СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОЩНОЙ УЗКОПОЛОСНОЙ ГЕНЕРАЦИИ Российский патент 1994 года по МПК H01S3/20 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании лазерных систем, предназначенных для зондирования атмосферы, исследования кинетики химических реакций, лазерной спектроскопии, цветной изобразительной голографии и др.

Известен способ узкополосной генерации, основанный на инжекции внешнего узкополосного излучения в резонатор лазера на красителе, содержащий усилитель спектрального контраста. Частотно-пространственная фильтрация мод в нелинейном поглотителе, помещенном в резонатор лазера на красителе, приводит к подавлению широкополосного фона [1].

Недостатком известного способа является снижение выходной энергии генерации из-за потерь, вносимых элементами усилителя спектрального контраста. Кроме того, при таком способе получения генерации нельзя оперативно изменить начальное пропускание нелинейного фильтра при изменении как условий возбуждения, интенсивности, а также спектрального расположения инжектируемого излучения.

Наиболее близким по технической сущности заявляемому способу является способ получения генерации, основанный на инжекции излучения одновременно на двух близких частотах, позволяющий снизить фон свободной генерации [2].

Основным недостатком данного способа является то, что при большой мощности свободной генерации, а также увеличении длительности импульса возбуждения лазера на красителе принципиально невозможно полностью подавить широкополосный фон в спектре выходного излучения, а следовательно, обеспечить эффективное преобразование энергии в узкую линию и повышение КПД.

Наличие фона обусловлено большим усилением красителей и трансформацией формы спектра усиления в поле излучения инжектируемых линий.

Целью изобретения является повышение КПД за счет подавления широкополосного фона.

Поставленная цель достигается тем, что при реализации способа получения мощной узкополосной генерации, основанного на двухчастотной инжекции основной и дополнительной частот в резонатор широколосного лазера на красителе с микросекундной длительностью импульса, включающего инжекцию основной частоты в максимум контура усиления, а дополнительной частоты на его склон, подбирают соотношение интенсивностей основной и дополнительной частот так, что их суммарная энергия превышает энергию насыщения лазера на красителе.

Кроме того, для повышения усиления слабого сигнала за счет снижения порога захвата основной частоты выбирают интенсивность инжектируемого излучения на дополнительной частоте, превышающую интенсивность инжектируемого излучения на основной частоте.

На фиг. 1 показана схема экспериментальной установки для реализации предлагаемого способа; на фиг. 2 - спектрограммы выходного излучения мощного лазера на красителе с коаксиальной лампой накачки: а) в режиме свободной генерации; б,в) при различных вариантах двухволновой инжекции, и выходного излучения, полученного по способу - прототипу (г).

Двухволновое узкополосное излучение формируется с помощью двухканального задающего генератора 1, в каждое из двух плеч которого помещаются интерферометры Фабри-Перо 2. Ширина линий генерации составляет 0,5 нм, а длительность импульса - 150 мкс по полувысоте. Общая выходная энергия генерации при максимальной накачке достигает 500 мДж. Излучение задающего генератора 1 с помощью линзы 3 (f= =1 м) и отклоняющего зеркала 4 направляется в резонатор лазера на красителе 5, в качестве излучателя которого используется мощная коаксиальная импульсная лампа 6, обеспечивающая максимальный КПД 0,75% и длительность импульса генерации 164 мкс. Система измерения и контроля обеспечивает регистрацию длительности импульсов, энергии, спектров задающего генератора 1 и лазера на красителе 5. Блок 7 синхронизации позволяет регулировать задержку между импульсами накачки задающего генератора 1 и лазера на красителе 5. Зеркала 8 и 9 имеют коэффициенты отражения R= 100% , а зеркала 10, 11 и 12 соответственно R=60%, 80% и 50%. Спектры генерации регистрируются с помощью двух спектрографов 13 с дифракционными решетками 1200 шт/мм (дисперсия 2,5 /мм). Энергия генерации измеряется двумя измерителями 14 энергии ИМО-2Н. Длительность импульсов контролируется с помощью двухлучевого осциллографа 15 С8-17. Излучение задающего генератора 1 и лазера на красителе 5 заводится в спектрограф 13, измеритель 14 энергии и осциллограф 15 с помощью световодов 16, приемников 17 и фотоприемников 18 соответственно. В качестве активной среды обоих лазеров используется этанольный раствор родамина 6Ж с концентрацией 2,3˙ 10^-4 моль/л. Широкополосный спектр генерации лазера на красителе 5 составляет 7 нм с центральной длиной волны λ =592 нм. Интенсивность инжектируемого сигнала задающего генератора варьируется с помощью калиброванных светофильтров 19. Экспериментальным путем по максимальной эффективности захвата инжектируемого сигнала определена оптимальная задержка между импульсами накачки задающего генератора 1 и лазера на красителе 5-20 мкс.

