировать его длительность. Если нет, то только факт наличия пика неизвестой длительности, меньшей разрешающей способности осциллографа. Например, для измерения параметров импульса длительностью 20 нс нужен прибор с полосой пропускания более 150 МГц. А если необходимо диагностировать лишь факт наличия гигантского импульса, подойдет и осциллограф с полосой в единицы мегагерц. Трудность здесь в том, что поскольку полезный сигнал однократный (или редко повторяющийся) для его нужен запоминающий осциллограф. Либо цифровой. В последнем случае, кроме полосы пропускания важна еще скорость стробирования, выражаемая обычно в гигасамплах в секунду (GSa/s)или мегасамплах в секунду (MSa/s). Интервал времени между самплами (величина, обратная частоте стробирования) должен как минимум быть в несколько раз меньше длительности перепадов интенсивности, которые Вы хотите наблюдать. Для измерений гигантского импульса это не менее 200 MSa/s, для диагностики факта его появления >1 МГц.

Каждый электрик должен знать:  Источники и сети переменного и выпрямленного оперативного тока

Быстродействующий осциллограф с временным разрешением, позволяющим прописать гигантский импульс твердотельного лазера, относится к профессиональному и дорогостоящему оборудованию. Любителю такой прибор, обычно, не по карману. Поэтому будем считать, что с помощью этой методики можно только зарегистрировать сам факт наличия модуляции добротности и подсчитать количество гигантских импульсов, генерируемых за время одной вспышки лампы. (В отличие от лазеров с активными модуляторами добротности, лазеры с пассивными модуляторами зачастую генерируют несколько импульсов за одну вспышку, и чем их больше, тем, вообще говоря, хуже, поскольку тем меньше пиковая мощность в каждом из них.) При таких измерениях, кстати, можно не особо беспокоиться о насыщении — перегрузке фотодиода и уходе его в глубоко нелинейную область.
Схема включения фотодиода показана на рисунке 3.1.

Рис 3.1. Схема включения фотодиода.
R1 и С3 монтируются непосредственно на выводах фотодиода или как можно ближе к нему. С3 — керамический, R1 — металлопленочный. Важно, чтобы R1 и С3 были малоиндуктинвыми. Можно использовать SMD-типа. С2 — обязательно керамический. С1 — может быть и электролитическим. Подключение к осциллографу выполняют коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 50 ом. Если нет риска длительной интенсивной засветки фотодиода, резистор R2 может отстутствовать. В этом случае батарейка подключается непосредственно к буферным конденсаторам.

Вторым общеизвестным (но мало описанным в литературе) методом является регистрация лазерного пятна на галоген-серебряном фотоматериале — фотопленке либо фотобумаге. Фотоматериал должен быть засвечен но не проявлен. Также нужно, чтобы длина волны лазерного излучения не попадала в область паспортной чувствительности фотоматериала, иначе отличить гигантский импульс от свободной генерации будет практически невозможно.

Способ основан на том, что в поле высокоинтенсивного лазерного излучения двухфотонное поглощение вызывает такую же засветку фотоматериала, как если бы он засвечивался излучением с длиной волны вдвое короче. Большинство черно-белых фотоматериалов чувствительны в зелено-синей области спектра, поэтому подходят для регистрации наносекундного излучения рубиновых и неодимовых лазеров. Синие и зеленые лазеры довольно эффективно засвечивают фотопленки даже работая в непрерывном режиме. С другой стороны лазер на углекислом газе не дает отпечатков на фотопленке даже при таких интенсивностях, когда ее поверхность сплош покрыта ярким свечением лазерной плазмы. Некоторые цветные фотопленки имеют область чувствительности, захватывающую длину волны 694 нм в красной
области. Такие фотопленки легко засвечиваются излучением свободной генерации рубинового лазера.

Распознание пятна гигантского импульса на засвеченном непроявленном фотоматериале обычно не представляет затруднений. Излучение свободной генерации либо не оставляет пятна вовсе, либо, при высокой плотности энергии, оставляет обожженый и/или оплавленный след. Излучение лазера с модулированной добротностью при умеренной интенсивности оставляет отпечаток в виде потемнения фотоэмульсии без следов оплавления и обжига. При высокой плотности энергии, безусловно, следы обжига будут, но в спорных случаях всегда можно понизить нагрузку на фотоматериал. Например, поставив его подальше от лазера, где сечение пучка станет больше за счет естественной расходимости. На рис 3.2 для примера приведены фотографии отпечатков гиганткого импульса неодимового лазера на непроявленной фотопленке.

Рис 3.2. Отпечатки пятна пучка лазера с модулированной добротностью на
фотпленке.

Способ очень прост и эффективен. Позволяет быстро понять на качественном уровне, генерируется ли гигантский импульс вообще, а также грубо оценить выходную энергию лазера. Однако есть и недостатки. Например этот способ Вам никогда не даст понять, что в место одного гигантского имульса их генерируется штук пять за одну вспышку и именно поэтому и не получается получить искру в воздухе при фокусировке пучка линзой. Кроме того, широкое распространение цифровой фотографии приводит к тому, что галоидно-серебрянные фотоматериалы становится все труднее добывать. Так может дойти до того, что станет актуален гайд по самодельному изготовлению фотопластинок.

Еще пара полезных эффектов это пробой воздуха и пробой диэлектрика.
Если сфокусировав пучок лазера Вы наблюдаете лазерную искру, то очевидно, что модуляция добротности имела место. Согласно [1] пробой воздуха при атмосферном давлении излучением с длиной волны около 1 мкм наступает при интенсивностях w0=3e11 Вт/кв.см. Т.е. хоть и с большой погрешностью, но это позволяет оценить выходную мощность Вашего лазера W:

Где theta — расходимость лазерного пучка в радианах, f — фокусное расстояние линзы в сантиметрах.

Например, расходимость лазерного пучка измерена и равнв 1 мрад (пучок расходится на миллиметр на метре). И лазер дает искру при использовании линзы с фокусным расстоянием 1 см. Тогда:

W=3e11*3.14*(1e-3*1)^2/4 = 235 кВт

Если предположить, что длительность импульса составляет 10 нс, то энергия гигантского импульса будет всего: 235кВт*10нс=2.35 мДж.

Если сфокусированный внутрь прозрачного стеклянного блока пучок лазера оставляет след в виде характерной звездочки оптического повреждения, то мощность лазерного излучения достаточно высока, чтобы утверждать, что модуляция добрости имела место. Однако для количественных оценок метод непригоден, поскольку пороговая интенсивность пробоя сильно зависит от качества и марки стекла. Надо заметить, что органические стекла и прозрачные пластики легко пробиваются в объеме излучением свободной генерации, и поэтому для таких тестов непригодны.

4. Модуляция добротности на основе самофокусировки в резонаторе.

Схема модулятора добротности показана на рисунке 4.1.

Рис 4.1. Схема модулятора добротности, основанного на самофокусировке внутри резонатора. 1 — заднее зеркало резонатора. 2 — герметичная кювета, 3 — рабочая жидкость, 4 — осветитель лазера с лампой и кристаллом, 5 — выходное зеркало, 6 — линза, 7 — линза.

Ранее подобная схема была описана в статье [2], где, как это обычно и бывает, приведена только идея схемы и, очень кратко, лучшие из достигнутых результатов. Все жизненно важные подробности, естественно, опущены. Сказано лишь, что при положении линз, соответствующем высокому порогу генерации, модуляция добротности наблюдалась, а при соответствующем низкому порогу — нет. Еще в этой статье говорится, что после нескольких десятков импульсов кювета с жидкостью разрушалась. Не приводятся ни подробности подбора этого самого «положения, соответствующего высокому порогу» ни характеристики схемы по применимости. Нет, чтоб написать, например: «Да, ребята, эта схема работает, но мы так замаялись с ее юстировкой, что ни в коем случае ее не используйте, если у вас есть хоть какие то альтернативы.» Или наоборот: «Схема легко юстируется, гладко и стабильно работает даже для лазеров с низким усилением. Просто поставьте линзы так-то и так-то и все у Вас получится. » Но кто ж Вам такое напишет? Сходная схема применялась в работе [3], однако там авторы основным эффектом, ответственным за модуляцию добротности, считают образование в жидкости динамической отражающей голограммы — так называемого ОВФ-зеркала. В этой статье подробности также опущены.

Был изготовлен набор кювет с линзами в качестве торцевых стенок. Выбор такой конструкции был сделан для того, чтобы избежать наличия стеклянной стенки вблизи перетяжки пучка между линзами и, соответственно, избежать риска повреждения кюветы лазерным излучением. И действительно за время опытов (более сотни импульсов с каждой из кювет) кюветы работали исправно и никаких следов повреждений замечено не было. Кюветы были сделаны с коэффициентом телескопирования 1:1, т.е. входная и выходная линзы имели одинаковое фокусное расстояние. Линзы имели следующие фокусные расстояния:

  • Кювета № 1 f1=f2=14 mm
  • Кювета № 2 f1=f2=23 mm
  • Кювета № 3 f1=f2=74 mm

Следует особо отметить, что фокусное расстяние измерялось со стороны жидкости для ситуации, когда по одну сторону линзы находился воздух а по другую — изопропанол. На воздухе и будучи полностью погруженными в жидкость линзы имеют совершенно другие фокусные расстояния.

В качестве рабочих жидкостей использовались изопропиловый спирт и бензин. Пробовалась также заливка водой, но заметной модуляции добротности при этом обнаружено не было.

Удавалось сделать работоспособные модуляторы добротности на основе кювет с фиксированным расстоянием между линзами, однако это требовало высокой точности изготовления, в особенности, в случае короткофокусных линз. Лучшие результаты получались, когда кюветы были сделаны составными из двух частей (трубок) соединенных резьбовым соединением. Это позволяло регулировать расстояние между линзами в небольших пределах. Резьбовые соединения герметизировались ФУМ-лентой.

