Устройство для создания стабилизированного режима генерации лазера

(51)01 3/083, 3/13 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ СТАБИЛИЗИРОВАННОГО РЕЖИМА ГЕНЕРАЦИИ ЛАЗЕРА(71) Заявитель Сардыко Виктор Иосифович(72) Автор Сардыко Виктор Иосифович(73) Патентообладатель Сардыко Виктор Иосифович(56) Сардыко В.И. Известия Белорусской инженерной академии. - 2000. -1(9)/2. С. 139-141.1771369 1, 1996.687508, 1979.496878, 1982.616788, 1981.(57) Устройство для создания стабилизированного режима генерации лазера, содержащее анизотропный кольцевой резонатор, пьезоэлектрический корректор, установленный с возможностью подстройки длины резонатора по поляризации излучения, намагниченную продольным магнитным полем активную среду, первую поляризационную призму с двумя выходами, первый и второй фотоприемники, детектор, эллипсометр в виде ячейки Керра,электрически связанный с модулирующим блоком, выход которого соединен со входом детектора, а оптически - с первой поляризационной призмой, выполненной с возможностью расщепления падающего излучения на два луча с ортогональными поляризациями и ориентированной с возможностью попадания лучей на первый и второй фотоприемники,причем первый фотоприемник электрически связан с последовательно соединенными первым предварительным усилителем, делителем напряжения, первым усилителем, детектором и первым задающим блоком, второй фотоприемник электрически связан со входом второго предварительного усилителя, выход которого соединен со вторым входом 9030 1 2007.04.30 делителя напряжения, усилитель постоянного тока, отличающееся тем, что кольцевой резонатор образован четырьмя зеркалами, а активная среда - четырьмя ориентированными в двух плоскостях активными элементами коаксиальной конструкции с внутренними зеркалами, каждый из которых электрически связан с соответствующим блоком питания содержит третий и четвертый фотоприемники, вторую поляризационную призму с двумя выходами, сумматор, дифференциальный усилитель, второй усилитель, второй задающий блок и четыре электромагнита, каждый из которых электрически связан с соответствующим блоком питания и установлен с возможностью намагничивания продольным магнитным полем соответствующего активного элемента, при этом контур кольцевого резонатора выполнен с изломом не более 5 для создания естественной циркулярно-фазовой анизотропии резонатора два из четырех образующих резонатор зеркал выполнены с возможностью прохождения через них оптического излучения, одно из упомянутых зеркал оптически связано с эллипсометром, ориентированным так, что его кристаллографические оси составляют углы 45 с направлением максимального отражения зеркал резонатора, при этом одна из компонент падающего излучения, расщепленного первой поляризационной призмой, коллинеарна азимуту максимального отражения зеркал резонатора, выход первого задающего блока соединен с входами первого, второго, третьего и четвертого блоков питания активных элементов второе из упомянутых зеркал оптически связано со второй поляризационной призмой, ориентированной так, что направление ее максимального пропускания составляет угол 45 с направлением максимального отражения зеркал резонатора и с возможностью попадания лучей расщепленного падающего излучения на третий и четвертый фотоприемники, выходы которых электрически связаны соответственно с первым и вторым входами сумматора и первым и вторым входами дифференциального усилителя, выход которого соединен с последовательно соединенными вторым усилителем,вторым задающим блоком и пьезоэлектрическим корректором, выход сумматора через усилитель постоянного тока соединен со входами блоков питания электромагнитов. Проблема стабилизации лазерных параметров имеет место практически всегда при использовании лазеров в технике, научных исследованиях, при стандартизации и т.