ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА И ДВУХИМПУЛЬСНЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 2000 года по МПК H01S3/08 

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано в качестве излучателя в лидарных системах, спектроскопии жидкостей, газов и твердых тел, а также в двухимпульсной голографической интерферометрии. Особенностью дифференциальных абсорбционных лидарных систем является то, что в них осуществляется четкое отделение в суммарное ослабление излучения доли, обусловленной чистым (резонансным) поглощением той или иной примеси в веществе, через которое это излучение пропускается. Для этого чрезвычайно удобным является зондирование на двух длинах волн, одна из которых (сигнальная) соответствует линии резонансного поглощения примеси или вещества, а другая (сравнения) - отсутствию или слабому поглощению. При этом временной интервал между импульсами выбирают из тех соображений, чтобы в промежутке между импульсами в среде не успели (например, из-за влияния ветра или течения жидкости) произойти изменения, которые могли бы повлиять на результаты измерений. С другой стороны, для снижения стоимости прибора в лидарах предпочтительно использовать регистрирующую аппаратуру с небольшим временным разрешением. Совокупности этих условий на практике удовлетворяет временной интервал между импульсами в несколько десятков микросекунд. В то же время регулировка спектрального интервала необходима ввиду возможного различия в ширинах спектральных линий поглощения различных веществ. Таким образом, лазерные лидарные источники должны обязательно обладать следующими качествами:
- перестройка длины волны выходного излучения должна осуществляться в возможно более широком диапазоне;
- режим генерации должен быть двухимпульсным;
- временной интервал между импульсами должен быть порядка нескольких десятков микросекунд;
- спектральный интервал между импульсами должен быть регулируемым в пределах, определяемых шириной спектральной полосы поглощения зондируемого вещества.

Известна лазерная система с активной средой, обладающей широкой спектральной полосой линии лазерного перехода (сапфир с ионами титана) - см, например [1] , в которой излучение накачки при помощи одной из линз внутрирезонаторного телескопа соосно оси генерации концентрируется в объеме АЭ, а перестройка длины волны выходного излучения в широком диапазоне осуществляется узлом перестройки, состоящим из призменного телескопа и дифракционной решетки. Однако даже при накачке парой импульсов с регулируемым временным интервалом между ними, в этом устройстве невозможно осуществить генерацию пары импульсов с регулируемым спектральным интервалом.

Известен двухимпульсный лазер с перестраиваемым временным интервалом между импульсами - см., например, [2]. Здесь для получения двухимпульсного режима был специально разработан задающий генератор, излучающий длинный (порядка 1 миллисекунды) одночастотный импульс. Для этого специально, при помощи длинной разрядной линии, формировался импульс оптической накачки и использовался кольцевой дисперсионный резонатор с амплитудным вентилем на основе пьезокерамического преобразователя, изменением длины которого осуществляли движение одного из зеркал резонатора, создавая тем самым постоянное превышение добротности резонатора для генерирующей моды над всеми остальными. Кроме этого, были приняты меры по исключению механических колебаний на резонатор и уменьшению термического дрейфа спектра мод, а уровень накачек лежал в области 10 -30-кратного превышения над пороговым. Затем пучок выходного излучения делился на две части и каждая из них направлялась на идентичные исполняющие лазеры с кольцевыми резонаторами и электрооптическими модуляторами добротности. Каждый модулятор добротности вырезал из длинного импульса короткий, а временной интервал между ними регулировался временем задержки управляющего импульса на модулятор одного лазера по отношению к другому. Недостатком подобного лазера является сложность оптической схемы, требующей тонкой настройки, регулировки и юстировки, ее насыщенность электрооптическими элементами и схемами их электроснабжения и управления, необходимость использования пьезокерамического преобразователя и специальной схемы, обеспечивающей линейное в течение импульса оптической накачки перемещение укрепленного на нем зеркала с нужной скоростью. Все это делает лазер малонадежным, энергоемким и трудно эксплуатируемым, особенно в приборном варианте исполнения, хотя и позволяет получить два параллельных пространственно разделенных пучка импульсного излучения.

Наиболее близким техническим решением является лазерная система [3], включающая импульсный лазер для оптической накачки активной среды перестраиваемого лазера, перестраиваемый в широком диапазоне длин волн лазер с активным элементом (АЭ) из материала, обладающего широкой полосой линии излучения на лазерном переходе (сапфир с титаном), который вместе с дисперсионными призмами размещен в резонаторе, составленном из призмы-крыши, имеющей возможность углового поворота, и частично отражающего жестко закрепленного резонансного отражателя, а также оптической системы для ввода импульсного излучения накачки и его концентрации в объеме АЭ соосно с направлением генерации перестраиваемого лазера. В этом устройстве импульс излучения лазера оптической накачки через дисперсионные призмы заводится в АЭ перестраиваемого лазера соосно с направлением генерации в резонаторе, а концентрация излучения накачки в объеме АЭ осуществляется при помощи положительной линзы, параметры и место расположения которой подобраны так, чтобы АЭ находился в области ее фокальной перетяжки. Перестройка длины волны выходного излучения практически во всем спектральном интервале полосы люминесценции в этом лазере осуществлялось поворотом призмы-крыши в плоскости расположения дисперсионных призм. Однако и в этой лазерной системе нет элементов, позволяющих осуществить генерацию пары импульсов с регулируемым спектральным интервалом между ними, хотя регулируемый временной интервал между импульсами и мог бы быть реализован использованием, например, двухимпульсного лазера оптической накачки с регулируемым временем задержки между импульсами.

