ИМПУЛЬСНЫЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 1996 года по МПК H01S3/11 H01S3/16 

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к твердотельным лазерам, и может быть использовано в конструкции лазеров и усилителей, генерирующих мощные пико-фемтосекундные импульсы с последующей возможностью управления длительностью импульсов в компрессорах на основе дисперсионных линий задержки.

Известен импульсный твердотельный лазер, содержащий резонатор, образованный двумя зеркалами, на оптической оси которого расположены нелинейный оптический элемент и кристаллический активный элемент, работающий в режимах пассивной или активной синхронизации мод [1] В наиболее распространенных в настоящее время твердотельных лазерах на основе стекол или кристаллов с ионами Nd³⁺ в режимах синхронизации мод может иметь место монотонное свипирование (сканирование) частоты внутри сверхкороткого импульса (СКИ) чирп-излучения. Данное явление может быть использовано для сжатия СКИ с чирпом во внешнем компрессоре на основе дисперсионной линии задержки (например, пары дифракционных решеток или призм). При этом предел сжатия СКИ в компрессоре определяется обратной величиной области сканирования частоты.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является импульсный твердотельный лазер, содержащий резонатор, на оптической оси которого расположены нелинейный элемент и активный элемент, работающий в режиме пассивной синхронизации мод [2] Резонатор образован зеркалом и эталоном Фабри-Перо, внутри него и на его оптической оси последовательно размещены кювета с красителем (насыщающимся поглотителем), диафрагма, активный элемент ИАГ-Nd³⁺, диафрагма. Лазер излучает на длине волны λ_o=1,06 мкм цуги импульсов с длительностью отдельных импульсов τ= 50-170 пс, имеющих чирп и, как следствие, спектральное уширение СКИ до Δ ν_mах ≈ 1 см^-1.

Недостатком известного лазера является относительно небольшой масштаб сканирования частоты. Так, в ИАГ-Nd³⁺-лазере в режиме пассивной синхронизации мод линейный чирп приводит к уширению спектра 35 пс импульсов до величины Δ ν ≅ 1 см, что не позволяет сжимать далее эти импульсы до τ < 10 пс. В неодимовых стеклах спектральное уширение Δ ν, соответствующее линейному чирпу, может быть несколько больше и достигать значений 20-30 см^-1. Увеличение масштаба сканирования частоты и значительное увеличение ширины спектра СКИ вследствие чирпа непосредственно в лазерном элементе без внешних устройств позволяют эффективно управлять длительностью импульса в пико-фемтосекундном диапазоне длительностей.

Технической задачей изобретения является укорочение длительностей импульсов пикосекундного кристаллического неодимового лазера при ламповой накачке и увеличение масштаба широкодиапазонного линейного сканирования частоты и импульсов с целью их последующего сжатия во внешнем дисперсионном компрессоре.

Это достигается тем, что в импульсном твердотельном лазере, содержащем установленные на оптической оси резонатора нелинейный оптический элемент и активный элемент, активный элемент выполнен из кристаллического материала со следующей структурной формулой: Cа_хNd_yNb_zGa_mО₁₂, где х= 2,75-2,995; y= 0,005-0,25; z=1,52-1,85; m=2,83-3,5. Указанный состав обеспечивает получение монокристаллов высокого оптического и структурного совершенства. Выход из указанных границ состава по z менее 1,52 и более 1,85, по m менее 2,83 и более 3,5 приводит к растрескиванию кристаллов, внедрению посторонних фаз и т. д. При содержании неодима (y) в кристалле менее 0,005 ф.е. лазерный материал становится неэффективным вследствие малой концентрации активатора, а при содержании неодима более 0,25 ф.е. вследствие эффекта концентрационного тушения.

Кристаллы Са_хNd_yNb_zGa_mО₁₂ имеют широкие линии в спектрах поглощения и усиления (с полушириной последнего Δ ν_o=150 см^-1), позволяющие рассчитывать на генерацию и усиление импульсов с длительностью менее 100 фс.

Величина Δ ν_o во много раз превышает аналогичную величину для ИАГ-Nd³⁺ ( Δ ν_o=6 см^-1 при Т=300 К) и сравнима с величиной Δ ν_o для неодимовых стекол.

На фиг. 1 изображена схема предлагаемого лазера; на фиг.2 представлен временной профиль импульса; на фиг.3 показано изменение частоты импульса во времени.

Импульсный твердотельный лазер состоит из резонатора, образованного двумя зеркалами 1,2, на оптической оси которого последовательно установлены нелинейный оптический элемент 3 (выполненный в виде кюветы с насыщающимся поглотителем или электрооптического, или акустооптического модулятора, или любого твердотельного нелинейно-оптического элемента, изменяющего частоту излучения лазера), активный элемент из кристалла Са_хNd_yNb_zGa_mО₁₂. Лазер работает в режимах пассивной и активной синхронизации мод при ламповой или лазерной (в том числе синхронной) накачке, а также в режиме самосинхронизации мод.