д. Среди проблем, которые имеют место при использовании в волоконно-оптических линиях связи в качестве излучателя полупроводникового лазера, одной из основных является стабилизация параметров лазерного излучения. В этом отношении бесспорными преимуществами обладает хорошо изученный и наиболее совершенный в техническом отношении лазер. В окно прозрачности волоконно-оптических линий, кроме длины волны 3.39 мкм,попадает также длина волны 1.52 мкм, на которой также осуществлена генерация лазера 1. В настоящее время наиболее распространенной является технология - лазера, содержащаяся в патенте США 2. В этом лазере активная среда помещается в продольном магнитном поле, генерация осуществляется в продольной моде, расщепленной магнитным полем на две -компоненты с круговой поляризацией. Стабилизация частоты излучения лазера осуществляется в положение симметричной расстройки -компонент относительно центральной частоты усиления, когда интенсивности этих компонент одинаковы. Недостатком этого устройства является то, что оно применимо только для линейных лазеров, а также отсутствует стабилизация других лазерных параметров. Идея использования параметров поляризации излучения для его стабилизации рассматривалась и в работе 3. Этот способ, по сути, наиболее близок к предполагаемому изобретению. Реализующее этот способ устройство также является прототипом. Но и это изобретение имеет те же недостатки (оно применимо только для линейных лазеров, а также отсутствует стабилизация других лазерных параметров). В нем, кроме стабилизации частоты излучения, осуществляется и селекция типов колебаний. 2 9030 1 2007.04.30 Применение полупроводникового усилителя позволяет в линиях дальней связи обойтись без регенерации, а при использовании усилителя с распределенной обратной связью 4, 5 совмещать в таком усилителе и модулятор и мультиплекс. Для устранения обратного рассеяния можно использовать кольцевой лазер. Сущность изобретения. Задачей изобретения является разработка многочастотного лазера, стабилизированного по всем параметрам, нечувствительного к обратным рассеяниям. Эту задачу можно решить с помощью кольцевого лазера. Пусть резонатор кольцевого лазера обладает линейной 222 амплитудной 2 и фазовой 2 анизотропией, которая может быть вызвана небольшой анизотропией отражения от зеркал резонатора. Пусть в резонаторе имеет место небольшая регулируемая естественная циркулярно-фазовая анизотропия 2. Если активная среда намагничена продольным полем, она становится циркулярно анизотропной с анизотропией 222 магнитной амплитудной 2 и фазовой 2, зависящих от частоты. Расчет с использованием формализма матриц Джонса приводит к следующим результатам для азимута поляризациии эллиптичности 6. 1(1) 22 где предполагается, что линейная амплитудная анизотропияявляется доминирующей. Отсчет азимута поляризацииосуществляется от азимута . Пусть далее зеемановское расщепление между- компонентами контура усиления значительно превышает частотную область генерации, так что при генерации в области центральных частот одной- компоненты влияние другой- компоненты можно не учитывать. Тогда, как следует из работ 7, 8 2 2 где- коэффициент усиления на центральной частоте,,- допплеровская ширина линии усиления,расстройка 22 частоты генерацииотносительно центральной частотыодной из- компонент контура усиления. При наличии в резонаторе лазера частичного линейного поляризатора и оптического вращателя плоскости поляризации оптические потери в лазере минимальны для тех частот генерации, для которых вращение плоскости поляризации равно нулю. Поэтому регулируемая циркулярно-фазовая анизотропия в лазере позволяет осуществлять селекцию продольных мод с линейными поляризациями. Сущность стабилизации лазера по частоте и азимуту поляризации заключается в следующем. Регулируя величиныив соответствии с выражениями (1), (2), устанавливают такое положение, когда вращение плоскости поляризации на частоте генерации отсутствует. Это можно осуществлять последовательным изменениеми , а также изменением в небольших пределах магнитного поля. При необходимости в цепи обратной связи можно использовать логический элемент. При этом излучение будет линейно поляризованным в направлении максимального пропускания поляризатора. Выражение (2) для с имеет нечетную зависимость от расстройки частоты , что согласно (1) дляможно использовать для автоматической подстройки частоты излучения по азимуту поляризации . Выражение (2) для с определяет эллиптичность(1) излучения, что можно использовать для автоматической стабилизации коэффициента усиления . В частности, при настройке частоты на центр одной из -компонент 0, а эллиптичностьимеет линейную зависимость только от коэффициента усиления( -параметр). 