Наиболее близким техническим решением при создании двухимпульсного лазера с перестраиваемым временным интервалом между импульсами является лазер, описанный в работе [4]. Он включал АЭ, возбуждаемый импульсом света накачки через боковую поверхность, модулятор добротности, которые расположены в резонаторе, состоящем из глухого и частично пропускающего зеркал. В основе конструкции лазера заложена идея создания одинаковых надпороговых уровней инверсной населенности в зоне АЭ, участвующей в генерации, в разные моменты времени (промежуток между ними регулируется). Это достигалось наложением на основной импульс вспышки лампы оптической накачки дополнительного более короткого и более мощного импульса. На практике это обеспечивалось двухконтурной разрядной схемой блока питания. Первый контур обеспечивал импульс вспышки лампы длительностью около 200 мкс и создавал надпороговый уровень инверсии для генерации первого импульса. Второй же, параллельный, контур включался при помощи управляемого разрядника через регулируемый промежуток времени. Этот, более короткий разрядный импульс с t_и=50мкс создавал надпороговый уровень инверсии для генерации второго импульса излучения, поскольку инверсия в АЭ к этому времени была почти полностью снята в результате высвечивания первого моноимпульса. Однако и этот лазер, несмотря на сравнительную простоту оптической схемы, обладает существенными недостатками, которые заключаются в том, что требует создания специального двухконтурного блока питания с использованием управляемого разрядника и блока управления этим разрядником, а значит и дополнительных энергозатрат. Кроме этого, данный лазер не обеспечивает пространственного разделения двухимпульсного излучения на два параллельных канала, каждый из которых соответствовал бы своему импульсу, что необходимо в отдельных случаях.

Техническим результатом предлагаемой нами лазерной системы является реализация двухимпульсного режима генерации перестраиваемого в широком диапазоне длин волн лазера при регулировке временного и спектрального зазора между импульсами, а также значительное сужение линии излучения при увеличении точности установки длины волны, что делает чрезвычайно эффективным ее использование в лидарных системах и системах оперативного спектрального анализа веществ. При этом система имеет простейшую оптическую схему, не содержит элементов электрооптики и высоковольтных импульсных источников питания к ним, проста и надежна в эксплуатации и может быть легко изготовлена на базе выпускаемых промышленностью приборов. Технический эффект достигается тем, что в резонаторе и АЭ организуют не одну, а две параллельных пространственно разделенных зоны генерации путем использования двухимпульсного лазера оптической накачки с пространственным разнесением пучков, а система концентрации излучения накачки в объеме АЭ сохраняет пространственное разделение зон в нем (телескоп Галилея), что позволяет внесением в один из каналов генерации дополнительного оптического элемента осуществить перестройку излучаемой этим каналом длины волны выходного излучения по отношению к длине волны излучения другого канала. Временная задержка между импульсами излучения перестраиваемого лазера в данном случае определяется временем задержки между импульсами излучения лазера накачки.

Техническим результатом предлагаемого двухимпульсного лазера с перестраиваемым временным интервалом между импульсами является создание двухимпульсного лазерного источника, излучающего два пучка импульсного излучения, пространственно разделенных и строго параллельных друг другу, с регулируемым временным интервалом между импульсами, что достигается всего лишь использованием в резонаторе диафрагмы с двумя отверстиями и их перемещением в пределах апертуры АЭ без какого-либо усложнения оптической и электрической схем лазера. При этом технический результат достигается тем, что впервые использован факт неравномерности распределения поглощенной энергии света накачки в поперечном сечении АЭ для создания двухзонного двухимпульсного режима генерации с временными интервалами между импульсами. Отметим, что указанная неравномерность имеет место даже при равномерной засветке боковой поверхности АЭ излучением накачки. Это позволило, путем использования в резонаторе лазера диафрагмы с двумя отверстиями, осуществить не только двухпучковый режим генерации, но и регулировку временного интервала между моноимпульсами выходного излучения путем простого перемещения этой диафрагмы в пределах поперечного сечения АЭ. Эффект обусловлен тем, что в течение импульса оптической накачки пороговый уровень инверсной населенности достигается сначала в зоне поперечного сечения АЭ с большим значением поглощенной энергии, а уже потом - с меньшим. Величина временной задержки при этом определяется величиной различия в значениях инверсной населенности, создаваемой используемой системой оптической накачки в объемах АЭ, соответствующих выбранным зонам генерации. А поскольку положение этих зон определяется положением отверстий в диафрагмах, то становится очевидным, что путем изменения положения этих отверстий можно регулировать время задержки между импульсами генерации в данных зонах. Указанная идея и реализована в предложенном двухимпульсном лазере, используемом нами для оптической накачки перестраиваемого лазера.

