ЛАЗЕР Российский патент 2001 года по МПК H01S3/11 

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к технологическим лазерам с активной модуляцией добротности резонатора, и может быть использовано для получения одномодового импульсно-периодического режима генерации с высокой пространственной яркостью излучения, обладающего большой длиной когерентности и малой расходимостью.

Известен лазер, состоящий из одного или двух активных элементов и интерференционного устройства модуляции на основе интерферометра Фабри-Перо, расположенных в резонаторе, образованном двумя зеркалами (А.Г. Григорьянц, А. И. Белуник и др. / Сварочное производство.- 1986.- N 11, - С. 14-16). Интерферометр состоит из двух плоских зеркал, расстояние между ними неизменно. Модуляция лазерного излучения осуществляется путем сканирования интерферометра вдоль оптической оси резонатора с помощью пьезоэлектрического двигателя.

Недостатками данного устройства являются низкая стабильность импульсов генерации, значительные потери излучения на выходном зеркале и невозможность осуществления одномодового режима генерации.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является лазер, содержащий один или более активных элементов и интерференционное устройство модуляции на основе плоскопараллельного интерферометра Фабри-Перо с малой базой, расположенные в резонаторе, образованном выходным и глухим зеркалами (А. И. Ритус / Квантовая электроника. М. - 1993. - 20, N 2. - С. 198-200). Базовое расстояние между зеркалами интерферометра выбирается из условия:

где Δν_л - ширина спектра генерации лазера; резкость интерферометра; R₁ и R₂ - коэффициенты отражения зеркал. Коэффициенты пропускания T и отражения R интерферометра, соответственно, составляют:


где
L - расстояние между зеркалами;
θ - угол между оптическими осями резонатора и интерферометра;
λ - длина волны излучения лазера.

Одно из зеркал интерферометра механически связано с пьезодвигателем и сканируется им вдоль оптической оси при подаче электрического сигнала на пьезоэлемент. При изменении осевого расстояния между зеркалами пропускание и отражение интерферометра периодически изменяется от минимального до максимального значения.

Когда расстояние между зеркалами интерферометра равно kλ+λ/4 (k = 0,1,2...), его пропускание минимально, а отражение - максимально:

Модулятор находится в закрытом состоянии и предотвращает генерацию лазерного излучения. Смещение сканируемого зеркала на четверть длины волны (то есть расстояние между зеркалами равно kλ+λ/2) вызывает изменение коэффициентов пропускания на максимальное, а отражения - на минимальное:

В результате резонатор переключается в открытое состояние, что приводит к выводу излучения из резонатора в виде короткого светового импульса.

Основным недостатком этого устройства является невозможность осуществления одномодового режима генерации.

Другим недостатком устройства являются значительные потери на выходном зеркале резонатора.

Задача изобретения - расширение функциональных возможностей устройства путем реализации одномодового излучения и увеличение его мощности.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в лазере, содержащем один или более активных элементов, глухое зеркало резонатора и интерференционное устройство модуляции на основе интерферометра Фабри-Перо с малой базой, одно из зеркал которого установлено с возможностью перемещения относительно другого вдоль оптической оси резонатора, по меньшей мере одно из зеркал интерференционного устройства модуляции выполнено сферическим, причем радиусы кривизны зеркал определяют из условия соответствия радиусу кривизны эквивалентного зеркала

где r₁ и r₂ - радиусы кривизны зеркал интерференционного устройства; r_АЭ - радиус активного элемента лазера.

