ПАССИВНЫЙ ЗАТВОР ДЛЯ МОДУЛЯЦИИ ДОБРОТНОСТИ РЕЗОНАТОРА ЛАЗЕРА Российский патент 1994 года по МПК H01S3/11 H01S3/127 

Описание патента на изобретение RU2012117C1

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано для формирования гигантских импульсов излучения в твердотельных, газовых лазерах и лазерах на красителях.

Известен пассивный затвор для модуляции добротности резонатора рубинового лазера на основе растворов просветляющихся веществ, содержащий расположенную в резонаторе лазера кювету с раствором просветляющегося вещества, оптимальная концентрация которого подбирается экспериментально путем измерения энергии излучения лазера после каждого изменения концентрации. Концентрация просветляющегося вещества, параметры резонатора и накачки подобраны таким образом, чтобы насыщающийся фильтр просветлялся в момент достижения максимальной инверсии в активном элементе. Быстрое включение добротности резонатора позволяет формировать гигантский импульс излучения [1] .

Недостатки устройства состоят в трудности подбора концентрации просветляющихся веществ для достижения максимальной энергии гигантского импульса, необходимость изменения концентрации просветляющихся веществ либо параметров резонатора при изменении условий накачки, в том числе связанных с деградацией ламп-вспышек или активного элемента в процессе эксплуатации.

Известно также устройство для модуляции добротности резонатора рубинового лазера с помощью фильтров на основе стекла КС-19. В резонатор лазера, образованный плоскими зеркалами, помещен насыщающийся фильтр, изготовленный в виде плоскопараллельной пластины из стекла КС-19. Для достижения максимальной энергии излучения толщина насыщающегося фильтра, параметры резонатора и накачки подобраны таким образом, чтобы включение добротности резонатора происходило при максимальной инверсии в активном элементе. Толщина фильтра подбирается путем последовательного введения в резонатор фильтров разной толщины и измерения энергии лазерного излучения [2] .

Недостатки устройства состоят в том, что необходимо иметь большой набор фильтров разной толщины; в необходимости выполнения повторного подбора параметров фильтра при изменении условий накачки активного элемента.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является пассивный затвор, содержащий расположенные в резонаторе лазера телескоп, образованный отрицательной и положительной линзами, и насыщающийся фильтр, расположенный в области резонатора с максимальной апертурой пучка. Для достижения максимальной энергии излучения в режиме пассивной модуляции добротности экспериментально подбирается толщина фильтра при фиксированном увеличении телескопа либо увеличение телескопа при фиксированной толщине фильтра [3] .

Недостатки описанного устройства состоят в трудности подбора параметров фильтра либо элементов резонатора; необходимости осуществлять замену фильтра либо изменять оптическую схему резонатора при изменении условий накачки активного элемента. Следует отметить, что в ряде случаев изменение условий накачки происходит неконтролируемо, что связано с деградацией элементов лазера, изменением температуры активного элемента и т. п.

Цель изобретения - увеличение энергии и пиковой мощности лазерного излучения, повышение воспроизводимости выходных характеристик лазера.

Это достигается тем, что в резонатор лазера, содержащий телескоп и насыщающийся фильтр, расположенный в области резонатора с максимальной апертурой пучка и обеспечивающий генерацию серии импульсов излучения при накачке активного элемента, помещен изготовленный из того же материала второй насыщающийся фильтр; причем второй фильтр закреплен в держателе, с помощью которого осуществляется перемещение фильтра вдоль оси резонатора, и помещен в область резонатора с расширяющейся апертурой пучка, таким образом, что при условии, что τнак < < τ , площадь апертуры пучка на поверхности второго фильтра (Sф2) и толщина второго фильтра (tф2) связаны следующим соотношением:
St= (n-1)tS0k1+ где n - число импульсов излучения в серии, генерируемых с первым фильтром в резонаторе;
tф1 - толщина первого фильтра;
Tф1 - пропускание первого фильтра на рабочей длине волны при отсутствии насыщения;
R - коэффициент отражения выходного зеркала резонатора;
Sо - площадь апертуры активного элемента;
k - увеличение телескопа;
χ - коэффициент заполнения резонатора;
τнак - длительность импульса накачки;
τ - эффективное время релаксации верхнего лазерного уровня в отсутствии внешнего поля. Сущность изобретения заключается в том, что предлагаемый пассивный затвор позволяет варьировать величину инверсии в активном элементе, накопленной к моменту срабатывания затвора, путем перемещения вдоль оси резонатора насыщающегося фильтра, расположенного в области резонатора с расширяющейся апертурой пучка, причем апертура этого фильтра рассчитывается по предлагаемой формуле. Другое отличие состоит в том, что в предлагаемом устройстве имеется возможность корректировки величины инверсии в активном элементе, при которой срабатывает затвор, в соответствии с изменившимися в процессе эксплуатации лазера условиями накачки, причем указанная корректировка не требует дополнительной юстировки оптической схемы резонатора лазера.

