ЛАЗЕР Российский патент 1999 года по МПК H01S3/115 

Изобретение относится к области лазерной техники, в частности к импульсным твердотельным лазерам с электрооптической модуляцией добротности, и может быть использовано при разработке импульсных источников лазерного излучения.

Известны твердотельные лазеры, излучающие световые импульсы наносекундной длительности, действие которых основано на использовании размещенного внутри резонатора электрооптического затвора, осуществляющего переключение добротности резонатора при подаче импульса управляющего напряжения [1]. Недостатком известного устройства является то, что при высокой средней мощности лазерного излучения в электрооптическом элементе возникает термически наведенное пространственно неоднородное двулучепреломление, вызывающее дополнительные потери и, соответственно, снижение энергии импульсов выходного излучения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является выбранный в качестве прототипа лазер, нечувствительный к неоднородному двулучепреломлению в электрооптическом элементе, содержащий последовательно расположенные на оптической оси резонатора выходное зеркало, активный элемент, расщепляющий поляризатор, электрооптический элемент, 90-градусный вращатель плоскости поляризации, второй электрооптический элемент и поворотные зеркала, замыкающие расщепленную поляризатором оптическую ось [2].

Недостатком известного устройства является ограничение энергии импульсов лазерного излучения, связанное с высокой начальной добротностью резонатора в исходном состоянии. Чтобы накопить инверсную населенность и реализовать режим модуляции добротности, резонатор известного лазера запирают подачей высоковольтного постоянного напряжения на электрооптические элементы. В этом случае максимальная величина инверсной населенности и, соответственно, энергия излученного импульса ограничены контрастностью электрооптических элементов, зависящей от качества используемых кристаллов и однородности электрического поля. Максимальное значение контрастности в мощном лазере с пространственно неоднородным двулучепреломлением в электрооптических элементах трудно реализовать также вследствие зависимости оптимальной амплитуды запирающего напряжения от температуры электрооптического элемента и от направления распространения лазерного излучения, проходящего через электрооптический элемент.

Задачей изобретения является увеличение энергии импульсов излучения за счет снижения начальной добротности резонатора лазера и отказа от применения постоянного напряжения для запирания резонатора.

Задача решается за счет того, что в лазере, содержащем последовательно расположенные на оптической оси резонатора выходное зеркало, активный элемент, расщепляющий поляризатор, электрооптический элемент, 90-градусный вращатель плоскости поляризации, второй электрооптический элемент и поворотные зеркала, замыкающие расщепленную поляризатором оптическую ось, между электрооптическими элементами и расщепляющим поляризатором дополнительно установлен 90-градусный вращатель плоскости поляризации.

На чертеже представлена оптическая схема предложенного устройства. На оптической оси резонатора последовательно расположены выходное зеркало 1, активный элемент 2, расщепляющий поляризатор 3, электрооптический элемент 4, 90-градусный вращатель плоскости поляризации 5, второй электрооптический элемент 6 и поворотные зеркала 7, замыкающие расщепленную поляризатором оптическую ось. Между электрооптическими элементами и расщепляющим поляризатором 3 дополнительно установлен 90-градусный вращатель плоскости поляризации 8.

Устройство работает следующим образом. В активном элементе 2 генерируется основное излучение, распространяющееся вдоль оптической оси резонатора. Пройдя поляризатор 3, излучение расщепляется на два пучка, поляризованных линейно во взаимно перпендикулярных плоскостях. С помощью поворотных зеркал 7 оба световых пучка совмещаются, замыкая при этом расщепленную поляризатором оптическую ось резонатора. Луч, вышедший из поляризатора с вертикальной поляризацией, последовательно пройдя 90-градусные вращатели плоскости поляризации 8 и 5, возвращается к поляризатору по пути следования горизонтально поляризованного луча и наоборот. Таким образом, резонатор оказывается запертым. При подаче четвертьволнового управляющего напряжения на включенные параллельно электрооптические элементы 4 и 6 плоскость поляризации дополнительно поворачивается на 90^o и резонатор отпирается. Расщепленные световые пучки, пройдя в обратном направлении поляризатор 3, складываются и через активный элемент 2 переходят в левое плечо резонатора. Отразившись от выходного зеркала 1, излучение возвращается в активный элемент. В лазере реализуется процесс развития и генерации гигантского импульса.

