ЛАЗЕРНОЕ УСТРОЙСТВО ОДНОМОДОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК H01S3/02 

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к твердотельным лазерам, и может быть использовано для получения одномодового непрерывного или импульсно-периодического режима генерации с высокой пространственной яркостью излучения, обладающего большой длиной когерентности.

Известны твердотельные лазеры на основе дисперсионных многозеркальных резонаторов с открытым концом, в которых парциальные линейные резонаторы связаны через делительное зеркало. Такой резонатор обладает частотно-селективными излучательными потерями и осуществляет эффективную селекцию продольных мод (см. С. П. Анохов, Т.Я. Марусий, М.С. Соскин. Перестраиваемые лазеры. М. Радио и связь, 1982, с. 219-229).

Недостатком указанных лазеров является малая мощность излучения и его большая расходимость вследствие значительной оптической силы термолинзы, наведенной в активных элементах при высоком уровне оптической накачки.

Известен трехкаскадный усилитель одномодового излучения ИАГ: Nd-лазера, задающий генератор которого содержит активный элемент, расположенный между выпуклым глухим зеркалом и плоским выходным зеркалом (Т.Т. Басиев, А.Н. Кравец и др. Квантовая электроника. 1991, т. 18. N 17, с. 822-824). Реализация одномодового режима генерации с Гауссовым профилем распределения интенсивности достигается тем, что радиус кривизны глухого зеркала и его положение в резонаторе выбраны из условия соответствия диаметра пятна нулевой моды и диаметра активного элемента.

Недостатком данного устройства является то, что компенсация термолинзы, наведенной в активном элементе, осуществляется только в задающем генераторе и не осуществляется в последующих усилительных каскадах. Этот недостаток приводит к существенному ограничению мощности излучения лазерного устройства.

Другой недостаток состоит в том, что не осуществляется селекция продольных мод, что ограничивает длину когерентности лазерного излучения.

Цель изобретения увеличение мощности одномодового излучения, его пространственной яркости и длины когерентности.

Цель достигается тем, что устройство дополнительно снабжено по крайней мере еще одним генератором, при этом генераторы соединены в параллельную оптическую систему, а их излучение направлено вдоль одной линии с помощью выходного зеркала, выполненного в виде плоского глухого зеркала и светоделителя с коэффициентом отражения, обеспечивающим максимальную мощность излучения и равенство мощностей генераторов.

Отличием данного устройства от прототипа является то, что активные элементы соединены в оптическую схему не последовательно, а параллельно, что достигается с помощью светоделителей и плоских глухих зеркал путем образования отдельных парциальных однотипных генераторов с неустойчивыми резонаторами. Другое отличие состоит в том, что коэффициенты отражения светоделителей выбраны из условия обеспечения максимальной одинаковой мощности излучения парциальных генераторов.

Предлагаемое лазерное устройство может быть изготовлено, например, на базе двух серийно выпускаемых технологических ИАГ: Nd-лазеров с непрерывной накачкой типа ЛТН-103 или лазеров типа ЛИТ-100 с импульсно-периодической накачкой с частотой 150 Гц. Каждый из указанных лазеров состоит из двух квантронов типа К-301В с активными элементами размером 6,3 х 100 мм и криптоновыми лампами накачки ДНП-6/90, а мощность непрерывного многомодового излучения 250 Вт достигается при электрической мощности накачки 9 кВт.

В прототипе максимальная мощность одномодового непрерывного излучения составляла 302 Вт при длине когерентности 10 см, что соответствует ширине спектра генерации 10 пм. В задающем генераторе использовано выпуклое глухое зеркало с радиусом кривизны 400 мм, а оптимальное пропускание плоского зеркала составило τ 25% Поэтому, используя в предлагаемом устройстве аналогичные выпуклые зеркала и принимая t_эi 0,25, найдем коэффициенты пропускания τ_i и отражения ρ_i каждого из светоделителей.

Полная мощность излучения представленного лазерного устройства

где P_Bi мощность излучения, выходящего из каждого парциального генератора в лазерном устройстве

где P_oi полная мощность излучения, вырабатываемого генератором P_oi P_Bi + P_pi (4);
P_pi мощность излучения, сосредоточенная в резонаторе;
τ_эi,ρ_эi коэффициенты пропускания и отражения выходного зеркала эквивалентного генератора
τ_эi+ρ_эi= 1 (5)
В первом приближении для четырех парциальных генераторов

где τ_i+ρ_i 1, i 1, 2, 3, 4. (7).

С учетом (2) систему уравнений (6) представим в виде

Из (8), пренебрегая членами высшего порядка малости, найдем

Найденные таким образом значения параметров светоделителей позволяют получить максимальную мощность излучения предлагаемого лазерного устройства.

Для реализации одномодового режима генерации с минимальной расходимостью и Гауссовым профилем распределения интенсивности радиус кривизны глухого зеркала и его положение относительно активного элемента выбирают из условия соответствия размеров диаметра пятна нулевой моды и диаметра активного элемента. В этом случае термолинза, наведенная в активном элементе, и выпуклое глухое зеркало образуют телескопическую систему. Известно, что расстояние главной плоскости термолинзы от торца активного элемента h l/2n, где l длина активного элемента; n его показатель преломления (см. Г.М. Зверев и др. Лазеры на алюмонатриевом гранате с неодимом. М. 1985. с. 40-43). Телескопическая схема задающего генератора реализуется при выполнении условия
F R + C + l/2n, (10)
где F фокусное расстояние термолинзы, наведенной в активном элементе, определяемое экспериментально;
R радиус кривизны глухого зеркала;
C расстояние между вершиной зеркала и торцем активного элемента.

