СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 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 расширения возможностей и повышения эффективности технологических лазерных установок.

Известен способ получения импульсно-периодического излучения в лазерах с движущейся активной средой, реализованный в устройстве [1]. Он основан на непрерывном возбуждении активной среды (сверхзвукового потока рабочей смеси CO₂: N₂:He), ее прокачке через оптический резонатор и периодическом изменении соотношения коэффициента усиления среды и потерь в резонаторе лазера. Это соотношение изменяют путем модуляции добротности резонатора лазера, которая осуществляется вращением зеркала резонатора. Несоответствие периода модуляции добротности времени пролета частиц активной среды через резонатор приводит к снижению средней мощности генерации и КПД.

Известен способ получения импульсно-периодического излучения, выбранный в качестве прототипа, который заключается в непрерывном возбуждении активной среды, ее прокачке через оптический резонатор и периодическом изменении соотношения коэффициента усиления среды и потерь резонатора с помощью либо обтюратора, либо вращения зеркала резонатора, и согласовании периода модуляции усиления с временем заполнения резонатора активной средой, которое предлагается брать равным длине резонатора вдоль потока деленной на скорость потока активной среды [2].

Недостатком такого способа является трудность точного согласования времени заполнения резонатора активной средой с периодом модуляции добротности резонатора, поскольку в процессе работы скорость потока не измеряется и частота модуляции не подстраивается к ее возможным изменениям. Трудности указанного согласования значительно возрастают, если скорость прокачки активной среды не постоянна или слишком велика, как в предыдущем случае. Кроме того, за счет дополнительных потерь, вносимых в резонатор модулятором, происходит снижение мощности и КПД лазера. 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 приводит к дополнительным потерям мощности генерации и к увеличению расходимости излучения.

Целью изобретения является получение в лазере с движущейся активной средой и непрерывным возбуждением автомодуляционного режима генерации, который обеспечивает повышение мощности импульсно-периодического излучения КПД лазера, уменьшение угловой расходимости излучения и упрощение реализации способа.

Это достигается тем, что в известном способе получения импульсно-периодического излучения в лазерах с движущейся активной средой, включающем непрерывное возбуждение активной среды и ее прокачку через оптический резонатор, а также периодическое изменение соотношения коэффициента усиления среды и потерь резонатора, дополнительно выполняют излучение, формируемое в резонаторе лазера, направляют в активную среду до втекания ее в резонатор, где излучение усиливают и тем самым уменьшают коэффициент усиления активной среды, т.е. насыщают активную среду, причем величину потерь резонатора выбирают такой, чтобы при заполнении его насыщенной в усилителе активной средой происходил срыв генерации.

Другой целью изобретения является управление временными характеристиками генерации - частотой следования импульсов, их формой и длительностью для расширения технологических возможностей лазера, поскольку результат воздействия импульсно-периодического излучения на вещество существенно зависит от временных характеристик излучения.

Это достигается тем, что в предлагаемом выше способе дополнительно изменяют длину зоны усиления по потоку или скорость потока, а также величину зазора между усилителем и резонатором и апертуру резонатора.

Периодическое изменение соотношения коэффициента усиления и потерь в резонаторе лазера осуществляется путем насыщения активной среды лазерным излучением до втекания ее в резонатор, причем величину потерь резонатора выбирают такой, чтобы при заполнении его насыщенной в усилителе активной средой происходил срыв генерации.

На чертеже показана схема реализации способа, включающая движущуюся активную среду 1, зону 2 возбуждения, зону 3 усиления, зону 4 резонатора, зеркала 5 и 6 резонатора, из которых 5 - выходное, поворотные зеркала 7, зеркала усилителя 8 и выходящее из лазера излучение 9.

Способ получения импульсно-периодического излучения в лазере с движущейся активной средой осуществляют следующим образом. Возбуждение движущейся активной среды 1 производят непрерывным или квазинепрерывным образом, например, с помощью электрического разряда в зоне 2 возбуждения, которая может полностью или частично геометрически перекрываться с зоной усиления 3 и зоной резонатора 4. Затем активную среду через зону усиления направляют в зону 4 резонатора, оптическая ось которого перпендикулярна направлению потока.

