ЛАЗЕР С ПЕРЕСТРАИВАЕМЫМИ СПЕКТРАЛЬНЫМИ И ВРЕМЕННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ Российский патент 1998 года по МПК H01S3/10 

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в промышленности для наиболее оптимального воздействия лазерного излучения на различные материалы, инициирования химических реакций, разделения изотопов, диагностики атмосферы и т. д.

Проблема создания высокоэффективных перестраиваемых многочастотных лазеров стоит уже давно. Известна наиболее оптимальная оптическая схема (ОС) для инфракрасных (ИК) лазеров, работающих на колебательно-вращательных переходах молекул CO, CO₂, HF и других, позволяющая легко перестраивать спектр генерации данных лазеров [1]. Она состоит из активной среды (АС), частично отражающего (выходного) зеркала, дифракционной решетки (ДР), полностью отражающего (глухого) сферического зеркала (СЗ) и глухого плоского зеркала. Однако недостатком данного лазера является отсутствие регулировки его временных характеристик, что необходимо для оптимизации воздействия лазерного излучения на различные материалы.

Одним из методов управления временными характеристиками лазерного излучения является модуляция добротности резонатора (МДР). Известна традиционная ОС для лазеров с МДР, основанная на использовании вращающегося зеркала. Она состоит из АС, выходного зеркала, полностью отражающего вращающегося зеркала (ВЗ) и глухого зеркала [2]. Для формирования серии импульсов в данной схеме используется набор из нескольких глухих зеркал (по числу импульсов).

Данная ОС проста и надежна, однако имеет ряд недостатков. Во- первых, в случае использования многоимпульсного режима требуется большое количество глухих зеркал. Во-вторых, каждое зеркало настраивается (юстируется) самостоятельно, что является трудоемким и длительным процессом. В-третьих, в данной ОС время включения добротности резонатора увеличивается или уменьшается только за счет изменения скорости вращения зеркала. При этом точно так же меняется и время, в течение которого резонатор находится во включенном состоянии. Поэтому получить резкий передний фронт импульса генерации независимо от длительности самого импульса не представляется возможным.

Наиболее близким по технической сути к изобретению является лазер с управлением спектральными и временными характеристиками излучения путем внутрирезонаторной пространственной фильтрации [3]. Он состоит из АС, глухого СЗ, ДР, полностью отражающего ВЗ, фокусирующего СЗ и глухого плоского зеркала. Он позволяет одновременно управлять спектральными и временными характеристиками излучения путем использования оптических масок, накладываемых на глухое плоское зеркало. Однако данный лазер имеет ряд недостатков. Во-первых, вывод излучения через нулевой порядок ДР является энергетически невыгодным, т. к. через него выводится не более 10% излучения. Во-вторых, при повороте ВЗ даже на небольшой угол от оси резонатора юстировка всех спектральных линий нарушается, одновременно происходит смещение лазерных пучков по поверхности глухого плоского зеркала. Поэтому нельзя заменить данное зеркало на выходное и выводить каждую линию отдельно, как это сделано в [1]. В- третьих, неудобством при использовании ОС данного лазера для создания промышленных лазеров является также и то, что она реализуется только в том случае, когда временная развертка оси резонатора вращающимся зеркалом происходит в плоскости, параллельной штрихам ДР. Главный недостаток данной схемы - отсутствие возможности независимого управления временными и спектральными характеристиками лазерного излучения.

В научной литературе предложен метод повышения мощности частотно-селективного CO-лазера [4] . Он основан на том, что из резонатора выводится излучение только одной линии, а излучения всех остальных линий "запираются" в резонаторе с помощью полностью отражающих зеркал. Однако практическая реализация данного метода показала, что требуется запирать не все оставшиеся линии генерации лазера, а только строго определенные [5]. Кроме этого, для повышения мощности лазера оптимально выводить из резонатора не одну, а несколько соседних линий.

Задачей изобретения является повышение мощности селективных многочастотных лазеров и расширение возможностей независимого управления их спектральными и временными характеристиками.