Из (10) следует, что при неизменных значениях F и l
R F C l/2n max при C 0.

Поэтому получаем условие
R ≅ F-l/2n R_max.

В то же время при R << R_max существенно возрастает плотность мощности на поверхности зеркала, а при R < 2d, где d диаметр активного элемента, резко возрастают дифракционные потери. Поэтому необходимо, чтобы R > 2d. Таким образом
2d <R ≅ F l/2n (11).

При увеличении мощности накачки F уменьшается, поэтому уменьшают расстояние C путем перемещения глухого зеркала так, чтобы диаметр пятна нулевой моды равнялся диаметру активного элемента, что обеспечивает лучшее заполнение активных элементов и, как результат, больший энергосъем и КПД лазера. При этом на люминесцентном экране, расположенном на выходе лазерного устройства, наблюдают с помощью объектива одномодовую структуру излучения с Гауссовым профилем распределения интенсивности.

Предлагаемое лазерное устройство позволяет получить излучение с большей длиной когерентности, чем прототип, так как является разновидностью многозеркального резонатора с открытым концом, поэтому в отличие от прототипа, позволяет осуществлять селекцию не только поперечных мод, но и продольных. Настройка парциальных генераторов на резонансную частоту производится поступательным перемещением плоских глухих зеркал вдоль оптических плеч соответствующих резонаторов. Для возникновения высокодобротных мод длины плеч должны относится как целые числа (см. С.П. Анохов и др. Перестраиваемые лазеры. М. 1982, с. 219-229). При точной настройке парциальных резонаторов мощность излучения максимальна.

На фиг. 1 приведена оптическая схема лазерного устройства; на фиг. 2 - оптическая схема эквивалентного парциального генератора.

Устройство содержит закрепленные неподвижно на основании по ходу световых лучей выпуклые глухие зеркала 1-4, активные элементы 5-8, светоделители 9-12, глухие зеркала 13-17, лампы оптической накачки 18-21.

Устройство работает следующим образом. Лазерное излучение, возникающее при оптической накачке активных элементов 5-8 лампами 18-21, отражаясь многократно между зеркалами 1-4 и 14-17, выводится с помощью светоделителей 9-12 и зеркала 13. Таким образом, каждый из активных элементов можно рассматривать как составную часть парциального генератора с выпуклым глухим зеркалом и эквивалентным плоским зеркалом с пропусканием τ_эi и коэффициентом отражения ρ_эi. При этом генераторы соединены в параллельную оптическую схему с помощью светоделителей и плоских глухих зеркал, а излучение отдельных генераторов направлено вдоль одной линии. Для устройства, состоящего из четырех парциальных генераторов, коэффициенты отражения и пропускания вычисляют по формулам (7) (9), где i 1, 2, 3, 4, соответственно, для светоделителей 9, 10, 11, 12. Аналогично вычисляют эти параметры для устройства, состоящего из другого числа парциальных генераторов. Предварительно экспериментально находят пропускание τ_э выходного зеркала эквивалентного генератора, приведенного на фиг. 2. Например, для устройства, изготовленного на базе лазера ЛТН-103 τ_э 0,25, оптическая сила наведенной термолинзы составляет 2,1 Дп, что учитывают при определении коэффициентов ρ_i,τ_i согласно (9). Расстояние C между вершиной выпуклого зеркала и торцем активного элемента находят по формуле
C F R l/2n (12).

При F 480 мм, R 400 мм, l 100 мм, n 1,816 C 52 мм. Для рассмотренного примера, как следует из (9), ρ₁ 0,96, поэтому зеркала 9, 13, 14 можно заменить одной трехгранной прямоугольной призмой полного внутреннего отражения.

Предлагаемое лазерное устройство позволяет получить одномодовое излучение с мощностью в 1,5 раза выше, чем у прототипа, при одинаковом числе используемых квантронов благодаря компенсации термолинзы, наведенной в каждом активном элементе, что сопровождается увеличением пространственной яркости излучения. При этом длина когерентности излучения возрастает в 2-3 раза благодаря селекции не только поперечных, но и продольных мод.

Высокая мощность одномодового излучения, его пространственная яркость и стабильность позволяют использовать предложенное лазерное устройство для различных технологических применений, повысить эффективность и качество обработки материалов, осуществлять с помощью нелинейных кристаллов генерацию кратных гармоник, обладающих большой длиной когерентности.

Использование: изобретение относится к лазерной технике и позволяет повысить мощность одномодового излучения твердотельного лазера, его пространственную яркость и длину когерентности. Сущность: устройство дополнительно снабжено по крайней мере еще одним генератором, при этом генераторы соединены в параллельную оптическую схему, а их излучение направлено вдоль одной линии с помощью выходного зеркала, выполненного в виде плоского глухого зеркала и светоделителя с коэффициентом отражения, обеспечивающим максимальную мощность излучения и равенство мощностей генераторов. 2 ил.

Лазерное устройство одномодового излучения, содержащее генератор с активным элементом, расположенным между выпуклым глухим зеркалом и выходным зеркалом, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено по крайней мере еще одним генератором, при этом генераторы соединены в параллельную оптическую схему, а их излучение направлено вдоль одной линии с помощью выходного зеркала, выполненного в виде плоского глухого зеркала и светоделителя с коэффициентом отражения, обеспечивающим максимальную мощность излучения и равенство мощностей генераторов.