Сопоставление эффективности преобразования энергии в узкую линию предлагаемого способа с аналогом и прототипом проведено при суммарной интенсивности двух инжектируемых линий, равной интенсивности линии при одноволновой инжекции. В данных условиях эксперимента как в случае прототипа, так и в предложенном способе суммарная выходная энергия задающего генератора 1 на двух инжектируемых частотах составляет 140 мДж. Энергия широкополосной генерации лазера на красителе 5 (не в режиме инжекции) составляет 1200 мДж. При реализации способа-прототипа инжекция осуществляется на двух длинах волн λ₁ = 591,5 нм и λ₂ =592,5 нм (г). В предложенном способе для случаев (б) и (в) спектральное расположение и соотношение энергий инжектируемых длин волн соответственно таково: λ₁ = 592 нм и λ₂ =596 нм при Е₁= 90 мДж и Е₂=50 мДж; λ₁=592 нм и λ₂=598 нм при Е₁=40 мДж и Е₂=100 мДж.

Как видно на фиг. 2, в случае способа-прототипа (д) не вся энергия широкополосной генерации лазера на красителе (а) преобразуется в узкие инжектируемые линии. В зависимости от условий возбуждения и интенсивности инжектируемого излучения от 40 до 90% энергии остается в широкополосном фоне, который трудно спектрально селектировать от узкой линии. В данных условиях эксперимента получено только 35% преобразования энергии широкополосной генерации лазера на красителе 5 в узкие инжектируемые линии, что соответствует энергии 420 мДж, большая же часть энергии 780 мДж остается в широкополосном фоне. Эффективность преобразования энергии особенно резко падает при небольших интенсивностях инжектируемого излучения, что крайне важно на практике, в частности, при перестройке частоты генерации по контуру усиления лазера на красителе.

Для получения спектрально чистой узкополосной генерации в предложенном способе при двухволновой инжекции, когда дополнительно к основной инжектируемой линии ( l) в максимум контура усиления одновременно инжектируется слабая затравка (l) на длинноволновой или коротковолновой склон спектра широкополосной генерации лазера на красителе 5, подбирается соотношение интенсивностей основной и дополнительной частот так, что их суммарная энергия превышает энергию насыщения лазера на красителе 5, что приводит к подавлению фона независимо от спектрального расположения инжектируемых линий. Таким образом, на выходе лазера на красителе 5 получают спектрально чистую узкополосную генерацию. При этом на основной линии сосредоточено более 1000 мДж энергии лазера на красителе 5 и около 200 мДж на дополнительной. Дополнительная затравочная линия может быть легко отселектирована либо использована как самостоятельная узкая линия. Селекция затравочной линии не приводит к снижению энергии в основной линии в отличие от способа-прототипа, где широкополосный фон накладывается на узкую линию.

Особая проблема возникает на практике при усилении узкополосного сигнала слабой интенсивности.

В этом случае в предложенном способе предлагается слабую узкополосную линию (l) инжектировать в максимум спектра усиления и одновременно на склон спектра посылать дополнительную линию затравки (l) по интенсивности, превышающей интенсивность основной частоты. Для случая (в) спектральное расположение и соотношение энергий инжектируемых длин волн подбиралось так: λ₁ =592 нм, λ₂ =598 нм при Е₁=40 мДж, Е₂=100 мДж; Е₁=10 мДж и Е₂=130 мДж.

При этом происходит снижение порога захвата основной частоты, за счет чего повышается усиление слабого сигнала (инжектируемой линии). В силу того, что по спектральному расположению основная частота попадает в максимум спектра усиления, то она опережает в развитии дополнительную затравочную линию и энергия широкополосной генерации (900 мДж) сосредотачивается на этой линии.

Использование: квантовая электроника, а именно в лазерных системах, предназначенных для зондирования атмосферы, исследования кинетики химических реакций, лазерной спектроскопии, цветной изобразительной голографии. Сущность изобретения: способ основан на двухчастотной инжекции основной и дополнительной частот в резонатор широкополосного лазера на красителе с микросекционной длительностью импульса. Основная частота инжектируется в максимум контура усиления, а дополнительная - на его склон. Соотношение интенсивностей основной и дополнительной частот подбирают так, что их суммарная энергия превышает энергию насыщения лазера на красителе, при этом повышается КПД за счет подавления широкополосного фона. При усилении слабого сигнала его инжектируют в максимум контура усиления и одновременно на его склон инжектируют дополнительную частоту, превышающую по интенсивности инжектируемое излучение на основной частоте. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОЩНОЙ УЗКОПОЛОСНОЙ ГЕНЕРАЦИИ, основанный на двухчастотной инжекции основной и дополнительной частот и резонатор широкополосного лазера на красителе с микросекундной длительностью импульса, заключающийся в инжекции основной частоты в максимум контура усиления, а дополнительной частоты - на его склоне, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД за счет подавления широкополосного фона, подбирают соотношение интенсивностей основной и дополнительной частот так, что их суммарная энергия превышает энергию насыщения лазера на красителе. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения усиления слабого сигнала за счет снижения порога захвата основной частоты, выбирают интенсивность инжектируемого излучения на дополнительной частоте, превышающую интенсивность инжектируемого излучения на основной частоте.