Лазерный усилитель бегущей волны

Лазерный усилитель бегущей волны

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Использование: область квантовой электроники. Сущность изобретения: в лазерном усилителе бегущей волны сферические зеркала установлены на фокусном расстоянии друг от друга. Во втором сферическом зеркале выполнено отверстие, в котором установлено дополнительное зеркало с управляемым коэффициентом отражения . 2 з. п. ф-лы, 2 ил. со d 00 V©

m со о

GS

и 00

Формула изобретения

р

И

сируется в одну и ту же точку на отражающей поверхности зеркала с управляемым коэффициентом отражения. Другими словами , каждой моде усилителя соответствует точка на зеркале с управляемым коэффициентом отражения, в которой отражается только луч, соответствующий этой моде. Следовательно, изменяя коэффициент отражения участка поверхности зеркала с управляемым коэффициентом отражения. соответствующего выбранной моде, например , существенно увеличивая его по сравнению с коэффициентом отражения на остальной части отражающей поверхности, можно увеличить интенсивность излучения, распространяющегося по оси только этой моды. Поэтому, производя последовательное изменение коэффициента отражения участков зеркала с управляемым коэффициентом отражения, например, облучением точек этого зеркала электронным лучом, можно осуществлять сканирование направлением максимального усиления. При этом скорость сканирования может достигать 106 мод/с.

При введении двух дополнительных сферических зеркал - третьего и четвертого -излучение, подлежащее усилению, пройдя входное отверстие, падает на второе сферическое зеркало в световую зону 1. Далее. многократно отразившись от первого и второго сферических зеркал и зеркала с управляемым коэффициентом отражения, излучение осуществляет первую серию проходов через активную среду усилителя. По- ,сле последнего (шестого) прохода серии излучения попадает на третье сферическое зеркало в световую зону 16. Третьим зеркалом каждая из пространственных мод излучения фокусируется в точку на отражающей поверхности четвертого сферического зеркала , которым излучение направляется на третье зеркало в световую зону 18, после отражения от которого оптический сигнал поступает на второе сферическое зеркало в световую зону 19 как бы из нового входного отверстия. Осуществляется следующая серия проходов и т.д..до тех пор, пока излучение не выйдет из лазерного усилителя через выходное отверстие.

Включение усилителя на заданной моде осуществляется изменением коэффициента отражения зеркала с управляемым коэффициентом отражения в точке, куда фокусируется луч любой выбранной моды после каждого цикла проходов оптического сигнала , состоящего из шести проходов излучения через активную среду. Следует отметить, что данная оптическая система наиболее подходит для лазерного усилителя , у которого кювета с активной средой имеет прямоугольное сечение.

При введении в кювету цилиндрической формы дополнительных пятого и шестого сферических зеркал усилитель работает аналогично вышеописанному, за исключением того, что переход от одной серии проходов к следующей осуществляли третьим, четвертым, пятым и шестым сферическими зеркалами.

Отличительная особенность предлагаемой конструкции состоит в том, что при прохождении оптического сигнала через активную среду каждая из усиливаемых пространственных мод излучения фокусируется з одну и ту же точку на отражающей поверхности зеркала с управляемым коэффициентом отражения после каждого цикла ходов оптического сигнала, состоящего из шести проходов излучения через усиливаемую среду.

