ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР С НЕПРЕРЫВНОЙ НАКАЧКОЙ И МОДУЛЯЦИЕЙ ДОБРОТНОСТИ РЕЗОНАТОРА Российский патент 1999 года по МПК H01S3/11 

Импульсно-периодический лазер с непрерывной накачкой и модуляцией добротности резонатора относится к лазерной технике.

Известно, что в оптическом резонаторе, заполненном усиливающей средой, при мгновенном включении добротности (обратной связи) возникают один или несколько импульсов нестационарной генерации излучения с пиковой мощностью, значительно превышающей мощность стационарной генерации, которая устанавливается при непрерывной накачке среды по мере насыщения усиления. После выключения добротности продолжающаяся накачка приводит к восстановлению усиления среды за время, зависящее от мощности накачки и скорости релаксации среды / Методы расчета оптических квантовых генераторов. Т. 2. Под ред. Б.И. Степанова. - Минск: Наука и техника. 1966. с. 270/. С помощью модуляции (включения - выключения) добротности резонатора лазера с непрерывной накачкой осуществляется импульсно-периодический (нестационарный) режим генерации.

Известны лазеры с модуляцией добротности, в которых между отражателями (зеркалами) резонатора помещены оптические затворы. При закрытом затворе (выключенная добротность) в резонаторе копится энергия возбуждения частиц и растет инверсия населенности их энергетических уровней. При быстром открытии затвора (включенная добротность) развивается сначала нестационарная генерация, а затем устанавливается стационарный режим/ Звелто О. Принципы лазеров: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990, с. 284/.

В оптических затворах используются как оптико-механические прерыватели (модуляторы) излучения (вращающиеся зеркала и перфорированные диски), так и прерыватели, основанные на взаимодействии излучения с подобранными для каждого типа лазера оптическими средами. В последнем случае при воздействии внешнего сигнала и лазерного излучения на среду прерывателя изменяется уровень внутрирезонаторных потерь энергии, т.е. изменяется добротность резонатора. В таких затворах характеристики модуляции (скорость, длительность, частота включения) могут быть подобраны независимо, однако практически всегда существуют ограничения для их применения, связанные с прозрачностью и оптической прочностью сред, глубиной модуляции излучения или длительностью переходных процессов /Тарасов Л.В. Физика процессов в генераторах когерентного оптического излучения. - М.: Радио и связь, 1981, с. 325/. В силу этих ограничений режим модулированной добротности с такими затворами не всегда осуществим особенно для мощных непрерывных лазеров. Для лазеров с оптико-механическими прерывателями излучения (вращающиеся зеркала, перфорированные вращающиеся диски) эти ограничения отсутствуют или значительно менее существенны. Однако вышеперечисленные характеристики модуляции в известных устройствах не всегда могут быть выбраны независимо, так как они противоречиво зависят от угловой скорости и радиуса вращения прерывателя, и частота модуляции ограничена инерционностью, механической устойчивостью и механической прочностью прерывателей.

Опубликован патент на непрерывный химический лазер с оптико-механической модуляцией добротности резонатора для осуществления импульсно-периодического режима излучения /патент США, N 4418413, H 01 S 3/095, опубл. 29.11.1983/.

В этом лазере, который является прототипом предлагаемого изобретения, лазерная среда с непрерывной накачкой протекает через оптический резонатор, в котором установлен оптический затвор. Прерыватель излучения выполнен в виде либо вращающегося перфорированного диска, либо (в случае телескопического резонатора) вращающегося многогранного зеркала со сферическими отражающими гранями, которые поочередно выполняют роль одного из зеркал резонатора. При вращении прерывателя периодически с частотой смены лазерной среды включается добротность и возбуждаются импульсы нестационарной генерации. Длительность включений добротности должна быть не меньше длительности нестационарной генерации, но составлять небольшую долю от периода включений (т.е. скважинность включений должна быть достаточно велика), чтобы не возникали потери, соответственно, энергии или мощности лазерных импульсов.

