UA123331C2

UA123331C2 - LASER WITH TRANSVERSE RADIATION

Info

Publication number: UA123331C2
Application number: UAA201901586A
Authority: UA
Inventors: Михайло Іванович Дзюбенко; Юрій Юхимович Каменєв; Володимир Петрович Радіонов
Original assignee: Інститут Радіофізики Та Електроніки Ім. О.Я. Усикова Національної Академії Наук України
Priority date: 2019-02-18
Filing date: 2019-02-18
Publication date: 2021-03-17

Abstract

Винахід належить до лазера з поперечним виведенням випромінювання Галузь застосування: лазерна техніка, зокрема терагерцового діапазону хвиль. Лазер з поперечним виведенням випромінювання містить резонатор, утворений двома дзеркалами, між якими розміщені активний елемент та частково прозоре вихідне дзеркало у вигляді решітки з паралельних провідників, що розташована під кутом 45° до осі резонатора і споряджена пристроєм повороту її в площині розташування для регулювання виведення випромінювання з резонатора. Технічний результат: шляхом регулювання виведення випромінювання з резонатора досягається оптимальний зворотний зв'язок, що підвищує ККД лазера і потужність лазерного випромінювання.The invention relates to a laser with transverse radiation output Field of application: laser technology, in particular terahertz wavelength. The transverse radiation output laser comprises a resonator formed by two mirrors between which the active element and a partially transparent output mirror in the form of a grid of parallel conductors are placed at an angle of 45 ° to the resonator axis and equipped with a device for rotating from the resonator. EFFECT: by adjusting the output of radiation from the resonator, optimal feedback is achieved, which increases the efficiency of the laser and the power of the laser radiation.

Description

Запропонований винахід належить до лазерної техніки терагерцового (ТГцу) діапазону і може використовуватися для створення лазерів з плавним регулюванням виведення випромінювання з резонатора.The proposed invention belongs to laser technology in the terahertz (THz) range and can be used to create lasers with smooth adjustment of radiation output from the resonator.

На потужність і коефіцієнт корисної дії (ККД) лазера значно впливає коефіцієнт пропускання вивідного дзеркала резонатора, що забезпечує зворотний зв'язок. При занадто прозорому вивідному дзеркалі генерація в лазері може взагалі не виникати. При занадто малій прозорості вивідного дзеркала генерація виникає, але з резонатора виводиться невиправдано мала частина електромагнітного випромінювання, що знижує потужність і ККД лазера. Одержання максимальних потужності випромінювання й ККД можливе лише при оптимальній величині коефіцієнта пропускання вивідного дзеркала. Ця величина залежить від коефіцієнта підсилення активної речовини, форми й розмірів резонатора, а також від втрат у резонаторі.The power and efficiency of the laser is significantly affected by the transmittance of the output mirror of the resonator, which provides feedback. If the output mirror is too transparent, generation in the laser may not occur at all. If the transparency of the output mirror is too small, generation occurs, but an unreasonably small part of the electromagnetic radiation is output from the resonator, which reduces the power and efficiency of the laser. Obtaining the maximum radiation power and efficiency is possible only with the optimal value of the transmission coefficient of the output mirror. This value depends on the amplification factor of the active substance, the shape and dimensions of the resonator, as well as on losses in the resonator.

Як вихідні дзеркала ТГц лазерів можуть застосовуватись металеві дзеркала з отворами і металеві решітки, зокрема одновимірні, що утворені паралельними провідниками. Пропускання дзеркала з отвором залежить від діаметра отвору. Пропускання решітки залежить від ширини провідників і відстаней між ними.Metal mirrors with holes and metal gratings, in particular one-dimensional ones formed by parallel conductors, can be used as output mirrors of THz lasers. The transmission of a mirror with a hole depends on the diameter of the hole. The transmission of the grating depends on the width of the conductors and the distances between them.

