Оптическая система для получения мощного лазерного излучения, модулированного в высокочастотном диапазоне
Полезная модель относится к области оптоэлектроники, в частности, к устройствам для получения мощного лазерного излучения, модулированного по времени в высокочастотном диапазоне, и может быть использована в области нелинейной оптики, контроля состояния окружающей среды с помощью лидаров, для формирования импульсов с временным мультиплексированием для радиочастотной и микроволновой фотоники, в современных средствах связи, для спектрального анализа и медицины.
В отличие от известной оптической системы для получения мощного лазерного излучения, модулированного в высокочастотном диапазоне, содержащей импульсно-периодический источник лазерного излучения, стретчер в качестве средства, служащего для преобразования оптических параметров излучения, и интерферометр, обеспечивающий генерацию разностной частоты, причем стретчер расположен вдоль оптической оси системы между импульсно-периодическим источником лазерного излучения и интерферометром, в предложенной системе вдоль оптической оси системы после интерферометра расположен, по крайней мере, один быстродействующий широкополосный оптический усилитель, обеспечивающий усиление всех спектральных компонент модулированного лазерного импульса. В частности, в оптической системе в качестве широкополосного оптического усилителя может быть выбран усилитель квантового и/или параметрического типа. Причем широкополосным оптическим усилителем квантового типа может быть усилитель на основе стекла или кристаллов, легированных ионами редкоземельных металлов, либо широкополосным оптическим усилителем параметрического типа может быть усилитель на основе нелинейных кристаллов. В качестве интерферометра в оптической системе использован интерферометр Майкельсона или интерферометр Маха-Цендера. Оптическая система для получения мощного лазерного излучения может быть дополнена квантовым усилителем, расположенным между стретчером и инферферометром.
Технический результат заключается в значительном уменьшении зависимости мощности выходного модулированного лазерного излучения от лучевой прочности элементов стретчера и интерферометра, и обеспечении возможности управления основными параметрами выходного модулированного лазерного излучения.
5 з.п.ф., 1 ил.
Полезная модель относится к области оптоэлектроники, в частности, к устройствам со стимулированным излучением, конкретно, к устройствам для получения мощного лазерного излучения, модулированного по времени в высокочастотном диапазоне путем преобразовании энергии оптического излучения в энергию высокочастотных колебаний электромагнитных волн (в т.ч. радиодиапазона, сверхвысокочастотного диапазона, терагерцового диапазона).
Полезная модель может быть использована в области нелинейной оптики, контроля состояния окружающей среды с помощью лидаров, для формирования импульсов с временным мультиплексированием для радиочастотной и микроволновой фотоники, в современных средствах связи, для спектрального анализа и медицины.
Известна оптическая система для получения лазерного излучения, модулированного в высокочастотном диапазоне, базирующаяся на высокочастотной модуляции лазерного излучения путем непосредственной модуляции тока накачки [Грибковский В.П. Полупроводниковые лазеры. Мн: Университетское, 1988 г. - 304 с.]. Данный подход характерен, в основном, для лазерных диодов и основывается на периодическом изменении питающего их тока. В устройство заложена электронная схема, управляющая выходными параметрами источника питания лазерного диода. Предельная частота модуляции зависит от времени жизни электронов в p-n переходе лазерного диода. Недостаток системы состоит в том, что выходная мощность лазерного излучения в данном случае ограничена мощностью лазерного диода (в настоящее время единицы ватт).
Известна оптическая система для получения лазерного излучения, модулированного в высокочастотном диапазоне, в основе которого высокочастотная модуляция лазерного излучения обеспечена путем использования электромагнитных волн радио- и микроволнового диапазона, которыми оптическое излучение модулируется в электрооптических и акустооптических кристаллах [Мустель Е.Р., Парыгин В.Н., Методы модуляции и сканирования света, М., 1970]. Под непосредственным действием промодулированного электрического сигнала, в случае электрооптического кристалла, и механических напряжений, созданных пьезоизлучателем, в случае акустооптического кристалла, происходит периодическое изменение показателя преломления, приводящее к модуляции лазерного излучения, проходящего сквозь кристалл. Система представляет собой электрооптический или акустооптический кристалл, помещенный между электродами генератора импульсных напряжений. Частота модуляции проходящего через кристалл оптического излучения зависит от частоты модуляции приложенного к нему напряжения. К недостаткам устройства следует отнести зависимость максимальной энергетики падающего на кристалл лазерного излучения от лучевой прочности кристалла.