Основным недостатком прототипа, частично отмеченным в самом патенте, является то, что предложенная организация импульсно-периодического режима возможна только для лазеров с низкой (дозвуковой) скоростью потока среды (т.е. с невысокой частотой обмена лазерной среды в полости резонатора), отсутствием процессов восстановления инверсии населенности (усиления) в среде, покидающей резонатор после импульса генерации, и с не очень высокой средней мощностью излучения.

Недостатки прототипа следуют из конструкционных особенностей предложенного оптико-механического затвора. Технически реален модулятор на основе перфорированного диска или многогранного зеркала с частотой вращения порядка 10³ с^-1. Этого достаточно для лазера с дозвуковым потоком, где частота обмена среды того же порядка. Однако в лазерах со сверхзвуковым потоком, например, в химическом непрерывном лазере, среда обменивается с частотой порядка 10⁵ с^-1. При частотах модуляции меньших этого значения неизбежен проскок части лазерной среды через резонатор, что ведет к снижению энергетической эффективности лазера. Частоты вращения порядка 10⁵ с^-1 недостижимы для дисковых и зеркальных прерывателей из-за инерционности, трудностей балансировки, возникающих механических перегрузок. Увеличение количества отверстий в диске или граней зеркала не решает задачи, т.к. уменьшает скважинность включений. Для сохранения скважинности включения необходимо одновременно увеличить радиус вращения или уменьшить апертурный размер отверстий (или граней). Увеличение радиуса вращения в предложенном техническом решении связано с теми же ограничениями, что и увеличение частоты. Уменьшение апертурных размеров отверстий (или граней) при соответствующем сжатии пучка излучения может привести к лучевому повреждению модулятора и увеличению дифракционных потерь излучения, а без сжатия к растягиванию импульсов генерации и уменьшению пиковой мощности.

Задача изобретения заключается в повышении частоты следования, пиковой мощности и энергетической эффективности генерируемых импульсов излучения в импульсно-периодическом лазере с непрерывной накачкой, в том числе со сверхзвуковым потоком среды.

Указанная задача изобретения осуществляется тем, что импульсно-периодический лазер с непрерывной накачкой и модуляцией добротности, в том числе непрерывный химический лазер с модуляцией добротности, содержит оптический резонатор, который образован выходным зеркалом, глухим зеркалом и помещенным между ними на оптический оси резонатора оптико-механическим затвором. Оптико-механический затвор представляет собой вращающееся зеркало (прерыватель излучения), например, в виде правильной призмы или усеченной пирамиды с осью, совпадающей с осью вращения, с одной или несколькими отражающими гранями или цилиндра с отражающим торцом, скошенным по отношению к оси. Оптико-механический затвор и глухое зеркало образуют модулятор добротности. Отличительной особенностью лазера является то, что глухое зеркало резонатора выполнено в виде ряда отражающих секций, разделенных неотражающими промежутками и размещенных на цилиндрической поверхности, окружающей оптико-механический затвор, так, что при вращении зеркала затвора отражающие секции последовательно включаются в резонатор на равном расстоянии от выходного зеркала, обеспечивая обратную оптическую связь во время пересечения вращающимся отрезком оптической оси поверхности каждой секции. В резонатор дополнительно может быть включено фокусирующее зеркало или телескоп для согласования апертурных размеров пучка излучения и отражающих секций. В момент оптической связи возбуждается генерация импульсов излучения. Импульсы излучения повторяются с частотой, равной частоте включений (коммутации) отражающих секций, если период включений равен или больше времени восстановления усиления в лазерной среде. В непрерывном химическом лазере усиление восстанавливается как за счет смены среды, так и за счет продолжающейся накачивающей химической реакции.

Возможность достижения положительного эффекта в заявленном устройстве подтверждается расчетом.

