ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 2001 года по МПК H01S3/10 

Предлагаемое изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано в спектроскопии, волоконной оптической связи, медицине.

Известны лазеры на основе широкополосных активных сред, управление длиной волны генерации которых осуществляется с помощью ячейки, располагаемой в резонаторе лазера. В этой ячейке создается плазма или газовый разряд, реализующие дополнительное усиление, с помощью которого управляется спектр генерации лазера [1].

Недостатками данного решения является невозможность плавной перестройки частоты, связанная с линейчатым характером спектра дополнительного усиления и ограничение перестройки длины волны спектральным диапазоном усиления активной среды лазера.

Известен лазер, включающий генератор накачки, оптический резонатор с расположенной в нем широкополосной активной средой и узкополосный маломощный лазер, спектр генерации которого может перестраиваться в пределах полосы усиления широкополосной среды [2]. Управление частотой широкополосного лазера производится инжекцией излучения маломощного лазера в резонатор с широкополосной средой. Недостатком данного устройства является необходимость дополнительного лазера.

Известны устройства [3], включающие оптический генератор накачки и нелинейный кристалл - параметрический генератор света (ПГС). Их недостатком является высокая пороговая мощность накачки, близкая к пределу разрушения применяемых оптических материалов, и также к порогу возникновения конкурирующих процессов, снижающих КПД, таких как вынужденное комбинационное рассеяние, самофокусировка и др.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является лазер [4] , включающий широкополосную активную среду в оптическом резонаторе, генератор накачки, параметрический усилитель света, выполненный на основе нелинейного кристалла с температурно перестраиваемым синхронизмом, установленный в отдельном оптическом резонаторе.

Целью изобретения является расширение диапазона перестройки длины волны и устранение движующихся частей.

Поставленная цель достигается тем, что лазер, включающий генератор накачки, оптический резонатор с широкополосной усиливающей средой, в оптическом резонаторе установлен параметрический усилитель света, выполненный на основе нелинейного кристалла с температурно перестраиваемым синхронизмом.

Спектр генерации лазера на основе широкополосной среды представляет собой широкую полосу, например, для LiF с F₂ ⁺ центрами окраски ее ширина представляет 20-30 нм. Обычно для получения перестраиваемого узкополосного излучения в состав резонатора включают спектрально селектирующие элементы, вносящие дополнительные неактивные потери вне своей полосы пропускания или отражения и навязывающие таким образом частоту генерации. Спектральная перестройка таких лазеров реализуется поворотом селективного элемента, что может приводить к отклонению выходного пучка, недопустимому во многих применениях.

Из альтернативных способов управления частотой генерации наиболее распространен метод инжекции излучения от задающего маломощного лазера. Но в этом случае проблема получения перестраиваемого излучения переносится на инжектирующий лазер. В тоже время селекция частоты генерации может осуществляться внесением в резонатор лазера среды с дополнительным узкополосным усилением, при этом происходит перекачка энергии генерации всей системы в полосу усиления нелинейной среды. В данном изобретении в качестве такой усиливающей среды предлагается использовать кристалл параметрического усилителя света с температурной перестройкой фазового синхронизма. Ширина полосы генерации будет определяться условием фазового синхронизма нелинейного кристалла (как правило, несколько обратных сантиметров), а порог генерации, КПД и выходная энергия в основном широкополосной усиливающей средой. Перестройка частоты осуществляется изменением температуры нелинейного кристалла, благодаря чему в лазере отсутствуют подвижные части, что значительно упрощает конструкцию, особенно в случае электронного управления длиной волны генерации. В процессе параметрического усиления при взаимодействии между излучением накачки и генерируемым излучением (сигнальная волна) возникает также излучение с разностной частотой (холостая волна), которая испытывает аналогичное воздействие, что и сигнальная со стороны широкополосной среды, за счет холостой волны диапазон перестройки дополнительно расширяется.

