СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКОГО АВТОМОДУЛИРОВАННОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК H01S3/10 

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к лазерам с движущейся активной средой и непрерывным 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 лазеров.

Известны способы получения импульсно-периодической генерации в лазерах с движущейся активной средой и непрерывным возбуждением, основанные на модуляции добротности резонатора [1, 2.

Недостатком является необходимость согласования периода модуляции со скоростью движения среды, а также наличие дополнительных потерь, вносимых в резонатор модулирующим устройством, что приводит к снижению мощности и КПД лазера.

Известен способ получения импульсно-периодической генерации в лазерах с движущейся активной средой, основанный на применении оптической системы генератор-усилитель, через которую пропускают поток активной среды и значения параметров которой выбирают таким образом, чтобы в ней осуществлялся автомодуляционный режим генерации (АРГ) без применения модулирующих устройств [3]
Недостатком данного способа является сложность оптической схемы, необходимость согласования параметров генератора и усилителя, трудности юстировки и значительные габариты системы.

Наиболее близким по физической сущности к предлагаемому способу является способ получения импульсно-периодического автомодулированного лазерного излучения, включающий прокачку активной среды поперек оптической оси неустойчивого резонатора (НР), ее непрерывное возбуждение в объеме резонатора, а также локальное изменение соотношения усиления и потерь вблизи оптической оси НР, которое создают путем использования зеркал с неоднородным коэффициентом отражения, обеспечивающих увеличение потерь в приосевой зоне НР[3]
В таком резонаторе для прерывания и последующего включения генерации достаточно относительно неглубокой модуляции коэффициента усиления среды, поступающей в приосевую зону НР. Это способствует развитию автоколебаний интенсивности генерации и переходу в АРГ, который при определенных условиях для данной системы оказывается энергетически более выгодным, чем режим стационарной генерации.

Недостатками способа-прототипа являются:
увеличение общих энергетических потерь в лазере и снижение его КПД, связанные как с возрастанием потерь излучения в приосевой низкодобротной зоне НР, так и с уменьшением интенсивности поля в резонаторе и менее полным съемом энергии с активной среды;
трудности получения АРГ в лазерах с короткими временами релаксации активной среды (по сравнению с временем пролета среды через резонатор), связанные с тем, что быстрое восстановление инверсии в приосевой зоне поддерживает устойчивость стационарной генерации;
техническая сложность изготовления специальных зеркал с неоднородным коэффициентом отражения;
невозможность изменять положение оптической оси НР по отношению к апертурам зеркал и оптимизировать таким путем условия получения автомодулированной генерации.

Техническим результатом изобретения является получение автомодулированной импульсно-периодической генерации в лазерах с движущейся активной средой и непрерывным возбуждением в объеме резонатора без внесения дополнительных потерь в резонатор, благодаря чему увеличиваются мощность излучения и КПД лазера и становится возможным получение автомодулированной генерации с высоким КПД в более широком диапазоне изменения скорости прокачки и констант релаксации среды.

Это достигается тем, что в известном способе получения АРГ в лазерах с движущейся активной средой, включающем непрерывное возбуждение активной среды в объеме резонатора, ее поперечную прокачку через НР, а также локальное изменение соотношения усиления и потерь вблизи оптической оси НР, дополнительно выполняются следующее: локальное изменение соотношения усиления и потерь вблизи оптической оси НР, дополнительно выполняют следующее: локальное изменение соотношения усиления и потерь вблизи ос НР создают путем уменьшения скорости возбуждения среды в приосевой зоне резонатора. При этом используют обычные однородные или слабо неоднородные зеркала резонатора.

Положительным эффектом изобретения является:
увеличение мощности и КПД лазера, обусловленное отсутствием в резонаторе дополнительных потерь и более полным съемом энергии с активной среды;
возможность получения АРГ практически при любом соотношении между временами релаксации и среды и временем пролета;
использование в резонаторе стандартных однородных зеркал, более дешевых и простых в изготовлении;
возможность легко изменять положение оптической оси НР по отношению к апертурам зеркал и оптимизировать его для получения АРГ с заданными характеристиками.

На фиг. 1 показана схема реализации способа. На фиг. 1 представлены: зеркала HP M₁ и M₂, движущаяся активная среда 1, верхняя (по потоку) зона возбуждения 2, нижняя зона возбуждения 2', приосевая зона 3, выходящее из HP лазерное излучение 4 и 4', направление движения среды показано стрелками. Ось Z совпадает с оптической осью HP.

На фиг. 2 показана зависимость от времени t мощности импульсно-периодической генерации I(t), получаемой по предлагаемому способу. На фиг. 2 представлены: период следования импульсов генерации T, ширина импульса τ_имп.

