ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР С ПРОКАЧКОЙ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ Российский патент 1994 года по МПК H01S3/10 

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к лазерам с движущейся активной средой и непрерывным или квазинепрерывным возбуждением, и может быть использовано для получения мощного импульсно-периодического излучения для технологических применений, систем оптической локации и физических исследований, а также для расширениия возможностей и повышения эффективности технологических лазерных установок.

Известен импульсно-периодический лазер с движущейся активной средой [1] , содержащий систему непрерывного возбуждения рабочей среды и расположенный перпендикулярно направлению прокачки оптический резонатор с устройством, обеспечивающим периодическое изменение соотношения коэффициента усиления и потерь резонатора путем модуляции его добротности. Этот узел (модулятор) представляет собой вращающееся зеркало.

К недостаткам данных устройств следует отнести дополнительные потери в модуляторе, а также несогласованность периода модуляции добротности с временем пролета частиц активной среды через резонатор, что приводит к снижению средней мощности генерации и КПД.

Известен импульсно-периодический химический лазер с непрерывной накачкой и движущейся активной средой [2], который выбран в качестве прототипа. В нем период модуляции добротности согласуется со временем заполнения резонатора активной средой, которое, в свою очередь, предлагается брать равным длине резонатора вдоль потока деленной на скорость потока активной среды.

Недостатком такого лазера является то, что в нем не гарантировано точное согласование времени заполнения резонатора активной средой и периода модуляции добротности резонатора, поскольку в процессе работы скорость потока не измеряется и частота модуляции не подстраивается к ее возможным изменениям. Другим недостатком устройства является снижение мощности импульса излучения и КПД, которое происходит за счет дополнительных потерь, вносимых в резонатор модулятором. При модуляции добротности возникают также специфические потери, связанные с немгновенным характером включения добротности, вследствие чего в начале импульса генерации в условиях еще низкой добротности резонатора, имеет место поглощение части излучения в модулирующем устройстве. Кроме того, при модуляции добротности вращающимся диском или обтюратором происходит некоторое смещение каустики типов колебаний в резонаторе, что и приводит к дополнительным потерям мощности генерации и к увеличению расходимости излучения. Помимо этого, к недостаткам прототипа следует отнести сложность управления временными характеристиками излучения - частотой следования импульсов, их длительностью и формой, весьма важными при взаимодействии импульсно-периодического излучения с веществом, что приводит к ограничению технологических применений подобных лазеров.

Целью изобретения является организация в лазере с прокачкой рабочей среды и непрерывным возбуждением автомодуляционного режима генерации, который позволяет повысить мощность импульсно- периодической генерации и КПД лазера, уменьшить расходимость излучения и упростить конструкцию.

Это достигается тем, что в известном импульсно-периодическом лазере с прокачкой рабочей среды, содержащем систему непрерывного возбуждения рабочей среды и расположенный перпендикулярно направлению прокачки рабочей среды оптический резонатор с устройством, обеспе- чивающим периодическое изменение соотношения коэффициента усиления и потерь резонатора, последнее выполнено в виде расположенного выше по потоку многопроходного усилителя, вход которого оптически сопряжен с выходным зеркалом резонатора, при этом усилитель выполнен с числом проходов, обеспечивающим насыщение прокачиваемой через него возбужденной рабочей среды, а оптический резонатор выполнен с величиной потерь, при которой при заполнении его насыщенной средой происходит срыв генерации.

На чертеже показана схема устройства. На схеме представлены прокачиваемая рабочая среда 1, система 2 возбуждения, зона 3 возбуждения, возбужденная рабочая среда 4, зона 5 усиления длиной по потоку h₁, промежуточная зона (зазор между усилителем и генератором) 6 длиной вдоль потока h₂, зона 7 резонатора длиной по потоку h₃, зеркало 8 и выходное зеркало 9, образующие резонатор, диафрагма 10, поворотные зеркала 11, зеркала 12 усилителя и выходящее из лазера излучение 13.

Импульсно-периодический лазер с прокачкой рабочей среды, состоит из движущейся рабочей среды 1, например потока смеси газов СО₂-N₂-He, системы непрерывного возбуждения рабочей среды 2, например, использующей электрический разряд постоянного тока или ВЧ разряд, усилителя, образованного зеркалами 12, резонатора, образованного зеркалом 8 и выходным зеркалом 9, апертура которого ограничивается диафрагмой 10, и поворотных зеркал 11, соединяющих выход резонатора со входом усилителя.

Лазер работает следующим образом. Система 2 возбуждения обеспечивает непрерывное или квазинепрерывное возбуждение рабочей среды 1 в зоне 3 возбуждения, причем зона возбуждения может полностью или частично геометрически перекрываться с зоной 5 усиления и зоной 7 резонатора. Затем активная среда 4 поступает через зону усиления и промежуточную зону в зону резонатора, оптическая ось которого перпендикулярна направлению потока.