Цель изобретения достигается благодаря тому, что при подаче управляющего сигнала на зеркало с управляемым коэффициентом отражения его коэффициент отражения изменяется от rmin до rmax в точке, где фокусируется луч любой выбранной моды. Это позволяет увеличить интенсивность сигнала, распространяющегося по оси выбранной моды по отношению к сигналам , распространяющимся в остальных М-1 модах в (rmax/rmin)3 раз, где а - число отражений от зеркала с управляемым коэффициентом отражения. При этом в каждый данный момент времени усилие возможно лишь только на одной выбранной моде из М мод усилителя. Благодаря этому уменьшается в М раз интенсивность рассеянного назад излучения и увеличивается порог самовозбуждения (теоретически в М раз), что дает принципиальную возможность создать усилитель с включением усиления на заданной моде с коэффициентом усиления, превышающим в М раз усиление в известных ЛУ. усиливающих одновременно на М модах. В то же время в (гт|п/гтах)а раз меньше усиливается излучение, распространяющееся через участки зеркала с управляемым коэффициентом отражения с минимальным отражением по сравнению с излучением, проходящим через участки этого зеркала с максимальным отражением. Это позволяет уменьшить приведенную ко входу мощность спонтанного излучения усилителя предлагаемой конструкции по сравнению с известными конструкциями, усиливающими на М модах в

М

(М-1)(г /г ) +1

ml n max

раз, где Рмсп.вых. - МР1сп.ех. - приведенная ко входу мощность спонтанного излучения ЛУ, усиливающего одновременно на М модах;

(М-1-)

min

р1 +Р1

сп.вх сп.вх

приведенная ко входу мощность спонтанного излучени) ЛУ предлагаемой конструкции.

Оцен: а пороговых характеристик ФПУ, содержащ ix лазерный усилитель известной

20

Формула изобретения

1. ЛАЗЕРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ БЕГУ- Щ :.Й ВОЛНЫ, содержащий кювету с ак ивной средой, два сферических зеркала , с одинаковым радиусом кривизны г и входным и выходным отверстиями на одном из них, расположенные у прс тивоположных торцов кюветы, отли- „с чающийся тем, что, с целью повышения коэффициента усиления, повышения отнс.шения сигнал/шум при одновремен ной возможности управления положением оси диаграммы направленности, зо з .ркалэ установлены на фокусном расс ояний ..,руг от Друга, во втором сферпчемссь зеркале выполнено отверстие, в котор м установлено дополнительное зеркало с радиусом кривизны R с уп- 35 р.аляемь;м коэффициентом отражения, фо,ус, которого расположен на отражающей поверхности первого сферического зеркала.

конструкции с многомодовым усилением и лазерный усилитель предлагаемой конструкции , показала, что ЛУ предлагаемой конструкции при использовании его для

преддетекторного усиления оптического сигнала позволяет реализовать минимальный пороговый поток с помощью одноэлементного фотоприемника, причем, обладающего меньшей чувствительностью,

чем многоэлементный фотоприемник, использованный в ЛУ известной конструкции с многомодовым усилением.

0

с о 5

2. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что, с целью дополнительного повышен чя коэффициента усиления, в него в-зедены третье и четвертое сферические зеркала с радиусами кривизны R, при зтом третье зеркало примыкаем к первому, а четвертое - к втором /, фокус третьего сферического зеркала расположен в центре четвертого сферического зеркала, а фокус четвертого - на отражающей поверхности третьего сферического зеркала.

3. Усилитель по пп .1 и 2, отличающийся тем, что, с целью повышения коэффициента усиления лазерного усилителя с кюветой цилиндпрической формы , в его дополнительно введены пятое и шестое сферические зеркала с радиусом кривизны R, при этом пятое зеркало к первому, а шестое - к второ iy, фо; /с пятого зеркала расположен в цэнтр.:; шестого, а фокус шестого - на от; эжзющей поверхности первого сфф,1чес ою зеркала.

Редактор

Составитель Л.Иоффе Техред М.Моргентал

Корректор А.Обручар

(51) 6 Н 01 S 3/02 (u) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам к авторскому свидетельству (21) 4915785/25 (22) 04.03.91 (46) 10.01.96 Бил. М l (72) Курбатов Л.Н., Мартынов С.H., Свиридов А.Н., Федина Т.А. (7l) Научно-производственное объединение

"Орион" (56) 1ЕЕЕ J. of Quant Electron, ОЕ-6, 1970, р.86. 1ЕЕЕ А of Quanr Electron, ОЕ- :*., 1967, р.95, (54) ЛАЗЕРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ БЕГ"..:ЦЕЙ

ВОЛНЫ (19) SU (11) 1819083 (13) АХ (57) Использование: область квантовой электроники. Сущность изобретения: в лазерном усилителе бегущей волны сферические зеркала установлены на фокусном расстоянии друг от друга. Во втором сферическом зеркале выполнено отверстие, в котором установлено дополнительное зеркало с управляемым коэффициентом отражения. 2 з. и. ф-лы, 2 ил.

