SU556688A1

SU556688A1 - Laser with internal ultrasound modulation of radiation intensity

Info

Publication number: SU556688A1
Application number: SU752097349A
Authority: SU
Inventors: Г.Н. Белова
Original assignee: Предприятие П/Я А-1687
Priority date: 1975-01-17
Filing date: 1975-01-17
Publication date: 1979-05-15

Description

между частотой модул ции интенсивности и размерами активных стержней что и вл етс первым характерным недостатком таких лазеров. Второй недостаток обусловлен тем, что использование колеблющегос активног с.тержн дл модул ции излучени соз дает р д дополнительных трудностей при закреплении его в лазерной системе и требует конструировани специальной лазерной головки, в которую , кроме активного стержн , ламп накачки и отражател , входит ультра звуковой преобразователь. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству вл етс лазер, содержащий активную среду и два внешних зеркала оптичес кого резонатора, одно из которых за креплено на ультразвуковом преобразователе , возбуждающем колебани зеркала вдоль оси резонатора, а вто рое зеркало состоит из отражающего покрыти на подложке из оптически прозрачного материала 3. Указанный лазер по сравнению с лазерами с колеблющимс активным стержнем обладает тем преимуществом что позвол ет модулировать излучени на любой частоте в диапазоне от дес тка килогерц до нескольких мегаЗге независимо от размеров активного стержн . Ультразвукова колебательна система, с помощью которой возбуждаютс колебани зеркала ре-зонатора в .области частот до 100 кГц, состоит из преобразовател продольных колебаний (пьезоэлектрического пакетного, ферритового или магнитострикционного ), концентратора ультр звуковой энергии и стекл нной подложки с напыленным, полностью отражающим зеркалом. Длина всей колебательной системы равна целому числу полуволн ультразвука на выбранной частоте. Дл возбуждени колебаний зеркала резонатора в области частот от нескольких сотен килогерц до нескольких мегагерц используютс пьез кварцевые или пьезокерамические пла тины, совершающиепродольные колеба ни по толщине на основной частоте или на ее гармониках. Возбуждение ультразвуковых колебаний одного из зеркал вдоль оси резонатора позвол ет управл ть моментом генерации лазера и тем самым формировать выходное -излучение в виде 1р,ёгул рной последовательности импульсов (пичков), частота следовани которых строго соответствует частоте колебаний зеркал. При этом интенсивность излучени в каждом импульсе (пичке) значительно выше, чем при неподвижных зеркалах, а ее величина зависит от амплитуды ксзлебаний зеркала. Однако характер излучени в каждом импульсе (пичке) не мен етс , и изменение интенсивности во времени определ етс формой огибающей импульса (пичка). Отсутствие модул ции интенсивности в каждом отдельном импульсе (пичке) вл етс недостатком всех известных лазеров, который ограничивает возможности их использовани , например, в системах высокоскоростной фотографии, нелинейной оптики, лазерной локации. Цель изобретени - расширение функциональных возможностей устройства путем получени управл емого излучени в виде регул рных импульсов света с высокочастотным заполнением . Поставленна цель достигаетс за счет того, что подложка второго зеркала резонатора выполнена в виде устройства , возбуждающего в отражающем покрытии ультразвуковую; бегущую поверхностную волну. При этом подложка может быть выполнена из оптически прозрачного пьезоэлектрика, в средней части ее на стороне, обращенной к активной среде, нанесено отражающее покрытие, а по обе стороны от отражающего покрыти на той же поверхности , размещены система электродов , образующа совместно с пьезоэлектрической подложкой ультразвуковой преобразователь упругих поверхностных волн, и поглотитель. На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого лазера на фиг. 2 представлен эскиз второго зеркала резонатора . Устройство состоит из активной среды элемента 1, двух внайних зеркал 2 и 3 оптического резонатора, подложки 4 зеркала 2, ультразвукового преобразовател 5 продольных колебаний , концентратора 6, ультразвукового генератора 7, подложки 8 зеркала 3, котора выполнена в виде устройства, возбуждающего в отражающем покрытии ультразвуковую бегущую поверхностную волну. Подлсвкка 8 может быть выполнена из оптически прозрачного пьезоэлектрика, в средней части ее нанесено отражающее покрытие - зеркало 3, р дом с отражающим покрытием на той же стороне подложки размещена система электродов 9, образующа совместно с пьезоэлектрической подложкой 8 преобразователь лупругих поверхностных волн. Система электродов 9 соединена с высокочастотным генератором 10. На другом крае поверхности подложки за отражающим покрытием 3 находитс поглотитель 11, обеспечивалощий режим бегущей волны путем поглощени падающей на поглотитель 11 упругой поверхностной волны . Устройство работает следующим образом . Активный элемент 1 создает в оптическом резонаторе, образованном зеркалами 2 и 3, индуцированное излучение , которое выходит из резонатора через зеркало 3, состо щее из отреикающего покрыти на подложке 8 из оптически прозрачного материала. Колебани полностью отражающего зеркала 2 вдоль оси резонатора привод т к формированию в оптическом резонаторе излучени в виде регул рных световых импульсов (пичков), следующих с удвоенной частотой колебаний зеркала. Продольные колебани зеркала 2 возбуждаютс за счет закреплени подложки 4 зеркала 2 на ультразвуковом преобразователе :5 через концентратор 6 ультразвуковой энергии. При этом электрическое напр жение на ультразвуковой преобразователь 5 подаетс от генератора 7. Одновременно с возбуждением