ИМПУЛЬСНЫЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР С ПЕРЕСТРОЙКОЙ ДЛИНЫ ВОЛНЫ ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК H01S3/10 

Изобретение относится к импульсным твердотельным лазерам, работающим в режиме с электрооптической модуляцией добротности, и может быть использовано для получения мощных импульсов лазерного излучения в наносекундном диапазоне длительностей импульса с частотами повторения импульсов до 100 Гц в видимом и ближнем инфракрасном, в том числе безопасном для человеческого зрения, спектральных диапазонах для целей нелинейной оптики, лазерной дальнометрии, оптической локации и экологического мониторинга окружающей среды.

С появлением новых нелинейных кристаллов, таких, как КТР, КТА, ВВО и ряда других, в настоящее время наблюдается возрастание интереса к параметрической генерации света как к весьма эффективному способу перестройки длины волны лазерного излучения. Этот интерес связан прежде всего с тем, что именно с появлением вышеуказанных кристаллов техническая реализация метода стала возможной.

Для накачки параметрических генераторов света (ПГС) применяются, в частности, импульсные твердотельные лазеры на неодимсодержащих активных средах. Так, известно [1] содержащее многомодовый импульсный лазер на АИГ:Nd с электрооптической модуляцией добротности резонатора, изолирующую и фокусирующую оптические системы, а также однорезонаторный ПГС (ОПГС), который в свою очередь состоит из нелинейного элемента из кристалла КТР (или КТА), входного параметрического зеркала, прозрачного для излучения лазера накачки с длиной волны λ_н и полностью отражающего излучения сигнальной волны ПГС λ_c, а также выходного параметрического зеркала, полностью отражающего излучения с длиной волны λ_н и частично пропускающего излучения с длиной волны λ_c.

Общая эффективность такого устройства является недостаточно высокой из-за существенных потерь излучения накачки в изолирующей системе, отказ от которой в этом лазере невозможен.

Одним из способов повышения эффективности ПГС является применение режима внутрирезонаторной параметрической генерации (ВРПГС). Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является многомодовый импульсный лазер на ИЛФ:Nd с резонатором, образованным концевым отражателем, полностью отражающим излучение с длиной волны λ_н, и выходным параметрическим зеркалом, также полностью отражающим излучение с длиной волны λ_н, но частично прозрачным для излучения с длиной волны λ_c, содержащий электрооптический элемент, поляризатор, активный элемент, нелинейный элемент ПГС из кристалла КТР и возвратное параметрическое зеркало, полностью прозрачное для излучения с длиной волны λ_н и полностью отражающего излучения с длиной волны λ_c [2]
Выбор в данном случае активного элемента из кристалла ИЛФ:Nd с высоким собственным двулучепреломлением преследует цель сохранения эффективности лазера в условиях возрастания термооптических искажений при повышении частоты повторения импульсов до 60 Гц. Однако, несмотря на это, в данном лазере все же имеет место снижение эффективности, обусловленное возникновением термически наведенной астигматичной линзы в активном элементе.

Следует отметить, что практически все известные устройства, включающие в себя ОПГС, обладают достаточно высокой эффективностью в области относительно малых частот повторения импульсов (20-30 Гц). В то же время целый ряд задач, стоящих перед современной лазерной техникой, требует наряду с повышением частоты повторения импульсов также и дискретной либо плавной перестройки длины волны лазерного излучения. К числу таких задач относятся прежде всего создание систем экологического мониторинга окружающей среды и создание лазерных частотных дальномеров с излучением, безопасным для человеческого зрения. Однако на пути создания лазеров на основе ПГС для этих целей возникает ряд весьма серьезных технических проблем. Эти проблемы связаны в первую очередь с относительной близостью порога генерации ПГС к порогу разрушения нелинейных элементов и зеркал резонатора. Вследствие этого в процессе работы лазера возникает высокая вероятность повреждения этих оптических элементов и как следствие выход лазера из строя.

Технической задачей изобретения является расширение рабочего диапазона частот повторения импульсов излучения лазера, содержащего ОПГС, повышение эффективности и надежности лазера, а также расширение спектрального диапазона его излучения.