В случае применения одного насыщающегося фильтра в схеме, описанной в прототипе, инверсную населенность в активном элементе Nо, при которой начинается процесс генерации можно определить следующим образом:
No = Nпор. + μ χ k2 nф1 tф1 / Lаэ , (1) где Nпор. - пороговая инверсия при просветленном фильтре;
μ- отношение сечений индуцированного излучения фильтра и активной среды;
χ - коэффициент заполнения резонатора;
k - увеличение телескопа;
tф1 - толщина первого фильтра;
nф1 - концентрация активных молекул фильтра;
Lаэ - длина активного элемента.

Для достижения максимальной энергии излучения в импульсе параметры фильтра и резонатора подбираются таким образом, чтобы фильтр просветлялся при максимальной инверсии в активном элементе, т. е. должно выполняться следующее равенство:
No = Nмакс. (2), где Nмакс. - максимальная инверсия в активном элементе, достигаемая при оптимальной накачке.

Величину Nо при этом можно варьировать путем изменения увеличения телескопа либо путем изменения толщины фильтра.

При уменьшении эффективности накачки, связанном, например, с увеличением температуры активного элемента в процессе работы происходит уменьшение Nмакс. Поскольку величина Nо не зависит от накачки при уменьшении Nмакс, может иметь место соотношение:
No > Nмакс. (3), при выполнении которого пассивный затвор не сработает.

При введении в резонатор лазера второго насыщающегося фильтра величину инверсной населенности в активном элементе, при которой начинается процесс генерации (No*), можно оценить следующим образом, если пренебречь изменением Nпор, связанным с введением второго фильтра:
No* = Nпор. + μ χk2 nф1 (tф1 + tф2 ) /Lаэ (4)
Если при введении второго фильтра достигается моноимпульсный режим генерации, то при условии, что длительность импульса накачки ( τнак) много меньше эффективного времени релаксации верхнего лазерного уровня в отсутствии внешнего поля (τ ), имеем следующее соотношение: No* ≈ nNо,
(5) где n - число импульсов излучения в серии, генерируемой при аналогичных условиях накачки с первым фильтром.

Величина Nпор рассчитывается следующим образом:
Nпор = ( 2 βLаэ - ln R ) / 2σ21 Lаэ (6) где Sо - площадь сечения активного элемента;
R - коэффициент отражения выходного зеркала;
β- потери в активном элементе;
σ21- сечение индуцированного излучения лазерного перехода.

Предполагая, что основными потерями в резонаторе являются потери на излучение из формул (1), (4)-(6) получаем выражение для расчета площади апертуры второго фильтра:
St= (n-1)tS0k1+ (7)
Реализация изобретения для модуляции добротности резонатора рубинового лазера позволила в 1,6 раза увеличить энергию и примерно в 3 раза пиковую мощность генерации по сравнению с лазером с аналогичными параметрами, для модуляции добротности резонатора которого используется известный пассивный затвор. Сравнение характеристик лазеров с пассивной модуляцией добротности, осуществляемой известным и предлагаемым способом, показало, что использование предлагаемого способа позволяет улучшить воспроизводимость выходных характеристик лазера.