Нами создана лазерная система, преимущественно для дифференциальных абсорбционных лидаров, включающая импульсный лазер для оптической накачки активной среды перестраиваемого лазера, перестраиваемый в широком диапазоне длин волн лазер с активным элементом (АЭ) из материала, обладающего широкой спектральной полосой линии излучения на лазерном переходе, который вместе с дисперсионными призмами размещен в резонаторе, составленном из призмы-крыши, имеющей возможность углового поворота, и частично отражающего жестко закрепленного резонансного отражателя, а также оптической системы для ввода импульсного излучения накачки и его концентрации в объеме АЭ соосно с направлением генерации перестраиваемого лазера, в которой для оптической накачки использован лазер, излучающий два параллельных и пространственно разделенных пучка импульсного излучения с регулируемым временным интервалом между импульсами, а оптическая система ввода излучения накачки представляет собой плоское глухое зеркало, размещенное вне области, занимаемой генерируемым излучением, и телескоп Галилея с кратностью, равной отношению диаметра пучка накачки к диаметру генерируемой области в АЭ, который установлен в резонаторе перестраиваемого лазера осесимметрично двум зонам генерации между АЭ и дисперсионными призмами объективом в сторону дисперсионных призм, при этом в промежутке между дисперсионными призмами и призмой-крышей дополнительно введены: два оптических клина и мультиплет эталонов Фабри-Перо, причем каждый из клиньев перекрывает только один из каналов и имеет самостоятельные подвижки, дающие возможность углового поворота в плоскости расположения дисперсионных призм, параметры первого клина (угол при вершине, материал и угол наклона к оси генерации) обеспечивают изменение длины волны генерируемого излучения, поворотом последнего на минимальный контролируемый угол, на величину ширины его спектральной полосы, а параметры второго определяют величину отстройки длины волны генерации в этом канале излучения от излучения первого канала на величину, не меньшую ширины линии поглощения исследуемого вещества, а эталоны, оптические клинья и призма-крыша установлены на единой платформе, выполненной с возможностью поворота в той же плоскости.

Нами предложен двухимпульсный лазер с перестраиваемым временным интервалом между импульсами, включающий активный элемент (АЭ), возбуждаемый импульсом света накачки через боковую поверхность, модулятор добротности, поляризатор и диафрагму, формирующую в АЭ и резонаторе зону генерации одной поперечной моды, которые расположены в резонаторе, состоящем из глухого и частично пропускающего зеркал, в котором применяется диафрагма, имеющая два отверстия, причем расстояние между ними можно изменять от значения, при котором величина интенсивности излучения, попадающего в один из каналов генерации в результате дифракции на краях другого отверстия (соответствующего второму каналу), становится недостаточной для влияния на процесс формирования импульса генерации в нем, до значения, при котором края отверстий еще не выходят за пределы апертуры используемого в лазере АЭ.

Оптическая схема предложенной лазерной системы представлена на фиг. 1,
где: 1 - резонансный отражатель (стопа), используемый в качестве выходного зеркала, 2 - призма-крыша, 3 - активный элемент, 4 и 5 - оптическая система для ввода излучения накачки, состоящая из плоского зеркала (5) и телескопа Галилея (4), 6 - дисперсионные призмы, 7 и 8 - оптические клинья, 9 - мультиплет эталонов Фабри-Перо, перекрывающий два канала генерации, 10 - импульсный лазер оптической накачки. Пунктиром отмечена группа элементов, располагаемая на единой поворачивающейся платформе, а стрелками отмечены направления возможного поворота.