3 9030 1 2007.04.30 При использовании продольного магнитного поля и ячейки Фарадея в резонаторе с углом поворота плоскости поляризации , не зависящим от частоты, генерация на соседней -компоненте оказывается подавленной, т.к. в области этих частот фарадеевское вращение в активной среде и ячейке Фарадея суммируется, что создает дополнительные потери на частичном поляризаторе. В лазере осуществляется генерация одинаковых для встречных направлений волн. На встречную волну обратное рассеяние влияет непосредственно. Поскольку обе встречные волны усиливаются одной и той же активной средой,прямая волна также может незначительно меняться под влиянием рассеянного излучения. Чтобы избежать этого влияния, в кольцевом лазере осуществляют однонаправленную генерацию. Простейшим устройством создания однонаправленной генерации в кольцевом лазере является конкурентное подавление встречной волны за счет хотя бы частичного возврата подавленного излучения в резонатор с помощью внешнего возвратного зеркала. Более эффективным методом создания однонаправленной генерации в кольцевом лазере является использование в резонаторе амплитудной невзаимности (разных добротностей для встречных направлений). Такую невзаимность в лазере с продольным магнитным полем можно создать, если в качестве вращателя плоскости поляризации с углом поворота 2 использовать естественный вращатель. Естественную циркулярно-фазовую анизотропию можно создать небольшим изломом контура резонатора, когда траектории лучей за обход резонатора не лежат в одной плоскости. Для одного из направлений распространения волны лазер работает аналогично рассмотренному выше. Единственное отличие в том, что регулировать величину циркулярно-фазовой анизотропии до ее полной компенсации в резонаторе необходимо изменением в небольших пределах магнитного поля на активной среде. Для одной из встречных волн эффект двух вращателей (эффект Фарадея в активной среде и естественное вращение) на данной частоте суммируется, что приводит к подавлению генерации для этой волны. Для другой волны суммарное вращение равно нулю, что не влияет на генерацию излучения. В то же время на другой -компоненте фарадеевское вращение в активной среде имеет противоположный знак, поэтому здесь имеет место противоположное направление распространения волн. Таким образом осуществляется стабилизированный режим генерации кольцевого лазера, встречные волны которого генерируют на разных частотах. Поэтому в этом лазере какое-либо влияние обратного рассеяния на характеристики лазерного излучения отсутствует. При соответствующей оптимизации возможны различные применения этого лазера с естественной циркулярно-фазовой анизотропией. Зеемановское расщепление контура усиления на две -компоненты, кратное модовому расстоянию резонатора (с - скорость света,- периметр резонатора), позволяет создать разработанный ранее 9 четырехволновой режим генерации, который, в сущности, является идеальным в лазерной гирометрии для измерения угловых перемещений. Основным недостатком этого аналога является нестабильность излучения. Наличие в резонаторе лазера небольшой линейной анизотропии, неизбежной в реальных устройствах, создает эллиптичность излучения, величину и азимут которой можно использовать для стабилизации этого излучения. Естественную циркулярно-фазовую анизотропию в резонаторе лазера можно создать,если вместо зеркал резонатора использовать отражатели полного