Таким образом, указанные отличия позволяют увеличить энергию и мощность лазерного излучения, увеличить воспроизводимость характеристик лазера, упростить подбор оптимальных параметров затвора.

На чертеже показана оптическая схема предлагаемого пассивного затвора.

Устройство содержит размещенный в резонаторе лазера телескоп, образованный отрицательной Л1 и положительной Л2 линзами. В резонатор лазера помещен фильтр Ф1, толщина которого выбрана таким образом, что лазер генерирует серию из n импульсов. В область резонатора с расширяющейся апертурой луча помещен изготовленный из того же материала второй фильтр Ф2, так, что толщина фильтра и апертура лазерного пучка на его поверхности связаны соотношением (7). Второй фильтр Ф2 закреплен в держателе, позволяющем перемещать его вдоль оси резонатора в направлениях, указанных на чертеже стрелками. АЭ - активный элемент лазера.

Пассивный затвор работает следующим образом. Выполнение условия (7) путем установки фильтра Ф2 в соответствующем месте резонатора позволяет реализовать условие (1), при котором пассивный затвор срабатывает в момент достижения максимальной инверсии в активном элементе. При изменении условий накачки следует найти новое положение фильтра Ф2 в резонаторе, такое, чтобы выполнялось условие (7). Это может быть сделано без дополнительной юстировки или замены оптических элементов резонатора.

Пассивный затвор использовался для модуляции добротности резонатора рубинового лазера. Длина и диаметр активного элемента составляли 100 и 10 мм соответственно. Резонатор лазера длиной 650 мм был образован плоским "глухим" зеркалом и выходным зеркалом с коэффициентом отражения 32% . В резонаторе был размещен телескоп с увеличением ≈ 2,2, образованный отрицательной линзой с фокусным расстоянием -120 мм и положительной линзой с фокусным расстоянием 265 мм, расположенными на расстоянии 145 мм друг от друга.

В область резонатора с максимальной апертурой луча был помещен насыщающийся фильтр, изготовленный из стекла КС-19 в виде плоскопараллельной пластины. При накачке активного элемента, осуществляемой с помощью блока питания "Накачка-3000" и двух ламп-вспышек ИСП-5000, лазер генерировал серию из восьми импульсов. Суммарная энергия излучения составляла 2,5 Дж при энергии, запасаемой в батарее конденсаторов, ≈ 3,2 кДж. В резонатор лазера в область между отрицательной и положительной линзами помещался второй насыщающийся фильтр из стекла КС-19 толщина 5 мм. Положение фильтра в резонаторе рассчитывалось из соотношения (7). Апертура фильтра, рассчитанная по формуле (8), составила величину ≈ 2 см2, этой апертуре соответствует максимальная энергия излучения.

Полученные в эксперименте при использовании предлагаемого пассивного затвора выходные характеристики лазера выше по сравнению с характеристиками, реализованными в прототипе. Так при длине и диаметре активного элемента, равных 120 и 8 мм соответственно, максимальная энергия излучения лазера составляла 0,5 Дж при максимальной пиковой мощности 107 Вт. В таком же лазере с предлагаемым пассивным затвором достигнута энергия излучения 0,8 Дж и пиковая мощность 2,5˙ 107 Вт.