Механизм формирования автомодуляционного импульсно-периодического режима генерации в заявляемом устройстве заключается в следующем. При поступлении в резонатор возбужденной рабочей среды, коэффициент усиления которой превосходит величину потерь резонатора, в нем за счет индуцированных переходов генерируется лазерное излучение. Часть этого излучения через выходное зеркало 9 выходит из резонатора и поворотными зеркалами 11 направляется в зону 5 усиления. В усилителе, образованном высокоотражающими зеркалами 12, слегка наклоненными друг к другу для предотвращения самовозбуждения генерации, это излучение усиливается, многократно отражаясь от его зеркал 12. Наряду с плоскими зеркалами в усилителе могут быть использованы зеркала криволинейного профиля, которые позволяют получить более равномерное заполнение зоны усиления полем излучения.

Число проходов усилителя должно быть достаточно большим для максимально полного съема энергии с прокачиваемой через него возбужденной рабочей среды. При этом инверсия на рабочем переходе и коэффициент усиления возбужденной рабочей среды в усилителе резко падают, т.е. происходит ее насыщение. Когда такая насыщенная среда втекает в резонатор, генерация в нем прекращается. Для этого коэффициент пропускания выходного зеркала резонатора, определяющий величину потерь резонатора, должен быть достаточно большим, чтобы коэффициент усиления насыщенной в усилителе среды с учетом его возможного частичного восстановления в промежуточной зоне между усилителем и резонатором был ниже уровня потерь резонатора.

При заполнении усилителя и резонатора возбужденной рабочей средой развивается следующий импульс генерации и процесс повторяется. Отметим, что упомянутое выше ограничение на величину потерь резонатора имеет принципиальное значение для работы устройства, так как при увеличении добротности резонатора автомодуляционные колебания могут оказаться затухающими и система перейдет в режим стационарной генерации, который в этих условиях будет для нее энергетически более выгодным.

В описанном устройстве основной съем энергии с возбужденной рабочей среды производится в зоне усилителя, объем которого значительно превосходит объем резонатора. Поэтому некоторое снижение добротности резонатора не оказывает заметного влияния на высокую эффективность съема энергии, достигаемую в данном устройстве.

Период следования импульсов излучения определяется временем пролета активной среды через систему. Длительность импульса определяется, в основном, временем пролета рабочей средой апертуры резонатора и зазора между усилителем и резонатором, а также величиной потерь резонатора.

Влияние релаксационных процессов в активной среде, таких как процессы колебательного энергообмена в молекулярных газах СО, СО₂, N₂, приводит к усложнению временных характеристик импульсно-периодического излучения. Последние сложным образом зависят от параметров системы (геометрические размеры, скорость потока, коэффициент усиления среды, расположение зоны возбуждения и др.) и констант релаксации среды. При этом может наблюдаться возникновение "пичковой структуры" в огибающей импульсов, увеличение частоты следования импульсов и другие явления.

Заявляемое устройство опpобовано в газодинамическом лазере с тепловым возбуждением. Рабочим веществом служила смесь СО₂:Ar (1:3). Активная среда двигалась со скоростью ≈ 1500 м/с, ненасыщенный коэффициент усиления на рабочем переходе 03¹0-10⁰0 молекулы СО₂, с длиной волны 18,4 мкм составлял около 1 м^-1. В канале постоянного сечения поперек потока был установлен устойчивый резонатор, образованный глухим золотым зеркалом и полупрозрачным выходным зеркалом с коэффициентом пропускания ≈ 30% и размером апертуры около 1 см. Поворотные зеркала направляли выходящее из резонатора через выходное зеркало излучение в образованный плоскими золотыми зеркалами многопроходный усилитель с полной длиной усиления луча 5 м, расположенный выше резонатора по потоку. Усилитель усиливал излучение до уровня 100 Вт, при этом коэффициент усиления активной среды насыщался согласно расчетам до величины k_н = 0,25 м, что обеспечивало срыв генерации в резонаторе. Таким образом, в газодинамическом лазере было получено импульсно-периодическое излучение с периодом 40 мкс и максимальной мощностью в импульсе ≈ 100 Вт, средняя мощность генерации составила ≈ 12 Вт.

Сущность изобретения: оптическая система съема энергии в лазере выполнена в виде резонатора, оптическая ось которого перпендикулярна потоку, и расположенного выше по потоку многопроходного усилителя. На вход усилителя поступает генерируемое в резонаторе излучение, а число проходов луча в усилителе достаточно для эффективного съема энергии с рабочего перехода активной среды и ее насыщения. Величина потерь резонатора выбрана такой, что при заполнении его насыщенной в усилителе активной средой происходит срыв генерации. В лазере достигается автомодуляционный режим генерации. 1 ил.

ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР С ПРОКАЧКОЙ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ, содержащий систему непрерывного возбуждения рабочей среды и расположенный перпендикулярно направлению прокачки рабочей среды оптический резонатор с устройством, обеспечивающим периодическое изменение соотношения коэффициента усиления и потерь резонатора, отличающийся тем, что, с целью получения автомодуляционного режима генерации, повышения мощности и КПД лазера, а также уменьшения угловой расходимости излучения и упрощения конструкции, устройство, обеспечивающее периодическое изменение соотношения коэффициента усиления и потерь резонатора, выполнено в виде расположенного выше по потоку резонатора многопроходного усилителя, вход которого оптически сопряжен с выходным зеркалом резонатора, при этом усилитель выполнен с числом проходов, обеспечивающим насыщение прокачиваемой через него возбужденной рабочей среды, а оптический резонатор выполнен с величиной потерь, при которой при заполнении резонатора насыщенной средой происходит срыв генерации излучения.