Если одно из зеркал сферическое выпуклое с радиусом кривизны r₁, а другое вогнутое с радиусом кривизны r₂, причем r₁ < r₂, то расстояние L между зеркалами по поперечному сечению интерферометра увеличивается от оси к периферии. Вследствие этого между зеркалами образуется воздушный клин, аналогичный тому, что имеет место при наблюдении колец Ньютона. Следовательно, профиль пропускания в проходящем свете имеет вид концентрических колец с радиусами

где r_n - радиус кривизны зеркала в схеме Ньютона, m - порядок интерференции. При выборе радиуса кривизны таким образом, что в апертуре активного элемента лазера укладывается только первое кольцо Ньютона, пропускание интерферометра образует переменный профиль от максимального (4) до минимального (3), а разность расстояний между зеркалами интерферометра на границе активного элемента и его оси (толщина воздушного клина) составит:

Нормируя пропускание интерферометра на границе кольца к уровню 1/e² от максимального T_max в центре кольца, из (2) и (3) имеем

Откуда

a разность расстояний между зеркалами

Полагая пропускание соответствующим радиусу активного элемента r_АЭ, из (7) и (10) получим

Отсюда следует, что пропускание интерферометра будет плавно изменяться в пределах от оси до границы активного элемента, если эквивалентный радиус кривизны сферического зеркала r_Э определяется по формуле (5).

В предельном случае одно из зеркал интерферометра плоское, а радиус кривизны другого зеркала равен радиусу кривизны эквивалентного зеркала. Так, для активного элемента диаметром D_АЭ = 2r_АЭ = 6,3 мм при коэффициентах отражения зеркал интерферометра R₁ = R₂ = 0,5 эквивалентный радиус кривизны зеркала интерферометра составляет r_Э = 23,6 м. Изготовление зеркала с таким радиусом кривизны вызывает значительные технологические трудности. Поэтому оба зеркала интерферометра предпочтительнее выполнить сферическими, причем одно из них - вогнутое, а другое - выпуклое.

Если r₁ < r₂, то для рассмотренного примера технически возможно изготовить и использовать зеркала с радиусами кривизны r_i = 6 м и r₂ = 8 м. При этом коэффициент увеличения

резонатора длиной L_p = 400 мм с глухим зеркалом, имеющим радиус кривизны r_гл = 400 мм, будет N > 2. Если r₁ > r₂, коэффициент увеличения резонатора N < 2 и эффективность использования основной моды ниже, чем при r₁ < r₂. Поэтому при выборе геометрии резонатора предпочтительнее использовать условие r₁ < r₂.

Генерация одномодового импульсно-периодического излучения в предлагаемом устройстве обусловлена тем, что интерферометр имеет переменный по поперечному сечению профиль пропускания. Поэтому резонатор переходит в закрытое состояние на разных участках поперечного сечения в различные моменты времени. При накачке активного элемента лампами накачки генерация начинается в приосевой области активного элемента, и именно на эту область приходится начальное закрытие резонатора. Это означает, что внутри резонатора в первую очередь генерация будет развиваться на модах низшего порядка, а среди них на моде TEM₀₀, как обладающей наибольшим коэффициентом усиления. Увеличение отражения интерферометра от оси к периферии резонатора одновременно сопровождается распространением фотонов основного типа колебаний из приосевой в периферийные области активного элемента за счет отражения от выпуклых по отношению к продольному сечению активного элемента поверхностей зеркал интерферометра. Для усиления этого эффекта в качестве глухого используется выпуклое зеркало резонатора. В результате плотность фотонов, соответствующих основной моде, возрастает не только в приосевой, но и периферийных областях при эффективном снятии инверсии населенности активной среды в неустойчивом глухом резонаторе, а объем основной моды увеличивается до размера канала генерации, ограниченного диаметром активного элемента.

Переход резонатора в открытое состояние при увеличении пропускания интерферометра, а вместе с тем генерация лазерного излучения, осуществляются также от оси к периферии. Поэтому основная мода служит синхронизирующим импульсом и преобладающим типом колебаний для всего поперечного сечения активного элемента. При быстром переключении модулятора из закрытого в открытое состояние в том же масштабе времени происходит развитие генерации от оси к периферии. Следовательно, практически все поперечное сечение активного элемента одновременно осуществляет лазерную генерацию в виде короткого одномодового светового импульса.