Маленькие кюветы оказалось удобным делать из отрезков корпусов от шариковых ручек. При изготовлении кюветы большего размера использовались канализационные либо водопроводные трубы и фиттинги. Приклейка линз производилась глюганом (черные стержни) для кювет, предназначенных для изопропанола и эпоксидным герметиком для кювет, предназначенных для заполнения бензином.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ! ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ЖИДКОСТИ ОГНЕОПАСНЫ! Лазерный пучок способен нагревать предметы до воспламенения. Плохо собранный блок питания может искрить. Будьте внимательны и соблюдайте меры противопожарной безопасности. Следите за герметичностью кювет! Не допускайте подтекания рабочей жидкости. Следите за положением и ходом лазерного луча. Избегайте попадания основного и паразитных лучей извне на стенки кюветы. Запас рабочей жидкости держите подальше от места экспериментов.

Фотографии готовых кювет показаны на рис 4.2. Фотографии лазеров, с кюветами, инсталлированными внутри резонатора показаны на рис 4.3.

Рис 4.2. Кюветы для модуляции добротности на основе эффекта самофокусировки.
a) Кювета №1. b) Кювета №2 c) Кювета №3

Pис 4.3. Лазеры с кюветами внутри резонатора.
а) Рубиновый лазер с кюветой №1, b) Неодимовый лазер с кюветой №1,
с) Неодимовый лазер с кюветой №2, d) Неодимовый лазер с кюветой №3.

Процедура юстировки лазера с инсталлированной внутрь резонатора кюветой практически не отличается от обычной процедуры юстировки лазера (с плоско параллельным резонатором). Вспомогательный юстировочный лазер (гелий-неоновый или лазерная указка) устанавливается в метре-двух от юстируемого лазера, а затем пятна, возвращенные передним и задним зеркалами совмещаются с выходным отверстием юстировочного лазера (подробнее описание юстировки можно найти на этом сайте в гайде по импульсно-периодическому продольному лазеру на углекислом газе). Поскольку кювета является системой, оборачивающей изображение, реакция луча на управление задней юстировкой оказывается инверсной. Это несколько необычно, но неудобств не создает.

При настройке кюветы (установкой расстояния между линзами) на параллельный пучок чувствительность лазера к расстройке резонатора остается примерно такой же, как и для резонатора без кюветы (расстройка зеркал на +-3 мрад не приводит к срыву генерации). Настройка кюветы на сходящийся пучок делает резонатор более устойчивым и снижает чувствительность к разъюстировке. Настройка кюветы на расходящийся пучок делает резонатор неустойчивым и повышает критичность к отклонению зеркал. Когда кювета настроена на расходящийся пучок и вносит расхождение около 20 мрад (полный угол) это приблизительно предел, когда резонатор лазера еще удавалось съюстировать до получения генерации при имеющейся точности юстировок.

Модуляция добротности была получена при всех трех типах настроек кюветы: на расходящийся пучок, на параллельный пучок и на сходящийся пучок. Наилучшие результаты (по выходной энергии и качеству луча) достигались при настройке кювет на параллельный пучок.

Процедура настройки на параллельный пучок выполняется следующим образом. Луч юстировочного лазера направляется на экран (стенку, дверь и т.п. — на то место, где удобно наблюдать пятно). Расстояние от юстировочного лазера до экрана должно быть достаточно большим — желательно не менее полутора метров. Пятно луча юстировочного дазера на экране обводится карандашом. Затем в этот луч ставится кювета и юстируется так, чтобы центр пятна вышедшего из кюветы луча приблизительно совпал с центром нарисованного на экране пятна. Затем, подгонкой расстояния между линзами, по необходимости проводя подстройку углового положения кюветы, надо вписать пятно вышедшего из кюветы луча в контур, нарисованный на экране. Когда это будет выполнено — кювета настроена на параллельный пучок и ее можно ставить в резонатор. (Естественно, что настройка должна проводиться с кюветой уже заполненной рабочей жидкостью.)

На неодимовом лазере результаты получаются следующие. Лазер обычно генерирует цуг импульсов, длительностью 50..100 нс каждый, длительность цуга совпадает с длительностью свободной генерации (100..150 мкс). Количество импульсов в цуге составляет обычно 5..15 и уменьшается при

  • при выборе более длинной кюветы
  • при разъюстировке резонатора передним либо задним зеркалом
  • при настройке кюветы на все более расходящийся луч

Однако при стремлении к одиночному импульсу значительно падает выходная энергия лазера (до

1мДж), поэтому, если Вас интересует суммарная энергия цуга (как например при нанесении меток в объеме стекла) добиваться одиночного импульса, возможно, не следует.

При заполнении одним и тем же типом жидкости длительность импульса растет при переходе от более коротких кювет к более длинным. С одной и той же кюветой и жидкостью наименьшая длительность (
Рис 4.5. Пятна неодимового лазера с кюветой №2, настроенной на параллельный
пучок на непроявленной фотопленке.

Рис 4.6. Оптические повреждения в объеме стекла, полученные с помощью неодимового лазера с кюветой №2.

Кюветы были также испытаны с рубиновым лазером. Была получена выраженная модуляция добротности, однако выходная энергия и мощность заметно ниже, чем для случая неодимового лазера. Типовые осциллограммы импульсов рубинового лазера с кюветой №1 приведены на рис 4.7. Пятна лазерного излучения на засвеченной непроявленной фотопленке приведены на рис 4.8.

Рис 4.7. Осциллограммы типичного импульса рубинового лазера с модуляцией добротности на основе эффекта внутрирезонаторной самофокусировки. a) Цуг импульсов, масштаб по времени 50 мкс на клетку. b) один импульс из цуга, масштаб по времени 500 нс на клетку. c) Свободгая генерация без затвора, масштаб по времени 100 мкс на клетку.

Рис 4.8. Пятна рубинового лазера с кюветой №1, настроенной на параллельный пучок на непроявленной фотопленке.

Вывод: модулятор добротности на основе внутрирезонаторной самофокусировки может быть сделан из доступных ресурсов, несложен в изготовлени и настройке, дает стабильные, но неоосбо высокие результаты. Приятной особенностью является возможность использовать его для модуляции неодимового лазера, для которого насыщающиеся поглотители труднодоступны. Модулятор пригоден для лазеров с невысоким усилением, что подтверждается работоспособностью в рубиновом лазере. Наибольшие затруднения может вызвать вопрос, где раздобыть подходящие линзы. Однако это решаемо. В крайнем случае — путем покупки и разборки пары старых фотоаппаратов. Неплохая конструкция для самодельщика, но звезд с небес не хватает.

5. Модуляция добротности на восстановленном полном внутреннем отражении.

В работе [4] описана другая конструкция пассивного оптического затвора для модуляции добротности лазеров. Основана она на эффекте восстановленного полного внутреннего отражения (ВПВО). В резонатор устанавливается призма полного внутреннего отражения, отражающая грань которой вводится в контакт с жидкостью, хорошо поглощающей лазерное излучение. Призма ставится так, что на границе стекло-жидкость полное внутреннее отражение не достигается. Однако при возникновении в резонаторе начальной генерации жидкость вскипает и полное внутреннее отражение восстанавливается. При этом коэффициент отражения от рабочей грани призмы сильно возрастает и имеет место модуляция добротности резонатора (я намеренно примитивизирую процесс для упрощения понимания, в [4] описан гораздо более сложный цикл работы этого затвора с учетом изменения показателя преломления при прогреве и релаксации плотности жидкости акустическими волнами). Предложенная в [4] схема затвора показана на рис 5.1.

Рис 5.1. Cхема модулятора добротности на восстановленном полном внутреннем отражении. 1- выходное зеркало, 2 — осветитель с лампой и лазерным стержнем, 3 — кювета, 4 — рабочая жидкость, 5 — заднее зеркало, 6 — призма

Даже из беглого рассмотрения рисунка 5.1 видно, что ожидаются большие трудности с юстировкой. Дело в том, что когда призма поставлена под таким углом к оси резонатора, что полное внутреннее отражение на границе стекло-жидксость существует, очевидно, нет модуляции добротности. Когда угол установки призмы
к оси резонатора выбран таким, что полного внктреннего отражения нет, резонатор имеет чрезмерные потери. Даже если коэффициент отражения выходного зеркала близок к 100%, для компенсации этих потерь усиление в лазерном стержне должно быть порядка 1/ro на проход, где ro — коэффициент отражения на гарнице стекло-жидкость. Вдали от критического угла падения ro довольно мал и можно ожидать значений ro

1..5%, что соответствует усилениям в 20..100 на проход. Достигнуть таких величин усиления непросто даже с использованием кристалла YAG:Nd, не говоря уже о рубине или стекле с неодимом.

В оригинальной работе авторы предлагают решать эту проблему с помощью установки призмы под углом к оптической оси резонатора, близким к критическому. При этом ro имеет заметно большие, чем вдали от критического угла, значения, а также сильно зависит от угла (меняется от единиц процентов до 100% за доли градуса). Вот на этой точке крайне неустойчивого равновесия и предлагается балансировать, обеспечивая с одной стороны отсутствие полного внутреннего отражения, а с другой стороны сравнительно высокий начальный коэффициент отражения, чтобы в лазере могла развиться стартовая генерация. С точностью до единиц угловых минут в такое положение должна быть выставлена призма, да еще и заднее зеркало должно быть приюстировано так, чтобы правильно возвращать изломанный отраженнием луч. Положение усугубляется еще и тем, что юстировка по лучу видимого лазера не даст понимания насколько близко призма установлена к критическому углу, поскольку он будет различен для видимого и инфракрасного лучей вследствие дисперсии показателя преломления.