Зазвичай вивідне дзеркало має постійні параметри, тому підбір оптимальної величини пропускання здійснюється шляхом його зміни. Через дискретність параметрів дзеркал важко точно підібрати оптимум. Але навіть ретельно підібране дзеркало не може бути оптимальним на всіх режимах роботи, оскільки посилення й згасання випромінювання в лазері може змінюватися в процесі його роботи внаслідок зміни енергії накачування або температури та інших параметрів активної речовини. Різне посилення й загасання в резонаторі мають коливання різних частот, а також різні поперечні моди випромінювання однієї частоти. Виходячи із усього цього, стає очевидним перевага вивідного дзеркала з можливістю плавної зміни його прозорості в процесі роботи лазера. Це дозволяє експлуатувати лазер з максимальним ККД на різних режимах роботи.Usually, the output mirror has constant parameters, so the selection of the optimal transmission value is carried out by changing it. Due to the discreteness of the mirror parameters, it is difficult to accurately choose the optimum. But even a carefully selected mirror cannot be optimal in all operating modes, since the amplification and attenuation of radiation in the laser may change during its operation due to changes in the pumping energy or temperature and other parameters of the active substance. Different amplification and attenuation in the resonator have oscillations of different frequencies, as well as different transverse modes of radiation of the same frequency. Based on all this, the advantage of the output mirror with the possibility of smoothly changing its transparency during laser operation becomes obvious. This allows operating the laser with maximum efficiency in various operating modes.

Відомий лазер, у якому для регулювання виведення випромінювання з резонатора використовується додаткове рухливе дзеркало зв'язку малого перерізу, розташоване під кутом до напрямку поширення випромінювання в резонаторі (Свейн Д. Устройство для регулирования связи на вьіходе лазера в дальней ИК области. Приборь для научньїх исследований, 1972. - МоA well-known laser in which an additional movable coupling mirror of small cross-section, located at an angle to the direction of propagation of radiation in the cavity, is used to regulate the output of radiation from the cavity (Svein D. Device for regulating the coupling at the output of the laser in the far IR region. A device for scientific research , 1972. - Mo

Зо 7.- 6. 66). Це дзеркало зв'язку може змінювати кут щодо осі резонатора. У результаті вдається плавно регулювати випромінювання, виведене з резонатора.From 7.- 6. 66). This communication mirror can change the angle with respect to the resonator axis. As a result, it is possible to smoothly regulate the radiation emitted from the resonator.

Недоліком такого пристрою є те, що елементи кріплення дзеркала зв'язку вносять додаткові втрати в резонатор. Крім цього у процесі регулювання відбувається зміна напрямку вивідного пучка випромінювання та його перерізу, що ускладнює узгодження лазера з лінією передачі.The disadvantage of such a device is that the attachment elements of the communication mirror introduce additional losses into the resonator. In addition, in the process of adjustment, the direction of the output beam of radiation and its cross-section change, which makes it difficult to match the laser with the transmission line.

Відомий також терагерцовий лазер з плавним регулюванням виведення випромінювання з резонатора (А.с. СССР Мо 1111657 от 1989 г; МКИ НО15 3/08, 3/22; Хвилевідний газовий лазер;Also known is a terahertz laser with smooth adjustment of radiation output from the resonator (A.s. USSR Mo 1111657 dated 1989; MKY NO15 3/08, 3/22; Waveguide gas laser;

Каменев Ю.Е., Киселев В.К., Кулешов Е.М., Литвинов Д.Д., Полупанов В.Н.). Резонатор цього лазера утворений двома дзеркалами, розміщеними з обох боків від активного елемента. Одне дзеркало є двогранним з кутом між гранями 907 і має механізм повороту навколо осі резонатора. Другим дзеркалом є металева дротяна решітка, через яку випромінювання виводиться з резонатора. Поворотом двогранного дзеркала навколо осі резонатора можна змінювати поляризацію відбитого від нього випромінювання й тим самим регулювати проходження випромінювання через вивідне дзеркало - решітку.Kamenev Yu.E., Kiselev V.K., Kuleshov E.M., Litvinov D.D., Polupanov V.N.). The resonator of this laser is formed by two mirrors placed on either side of the active element. One mirror is dihedral with an angle between the faces of 907 and has a rotation mechanism around the resonator axis. The second mirror is a metal wire grid through which the radiation is emitted from the resonator. By rotating the dihedral mirror around the axis of the resonator, it is possible to change the polarization of the radiation reflected from it and thereby regulate the passage of radiation through the output mirror - grating.