Известна оптическая система для получения ВЧ-модулированного лазерного излучения путем генерации разностной частоты в нелинейно-оптическом кристалле при параметрическом взаимодействии волновых пакетов от двух лазерных источников с разными длинами волн [E.B.Petersen, W.Shi, D.T.Nguyen, Z.Yao, J.Zong, A.Chavez-Pirson, N.Peighambarian "Enhanced terahertz source based on external cavity difference frequency generation using monolithic single-frequency pulsed fiber lasers". Optics Letters, Vol.35, No.13, 2010]. Устройство включает в себя два независимых импульсно-периодических источника лазерного излучения, работающих на разных длинах волн, и нелинейно-оптический кристалл, обладающий свойствами многоволнового смешения. Также известна система для получения ВЧ-модулированного лазерного излучения на основе высокочастотной модуляции лазерного излучения путем генерации разностной частоты в нелинейно-оптическом кристалле при параметрическом взаимодействии волновых пакетов с разными частотами, полученными от одного источника [P.Zhao, S.Ragam, Yu.J.Ding, I.B.Zotova "Compact and portable terahertz source by mixing two frequencies generated simultaneously by a single solid-state laser", Optics Letters, Vol.35, No.23, 2010]. Система включает в себя один импульсно-периодический источник лазерного излучения, преобразователь частоты лазерного излучения, и нелинейно-оптический кристалл, обладающий свойствами многоволнового смешения. Недостатком данных оптических систем является то, что выходная энергия промодулированного излучения ограничена лучевой прочностью нелинейного кристалла. К тому же в оптических схемах данных устройств ограничены возможности по оперативному изменению разностной частоты, т.к. это связано с изменением длин волн генерации лазерных источников, а также, в ряде случаев, заменой нелинейного кристалла. Это приводит к ограничению возможности модуляции лазерного излучения с высокой энергетикой.
Известна оптическая система для получения модулированного в высокочастотной области лазерного излучения, основанная на взаимодействии волновых пакетов в электрооптическом интерферометре Маха-Цендера [Гуров И.П. «Основы теории информации и передачи сигналов», СПб: 2000, - 97 с.]. Оптическая система обеспечивает генерацию разностной частоты в высокочастотной области спектра при интерференции пакетов электромагнитных волн в интерферометре. Система представляет собой источник импульсно-периодического лазерного излучения, сопряженный с интерферометром Маха-Цендера воздушного или волноводного типов, а также нелинейной среды (нелинейно-оптический кристалл или оптоволокно), находящейся между электродами генератора импульсных напряжений. Моды, распространяющиеся по различным плечам интерферометра, приобретают разность фаз за счет электрооптического эффекта среды при приложении к ней модулирующего напряжения. К недостаткам устройства следует отнести невысокую эффективность преобразования и зависимость максимальной энергетики падающего на кристалл лазерного излучения от лучевой прочности кристалла.
Известна оптическая система для получения модулированного в высокочастотной области лазерного излучения, принятая нами за прототип, основанная на взаимодействии волновых пакетов в электрооптическом интерферометре Майкельсона [A.S.Weling, B.B.Hu, N.M.Froberg, D.H.Auston «Generation of tunable narrow-band THz radiation from large aperture photoconducting antennas», Appl.Phys.Lett. 64(2), 1994]. Оптическая система содержит импульсно-периодический источник лазерного излучения, стретчер в качестве средства, служащего для преобразования оптических параметров излучения, и интерферометр, обеспечивающий генерацию разностной частоты, причем стретчер расположен вдоль оптической оси системы между импульсно-периодическим источником лазерного излучения и интерферометром. Конкретнее, система представляет собой источник импульсно-периодического чирпированного с помощью стретчера лазерного излучения, сопряженный с интерферометром Майкельсона воздушного типа. При интерференции чирпированных лазерных импульсов возникает излучение, модулированное на разностной частоте, обусловленной параметрами чирпа и разностью длин плеч интерферометра. Данный подход к модуляции представляется наиболее удобным для получения мощного модулированного лазерного излучения. Недостаток системы при ее использовании в качестве самостоятельного устройства для получения модулированного лазерного излучения состоит в ограничении на выходную мощность лазерного излучения, связанном с лучевой прочностью оптических элементов стретчера и интерферометра, а также нелинейными эффектами, возникающими в среде, в которой распространяется лазерное излучение.