Согласно изобретению, независимость управления спектральными и временными характеристиками осуществляется путем использования оптического резонатора (ОР), разделенного на спектральную и временную части, которые разнесены по разные стороны АС. При этом вывод лазерного излучения может быть реализован как со стороны спектральной части ОР, так и со стороны временной путем замены соответствующего глухого зеркала на выходное.

Согласно изобретению, повышение мощности селективных многочастотных импульсных лазеров осуществляется:
во-первых за счет изменения конфигурации резонатора (плоский, конфокальный, выпукловогнутый и т. д.) путем подстройки эффективных фокусных расстояний спектральной и временной частей ОР с применением одних и тех же оптических элементов;
во-вторых, за счет ликвидации жесткой привязки плоскости вращения зеркала к ориентации ДР;
в-третьих, за счет формирования серии импульсов лазерного излучения без использования набора глухих зеркал;
в четвертых, за счет использования различных физических механизмов, оказывающих влияние на формирование инверсной населенности в АС.

Первый пункт решения данной задачи осуществляется путем установления плоских выходного и глухого зеркал на определенном расстоянии от СЗ, входящих в каждую из частей резонатора. Например, если глухое зеркало установлено во временной части ОР, то оно находится на некотором расстоянии L₁ от фокальной плоскости СЗ с радиусом кривизны R₁, входящего в состав данной части ОР. Соответственно выходное плоское зеркало установлено на некотором расстоянии L₂ от фокальной плоскости СЗ с радиусом кривизны R₂, входящего в состав спектральной части ОР. При этом ВЗ во временной части ОР и ДР в спектральной части установлены строго в фокальных плоскостях данных СЗ, т. е. на расстояниях R₁/2 и R₂/2 от них соответственно. Расстояния L₁ и L₂ определяются по формуле:
,
где
L₁ - расстояние от глухого зеркала до фокальной плоскости СЗ, входящего в состав временной части ОР;
L₂ - расстояние от выходного зеркала до фокальной плоскости СЗ, входящего в состав спектральной части ОР;
R₁ - радиус кривизны СЗ, входящего в состав временной части ОР;
R₂ - радиус кривизны СЗ, входящего в состав спектральной части ОР;
Fэф1

Таким образом, только за счет перемещения плоских зеркал можно получить любую конфигурацию резонатора (плоский, конфокальный, выпукло-вогнутый и т. п. ), которая определяется соотношением между эффективными фокусными расстояниями Fэф1

Расположение ДР и ВЗ в фокальных плоскостях соответствующих СЗ позволяет решить второй пункт поставленной задачи: ликвидация жесткой привязки плоскости вращения зеркала к ориентации ДР. В предложенном ОР плоскость развертки лазерного излучения во временной части не требует жесткой привязки к ориентации ДР и может быть выбрана из условий удобства конкретной реализации ОР.

В предложенном ОР по сравнению с традиционной схемой МДР максимальное время, в течение которого резонатор находится в съюстированном состоянии, может быть увеличено в несколько раз (при той же скорости вращения ВЗ и для аналогичной геометрии поля лазерного излучения внутри АС). Отношение данных времен вычисляется по формуле:
t/t_o= θ/θ_p, ,
где
t - время, в течение которого резонатор находится в съюстированном состоянии в предложенной схеме,
t₀ - соответствующее время в традиционной схеме,
θ - характерное значение угловой расходимости лазерного излучения, определяемое длиной, конфигурацией и апертурой лазерного резонатора (приблизительно, 10^-4< θ < 10^-2 рад),
θ_p - угол, определяющий выполнение условия параксиального приближения (отсутствия оптических аберраций) при временной развертке лазерного луча по СЗ θ_p≈ 10^-1 рад).

Таким образом, данное отношение реально может достигать нескольких десятков, что позволяет решить третий пункт поставленной задачи: формирование серии коротких импульсов. Это достигается путем наложения на глухое плоское зеркало оптической маски в виде гребенки, форма которой определяется требуемой длительностью импульсов и их скважностью.