Перевагою такого лазера є можливість плавно і у широких межах регулювати пропускання вивідного дзеркала.The advantage of such a laser is the ability to smoothly and within wide limits adjust the transmission of the output mirror.

Недоліком лазера з таким резонатором є високі технологічні вимоги до виготовлення поворотного механізму двогранного дзеркала, оскільки при повороті дзеркала може порушуватись його юстування, що негативно впливає на ККД та потужність лазера. При регулюванні змінюється поляризація випромінювання від лінійної до еліптичної. Це не є корисним при багатьох вимірювальних застосуваннях терагерцових лазерів, де потрібна суто лінійна поляризація.The disadvantage of a laser with such a resonator is the high technological requirements for the manufacture of the rotary mechanism of the dihedral mirror, because when the mirror is turned, its alignment may be disturbed, which negatively affects the efficiency and power of the laser. When adjusting, the radiation polarization changes from linear to elliptical. This is not useful in many measurement applications of terahertz lasers where purely linear polarization is required.

Відомий також терагерцовий лазер з плавним регулюванням виведення випромінювання з резонатора (Патент України Мо 116914 від 25.05.2018 на винахід "Лазер з плавним регулюванням виведення випромінювання з резонатора", авт. М.І. Дзюбенко, В.О. Маслов, В.П.A terahertz laser with smooth adjustment of radiation output from the resonator is also known (Patent of Ukraine No. 116914 dated 05.25.2018 for the invention "Laser with smooth adjustment of radiation output from the resonator", authors M.I. Dzyubenko, V.O. Maslov, V.P .

Радіонов), резонатор якого утворений двома дзеркалами - конічним з кутом при вершині 90 та плоским, що споряджено механізмом зміщення у площині, перпендикулярній осі резонатора.Radionov), the resonator of which is formed by two mirrors - a conical one with an angle at the top of 90 and a flat one equipped with a displacement mechanism in a plane perpendicular to the axis of the resonator.

Обидва дзеркала мають осьові вивідні отвори. При зміщенні плоского дзеркала відбувається регулювання частки випромінювання, що виводиться через отвір в ньому. Через отвір в конічному дзеркалі випромінювання виводиться без регулювання і подається на прилади 60 контролю та управління лазером.Both mirrors have axial output holes. When the plane mirror is shifted, the amount of radiation emitted through the hole in it is adjusted. Through the hole in the conical mirror, the radiation is output without regulation and fed to the devices 60 for controlling and controlling the laser.

Перевагою лазера є регулювання виведення випромінювання з резонатора (через отвір у плоскому дзеркалі). Конічне дзеркало не потребує ретельного юстування, що підвищує стабільність лазера.The advantage of the laser is the regulation of the output of radiation from the resonator (through the hole in the flat mirror). The conical mirror does not require careful adjustment, which increases the stability of the laser.

Недоліком є малий переріз вихідного лазерного пучка, що обмежується діаметром вихідного отвору. Внаслідок цього вихідний лазерний пучок має суттєве дифракційне розходження, що збільшує втрати випромінювання.The disadvantage is the small cross-section of the output laser beam, which is limited by the diameter of the output hole. As a result, the output laser beam has significant diffraction divergence, which increases radiation losses.

Найбільш близьким за технічними ознаками до запропонованого винаходу і вибраним як прототип є терагерцовий лазер з поперечним виведенням випромінювання, резонатор якого утворено двома дзеркалами у вигляді 90-градусних тригранних кутових відбивачів (Ю.Е.The closest in terms of technical features to the proposed invention and chosen as a prototype is a terahertz laser with transverse output of radiation, the resonator of which is formed by two mirrors in the form of 90-degree trihedral corner reflectors (Y.E.