В предложенном импульсном твердотельном лазере с перестройкой длины волны излучения, содержащем концевой отражатель, выходное параметрической зеркало, полностью отражающее излучение с длиной волны излучения активной среды и частично прозрачное для излучения сигнальной волны, активный элемент цилиндрической формы в осветителе, содержащем также отражатель и лампу накачки, поляризатор, электрооптический элемент, нелинейный элемент ПГС и возвратное параметрическое зеркало, полностью отражающее излучение сигнальной волны, концевой отражатель выполнен в виде прямоугольной призмы-крышки, ребро которой параллельно или перпендикулярно плоскости пропускания поляризатора, между электрооптическим и активным элементами дополнительно введен 90-градусный вращатель плоскости поляризации, поляризатор помещен у возвратного параметрического зеркала, между поляризатором и активным элементом дополнительно введены положительная линза с двумя поворотными зеркалами, 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 образует с осью резонатора небольшой угол в пределах первого кольца коноскопической картины.

Существенным отличием предлагаемого устройства является расположение призмы-крышки рядом с электрооптическим элементом, что повлекло за собой определенное изменение пространственной ориентации электрооптического элемента. При этом "запирание" резонатора осуществляется разъюстировкой оптической оси элемента относительно оси резонатора на небольшой угол в пределах первого кольца коноскопической картины, что позволяет работать без постоянного напряжения смещения. Перенос поляризатора по другую сторону активного элемента и введение между электрооптическим и активным элементами 90-градусного вращателя плоскости поляризации привели к формированию т.н. управляемого электрооптического зеркала, эффективно перераспределяющего мощность излучения в плечах резонатора. Дополнительно введенная линза позволила создать оптимальные условия для работы ОПГС во всем диапазоне частот повторения. Другим отличием является определенная ориентация осветителя относительно плоскости пропускания поляризатора.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.

Резонатор образован призмой-крышей 1 и выходным параметрическим зеркалом 2, полностью отражающим излучение с λ_н и частично пропускающим излучение с λ_c. Вывод излучения с λ_н может также осуществляться с помощью поляризатора 3 (пластины с диэлектрическим покрытием).

Активный элемент цилиндрической формы из кристалла с кубической решеткой 4 (АИГ:Nd; ГСГГ:Cr, Nd; ИСГГ:Cr, Nd и т.д.), выращенных в направлении (001), ориентирован так, что кристаллографические оси X и Y составляют углы ±45^o относительно плоскости пропускания поляризатора 3. Осветитель лазера 5 содержит цилиндрический зеркальный отражатель 7 и размещенные параллельно его оси активный элемент 4 и лампу накачки 8.

Между электрооптическим элементом 6, стоящим рядом с призмой-крышей, и активным элементом 4 установлен 90-градусный вращатель плоскости поляризации 9 из оптически активного кристаллического кварца.

Резонатор ОПГС на основе нелинейного элемента 10 из кристалла КТР образован зеркалом 2 и параметрическим зеркалом 11, полностью отражающим излучение с λ_c и прозрачным для излучения с λ_н. Положительная линза 12 с двумя поворотными зеркалами 13, полностью отражающими излучения с λ_н при падении под углом 45^o (независимо от ориентации плоскости поляризации), расположены между активным элементом 4 и поляризатором 3. Как видно из чертежа, каналы, в которых распространяется излучение с λ_н и λ_c, могут быть сведены в один при помощи поворотных зеркал и поляризатора.

Во время действия импульса накачки в активном элементе создается инверсная населенность, пропорциональная коэффициенту усиления, усредненному по длине активного элемента, K. Коэффициент K достигает своего максимального значения в момент τ, причем его распределение по сечению элемента неоднородно и может быть описано средним по диаметру 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. Поэтому осветитель ориентирован так, что указанная плоскость наибольшего значения составляет с плоскостью пропускания поляризатора угол 45^o. Ребро призмы-крыши составляет угол 0^o 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 примерно 1.2^o (в пределах первого кольца коноскопической картины) относительно оси резонатора для внесения начального уровня 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 резонатора, то есть максимально прозрачному электрооптическому зеркалу (призма-электрооптический элемент-поляризатор) и определяются по формулам:

где λ=λ_н - длина волны излучения накачки;
n₀, n_e показатели преломления обыкновенной и необыкновенной волн соответственно;
d длина электрооптического элемента;
δ - величина фазового сдвига между ортогонально поляризованными волнами.