Похожие патенты RU2012117C1

название год авторы номер документа
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР 1990
  • Насибов Александр Сергеевич[Ru]
  • Скорбун Анатолий Дмитриевич[Ua]
  • Скорбун Сергей Дмитриевич[Ru]
RU2034385C1
СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ УЛЬТРАКОРОТКИХ СВЕТОВЫХ ИМПУЛЬСОВ 1993
  • Горбунков М.В.
RU2056684C1
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР 1994
  • Безотосный В.В.
RU2119704C1
ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА И ДВУХИМПУЛЬСНЫЙ ЛАЗЕР 1998
  • Меснянкин Е.П.
  • Королев В.И.
  • Стариков А.Д.
RU2144722C1
СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИНВЕРСИИ В АКТИВНОМ ЭЛЕМЕНТЕ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА 1994
  • Бурцев А.В.
  • Крупенников А.А.
  • Сенатский Ю.В.
RU2086058C1
ХИМИЧЕСКИЙ ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР С НЕПРЕРЫВНОЙ НАКАЧКОЙ И МОДУЛЯЦИЕЙ ДОБРОТНОСТИ РЕЗОНАТОРА 2011
  • Авдеев Алексей Валерьевич
  • Башкин Анатолий Сергеевич
RU2494510C2
ЛАЗЕР С ПЕРЕСТРАИВАЕМЫМИ СПЕКТРАЛЬНЫМИ И ВРЕМЕННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ 1996
  • Ионин Андрей Алексеевич[Ru]
  • Синицын Дмитрий Васильевич[Ru]
  • Климачев Юрий Михайлович[Ru]
  • Кобза Генри[Us]
RU2106731C1
ЛАЗЕРНАЯ СРЕДА ДЛЯ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ПАССИВНЫХ ЗАТВОРОВ 1981
  • Мартынович Е.Ф.
  • Григоров В.А.
  • Токарев А.Г.
SU1018573A1
СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 1991
  • Зубарев И.Г.
  • Михайлов С.И.
  • Смирнов В.Г.
  • Гордеев А.А.
RU2019018C1
СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МЯГКОЙ ДИАФРАГМЫ 1998
  • Зубарев И.Г.
  • Пятахин М.В.
  • Сенатский Ю.В.
RU2140695C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 012 117 C1

Реферат патента 1994 года ПАССИВНЫЙ ЗАТВОР ДЛЯ МОДУЛЯЦИИ ДОБРОТНОСТИ РЕЗОНАТОРА ЛАЗЕРА

Область применения: в квантовой электронике для формирования гигантских импульсов излучения в твердотельных, газовых лазерах и лазерах на красителях. Сущность: для увеличения энергии и пиковой мощности лазерного излучения в моноимпульсном режиме генерации в резонатор лазера, содержащий телескоп и насыщающийся фильтр, расположенный в области резонатора с максимальной апертурой пучка и обеспечивающий генерацию серии импульсов излучения при накачке активного элемента, помещен изготовленный из материала первого фильтра второй насыщающийся фильтр, закрепленный в держателе с возможностью параллельного перемещения вдоль оси резонатора относительно начального положения, причем второй фильтр помещен в область резонатора с расширяющейся апертурой пучка таким образом, что площадь апертуры пучка на поверхности фильтра и толщина фильтра связаны приведенным в формуле изобретения. 1 ил.

Формула изобретения RU 2 012 117 C1

ПАССИВНЫЙ ЗАТВОР ДЛЯ МОДУЛЯЦИИ ДОБРОТНОСТИ РЕЗОНАТОРА ЛАЗЕРА, содержащий расположенные в резонаторе лазера телескоп и первый насыщающийся фильтр, размещенный в области резонатора с максимальной апертурой пучка и обеспечивающий генерацию серии импульсов излучения при накачке активного элемента лазера, отличающийся тем, что, с целью увеличения энергии и пиковой мощности лазерного излучения в моноимпульсном режиме генерации, в резонатор помещен изготовленный из материала первого фильтра второй насыщающийся фильтр, закрепленный в держателе с возможностью параллельного перемещения вдоль оси резонатора относительно начального положения, причем второй фильтр помещен в область резонатора с расширяющейся апертурой лазерного пучка, в которой площадь Sф2 апертуры пучка на поверхности второго фильтра и толщина tф2второго фильтра связаны следующим соотношением:
St= (n-1)tS0k1+ , ,
где n - число импульсов излучения в серии, генерируемых с первым фильтром в резонаторе;
tф1 - толщина первого фильтра;
Tф1 - пропускание первого фильтра на рабочей длине волны при отсутствии насыщения;
R - коэффициент отражения выходного зеркала резонатора;
S0 - площадь апертуры активного элемента;
k - увеличение телескопа;
χ - коэффициент заполнения резонатора.

RU 2 012 117 C1

Авторы

Ананьев В.Ю.

Лыткин А.П.

Хырбу А.В.

Даты

1994-04-30Публикация

1992-06-27Подача