На фиг. 1 и 2 приведены оптические схемы примеров устройств.

По фиг. 1: 1-лазер на гранате, активированном неодимом: 2 - генератор второй гармоники: 3 - сине-зеленый светофильтр; 4 и 7 - зеркала резонатора с пропусканием 99.8% и 85% соответственно в спектральной области 0.8 -1.0 мкм; 5 - кристалл LiNbO₃; 6 - кристалл LiF(F₂ ⁺);
По фиг. 2.1 - лазер на гранате, активированном неодимом; 2- генератор второй гармоники; 3 и 6-зеркала резонатора с пропусканием 99.8% и 80% соответственно в спектральной области 1.1-1.25 мкм; 4-кристалл LiNbO₃; 5-кристалл LiF(F₂ ^-);
Устройство работает следующим образом:
1) В оптический резонатор с 99.8% и 85% зеркалами в спектральном диапазоне 0.8-1.0 мкм помещался кристалл LiF с F₂ ⁺ центрами окраски, имеющими полосу усиления 0.82- 1.1 мкм, и нелинейный кристалл LiNbO₃ с 90-градусным синхронизмом. В качестве генератора накачки использовался лазер на гранате с неодимом с преобразованием во вторую гармонику (0.532 мкм).

При накачке импульсами с энергией 0.6 мДж и длительностью 15 нс изменением температуры кристалла LiNbO₃, достигалась перестройка длины волны генерируемого излучения в области 0.84-0.99 мкм для сигнальной волны и соответственно 1.15-1.45 мкм для холостой.

2) В оптический резонатор с 99.8% и 80% зеркалами в спектральном диапазоне 1.1-1.25 мкм помещался кристалл LiF с F₂ ^- центрами окраски, имеющими полосу усиления 1.1- 1.25 мкм, и нелинейный кристалл LiNbO₃ с 90-градусным синхронизмом. В качестве генератора накачки использовался лазер на гранате с неодимом с преобразованием во вторую гармонику (0.532 мкм). При этом излучение первой гармоники (1.06 мкм) не отфильтровывалось и использовалось для накачки F₂ ^- центров окраски. В то время как излучением второй гармоники (0.532 мкм) накачивался параметрический усилитель света. При накачке импульсами с энергией 0.6 мДж (0.532 мкм) и 7 мДж (1.06 мкм) и длительностью 15 нс изменением температуры кристалла LiNbO₃ достигалась перестройка длины волны генерируемого излучения в области 1.10-1.25 мкм для сигнальной волны и соответственно 1.03-0.943 мкм для холостой.

Источники информации:
1. С. А. Коваленко, С.П. Семин. Конденсация спектра генерации широкополосных лазеров на узких линиях усиления. //Квантовая электроника, 15, N 5,1988, с. 1010
2. Г. А. Скрипко. Перспективы использования лазеров на кристаллах Al₂O₃: Ti³⁺ для атмосферных исследований. //Оптика атмосферы, 2, N 7, 1989, c. 675.

3. Ф. Цернике, Дж. Митвиндер. Прикладная нелинейная оптика., Мир", М. 1980.

4. US 5144629A, 01.09.1992.

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано в спектроскопии, волоконной оптике и медицине. Лазер содержит генератор накачки, оптический резонатор с широкополосной усиливающей средой. В оптическом резонаторе также установлен параметрический усилитель света, выполненный на основе нелинейного кристалла с температурно перестраиваемым синхронизмом. Технический результат изобретения: снижение порога генерации системы, расширение диапазона перестройки лазера. 2 ил.

Перестраиваемый лазер, включающий генератор накачки, оптический резонатор с широкополосной усиливающей средой и параметрический усилитель света, выполненный на основе нелинейного кристалла с температурно перестраиваемым синхронизмом, отличающийся тем, что широкополосная усиливающая среда и параметрический усилитель света установлены в одном оптическом резонаторе.