Для того, чтобы избежать подобных трудностей были сделаны попытки запустить ВПВО затвор по схемам, показанным на рис 5.2.

Рис 5.2. Варианты схемы модуляторов добротности на восстановленном полном внутреннем отражении. 1- выходное зеркало, 2 — осветитель с лампой и лазерным стержнем, 3 — призма, 4 — кювета, 5 — рабочая жидкость, 6 — вспомогательное полупрозрачное зеркало.

Рис 5.3. Рубиновый лазер с установленным призменным ВПВО затвором.

Следует сразу оговориться, что из испытанных поглощающих жидкостей (разнообразные черные и синие краски и красители в различных растворителях, а также насыщенный раствор медного купороса в воде) ни одна не продемонстрировала должного поглощения на длине волны 1064 нм (желательно — вдвое на толщине 10 мкм; плохо но приемлемо — вдвое на толщине 0.1 мм). Поэтому ВПВО затвор по схемам 5.2а-5.2с испытывался, в основном, на рубиновом лазере.

Схема на рис 5.2a была тестовой. Как и ожидалось, ни рубиновый, ни даже неодимовый лазер попросту не достигают порога с такой схемой резонатора. Естественно, что когда генерации нет, ни о какой модуляции добротности и говорить не приходится.

Для получения стартовой генерации в резонатор было добавлено дополнительное полупрозрачное зеркало (6 на рис 5.2), которое состояло из двух плоскопараллельных стеклянных пластинок для неодимового лазера и трех таких же пластинок для рубинового лазера. При таком коэффициенте отражения лазеры находились близко к порогу генерации. Несколько неожиданным оказалось то, что несмотря на наличие затравочной генерации, модуляции добротности по получившейся схеме (рис 5.2b) не происходило. Вскипания жидкости, судя по всему, тоже. По крайней мере жидкость во время импульса генерации оставалась спокойной. Вероятно энергии излучения затравочной генерации не хватало для достаточного подогрева жидкости.

Для увеличения плотности энергии на единицу поверхности жидкости, жидкость наливалась в кювету слоем до ребра призмы или чуть меньше (рис 5.2c). По такой схеме в рубиновом лазере наблюдалась четко выраженная модуляция добротности. Однако затвор оказался одноразового действия — после каждого импульса верхнюю грань призмы забрасывало каплями раствора и для получения нового мпульса ее приходилось очищать. В качестве рабочей жидкости использовались чернила из черного маркера SCHNEIDER, разбавленные 1:1 ацетоном.

В аналогичных условиях в неодимовом лазере модуляции добротности не было. Как выяснилось это связано с недостаточным поглощением в растворе. — Чем меньше поглощение, тем более толстый слой жидкости подвергается прогреву, и тем больше энергии необходимо затратить на его подогрев до нужной температуры.

Для увеличения энергии стартовой генерации коэффициент отражения внутрирезонаторного полупрозрачного зеркала был увеличен. И для неодимового и для рубинового лазера было добавлено еще по одной стеклянной пластинке. В результате в неодимовом лазере модуляция добротности так и не появилась, а в рубиновом — напрочь исчезла. Т.е. при слишком большом отражении от дополнительного зеркала эффект модуляции срывается.

Несмотря на то, что разлет брызг раствора создает пугающее впечатление, за несколько десятков импульсов на поверхности призмы не появилось видимых глазом повреждений.

Были выполнены пуски и по авторской схеме (см фотки выше). Как и ожидалось — юстировка трудна и неказиста. Одной только процедуре выставления призм и зеркал можно целый гайд посвятить. Но не это самое плохое. Хуже то, что резонатор в имеющейся конфигурации мог поддерживать режим модуляции добротности (балансировать на грани срыва полного внутреннего отражения) самое большее 15 минут. Потом все приходилось перенастраивать. Тем не менее по качеству выходного импульса результаты тут были самыми лучшими.

ВЫВОД: ВПВО затвор вполне работоспособен, но в своей исходной конструкции весьма критичен к юстировке, а в модифицированной — требует использования легкокипящих жидкостей с высоким поглощением на рабочей длине волны. Потери энергии велики (оценки дают

500 мДж/кв.см. даже для растворов на основе ацетона) но даже при этом выходная энергия лазера превышает полученную при использовании затвора на основе самофокусировки (в рубиновом лазере).

6. Бриллиантовая зелень как модулятор добротности рубинового лазера.

В книге [5] отмечено, что при возбуждении излучением рубинового лазера была получена генерация такого известного красителя как Бриллиантовая Зелень. Причем длина волны генерации (755 нм) очень близка к длине волны генерации фталоцианина хлористого алюминия (759 нм) — красителя, широко используемого в качестве пассивного лазерного затвора для рубиновых лазеров.
Лазер на красителе с такой длиной волны мало интересен самодельщику, а вот возможность создания модулятора добротности для рубинового лазера весьма интригует. Тем более, что этот краситель весьма распространен и легко доступен в качестве медицинского обеззараживающего средства (см. рис. 6.1).

Рис. 6.1. Известная с детства «зеленка» — 1%-ный раствор бриллиантового зеленого в этиловом спирте — как выяснилось вполне способна работать в качестве насыщающегося поглотителя в рубиновом лазере.

Кювета с зеленкой была поставлена в резонатор рубинового лазера и, после подбора концентрации, результат не заставил себя долго ждать — выгорело заднее зеркало резонатора. В качестве кюветы использовалась коммерческая стеклянная поскопараллельная кювета от спектрофотометра. Раствор красителя использовался на основе изопропанола — в изопропанол микрокаплями добавлялся медицинский (1%-ный) раствор бриллиантовой зелени до срыва генерации рубинового лазера. Затем полученный раствор разбавлялся в два раза чистым изопропанолом.

Каждый электрик должен знать:  Самарский завод электромонтажных изделий

Надо сказать, что тесты с растворами бриллиантового зеленого в воде, ацетоне, этиловом спирте и глицерине выраженной модуляции добротности не показали. Изопропанол в этом смысле несколько уникален. Фотография лазера с кюветой красителя приведена на рис 6.2. На рис 6.3 приведены осциллограммы импульсов. На рис 6.4. приведены фотографии пятен на засвеченной фотопленке.

Рис 6.2. Фото рубинового лазера с установленной в резонаторе кюветой с раствором бриллиантовой зелени.

Рис 6.3. Осциллограммы импульсов рубинового лазера. a) — свободная генерация, b) — модуляция добротности кюветой с зеленкой, c) — один импульс из цуга.

Рис 6.4. Фотографии отпечатков лазерного луча на непроявленной фотопленке. Свободная генерация рубинового лазера может засвечивать фотопленку, в особенности если она чувствительна в красной области, но обычно требуемая интенсивность вызывает еще и проплав фотоэмульсии. Тут — чистые пятна потемнения без следов проплава.

Из сравнения осциллограмм свободной генерации и генерации лазера с затвором видно, что количество пичков резко снижается, а интенсивность в каждом из них растет. Количество импульсов тем ниже, чем выше концентрация красителя. Однако, видимо, ненасыщенное поглощение бриллиантовой зелени также велико, и с ростом концентрации красителя резко падает и выходная энергия. В частности это привело к тому, что в данном лазере получить без срыва генерации менее десяти пичков в одной вспышке не получилось.

В итоге была повреждена поверхность торцов лазерного стержня (предназначеенного, вообще говоря для лазера с модулированной добротностью, т.е. светопрочного). Фото поврежденной поверхности показано на рис 6.5.

Рис 6.5. Оптические повреждения торцов рубинового стержня после работы с раствором бриллиантового зеленого в резонаторе.

ВЫВОД: Насыщающийся поглотитель в виде раствора бриллиатнового зеленого в изопропиловом спирте вполне способен вызывать модуляцию добротности рубинового лазера. Энергия генерации, однако, меньше, чем для модулятора на основе самофокусировки. Тем не менее доступность материалов и простота конструкции могут сделать этот затвор привлекательным, в особенности для схемы «MOPA» (генератор с последующими усилительными каскадами) где в последующих усилителях первый пик усилится и снимет энергию с усилителей, а последующие пики будут подавлены.

7. Безопасность.

Твердотельные лазеры с модулированной добротностью очень опасны. Фактически даже лучом, отраженным от какой-нибудь случайной стеклянной пластинки (всего 4% от полной энергии!) они способны нанести непоправимый ущерб зрению на расстояниях в десятки метров!

Будьте предельно осторожны! Обязательно обзаведитесь защитными очками и используйте их! Помните правило «циничного лазерщика»: если приспичило наблюдать действие лазерного излучения своими глазами — делайте это одним глазом. Бойцы священных войн за безопасность раскритикуют это в пух и прах.
И с ними трудно не согласиться — лучше вообще не смотреть, спрятать луч за бетонную стенку и закопать под землю. Но подумайте вот о чем: если несмотря на все предупреждения кому-то все-таки приспичит посмотреть своими глазами на лазерную искру или на действие лазерного луча, то, в случае катастрофы, это позволит ему остаться одноглазым а не слепым.

Если пользуетесь правилом «циничного лазерщика», определитесь, какой глаз у Вас будет в «группе риска» и всегда используйте только его. От малых повреждений зрение имеет свойство деградировать постепенно. И лучше иметь хотя бы один полностью зрячий глаз, чем два полузрячих.

И, наконец, НИКОГДА НЕ ЗАГЛЯДЫВАЙТЕ В ЛАЗЕРНЫЙ ПУЧОК! Ни в защитных очках, ни, тем более, без них. При большой влетевшей в глаз энергии возможна потеря зрения НА ОБА ГЛАЗА даже если поврежден был только один. Такие случаи известны.