колебаний зеркала 2 во втором зеркале 3 возбуждаетс ультразвукова бегуща поверхностна волна.between the intensity modulation frequency and the size of the active rods, which is the first characteristic disadvantage of such lasers. The second drawback is due to the fact that the use of oscillating active strings for modulating radiation creates a number of additional difficulties in fixing it in a laser system and requires the design of a special laser head, which, in addition to the active rod, pumping lamps and reflector, includes ultra sound converter. The closest in technical essence to the proposed device is a laser containing an active medium and two external mirrors of an optical resonator, one of which is mounted on an ultrasonic transducer that excites the mirror oscillations along the axis of the resonator, and the second mirror consists of a reflective coating on a substrate of optically transparent material 3. The specified laser, compared with lasers with an oscillating active rod, has the advantage of allowing the modulation of radiation at any frequency in the range from ten kilohertz to several megaSg regardless of the size of the active rod. An ultrasonic oscillatory system, which excites oscillations of a resonator mirror in the frequency range up to 100 kHz, consists of a longitudinal oscillation transducer (piezoelectric packet, ferrite or magnetostrictive), ultrasonic energy concentrator and glass substrate with a sprayed, fully reflecting mirror. The length of the entire oscillatory system is equal to an integer number of half-waves of ultrasound at the selected frequency. In order to excite oscillations of the resonator mirror in the frequency range from several hundred kilohertz to several megahertz, quartz or piezoceramic plates are used that perform longitudinal vibrations in thickness at the fundamental frequency or at its harmonics. Excitation of ultrasonic oscillations of one of the mirrors along the resonator axis allows controlling the moment of laser generation and thus generating output radiation in the form of 1p, a regular sequence of pulses (spikes), the frequency of which strictly corresponds to the frequency of oscillations of the mirrors. At the same time, the intensity of radiation in each pulse (peak) is significantly higher than with stationary mirrors, and its value depends on the amplitude of the mirror stimulation. However, the nature of the radiation in each pulse (peak) does not change, and the change in intensity over time is determined by the shape of the pulse envelope (peak). The lack of intensity modulation in each individual pulse (peak) is a disadvantage of all known lasers, which limits their use, for example, in high-speed photography, nonlinear optics, and laser ranging systems. The purpose of the invention is to expand the functionality of the device by receiving controlled radiation in the form of regular light pulses with high-frequency filling. This goal is achieved due to the fact that the substrate of the second resonator mirror is made in the form of a device that excites ultrasound in the reflective coating; running surface wave. In this case, the substrate can be made of an optically transparent piezoelectric, in the middle part of it, on the side facing the active medium, a reflective coating is applied, and on both sides of the reflective coating on the same surface, an electrode system is placed, which together with the piezoelectric substrate forms an ultrasonic transducer elastic surface waves, and an absorber. FIG. 1 shows a block diagram of the proposed laser in FIG. 2 shows a sketch of the second resonator mirror. The device consists of the active medium of the element 1, two optical mirrors 2 and 3 of the optical resonator, the substrate 4 of the mirror 2, the ultrasonic transducer 5 longitudinal vibrations, the hub 6, the ultrasonic generator 7, the substrate 8 of the mirror 3, which is made in the form of a device exciting in a reflective coating ultrasonic traveling surface wave. The substrate 8 can be made of an optically transparent piezoelectric, in the middle part of it a reflective coating is applied - a mirror 3, next to a reflective coating on the same side of the substrate is a system of electrodes 9 forming, together with the piezoelectric substrate 8, a converter of elastic elastic waves. The electrode system 9 is connected to a high-frequency generator 10. At the other edge of the substrate surface, behind the reflective coating 3, there is an absorber 11, which ensures the traveling wave mode by absorbing the elastic surface wave incident on the absorber 11. The device works as follows. The active element 1 creates in the optical resonator formed by mirrors 2 and 3, induced radiation which emerges from the resonator through the mirror 3, which consists of a reflecting coating on the substrate 8 of an optically transparent material. Oscillations of a fully reflecting mirror 2 along the axis of the resonator lead to the formation in the optical resonator of radiation in the form of regular light pulses (spikes), following with a double frequency of oscillation of the mirror. The longitudinal oscillations of the mirror 2 are excited by fixing the substrate 4 of the mirror 2 on the ultrasonic transducer: 5 through ultrasonic energy concentrator 6. In this case, the electrical voltage to the ultrasonic transducer 5 is supplied from the generator 7. Simultaneously with the excitation of the oscillations of the mirror 2 in the second mirror 3, the ultrasonic traveling surface wave is excited.

