СКАНИРУЮЩИЙ ЛАЗЕР Российский патент 1997 года по МПК H01S3/10 

Изобретение относится к лазерной технике и может использоваться в системах лазерной локации, связи, обработки, передачи и хранения информации, а также при создании лазерных технологических установок для высокоточной обработки материалов.

В настоящее время для решения широкого круга задач, таких как лазерная локация, высокоскоростная маркировка и тому подобных чрезвычайно актуальна проблема создания сканирующих перестраиваемых лазеров коротковолнового диапазона спектра с высокой частотой следования импульсов генерации.

Одним из эффективных способов получения коротковолновой генерации является преобразование лазерного излучения в излучение удвоенной частоты в нелинейных средах (генерация второй гармоники ГВГ). Известная схема ГВГ [1] содержит лазер, фокусирующую линзу и нелинейный элемент, представляющий собой кристалл, вырезанный вдоль направления фазового синхронизма нелинейного взаимодействия. В том случае, когда основное излучение является многоволновым, возможно получение набора коротковолновых частот, генерируемых при взаимодействии различных пар основного излучения (как ГВГ, так и ГСЧ - генерация суммарной частоты). При этом кристалл вырезается относительно оси Z вдоль некоторого среднего угла θ = (θ₁+θ₂...+θ_m)/m, где θ₁, θ₂,...θ_m углы синхронизма для возможных нелинейных взаимодействий, а выбор конкретной коротковолновой генерации производится угловой подстройкой положения входного торца кристалла относительно оси падающего излучения. Обычно для этого используется механически вращающийся поворотный столик, на котором размещают нелинейный кристалл. Максимальное преобразование получается при внутрирезонаторной ГВГ (ГСЧ), когда нелинейный кристалл помещается в резонатор лазера с максимальным отражением зеркал для основного излечения. В этом случае для перестройки частоты коротковолнового излучения необходимо одновременно производить как поворот кристалла относительно оси основного излучения, так и подстройку резонатора лазера, что существенно усложняет конструкцию в целом. В известных устройствах невозможно обеспечить быструю, поимпульсную спектральную перестройку излучения при одновременном сканировании его в пространстве.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является лазер со скоростным сканированием луча [2] содержащий активный элемент, размещенный в резонаторе с двумя зеркалами, пространственно-временной модулятор света (ПВМС), выполненный в виде внутрирезонаторной электроуправляемой пластины с линейными управляющими электродами, установленной вблизи зеркала резонатора, и источник накачки.

В описанной в заявке схеме при введении в резонатор нелинейного кристалла в принципе возможно получение пространственного сканирования коротковолнового излучения при высокой скорости переключения направлений сканирования. Однако для одновременной перестройки его частоты также необходимо производить угловую подстройку положения кристалла.

Технический эффект предложенного нами сканирующего лазера заключается в достижении поимпульсной спектральной перестройки коротковолнового излучения при его одновременном пространственном сканировании.

Для достижения вышеназванного эффекта нами создан сканирующий лазер, содержащий активный элемент, размещенный в резонаторе с двумя зеркалами, пространственно-временной модулятор света, выполненный в виде внутрирезонаторной электроуправляемой пластины с линейными управляющими электродами, установленной вблизи второго зеркала резонатора, и источник накачки. Новым в сканирующем лазере является то, что в него дополнительно введены расположенный между пластиной пространственно-временного модулятора света и активным элементом полный поляризатор, выполненный в виде поляризационного делителя, по ходу отраженной компоненты излучения которого установлены нелинейный кристалл и третье полностью отражающее зеркало, образующее конфокальный резонатор с первым зеркалом, две четвертьволновые пластинки, установленные с обеих сторон поляризатора, и расположенная между пластиной пространственно-временного модулятора света и четвертьволновой пластинкой щелевая диафрагма, при этом резонатор выполнен конфокальным с полностью отражающими зеркалами, в качестве активного элемента выбрана среда с несколькими длинами волн генерации, толщина D четвертьволновых пластинок найдена из условия

где λ₁, λ₂,...λ_n длины волн генерации лазера;
M₁, M₂,M_n целые числа;
n_eλ_i, n_oλ_i показатели преломления для необыкновенного и обыкновенного лучей для длины волны λ_i,
линейные управляющие электроды пластины пространственно-временного модулятора света расположены под углом 45^o к плоскости пропускания поляризатора, нелинейный кристалл обладает синхронизмом для о-о-е взаимодействий генераций вторых гармоник и суммарных частот основного излучения, причем ось Z кристалла расположена под углом θ к оси резонатора, а углы синхронизмов нелинейных взаимодействий для основного излучения с l₁, λ₂,...λ_n лежат в диапазоне θ ± 0,5β, где b угол между крайними положениями центральных направлений распространения сканирующих лучей внутри нелинейного кристалла.