  1. Н.И. Коротеев, И.Л. Шумай. Физика мощного лазерного излучения. М., Наука, 1991, 312с. ISBN 5-02-014474-6
  2. В.М. Костюковб Н.Т. Максимова, З.И. Мыреева. Модуляция добротности резонатора ИАГ:Nd лазера при самофокусировке в воде. Труды IV всероссийской школы-семинара «Люминисценция и сопутствующие явления». Иркутск 1998. Под ред. проф. Е.Ф. Мартынова изд-во Иркутского у-та 1999. — 290 с.
  3. В.И. Безродный, Ф.И. Ибрагимов, В.И. Кисленко и др. О механизме модуляции добротности лазера посредством внутрирезонаторного вынужденного рассеяния. Квантовая Электроника, 7, №3 (1980) стр 664-666.
  4. А.Н. Рубинов, И.М. Корда, Е.А. Зенкевич. Динамика лазера с нелинейным затвором на полном внутреннем отражении. Кваннтовая Электроника, 32 №4 (2002) с 319-323.
  5. Лазеры на красителях. под ред Ф.П. Шефера. М., Мир, 1976, 329 с.

Акустооптика

Автор: Мария Жукова

Акустооптика

История акустооптики

Бриллюэн предсказал дифракцию света на акустической волне, распространяющейся в среде взаимодействия, в 1922 году.

В 1932 году Дебай и Сирс, Лукас и Бикард провели первые эксперименты по проверке явлений.

Частный случай дифракции в первом порядке под некоторым углом падения (также предсказанный Бриллюэном) был отмечен Рытовым в 1935 году.

Раман и Нат (1937) разработали общую идеальную модель взаимодействия с учетом нескольких порядков. Эта модель была разработана Фарисо (1956) для дифракции, включая только один порядок дифракции.

В то время акустооптическое взаимодействие было всего лишь лабораторным экспериментом. Единственное приложение — измерение констант и акустических коэффициентов.

Изобретение лазера привело к развитию акустооптики и ее приложений, в основном для отклонения светового луча, модуляции и обработки сигналов. Технический прогресс как в выращивании кристаллов, так и в высокочастотных пьезоэлектрических преобразователях несет ценные преимущества для улучшения акустооптических компонентов.

Перечень терминов

Брэгговская ячейка: устройство, использующее объемное акустооптическое взаимодействие (например, дефлекторы, модуляторы и т. Д.).

«Нулевой», «Первый» порядок: нулевой порядок — это луч, проходящий через ячейку без изменения направления распространения. Первый порядок — это дифрагированный пучок, генерируемый при взаимодействии лазерного луча с акустической волной.

Угол Брэгга : особый угол падения (между падающим пучком и акустической волной), который дает эффективную дифракцию в один дифракционный порядок. Этот угол будет зависеть от длины волны и радиочастоты.

Угол разделения: Угол между первым и нулевым порядками дифракции.

Радиочастотный диапазон : для данной ориентации и оптической длины волны существует конкретная радиочастота, которая соответствует критериям Брэгга. Тем не менее, существует диапазон частот, для которых ситуация все еще достаточно близка к оптимальной для того, чтобы дифракция была эффективной. Эта диапазон радиочастот определяет, например, угол сканирования дефлектора или диапазон настройки акустооптического настраиваемого фильтра.

Максимальный угол отклонения : угол, на который луч первого дифракционного порядка может изменяться, при изменении частоты внутри радиочастотного диапазона.

Время нарастания: пропорционально времени, которое необходимо акустической волне, чтобы пересечь лазерный луч, и, следовательно, время, за которое луч реагирует на изменение радиочастотного сигнала. Время нарастания можно уменьшить, уменьшив ширину лазерного луча.

Диапазон модуляции: максимальная частота, на которой пучок света может быть модулирован по амплитуде. Зависит от времени нарастания и может быть увеличен за счет уменьшения диаметра лазерного луча.

Эффективность: доля пучка нулевого порядка, который может быть дифрагирован в пучок 1-го порядка.

Коэффициент затухания: соотношение между максимальной и минимальной интенсивностью света в пучке «1-го» порядка, когда акустическая волна «включена» и «выключена» соответственно.

Частотный сдвиг: разница в частоте между дифрагированными и падающими световыми пучками. Этот сдвиг равен акустической частоте и может быть сдвигом вверх или вниз по шкале частот в зависимости от ориентации.

Разрешение: число разрешимых точек, которые может генерировать дефлектор, соответствует максимальному числу отдельных положений дифрагированного светового луча, как определено критерием Рэлея.

Мощность радиочастоты: электропитание, потребляемое драйвером.

Акустическая мощность: акустическая мощность, генерируемая в кристалле пьезоэлектрическим преобразователем. Имеет меньшее значение, чем мощность радиочастоты, так как коэффициент электромеханического преобразования ниже 1.

Физические принципы

Радиочастотный сигнал, прикладываемый к пьезоэлектрическому преобразователю, связанному с подходящим кристаллом, будет генерировать акустическую волну. Это работает как «фазовая решетка», проходящая через кристалл на скорости звука в материале и с акустической длиной волны, зависящей от частоты радиочастотного сигнала. Любой падающий лазерный луч будет дифрагирован этой решеткой, как правило, давая ряд дифрагированных пучков.

Условия взаимодействия

Параметр, называемый «коэффициент качества, Q», определяет режим взаимодействия. Q определяется выражением:

где – длина волны лазерного луча, n – показатель преломления кристалла, L – дистанция на которую лазерный луч проходит внутри акустической волны, – длина акустической волны.

Q >1: Это режим Брэгга. При одном конкретном угле падения Θ создается только один порядок дифракции — другие аннигилируются деструктивной интерференцией.

В промежуточной ситуации аналитическое решение невозможно, и компьютер должен провести численный анализ.

Большинство акустооптических устройств работают в режиме Брэгга, общим исключением являются акустооптические синхронизаторы мод и модуляторы добротности.

Лазер с модуляцией добротности резонатора и синхронизацией мод

Владельцы патента RU 2478242:

Изобретение относится к лазерной технике. В лазере с модуляцией добротности резонатора резонатор состоит из двух концевых и двух вспомогательных зеркал. Между первым концевым зеркалом резонатора и активным элементом размещается акустооптический модулятор, а перед вторым концевым зеркалом устанавливается один или более нелинейных кристаллов или любой прозрачный материал, обладающий керровской нелинейностью. При этом первое концевое зеркало, модулятор, активный элемент и одно из вспомогательных зеркал расположены в одном плече оптического резонатора, а другое вспомогательное зеркало, один или более нелинейных кристаллов или любой прозрачный материал, обладающий керровской нелинейностью, и второе концевое зеркало расположены в другом плече резонатора. Первое концевое зеркало выполнено в виде вогнутой сферы радиуса R1, центр модулятора отстоит от отражающей поверхности первого концевого зеркала на расстоянии, равном радиусу R1, а между вторым концевым зеркалом и одним или более нелинейным кристаллом или прозрачным материалом, обладающим керровской нелинейностью, дополнительно устанавливается диафрагма. Рабочая частота f модулятора задается равной (или кратной) половине межмодового интервала 2f лазера (2f=c/2L, где с — скорость света, L — длина резонатора), а частота переключения модулятора определяет частоту следования Q-switch импульсов (например, выбирается в диапазоне от одного до ста килогерц). Технический результат заключается в обеспечении повышения выходных характеристик. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области оптических квантовых генераторов (лазеров), более конкретно к лазерам, в которых с целью увеличения пиковой мощности используется модуляция добротности резонатора (режим Q-switch) и синхронизация мод.

Известные решения на основе акустооптических модуляторов (АОМ) в резонаторе лазера используют для этой цели два отдельных модулятора — для модуляции добротности на основе бегущей акустической волны и для активной синхронизации мод на основе стоячей акустической волны [1. Мустель Е.Р., Парыгин В.Н. Методы модуляции и сканирования света. М.: Наука, 1970. 2. Магдич Л.Н., Молчанов В.Я. Акустооптические устройства и их применение. М.: Советское радио, 1978], что приводит к дополнительным потерям в резонаторе лазера, громоздкости и удорожанию лазера. Известны и лазеры с пассивной синхронизацией мод, достигаемой размещением нелинейных поглощающих элементов в резонаторе [3. Херман Й., Вильгельми Б. Лазеры сверхкоротких световых импульсов. М.: Мир, 1986], которые обеспечивают генерацию в виде цугов импульсов. Однако они имеют низкую воспроизводимость и стационарность импульсов излучения (импульсы хаотичны), а также более низкие значения выходной мощности по сравнению со случаем активной синхронизации.

Кроме того, известны лазеры с активной синхронизацией мод с помощью АОМ бегущей волны, в котором синхронизация мод осуществлялась возвращением дифрагировавших волн в резонатор с помощью дополнительных зеркал [4. Кравцов Н.В. и др. Письма в ЖТФ. Т.9. В.7. С.440. 1983. 5. Надточеев В.Е., Наний О.Е. Квантовая электроника. Т.16. №11. С.2231. 1989], что значительно (более чем в 10 раз) увеличивало область синхронизации по сравнению с обычно используемым для этих целей АОМ стоячей волны. Однако наличие дополнительных зеркал значительно усложняло конструкцию лазера и увеличивало его размеры. При этом в указанных устройствах отсутствовала модуляция добротности резонатора, что приводило к значительному (10 3 -10 4 раз) проигрышу в величине пиковой мощности, что является недостатком этих устройств по сравнению с лазерами, в которых одновременно осуществляется режим Q-switch и синхронизация мод.