Система работает следующим образом. Двухимпульсное излучение лазера оптической накачки 10 (с требуемым временным интервалом между импульсами) в виде двух пространственно разнесенных параллельных пучков, каждому из которых соответствует свой импульс, при помощи оптической системы концентрируется в объеме АЭ 3 перестраиваемого лазера. Оптическая система, состоящая из плоского глухого зеркала 5 и телескопа Галилея 4, установленного в резонаторе перестраиваемого лазера, согласует диаметр пучков излучения накачки с диаметром пучков генерируемого в нем излучения, обеспечивая при этом возможность независимой генерации в двух неперекрываемых параллельных зонах. Резонатор лазера состоит из резонансного отражателя (стопы параллельных пластин) - 1 и призмы-крыши 2 в качестве выходного и глухого зеркал, соответственно. Каждый из импульсов излучения накачки за время длительности импульсов (десятки наносекунд), т. е. практически мгновенно по сравнению с временем жизни возбужденного состояния (несколько микросекунд) создают в соответствующих зонах АЭ надпороговые уровни инверсной населенности. В резонаторе лазера из спонтанных шумов (широкополосная люминесценция) начинает формироваться моноимпульс. Поскольку дисперсионные призмы осуществляют разложение излучения люминесценции по углам, то частотному диапазону люминесценции ставится в однозначное соответствие угловой диапазон лучей перед призмой-крышей. В зависимости от того, какой из лучей этого углового диапазона отражается призмой-крышей строго в противоположном направлении, происходит генерация излучения с конкретным значением длины волны. Как показали проведенные нами исследования, при использовании в резонаторе трех дисперсионных призм из ТФ5 с углами при основании 61 градус и телескопа Галилея с кратностью увеличения 3, заклон призмы-крыши на 1 угл. мин. приводит к сдвигу длины волны генерируемого излучения примерно на 1 нанометр. При этом ширина спектральной линии излучения не превышала 1 Заметим, что в отсутствие телескопа ширина линии была в 3-4 раза больше. Это обусловлено тем, что в данной лазерной системе телескоп выполняет одновременно и функции элемента, увеличивающего дисперсионные свойства призм 6. Действительно, пучок излучения, имеющий некоторое значение угловой расходимости после прохождения телескопа в направлении от объектива к окуляру и содержащий различные спектральные компоненты, пройдя два раза дисперсионные призмы (прямо и после отражения от призмы-крыши), получит дополнительную расходимость, разную для разных спектральных компонент и определяемую дисперсионными свойствами призм 6. После прохождения телескопа в обратном направлении эта расходимость будет увеличена в m раз, где m - кратность увеличения телескопа. А это эквивалентно внесению для отдельных спектральных компонент, которые присутствуют в пучке генерируемого излучения в отсутствие телескопа, дополнительных потерь, что и приводит к увеличению селектирующих свойств призм. Однако сравнительно большая ширина спектральной линии и недостаточная точность настройки на нужную длину волны значительно ограничивают возможности такой лазерной системы при использовании ее, например, в лидарах. Чтобы расширить эти возможности, нами в оптическую схему лазерной системы введены мультиплет эталонов Фабри-Перо 9 и оптический клин 8. Это позволило уменьшить ширину спектральной линии генерируемого излучения до величины, не превышающей значения 0,01 , и увеличить точность настройки длины волны генерации примерно до такого же значения. Все вышесказанное, касаемо ширины спектра, справедливо и для второго канала генерации, излучающего на длине волны "сравнения", т.к. мультиплет эталонов Фабри-Перо "работает" одновременно в двух каналах. В то же время, для осуществления "отстройки" длины волны излучения этого канала от значения "сигнальной" длины волны, в этот канал вводится дополнительный оптический клин 7. Выбором величины угла при вершине этого клина, материала, характера его расположения (основание наружу или внутрь) в резонаторе и угла заклона к оси генерируемого излучения, а также возможность углового поворота позволяют осуществить "отстройку" от "сигнальной" волны на любой промежуток и в любом направлении шкалы длин волн, что важно при исследовании веществ с разной шириной спектральной линии резонансного поглощения. Размещение мультиплета интерферометра Фабри-Перо - 9, клина точной подстройки - 8 и клина "отстройки" - 7 на одной платформе с призмой-крышей - 2 позволяет при перемене "сигнальной" длины волны (т.е. при повороте платформы) не осуществлять каждый раз операцию установки пластин эталона под одним и тем же углом к оси излучения и сохранять углы наклона клиньев к этой оси, что значительно снижает трудоемкость обслуживания прибора. B то же время, независимые подвижки каждого из клиньев дают возможность точной установки длины волны и перестройки величины спектрального зазора между импульсами (если такая необходимость возникает).

Оптическая схема двухимпульсного лазера с регулируемым временным промежутком между импульсами представлена на фиг 2.

Здесь: 11 и 12 - частично пропускающее и глухое зеркала резонатора, соответственно, 13 - поляризатор, 14 - активный элемент, возбуждаемый излучением накачки через боковую поверхность, 15 - диафрагма с двумя отверстиями, 16 - модулятор добротности.

