ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

СЕЛЕКЦИЯ ПРОДОЛЬНЫХ МОД С ПОМОЩЬЮ ОДНОНАПРАВЛЕННЫХ КОЛЬЦЕВЫХ РЕЗОНАТОРОВ

Для однородно уширенной линии одномодовый режим генерации может быть достигнут автоматически или, по крайней мере, облегчен в практическом плане, если резонатор лазера выполнен в форме кольца, причем генерация осу­ществляется в одном направлении (см. рис. 5.4а). В этом случае явление про­странственного выжигания дырок в активной среде не проявляется, и, как было показано в разделе 7.7, лазер имеет тенденцию генерировать излучение в одномодовом режиме. На самом деле, если переход отчасти однородно уширен и если линия усиления является очень широкой, могут также понадобиться некоторые дополнительные селектирующие элементы, например двулучепре - ломляющие фильтры и/или эталоны Фабри-Перо. Дополнительное преиму­щество такой однонаправленной[36] кольцевой конфигурации заключается в дос­тижении более высокой выходной мощности, поскольку в этом случае вклад в выходное лазерное излучение вносит весь объем активной среды, а не только области, расположенные вблизи максимумов распределения стоячей волны.

Для осуществления работы упомянутой схемы необходимо внутрь резо­натора установить однонаправленное устройство или оптический диод, обес­печивающий преимущественное пропускание в одном направлении распро­странения пучка. Практически такое устройство может быть выполнено, как показано на рис. 7.23. Здесь, распространяющаяся в одном направлении вол­на, например слева направо, вначале проходит через входной поляризатор (поляризатор 1), а затем через стержень из подходящего прозрачного мате­риала (например, стекло), к которому приложено постоянное продольное магнитное поле (фарадеевский ротатор, или фарадеевский вращатель по­ляризации), после чего пучок проходит через выходной поляризатор (поля­ризатор 2), имеющий ту же ориентацию, что и первый поляризатор.[37]

Когда линейно поляризованный оптический пучок проходит через фа­радеевский ротатор, причем направление распространения пучка совпада­ет с направлением магнитного поля, выходной пучок остается линейно

Поляризованным, но при этом плоскость его поляризации поворачивается относительно оси. Направление поворота, если наблюдатель стоит лицом к падающему пучку, зависит от направления магнитного поля и от направле­ния распространения пучка. Это означает, что если смотреть навстречу пуч* ку, то при прохождении света слева направо плоскость поляризации повер­нется против часовой стрелки (рис. 7.24а), тогда как при прохождении света справа-налево (если опять смотреть навстречу пучку) плоскость поляризации повернется по часовой стрелке (см. рис. 7.246). По этой причине говорят, что фарадеевский ротатор представляет собой невзаимный интерес. После фара- деевского ротатора пучок проходит через двулучепреломляющую пластинку, в ходе прохождения которой возникает оптическая разность хода (к/2) между двумя пучками с разной поляризацией. Сдвиг фазы между этими пучками равен я, т. е. 2п(п0 — пе)1/к = я, где I — толщина пластинки, и если плоскость поляризации входного пучка образует с осью необыкновенного пучка угол а/2, то пластинка повернет плоскость поляризации на угол а по часовой стрелке, если смотреть навстречу пучку, (рис. 7.24а). Таким образом, если фарадеев­ский ротатор поворачивает плоскость поляризации против часовой стрелки на угол а, то два поворота плоскости поляризации взаимно компенсируются и пучок не претерпевает ослабления при прохождении через выходной поля­ризатор (поляризатор 2 на рис. 7.23). Однако если пучок распространяется в обратном направлении, справа налево (см. рис. 7.246), то поворот плоскости поляризации снова осуществится по часовой стрелке при прохождении пуч­ка через двулучепреломляющую пластинку (рис. 7.24б), и два поворота бу' дут складываться, образуя некоторый суммарный поворот, и пучок будет испытывать потери при прохождении через второй поляризатор (поляриза­тор 1 на рис. 7.23). Следует отметить, что эти потери могут достигать 100%» если полный поворот происходит на угол я/2. Для лазеров с небольшим уси#

Накачка пучком ионного лазера

Струя красителя ЛГ

Гальвано-пластинка

Вспомогательная перетяжка пучка

I Тонкий

Однонаправленное эталон оптическое устройство

Двулуче-

Преломляющая Коллимированный

Пластинка

Рис. 7.25

Схематическое представление мощного лазера на красителе в режиме одной продольной моды, в котором используется однонаправленный кольцевой резонатор