Распространение поверхностной волны по свободной поверхности подложки с зеркалом приводит к деформации это поверхности с пространственным периодом , равным длине упругой поверхностной волны Ь . Поверхность зеркал из плоской превращаетс в волнистую, гофрированную. Така поверхность в случае бегущей ультразвуковой поверхностной волны дл падающего на нее светового пучка представл ет собой движущуюс со скоростью распространени звука фазовую дифракционную решетку .The propagation of a surface wave over the free surface of a substrate with a mirror leads to deformation of this surface with a spatial period equal to the length of the elastic surface wave b. The surface of the mirror changes from a flat one to a wavy, corrugated one. In the case of a traveling ultrasound surface wave for a light beam incident on it, such a surface is a phase diffraction grating moving at the speed of sound propagation.

В результате дифракции на такой фазовой решетке вс отраженна от зеркала светова энерги распредел етс между нулевым и более высокого пор дка дифракционными максимумам Угловое рассто ние ср между максимумами дл случа нормального падени на зеркало определ етс соотношением:As a result of diffraction on such a phase grating, the luminous energy reflected from the mirror is distributed between zero and a higher order of diffraction maxima. The angular distance mr between the maxima for the case of normal incidence on the mirror is determined by the relation:

sincp ±tn-,sincp ± tn-,

UU

где А - длина волны света, L - длина волны звука, л - пор док дифракции.where A is the wavelength of light, L is the wavelength of sound, and l is the order of diffraction.

Частота света в т-ом дифракционно максимуме отличаетс от частоты падающего света на величину, ± rof, где f частота ультразвуковой поверхностной волны.The frequency of the light in the m-th diffraction maximum differs from the frequency of the incident light by an amount, ± rof, where f is the frequency of the ultrasonic surface wave.

Отражение света под углом (pfp со сдвигом частоты на t mf приводит к по влению в резонаторе новых типов колебаний, частоты которых сдвинуты на величину,равную f. Многократность отражений света от зеркала к зеркалу в резонаторе при мгшых углах распространени iff обеспечивает не только усиление таких .искусственно созданны типов колебаний, но и их эффективное взаимодействие. Биени , возникающие при их взаимодействии, привод т к модул ции интенсивности в каждом импульсе (пичке) с частотой упругой поверхностной волны.Reflection of light at an angle (pfp with frequency shift by t mf results in the appearance in the resonator of new types of oscillations whose frequencies are shifted by an amount equal to f. Multiple reflections of light from mirror to mirror in the resonator at ambient propagation angles iff provide not only amplification of such Artificially created types of oscillations, but also their effective interaction. The beats arising from their interaction result in a modulation of the intensity in each pulse (peak) with the frequency of the elastic surface wave.

Известно несколько типов ультразвуковых преобразователей, с помощью которых можно возбудить на свободной поверхности подложки 8 с отражающим покрытием ультразвуковую поверхностную волну. Выбор типа ультразвукового преобразовател определ ет особенности устройства подложки 8 зеркала 3. Наиболее эффективное возбуждение ультразвуковых поверхностных волн в широком диапазоне частот позвол ют осуществл ть преобразователи типа фазова решетка (двухфазные или однофазные).There are several types of ultrasonic transducers with which you can excite an ultrasonic surface wave on the free surface of the substrate 8 with a reflective coating. The choice of the type of ultrasonic transducer determines the characteristics of the device of the substrate 8 of the mirror 3. The most effective excitation of ultrasonic surface waves in a wide frequency range is made possible by phase grating type transducers (two-phase or single-phase).