внутреннего отражения. В этом случае также возникает разность фазовых скачков при отражении 10. Если эта разность равна , то использование двух отражателей, развернутых на некоторый угол, создает в резонаторе циркулярно-фазовую анизотропию 11. В отличие от зеркал при полном внутреннем отражении появление контролируемой линейно-фазовой анизотропии не сопровождается трудно контролируемой линейно-амплитудной анизотропией. В другом варианте в качестве зеркал резонатора используют уголковые отражатели,которые имеют циркулярно-фазовую анизотропию 12. Недостатком аналога 13 является нестабильность лазерного излучения. 4 9030 1 2007.04.30 Использование неоднородного магнитного поля позволяет осуществить стабилизированный режим генерации на нескольких продольных модах. Так, при продольном магнитном поле, создающем зеемановский сдвиг для одной из -компонент контура усиления,отличающемся для соседних участков активной среды на величину, кратную модовому, генерацию соседних участков активной среды можно осуществить авто номно на разных продольных модах, если эти участки активной среды обеспечивают необходимое превышение усиления над потерями, а разность зеемановских сдвигов для этих участков превышает частотную область генерации на каждой из них. Далее, при значительных частотных смещениях этих -компонент влияние компонент соседних участков активной среды практически полностью отсутствует, поэтому зависимость поляризационных характеристик (1),(2) от параметров лазера остается одинаковой для всех генерируемых продольных мод. Просто расстройкачастотыгенерируемой продольной моды будет осуществляться относительно центральной частотысвоей -компоненты контура усиления. Поэтому стабилизация частотных,амплитудных и поляризационных характеристик лазера осуществляется одинаково для всех частот генерации. Это значительно упрощает многоканальную связь в волоконнооптических линиях. В том случае, когда требуется только частотная стабилизация круговых поляризаций,задача значительно упрощается. Тогда достаточно использовать в резонаторе только естественную циркулярно-фазовую анизотропию. Стабилизация частот осуществляется в положение, когда интенсивности волн с ортоганальными круговыми поляризациями одинаковы. Для этого необходимо выделить с помощью ортогональных циркулярных поляризаторов эти волны, детектировать их интенсивности фотоприемниками, сигналы с которых подать на дифференциальный усилитель. Стабилизация осуществляется на минимум сигнала с дифференциального усилителя. Поскольку во встречных направлениях генерация осуществляется на ортоганальных круговых поляризациях, можно детектировать интенсивности встречных волн. Для устранения конкурентного взаимодействия встречных волн 14 можно использовать равноизотопную смесь . Такой способ стабилизации применим и при использовании неоднородного магнитного поля. Поскольку здесь существенно то, что в резонаторе не должно быть линейной амплитудной анизотропии, наиболее перспективным является вместо зеркал резонатора использовать отражатели полного внутреннего отражения. Стабилизация лазера поясняется фигурой, на которой изображен лазер, реализующий один из вариантов устройства. Лазер содержит зеркала 1, 2, 3, 4, образующие кольцевой резонатор, пьезоэлектрический корректор 5, активные элементы 6, 7, 8, 9 коаксиальной конструкции с внутренними зеркалами, блоки питания 10, 11, 12, 13 активных элементов. Активные элементы намагничены продольными магнитными полями с помощью электромагнитов 14, 15, 16, 17, магнитное поле на которых регулируется блоками питания 18,19, 20, 21. Активные элементы 6, 7, 8, 9 лежат в двух плоскостях. Излом контура резонатора составляет не более 5, что создает в резонаторе лазера небольшую по величине естественную циркулярно-фазовую анизотропию. В другом варианте в качестве зеркал резонатора используют уголковые отражатели,которые имеют циркулярно-фазовую анизотропию 15. Недостатком аналога 16 является нестабильность лазерного излучения. Усиление каждого активного элемента 6, 7, 8, 9 превышает полные оптические потери в резонаторе лазера. Зеемановские расщепления на каждом активном элементе отличают ра), и превышают частотные области генерации на них, т.