Способ получения импульсно-периодического излучения в АРГ лазера с движущейся средой согласно изобретению осуществляется следующим образом. Возбуждение (накачку) движущейся газовой активной среды 1 (фиг. 1) производят непрерывным или квазинепрерывным способом, например, с помощью электрического разряда в зонах возбуждения 2 и 2' внутри HP, образованного зеркалами M₁ и M₂. На входе в резонатор зона накачки 2 может выходить за пределы резонатора, как это показано на фиг 1. В приосевой зоне 3 накачка среду отсутствует или ее интенсивность быстро спадает к оси HP. Уменьшение интенсивности накачки в приосевой зоне достигают, например, путем специального выбора конструкции и расположения электродов газоразрядной камеры. В простейшем варианте электроды, определяющие контуры зон возбуждения 2 и 2', располагаются вне приосевой зоны HP. В случае использования секционированных электродов достаточно уменьшить ток разряда через секции, расположенные вблизи оси НР.

Механизм формирования автоколебаний мощности генерации заключается в следующем (для простоты предположим, что накачка в приосевой зоне полностью отсутствует). После включения накачки движущаяся активная среда с коэффициентом усиления (КУ), превышающим потери резонатора, достигает оси НР и в резонаторе за счет индуцированных переходов генерируется лазерное излучение. При этом инверсия и КУ на рабочем переходе сильно уменьшаются, так как происходит насыщение активной среды. При поступлении такой насыщенной среды в приосевую зону инверсия дополнительно уменьшается за счет релаксационных процессов и КУ на оси НР оказывается ниже потерь резонатора, что приводит к прекращению генерации. После этого в зоне возбуждения под действием накачки происходит восстановление инверсии и КУ среды. Когда инвертированная среда достигает оси НР, начинается следующий импульс генерации, после чего процесс периодически повторяется.

Приосевая зона, излучение из которой "растекается" по всему объему НР (фиг. 1), является управляющей (задающей) зоной НР.

Заметим, что та часть НР, которая расположена ниже по потоку среды по отношению к приосевой зоне, в типичных случаях практически не оказывает влияния на процесс генерации в приосевой зоне и верхней части НР [4] Поэтому она не играет заметной роли в механизме формирования автоколебаний и, в принципе, может вообще отсутствовать. Протяженность этой зоны вдоль потока h' должна выбираться из соображений наиболее полного съема энергии с активной среды.

Помимо отсутствия дополнительных потерь излучения в резонаторе, важным преимуществом предлагаемого способа перед прототипом является то, что в приосевой зоне НР отсутствуют или сильно замедлены процессы восстановления инверсии и коэффициента усиления, благодаря чему после окончания импульса генерации возникновение следующего импульса задерживается на время, необходимое для достаточно полного восстановления КУ среды за пределами приосевой зоны и ее перемещения к оси НР. В результате достигается более глубокая модуляция КУ во времени, способствующая поддержанию автоколебаний. Благодаря этому обстоятельству предлагаемый способ позволяет получать АРГ в более широком диапазоне изменения параметров активной среды.

Данное качественное описание подтверждается расчетом, выполненным с использованием простейшей модели активной среды и резистора /3/. В этой модели среда описывается уравнением для КУ α(x,t)

Здесь V скорость потока активной среды, S S(x) величина, пропорциональная скорости накачки среды, τ_рел время релаксации инверсной населенности, I интенсивность лазерного излучения (по числу квантов), σ - сечение оптического перехода.

После в НР описывается в приближении геометрической оптики. Для случая цилиндрических зеркал уравнение для интенсивности поля имеет вид [3]

Здесь время обхода резонатора, L расстояние между зеркалами, M
коэффициент увеличения НР за двойной проход, a распределенные диссипативные потери (с включением потерь на зеркалах), l длина усиливающей среды.

Для упрощения расчетов пренебрегается изменением характеристик поля излучения и среды в направлении оптической оси резонатора.

Система уравнений (1), (2) решалась численно для верхней по потоку среды части резонатора (0≅x≅h) с граничным условием для КУ на входе в резонатор α(h,t)=α_o Начальное условие для интенсивности поля лазера бралось в виде I (X, O) I_сп, где I_сп интенсивность спонтанных шумов. Распределение скорости накачки S(x) задавалось выражением

Для данных расчета, представленных графически на фиг. 2, были приняты следующие численные значения величин: L 1 м, M 1,2, h 5 см, h₁ 0,5 см, α_ol=0,5, a 0, V 10² м/с, τ_рел=10^-4 с. (Эти значения являются достаточно типичными для электроразрядных молекулярных лазеров с поперечным потоком газовой активной среды.)
Как видно из фиг. 2, при указанных значениях параметров системы наблюдается импульсно-периодическая автомодулированная генерация. Период следования импульсов T 7,7 10^-5 с близок к времени пролета среды через неоднородную приосевую зону τ₁=h₁/v=5•10^-5 с. Частота модуляции составляет около 13 кГц. Длительность импульса τ_имп≈7•10^-6 с. Величина τ₁ которая играет важную роль в определении временных характеристик генерации должна выбираться исходя из заданного времени релаксации среды τ_рел согласно приближенному соотношению
τ₁≲τ_рел (4)
с тем расчетом, чтобы в приосевой зоне инверсия среды не успевала бы слишком релаксировать. (В приведенном примере τ₁=0,5τ_рел).

