201428. lajstromszámú szabadalom • Termostabil akusztooptikus módusszinkronizátor lézerekhez
1 HU 201428 B 2 A találmány tárgya termostabil akusztooptikus módusszinkronizátor lézerekhez, amelynek segítségével hőmérséklet-stabilizálás nélkül végezhető a módusszinkronizálás lézerekben. Mint ismeretes, a lézer rezonátorban elhelyezett aktív anyag erősítési görbéje alá általában a rezonátornak több saját módusa fér el, ezért a generáció több frekvencián (módusban) jelentkezik. Attól függően, hogy milyen széles az erősítési görbe és milyen távolságra vannak egymástól a rezonátort alkotó tükrök, több vagy kevesebb módus alakul ki, melyek konkurrálnak egymással. Ha a rezonátorba veszteséget vezetnek be, ezzel megváltoztatva a rezonátor jósági tényezőjét, befolyásolható a módusok kialakulása, illetve a kialakult módusok fázisa a veszteség célszerű időbeli vezérlésével. Ha a rezonátor jóságának periódikus változtatása (modulálása) olyan frekvencián történik, mely szinkronban van a módusok frekvenciakülönbségével, akkor a módusok között kölcsönhatás jön létre, és a különböző módusok fázisának illesztésével módusszinkronizált üzemmódot hozhatunk létre. Az aktív módusszinkronizálást a rezonátorba helyezett állóhullámú akusztooptikus modulátorral lehet megvalósítani. Előnye, hogy igen rövid (néhány pikoszekundumos) nagy teljesítményű lézerimpulzusok létrehozására ad lehetőséget alacsony vezérlő teljesítménnyel, mivel a modulálást a lézerküszöb jelenléte is elősegíti. Az ilyen jellegű modulátorok (móduszszinkronizátorok) ismétlési frekvenciája (mely megfelel az ultrahanghullám rezonancia frekvenciájának) viszont igen stabil kell legyen (Af/f~10'6), mivel a rezonancia frekvenciáiról való lecsúszás a moduláció hatásfokának rohamos csökkenéséhez vezet. Az eddig ismert módusszinkronizátorok aktív anyagból álló akusztikus rezonátort tartalmaznak, amely kontaktusokkal rendelkező ultrahangátalakítóval van ellátva. Az akusztikus rezonátort alkotó aktív anyag, melyben az ultrahanghullámok és a fény kölcsönhatása történik, ömlesztett kvarcból vagy ehhez hasonló anyagból (suprasilból, v. brasilból) készült, mivel ezek igen jó optikai minőségű, alacsony akusztikai abszorpcióval rendelkező, jól megmunkálható és viszonylag olcsó anyagok. Hátrányuk viszont, mely minden eddigi Diódusszinkronizátorra jellemző, hogy az ultrahanghullámok rezonanciafrekvenciája (amelyen a moduláció történik) függ a T hőmérséklettől, az ultrahanghullámok v sebességének hőmérsékletösszefüggése miatt. így ömlesztett kvarcban az ultrahanghullámok sebességének hőmérsékleti koefficiense ß“~x~r 116xl06 °Cr\ v aT ami 125 MHz rezonanciafrekvencián 1 'C hőmérsékletváltozás esetén 14,5 kHz frekvenciaeltolódást okoz. Ez a modulációs hatásfokot kb. a tized részére csökkenti. Emiatt az összes eddigi akusztooptikus móduszszinkronizátofral a stabil módusszinkronizálás csak At-0,1 °C-os hőmérsékletstabilizálással oldható meg, ami külön nehézséget jelent, mivel a rezonátorba hőstabilizáló elemet kell beépíteni, melyhez hőszabályozó elektronika is szükséges. Célunk a találmánnyal az említett hátrányok kiküszöbölése, és olyan termostabil akusztooptikus módusszinkronizátor létrehozása, mellyel hőmérsékletstabilizálás nélkül széles hőmérséklettartományban végezhető akusztooptikus módusszinkronizálás lézerekben. A találmány alapja az a felismerés, hogy ha az akusztikus rezonátor aktív anyagát kiegészítjük egy hasonló akusztikus impedanciájú, de ellenkező előjelű ultrahangsebességi hőmérsékleti koefficienssel rendelkező anyaggal, megfelelően megválasztott méretek esetén kompenzálni tudjuk az ily módon kialakított összetett akusztikus rezonátor rezonancia frekvenciájának hőmérsékletfüggését. A találmány szerinti termostabil akusztooptikus módusszinkronizátorban az akusztikus rezonátor aktív anyagához akusztikus illesztőréteggel az aktív anyag akusztikus impedanciájához hasonló, célszerűen attól 10 %-nál kisebb mértékben eltérő akusztikus impedanciával rendelkező hőmérsékletkompenzáló anyag van illesztve, amelyben ulrahanghullám sebességének hőmérsékleti koefficiense ellenkező előjelű, mint az aktív anyag hőmérsékleti koefficiense, továbbá az aktív anyagból és a hőmérsékletkompenzáló anyagból álló összetett akusztikus rezonátorban az aktív anyag és a hőmérsékletkompenzáló anyag hosszának aránya az ultrahang terjedési irányában b V2 j ß2-ot2 \ (1) h vi ai-ßi ahol li: az aktív anyag hossza, I2: a hőmérsékletkompenzáló anyag hossza, vi: ultrahangsebesség az aktív anyagban, V2‘. ultrahangsebesség a hőmérséklet kompenzáló anyagban, <xi: az aktív anyag hőtágulási tényezője, C12: a hőmérsékletkompenzáló anyag hőtágulási tényezője, ßi: az ultrahanghullámok sebességének hőmérsékleti koefficiense az aktív anyagban, és ß2: az ultrahanghullámok sebességének hőmérsékleti koefficiense a hőmérsékletkompenzáló anyagban. A találmány tárgyát a továbbiakban kiviteli példa és rajz alapján részletesebben ismertetjük. A rajzon az 1. ábra: a találmány szerinti módusszinkronizátor vázlata, és a 2. ábra: a találmány szerinti és egy hagyományos módusszinkronizátor hatásfokának hőmérsékletfüggése. Az 1. ábra szerinti módusszinkronizátor 1 aktív anyagához, amelyen a 6 lézersugár halad át, az akusztikus 3 illesztőréteggel a 2 hőmérsékletkompenzáló anyag van illesztve. A 2 hőmérsékletkompenzáló anyag akusztikus impedanciája hasonló az 1 aktív anyag akusztikus impedanciájához, azaz attól 10 ‘fonál kisebb mértékben tér el. A 2 hőmérsékletkompenzáló anyagban az ultrahanghullám sebességének ß2 hőmérsékleti koefficiense ellenkező előjelű, mint az aktív anyag ßi hőmérsékleti koefficiense. Az 1 aktív anyagból és a 2 hőmérsékletkompenzáló anyagból álló összetett akusztikus rezonátorban az 1 aktív anyag és a 2 hőmérsékletkompenzáló anyag h, ill. l2 hosszának aránya az ultrahang terjedési irányában 12 V2 / ß2-ct2^ (1) ll VI ' ai-ßi 1 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