В лазерах такого класса электрически управляемые пространственно-временные модуляторы света традиционно применяются с устройствами управления. Схемы таких устройств разнообразны и достаточно широко описаны в различной литературе.

На чертеже представлена принципиальная схема предложенного устройства, использованного при создании коротковолнового лазера на парах металлов с однократным сканированием излучения (на примере конкретного исполнения). Устройство содержит активный элемент 1 с многоволновой средой, размещенный в резонаторе с двумя зеркалами 2 и 3, пространственно-временной модулятор света, выполненный в виде внутрирезонаторной электроуправляемой пластины 4 с линейными управляющими электродами, установленной вблизи зеркала 3 резонатора, и источник накачки 5. В него дополнительно введены расположенный между пластиной 4 пространственно-временного модулятора света и активным элементом 1 полный поляризатор 6, выполненный в виде поляризационного делителя, по ходу отраженной компоненты излучения которого установлены нелинейный кристалл 7, полностью отражающее зеркало 8, образующее конфокальный резонатор с зеркалом 2, две четвертьволновые пластинки 9 и 10, установленные с обеих сторон поляризатора 6 и расположенная между пластиной 4 пространственно-временного модулятора света и четвертьволновой пластинкой 9 щелевая диафрагма 11. Резонатор лазера выполнен конфокальным с полностью отражающими зеркалами 2 и 3, линейные управляющие электроды пластины 4 пространственно-временного модулятора света расположены под углом 45^o к плоскости пропускания поляризатора 6. При этом толщина D четвертьволновых пластинок выбрана из условия

где λ₁, λ₂,...λ_n длины волн генерации лазера;
M₁, M₂,M_n целые числа;
n_eλ_i, n_oλ_i показатели преломления для необыкновенного и обыкновенного лучей для длины волны λ_i,
линейные управляющие электроды пластины 4 пространственно-временного модулятора света расположены под углом 45^o к плоскости пропускания поляризатора 6, нелинейный кристалл 7 обладает синхронизмом для о-о-е взаимодействий генераций вторых гармоник и суммарных частот основного излучения, причем ось Z кристалла расположена под углом θ к оси резонатора, углы синхронизмов нелинейных взаимодействий для основного излучения с l₁, λ₂,...λ_n лежат в диапазоне θ ± 0,5β, где β угол между крайними положениями центральных направлений распространения сканирующих лучей внутри нелинейного кристалла 7.

Работу лазера рассмотрим на примере устройства, изображенного на чертеже. В активном элементе (газоразрядной трубке) 1, содержащем буферный газ (неон, гелий) и активное вещество марганец посредством разряда конденсатора через водородный тиратрон источника накачки 5 возбуждается импульсный разряд с высокой частотой следования (5-20 кГц). При этом за счет тепла, выделяемого в разрядном промежутке, в газовом объеме устанавливается необходимая рабочая температура, и в активной среде в виде паров марганца создается инверсная населенность (методы получения и накачки активной среды на парах металлов широко известны, см. например, книгу Солдатова А.Н. и Соломонова В.И. Газоразрядные лазеры на самоограниченных переходах в парах металлов. Новосибирск: Наука, 1985, 152 с.). В исходном состоянии резонатор заперт четвертьволновой развязкой (поляризатор 6 четвертьволновая пластинка 9). В момент достижения максимальной инверсии из устройства управления пространственно-временным модулятором света (не показано) на определенные (заданные) линейные электроды электроуправляемой пластины 4 подаются импульсы напряжения и зона электроуправляемой пластины 4, ограниченная линейными электродами, находящимися под разностью потенциалов, приобретает свойства четвертьволновой пластинки, поэтому только через эту зону и щелевую диафрагму 11 возникает обратная связь между активным элементом 1 и зеркалом 3. При этом генерируемое излучение фокусируется как на зеркале 3, так и на зеркале 8, поскольку резонатор лазера образован попарно конфокальными зеркалами 3-2 и 2-8 с поляризационной развязкой на поляризаторе 6 (при двойном проходе излучения через четвертьволновую пластинку 10 плоскость поляризации поворачивается на 90^o), причем углы падения излучения на зеркало 8 аналогичны углам падения его на зеркало 3 и однозначно определяются зоной электроуправляемой пластины 4, ограниченной линейными электродами, находящимися под разностью потенциалов, и щелевой диафрагмой 11. Таким образом, при подаче напряжения на различные электроды электроуправляемой пластины осуществляется генерация импульсов когерентного излучения при его одновременном внутрирезонаторном сканировании. При совпадении направлений генерируемого излучения у зеркала 8 и синхронизма нелинейного о-о-е взаимодействия в кристалле 7 возникает параметрически генерируемая волна, направление поляризации которой ортогонально направлению поляризации основного излучения. Поэтому она без потерь проходит через поляризатор 6 и выходит из резонатора, причем направления распространений излучений, получаемых в результате параметрического взаимодействия различных пар основного излучения, также различны. Поскольку толщина D четвертьволновых пластинок 9 и 10 выбрана из условия

