RU2025007C1

RU2025007C1 - Resonator of submillimeter laser with optical pumping

Info

Publication number: RU2025007C1
Authority: RU
Inventors: В.А. Епишин; В.А. Маслов; В.Н. Рябых; В.М. Ткаченко; А.Н. Топков; Д.Н. Юндев
Original assignee: Епишин Владимир Андреевич; Маслов Вячеслав Александрович; Рябых Валерий Николаевич; Ткаченко Владимир Михайлович; Топков Александр Николаевич; Юндев Дмитрий Наумович
Priority date: 1992-03-16
Filing date: 1992-03-16
Publication date: 1994-12-15

Abstract

FIELD: quantum electronics. SUBSTANCE: resonator has metal waveguide of round cross-section, input mirror and mirror with output aperture displaced with reference to center of mirror and placed in region determined by values of radial coordinate chosen from condition 0,2a<r<0,8 a, where a is waveguide radius. EFFECT: enhanced efficiency. 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в лазерах субмиллиметрового (СБМ) диапазона с оптической накачкой. The invention relates to quantum electronics and can be used in lasers of the submillimeter (SBM) range with optical pumping.

Применение в СБМ лазерах металлических кювет для активного вещества, служащих также волноводными секциями СБМ резонатора, перспективно для обеспечения широкополосности частотных характеристик СБМ ячейки. Это связано с тем, что постоянная затухания моды металлического СБМ пропорциональна длине волны в степени 1,5, тогда как для диэлектрического волновода - в степени 2. The use of metal cuvettes for active substances in SBM lasers, which also serve as waveguide sections of the SBM resonator, is promising for ensuring the broadband frequency characteristics of the SBM cell. This is due to the fact that the damping constant of the metal SBM mode is proportional to the wavelength to the power of 1.5, while for the dielectric waveguide to the power of 2.

Для обеспечения высоких значений выходной мощности и монохроматичности генерации стремятся выполнить СБМ ячейку так, чтобы генерация происходила на основной моде. Для волноводных резонаторов с металлическими волноводными секциями в СБМ диапазоне такой модой является ТЕ₀₁. В (1) для обеспечения генерации на ТЕ₀₁ моде в СБМ волноводном лазере используется волновод малого диаметра, отношение которого к рабочей длине волны порядка 10. При этом условия генерации выполняются только для ТЕ₀₁ моды. Волноводный СБМ лазер с оптической накачкой состоит из металлического волновода и зеркал, одно из которых для обеспечения вывода СБМ сигнала выполнено в виде тонкой кремниевой пластины, частично пропускающей СБМ волны. Недостатком такого устройства является невозможность получить генерацию в широком диапазоне длин волн, так как с ростом длины волны потери энергии в тонком металлическом волноводе становятся столь высокими, что их невозможно компенсировать коэффициентом усиления активной среды.To ensure high values of the output power and monochromaticity of the generation, they strive to perform an SBM cell so that the generation occurs on the main mode. For waveguide resonators with metal waveguide sections in the SBM range, this mode is TE ₀₁ . In (1), to ensure lasing on the TE ₀₁ mode, a small diameter waveguide is used in the GMS laser waveguide, the ratio of which to the operating wavelength is of the order of 10. Moreover, the lasing conditions are satisfied only for the TE ₀₁ mode. An optical pumped optical waveguide SBM laser consists of a metal waveguide and mirrors, one of which, in order to ensure the output of the SBM signal, is made in the form of a thin silicon wafer partially transmitting the SBM wave. The disadvantage of this device is the inability to obtain generation in a wide range of wavelengths, since with increasing wavelength the energy loss in a thin metal waveguide becomes so high that it is impossible to compensate for the gain of the active medium.

Указанный недостаток устраняется в СБМ лазера (2) с металлическим волноводом кругового поперечного сечения и зеркалами, одно из которых содержит выходную апертуру, представляющую собой отверстие, расположенное в центре зеркала. Отношение диаметра волновода d к рабочей длине волны λ порядка 50. This drawback is eliminated in the SBM laser (2) with a metal waveguide of circular cross section and mirrors, one of which contains an output aperture, which is an opening located in the center of the mirror. The ratio of the waveguide diameter d to the working wavelength λ is of the order of 50.

Поскольку постоянная затухания металлического волновода пропорциональна а^-3, выбранное отношение а/λ позволяет в широком диапазоне длин волн достигать условия генерации, что обеспечивает возможность использования одной конструкции СБМ резонатора для создания лазера генерирующего в широкой области длин волн СБМ диапазона. Однако, в данном устройстве исчезает селективность основной моды. Как условия генерации, так и связь типов колебаний со свободным пространством обеспечивают многомодовую структуру выходного излучения, что снижает его монохроматичность.Since the attenuation constant of the metal waveguide is proportional to a ^-3 , the selected ratio a / λ allows the generation conditions to be achieved in a wide range of wavelengths, which makes it possible to use one design of the SBM resonator to create a laser generating a SBM range in a wide range of wavelengths. However, in this device, the selectivity of the main mode disappears. Both the generation conditions and the relation between the types of oscillations and the free space provide a multimode structure of the output radiation, which reduces its monochromaticity.