1819083 л2 !2

S—

Изобретение относится к приборам квантовой электроники, а точнее к устройствам, предназначенным для усиления интенсивности лазерного излучения — лазерным усилителям (ЛУ), и может использоваться в системах регистрации слабых оптических сигналов,:в частности для увеличения чувств ител ьн ости" фото п риемн их устройств (ФПУ) в активных локационных системах, предназначенных для получения изображений лоцируемых обьектов.

Целью изобретения является повышение коэффициента усиления, повышение отношения сигнал/шум при одновременной возможности управления положением оси диаграммы направленности.

Изобретение поясняется чертежами. где на фиг.1 представлен вариант конструкции предлагаемого устройства. а также последовательность точек падения (обозначенная цифрами 1 — 53) луча, прошедшего через кювету; на фиг.2 представлен вариант конструкции, позволяющий реализовать повышенный коэффициент усиления в кювете цилиндрической формы и последовательность точек падения луча, прошедшего через кювету.

Предлагаемый лазерный усилитель содержит кювету I с активной средой, входное и выходное отверстие !! и !!!, первое и второе сферическое зеркала IV u V с одинаковым радиусом кривизны R, расположенные на фокусном расстоянии друг от друга. Во втором сферическом зеркале выполнено отверстие. в котором установлено зеркало IV с управляемым коэффициентом отражения.

Фокус этого зеркала может лежать в плоскости, проходящей через его центр и центры входного и выходного отверстий, а может находиться вне этой плоскости. Предпочтительноее положение фокуса определяется геометрией кюветы с активной средой. Фокус первого сферического зеркала расположен в точке пересечения отражающей поверхности зеркала е управляемым коэффициентом отражения с продольной осью кюветы, а фокус второго сферического зеркала находится в точке пересечения первого сфериче.ского зеркала с продольной осью кюветы.

Фокус зеркала с управляемым коэффициентом отражения расположен на отражающей поверхности первого сферического зеркала так, чтобы луч от центра световой зоны и падающий в центр зеркала с управляемым коэффициентом отражения отражался в центр световой зоны 6.

Для реализации повышенного коэффициента усиления в устройство введены дополнительное третье и четвертое сферические зеркала VII u Vill с тем же ра5

40 диусом кривизны R. При этом фокус третьего сферического зеркала расположен в центре четвертого сферического зеркала, фокус которого расположен на отражающей поверхности третьего сферического зеркала так, чтобы луч, выходящий из центра световой зоны 16, после попадания в центр четвертого сферического зеркала отражался в центр световой эоны 18.

При использовании кюветы цилиндрической формы для дальнейшего увеличения коэффициента усиления в устройство введены пятое и шестое сферические зеркала IX и Х того же радиуса кривизны R. При этом фокус шестого сферического зеркала расположен в центре пятого сферического зеркала, а фокус пятого — на отражающей поверхности второго сферического зеркала так, чтобы луч, выходящий иэ центра световой зоны 43, после попадания в центр пятого сферического зеркала отражался в центр световой зоны 45, Устройство работает следующим образом.

Пройдя входное отверстие, излучение, распространяющееся в пределах угла поля зрения усилителя, поступает на второе сферическое зеркало в световую зону 1. Этим зеркалом каждая из пространственных мод излучения фокусируется в световой зоне 2 на отражающей поверхности первого сферического зеркала, После отражения от первого сферического зеркала излучение заполняет световую зону 3 на втором сферическом зеркале, которым излучение направляется на первое сферическое зеркало в световую зону 4, Первым зеркалом каждая из пространственных мод излучения фокусируется в пятно площадью где il- длина волны излучения;

Sax.îòâ. — площадь входного отверстия на зеркале с управляемым коэффициентом отражения.