С точки зрени конструктивного решени предлагаемого устройства наиболее удобен дл использовани преобразователь типа двухфазна решетка (двухфазный гребенчатый преобразователь). Ё этом случае дл From the point of view of the constructive solution of the proposed device, a two-phase grating type converter (two-phase comb transducer) is most convenient to use. In this case for

0 возбуждени в отражающем покрытии зеркала 3 ультразвуковой поверхностной волны подложка 8 зеркала 3 выполнена из оптически прозрачного пьезоэлектрика и на поверхности ее 0 excitation in the reflective coating of the ultrasonic surface wave mirror 3 the substrate 8 of the mirror 3 is made of an optically transparent piezoelectric and on its surface

5 р дом с отражающим покрытием размещена система электродов 9, образующа совместно с пьезоэлектрической подложкой двухфазный гребенчатый преобразователь . На систему электрог0 дов 9 подаетс переменный электрический сигнал от высокочастотного генератора 10. Поглотитель 11 предотвращает отражение упругой поверхностной волны от кра подложки 8 и тем самым обеспечивает распростра5 нение в отражающем покрытии бегущей поверхностной волны.5, a system of electrodes 9 is placed next to the reflective coating, forming together with the piezoelectric substrate a two-phase comb transducer. The electrodiode 9 system is supplied with a variable electrical signal from the high-frequency generator 10. The absorber 11 prevents the elastic surface wave from reflecting from the edge of the substrate 8 and thereby ensures that the traveling surface wave propagates in the reflective coating.

Предлагаемый лазер с внутренней ультразвуковой модул цией интенсивности излучени вл етс устройством, The proposed laser with internal ultrasonic modulation of radiation intensity is a device

0 позвол ющим получать управл емое оптическое излучение в виде регул рных пакетов из импульсов длительно-. стью t li I / i с заданной частотой следовани пакетов и с заданной дли5 тельностью и Частотой повторени заполн ющих эти пакеты импульсов.0 allowing to obtain controlled optical radiation in the form of regular packets from pulses for a long time. with a given frequency of packets and with a given duration and repetition rate of pulses filling these packets.

Дл получени оптического излучени указанного вида не требуетс To obtain the optical radiation of the specified type is not required.

0 введени каких-либо дополнительных элементов в резонатор или вне его, а конструкци .зеркал оптического резонатора отличаетс простотой и легкостью выполнени . Их замена не требует перестройки всей лазерной сис5 темы, что особенно важно при необходимости быстрой частотной перестройки (изменени частоты следовани , пакетов или длительности импульсов высокочастотного заполнени ). Пред0 лагаемое устройство позвол ет свести до минимума габариты лазерной системы , осуществить модул цию без потерь общей энергии излучени , при увеличении его интенсивности, а также приThe insertion of any additional elements into or outside the resonator, and the design of the mirror of the optical resonator is characterized by simplicity and ease of implementation. Their replacement does not require restructuring of the entire laser system, which is especially important when fast frequency tuning is necessary (changing the frequency of the following, packets or the duration of the high-frequency filling pulses). The proposed device allows minimizing the dimensions of the laser system, modulating without loss of the total radiation energy, with an increase in its intensity, as well as with

малых мощност х модулирующих электрических сигналов..low power modulating electrical signals ..

Предлагаемый лазер может быть рекомендован дл применени в самых различных област х техники, например в лазерной локации, в высокоскоростной фотографии, в качестве генератора накачки в системах нелинейной оптики , в системах обработки информации .The proposed laser can be recommended for use in various fields of technology, for example, in laser locations, in high-speed photography, as a pump generator in nonlinear optics systems, in information processing systems.

Claims

1. A laser with internal ultrasound modulation of the intensity of radiation containing an active medium and two external mirrors of an optical resonator, one of which is fixed on an ultrasonic transducer exciting the mirror oscillations along the axis of the resonator, and the second mirror consists of a reflective coating on a substrate of optically selected material, characterized in that, in order to extend the functionality by receiving controlled radiation in the form of regular light pulses with high frequency filling, under the spoon of the second mirror is made in the form of a device that excites in the reflective coating an ultrasonic traveling surface wave.

2. The laser according to claim 1, characterized in that the substrate of the second resonator mirror is made of an optically transparent piezoelectric and in the middle part of it a reflective coating is applied on the side facing the active medium, and on both sides of the reflective coating are placed on the same surface an electrode system which, together with a piezoelectric substrate, forms an ultrasonic transducer of elastic surface waves, and an absorber.

Sources of information taken into account in the examination

1. Andrianova I.I. and others. Experimental study of the control of ruby laser generation using diffraction. modulator on a traveling modulated ultrasonic wave; Optics and Spectroscopy, 1966, vol. 20,, issue. 5, s. 924.

2. Belova G.N., Kuznetsov V.F. Ultrasonic modulation of an optical quantum generator. Acoustically Journal, 1969, Vol. 15, no. 1, s. five.

3. Belova G.N. Modulation of laser radiation with an oscillating mirror. Acoustic Journal, 1971, vol. 17, no. 3, s. 365.