ИМПУЛЬСНЫЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 1997 года по МПК H01S3/02 

Изобретение относится к импульсным твердотельным лазерам с электрооптической модуляцией добротности и может быть использовано для получения мощных импульсов излучения с частотами повторения импульсов десятки герц (Гц) в наносекундном диапазоне длительностей импульсов в нелинейной оптике, дальнометрии, оптической локации и т.д.

Известен импульсный лазер на алюмоиттриевом гранате с неодимом (АИГ:Nd) с системой охлаждения и с системой электропитания лампы накачки, которые обеспечивают работу в импульсно-периодическом режиме. При частотах повторения импульсов десятки Гц нагревание охлаждающего активного элемента жидкости в процессе работы приводит к уменьшению коэффициента усиления вследствие уменьшения сечения вынужденного перехода и падению энергии моноимпульсов излучения [1]
Поэтому в момент включения лазера, когда охлаждающая жидкость имеет пониженную температуру, энергия моноимпульсов может превзойти номинальную величину в стационарном режиме настолько, что это приведет к разрушению элементов оптической схемы лазера.

Применение системы термостабилизации охлаждающей жидкости не исключает переходного процесса, в течение которого температура жидкости изменяется от начальной до температуры стабилизации. Более того, при частотах повторения импульсов десятки Гц неоднородное двулучепреломление в активном элементе, наведенное излучением лампы накачки, приводит к снижению КПД лазера и ухудшению равномерности пространственной структуры излучения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является импульсный твердотельный лазер с поляризационным выводом излучения из зеркально-призменного резонатора, содержащего активный элемент, электрооптический элемент и поляризатор ([2] с. 139, рис. 14г).

В случае применения в осветителе лазера наиболее распространенного зеркального отражателя распределение излучения лампы накачки в поперечном сечении активного элемента имеет ярко выраженную неоднородность. Призма полного внутреннего отражения (призма-крыша), стоящая в усилительном плече резонатора известного лазера, выравнивает коэффициент усиления по сечению активного элемента за счет прохождения луча через участки, симметрично расположенные относительно ребра призмы, что приводит к улучшению равномерности пространственной структуры излучения.

Однако для получения наиболее равномерной пространственной структуры и максимального значения энергии моноимпульсов излучения необходимо выполнить следующие требования:
ориентировать ребро призмы-крыши под углом 45^oC к плоскости сечения, проходящей через ось активного элемента, в которой усредненное по диаметру и длине элемента значение коэффициента усиления максимально;
подобрать марку стекла призмы с показателем преломления, величина которого обеспечивает оптимальный коэффициент отражения эквивалентного зеркала для заданного уровня энергии импульсов накачки.

Кроме неудобства, связанного с невозможностью оперативной подстройки коэффициента отражения зеркала, основным недостатком известного лазера является изменение энергетических параметров моноимпульсов излучения при изменении температуры охлаждающей жидкости, что затрудняет его эксплуатацию в широком диапазоне температур.

Для стабилизации энергии моноимпульсов излучения в широком диапазоне температур, охлаждающей активный элемент жидкости в резонаторе импульсного твердотельного лазера, содержащем призму-крышу, осветитель, состоящий из активного элемента цилиндрической формы, лампы и зеркального отражателя, поляризатор, электрооптический элемент и глухое зеркало, электрооптический элемент установлен между поляризатором и призмой-крышей, ребро которой ориентировано параллельно или перпендикулярно плоскости пропускания поляризатора, а между активным элементом и глухим зеркалом установлена четвертьволновая фазовая пластинка, ориентация главных осей которой определяет коэффициент отражения эквивалентного выходного зеркала, обеспечивающего максимальное значение мощности моноимпульсов излучения, причем осветитель расположен так, что плоскость сечения, проходящая через ось активного элемента, в которой усредненное по диаметру и длине элемента значение коэффициента усиления максимально, составляет с плоскостью пропускания поляризатора угол 45^o, а оптическая ось электрооптического элемента составляет с осью резонатора угол в пределах первого кольца коноскопической картины.

Существенным отличием предлагаемого устройства является конкретный тип зеркально-призменного резонатора, в котором призма-крыша стоит рядом с электрооптическим элементом в "отражательном" плече резонатора, причем "запирание" резонатора осуществляется разъюстировкой оптической оси электрооптического элемента относительно оси резонатора на небольшой угол, что позволяет работать только с импульсным напряжением амплитудой ~Uλ/4, а в усилительном плече резонатора установлена дополнительно фазовая пластинка "λ/4", угол поворота которой определяет коэффициент отражения эквивалентного зеркала. Тем самым, появляется возможность подстраивать коэффициент отражения эквивалентного зеркала под заданный уровень энергии импульсов накачки простым поворотом пластинки "λ/4" с сохранением равномерной пространственной структуры излучения, определяемой фиксированной взаимной ориентацией призмы-крышки и осветителя.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.