Отразившись от зеркала с управляемым коэффициентом отражения, излучение заполняет на первом сферическом зеркале световую зону б рядом с входным отверстием и направляется на второе сферическое зеркало и т.д. до тех пор, пока излучение не выйдет из лазерного усилителя через выходное отверстие. Таким образом осуществляется многократное прохождение излучения через активную среду лазерного усилителя.

При этом в каждом цикле проходов каждая из пространственных мод излучения фоку1819083

55 сируется в одну и ту же точку на отражающей поверхности зеркала с управляемым коэффициентом отражения. Другими словами, каждой моде усилителя соответствует точка на зеркале с управляемым коэффициентом отражения, в которой отражается только луч, соответствующий этой моде.

Следовательно, изменяя коэффициент отражения участка поверхности зеркала с управляемым коэффициентом отражения. соответствующего выбранной моде, например, существенно увеличивая его по сравнению с коэффициентом отражения на остальной части отражающей поверхности, можно увеличить интенсивность излучения, распространяющегося по оси только этой моды. Поэтому, производя последовательное изменение коэффициента отражения участков зеркала с управляемым коэффициентом отражения, например. облучением точек этого зеркала электронным лучом, можно осуществлять сканирование направлением максимального усиления. При этом скорость сканирования может достигать 10 мод/с.

При введении двух дополнительных сферических зеркал — третьего и четвертого — излучение, подлежащее усилению, пройдя входное отверстие, падает на второе сферическое зеркало в световую зону 1. Далее, многократно отразившись от первого и второго сферических зеркал и зеркала с управляемым коэффициентом отражения, излучение осуществляет первую серию проходов через активную среду усилителя. По,сле последнего (шестого) прохода серии излучения попадает на третье сферическое зеркало в световую зону 16. Третьим зеркалом каждая иэ пространственных мод излучения фокусируется в точку на отражающей поверхности четвертого сферического зеркала, которым .излучение направляется на третье зеркало в световую зону 18, после отражения от которого оптический сигнал поступает на второе сферическое зеркало в световую зону 19 как бы из нового входного отверстия. Осуществляется следующая серия проходов и т.д. до тех пор, пока излучение не выйдет из лазерного усилителя через выходное отверстие.

Включение усилителя на заданной моде осуществляется изменением коэффициента отражения зеркала с управляемым коэффициентом отражения в точке, куда фокусируется луч любой выбранной моды после каждого цикла проходов оптического сигнала, состоящего иэ шести проходов излучения через активную среду. Следует отметить, что данная оптическая система наиболее подходит для лазерного усилите5

50 ля, у которого кювета с активной средой имеет прямоугольное сечение.

При введении в кювету цилиндрической формы дополнительных пятого и шестого сферических зеркал усилитель работает аналогично вышеописанному, эа исключением того, что переход от одной серии проходов к следующей осуществляли тре зим, четвертым, пятым и шестым сферическими зеркалами.

Отличительная особенность предлагаемой конструкции состоит в том, что при прохождении оптического сигнала через активную среду каждая из усиливаемых пространственных мод излучения фокусируется з одну и ту же точку на отражающей поверхности зеркала с управляемым коэффициентом отражения после каждого цикла ходов оптического сигнала, состоящего из шести проходов излучения через усиливаемую среду.