При полном внутреннем отражении от грани призмы:
tgδ/2 = sin^-2ϕcosϕ(sin²ϕ-n^-2)^1/2, (3)
где ϕ - угол падения (в данном случае ϕ 45^o),
n показатель преломления материала призмы-крышки.

При подаче на электроды электрооптического элемента напряжения U₀, определяемого по формуле:
U_o= 4n_od(λ)^-1n-2e

При больших частотах повторения импульсов (порядка 100 Гц) зависимости термически наведенного двулучепреломления в активном и электрооптическом элементах от радиальной и угловой координат, несмотря на несколько различную природу возникновения, имеют сходный характер в радиальных областях поперечного сечения резонатора, ориентированных по направлениям, близким к плоскостям, составляющим углы ± 45^o с плоскостью пропускания поляризатора.

В этих зонах 90-градусный вращатель 9 обеспечивает взаимную компенсацию наведенного двулучепреломления в активном и электрооптическом элементах.

При неполной компенсации эффектов в указанных выше зонах возникают суммарные наведенные потери, среднее значение которых за 2 полных обхода резонатора благодаря повороту на 90^o при отражении от призмы-крыши 1 существенно уменьшено и одинаково в обоих направлениях. В радиальных зонах поперечного сечения резонатора, близких к направлениям, составляющим углы 0^o и 90^o с плоскостью пропускания поляризатора, наведенное двулучепреломление в элементах резонатора не вносит дополнительных потерь в резонатор.

Предлагаемый лазер работает следующим образом. В импульсно-периодическом режиме, при условии повышенной равномерности распределения коэффициента усиления и распределения наведенных потерь в сечении резонатора, в начале каждого импульса лампы накачки осуществляется накопление инверсной населенности в активном элементе. При номинальной энергии импульса накачки порог возникновения свободной генерации достигается путем отклонения оптической оси электрооптического элемента от указанного в формулах (1), (2) направления в плоскости, перпендикулярной ребру призмы-крышки.

Затем в момент τ+τ₃(τ₃ (на практике примерно 30 мкс) на электроды электрооптического элемента подается импульс напряжения с амплитудой U^* (U^*≤U₀), которая устанавливается по минимуму мощности излучения с λ_н, отраженной от поляризатора 3.

ОПГС до появления импульса излучения с λ_c ведет себя как глухое зеркало для излучения с λ_н, что позволяет указанным выше способом осуществлять стабилизацию начального коэффициента усиления в момент включения добротности (τ+τ₃) при случайном увеличении энергии импульса накачки за счет излучения возникающего при этом избытка энергии в виде свободной генерации.

После начала параметрической генерации на сигнальной волне λ_c ОПГС для излучения с λ_н ведет себя как нелинейное зеркало с изменяющимся во времени коэффициентом пропускания, тем большим, чем больше мощность излучения с λ_н. В результате в резонаторе, образованном зеркалами 2 и 11, формируется импульс излучения с λ_c, который частично выводится через зеркало 2.

Особенностью описанного режима является следующее обстоятельство. Превышение энергии импульса накачки над номинальной вследствие стабилизации начального коэффициента усиления не приводит к росту максимальной плотности энергии излучения внутри резонатора. Тем самым обеспечивается эффективная защита нелинейного элемента ПГС и прочих элементов, находящихся внутри резонатора, от лучевого пробоя, что повышает надежность лазера в течение ресурса в условиях смены ламп накачки, имеющих разброс по эффективности.

Эффективность процесса параметрической генерации зависит в конечном счете (при выбранной номинальной энергии накачки) от фокусного расстояния f линзы 12, длины резонатора и его плеч, параметров нелинейного элемента 9 и коэффициента отражения R зеркала 2 для излучения с длиной волны λ_c.

При изменении угла падения излучения с длиной волны λ_н на нелинейный элемент ПГС или при изменении температуры этого элемента можно осуществлять перестройку длины сигнальной волны λ_c. Процесс параметрической генерации оптимизируется путем выбора фокусного расстояния линзы f и коэффициента отражения зеркала 2 при неизменных параметрах прочих элементов лазера.