По технической сущности (набору элементов и расположению зеркал резонатора) наиболее близким к предлагаемому решению является лазер, исследованный авторами настоящей заявки в работе [6. Донин В.И., Никонов А.В., Яковин Д.В. Квантовая электроника. Т.34. №10. С.930. 2004]. Резонатор этого лазера состоит из четырех зеркал, из которых два концевых и два вспомогательных зеркала. Между первым концевым зеркалом резонатора и активным элементом размещается акустооптический модулятор, а перед вторым концевым зеркалом устанавливается нелинейный кристалл. При этом первое концевое зеркало, модулятор, активный элемент и одно из вспомогательных зеркал расположены в одном плече оптического резонатора, а другое вспомогательное зеркало, нелинейный кристалл и второе концевое зеркало расположены в другом плече резонатора.

В предлагаемом лазере достигнут высокий (по сравнению с рассмотренными выше устройствами) уровень пиковой мощности при стабильности и воспроизводимости его выходных характеристик. Технический результат достигается за счет того, что в лазере, резонатор которого состоит из четырех зеркал, из которых два концевых и два вспомогательных зеркала, и между первым концевым зеркалом резонатора и активным элементом размещается акустооптический модулятор, а перед вторым концевым зеркалом устанавливается нелинейный кристалл, при этом первое концевое зеркало, модулятор, активный элемент и одно из вспомогательных зеркал расположены в одном плече оптического резонатора, а другое вспомогательное зеркало, нелинейный кристалл и второе концевое зеркало расположены в другом плече резонатора, первое концевое зеркало выполнено в виде вогнутой сферы радиуса R1, центр модулятора отстоит от отражающей поверхности первого концевого зеркала на расстоянии, равном радиусу R1, а между нелинейным кристаллом и вторым концевым зеркалом дополнительно устанавливается диафрагма, рабочая частота f модулятора задается равной (или кратной) половине межмодового интервала 2f лазера (2f=c/2L, где с — скорость света, L — длина резонатора), а частота переключения модулятора определяет частоту следования Q-switch импульсов (например, выбирается в диапазоне от одного до ста килогерц).

Целью предлагаемого изобретения является увеличение пиковой мощности лазера при стабильности и воспроизводимости его выходных характеристик за счет использования одного АОМ бегущей волны как для модуляции добротности, так и для синхронизации мод лазера без использования дополнительных зеркал. При этом помещенный в резонаторе лазера нелинейный кристалл (кристаллы) одновременно используется как для генерации гармоник излучения, так и для дальнейшего уменьшения длительности импульсов за счет образования в нем (в них) керровской линзы.

Описание предлагаемого решения поясняется графическим материалом:

Фиг.1. Схема лазера. 1, 4, 5, 8 — зеркала резонатора, 2 — акустооптический модулятор, 3 — активный элемент, 6 — керровский элемент (один или более нелинейных кристаллов в случае генерации гармоник, либо пластинка в случае основной частоты), 7 — диафрагма.

Фиг.2. Осциллограмма импульса генерации Nd:YAG лазера (на переходе λ=1,064 мкм) в режиме Q-switch с синхронизацией мод. Цена деления по оси абсцисс 50 нс. Средняя мощность лазера 2 Вт, частота повторения 2 кГц.

Предлагаемый лазер (фиг.1) выполнен на основе простой и эффективной схемы удвоения частоты генерации одномодового твердотельного лазера (например, Nd:YAG) с накачкой лазерными диодами [6]. Длина резонатора (с учетом показателей преломления в расположенных в резонаторе элементов) L=1,5 м. Акустооптический модулятор бегущей волны 2 расположен под углом Брэгга (θБ) к оптической оси резонатора между первым концевым сферическим зеркалом 1 и активным элементом 3. Центр модулятора отстоит от отражающей поверхности зеркала 1 на расстоянии R1, равном радиусу кривизны этого зеркала. При подаче рабочей частоты f=50 МГц, равной половине межмодового интервала 2f лазера на пьезопреобразователь АОМа в светозвукопроводе образуется бегущая звуковая волна (показана маленькой «жирной» стрелкой), на которой происходит брэгговская дифракция лазерного излучения. В результате при прохождении луча со стороны активного элемента 3 на зеркало 1 падает два луча: первый — проходящий по оси резонатора лазера (обозначен буквой «а») — отражается от зеркала назад по тому же пути без изменения частоты v лазера; второй (обозначен буквой «б») — испытывающий брэгговскую дифракцию — падает на зеркало 1 с частотой (ν+f) и, отражаясь от сферической поверхности зеркала, попадает обратно в АОМ, где распадается на луч без изменения частоты (ν+f), выходящий из резонатора в обратном направлении под углом 2θБ, и на луч после повторной дифракции в светозвукопроводе модулятора. Последний луч с частотой (ν+2f) распространяется в обратном направлении по оси резонатора. За счет этого достигается эффект синхронизации мод, как и в упоминавшихся выше работах [4, 5]. Выходящий под углом 2θБ из резонатора луч с частотой (ν+f) обеспечивает модулирующие добротность резонатора потери, и лазер работает в режиме модуляции добротности с частотой следования импульсов, задаваемой частотой переключения модулятора (

1÷100 кГц). При этом, после отключения рабочей частоты, звуковая волна в светозвукопроводе АОМа отключается за время τ=d/VЗВ=0,2 см/5·l0 5 см/c≈0,4 мкс (где d — диаметр лазерного луча в светозвукопроводе, Vзв — скорость звука). Длительность импульса генерации лазера в режиме Q-switch составляет

100 нc, т.е. за время τ за счет луча повторной дифракции с частотой (ν+2f) в импульсе генерации одновременно происходит синхронизация мод (Q-switch импульс с синхронизацией мод показан на фиг.2). Измеренная оптическим коррелятором длительность отдельного импульса (внутри огибающей импульса Q-switch) составила 50 пс (т.е. пиковая мощность отдельного импульса в условиях фиг.2 составляет

2 МВт). Длительность импульса и соответствующая пиковая мощность 2 МВт получена без формирования (настройки) керровской линзы.

Дальнейшее уменьшение длительности отдельного импульса генерации с целью увеличения пиковой мощности производится керровской линзой (т.е. наведенной излучением лазера), формируемой в нелинейном кристалле для генерации гармоники 6 (в нашем эксперименте кристалл LBO с синхронизмом 1-го типа) и диафрагмой 7. Для этого матричным методом рассчитывались области устойчивости резонатора с керровской линзой и без нее. При этом элементы резонатора выбирались в соответствие с расчетом, чтобы в отсутствии керровской линзы лазер работал на границе устойчивости, а при ее появлении переходил в устойчивый режим. Настройка на данный режим генерации осуществлялась точным подбором в соответствии с расчетом расстояний от нелинейного кристалла 6 до зеркал 5 и 8, а также положением и размером диафрагмы 7. Сокращение длительности импульса достигается совместным действием керровской линзы и диафрагмы. Оптическая сила керровской линзы пропорциональна интенсивности проходящего через нее света (более интенсивное излучение фокусируется сильнее) и, таким образом, установкой диафрагмы можно добиться сокращения длительности импульса за счет ослабления его краев и усиления средней части.

В случае необходимости работы лазера на основной частоте генерации (без гармоник излучения) вместо нелинейного кристалла помещается обычный оптический материал, обладающий достаточной керровской нелинейностью (например, пластинка из стекла ТФ 5). Измеренная оптическим коррелятором длительность отдельного импульса Nd:YAG лазера составила ≤10 пс (т.е. пиковая мощность отдельного импульса в условиях фиг.2 составляет ≥10 МВт). Эти экспериментальные данные подтверждают, что в предлагаемом лазере обеспечиваются высокие значения пиковой мощности. Решение, при котором с помощью одного акустооптического модулятора одновременно удалось модулировать добротность резонатора и обеспечить синхронизацию мод, является новым.

Предлагаемый лазер не требует дополнительной «стартовки» керровской линзы и обладает высокой кратковременной и долговременной стабильностью выходных характеристик.

1. Лазер с модуляцией добротности резонатора, у которого резонатор состоит из двух концевых и двух вспомогательных зеркал, и между первым концевым зеркалом резонатора и активным элементом размещается акустооптический модулятор, а перед вторым концевым зеркалом устанавливается один или более нелинейных кристаллов или любой прозрачный материал, обладающий керровской нелинейностью, при этом первое концевое зеркало, модулятор, активный элемент и одно из вспомогательных зеркал расположены в одном плече оптического резонатора, а другое вспомогательное зеркало, один или более нелинейных кристаллов или любой прозрачный материал, обладающий керровской нелинейностью, и второе концевое зеркало расположены в другом плече резонатора, отличающийся тем, что первое концевое зеркало выполнено в виде вогнутой сферы радиуса R1, центр модулятора отстоит от отражающей поверхности первого концевого зеркала на расстоянии, равном радиусу R1, а между вторым концевым зеркалом и одним или более нелинейным кристаллом или прозрачным материалом, обладающим керровской нелинейностью, дополнительно устанавливается диафрагма, рабочая частота f модулятора задается равной (или кратной) половине межмодового интервала 2f лазера (2f=c/2L, где с — скорость света, L — длина резонатора), а частота переключения модулятора определяет частоту следования Q-switch импульсов (например, выбирается в диапазоне от одного до ста килогерц).

2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что формируемая в одном или более нелинейном кристалле или прозрачном материале, обладающем керровской нелинейностью, керровская линза в совокупности с диафрагмой производит дальнейшее укорочение импульса синхронизации мод.

Лазер с модуляцией добротности резонатора и синхронизацией мод

Владельцы патента RU 2606348:

Изобретение относится к лазерной технике. Лазер с модуляцией добротности и синхронизацией мод содержит в первом плече оптического резонатора последовательно расположенные первое концевое зеркало, акустооптический модулятор, активный элемент и первое вспомогательное зеркало, а в другом плече вторые вспомогательное и концевое зеркала, между которыми устанавливается нелинейный элемент. При этом модулятор в разные моменты времени работает на двух звуковых частотах, подаваемых через дополнительно введенный сумматор электрических сигналов от двух дополнительно введенных генераторов модулированных колебаний, синхронизируемых третьим генератором, задающим частоту следования импульсов лазера, выбираемую в диапазоне от (0,1-100) кГц. Величина первой звуковой частоты определяется параметрами оптического резонатора для выполнения условия синхронизации мод лазера, а вторая звуковая частота, обеспечивающая модуляцию добротности резонатора, выбирается в полтора раза выше первой. Выходящий из модулятора световой пучок после дифракции на второй частоте перекрывается дополнительно введенной диафрагмой. Технический результат заключается в обеспечении возможности повышения уровня модуляции. 5 ил.