Механизм формирования автомодуляционного импульсно-периодического режима генерации в предлагаемом способе заключается в следующем. При поступлении в резонатор возбужденной активной среды, коэффициент усиления которой превосходит величину потерь резонатора, в нем за счет индуцированных переходов генерируется лазерное излучение. Часть этого излучения, вышедшую через выходное зеркало 5 резонатора, направляют поворотными зеркалами 7 в усилитель, образованный высокоотражающими зеркалами 8, слегка наклоненными друг по отношению к другу для предотвращения в нем самовозбуждения генерации.

В усилителе это излучение усиливают в активной среде, многократно отражая от зеркал усилителя. Число проходов луча через активную среду усилителя выбирают достаточно большим для максимально полного съема энергии с активной среды. При этом инверсия на рабочем переходе и коэффициент усиления активной среды в зоне усилителя резко падают, т.е. происходит насыщение активной среды. При втекании такой насыщенной активной среды в резонатор генерация в нем прекращается. Для этого коэффициент пропускания выходного зеркала резонатора, определяющий величину потерь резонатора, выбирают достаточно большим, исходя из условия, чтобы коэффициент усиления насыщенной в усилителе активной среды с учетом его возможного частичного восстановления в промежуточной зоне между усилителем и резонатором был ниже уровня потерь резонатора. При заполнении усилителя и резонатора свежей (ненасыщенной) активной средой развивается следующий импульс генерации и процесс повторяется. Отметим, что упомянутый выше выбор величины потерь резонатора имеет принципиальное значение для реализации способа, 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 способе основной съем энергии с активной 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 с активной среды, достигаемую в данном способе.

Период следования импульсов излучения определяется временем пролета активной среды через систему. Длительность импульса определяется временем пролета, активной средой апертуры резонатора и зазора между усилителем и резонатором, а также величиной потерь резонатора. Форма импульса излучения определяется отношением величины зазора к апертуре резонатора, величиной потерь резонатора и свойствами активной среды.

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 другие) и констант релаксации среды. При этом может наблюдаться возникновение "пичковой структуры" в огибающей импульсов, увеличение частоты следования импульсов и другие явления.

Воздействие импульсно-периодического излучения на вещество сильно зависит от частоты следования импульсов, их длительности и формы, поэтому управление этими параметрами излучения лазера расширяет его технологические возможности.

Таким образом, в лазере с движущейся активной средой и непрерывным возбуждением возникает автомодуляционный режим генерирования импульсно-периодического излучения, что автоматически согласовывает частоту следования импульсов со скоростью потока (в том числе сверхзвукового) и приводит к повышению мощности генерируемого излучения и КПД лазера. Кроме того, открываются возможности управления периодом следования импульсов, их длительностью и формой путем изменения геометрических размеров элементов оптической системы, например изменением апертуры резонатора и величины зазора между усилителем и резонатором.

Дополнительными преимуществами способа по изобретению являются уменьшение угловой расходимости и простота реализации, что связано с отсутствием специального модулирующего элемента.

Заявляемый способ опробован в тепловом газодинамическом лазере. В качестве активной среды использовалась 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. Излучение, возникающее в резонаторе, направлялось в образованный плоскими золотыми зеркалами многопроходный усилитель с полной длиной усиления луча ≈ 5, расположенный выше резонатора по потоку. В усилителе излучение усиливалось до уровня 100 Вт, при этом коэффициент усиления активной среды насыщался согласно расчетам до величины k_н 0/25 м^-1/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: излучение, формируемое в резонаторе проточного лазера, направляют в активную среду до втекания ее в резонатор, где его усиливают и тем самым уменьшают коэффициент усиления активной среды, т.е. насыщают активную среду. Величину потерь резонатора выбирают такой, чтобы при заполнении его насыщенной в усилителе активной средой происходил срыв генерации. Дополнительно изменяют размер усилителя вдоль потока активной среды или скорость потока, а также расстояние между усилителем и резонатором и апертуру резонатора. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, включающий непрерывное возбуждение рабочей среды и ее прокачку через оптический резонатор, а также периодическое изменение соотношения коэффициента усиления среды 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 реализации способа, периодическое изменение соотношения коэффициента усиления и потерь резонатора производят за счет насыщения возбужденной рабочей среды путем пропускания сформированного в оптическом резонаторе излучения через область усиления, расположенную выше по потоку оптического резонатора, при этом величину потерь резонатора устанавливают такой, при которой при заполнении резонатора насыщенной средой происходит срыв генерации излучения.