Задача состоит в расширении возможностей устройства при осуществлении высокочастотной модуляции лазерного излучения с точки зрения увеличения мощности модулированного излучения.
Технический результат заключается в значительном уменьшении зависимости мощности выходного модулированного лазерного излучения от лучевой прочности элементов стретчера и интерферометра и обеспечении возможности управления основными параметрами выходного модулированного лазерного излучения.
Данный технический результат достигается тем, что в отличие от известной оптической системы для получения мощного лазерного излучения, модулированного в высокочастотном диапазоне, содержащей импульсно-периодический источник лазерного излучения, стретчер в качестве средства, служащего для преобразования оптических параметров излучения, и интерферометр, обеспечивающий генерацию разностной частоты, причем стретчер расположен вдоль оптической оси системы между импульсно-периодическим источником лазерного излучения и интерферометром, в предложенной системе вдоль оптической оси системы после интерферометра расположен, по крайней мере, один быстродействующий широкополосный оптический усилитель.
В частности, в оптической системе в качестве широкополосного оптического усилителя может быть выбран усилитель квантового и/или параметрического типа. Причем широкополосным оптическим усилителем квантового типа может быть усилитель на основе стекла или кристаллов, легированных ионами редкоземельных металлов, либо широкополосным оптическим усилителем параметрического типа может быть усилитель на основе нелинейных кристаллов. В качестве интерферометра в оптической системе возможно использование интерферометра Майкельсона или интерферометра Маха-Цендера. Оптическая система для получения мощного лазерного излучения может быть дополнена квантовым усилителем, расположенным между стретчером и инферферометром.
Выбор в условиях применяемого подхода к модуляции лазерного излучения типа усилителя, исходя из заявляемого результата, обусловлен тем, что именно широкополосность усилителя обеспечивает усиление всех спектральных компонент модулированного лазерного импульса, что важно для повышения выходной мощности модулированного излучения, при этом быстродействие усилителя обеспечивает в соответствии с временем прохождения физических процессов возможность усиления именно высокочастотного модулированного импульса.
С точки зрения обеспечения возможности управления основными параметрами выходного модулированного лазерного излучения усилители могут иметь оптическую развязку в виде элементов поляризационной оптики, ячеек Поккельса и затворов Фарадея. Качество пучка может улучшаться путем введения между усилителями кюветных пространственных фильтров, оснащенных диафрагмами соответствующей формы и размера. Энергия излучения зависит от активной среды использованных усилителей и их количества в цепочке усиления.
На фиг. изображена принципиальная схема экспериментов. Здесь 1 - источник импульсно-периодического лазерного излучения - задающий генератор фемтосекундных лазерных импульсов; 2 - стретчер; входящие в состав интерферометра: 3 - делительное зеркало, 4 - глухие зеркала; а также 5 - ПЗС-камера; 6 - делительное зеркало; 7 -фотодиод; 8 - цифровой осциллограф; 9 - регенеративный квантовый усилитель мощности; 10 - квантовый усилитель мощности.
В основу заявляемой оптической системы заложена принципиальная оптическая схема, обеспечивающая высокочастотную модуляцию лазерного импульса и показывающая, что в данной схеме (прототип) может быть осуществлена высокочастотная модуляция лазерного излучения путем генерации разностной частоты с получением модулированного лазерного импульса. Однако, уровень выходной мощности импульса высокочастотного модулированного излучения ограничен лучевой прочностью оптических элементов, входящих в состав стретчера и интерферометра. Экспериментальная проверка заявленной оптической системы для получения мощного лазерного излучения, модулированного в высокочастотном диапазоне, проводилась на установке, принципиальная схема которой приведена на фиг. Задающий генератор фемтосекундных лазерных импульсов (1) генерировал серию спектрально-ограниченных фемтосекундных импульсов на длине волны 1054 нм с частотой следования ~100 МГц и средней мощностью 
100 мВт. Длительность одиночного импульса 
вх200 фс. Импульс растягивался (чирпировался) в четырехпроходном стретчере (2) на одной дифракционной решетке до длительности вых1,4 нс. Для измерений временной формы лазерных импульсов применялись фотодиод (7) и осциллограф (8) с полосой 6 ГГц, аппаратная функция 90 пс. Для измерений пространственной формы лазерных импульсов применялась ПЗС-камера (5). Сигнал поступал на ПЗС-камеру с делительного зеркала (6). Интерферометром служил интерферометр Майкельсона, образованный зеркалами (3), (4), в котором генерация разностной частоты при интерференции была обеспечена путем ручного задания разности хода чирпированных электромагнитных волн. В схеме модулированный импульс попадал в многопроходный регенеративный (квантовый) усилитель РУ (9) с развязкой, выполненной на основе ячеек Поккельса [О.В.Триканова, В.В.Романов, И.В.Рыжов, С.В.Соколовский, Н.Н.Рукавишников Регенеративный усилитель чирпированных лазерных импульсов. Пятая научно-техническая конференция «Молодежь в науке. Сборник докладов, с.643, Саров, 2007 г.], а затем усиливался в линейке квантовых усилителей УМ-1, УМ-2(10) с Nd:glass активной средой для увеличения мощности модулированного излучения [С.Г.Гаранин, Б.Г.Зималин, В.В.Романов, С.В.Соколовский, С.А.Сухарев, О.В.Триканова «Нано- и субнаносекундные лазерные импульсы с управляемой временной формой и спектральным составом излучения».0птический журнал, т.77, 
10, стр.26-31, 2010 г.].