Согласно изобретению, четвертый пункт поставленной задачи в предложенном ОР решен следующим образом. В его спектральной части простое выходное зеркало заменено составным. По центру пучка лазерного излучения, идущего от СЗ, установлено выходное зеркало резонатора, а остальное лазерное излучение запирается двумя глухими зеркалами. При этом ширина щели между запирающими зеркалами определена шириной требуемого спектра генерации. Как показал физический эксперимент, повысить мощность лазерного излучения можно не просто "запиранием" остального лазерного излучения, а путем блокировки генерации внутри резонатора как отдельных линий, так и целых диапазонов спектра. Выбор оставляемых в резонаторе запертых линий генерации зависит от механизма формирования инверсной населенности в АС данного лазера и определяет форму оптического экрана, устанавливаемого перед запирающими зеркалами, который может полностью закрывать их в случае, когда существует в резонаторе и выводится из него только заданное по частоте лазерное излучение.

На чертеже представлен лазер с перестраиваемыми спектральными и временными характеристиками.

Данный лазер содержит активную среду 1 и оптический резонатор (ОР), разделенный на спектральную и временную части.

Временная часть ОР состоит из вращающегося плоского полностью отражающего зеркала 2: фокусирующего сферического зеркала 3, удаленного на расстояние, равное половине его радиуса кривизны от зеркала 2; полностью отражающего плоского зеркала 4, установленного на некотором расстоянии L₁ за фокальной плоскостью зеркала 3, и оптической маски 5, установленной перед зеркалом 4.

Спектральная часть ОР состоит из дифракционной решетки 6; фокусирующего сферического зеркала 7, установленного на расстоянии, равном половине его радиуса кривизны от дифракционной решетки 6; частично отражающего плоского зеркала 8; полностью отражающих плоских "запирающих" зеркал 9, 10 и оптического экрана 11, установленного перед зеркалами 9 и 10. Зеркала 8, 9 и 10 установлены на некотором расстоянии L₂ от фокальной плоскости зеркала 7, при этом ширина щели 8 между запирающими зеркалами 9 и 10 определяется требуемой шириной спектра генерации лазера и характеристиками выбранной ДР.

Для конкретного воплощения предлагаемого изобретения был использован импульсный криогенный электроионизационный CO-лазер с температурой газовой смеси 110 К и плотностью 0,25 Амага. Для ОР были использованы медные сферические зеркала с напылением из золота и радиусом кривизны 2 м. Глухие плоские зеркала изготовлены из стекла с медным напылением, а плоское частично отражающее зеркало - из CaF₂ с диэлектрическим напылением, обеспечивающим коэффициент отражения 30% (в диапазоне длин волн 4,5-6,1 мкм). Для МДР использована оптическая головка скоростного фоторегистратора с плавно регулируемой частотой вращения плоского зеркала с алюминиевым напылением от 0 до 60000 оборотов в минуту.

Принцип работы предложенного лазера основан на том, что описанный выше оптический резонатор формирует из спонтанного излучения АС высококогерентное лазерное излучение с определенными спектральными и временными характеристиками, которыми можно управлять независимо.

Временные характеристики лазерного излучения (длительность импульса генерации, форма, количество и временная дистанция между импульсами для режима формирования серии импульсов) регулируются за счет изменения скорости вращения зеркала 2, изменения расстояния от зеркала 4 до зеркала 3, использования различных оптических масок 5.

Спектральные характеристики выводимого лазерного излучения (диапазон и ширина спектра генерации) регулируются путем изменения угла поворота ДР и ширины щели S между зеркалами 9 и 10.

Энергетические характеристики многочастотного лазера, работающего в селективном режиме с МДР, могут быть изменены за счет регулировки спектрального состава запертого в резонаторе лазерного излучения путем установки перед запирающими зеркалами 9 и 10 оптического экрана 11.

Таким образом, изобретение позволяет:
независимо управлять как временными, так и спектральными характеристиками выходного лазерного излучения;
реализовать возможность изменения конфигурации резонатора (плоский, конфокальный, выпукло-вогнутый и т. п.) не за счет замены оптических элементов, а за счет подстройки эффективных фокусных расстояний спектральной и временной частей ОР с применением одних и тех же оптических элементов:
ликвидировать жесткую привязку плоскости вращения зеркала к ориентации ДР;
формировать серии импульсов лазерного излучения без использования набора глухих зеркал;
повысить мощность и расширить возможность управления спектральными характеристиками многочастотных лазеров за счет использования различных физических механизмов, оказывающих влияние на формирование инверсной населенности в АС.