Таким образом, в начальном состоянии резонатор лазера заперт в результате применения дополнительного 90-градусного вращателя плоскости поляризации 8, возвращающего повернутую вращателем 3 плоскость поляризации в исходное положение. В активном элементе при этом происходит накопление инверсной населенности. После отпирания резонатора в электрооптических элементах 4 и 6 под тепловым воздействием циркулирующего в резонаторе лазерного излучения наводится пространственно неоднородное двулучепреломление и линейно поляризованное излучение раскладывается на ортогональные компоненты. В расположенном между элементами 90-градусном вращателе плоскости поляризации 5 ортогональные компоненты меняются местами. При этом фазовый сдвиг, возникший при прохождении излучения через один элемент, компенсируется при прохождении излучением другого элемента. В результате поляризация излучения, прошедшего оба элемента, остается линейной.

Использование предлагаемого лазера обеспечивает по сравнению с известными устройствами низкую начальную добротность резонатора, позволяющую увеличить инверсную населенность, запасенную в активной среде, при одновременном устранении потерь лазерного излучения, связанных с деполяризацией в электрооптических элементах. Низкая начальная добротность резонатора позволяет также отказаться от применения высоковольтного постоянного напряжения для запирания резонатора, что уменьшает расход электроэнергии на питание лазера. Расчеты, проведенные при помощи балансных уравнений, показывают, что при типичных для твердотельных импульсных лазеров с использованием постоянного напряжения для запирания резонатора параметрах (коэффициент контрастности электрооптических затворов из DKDP и LiNbO₃ 30-40, коэффициент потерь 0,01-0,02 см^-1, коэффициент пропускания выходного зеркала 40-60%, активная среда из АИГ:Nd с размерами ⊘ 6,3х65 мм), запасенная в активной среде инверсная населенность ограничивает энергию импульсов лазерного излучения на уровне 200-240 мДж. В то время как запирание резонатора с помощью 90-градусных вращателей плоскости поляризации из кристаллического кварца с коэффициентом потерь 0,001 см^-1 и коэффициентом контрастности 60-70 увеличивает энергию импульсов излучения до 280-320 мДж.

Источники информации
1. Патент США N 4546477, кл H 01 S 3/11, 1985.

2. Kurtev S. Z., Denchev O.E., Savov S.D. Effects of thermally induced birefringence in high-output-power electro-optically Q-switched Nd:YAG lasers and their compensation. Applied Optics, 1993, v.32, N 3, p.278-285 (прототип).

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к импульсным твердотельным лазерам с электрооптической модуляцией добротности, и может быть использовано при разработке импульсных источников лазерного излучения. Изобретение обеспечивает увеличение энергии импульсов излучения вследствие увеличения накопленной в активной среде инверсной населенности за счет снижения начальной добротности резонатора лазера и отказа от применения постоянного напряжения для запирания резонатора. Лазер содержит последовательно расположенные на оптической оси резонатора выходное зеркало, активный элемент, расщепляющий поляризатор, электрооптический элемент, 90-градусный вращатель плоскости поляризации, второй электрооптический элемент и поворотные зеркала, замыкающие расщепленную поляризатором оптическую ось, а между электрооптическими элементами и расщепляющим поляризатором дополнительно установлен 90-градусный вращатель плоскости поляризации. 1 ил.

Лазер, содержащий последовательно расположенные на оптической оси резонатора выходное зеркало, активный элемент, расщепляющий поляризатор, электрооптический элемент, 90-градусный вращатель плоскости поляризации, второй электрооптический элемент и поворотные зеркала, замыкающие расщепленную поляризатором оптическую ось, отличающийся тем, что между электрооптическими элементами и расщепляющим поляризатором дополнительно установлен 90-градусный вращатель плоскости поляризации.