Лазер работает следующим образом. Системой оптической накачки, состоящей, например, из импульсной лампы и отражателя, направляющего испущенный лампой свет на боковую поверхность АЭ, в объеме последнего, во всех возможных зонах его поперечного сечения, ограничиваемых отверстиями в диафрагмах, создают уровень инверсной населенности, превышающий пороговое значение (для генерации импульса в резонаторе с выключенными модулируемыми потерями). При этом, поскольку при оптической накачке процесс накопления возбужденных частиц происходит на протяжении всего импульса вспышки лампы, пороговое значение инверсной населенности N_пор достигается сначала в тех областях поперечного сечения АЭ, в которых плотность поглощенной энергии максимальна, а в последнюю очередь - в тех, где она имеет минимальное значение. Поэтому положения 1-го и 2-го отверстий диафрагмы в площади поперечного сечения АЭ определяют разность значений инверсной населенности в его зонах, соответствующих этим отверстиям, а значит, определят и промежуток времени между моментами достижения N_пор: t₁ - t₂=Т_зад (T₁ и t₂ - времена с начала действия импульса накачки до момента достижения N_пор в зонах АЭ, ограничиваемых соответствующими отверстиями). Следовательно, меняя положение диафрагм, можно регулировать время задержки между импульсами генерации, если выключать при этом модулируемые потери в моменты времени достижения значений N_пор. При использовании пассивных модуляторов добротности их просветление (т.е. выключение модулируемых потерь) происходит синхронно с моментами достижения N_пор в соответствующих зонах АЭ. Максимальный диаметр отверстий в диафрагме выбирается из условия генерации в резонаторе одной поперечной моды, а минимально допустимое расстояние между ними определяется значением, при котором дифракция излучения на краях отверстий перестает влиять на процесс генерации моноимпульсов в зоне другого отверстия (это определяется по появлению временной задержки между импульсами). И то и другое зависит от длины резонатора и уровней возбуждения АЭ и на практике подбирается экспериментально, поскольку обе зоны АЭ находятся в одном резонаторе, составленном из плоских зеркал, пучки выходного излучения строго параллельны друг другу.

Таким образом, нами впервые показано, что в предлагаемой лазерной системе, которую преимущественно можно использовать в лидарах и спектральных приборах, благодаря использованию для накачки перестраиваемого лазера двухимпульсного лазерного источника с регулируемым временным интервалом между импульсами и пространственным разнесением пучков, соответствующих каждому импульсу пары, а также системы ввода импульсного излучения накачки, концентрирующему его в двух пространственно разнесенных зонах АЭ и размещению в резонаторе двух оптических клиньев и мультиплета эталонов Фабри-Перо, удалось решить не только проблему создания двухимпульсного лазерного источника с регулируемым спектральным интервалом между импульсами, следующими друг за другом через регулируемый временной интервал, но и дало возможность получать пару импульсов с шириной спектральной линии каждого, меньшей 0,01 что значительно расширяет область производственных возможностей этой системы. При этом весьма существенным является тот факт, что результат достигается применением широко используемых оптических элементов при полном отсутствии дорогостоящих элементов электрооптики или пьезокерамики и без существенного усложнения оптической схемы.

Авторам неизвестны другие технические решения, в которых столь доступным способом, путем создания двух пространственно разнесенных зон генерации в резонаторе перестраиваемого лазера, удалось легко осуществить регулировку и перестройку спектрального зазора между двумя импульсами излучения.

Нами впервые показано также, что предлагаемый двухимпульсный лазер с регулируемым интервалом между импульсами и пространственным разделением пучков, соответствующих каждому из этих импульсов, можно легко построить из любого одноимпульсного лазера всего лишь использованием в его резонаторе диафрагмы с парой отверстий, выполненных с возможностью их перемещения в пределах апертуры АЭ. В основе данной конструкции лежит использование факта неравномерного по сечению АЭ распределения поглощенной энергии оптической накачки, что всегда имеет место при возбуждении через боковую поверхность даже при ее равномерном освечивании (см., например, [5]). В результате пороговые уровни инверсной населенности достигаются в разных зонах по сечению АЭ в разное время с начала действия импульса оптической накачки и выбором положения генерируемых зон в объеме АЭ (т.е. положения отверстий диафрагмы) можно регулировать задержку между генерируемыми импульсами. Данного эффекта достигают без изменения оптической или электрической схемы лазера и без внесения дополнительных оптических элементов, что делает прибор надежным, дешевым и простым в эксплуатации.

Авторам неизвестны технические решения, в которых для регулировки временного интервала между двумя лазерными импульсами использована неравномерность распределения поглощенной энергии накачки в поперечном сечении АЭ, а сама регулировка осуществляется всего лишь передвижением внутрирезонаторной диафрагмы с двумя отверстиями в пределах апертуры АЭ.

На нашем предприятии изготовлен макет перестраиваемой в широком диапазоне длин волн двухимпульсной лазерной системы с регулируемыми спектральным и временным интервалами между импульсами, включающий двухимпульсный лазер оптической накачки с регулируемым временным диапазоном между импульсами и пространственным разделением параллельных пучков, и перестраиваемый в широком диапазоне длин волн двухимпульсный лазер на сапфире с титаном, в котором осуществляется перестройка величины спектрального зазора между импульсами.