В прототипе развитие одномодовой генерации сопряжено с большими трудностями. Переход резонатора из открытого в закрытое состояние и обратно осуществляется по всему поперечному сечению одновременно. Поэтому резонатор в закрытом состоянии имеет высокую добротность для всех типов колебаний. Вследствие конкуренции мод невозможно реализовать большой объем основной моды, а различные участки поперечного сечения будут иметь неодинаковую плотность фотонов, соответствующую разным типам собственных колебаний. При переходе в открытое состояние резонатора разным участкам поперечного сечения канала генерации соответствует неодинаковое оптимальное пропускание интерферометра. Следовательно, различные участки поперечного сечения активного элемента при открывании затвора излучают энергию в разные моменты времени. Результирующий импульс излучения представляет собой совокупность отдельных импульсов, которые могут быть произвольным образом сдвинуты во времени относительно друг друга. Это приводит к нестабильности импульсов как по амплитуде и длительности, так и частоте следования.

Другое преимущество предлагаемого устройства проявляется при открытом состоянии модулятора, то есть когда пропускание интерферометра на оси максимально. В этот момент времени формируется вершина импульса. С погрешностью ΔT = ± 0,05 распределение пропускания по поперечному сечению описывается функцией Гаусса вида

Следовательно, распределение интенсивности излучения по волновому фронту обладает осевой симметрией и повторяет гауссову функцию (13) с искусственным ослаблением интенсивности волны на "крыльях". Таким образом, интерферометр является аподизирующей диафрагмой, осуществляющей дополнительную селекцию мод, снижающей расходимость лазерного излучения и формирующей выходное одномодовое излучение с гауссовым профилем распределения интенсивности.

Увеличение мощности одномодового излучения в предлагаемом устройстве осуществляется не только за счет увеличения объема моды ТЕМ₀₀, но и снижения ее потерь в резонаторе. Общие потери за проход резонатора, выраженные через коэффициент потерь k_p, определяются активными k_a и пассивными k_n потерями в резонаторе:
k_p = k_n + k_a/2. (14)
В прототипе интерферометр Фабри-Перо установлен между активным элементом и выходным зеркалом резонатора, поэтому потери за проход составляют
k_p = -[ln(1-a_u-a_i)+ln(1-t_u-t_i]- [ln(1-t_out)+ln(1-t_r)]/2. (15)
где a_u и a_i - коэффициенты потерь в материале зеркал интерферометра и оптических элементов резонатора соответственно; t_u и t_i - коэффициенты потерь на пропускание интерферометра и оптических элементов соответственно; t_out и t_r - коэффициенты пропускания выходного и глухого зеркал резонатора соответственно.

В предлагаемом устройстве выходное зеркало исключают, то есть ln(1 - t_out) = 0, и потери за проход становятся
k_p = -[ln(1 - a_u - а_i) + ln(1-t_u-t_i]-ln(1-t_r)/2, (16)
а в момент формирования вершины импульса в приосевой области канала генерации t_u ≈ 0. Таким образом, по сравнению с прототипом потери за проход снижаются, а выходная мощность излучения увеличивается.

Применение предлагаемого устройства позволяет реализовать одномодовый режим генерации, в 2 и более раз увеличить его мощность и в 4-5 раз снизить расходимость, что приводит к увеличению в 15-20 раз пространственной яркости излучения и в 2-3 раза длины когерентности. Это дает возможность использовать лазер для различных технологических применений, повысить эффективность и качество обработки материалов, реализовать с помощью насыщающихся фильтров режим синхронизации мод, осуществлять с помощью нелинейных кристаллов генерацию кратных гармоник, обладающих большой длиной когерентности.

На чертеже представлена оптическая схема лазера.