Резонатор образован призмой полного внутреннего отражения с углом 90^o между рабочими гранями 1 (призмой-крышей) и глухим зеркалом 2. Вывод излучения из резонатора осуществляется через поляризатор 3 (пластину с диэлектрическим покрытием). Между активным элементом 4 и зеркалом 2 установлена четвертьволновая фазовая пластинка 5 из кристаллического кварца. Между поляризатором 3 и призмой-крышей установлен электрооптический элемент 6. Активный элемент 4 помещен в осветитель, содержащий лампу накачки 7 и цилиндрический зеркальный отражатель 8. Активный элемент 4 из кристалла с кубической решеткой (АИГ: Nd, ГСГГ: Nd, Cr, ИСГГ: Nd, Ce и т.д.), вырезанный вдоль направления [001] ориентирован так, что кристаллографические оси Х и Y составляют углы ±45^o относительно плоскости пропускания поляризатора 3. Во время импульса накачки в активном элементе создается инверсная населенность, пропорциональная коэффициенту усиления, усредненному по длине активного элемента К Коэффициент К достигает своего максимального значения в момент τ, причем его распределение по сечению элемента неоднородно и может быть описано средним по диаметру сечения элемента коэффициентом усиления в любой плоскости, проходящей через ось активного элемента. В конкретном случае применения зеркального отражателя коэффициент достигает своего наибольшего значения в плоскости, перпендикулярной плоскости, проходящей через оси лампы и активного элемента. Осветитель ориентирован так, что указанная плоскость наибольшего значения составляет с плоскостью пропускания поляризатора угол 45^o. Ребро призмы-крыши составляет угол 0 или 90^o относительно плоскости пропускания поляризатора, что обеспечивает повышенную равномерность распределения коэффициента при усреднении за 2 полных обхода резонатора за счет поворота пятна излучения. Оптическая ось электрооптического элемента 6 (из кристаллов DKDP или LiNbO₃) разъюстирована на небольшой угол 1.2^oC (в пределах первого кольца коноскопической картины) относительно оси резонатора для внесения начального уровня электрооптических потерь в резонатор. Углы разъюстировки оси элемента θ (в плоскости, содержащей ребро призмы и ось резонатора) и J (в ортогональной плоскости) соответствуют полностью "запертому" состоянию электрооптического затвора (призма-элемент-поляризатор) и определяются по формулам:

где λ длина волны излучения; n_o, n_e показатели преломления обыкновенной и необыкновенной волн; d длина электрооптического элемента; d величина фазового сдвига между волнами с ортогональными поляризациями при полном внутреннем отражении от грани призмы:

где Φ угол падения (в нашем случае Φ = 45^°; n показатель преломления материала призмы-крыши.

При подаче напряжения U на электроды электрооптического элемента, определяемого по формуле:
U = 4n_odλ^-1n-2e

(n2o-n2e)ΨθUλ/4, (4)
где Uλ/4 четвертьволновое напряжение, элекрооптический затвор полностью открывается.

Фазовая четвертьволновая пластинка 5 ориентирована так, что одна из ее главных осей составляет угол α с плоскостью пропускания поляризатора.

Коэффициент отражения эквивалентного "поляризационного" зеркала R в двух ортогональных плоскостях, проходящих через ось активного элемента, в которых коэффициент усиления максимален, с учетом наведенного в активном элементе двулучепреломления равен:
R = R_α+ΔR, (5)
где R_α = cos²2α коэффициент отражения без учета наведенного двулучепреломления в активном элементе,
ΔR = (1-R_α)sin²(2Gr-2o

r²)≃(1-R_α)•4G²r-4or⁴
в предположении, что величина фазового сдвига между r- и Φ- компонентами вектора поля излучения для соответствующих фазовых пластинок в сечении активного элемента радиусом r_o мала (2G<<1), G коэффициент, пропорциональный средней мощности накачки и обратно пропорциональный коэффициенту теплопроводности χ, зависящему от абсолютной температуры элемента Т (χ = jT^-1, где γ ≃ 3980 Вт•м^-1 для АИГ). Если при рабочей температуре активного элемента Т_o усредненный по диаметру поперечного сечения коэффициент отражения ,

то при температуре T=T_o+ ΔT и G≈T

При этом коэффициент полезных потерь К_R резонатора равен:

где l длина активного элемента.