Лением полный угол поворота может составлять всего несколько градусов, но даже этого вполне достаточно, чтобы обеспечить разницу в потерях, необ­ходимую для осуществления однонаправленной схемы устройства. Следует также отметить, что при прохождении света через двулучепреломляющую пластинку поворот плоскости поляризации происходит по часовой стрелке независимо от направления распространения пучка (это также видно из рис. 7.24а и б). Таким образом, двулучепреломляющая пластинка представ­ляет собой двунаправленный оптический элемент.

В качестве примера на рис. 7.25 приведена конструкция резонатора в виде сложенного кольца, используемая в промышленном варианте непрерывного лазера на красителе. В данном случае накачка обеспечивается ионным лазе­ром, причем раствор красителя пропускают в виде струи поперек пучка на­качки. Селекция одной поперечной моды осуществляется автоматически за счет связанного со сфокусированной накачкой распределения усиления в поперечном направлении. Перестройка частоты генерации и уменьшение Ширины линии усиления осуществляются при помощи комбинации из дву- лучепреломляюгцего фильтра и двух эталонов Фабри-Перо — тонкого эта­лона и сканирующего эталона, имеющих разные области дисперсии.

Оптическая длина пути в резонаторе легко перестраивается изменением наклона плоскопараллельной стеклянной пластинки, вставленной внутрь Резонатора и управляемой электрически (гальвано-пластинка). Режим гене­рации одной продольной моды обеспечивается использованием однонаправ­ленного оптического устройства, состоящего из фарадеевского ротатора и Двулучепреломляющей пластинки. Следует отметить, что в данной схеме не ^пользуются отдельные поляризаторы, поскольку достаточные поляриза­ционные потери здесь обеспечиваются наклоненными под углом Брюстера Поверхностями оптических элементов.

Более современный и довольно интересный пример однонаправленной кольцевой схемы, использующей неплоский резонатор, широко использует­ся в Nd:YAG лазере (рис. 7.26) [21]. Резонатор выполнен в виде небольшой пластины (3x6x8 мм) из материала Nd:YAG, грани Б и D которой выреза - | ны под таким углом, что пучок проходит неплоский путь BCD, показанный на рисунке, где точка С расположена на верхней поверхности пластины. По­стоянные магниты формируют магнитное поле, направленное, как показано на рис. 7.26. При прохождении через резонатор пучок испытывает полное внутреннее отражение на поверхностях Б, С и D, а также отражается на по­верхности А многослойным диэлектрическим покрытием, которое действу­ет как выходное зеркало. Пластина из Nd:YAG играет роль и активной сре - j ды, и фарадеевского ротатора и возбуждается продольным пучком полу про - I водникового лазера (на рисунке не показан). При прохождении пучка имеет место механизм, аналогичный повороту плоскости поляризации полуволно­вой пластинкой.

Пусть наклонные грани В (направление ABC) и D (направление CDA) об­разуют с передней гранью А (направление DAB) угол Я. Предположим так - I же, что верхняя грань С (направление BCD) почти перпендикулярна этим угловым граням. Такая конфигурация приводит к вращению плоскости по - : ляризации и повороту изображения на угол 2Я после трех отражений пучка в точках Б, С и D. Поляризационно-чувствительным элементом здесь являет­ся многослойное диэлектрическое покрытие на поверхности А, коэффици­ент отражения которого зависит от поляризации пучка. Поскольку однород - І но уширенная линия Nd: YAG значительно уже линии лазера на красителе, и! разность частот между продольными модами (вследствие небольших разме - : ров резонатора на рис. 7.26) существенно больше разности частот в резонато - і ре на рис. 7.25, то нет необходимости использовать дополнительные селек­тирующие по частоте элементы (такие как двулучепреломляющие фильтры ; или эталоны Фабри-Перо).

Режим работы на одной поперечной моде достигается опять же автомати­чески, благодаря распределению усиления в поперечном направлении, обу­словленному сфокусированной накачкой. Таким образом, получается ком­пактное и монолитное одномодовое устройство.

Рис. 7.26

Nd:YAG лазер в режиме одной продольной моды, в котором

Используется

Однонаправленный неплоский кольцевой резонатор (согласно работе Кейна и Байера [21])