Каменев, Е.М. Кулешов. Особенности применения ретрорефлекторов в лазерньїх резонаторах субмиллиметрового диапазона./ Квантовая злектроника. - 1995. - 22, Мо 8. - С. 847-848.). Такі дзеркала не потребують юстування, але вивід випромінювання через них не можливий. Тому для виведення випромінювання застосовано додаткове, розташоване між відбивачами під кутом 45", частково прозоре дзеркало у вигляді плівки. Частка випромінювання, що відбивається від плівки, виводиться з резонатора по двом протилежним напрямкам під кутом 45" до осі резонатора.Kamenev, E.M. Kuleshov Peculiarities of the use of retroreflectors in laser resonators of the submillimeter range./ Quantum electronics. - 1995. - 22, Mo. 8. - P. 847-848.). Such mirrors do not require adjustment, but the output of radiation through them is not possible. Therefore, an additional, partially transparent mirror in the form of a film, located between the reflectors at an angle of 45", is used to emit radiation. Part of the radiation reflected from the film is emitted from the resonator in two opposite directions at an angle of 45" to the axis of the resonator.

Перевагою лазера є те, що 90-градусні кутові відбивачі не потребують юстування і тому резонатор не чутливий до механічних і теплових впливів, що підвищує стабільність лазера.The advantage of the laser is that the 90-degree corner reflectors do not require adjustment and therefore the resonator is not sensitive to mechanical and thermal influences, which increases the stability of the laser.

Вихідні лазерні пучки мають великий переріз, рівний перерізу резонатора, отже дифракційне розходження і втрати невеликі. Два вихідні лазерні пучки доцільні, оскільки один з них може подаватись на прилади контролю і управління лазера.The output laser beams have a large cross-section, equal to the cross-section of the resonator, so the diffraction divergence and losses are small. Two output laser beams are expedient, since one of them can be fed to the laser control and control devices.

Недоліком є те, що в такому лазері не здійснюється регулювання виведення випромінювання з резонатора.The disadvantage is that such a laser does not regulate the output of radiation from the resonator.

В основу винаходу поставлено задачу вдосконалити лазер шляхом здійснення регулювання виведення випромінювання з резонатора. Це дозволить досягти оптимального зворотного зв'язку, що підвищить ККД лазера і потужність лазерного випромінювання.The invention is based on the task of improving the laser by regulating the output of radiation from the resonator. This will allow to achieve optimal feedback, which will increase the efficiency of the laser and the power of laser radiation.

Поставлена задача вирішується тим, що в лазері з поперечним виведенням випромінювання, що містить резонатор, утворений двома дзеркалами, між якими розміщені активний елемент та частково прозоре вихідне дзеркало, що розташоване під кутом 45" до осі резонатора, відповідно до винаходу, як частково прозоре вихідне дзеркало застосовано решітку, утворену паралельними провідниками, з можливістю повороту її в площині розташування.The problem is solved by the fact that in a laser with transverse output of radiation containing a resonator formed by two mirrors, between which are placed an active element and a partially transparent output mirror located at an angle of 45" to the axis of the resonator, according to the invention, as a partially transparent output the mirror uses a grid formed by parallel conductors, with the possibility of turning it in the plane of location.

Завдяки тому, що при повороті решітки, в площині її розташування, змінюється перекриття потоку випромінювання провідниками решітки, це еквівалентно зміні параметрів решітки - ширини провідників і відстаней між ними. Отже змінюється відбиття від решітки і змінюється вивід випромінювання з резонатора. Це дозволяє досягти оптимального зворотного зв'язку, що підвищить ККД лазера і потужність лазерного випромінювання.Due to the fact that when the grid is rotated, in the plane of its location, the overlapping of the radiation flow by the grid conductors changes, this is equivalent to changing the grid parameters - the width of the conductors and the distances between them. Therefore, the reflection from the grating changes and the output of radiation from the resonator changes. This allows you to achieve optimal feedback, which will increase the efficiency of the laser and the power of laser radiation.

