СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИМПУЛЬСА МОЩНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК H01S3/00 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании технологических и мощных лазеров для лазерного термоядерного синтеза.

Способы получения мощного лазерного излучения в лазерных системах на неодимовом стекле, работающих в наносекундном диапазоне длительностей импульса, находят широкое применение в различных областях науки и техники. В настоящее время в большинстве мощных установок используются одномодовые одночастотные задающие генераторы на стекле с Nd³⁺ или кристаллах YAG, YLF: Nd³⁺. Узкополосное излучение используется, в основном, из соображений большей лучевой стойкости оптических и активных элементов установок, а также для эффективного обращения волнового фронта (ОВФ), компрессии и преобразования частоты выходного сигнала в гармоники. Специфика усиления и съема запасенной в усилителе энергии узкополосным излучением при этом проявляется, в частности, в эффекте "выжигания" спектральной дыры в контуре неоднородно-уширенной линии усиления. В то же время экспериментально доказано, что при увеличении ширины спектра усиливаемого сигнала в силикатном неодимовом стекле ГЛС-1 до 100 см^-1 коэффициент усиления вырос на 25%. Кроме того, расширение спектра греющего излучения улучшает однородность облучения мишени и увеличивает поглощение в лазерной плазме. Таким образом, возникает техническое противоречие: с одной стороны усиливаемый сигнал должен быть узкополосным, чтобы не разрушались элементы эффективного ОВФ, компрессии, умножения частоты, а с другой стороны усиливаемый сигнал должен быть широкополосным для более эффективного съема запасенной в усилителе энергии.

Известен способ получения мощного лазерного излучения, состоящий в получении импульса излучения задающего генератора с большой шириной спектра генерации ( ≈100 ) и его последующем усилении в многокаскадном лазерном усилителе.

К недостаткам этого способа отноcитcя, во-первых, при получении широкополосного сигнала одновременно генерируется большое количество частот (продольных мод), в результате чего временная развертка импульса задающего генератора становится негладкой (из-за биения частот), что в конечном счете может приводить к понижению порогов разрушения элементов усилителя; во-вторых, большая ширина спектра сигнала делает невозможным применение этого способа в наиболее перспективных схемах двухпроходовых усилителей с ОВФ, так как для этого необходимо иметь ширину спектра усиливаемого сигнала по крайней мере не больше ширины линии спонтанного рассеяния Мандельштамма-Бриллюена (МБ) ( < 0,01 ). По этой же причине будет неэффективным преобразование частоты сигнала на выходе усилителя, что требуется для более эффективного поглощения в плазме при облучении мишени, а также сжатие импульса при ВРМБ-компрессии.

Наиболее близким по технической сущности является способ получения мощного лазерного излучения, состоящий в получении от задающего генератора импульса одномодового одночастотного излучения в наносекундном диапазоне длительности (ширина спектра генерации ≈ 0,003 , длительность τ_и = 30 нс) и последующем усилении в мощном двухпроходовом лазерном усилителе с само-ОВФ.

К недостаткам этого способа следует отнести недостаточное использование запасенной в усилителе энергии, вследствие несогласования спектров усиливаемого сигнала и контура усиления из-за неоднородного уширения линии люминесценции усилителя, следствием чего является хорошо известный эффект насыщения усиления, который и ограничивает возможность дальнейшего усиления.

Целью изобретения является увеличение энергии выходного излучения.

Поставленная цель достигается благодаря тому, что в способе получения мощного лазерного излучения, содержащем формирование задающего импульса в наносекундном диапазоне длительности и последующее его усиление в мощном двухпроходовом усилителе с ОВФ, формирование задающего импульса осуществляют путем генерации двух или более одночастотных моноимпульсов меньшей длительности на частотах
ν_n = ν_n-1 - Δν где n = 1,2,3... - номер моноимпульсов; Δν - полуширина частотного провала в контуре линии усиления двухпроходного усилителя, затем складывают их так, что нечетным и четным номерам импульсов соответствуют ортогональные поляризации, а импульсы одинаковой четности не перекрываются по времени, при этом после первого прохода через усилитель перед обращением волнового фронта осуществляют пространственное разделение каждых двух последовательных моноимпульсов.

На фиг. 1 изображено устройство, реализующее предложенный способ (для примера 2-х импульсов); на фиг.2 - графики, поясняющие работу системы формирования задающего импульса.

Устройство содержит систему формирования задающего импульса, которая включает в себя n задающих генераторов (для примера 2), собранных по традиционной элементной базе, плоские зеркала 1,2,3,4, активные элементы 5,6, модуляторы добротности 7,8, селекторы частоты 9,10, диафрагмы 11,12, зеркало 13 (в случае генерации более 2-х импульсов добавляются еще зеркала, например 14). Кроме этого, устройство содержит блок 15 развязки от мощного усилителя, мощный усилитель 16 (для примера два каскада усиления), двулучепреломляющий элемент 17, ОВФ-зеркало, состоящее из линзы 18 и ВРМБ-жидкости 19.