Предлагаемый лазер работает следующим образом.

В импульсно-периодическом режиме при повышенной равномерности распределения коэффициента усиления и при обладающей той же симметрией распределении коэффициента отражения эквивалентного зеркала в сечении резонатора в начале каждого импульса накачки осуществляется накопление инверсной населенности в активном элементе. По достижении максимума коэффициента усиления во времени на электроды электрооптического элемента подается импульс напряжения с амплитудой U, полностью открывающий затвор. При этом энергия моноимпульсов излучения Е определяется по формуле:
E~K_Rσ^-1ln(n₃n-1k/

), (9)
где n₃ начальная населенность верхнего рабочего уровня;
n_к населенность уровня после генерации моноимпульса;
σ сечение вынужденного перехода, зависящее от температуры активного элемента Т [1]
из (9) видно, что, если при изменении температуры активного элемента отношение K_Rσ^-1= const, то и энергия моноимпульсов сохраняется неизменной (с учетом неравенства K_R≫ρ,, где ρ коэффициент пассивных потерь резонатора, что справедливо для практически важного случая прозрачного выходного зеркала). Предполагая, что области поперечного сечения активного элемента вблизи рассмотренных выше направлений максимального значения вносят основной вклад в энергию моноимпульса, и используя (8), найдем величину вклада в коэффициент отражения наведенного двулучепреломления, при котором осуществляется стабилизация энергии моноимпульсов в широком диапазоне температур:

Подставив в (10) = 0,0625 K^-1 [1] T_o 300 K, R_o 0,3, получим , величину, характерную для наведенного двулучепреломления в активном элементе при частотах повторения десятки Гц ([2] с. 142, рис. 16).

Подставив в (1), (2), (3) и (4) значения параметров для электрооптического элемента из кристалла DKDP n_o 1,493, n_e 1,46, d 1 см и для стеклянной призмы-крыши Φ = 45^°, n 1,5, получим U = 1,13U/λ/4 ≈4,5 кВ, θ = 14,6 мрд,, Ψ = 30,2 мрд..

Результаты испытаний лазера с активным элементом из АИГ: Nd размером ⊘ 6×75 мм подтверждают эффективность предложенного устройства. Так, энергия моноимпульсов излучения составила 200 мДж, при частоте повторения импульсов 25 Гц и при увеличении температуры охлаждающей жидкости на 25^o уменьшение энергии составило не более 5%
Таким образом, предлагаемый лазер может быть легко подстроен под заданный уровень выходной энергии моноимпульсов с равномерной пространственной структурой излучения, который практически не изменяется по величине в широком диапазоне температур охлаждающей активный элемент жидкости.

Использование: изобретение может быть использовано в импульсных твердотельных лазерах с электрооптической модуляцией добротности резонатора. Сущность изобретения: в импульсном твердотельном лазере с электрооптической модуляцией потерь зеркально-призменного резонатора с поляризационным выводом излучения, электрооптический элемент установлен между поляризатором и призмой-крышей, ребро которой ориентировано параллельно или перпендикулярно плоскости пропускания поляризатора, а между активным элементом и глухим зеркалом установлена четвертьволновая фазовая пластинка, ориентация главных осей которой определяет коэффициент отражения эквивалентного выходного зеркала, обеспечивающего максимальное значение мощности моноимпульсов излучения. При этом осветитель расположен так, что плоскость сечения, проходящая через ось активного элемента, в которой усреднено по диаметру и длине элемента значение коэффициента усиления максимально, составляет с плоскостью пропускания поляризатора угол 45^o, а оптическая ось электрооптического элемента составляет с осью резонатора угол в пределах первого кольца коноскопической картины. 1 ил.

Импульсный твердотельный лазер, содержащий активный элемент цилиндрической формы, призму-крышу, осветитель, включающий лампу накачки и отражатель, поляризатор, электрооптический элемент и глухое зеркало, отличающийся тем, что электрооптический элемент установлен между поляризатором и призмой-крышей, ребро которой ориентировано параллельно или перпендикулярно плоскости пропускания поляризатора, а между активным элементом и глухим зеркалом установлена четвертьволновая фазовая пластинка, ориентация главных осей которой определяет коэффициент отражения эквивалентного поляризационного зеркала, обеспечивающего максимальное значение мощности моноимпульсов излучения, причем осветитель расположен так, что плоскость сечения, проходящая через ось активного элемента, в которой усредненное по диаметру и длине элемента значение коэффициента усиления максимально, составляет с плоскостью пропускания поляризатора угол 45^o, а оптическая ось электрооптического элемента составляет с осью резонатора угол в пределах первого кольца коноскопической картины.