то внутрирезонаторные потери для разных длин волн основного излучения изменяются несущественно. Поскольку торец нелинейного кристалла, вырезанного под углом θ к кристаллографической оси Z, расположен нормально к оси резонатора, и диапазон изменений центральных направлений распространения сканирующих лучей внутри нелинейного кристалла составляет q ± 0,5β, где b угол между крайними положениями центральных направлений распространения сканирующих лучей основного излучения с l₁, λ₂,...λ_n внутри нелинейного кристалла, то условия возникновения параметрически генерируемой волны могут быть выполнены для любой пары длин волн основного излучения.

Экспериментальные исследования проводились на макетном образце лазера на парах марганца с саморазогревной газоразрядной трубкой с внутренним диаметром 20 мм и длиной активной зоны 400 мм (общая длина трубки 600 мм). В качестве буферного газа использовался гелий при давлении 12 Торр. Поскольку метастабильные уровни в парах марганца для зеленой и ИК линий совпадают, то для повышения эффективности генерации лазера в ИК-диапазоне (λ₁1332нм; λ₂ 1363нм) перед газоразрядной трубкой устанавливается фильтр ИКС-1.

Электроуправляемые пластины пространственно-временного модулятора света были выполнены на основе прозрачной электрооптической поликристаллической керамики ЦТСЛ-10, обладающей высоким электрооптическим эффектом и высокой скоростью электрооптического отклика. Информационная емкость пространственно-временного модулятора света в составе одной пластины 32 бит, т.е. возможно 32 дискретных направлений излучения лазера. Величина четвертьволнового динамического напряжения на рабочих длинах волн лазера (1332 и 1363нм) составила 800 В. Программируемое устройство управления позволяло задавать номер и порядок включения линеек электроуправляемых пластин пространственно-временного модулятора света, а также регулировать напряжение на отдельных линейных управляющих электродах с отклонением в пределах 20: от четвертьволнового. Фокусное расстояние конфокальных зеркал резонатора составляло 350 мм, а коэффициент отражения зеркал 96: Толщина четвертьволновых пластин D выбиралась оптимальной для используемых длин волн генерации лазера на парах марганца. Нелинейный кристалл KDP размером 30 х 30 х 30 мм, вырезанный под углом θ46,3^o, располагался вплотную к зеркалу.

При однокоординатном поимпульсном сканировании, с использованием одной электроуправляемой пластины, с газоразрядной трубкой на парах марганца без нелинейного кристалла была получена средняя мощность генерации 0,6 Вт на l₁ 1332нм, а на λ₂1363нм 0,7 Вт, частота следования импульсов составляла 15 кГц, а длительность импульсов излучения 15нс. При введении в резонатор лазера нелинейного кристалла при внутрирезонаторном сканировании была получена коротковолновая генерация на длинах волн 666 нм -ГВГ от 1332 нм; 674 нм -ГСЧ от 1332 нм и 1363 нм; 681,5 нм -ГВГ от 1363 нм со средней мощностью20 мВт. При проведении экспериментов была подтверждена возможность скоростного, поимпульсного переключения как направления луча в пространстве, так и по длине волны генерируемого коротковолнового излучения с частотой, превышающей десятки кГц, что недостижимо для других известных сканирующих лазеров.