Цель изобретения достигается благодаря тому, что при подаче управляющего сигнала на зеркало с управляемым коэффициентом отражения его коэффициент отражения изменяется от г в п до г пах в точке, где фокусируется луч любой выбранной моды. Это позволяет увеличить интенсивность сигнала, распространяющегося по оси выбранной моды по отношению к сигналам, распространяющимся в остальных M-1 модах в (rmax/г®ь) раз, где а — число отражений от зеркала с управляемым коэффициентом отражения. При этом в каждый данный момент времени усилие возможно лишь только на одной выбранной моде иэ M мод усилителя, Благодаря этому уменьшается в М раз интенсивность рассеянного назад излучения и увеличивается порог самовозбуждения (теоретически в M раз), что дает принципиальную возможность создать усилитель с включением усиления на заданной моде с коэффициентом усиления, превышающим в M раз усиление в известных ЛУ, усиливающих одновременно на M модах. В то же время В (га!пlгвах) раэ мень ше усиливается излучение, распространяющееся через участки зеркала с управляемым коэффициентом отражения с минимальным отражением по сравнению с излучением, проходящим через участки этого зеркала с максимальным отражением. Это позволяет уменьшить приведенную ко входу мощность спонтанного излучения усилителя предлагаемой конструкции по сравнению с известными конструкциями, усиливающими на М модах в

P сп. вых М

P а сп.вх (М-1) (r бг ) +1

m i п аах

1819083 конструкции с многомодовым усилением и лазерный усилитель предлагаемой конструкции, показала, что ЛУ предлагаемой конструкции при использовании его для

5 преддетекторного усиления оптического сигнала позволяет реализовать минимальный пороговый поток с помощью одноэлементного фотоприемника, причем, обладающего меньшей чувствительностью, 10 чем многоэлементный фотоприемник, использованный в ЛУ известной конструкции с многомодовым усилением, сп. вых сп. вх сп. вх

max

1. ЛАЗЕРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ БЕГУЩ =Й ВОЛНЫ, содержащий кювету с ак ивной средой, два сферич;ских зерка,:а, с одинаковым радиусом кривизны

r и входным и выходным отверстиями на одном из них, расположенные у пр< тивоположных торцов кюветы, отличающийся тем, что, с целью повышения к< эффици.-:-нта усиления, повышения отн< шения сигнал/шум при одновременной возгожности управления положением оси диаграммы направленности, 30 з ркала уь: э :овлены на фокусном расс оянии ..ру от друга, во втором сфер "че,ко -; зеркале выполнено отверстие. в котор м установлено дополнительное зеркало с радиусом кривизны R с уп- 35 равляемь.:м коэффициентом отражения, фо.<ус, которого расположен на стражак щей поверхности первого сферического зев:<ала.

4 раз, где P сп.вых. - МР сп.вх. — приведенная м ко входу мощность спонтанного излучения

ЛУ, усиливающего одновременно на М модах;

r — (М-1-) P +Р приведен. ая ко входу мощность спонтанного иэлучени ЛУ предла аемой конструкции.

Оцен, а пороговых характеристик ФПУ, содержащ х лазерный усилитель известной

Формула изобретения

2. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что, с целью дополнительного повышен1я коэффициента усиления, в него введены третье и четвертое сфери:еские зеркала с радиусами кривизны R, при этом третье зеркало примы кае: к первому, а четвертое — к втором, фокус третьего сферического зеркала расположен в центре четвертого сфе: ического зеркала, а фокус четвертого - на о ражающей поверхности третьег . сферич-;::::кого зеркала.

3. Усилитель по пп .1 и 2, отличающийся тем, что, с целью повышения коэффи иента усиления лазерного усилителя с кюветой цилиндпрической формы, в его дополнительно введены пятое и шестое сферические зеркала с радиусом кривизны R, при этом пятое зеркало примыка-т к первому, а шестое к второ у, фо; ус пятого зеркала расположен в ц-.íòð..: шестого, а фокус шестого - на от.:; ажающей поверхности первого сф:ричес oi«, зеркала, 1819083

Корректор A.Oáðó÷àð

Произеодотеенно-издательский комбинат "Патент, г. Ужгород. Ул.Гагарина. 101

Редактор

Заказ 1445

Составитель Л.Иоффе

Техред М.Моргентал

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5