Одной из важнейших особенностей предлагаемого лазера является то, что в зависимости от амплитуды импульса управляющего напряжения на электрооптическом элементе и без изменения оптической схемы лазера может осуществляться генерация лазерного излучения с различными длинами волн. Так, лазер может быть переведен в режим включения полезных потерь резонатора с генерацией излучения с длиной волны λ_н (без параметрической генерации). Для этого на электроды электрооптического элемента подается импульс напряжения с амплитудой U^**(U^** примерно 0,4U₀). Более точно амплитуда U^** выбирается по максимуму выходной мощности излучения с λ_н, отраженного от поляризатора 3. Вследствие того что мощность излучения с λ_н в плече резонатора, где находится ОПГС, снижается ниже порога параметрической генерации, ОПГС ведет себя как глухое зеркало для излучения с λ_н.

В случае если амплитуда импульса управляющего напряжения имеет величину U^***, удовлетворяющую условию U^**<U^***<U^*, лазер работает в режиме с одновременной генерацией излучения с λ_ни λ_c. При этом соотношение интенсивностей излучения с различными длинами волн зависит от величины U^***.

Предлагаемый лазер может эффективно работать в трех основных режимах, реализуемых без изменения оптической схемы:
в режиме внутрирезонаторной параметрической генерации импульсов излучения с длиной сигнальной волны, которая может изменяться при изменении условий работы нелинейного элемента;
в режиме генерации импульсов излучения на основной длине волны излучения, с возможным последующим преобразованием в оптические гармоники;
в режиме одновременной генерации лазерного излучения с длинами волн λ_ни λ_c с возможным последующим применением лазерных и параметрических усилителей, преобразователей частоты в оптические гармоники и генераторов суммарных и разностных частот излучения.

Результаты испытаний лазера на АИГ:Nd (размером ⊘ 6х75) с электрооптическим элементом из DKDP и с нелинейным элементом из КТР (размером 4х4х16 мм; х срез) подтверждают эффективность предложенной схемы.

При габаритной длине лазера 25 см, f=100 см, R=0,5, U^*=5 кВ и при энергии импульса накачки 10 Дж энергия импульса излучения с λ_c 1571 нм составила 30 мДж в диапазоне частот повторения 12,5.100 Гц.

В режиме генерации импульсов излучения с λ_н 1064 нм (при U^** 2 кВ) энергия импульса составила 80 мДж.

Таким образом, предлагаемый лазер по сравнению с аналогами позволяет получать импульсы излучения с большей частотой повторения (до 100 Гц), с большей эффективностью на предельной частоте повторения и может обеспечить генерацию излучения в более широком спектральном диапазоне.

Использование: импульсные твердотельные лазеры, нелинейная оптика, дальнометрия, оптическая локация, лазерные системы мониторинга загрязнений атмосферы и акваторий. Сущность: для расширения рабочего диапазона частот повторения импульсов излучения, повышения эффективности и надежности лазера и расширения спектрального диапазона излучения в импульсном твердотельном лазере концевой отражатель выполнен в виде призмы-крыши, между активным и электрооптическим элементами введен 90-градусный вращатель, поляризатор помещен у возвратного параметрического зеркала, введены положительная линза и поворотные зеркала, причем осветитель и оптическая ось электрооптического элемента ориентированы определенным образом относительно плоскости пропускания поляризатора. 1 ил.

Импульсный твердотельный лазер с перестройкой длины волны излучения, содержащий концевой отражатель, выходное параметрическое зеркало, полностью отражающее излучение с длиной волны излучения активной среды и частично прозрачное для излучения сигнальной волны, активный элемент цилиндрической формы в осветителе, содержащем также отражатель и лампу накачки, поляризатор, электрооптический элемент, нелинейный элемент параметрического генератора света и возвратное параметрическое зеркало, полностью отражающее излучение сигнальной волны, отличающийся тем, что концевой отражатель выполнен в виде прямоугольной призмы-крыши, ребро которой параллельно или перпендикулярно плоскости пропускания поляризатора, между электрооптическим и активным элементами дополнительно введен 90-градусный вращатель плоскости поляризации, поляризатор помещен у возвратного параметрического зеркала, между поляризатором и активным элементом дополнительно введены положительная линза с двумя поворотными зеркалами, 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 образует с осью резонатора небольшой угол в пределах первого кольца коноскопической картины.