Таким образом, вышеописанный лазер прост по конструкции, надежен в эксплуатации, позволяет осуществлять спектральную поимпульсную кодировку коротковолнового излучения, полученного в результате нелинейного внутрирезонаторного взаимодействия, при его одновременном пространственном сканировании. По своим функциональным параметрам он может найти широкое применение в системах лазерной локации и технологии.

По результатам экспериментов в НИИКИ ОЭП ВНЦ ГОИ им. С.И.Вавилова разработан макетный образец сканирующего лазера для лазерной локации.

Использование: область применения - системы лазерной локации, связи, обработки, передачи и хранения информации, а также лазерные технологические установки для высокоточной обработки материалов. Сущностьизобретения: предложен сканирующий лазер, содержащий активный элемент, размещенный в резонаторе с двумя зеркалами, пространственно-временной модулятор света, выполненный в виде внутрирезонаторной электроуправляемой пластины с линейными управляющими электродами, установленной вблизи второго зеркала резонатора, и источник накачки. Новым в сканирующем лазере является то, что в него дополнительно введены расположенный между пластиной пространственно-временного модулятора света и активным элементом полный поляризатор, выполненный в виде поляризационного делителя, по ходу отраженной компоненты излучения которого установлены нелинейный кристалл, третье полностью отражающее зеркало, образующее конфокальный резонатор с первым зеркалом, две четвертьволновые пластинки, установленные с обеих сторон поляризатора, и расположенная между пластиной пространственно-временного модулятора света и четвертьволновой пластинкой щелевая диафрагма, при этом резонатор выполнен конфокальным с полностью отражающими зеркалами, в качестве активного элемента выбрана среда с несколькими длинами волн генерации, толщина четвертьволновых пластинок выбрана из определенного условия, линейные управляющие электроды пластины пространственно-временного модулятора света расположены под углом 45^o к плоскости пропускания поляризатора, нелинейный кристалл обладает синхронизмом для о-о-е взаимодействий генераций вторых гармоник и суммарных частот основного излучения, причем ось Z кристалла расположена под углом θ к оси резонатора, а углы синхронизмов нелинейных взаимодействий для основного излучения с λ₁, λ₂,...λ_n лежат в диапазоне θ ± 0,5β, где β - угол между крайними положениями центральных направлений распространения сканирующих лучей внутри нелинейного кристалла. 1 ил.

Сканирующий лазер, содержащий активный элемент, размещенный в резонаторе с двумя зеркалами, пространственно-временной модулятор света, выполненный в виде внутрирезонаторной электроуправляемой пластины с линейными управляющими электродами, установленной вблизи второго зеркала резонатора, и источник накачки, отличающийся тем, что в него дополнительно введены расположенный между пластиной пространственно-временного модулятора света и активным элементом полный поляризатор, выполненный в виде поляризационного делителя, по ходу отраженной компоненты излучения которого дополнительно установлены нелинейный кристалл и третье полностью отражающее зеркало, образующее конфокальный резонатор с первым зеркалом, две четвертьволновые пластинки, установленные с обеих сторон поляризатора, и расположенная между пластиной пространственно-временного модулятора света и четвертьволновой пластинкой щелевая диафрагма, при этом резонатор выполнен конфокальным с полностью отражающими зеркалами, в качестве активного элемента выбрана среда с несколькими длинами волн генерации, толщина D четвертьволновых пластинок выбрана из условия

где λ₁, λ₂,...,λ_n - длины волн генерации лазера;
М₁, М₂, М_n целые числа;
n_eλ_i, n_oλ_i - показатели преломления для необыкновенного и обыкновенного лучей для длины волны λ_i,
линейные управляющие электроды пластины пространственно-временного модулятора света расположены под углом 45^o к плоскости пропускания поляризатора, нелинейный кристалл обладает синхронизмом для о-о-е взаимодействий генераций вторых гармоник и суммарных частот основного излучения, причем ось Z кристалла расположена под углом θ к оси резонатора, а углы синхронизмов нелинейных взаимодействий для основного излучения с l₁, λ₂,...,λ_n лежат в диапазоне θ ± 0,5β, где β - угол между крайними положениями центральных направлений распространения сканирующих лучей внутри нелинейного кристалла.