Пример конкретного выполнения.

При работе лазера в режиме пассивной синхронизации мод в качестве насыщающегося поглотителя использовали краситель N 3274, разведенный в ацетонитриле. При ламповой накачке лазер с кристаллом Са_хNd_yNb_zGa_mО₁₂ излучал на длине волны 1,06 мкм цуги импульсов длительностью Т_ц=70-200 нс с временным интервалом между импульсами t=8,3 нс (t=2 π L/с, где L=1,25 м длина резонатора; с= 3 · 10⁸ м/с скорость света в вакууме). Энергия цуга импульсов составляла 5,5-6 мДж. Временной профиль импульса (фиг.2) был измерен прямым методом с помощью стрик-камеры Jmacon. Импульс имеет длительность на полувысоте τ_o 6 пс, которая слабо меняется от начала к концу цуга в пределах 5-8 пс.

Спектрально-ограниченные гауссовы импульсы имеют следующее соотношение между длительностью и шириной спектра:
τ · Δ ν=0,441/с, (1)
Таким образом спектрально-ограниченные импульсы с τ_o=6 пс должны иметь Δ ν ≈2,4 см^-1 (импульсы с негауссовой огибающей должны иметь незначительное отличие в величине Δ ν). Значительное несоответствие рассчитанной по формуле (1) с измеренной в эксперименте величиной Δ ν=50-60 см^-1 для импульсов с τ_o= 6 пс может являться следствием нелинейного процесса фазовой самомодуляции или дисперсии показателя преломления, приводящих к сканированию частоты или чирпу за время генерации импульса. В предлагаемом устройстве использование кристалла Са_хNd_yNb_zGa_mО₁₂ позволяет получить более чем десятикратное увеличение Δ ν импульсов по сравнению с прототипом.

Для измерения зависимости сканирования частоты импульса во времени направляли лазерное излучение в монохроматор, а затем на стрик-камеру. При этом спектр излучения проецировался по высоте входной щели стрик-камеры, а временная развертка в стрик-камере осуществляется в ортогональном направлении. На фиг.3 показано изменение частоты импульса во времени. Видно, что зависимость сканирования частоты соответствует Δ ν_mах ≈ 50 см^-1 и является линейной. Последнее обстоятельство важно для временного сжатия импульсов в решеточном компрессоре. Реализованное уширение спектра импульсов позволяет рассчитывать на их сжатие до величины τ_сж=1/ Δ ν_mах < 300 фс.

Полученный эффект многократного увеличения масштаба широкодиапазонного линейного сканирования частоты импульса объясняется только заменой кристалла активного элемента на кристалл Са_хNd_yNb_zGa_mО₁₂ и физическими процессами, происходящими в этих кристаллах при генерации СКИ. Поэтому предлагаемый лазер обеспечивает аналогичное уширение спектра импульсов и в режимах активной синхронизации мод при замене кюветы с насыщающимся поглотителем на акусто- или электрооптические модуляторы. Как известно, подобные режимы генерации также приводит к чирпу импульсов ИАГ-Nd³⁺-лазера и к более стабильной генерации в импульсно-периодическом режиме.

К сканированию частоты импульса может привести в нелинейно-оптический элемент, помещенный в резонатор, например кристалл для генерации второй гармоники. Очевидно, что и в этом случае использование в качестве активного элемента предлагаемых кристаллов ведет к высокоэффективному линейному чирпу и расширению масштаба сканирования частоты, в частности, на смещенной центральной частоте излучения. При этом надежность и долговечность предлагаемого лазера должны возрасти.

Данные по составу активного элемента при различных режимах работы лазера сведены в таблице.

Использование: в приборах, в частности твердотельных лазерах и усилителях, генерирующих пико-фемтосекундные импульсы с возможностью последующего управления длительностью импульсов во внешнем компрессоре. Сущность изобретения: импульсный твердотельный лазер содержит резонатор, на оптической оси которого расположены нелинейный оптический элемент и активный элемент из кристаллического материала следующей структурной формулы: Ca_xNd_yNb_zGa_mO_1 2. 1 табл., 3 ил.

ИМПУЛЬСНЫЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР, содержащий установленные на оптической оси резонатора нелинейный оптический элемент и активный элемент, отличающийся тем, что активный элемент выполнен из кристаллического материала со следующей структурной формулой Ca_x Nd_yNb_zGa_mO_1 2, где 2,750 ≅ x ≅ 2,995, 0,005 ≅ y ≅ 0,250, 1,520 ≅ z ≅ 1,850, 2,830 ≅ m ≅ 3,500.