Суть винаходу пояснюється ілюстративно.The essence of the invention is explained illustratively.

На кресленні зображено схему лазерного резонатора.The drawing shows the scheme of a laser resonator.

Лазерний резонатор утворено дзеркалами 1, 2, як такі можуть використовуватись будь-які елементи повного відбиття, зокрема плоскі або ввігнуті дзеркала, конічні або тригранні відбивачі, що не потребують юстування. Між дзеркалами 1, 2 розташовані активний елемент З та решітка 4, що утворена паралельними металевими провідниками. Можна використовувати провідники різних форм перерізу, але для розширення діапазону регулювання бажано використовувати провідники круглого перерізу. Решітка 4 розташована в площині під кутом 457 до осі резонатора та дзеркал 1, 2 і споряджена механізмом повороту її у площині розташування (механізм повороту на схемі не показано).The laser resonator is formed by mirrors 1, 2, as such, any total reflection elements can be used, including flat or concave mirrors, conical or triangular reflectors that do not require adjustment. Between the mirrors 1, 2 are the active element C and the grid 4 formed by parallel metal conductors. You can use conductors of various cross-section shapes, but to expand the adjustment range, it is preferable to use round-section conductors. The grid 4 is located in a plane at an angle of 457 to the axis of the resonator and mirrors 1, 2 and is equipped with a mechanism for rotating it in the plane of location (the mechanism for rotation is not shown in the diagram).

Лазер працює наступним чином. Між дзеркалами 1, 2 накопичується лазерне випромінювання, що посилюється в активному елементі 3. Частина випромінювання відбивається від решітки 4 і виходить з резонатора двома шляхами у протилежних напрямках, перпендикулярних осі резонатора.The laser works as follows. Laser radiation accumulates between mirrors 1, 2 and is amplified in the active element 3. Part of the radiation is reflected from the grating 4 and leaves the resonator in two ways in opposite directions, perpendicular to the axis of the resonator.

Шляхом повороту решітки 4 у площині її розташування плавно регулюється виведення випромінювання з резонатора. Мінімальна частка випромінювання виводиться, коли провідники решітки 4 розташовані під кутом 45" до осі резонатора, тобто до шляху розповсюдження випромінювання. Максимальна частка виводиться, коли провідники решітки 4 розташовані під кутом 90" до осі резонатора, тобто до шляху розповсюдження випромінювання. Це еквівалентно зменшенню відстаней між провідниками решітки 4 і збільшенню відбиття від неї.By rotating the grid 4 in the plane of its location, the emission of radiation from the resonator is smoothly regulated. The minimum fraction of radiation is derived when the conductors of the grid 4 are located at an angle of 45" to the axis of the resonator, that is, to the path of radiation propagation. The maximum fraction is derived when the conductors of the grid 4 are located at an angle of 90" to the axis of the resonator, that is, to the path of radiation propagation. This is equivalent to reducing the distances between the conductors of the grid 4 and increasing the reflection from it.

Запропонований лазер дозволяє плавно змінювати частку випромінювання, що виводиться з резонатора. Це дозволяє досягти оптимального зворотного зв'язку, що підвищить ККД лазера і бо потужність лазерного випромінювання.The proposed laser allows you to smoothly change the proportion of radiation emitted from the resonator. This makes it possible to achieve optimal feedback, which will increase the efficiency of the laser and the power of laser radiation.

Claims

FORMULATION OF THE INVENTION A laser with a transverse output of radiation containing a resonator formed by two mirrors between which are placed an active element and a partially transparent output mirror located at an angle of 45" to the axis of the cavity, which is characterized by the fact that a grating is used as a partially transparent output mirror, formed by parallel conductors, with the possibility of turning it in the plane of location to regulate the output of radiation from the resonator.

З ОО 55555555, 555 В шк Ж Z х I кEOMMOMOU ОО КО ОК КК С: ВХ ХХ и я

W SHE KO oo te Z YAZ

WU KHIM! HOW FROM