В качестве двухимпульсного лазера оптической накачки нами использован лазер на стекле с неодимом с преобразованием излучения во вторую гармонику. Лазер включает задающий генератор (ЗГ) с регулируемым временным интервалом между импульсами и пространственным разделением пучков, соответствующих своему импульсу, и усилитель (У). В качестве ЗГ использован предложенный и разработанный нами лазер. Параметры лазера были следующими:
- длина резонатора, состоящего из плоского глухого зеркала и стопы из 2-х пластин (в качестве выходного зеркала) - 4 м,
- размеры АЭ из фосфатного стекла ГЛС22П - диаметр -15 и длина 300 мм (торцы скошены под углом 3 град к оси),
- импульсная лампа накачки - полостная, типа ИНК22 с диффузноотражающим покрытием на внешней колбе из аморфной двуокиси кремния,
- в качестве поляризатора использована пластина из К8, установленная под углом Брюстера к оси резонатора,
- в качестве модулятора добротности использован пассивный затвор на базе гаммаокрашенного кристалла LiF размером 15 x 15 х 40 м с начальным пропусканием 26%,
- диафрагма имела два отверстия диаметром 5 мм каждое, промежуток между которыми составлял 2,5 мм.

Расчет зависимости величины плотности инверсной населенности от времени с начала действия импульса оптической накачки, проведенный нами по методике, аналогичной [6], показал, что для обеспечения времени задержки между импульсами на уровне нескольких десятков микросекунд, необходимо, чтобы плотности инверсной населенности в соответствующих зонах АЭ отличались лишь на несколько процентов, т.е. распределение поглощенной энергии по сечению АЭ должно быть близким к равномерному. Именно поэтому в нашем конкретном случае в системе оптической накачки была использована полостная лампа (см. [5]). Длина резонатора, диаметр отверстий в диафрагме и величина начального пропускания затвора были подобраны нами экспериментально с тем, чтобы добиться возможно большей энергии в излучаемых импульсах при сохранении одноимпульсного режима генерации с одной поперечной модой в каждой зоне при минимально возможной длительности импульсов (последнее условие определяет эффективность преобразования излучения во вторую гармонику). В результате ЗГ излучал в каждом канале импульс длительностью около 60 нс (по половине интенсивности) с энергией до 250 мДж. Расстояние между отверстиями подобрано также экспериментально и исключало взаимовлияние зон на генерацию в них импульсов. Движением отверстий диафрагмы в пределах апертуры АЭ выбиралось такое их расположение, при котором временной интервал между импульсами составил 50 мкс. Затем излучение пропускалось через пространственный фильтр (ПФ), состоящий из двух положительных линз с фокусными расстояниями 2 и 3 м и диафрагмы диаметром 1,7 мм, внутри которого (за диафрагмой) размещалась камера усилителя (У), полностью аналогичная камере ЗГ. Это позволяло отфильтровать мелкомасштабные выбросы и дифракционную структуру в распределении интенсивности в поперечном сечении пучков (что необходимо для уменьшения вероятности оптического пробоя кристалла- преобразователя во вторую гармонику, а также АЭ перестраиваемого лазера) и обеспечить одинаковое усиление излучения в каждом импульсе. Энергия в каждом импульсе излучения на выходе данного лазера достигала значений 2,5 - 3 Дж, что гарантировало после преобразования во вторую гармонику ((кристалл KDP) энергию накачки до 1 Дж. Далее, после прохождения зеркала, пропускающего только излучение второй гармоники, два параллельных плоскополяризованных в горизонтальной плоскости пучка диаметром 7,5 мм каждый с расстоянием между центрами 11,25 мм подавались на оптическую систему ввода излучения накачки в АЭ предложенного перестраиваемого в широком диапазоне длин волн двухимпульсного лазера на сапфире с титаном с регулируемым спектральным диапазоном между импульсами.