Устройство содержит установленные по ходу светового пучка глухое зеркало 1, активный элемент 2, модулятор лазерного излучения на основе интерферометра Фабри-Перо, состоящий из сферических вогнутого 3 и выпуклого 4 зеркал, и пьезоэлектрический двигатель 5.

Устройство работает следующим образом. Лазерное излучение, возникающее при оптической накачке активного элемента 2 лампами накачки, отражается глухим зеркалом 1, усиливается активным элементом 2 при повторном его прохождении и падает на выходное зеркало, представляющее собой интерферометр Фабри-Перо 3-4. В исходном состоянии интерферометр имеет максимальный коэффициент отражения R_max, обусловленный его длиной вдоль оптической оси, равной kλ+λ/4, и полностью отражает падающее излучение в обратном направлении. Резонатор находится в закрытом состоянии и генерация развивается в условиях высокой добротности. Это приводит к быстрому увеличению плотности фотонов в глухом резонаторе. При подаче электрического сигнала на пьезодвигатель 5 механически связанное с ним зеркало 4 интерферометра смещается на четверть длины волны вдоль оптической оси. Расстояние между зеркалами 3 и 4 интерферометра вдоль оптической оси становится равным kλ+λ/2. Коэффициент отражения интерферометра изменяется на минимальный R_min, а коэффициент пропускания - на максимальный T_max. Поэтому резонатор переключается в открытое состояние, что приводит к выводу излучения из резонатора в виде короткого светового импульса. После снятия электрического сигнала с пьезодвигателя 5 зеркало 4 возвращается в исходное положение и цикл вновь повторяется.

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к технологическим лазерам с активной модуляцией добротности резонатора. В лазере, содержащем один или более активных элементов 2, глухое зеркало 1 резонатора и интерференционное устройство модуляции 3 - 4 на основе интерферометра Фабри-Перо с малой базой, одно из зеркал которого установлено с возможностью перемещения пьезодвигателем 5 относительно другого вдоль оптической оси резонатора, по меньшей мере одно из зеркал интерференционного устройства модуляции выполнено сферическим, причем радиусы кривизны зеркал определяют из условия соответствия радиусу кривизны эквивалентного зеркала где r₁ и r₂ - радиусы кривизны зеркал интерференционного устройства; λ - длина волны излучения лазера; r_АЭ - радиус активного элемента; резкость интерферометра; R₁ и R₂ - коэффициенты отражения зеркал интерферометра. Модуляция лазерного излучения, возникающего при оптической накачке активного элемента 2 лампами накачки, осуществляется путем сканирования с помощью пьезодвигателя 5 одного из зеркал интерферометра 3 - 4 вдоль оптической оси резонатора, образованного глухим зеркалом 1 и собственно интерферометром 3 - 4. При изменении осевого расстояния между зеркалами коэффициент отражения интерферометра периодически изменяется от максимального до минимального значения. В закрытом состоянии коэффициент отражения интерферометра максимален, что обуславливает быстрое увеличение числа фотонов в глухом резонаторе. Смещение зеркала интерферометра на четверть длины волны изменяет коэффициент отражения интерферометра на максимальное, что приводит к выводу излучения из резонатора в виде короткого светового импульса. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей за счет реализации одномодового излучения и увеличение его мощности. 1 ил.

Лазер, содержащий один или более активных элементов, глухое зеркало резонатора и интерференционное устройство модуляции на основе интерферометра Фабри-Перо с малой базой, одно из зеркал которого установлено с возможностью перемещения относительно другого вдоль оптической оси резонатора, отличающийся тем, что по меньшей мере одно из зеркал интерференционного устройства модуляции выполнено сферическим, причем радиусы кривизны зеркал определяют из условия соответствия радиусу кривизны эквивалентного зеркала

где r₁ и r₂ - радиусы кривизны зеркал интерференционного устройства;
λ - длина волны излучения лазера;
r_АЭ - радиус активного элемента;
резкость интерферометра;
R₁ и R₂ - коэффициенты отражения зеркал интерферометра.