е. 5 где 1-4, 1-4 - целые,- частотная область генерации на -ом активном элементе,- зеемановское смещение одной из -компонент относительно центральной частоты оптического перехода). Таким образом, каждый активный элемент обеспечивает автономную генерацию на своей -компоненте. Выходящее через зеркало 2 излучение анализируется эллипсометром. Элемент 30, образованный ячейкой Керра, ориентирован так, что его кристаллографические оси составляют углы 45 с направлением максимального отражения зеркал резонатора. Амплитудная анизотропия зеркал резонатора используется в качестве частичного линейного поляризатора. На элемент 30 подается переменное напряжение от модулирующего блока 31, что приводит к периодической модуляции величины анизотропии. Поляризационная призма 32 делит падающее излучение на два луча с ортогональными поляризациями. Призма ориентирована так, что одна из компонент расщепленного луча коллинеарна азимуту максимального отражения зеркал резонатора. Фотоприемники 33, 34 преобразуют световые сигналы в электрические. После предварительного усиления в усилителях 35, 36 сигналы подаются на делитель напряжений 37, вырабатывающий сигнал, пропорциональный отношению поступающих на него сигналов, который в силу малости эллиптичности оказывается пропорциональным . Сигнал с делителя напряжений 37 после усиления усилителем 38 подается на детектор 39, на который подается модулирующий сигнал с блока 31. Детектор вырабатывает сигнал, амплитуда которого определяется амплитудой сигнала с усилителя 38, а знак-знаком разности фаз сигналов с усилителя 38 и блока 31. После усиления сигнал с детектора 39 поступает на задающий блок 40, изменяющий накачку на активных элементах 6, 7, 8, 9. Таким образом, в системе осуществляется измерение эллиптичности излучения, что используется для автоматической подстройки коэффициентов усиления активных элементов. Излучение, выходящее через зеркало 3, используется для автоматической подстройки спектра частот. Но предварительно на первом этапе эксплуатации лазера устанавливается оптимальный режим генерации лазера с максимальной выходной мощностью излучения,когда осуществляется селекция продольных мод в пределах соответствующих -компонент с минимальным вращением плоскости поляризации излучения. Лазерное излучение попадает на призму 22 с двумя выходами. Призма ориентирована так, что направление ее максимального пропускания составляет угол 45 с направлением максимального отражения зеркал резонатора. Выходящее из призмы 22 излучение детектируется фотоприемниками 23, 24, электрически связанными с сумматором 25. Далее сигнал поступает на логический элемент, настраивающийся на максимум выходного сигнала, и затем на усилитель постоянного тока 26, регулирующий ток электромагнитов 18, 19, 20, 21, Таким образом устанавливается азимут поляризации выходящего излучения с минимальным вращением плоскости поляризации излучения и с максимальной выходной интенсивностью излучения. Отклонение от этого значения азимута поляризации используется в дальнейшем для стабилизации спектра частот. Одновременно с этим электрические сигналы с фотоприемников 23,24 поступают на дифференциальный усилитель 27 и после усиления в усилителе 28, электрически связанном с задающим блоком 29, регулируют опорное напряжение на пьезокорректоре 5. Поскольку выходной сигнал дифференциального усилителя 25 пропорционален 22,одновременно с автоматической подстройкой азимута поляризации на нулевое значение осуществляется в соответствии с (1) и автоматическая подстройка длины резонатора. Один из вариантов устройства представляет собой резонатор кольцевого лазера, образованный двумя отражателями полного внутреннего отражения. Отражатели представляют собой многогранные призмы, изготовленные из стекла с показателем