Перестраиваемый лазер был выполнен следующим образом. В качестве выходного зеркала резонатора использована стопа из 4-х пластин К8, на расстоянии 2 см от которой располагался АЭ из сапфира с титаном диаметром 6 и длиной 25 мм, торцы которого скошены под углом Брюстера к оси. Далее, на расстоянии около 20 см от АЭ в резонаторе был расположен телескоп Галилея, составленный из положительной (фокус 12 см) и отрицательной (фокус 4 см) линз и ориентированный окуляром к АЭ. На расстоянии 10 см от его объектива были установлены практически вплотную друг к другу две дисперсионные призмы из ТФ5 с рабочими гранями, ориентированными под углом Брюстера к оси излучения. Третья дисперсионная призма установлена на расстоянии 32 см от данных призм. Это сделано для того, чтобы иметь возможность ввода пучков излучения накачки в АЭ по оси генерации через две первых призмы при сведении к минимуму потерь (потери энергии накачки на одной призме достигают 10 - 12%). Далее, после третьей дисперсионной призмы были размещены: в одном канале генерации ("сигнальном") - оптический клин из стекла К8 с углом при вершине 2 угл.мин и под углом Брюстера к оси генерации, в другом ("сравнения") - оптический клин из К8 с углом при вершине 10 угл. мин (в каждом конкретном случае параметры данного клина подбираются расчетным образом в зависимости от требуемого спектрального зазора между импульсами, что, в свою очередь, определяется шириной линии поглощения исследуемого вещества). Далее размещался мультиплет из двух эталонов Фабри-Перо с базами 30 м 15 мм и коэффициентами отражения 60% на длине волны 800 нм, который перекрывал сразу два канала генерации, и призма-крыша из стекла К8 со световым диаметром 20 мм. Расстояние между третьей дисперсионной призмой и призмой-крышей составляло 40 см. Все элементы после третьей дисперсионной призмы были размещены на единой металлической площадке, укрепленной на юстировочном столике, обеспечивающем ее поворот на углы ±5 град вокруг оси, которая вынесена на расстояние 75 см от призмы-крыши в сторону дисперсионных призм. При этом оба оптических клина имели самостоятельные угловые подвижки, позволяющие осуществлять угловой поворот этих элементов относительно площадки. Система ввода излучения накачки в активную среду перестраиваемого лазера формировала в АЭ две параллельные друг другу и пространственно разнесенные на расстояние 3,75 мм зоны диаметром 2,5 мм каждая. Оси этих зон и определяли направление осей генерации в перестраиваемом лазере. Проведенные нами исследования показали, что:
- угловым поворотом площадки с размещенными на ней элементами можно обеспечить перестройку длины волны генерируемого излучения в каждом канале в пределах 680 - 1010 нм с шагом перестройки около 1 нм (определялось шагом резьбы винтов юстировочного столика и величиной минимального контролируемого коллиматором угла поворота) и коэффициентом перестройки около 1 нм/угл. мин,
- угловым поворотом клина с углом при вершине 2 угл. мин можно обеспечить более точную установку длины волны с шагом 0,02 /угл. мин,
- ширина спектральной полосы выходного излучения не выходит за пределы 0,01А при возбуждении АЭ до уровней, превышающих пороговое значение в 3 - 4 раза,
- размещение в другом канале клина с углом при вершине 10 угл. мин (так, как изображено на фиг. 1) приводило к "отстройке" длины волны этого канала на величину около 20 нм в сторону более длинных волн, что соответствовало расчету (это демонстрирует принципиальную возможность регулировки изменения величины спектрального зазора между импульсами). Заметим, что для "отстройки" длины волны пучка "сравнения" в сторону коротких волн по отношению к "сигнальному", нужно основание клина в канале "сравнения" поменять местом с его вершиной (развернуть клин на 180 градусов),
- временной интервал между импульсами путем перемещения диафрагмы с отверстиями в используемом лазере накачки можно менять в пределах от 0 до примерно 120 мкс. Этот интервал и определяет время задержки между импульсами перестраиваемого лазера, т. к. задержка между импульсами накачки и генерируемыми импульсами не превышает 10 нс.

Таким образом, благодаря новым конструктивным решениям, основанным на:
а) создании в резонаторе перестраиваемого в широком диапазоне длин волн лазера двух независимых и пространственно разделенных зон генерации, использовании лазера накачки, изучающего два параллельных пучка импульсного излучения с регулируемым временным интервалом между импульсами, и оптических элементов для сужения ширины спектральной линии и осуществления плавной перестройки длины волны выходного излучения.

б) использовании факта неравномерного по сечению АЭ распределения поглощенной энергии при оптической накачке через боковую поверхность,
предлагаемые лазерная система, преимущественно для дифференциальных абсорбционных лидаров, и двухимпульсный лазер с перестраиваемым временным интервалом между импульсами, позволяют:
а) осуществить генерацию импульсов излучения лазерной системы с шириной линии более чем на два порядка меньшей, увеличить точность настройки длины волны генерируемого излучения и легко осуществить перестройку величины спектрального зазора между импульсами при регулируемом временном интервале между ними. Это значительно расширяет область возможного использования приборов с подобными излучателями, позволяя более оперативно получать требуемую информацию об объекте исследования,
б) создать двухимпульсный лазерный источник, излучающий два пучка импульсного излучения, пространственно разделенных и строго параллельных друг другу, с регулируемым временным интервалом между импульсами, что достигается использованием в резонаторе диафрагмы с двумя отверстиями и их перемещением в пределах апертуры АЭ без какого-либо усложнения оптической и электрической схем лазера. Применение такого источника для накачки перестраиваемого лазера и позволило легко осуществить регулировку спектрального зазора между линиями излучения в паре импульсов.

Литература
1. Скрипко Г.А. Перспективы использования лазеров на кристаллах AlO:Ti для атмосферных исследований. Оптика атмосферы.- 1989, т.2, N 7, с. 675-697.

2. Головин А.Б., Пешко И.И. Хижняк А.И. Генерация гигантских импульсов с идентичным одночастотным спектром и управляемым интервалом следования лазерами на фосфатном неодимовом стекле. Квантовая электроника, -1991, т. 10, N 7, с.846.