Предлагаемая схема усиления позволяет усилить модулированный лазерный импульс до уровня мощности порядка 2 ТВт.
Для увеличения на несколько порядков мощности лазерного импульса при сохранении качества лазерного импульса можно использовать более широкополосные квантовые усилители, например с активной средой на основе Ti:sapphire [H.Kiriyama, M.Mori, Y.Nakai et al. "High temporal and spatial quality patawatt-class Ti:sapphire chirped-pulse amplification laser system", Optics Letters, v.35, no.10, 1497-1499 (2010)]. В качестве усилителей также можно использовать параметрические усилители на основе нелинейных Кристаллов KDP и DKDP [С.Г.Гаранин, В.Н.Гинсбург, Е.В.Катин и др. «Получение мощных сверхкоротких световых импульсов на основе широкополосного параметрического усиления чирпированных импульсов в кристаллах ОКВР. Экспериментальные результаты и перспективы», Труды ВНИИЭФ, вып.9, стр.210-223. Саров, 2005 г.]
Таким образом, предложенный подход к проблеме повышения выходной мощности в рамках выбранной схемы высокочастотной модуляции импульса лазерного излучения, состоящий во введении после интерферометра в оптическую систему для получения мощного лазерного модулированного в высокочастотном диапазоне излучения по прототипу, по крайней мере, одного быстродействующего широкополосного оптического усилителя, обеспечивающего усиление всех спектральных компонент модулированного лазерного импульса, позволит повысить выходную мощность лазерного излучения с существенным уменьшением зависимости мощности выходного модулированного лазерного излучения от лучевой прочности элементов стретчера и интерферометра и обеспечением возможности управления основными параметрами выходного модулированного лазерного излучения. Результатом усовершенствования оптической системы является расширение ее функциональных возможностей с точки зрения энергетики и технологичности.
1. Оптическая система для получения мощного лазерного излучения, модулированного в высокочастотном диапазоне, содержащая импульсно-периодический источник лазерного излучения, стретчер в качестве средства, служащего для преобразования оптических параметров излучения, и интерферометр, обеспечивающий генерацию разностной частоты, причем стретчер расположен вдоль оптической оси системы между импульсно-периодическим источником лазерного излучения и интерферометром, отличающаяся тем, что вдоль оптической оси системы после интерферометра расположен, по крайней мере, один быстродействующий широкополосный оптический усилитель.
2. Оптическая система для получения мощного лазерного излучения по п.1, отличающаяся тем, что в качестве широкополосного оптического усилителя выбран усилитель квантового и/или параметрического типа.
3. Оптическая система для получения мощного лазерного излучения по п.2, отличающаяся тем, что широкополосным оптическим усилителем квантового типа является усилитель на основе стекла или кристаллов, легированных ионами редкоземельных металлов.
4. Оптическая система для получения мощного лазерного излучения по п.2, отличающаяся тем, что широкополосным оптическим усилителем параметрического типа является усилитель на основе нелинейных кристаллов.
5. Оптическая система для получения мощного лазерного излучения по п.1, отличающаяся тем, что в качестве интерферометра использован интерферометр Майкельсона или интерферометр Маха-Цендера.
6. Оптическая система для получения мощного лазерного излучения по п.2, отличающаяся тем, что система дополнена квантовым усилителем, расположенным между стретчером и интерферометром.