Основные характеристики модуляции (скорость S, длительность d и частота f включения добротности) связаны следующими соотношениями:
S = ω/ϑ,
d = a/Rω,
f = Znω/2π,
где ω - - угловая скорость вращения прерывателя;
ϑ - - угол поворота прерывателя, соответствующий открытию затвора от 0 до максимума;
a - апертурный размер пучка излучения на модуляторе;
R - радиус вращения прерывателя;
Z - число отражающих секций глухого зеркала;
n - число отражающих граней (или отверстий) прерывателя.

Скважинность включений добротности C = 1/df связана с радиусом вращения R/Zn = aC/2π. Скорость включения добротности S≥2/d.

В лазере, приведенном в качестве примера для прототипа, частота смены лазерной среды равна частоте прерывания f = 10³ c^-1. При апертуре пучка a = 1 см и скважинности C = 20, т.е. неполном (95%) использовании среды, минимальный (Zn = 1) радиус вращения R = 3 см невелик. Частота вращения прерывателя ω/2π = 10³ с^-1 в этом случае технически реальна. Однако для лазера со сверхзвуковым потоком частота смены среды в резонаторе достигает 10⁵ с^-1. При тех же частоте вращения прерывателя, апертуре и скважинности Zn = 10², радиус вращения R = 330 см. Прототипное устройство с таким радиусом вращения при частоте 10³ с^-1 технически нереально.

Для предлагаемого здесь модулятора с оптической коммутацией справедливы те же соотношения, с учетом того, что R равно длине отрезка оптической оси, вращающегося с угловой скоростью ω. Величина ω, в зависимости от оптической схемы, лежит в пределах ω′ - 2ω′, где ω′ - угловая скорость вращения зеркала, которое может быть небольшим и легким. Величина R в этом случае значения не имеет. Так, в случае шестигранного зеркала (n = 6), которое вращается с частотой ω′/2π = 10³ с^-1, частота вращения отрезка оптической оси ω/2π = 2 • 10³ с^-1 и частота прерывания f = 10⁵ с^-1 осуществляется с помощью глухого зеркала с Z = 8 отражающими секциями. Для C = 20 и a = 1 см длина вращающегося отрезка оптической оси составит R = 160 см.

На фиг. 1 и 2 представлены схемы лазеров с модуляторами добротности на основе оптической коммутации. На фиг. 1 приведен вариант с многогранным вращающимся зеркалом, на фиг. 2 - вариант с торцевым вращающимся зеркалом и телескопическим резонатором.

Примером конкретного выполнения заявляемого устройства служит HF/DF HXЛ с модулированной добротностью, схематически отображаемый фиг. 1. В состав лазера входит газодинамический канал (ГДК) и резонатор с модулятором добротности (РМД). ГДК образован последовательно соединенными фторным газогенератором 1 и сопловым блоком 2 с линиями подачи компонентов 3, резонаторной секцией 4, газоотводным устройством 5. В резонаторной секции имеются отверстия, закрытые прозрачными для лазерного излучения окнами 6. РМД образован зеркалом 7, фокусирующим зеркалом 8, вращающимся зеркалом 9 и секционированным глухим зеркалом 10. Отражающие секции 11 зеркала 10 размещены по линии пересечения цилиндрической поверхности (с направляющей в форме улитки Паскаля и полюсом на оси вращения зеркала 9) и круговой конической поверхности с вершиной на оси вращения зеркала 9.