3. Круглик Г.С., Скрипко Г.А., Шкадаревич А.П, Кондратюк Н.В, Жданов Э. А. Генерационные характеристики лазера на кристалле AlO:Ti при когерентной накачке. Квантовая электроника. -1986, т.13, N 6, с. 1207-1213.

4. Корочкин Л.С., Михнов С.А., Шахлай И.П. Рубиновый ОКГ сдвоенных импульсов. Журнал прикладной спектроскопии. Т.26, в. 1, с. 171.

5. Бордачев Е.Г., Волынкин В.М., Ешмеметьева E.B., Иванушкина Л.В., Королев В.И. и др. Сравнительные характеристики лазеров на неодимовом стекле, возбуждаемых коаксиальной и трубчатой импульсными лампами. Журнал прикладной спектроскопии, - 1987, т.46., N 3, с.506.

6. Ешмеметьева E.B., Королев В.И., Меснянкин E.П. Особенности усиления мощных лазерных импульсов в неодимовых силикатных и фосфатных стеклах. Квантовая электроника.- 1995, т.22, N 7; с. 687-691.

Заявитель: Федеральный научно-производственный центр научно-исследовательский институт комплексных испытаний оптико-электронных приборов и систем ВНЦ "ГОИ" им. С.И. Вавилова.

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано в качестве излучателя в лидарных системах, спектроскопии жидкостей, газов и твердых тел, двухимпульсной голографической интерферометрии. Лазерная система включает лазер, перестраиваемый в широком диапазоне длин волн, импульсный лазер для оптической накачки активной среды перестраиваемого лазера, оптическую систему ввода излучения накачки. Импульсный лазер для накачки излучает два пучка импульсного излучения, пространственно разделенных и строго параллельных друг другу. Временной интервал между импульсами регулируется. Технический результат изобретения: осуществление генерации пары импульсов излучения с шириной линии менее 0,01 увеличение точности настройки длины генерируемого излучения и облегчение перестройки величины спектрального зазора между импульсами. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Лазерная система преимущественно для дифференциальных абсорбционных лидаров, включающая импульсный лазер для оптической накачки активной среды перестраиваемого лазера, перестраиваемый в широком диапазоне длин волн лазер с активным элементом (АЭ) из материала, обладающего широкой спектральной полосой линии излучения на лазерном переходе, который вместе с дисперсионными призмами размещен в резонаторе, составленном из призмы-крыши, имеющей возможность углового поворота, и частично отражающего жестко закрепленного резонансного отражателя, а также оптической системы для ввода импульсного излучения накачки и его концентрации в объеме АЭ соосно с направлением генерации перестраиваемого лазера, отличающаяся тем, что для оптической накачки использован двухимпульсный лазер, излучающий два параллельных и пространственно разделенных один от другого пучка импульсного излучения с регулируемым временным интервалом между импульсами, а оптическая система ввода излучения накачки представляет собой плоское глухое зеркало, размещенное вне области, занимаемой генерируемым излучением перестраиваемого лазера, и телескоп Галилея с кратностью, равной отношению диаметра пучка накачки к диаметру генерируемой области в АЭ, который установлен в резонаторе перестраиваемого лазера осесимметрично двум зонам генерации между АЭ и дисперсионными призмами объективом в сторону дисперсионных призм, при этом в промежутке между дисперсионными призмами и призмой-крышей расположены два
оптических клина и мультиплет эталонов Фабри - Перо, причем каждый из клиньев перекрывает только один из каналов и имеет самостоятельные подвижки, дающие возможность углового поворота в плоскости расположения дисперсионных призм, параметры первого клина (угол при вершине, материал и угол наклона к оси генерации) обеспечивают изменение длины волны генерируемого излучения поворотом последнего на минимально контролируемый угол, на величину ширины его спектральной полосы, а параметры второго определяют отстройку длины волны генерируемого в этом канале излучения от излучения первого канала на величину ширины линии поглощения исследуемого вещества, а эталоны, оптические клинья и призма-крыша установлены на единой платформе, выполненной с возможностью поворота в той же плоскости. 2. Двухимпульсный лазер, излучающий два параллельных и пространственно разделенных один от другого пучка импульсного излучения с регулируемым временным интервалом между импульсами, включающий активный элемент (АЭ), возбуждаемый импульсом света через боковую поверхность, модулятор добротности, резонатор, состоящий из глухого и частично пропускающего зеркала, отличающийся тем, что лазер содержит поляризатор и диафрагму, формирующую в АЭ и резонаторе зону генерации одной поперечной моды, причем диафрагма имеет два отверстия, расстояние между которыми можно изменять от значения, при котором величина интенсивности излучения, попадающего в один из каналов генерации в результате дифракции на краях другого отверстия (соответствующего второму каналу), становится недостаточной для влияния на процесс формирования импульса генерации в нем, до значения, при котором края отверстий еще не выходят за пределы апертуры используемого в лазере АЭ.