Кроме того, в данном устройстве для разных частот СБМ излучения получается различная его поляризация. Это происходит из-за того, что в силу осевой симметрии резонатора его неосесимметричные моды, например, ТЕ₁₁, ТМ₁₁, будут изменять свою поляризацию параллельно или перпендикулярно поляризации излучения накачки в зависимости от типа активного вещества.In addition, in this device for different frequencies of the SBM radiation, its different polarization is obtained. This is due to the fact that, due to the axial symmetry of the resonator, its non-axisymmetric modes, for example, TE ₁₁ , TM ₁₁ , will change their polarization parallel or perpendicular to the polarization of the pump radiation, depending on the type of active substance.

Для того, чтобы получить постоянную поляризацию СБМ излучения в рабочем диапазоне длин волн независимо от типа активного вещества и поляризации излучения накачки, а также иметь наименьшие паразитные потери энергии в материале стенок волновода, резонатор субмиллиметрового лазера с оптической накачкой, содержащий по крайней мере один металлический волновод круглого поперечного сечения, входное зеркало и зеркало с выходной апертурой отличается тем, что апертура смещена относительно центра зеркала и расположена в области, определяемой значениями радиальной координаты r из условия 0,2а < r < <0,8a, где а - радиус волновода. In order to obtain a constant polarization of the SBM radiation in the operating wavelength range regardless of the type of active substance and the polarization of the pump radiation, as well as to have the smallest spurious energy loss in the material of the waveguide walls, an optical pumped submillimeter laser resonator containing at least one metal waveguide circular cross-section, the input mirror and the mirror with the output aperture is characterized in that the aperture is offset from the center of the mirror and is located in the region defined by by the beginnings of the radial coordinate r from the condition 0.2a <r <<0.8a, where a is the radius of the waveguide.

Указанный технический результат достигается за счет того, что выходная апертура расположена в области поперечных координат, где доминирующая мода ТЕ₀₁ имеет максимальное значение для распределения интенсивности. В этом случае реализуется оптимальная связь ТЕ₀₁ моды со свободным пространством, обеспечивающая максимальную выходную мощность лазера. При r/a

0,2 и r/a

0,8 такая связь осуществляется для моды ТЕ₀₂.The specified technical result is achieved due to the fact that the output aperture is located in the transverse coordinate region, where the dominant mode TE ₀₁ has a maximum value for the intensity distribution. In this case, the optimal coupling of the TE ₀₁ mode with the free space is realized, which ensures the maximum laser output power. At r / a

0.2 and r / a

0.8, such a connection is made for the TE ₀₂ mode.

Обеспечивая генерацию для всех частот рабочего диапазона на ТЕ₀₁моде, имеющей круговую поляризацию, достигают следующие положительные качества излучения:
- постоянство поляризационных характеристик во всем рабочем диапазоне вне зависимости от активной среды и поляризаций излучения накачки,
- возможность выбором размеров выходной апертуры получить поляризацию, близкую к линейной,
- возможность путем обеспечения вращения выходного зеркала вокруг оси изменять плоскость поляризации выходного сигнала.By providing generation for all frequencies of the operating range on the TE ₀₁ mode, which has circular polarization, the following positive radiation qualities are achieved:
- the constancy of the polarization characteristics in the entire operating range, regardless of the active medium and the polarization of the pump radiation,
- the ability to select the size of the output aperture to obtain a polarization close to linear,
- the ability to ensure the rotation of the output mirror around the axis to change the plane of polarization of the output signal.

На чертеже приведена схема конкретной реализации резонатора, поясняющая его принцип действия. The drawing shows a diagram of a specific implementation of the resonator, explaining its operating principle.

Резонатор содержит зеркало 1 с осесимметричным отверстием, кювету 2 с активной средой и выходное зеркало 3 с апертурой 4, смещенной относительно центра зеркала. The resonator comprises a mirror 1 with an axisymmetric hole, a cuvette 2 with an active medium, and an output mirror 3 with an aperture 4 offset from the center of the mirror.

Излучение накачки через осесимметричное отверстие в зеркале 1 возбуждает СБМ активную среду, заключенную в кювету 2, являющуюся металлическим (медным) волноводом. СБМ сигнал выходит через апертуру 4 в зеркале 3. Медный волновод имеет диаметр 19,7 мм, входная апертура 2 мм, выходная - 3 мм. На различных активных средах получена генерация в диапазоне от 0,070 мм до 0,742 мм. The pump radiation through an axisymmetric hole in the mirror 1 excites the SBM active medium, enclosed in a cell 2, which is a metal (copper) waveguide. The SBM signal exits through aperture 4 in mirror 3. The copper waveguide has a diameter of 19.7 mm, the input aperture is 2 mm, and the output aperture is 3 mm. On various active media, generation in the range from 0.070 mm to 0.742 mm was obtained.

Данные о выходной мощности и степени линейной поляризации приведены в таблице в 4-й и 5-й колонках. Во 2-ой и 3-й колонках для сравнения приведены данные для прототипа. Из таблицы видно, что в диапазоне 0,119-0,742 мм для предлагаемого изобретения наблюдается более стабильная степень линейной поляризации при близких значениях выходной мощности. Data on the output power and the degree of linear polarization are given in the table in the 4th and 5th columns. In the 2nd and 3rd columns for comparison, the data for the prototype. The table shows that in the range of 0.119-0.742 mm for the present invention there is a more stable degree of linear polarization at close values of the output power.

Claims

RESONATOR OF A SUBMILLIMETER LASER WITH OPTICAL PUMPING, containing at least one metal waveguide of circular cross section, an input mirror with an output aperture, characterized in that the output aperture is offset from the center of the mirror and is located in the region determined by the values of the radial coordinate r from the condition
0.2 a <r <0.8 a,
where a is the radius of the waveguide.