Изобретение относится к области оптических квантовых генераторов (лазеров), использующих акустооптическую модуляцию добротности резонатора и одновременно синхронизацию мод для получения высокой пиковой мощности излучения.

В этой области известно техническое решение в соответствии с патентом РФ №2478242, авторы которого также входят в состав авторов предлагаемого изобретения. Известное решение содержит лазерный резонатор, состоящий из четырех зеркал, из которых два концевых и два вспомогательных, между первым концевым зеркалом резонатора и активным элементом размещается акустооптический модулятор бегущей волны, а перед вторым концевым зеркалом последовательно нелинейный кристалл и диафрагма, при этом первое концевое зеркало выполнено в виде вогнутой сферы радиуса R1, центр модулятора отстоит от отражающей поверхности первого концевого зеркала на расстоянии, равном радиусу R1, рабочая частота f модулятора задается равной (или кратной) половине межмодового интервала 2f лазера (2f=c/2L, где c — скорость света, L — длина резонатора), а частота переключения модулятора определяет частоту следования импульсов.

При проведении экспериментов с использованием лазера по патенту №2478242 выяснились некоторые недостатки в его работе.

Первый из них обусловлен малым (не превышающим 50%) уровнем модуляции потерь в резонаторе за двойной проход, который приводит к снижению общей энергии и мощности лазерного импульса в случае повышенного коэффициента усиления активной среды. Причиной малой модуляции потерь в резонаторе является обратный возврат в активную среду световых пучков, отраженных от первого концевого зеркала и претерпевших повторную дифракцию на бегущей акустической волне в модуляторе. В результате этого в лазере перед основными импульсами (Q-switch импульсами) наблюдаются так называемые предвестники импульса (структурированное во времени шумовое излучение). Результаты эксперимента показаны на фиг. 1, где приведена осциллограмма трех Q-switch импульсов лазера с активной средой Nd: YAG. Крайние справа импульсы на фиг. 1 являются основными Q-switch импульсами с длительностью по полувысоте 120 нс. Их период повторения 1 мс. Слева от основных Q-switch импульсов наблюдается излучение предвестников импульса с общей длительностью около 400 мкс. Появление предвестников связано с тем, что при непрерывной во времени накачке активной среды инверсия населенностей в активной среде и, соответственно, коэффициент усиления нарастают со временем по мере приближения к моменту генерации Q-switch импульса. В некоторый момент времени усиление излучения в активной среде начинает превосходить потери, что проявляется в генерации предвестников импульса. В лазере с повышенным коэффициентом усиления общая энергия предвестников импульса может быть сопоставима с энергией основного импульса, поэтому наличие предвестников примерно вдвое снижает общую энергию и мощность излучения в основном Q-switch импульсе.

Каждый электрик должен знать:  Подключение амперметров в сети постоянного и переменного тока

Второй недостаток известного решения вызван невозможностью независимого управления режимом модуляции добротности и режимом синхронизации мод, что ограничивает функциональные возможности лазера. В частности, в известном решении отсутствует возможность оперативного (без перестройки резонатора) переключения лазера из режима работы с модуляцией добротности и синхронизацией мод в режим с модуляцией добротности без синхронизации мод и обратно. В то же время такое переключение режимов работы часто необходимо при применении лазера для научных исследований, например при изучении особенностей процессов лазерной сварки и резки различных материалов.

Целью данного изобретения является повышение уровня модуляции потерь резонатора и увеличение в два (и более) раза энергии и мощности Q-switch импульса с синхронизацией мод в лазерах с повышенным коэффициентом усиления активной среды, а также расширение функциональных возможностей лазера.

Поставленная цель достигается тем, что в лазере с модуляцией добротности резонатора и синхронизацией мод по патенту РФ №2478242 используемый в нем акустооптический модулятор в разные моменты времени работает на двух звуковых частотах, подаваемых через дополнительно введенный сумматор электрических сигналов, от двух дополнительно введенных генераторов модулированных колебаний, синхронизируемых третьим генератором, задающим частоту следования импульсов лазера, выбираемую в диапазоне (0,1-100) кГц, причем величина первой звуковой частоты определяется параметрами оптического резонатора для выполнения условия синхронизации мод лазера, а вторая звуковая частота, обеспечивающая модуляцию добротности резонатора, выбирается в полтора раза выше первой, причем выходящий из модулятора световой пучок после дифракции на этой частоте перекрывается дополнительно введенной диафрагмой.

Предложенный в заявляемом решении режим работы акустооптического модулятора, когда лазерный луч в разное время испытывает дифракцию на двух различных звуковых частотах, является новым. Заявляемое в качестве изобретения решение является зависимым, поскольку в нем используются все существенные признаки изобретения по патенту №2478242.

Описание предлагаемого технического решения поясняется чертежами.

Фиг. 1 Осциллограмма трех Q-switch импульсов с предвестниками импульсов (получена в эксперименте с лазером по пат. РФ №4278242). Цена деления по оси абсцисс 200 мкс. Частота повторения импульсов 1 кГц.

Фиг. 2 Схема предлагаемого лазера. 1, 4, 5, 8 — зеркала резонатора, 2 — акустооптический модулятор бегущей волны, 3 — активный элемент, 6 — нелинейный элемент, 7 — диафрагма, 9 — дополнительная диафрагма, 10 — сумматор амплитуд сигналов, 11 — генератор управляющего сигнала с несущей частотой f1, 12 — генератор управляющего сигнала с несущей частотой f2, 13 — генератор импульсов, задающий частоту следования лазерных импульсов (0,1-100) кГц.

Фиг. 3 Временные диаграммы управляющих электрических сигналов и интенсивности лазерного излучения, a) — выходные сигналы генератора импульсов 13 на первом выходе (штриховая линия) и генератора 11 с частотой f1 (сплошная линия, b) — выходные сигналы генератора импульсов 13 на втором выходе (штриховая линия) и генератора 12 с частотой f2 (сплошная линия), c) — сигнал, подаваемый в акустооптический модулятор, d) — интенсивность лазерного излучения.

Фиг. 4 Осциллограмма импульса генерации Nd: YAG лазера, выполненного в соответствии с предлагаемым техническим решением, в режиме Q-switch с синхронизацией мод. Цена деления по оси абсцисс 50 нс. Средняя мощность лазера 2 Вт, частота повторения 1 кГц.

Фиг. 5 Осциллограмма трех Q-switch импульсов генерации в предлагаемом Nd: YAG лазере. Цена деления по оси абсцисс 200 мкс. Частота повторения импульсов 1 кГц, энергия в импульсе 2 мДж.

Предлагаемый лазер приведен на фиг. 2, где помимо элементов лазера по патенту №4278242 дополнительно введены генераторы 11-13, сумматор 10 и диафрагма 9.

Акустооптический модулятор 2 соединен с выходом сумматора 10 амплитуд сигналов, а входы сумматора 10 соединены с выходами генераторов 11 и 12. Генераторы 11, 12 содержат синтезаторы частоты, формирующие непрерывные синусоидальные сигналы на частотах f1 и f2, а также схемы модуляции (ключи), выполняющие модуляцию (коммутацию) этих сигналов. Генератор импульсов 13 имеет два выхода, соединенные со входами схем модуляции генераторов 11, 12. Он задает частоту следования импульсов лазера и синхронизирует работу генераторов 11 и 12.

На пьезопреобразователь модулятора 2 подается управляющий сигнал, представляющий собой сумму амплитуд двух сигналов. Первый из этих сигналов, формируемый генератором 11, имеет несущую частоту f1, которая равна (или кратна) половине межмодового интервала (f1=c/4L). Этот сигнал используется для синхронизации мод лазера. Второй из сигналов, формируемый генератором 12, имеет несущую частоту f2=1,5⋅f1. Этот сигнал предназначен для модуляции добротности резонатора (режим Q-switch) лазера.

На фиг. 3 а) штриховой линией показана зависимость напряжения U1 импульсного сигнала от времени t, подаваемого с первого выхода генератора 13 на модулирующий вход генератора 11. Сплошной линией показан выходной сигнала генератора 11, который представляет собой периодическую последовательность радиоимпульсов с несущей частотой f1, имеющих длительность τ1 и период повторения Т. Синхронизация мод лазера происходит в течение времени τ1 длительности радиоимпульса. Обычно выбирают значение τ1, равное нескольким микросекундам.

На фиг. 3 b) штриховой линией показана зависимость от времени напряжения U2 импульсного сигнала, подаваемого со второго выхода генератора 13 на модулирующий вход генератора 12. Сплошной линией показан выходной сигнал генератора 12, который представляет собой периодическую последовательность радиоимпульсов длительностью τ2, следующих с периодом Т. Длительность паузы между радиоимпульсами равна τ1. Период Т равен периоду следования лазерных Q-switch импульсов. На практике значения Т могут находиться в диапазоне от 10 микросекунд до 100 миллисекунд.

Форма суммарного (U1+U2) сигнала, подаваемого на вход модулятора 2, в зависимости от времени показана на фиг. 3 с).

Интенсивность лазерного излучения J от времени t условно изображена на фиг. 3 d), где с помощью вертикальных стрелок показаны моменты генерации Q-switch импульсов. Частота следования Q-switch импульсов F=1/T находится в диапазоне 0,1-100 кГц.