При подаче в ГДК по линиям 3 компонентов в газогенераторе 1 создаются атомы фтора в среде инертного газа. Сверхзвуковой поток лазерной среды образуется на выходе соплового блока 2 при смешении струй, содержащих атомарный фтор и спутных струй водорода или дейтерия. В резонаторной секции 4 протекает реакция фтора с водородом (дейтерием) и образуются возбужденные молекулы фторида водорода (фторида дейтерия). При вращении зеркала 9 отрезок R ( от зеркала 9 до зеркала 10) оптической оси пересекает отражающие секции 11, которые в момент оптической связи с зеркалом 7 образуют оптический резонатор. При малых углах α отрезок R вращается с угловой скоростью ω = 2ω′, где ω′ - угловая скорость вращения зеркала 9. Форма зеркала 10 компенсирует небольшие изменения величин α и R вращении зеркала 9. Генерация лазерных импульсов происходит с частотой f = Znω/2π, соответствующей частоте модуляции добротности. В промежутках между импульсами усиление восстанавливается за счет продолжающейся реакции накачки и частичной смены среды. Отгенерировавшая лазерная среда удаляется через газоотводное устройство 5. Перенос излучения указан стрелками на штриховой линии.

Для HF/DF НХЛ характерны следующие параметры: длительность нестационарной генерации 10^-7 с (при мгновенном включении добротности), длительность восстановления усиления 5 • 10^-6 с. Отсюда следуют возможные характеристики модулятора с апертурой a = 1 см и скважностью C = 20:
ω′/2π = 10³ с^-1, n = 6, Z = 17, R = 160 см.

Эти характеристики обеспечивают параметры модуляции:
f = 2 • 10⁵ c^-1, d = 2,5 • 10^-7c, S ≥8 • 10⁶ c^-1.

На фиг. 2 приведен вариант модулятора добротности для телескопического (неустойчивого) резонатора с краевым выводом излучения. Фокусирующее зеркало отсутствует, вращающееся зеркало 9 выполнено в виде цилиндра с одним скошенным к оси отражающим торцом. Глухое зеркало 10 имеет форму кругового цилиндра с периодически наложенными выпуклыми отражающими секциями 11. При вращении торцевого зеркала 9 каждая секция 11 образует неустойчивый резонатор с зеркалом 7. Излучение выводится через выходное зеркало 7 и дополнительное зеркало 12. Частоты вращения зеркала 9 и отрезка R в этом варианте одинаковы. Не происходит смещения пучка излучения по поверхности вращающегося зеркала, что в варианте фиг. 1 приходится компенсировать сложной формой глухого зеркала.

Изобретение относится к лазерной технике. Импульсно-периодический лазер с непрерывной накачкой и модуляцией добротности резонатора, в том числе непрерывный химический лазер с модуляцией добротности, содержит оптический резонатор, который образован выходным зеркалом, глухим зеркалом и помещенным между ними на оптической оси резонатора оптико-механическим затвором, который представляет собой вращающееся многогранное или торцевое зеркало. Оптико-механический затвор и глухое зеркало образуют модулятор добротности. Глухое зеркало выполнено в виде периодического ряда отражающих секций, которые разделены неотражающими промежутками и размещены на поверхности или части поверхности, окружающей вращающееся зеркало. В резонатор на оптической оси перед вращающимся зеркалом может быть дополнительно включено фокусирующее зеркало или телескоп для согласования апертурных размеров пучка излучения и отражающих секций. Изобретение позволяет повысить частоту следования, пиковую мощность и энергетическую эффективность генерируемых импульсов излучения в импульсно-периодическом лазере с непрерывной накачкой, в том числе со сверхзвуковым потоком среды. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Импульсно-периодический лазер с непрерывной накачкой и модуляцией добротности резонатора, содержащий оптический резонатор, образованный выходным зеркалом, глухим зеркалом и помещенным между ними на оптической оси резонатора оптико-механическим затвором в виде вращающегося многогранного или торцевого зеркала, отличающийся тем, что глухое зеркало выполнено в виде периодического ряда отражающих излучение секций, которые разделены неотражающими промежутками и размещены на поверхности или части поверхности, окружающей вращающееся зеркало так, что каждая секция служит глухим зеркалом резонатора. 2. Импульсно-периодический лазер по п.1, отличающийся тем, что дополнительно установлено фокусирующее зеркало или телескоп на оптической оси резонатора перед вращающимся зеркалом.