В рассмотренном примере принято h>h₁, поэтому характеристики импульсов не зависят от полного времени пролета среды через резонатор Если h сравнимо с h₁, то, как показывают дополнительные расчеты, период T и другие характеристики генерации зависят от всех трех времен (τ₁,τ_пр,τ_рел).

Минимальный размер неоднородности h₁ ограничен дифракцией излучения в резонаторе и, во всяком случае, не может быть меньше размера первой дифракционной зоны Френеля

Отсюда, согласно (4), вытекает ограничение снизу на время релаксации среды τ_рел и, соответственно, длину релаксации l_рел, при которых возможно получение АРГ:

Например, при λ=10^-3 см L 1 м и V 10² м/с имеем l_рел≳0,3 см, τ_рел≳3•10^-5 с. (В электроразрядных быстропроточных лазерах эти условия обычно выполняются.)
Эффективность съема энергии с активной среды в АРГ, определяемая отношением средней за период мощности генерации к максимально возможной мощности генерации при полном насыщении среды, в приведенном выше расчете составляет η≈0,68.

Для получения АРГ в той же системе по способу [3] (прототипу) необходимо увеличение полных потерь на оси НР до значения, составляющего 0,85 α_o, вследствие чего эффективность съема падает до величины η≈0,35.

Приведенный расчет показывает, что использование неоднородной накачки, обеспечивающей уменьшение скорости возбуждения среды в приосевой зоне НР, позволяет получить значительно более высокий КПД лазера, чем в известном методе с неоднородными зеркалами. Более сложные расчеты, выполненные на основе моделей, детально учитывающих кинетику формирования инверсии в молекулярных газовых средах, подтверждают этот вывод.

Тем не менее, в отдельных случаях для получения автомодулированной генерации с заданными характеристиками может оказаться целесообразным в дополнение к неоднородной накачке использовать и слабо неоднородные зеркала как с амплитудой, так и фазовой неоднородностью (асферические зеркала).

Таким образом, создан способ получения импульсно-периодической автомодулированной генерации в лазерах с поперечной прокачкой активной среды через неустойчивый резонатор, отличающийся от известных способов тем, что механизм автомодуляции обусловлен уменьшением скорости возбуждения среды в приосевой зоне резонатора.

Предложенный способ характеризуется высокой эффективностью съема энергии с активной среды в широком диапазоне изменения констант релаксации среды и скорости потока.

Способ позволяет получать в лазерах с непрерывным возбуждением высокие пиковые мощности излучения при частоте повторения импульсов до десятков килогерц. Такого рода режимы представляют большой интерес, в частности, для лазерной обработки материалов.

Применение способа в быстропроточных технологических лазерах позволяет с помощью несложных операций (таких как изменение тока через отдельные секции газового разряда) управлять временными характеристиками излучения, выбирая оптимальный для каждой технологической операции режим генерации (импульсно-периодический или непрерывный).

Источники информации
1. B.L. Wexler, T.J. Manuccia, R.W. Waynant CW and improved pulsed operation of the 14- and 16- μm CO₂ lasers. Appl. Phys. Lett. 31, N 11, p. 730 732, 1977.

2. Патент США 4418413, кл. H01 3/095, опубл. 1983.

3. Баранов А. Н. Николаева О.Ю, Одинцов А.И. Федосеев А.И. Автомодуляционный режим генерации в лазерах с поперечной прокачкой рабочего вещества. Квантовая электроника, 20, 6, с. 589 593, 1993.

4. Ананьев Ю.А. Оптические резонаторы и проблемы расходимости лазерного излучения. М. Наука, 1979.

Использование: в квантовой электронике, в частности, в лазерах с движущейся активной средой и непрерывным возбуждением. Сущность изобретения: способ получения импульсно-периодического автомодулированного лазерного излучения включает прокачку активной среды поперек оптической оси неустойчивого резонатора, непрерывное возбуждение активной среды в объеме резонатора и локальное изменение соотношения усиления и потерь вблизи оптической оси неустойчивого резонатора путем уменьшения скорости возбуждения активной среды в приосевой зоне резонатора. 2 ил.

Способ получения импульсно-периодического автомодулированного лазерного излучения, включающий прокачку активной среды поперек оптической оси неустойчивого резонатора, ее непрерывное возбуждение в объеме резонатора, а также локальное изменение соотношения усиления и потерь вблизи оптической оси неустойчивого резонатора, отличающийся тем, что локальное изменение соотношения усиления и потерь вблизи оси неустойчивого резонатора осуществляют за счет уменьшения скорости возбуждения среды в приосевой зоне резонатора.