Поясним работу предлагаемого лазера.

Световой луч, распространяющийся в резонаторе лазера справа налево (см. фиг. 2), при прохождении через модулятор 2 в различные моменты времени испытывает дифракцию на бегущей акустической волне с двумя различными частотами f1 и f2. При этом образуются два дифрагированных луча (обозначены на фиг. 2 буквами «b» и «c»), которые распространяются под углами θ1 и θ2 по отношению к прошедшему (недифрагированному) лучу (обозначен на фиг. 2 буквой «a»).

Первый из дифрагированных лучей «b» соответствует дифракции на акустической волне с частотой f1. Этот луч имеет допплеровский сдвиг частоты f1. После отражения от зеркала 1 прошедший луч «a» и первый дифрагированный луч «b» распространяются назад по тому же пути и попадают обратно в модулятор 2, где испытывают повторную дифракцию. В результате повторной дифракции часть луча «b» возвращается обратно в резонатор с удвоенным допплеровским сдвигом частоты 2f1, а другая его часть проходит без дифракции и выводится из резонатора. Прошедший луч «a» после повторного прохождения модулятора частично возвращается в резонатор без изменения частоты, а частично испытывает дифракцию в модуляторе со сдвигом частоты f1 и покидает резонатор. В результате этого после двойного прохода излучения через модулятор с акустической волной на частоте f1 из резонатора выводится пучок, обозначенный на фиг. 2 буквой «a». Вследствие интерференции световых волн с разными частотными сдвигами интенсивность выводимого из резонатора пучка «d» модулирована по времени с частотой 2f1.

Второй из дифрагированных лучей («c») соответствует дифракции на акустической волне с частотой f2. Его угол распространения равен θ2. В резонаторе лазера установлена дополнительная (по сравнению с известным решением по патенту РФ №4278242) внеосевая диафрагма 9, расположенная вблизи концевого зеркала 1, которая перекрывает дифрагированный пучок «c» и препятствует его обратному возврату в лазерный резонатор. Прошедший световой пучок «a» после отражения от зеркала 1 испытывает повторную дифракцию в модуляторе 2 на волне с частотой f2 и частично выводится из резонатора. Выводимый пучок обозначен на фиг. 2 буквой «e».

Коэффициент потерь Т, вносимый в резонатор АО модулятором, определяется отношением интенсивности выводимых из резонатора пучков излучения на прямом и обратном проходе модулятора (после отражения от зеркала) к интенсивности падающего справа на модулятор светового пучка. Дифракционную эффективность модулятора за один проход излучения через модулятор обозначим η. Если в модуляторе распространяется акустическая волна с частотой f1, то потери определяются средней интенсивностью выводимого из резонатора пучка «d» (см. фиг. 2). Вычисляя интенсивность пучка «d», для коэффициента потерь Т в зависимости от эффективности модулятора η получаем выражение Т=2⋅η⋅(1-η). Заметим, что аналогичное выражение для потерь будет справедливо также для известного решения по патенту РФ №2478242. Анализ этого выражения показывает, что с увеличением η коэффициент потерь Т достигает максимального значения Т=0,5 при значении η=0,5 и далее спадает до нуля при η=1. Кроме того, максимальное значение Т=0,5 необходимо рассматривать как среднее во времени значение. Как указывалось выше, выводимый из резонатора пучок «d» имеет модуляцию на частоте 2⋅f1. Поэтому связанный с этим пучком коэффициент потерь Т также модулирован на частоте 2%. При этом в точках минимума коэффициент потерь Т В гольмиевом лазере для накачки параметрического генератора света, включающем источник накачки и размещенные в двухпроходном оптическом резонаторе активный элемент, модулятор добротности, выполненный из материала с кристаллической структурой, новым является то, что модулятор добротности совмещает в себе функции поляризатора и спектрального селектора и представляет собой акустооптический фильтр на основе кристалла парателлурита, с формой, обеспечивающей совпадение оси дифрагированного луча на выходе кристалла с осью оптического резонатора.

Акустооптический модулятор

Wikipedia open wikipedia design.

Акустооптический модулятор (АОМ) — устройство для изменения интенсивности пропускаемого света, вследствие его дифракции на решётке, образуемой в стекле в результате пространственной модуляции показателя преломления акустической волной.

Содержание

Принцип действия [ править | править код ]

Принцип действия АОМ основан на дифракции света на бегущей ультразвуковой волне в оптически прозрачном материале (стекле). Бегущую ультразвуковую волну создает пьезоэлектрический преобразователь, присоединённый к стеклянной пластине. Благодаря появлению участков сжатия и растяжения, возникающих в стекле и различающихся показателем преломления, в среде формируется дифракционная решётка. Световой пучок, дифрагируя на решётке, образует несколько выходных пучков (дифракционных порядков), разнесённых в пространстве под равными углами относительно друг друга. При помощи апертуры из всех выходных лучей выделяется первый максимум, который существует только при наличии звуковой волны в модуляторе, и блокируются все остальные (см. рисунок сверху).

Тонкий модулятор (дифракция Рамана-Ната) [ править | править код ]

Брэгговский режим (толстый модулятор) [ править | править код ]

Практический интерес представляет случай, когда свет (лазерный пучок) направляется на стекло под углом Брэгга. При этом наблюдается дифракция Брэгга, при которой интенсивности всех дифракционных максимумов, кроме первого, становятся малыми.

Характеристики АОМ [ править | править код ]

Дифракционный угол [ править | править код ]

Длина звуковой волны в стекле равна:

Интенсивность [ править | править код ]

Интенсивность дифрагированных лучей зависит от интенсивности звуковой волны и угла поворота модулятора (Брэгговского угла). Модулируя интенсивность звуковой волны можно менять (нелинейно) интенсивность дифрагированных лучей. Как правило, интенсивность луча нулевого порядка меняется в пределах 15—99 %, а интенсивность первого порядка — 0—80 %. Контрастность модуляции часто превышает 1000 и может легко достигать 10 000 (40 дБ).

Частота [ править | править код ]

Частота дифрагированных лучей вследствие эффекта Доплера изменяется по формуле

Такое смещение частоты обусловливается также законом сохранения энергии и импульса (фотонов и фононов). В некоторых АОМ акустические волны, распространяющиеся в противоположных направлениях, создают стоячую волну, в результате частоты дифракционных порядков не меняется.

Фаза [ править | править код ]

Фаза дифрагированных лучей также смещается на величину фазы звуковой волны.

Поляризация [ править | править код ]

Звуковая волна наводит двулучепреломление в стекле, поэтому поляризация света после прохождения модулятора может изменяться.

Быстродействие [ править | править код ]

Материалы, используемые для изготовления АОМ [ править | править код ]

Материал Оптический диапазон, мкм Показатель преломления Скорость звуковой волны, км/с Добротность 10 −15 м 2 /Вт
Халькогенидное стекло 1,0—2,2 2,7 2,52 164
Флинт SF-6 0,45—2 1,8 3,51 8
Кварцевое стекло 0,2—4,5 1,46 5,96 1,56
Фосфит галлия 0,59—10 3,3 6,3 44
Германий 2—12 4,0 5,5 180
Фосфат индия 1—1,6 3,3 5,1 80
Ниобат лития 0,6—4,5 2,2 6,6 15
Диоксид теллура 0,4—5 2,25 5,5 1000

Конструкция прибора [ править | править код ]

Оптически полированное стекло с помощью пайки под давлением (metal pressure bonding) соединяется с пьезопреобразователем, изготовленным из ниобата лития. Толщина пластины ниобата лития выбирается исходя из требуемой частоты модуляции (вплоть до 1 ГГц). Противоположная грань стеклянной пластины спиливается под углом, так что отраженная звуковая волна уходила в сторону, чтобы не возникала стоячая волна. Более того, на этой грани обычно размещается брусок из звукопоглощающего материала.

АОМ обычно размещается в металлическом корпусе с отверстиями для ввода-вывода света и РЧ-разъёмом для подачи модулирующего сигнала (обычно SMA или BNC). Возможно также исполнение прибора с волоконными входами и выходом, что позволяет его легко интегрировать в системы, работающие с оптоволокном.

Частота модуляции АОМ определяются упругооптическими свойствами акустической среды и может достигать 350 МГц (эффективность АОМ на такой частоте невелика — порядка 10—20 %).

Применение [ править | править код ]

АОМ используются для быстрой модуляции и отклонения лазерных лучей, поэтому они находят широкое применение в оптических лабораториях как простой способ модулирования лазерного луча (высокоскоростной затвор). Использование АОМ внутри резонатора лазера позволяет управлять потерями резонатора и осуществлять активную модуляцию добротности или синхронизацию мод лазера.

Изготовители [ править | править код ]

  • Brimrose Corporation of America, https://web.archive.org/web/20110915213950/http://www.brimrose.com/pdfandwordfiles/aointro.pdf
  • IntraAction Corporation, https://web.archive.org/web/20070724023912/http://www.intraaction.com/FAQ_s/Contact_US/Definitions/Refrences/do_not_delete_page/AOM-80_AOM-110.pdf
  • Crystal Technology, http://www.crystaltechnology.com/
  • NEOS Technologies https://web.archive.org/web/20130924115343/http://www.neostech.com/new_content.asp?content=AO_Modulators

См. также [ править | править код ]

This page is based on a Wikipedia article written by contributors (read/edit).
Text is available under the CC BY-SA 4.0 license; additional terms may apply.
Images, videos and audio are available under their respective licenses.

Акустооптический модулятор

Акустооптический модулятор (АОМ) — устройство для изменения интенсивности пропускаемого света, вследствие его дифракции на решётке, образуемой в стекле в результате пространственной модуляции показателя преломления акустической волной.