Источники информации.

1. Солоухин Р.И., Якоби Ю.А., Вязович Е.И. Авторское свидетельство СССР N 594842 от 5.04.76 г., БИ N 11, 1979.

2. Ананьев В.Ю., Басов Н.Г., Ионин А.А., Кучаев А.В., Лыткин А.П., Петрунин В.В., Синицын Д.В.. Увеличение эффективности ЭИ CO-лазера с модулированной добротностью с помощью генерации серии импульсов. - Квантовая электроника, 12, N 8,1666-1670 (1985).

З. Гутин М.А. Лазер с управлением спектральными и временными характеристиками излучения путем внутрирезонаторной пространственной фильтрации.- Оптика и спектроскопия, 64, N 6, 1190 (1988).

4. Гутин М.А., Кольченко А.П. Метод частотно-селективного вывода энергии из резонатора для селекции линий в CO-лазере с модулированной добротностью. Квантовая электроника, 13, N 1, 1986.

5. Ананьев В. Ю., Данилычев В.А., Ионин А.А., Лыткин А.П. Формирование колебательно-вращательной структуры спектра генерации ЭИ CO-лазеров. - Квантовая электроника, 14, N 10, 1974-1980 (1987).

Использование: изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в промышленности для наиболее оптимального воздействия лазерного излучения на различные материалы, инициирования химических реакций, разделения изотопов, диагностики атмосферы. Сущность: лазер содержит активную среду и оптический резонатор, состоящий из временной и спектральной частей, расположенных по разные стороны от активной среды. Временная часть оптического резонатора включает в себя глухое плоское зеркало, перед которым установлена гребенчатая маска, глухое сферическое зеркало и вращающееся глухое плоское зеркало, установленное в фокусе данного сферического зеркала. Спектральная часть содержит плоское выходное зеркало, глухое сферическое зеркало и дифракционную решетку, установленную в фокусе данного сферического зеркала. По обе стороны от плоского выходного зеркала установлены два глухих плоских зеркала и оптический экран, расположенный перед этими зеркалами. При этом плоское глухое зеркало временной части резонатора и плоское выходное зеркало спектральной части резонатора отстоят от фокальных плоскостей соответствующих сферических зеркал на определенные расстояния, которые определяются по соответствующей формуле. 1 ил.

Лазер с перестраиваемыми спектральными и временными характеристиками, содержащий активную среду и оптический резонатор, состоящий из временной части, включающей в себя глухое плоское зеркало, глухое сферическое зеркало с радиусом кривизны R₁ и вращающееся глухое плоское зеркало, установленное в фокусе данного сферического зеркала, и спектральной части, содержащей плоское выходное зеркало, глухое сферическое зеркало с радиусом кривизны R₂ и дифракционную решетку, расположенную в фокусе данного сферического зеркала, отличающийся тем, что временная и спектральная части оптического резонатора расположены по разные стороны от активной среды, перед плоским глухим зеркалом временной части оптического резонатора установлена гребенчатая маска, а в его спектральную часть введены два дополнительных глухих плоских зеркала, установленных по обе стороны от выходного зеркала, и оптический экран, расположенный перед этими зеркалами, при этом плоское глухое зеркало временной части резонатора и плоское выходное зеркало спектральной части резонатора отстоят от фокальных плоскостей соответствующих сферических зеркал на расстояния L₁ и L₂, которые определяют по формуле

где L₁ - расстояние от глухого зеркала до фокальной плоскости сферического зеркала, входящего в состав временной части оптического резонатора;
L₂ - расстояние от выходного зеркала до фокальной плоскости сферического зеркала, входящего в состав спектральной части оптического резонатора;
R₁ - радиус кривизны сферического зеркала, входящего в состав временной части оптического резонатора;
R₂ - радиус кривизны сферического зеркала, входящего в состав спектральной части оптического резонатора;
Fэф1