Устройство работает следующим образом. Задающие генераторы с активными элементами, например на Nd-стекле, настроены при помощи селекторов частоты 9,10 таким образом, что генерирует одночастотные моноимпульсы на частотах ν₁= ν_o и ν₂=ν_o-Δν, соответственно, где Δν - полуширина частотного провала в контуре линии усиления (фиг.3), и составляет 20-40 . При этом излучение одного генератора р-поляризовано, а другого генератора S-поляризовано. Импульсы складываются на зеркале 13 как показано на фиг.2. При этом длительность импульсов и задержка времени между импульсами легко подбирается синхронизацией работы внутрирезонаторных электрооптических модуляторов добротности 7,8, амплитуды соответствующей фильтрацией импульсов на выходе каждого генератора. В результате такого сложения (поляризации импульсов ортогональны, а поэтому амплитуды складываются алгебраически) получается импульс с гладкой временной огибающей и со смещением частоты за время импульса. Далее импульс проходит мощный усилитель 16, например на фосфатном неодимовом стекле, попадает на двулучепреломляющий элемент 17, например клин из исландского шпата, в результате чего излучение с р- и S-поляризацией падает на линзу 18 под разными углами и фокусируется в ВРМБ-кювету в разные места. Это требование вытекает из того, чтобы процесс ВРМБ частью импульса с частотой ν₂, попадающей за линию спонтанного рассеяния МБ частоты ν₁ и ортогональной поляризацией, не мешал процессу ОВФ на предыдущей части импульса, т.е. чтобы они пространственно не перекрывались в ВРМБ-кювете. Таким образом, в каждый момент времени на ОВФ-зеркало падает излучение с узкой шириной спектра (одночастотное). Отразившись от ОВФ-зеркала, излучение проходит в обратном порядке двулучепреломляющий элемент 17, усилитель 16. При этом на обратном проходе для эффективного съема запасенной энергии усиление, как и в прототипе, осуществляется в режиме глубокого насыщения, но за счет смещения части импульса из частотного провала в контуре усиления удается, в отличие от прототипа, снять дополнительно энергию, запасенную на Штарковских компонентах контура усиления, до этого практически не принимавших участие в усилении. Далее излучение выводится на мишень при помощи блока 15 развязки. Таким образом, удовлетворяются два "взаимоисключающих" требования: спектр усиливаемого сигнала должен быть широким, чтобы эффективнее снять запасенную в усилителе энергию, и спектр должен быть узким, чтобы было ОВФ.

В предложенном способе смещение частоты происходит в течение одного импульса и на значительную величину (20-50 ). Кроме того, в данном способе получения мощного лазерного излучения схема формирования задающего импульса позволяет легко регулировать длительность результирующего импульса, его форму, величину смещения частоты, что позволяет рассматривать также его как способ получения мощного лазерного излучения с регулируемыми параметрами (форма, длительность, ширина спектра).

Использование: в квантовой электронике, в мощных лазерных с неоднородно уширенной линией усиления. Сущность изобретения: способ получения импульса мощности лазерного излучения основан на формировании задающего импульса в наносекундном диапазоне делительности и в усилении его в мощном двухпроходном усилителе с неоднородно уширенной линией усиления и с обращением волнового фронта излучения. Формирование задающего импульса ведут генерацией двух или более одночастотных моноимпульсов мешьшей делительности, частоты которых удовлетворяют соотношению υ_n=υ_n-1-Δν , где n=1, 2, 3... номер моноимпульса; Δν - полуширина частоты провала в контуре линии усиления двухпроходного усилителя. Затем складывают их так, что нечетным и четным номерам импульсов соответствуют ортогональные поляризации, а импульсы одинаковой четности не перекрываются во времени. При этом после первого прохода через усилитель перед обращением волнового фронта осуществляют пространственное разделение каждых двух последовательных моноимпульсов. 3 ил.

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИМПУЛЬСА МОЩНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, заключающийся в формировании задающего импульса в наносекундном диапазоне длительности и в усилении его в мощном двухпроводном усилителе с неоднородно уширенной линией усиления и с обращением волнового фронта излучения, отличающийся тем, что, с целью увеличения энергии выходного излучения, формирование задающего импульса осуществляют путем генерации двух или более одночастотных моноимпульсов меньшей длительности, частоты которых удовлетворяют соотношению
ν_n=ν_n-1-Δ ν ,
где n = 1, 2, 3 ... - номер моноимпульса;
Δ ν - полуширина частоты провала в контуре линии усиления двухпроводного усилителя,
затем складывают их так, что нечетным и четным номерам импульсов соответствуют ортогональные поляризации, а импульсы одинаковой четности не перекрываются во времени, при этом после первого прохода через усилитель перед обращением волнового фронта осуществляют пространственное разделение каждых двух последовательных моноимпульсов.