Содержание

Принцип действия

Принцип действия АОМ основан на дифракции света на бегущей ультразвуковой волне в оптически прозрачном материале (стекле). Бегущую ультразвуковую волну создает пьезоэлектрический преобразователь, присоединённый к стеклянной пластине. Благодаря появлению участков сжатия и растяжения, возникающих в стекле и различающихся показателем преломления, в среде формируется дифракционная решётка. Световой пучок, дифрагируя на решётке, образует несколько выходных пучков (дифракционных порядков), разнесённых в пространстве под равными углами относительно друг друга. При помощи апертуры из всех выходных лучей выделяется первый максимум, который существует только при наличии звуковой волны в модуляторе, и блокируются все остальные (см. рисунок сверху).

Тонкий модулятор (дифракция Рамана-Ната)

Брэгговский режим (толстый модулятор)

Практический интерес представляет случай, когда свет (лазерный пучок) направляется на стекло под углом Брэгга. При этом наблюдается дифракция Брэгга, при которой интенсивности всех дифракционных максимумов, кроме первого, становятся малыми.

Характеристики АОМ

Дифракционный угол

Длина звуковой волны в стекле равна:

Интенсивность

Интенсивность дифрагированных лучей зависит от интенсивности звуковой волны и угла поворота модулятора (Брэгговского угла). Модулируя интенсивность звуковой волны можно менять (нелинейно) интенсивность дифрагированных лучей. Как правило, интенсивность луча нулевого порядка меняется в пределах 15—99 %, а интенсивность первого порядка — 0—80 %. Контрастность модуляции часто превышает 1000 и может легко достигать 10 000 (40 дБ).

Частота

Частота дифрагированных лучей вследствие эффекта Доплера изменяется по формуле

Такое смещение частоты обусловливается также законом сохранения энергии и импульса (фотонов и фононов). В некоторых АОМ акустические волны, распространяющиеся в противоположных направлениях, создают стоячую волну, в результате частоты дифракционных порядков не меняется.

Фаза дифрагированных лучей также смещается на величину фазы звуковой волны.

Поляризация

Звуковая волна наводит двулучепреломление в стекле, поэтому поляризация света после прохождения модулятора может изменяться.

Быстродействие

Материалы, используемые для изготовления АОМ

Материал Оптический диапазон, мкм Показатель преломления Скорость звуковой волны, км/с Добротность 10 −15 м 2 /Вт
Халькогенидное стекло 1,0—2,2 2,7 2,52 164
Флинт SF-6 0,45—2 1,8 3,51 8
Кварцевое стекло 0,2—4,5 1,46 5,96 1,56
Фосфит галлия 0,59—10 3,3 6,3 44
Германий 2—12 4,0 5,5 180
Фосфат индия 1—1,6 3,3 5,1 80
Ниобат лития 0,6—4,5 2,2 6,6 15
Диоксид теллура 0,4—5 2,25 5,5 1000

Конструкция прибора

Оптически полированное стекло с помощью пайки под давлением (metal pressure bonding) соединяется с пьезопреобразователем, изготовленным из ниобата лития. Толщина пластины ниобата лития выбирается исходя из требуемой частоты модуляции (вплоть до 1 ГГц). Противоположная грань стеклянной пластины спиливается под углом, так что отраженная звуковая волна уходила в сторону, чтобы не возникала стоячая волна. Более того, на этой грани обычно размещается брусок из звукопоглощающего материала.

АОМ обычно размещается в металлическом корпусе с отверстиями для ввода-вывода света и РЧ-разъёмом для подачи модулирующего сигнала (обычно SMA или BNC). Возможно также исполнение прибора с волоконными входами и выходом, что позволяет его легко интегрировать в системы, работающие с оптоволокном.

Частота модуляции АОМ определяются упругооптическими свойствами акустической среды и может достигать 350 МГц (эффективность АОМ на такой частоте невелика — порядка 10—20 %).

Применение

АОМ используются для быстрой модуляции и отклонения лазерных лучей, поэтому они находят широкое применение в оптических лабораториях как простой способ модулирования лазерного луча (высокоскоростной затвор). Использование АОМ внутри резонатора лазера позволяет управлять потерями резонатора и осуществлять активную модуляцию добротности или синхронизацию мод лазера.

Diplom Consult.ru

часть энергии накачки будет теряться вследствие спонтанной релаксации и могут возникать многократные импульсы.

Рис. 4.1. Временная зависимость добротности резонатора Q , инверсной населенности N и числа фотонов q в импульсном лазере

Когда затвор открывается, усиление лазера значительно превосходит потери резонатора и число фотонов q ( t ) резко увеличивается от начального значения до устанавливаемого спонтанным излучением. В результате увеличения q ( t ) инверсия населенностей N ( t ) будет уменьшаться от ее максимального N max значения до величины пороговой инверсии населенностей N p , тогда, в соответствии с уравнениями (2.4) и (2.8), скорость фотонов ( dq / dt = 0) не изменится. Это означает, что за время t p световой импульс будет иметь максимальную мощность. При t > t p в лазере вместо усиления будут увеличиваться потери и, как следствие, мощность импульса уменьшится до нуля.

4.3. Методы модуляции добротности

Лазеры с модулированной добротностью могут работать либо в импульсном режиме, либо в импульсно-периодическом режиме. При этом для обеспечения импульсно-периодического режима необходима непрерывная накачка. В зависимости от режима работы лазера применяют активный или пассивный методы модуляции. Модуляторы добротности, в которых

используются управляющие устройства, являются активными. Однако модуляцию добротности можно осуществить и автоматически, без внешних управляющих устройств, такие модуляторы называются пассивными.

Подробно рассмотрим принцип действия таких модуляторов.

4.3.1. Активные модуляторы

Для активной модуляции используются: 1) оптико-механические;

2) акустооптические; 3) электрооптические затворы.

1. Оптико-механические затворы. Из различных механических за-

творов наиболее распространенным считается способ модуляции добротности, в котором используется вращение одного из зеркал резонатора вокруг перпендикулярной оси. В этом случае высокая добротность достигается в тот момент, когда вращающееся зеркало приходит в положение, в котором оно параллельно второму зеркалу резонатора. Для того, чтобы ослабить требование к юстировке, вместо зеркала устанавливают 90-градусную призму, у которой ребро прямого угла перпендикулярно оси вращения. На рис. 4.2 приведена оптическая схема такого оптико-механического модулятора добротности с вращающейся призмой.

Модуляторы добротности с вращающейся призмой являются простыми и недорогими устройствами и могут быть изготовлены для любой длины волны. Однако они создают шум при работе и обеспечивают медленную модуляцию добротности вследствие того, что скорость вращения зеркал имеет ограничения.

Рис. 4.2. Оптико-механический модулятор добротности с использованием вращающейся призмы: АЭ – активный элемент; М – зеркало

2. Акустооптические модуляторы добротности. Принцип действия акустооптического модулятора основан на изменении коэффициента преломления среды при распространении в ней ультразвуковой волны. В качестве таких сред применяют оптически прозрачные материалы, имеющие большие значения акустооптических постоянных (например, плавленый кварц для видимого диапазона, германий для инфракрасного диапазона). Конструктивно акустооптический модулятор изготавливается следующим образом: с одной стороны оптически прозрачного материала прикрепляется пъезоэлектрический преобразователь, подключенный к источнику ультразвуковой волны. Противоположная сторона преобразователя срезана под некоторым углом и на нее нанесен поглотитель акустической волны, для того, чтобы в среде не образовались отраженные волны, а остались только бегущие волны. Наведенная ультразвуковая волна вызывает в среде периодическое изменение показателя преломления с периодом, равным периоду ультразвуковой волны. На рис. 4.3 показано прохождение лазерного луча в акустооптическом модуляторе.

Рис. 4.3. Прохождение лазерного луча в акустооптическом модуляторе

Если акустооптический модулятор поместить в резонатор лазера, то до тех пор, пока к преобразователю приложено электрическое напряже-

ние, в резонаторе будут дополнительные потери. Часть лазерного пучка выводится из резонатора вследствие дифракции на наведенной фазовой дифракционной решетке, образованной высокочастотным генератором в оптическом материале акустооптической ячейки. Если выключить электрическое напряжение на преобразователе, лазер возвращается в состояние с высокой добротности.

Основным преимуществом акустооптических модуляторов является то, что они вносят мало потерь лазерного луча и могут работать в им- пульсно-периодическом режиме с высокой частотой повторения. Однако они имеют небольшую скорость переключения добротности.

3. Электрооптические модуляторы основаны на электрооптическом эффекте, обычно на эффекте Поккельса. Ячейка Поккельса представляет собой нелинейный кристалл (например, кристалл ниобата лития, КДР, ДКДР и др.), показатель преломления которого изменяется под действием внешнего электрического поля. Рассмотрим линейно-поляризованный световой луч, падающий под углом 45 о на плоскость xy кристалла. В ячейке Поккельса световой луч разлагается на две компоненты: E x и E y . На выходе кристалла обе компоненты приобретают различные фазовые набеги, разность между которыми определяется соотношением:

где k 0 = 2π/λ 0 – волновое число; ∆ n = n x – n y – величина наведенного двулучепреломления; L – длина кристалла.

Если приложенное внешнее напряжение таково, что ∆ φ = π/2, то две компоненты будут отличаться по фазе на π/2, так что когда компонента х достигает максимума, компонента y равна нулю и наоборот, т. е. волна становится поляризованной по кругу. На рис. 4.4. приведена оптическая схема импульсного лазера с электрооптическим модулятором внутри резонатора.

Проходящий через ячейку Поккельса луч отражается от зеркала М 2 и ещё раз проходит через ячейку, приобретая дополнительный сдвиг фазы на π/2 так, что суммарный фазовый сдвиг по осям x и y составляет π.

Добавить комментарий