преломления. Угол между плоскостью, перпендикулярной входному лучу, и первой боковой гранью 431 9030 1 2007.04.30 равен 1. Угол между -1 и -ой гранями равен К. Угол между 1-ой боковой гранью и плоскостью, перпендикулярной выходящему лучу, равен 1 (-количество боковых граней). Луч входит в призму через входную грань под углом Брюстера 0. Луч падает на боковые грани в одной и той же плоскости под углами к. При полном внутреннем 1 отражении, которое происходит при условии, возникает разность фазовых скач ковдля волн, поляризованных в плоскости падения волны и в перпендикулярной плоскости 17, 18. 2 2 22 В результате этого, кроме линейной амплитудной анизотропии, которая появляется при прохождении луча через входную грань, наклоненную под углом Брюстера, появляется и линейно-фазовая анизотропия, равная сумме фазовых скачков при каждом отражении от боковых граней, ориентированная так же, как и линейно-амплитудная анизотропия. Геометрический расчет показывает, что л-1. Для того, чтобы при отражении от всех боковых граней луч распространялся в обратном направлении, необходимо выполнение условия. 4 Таким образом, при условии полного внутреннего отражения для всех боковых граней 1 возникает линейно-фазовая анизотропия, равная сумме фазовых скачков (3) на 1 каждой боковой грани. Параметры , ,и углыв пределах условияи выра жений (3), (4) выбирают такими, чтобы для каждой призмы суммарная линейно-фазовая анизотропия равнялась . Далее, призмы ориентируют таким образом, чтобы азимуты линейно-фазовой анизотропии не совпадали путем разворота одной из призм на небольшой уголвокруг луча. Таким образом, в резонаторе создают естественную циркулярнофазовую анизотропию 2., где- матрица фазового скачка (3), сматрица вращения. Определитель произведения матриц равен произведению определителей. Поскольку с 1, то для того, чтобы М описывала линейно-фазовую анизотропию , необходимо, чтобы сумма фазовых скачков (3) при отражении от всех боковых граней равнялась . 1. Кузнецов А.А., Маш Д.И., Милинкис Б.М. и др. Условия работы ОКГ на газовых смесях - и Не-Хе. // РЭ.-1964.И.9. -10. - С.1893-1897. 2. Патент США 591161, МПК 2,01 3/10, 1978 (аналог). 3. А.с. СССР 1429882, МПК Н 01 3/13, 2000 (прототип). 4. Сардыко В.И., Сардыко Э.В. Лазерный усилитель с распределенной обратной связью. // Изв. БИА. Матер.междунар. н.-т. конфер. Соврем. средства связи. - 1997.1(3)/1/. - С. 117-118. 5. Сардыко В.И., Сардыко Э.В. Управление спектром излучения с помощью волоконно-оптического усилителя. // Изв. БИА. Матер.междунар. н.-т. конфер. Соврем. средства связи. - 1999. -1(7)/2. - С. 122-124. 6. Сардыко В.И. Кольцевые лазеры с анизотропным резонатором (Препринт 193 / ИФ АН БССР). - Минск. - 1980. - 60 с. 7. Войтович А.П., Сардыко В.И. Свойства кольцевых лазеров, содержащих оптические элементы с магнитным круговым дихроизмом // КЭ. - 1978. - Т. 5. -5. - С. 965-972. 8. Сардыко В.И., Смирнов А.Я. Использование кругового дихроизма для получения однонаправленной генерации в кольцевых лазерах // Опт. и спектроск. - 1982. - Т. 52.4. - С. 713-718 9. Войтович А.П., Сардыко В.И. Свойства кольцевых лазеров, содержащих оптические элементы с магнитным круговым дихроизмом // КЭ. - 1987. - Т. 5. -5. - С. 965-972 (аналог). 10. Ландсберг Г.С. Оптика. - М. Наука. 1976. - С.485. 11. А.с. СССЗ 682855, 1979. 12. Сардыко В.И. Матрица Джонса уголкового отражателя // Измерит.техника. - 1996.11. - С. 25-28. 13.Е// .-1962. . 52. -3. - . 253-257. 14. Ясинский В.М. Особенности четырехволновых режимов работы одноизотопного кольцевого - лазера с линейными и циркулярными поляризациями // КЭ. - 1996. Т. 23. -12. - С. 1086-1098, аналог. 15. Сардыко В.И. Матрица Джонса уголкового отражателя // Измерит. техника. - 1996.11. - С. 25-28. 16.Е//. - 1962. . 52. -3. - . 253-257. 17. Ландсберг Г.С. Оптика. - М. Наука. 1976. - С. 485. 18. Сардыко В.И. Матрица Джонса уголкового отражателя // Измерит. техника. - 1996.11. - С. 25-28. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.