ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 2002 года по МПК H01S3/08 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в твердотельных лазерах, работающих как в режиме свободной генерации, так и в режиме модуляции добротности, для обеспечения стабильности энергии излучения в условиях наличия значительных разъюстировок концевых элементов резонатора и термооптических искажений активного элемента.

Известно устройство (cм. Белостоцкий и др. Основы лазерной техники. "Сов. радио", М, 1972 г., с. 145), состоящее из лампы накачки, активного элемента и резонатора, образованного выходным зеркалом и двухгранной прямоугольной призмой (призмой БР-180^o) в качестве "глухого" зеркала с вершиной на оптической оси резонатора.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится то, что данное устройство критично к разъюстировкам зеркал резонатора (более 30 угл.сек) в плоскости, содержащей ребро призмы.

Известно устройство, повышающее устойчивость к возможным разъюстировкам резонатора (см. авторское свидетельство 3389608/18-25 от 01.02.82), состоящее из лампы накачки, активного элемента и резонатора, образованного выходным зеркалом и петлеобразной ветвью, образованной трехгранной прямоугольной призмой (триппель-призма), поляризационным расщепителем, зеркалом, фазовращателем и затвором.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится снижение кпд из-за потерь излучения на дополнительно введенных поверхностях поляризационного расщепителя, зеркала, фазовращателя, а также сложности в изготовлении и значительных габаритах.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков и выбранным за прототип является твердотельный лазер, содержащий активный элемент, лампу накачки и резонатор, образованный плоскими "глухим" и выходным зеркалами, нанесенными на общей подложке. Для излома оси резонатора используется двухгранная прямоугольная призма (призма БР-180^o)(см. "Термооптика твердотельных лазеров" / А.В. Мезенов и др. -Л., Машиностроение, 1986; с.148).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства относится то, что оно, являясь устойчивым к разъюстировкам в плоскости, перпендикулярной ребру призмы, критично к разъюстировкам резонатора (более 30 угл.сек) в плоскости, содержащей ребро призмы, а также к наведенному термооптическому клину в активном элементе.

Сущность изобретения заключается в повышении стабильности энергии излучения твердотельного лазера и повышении его кпд в условиях возможных разъюстировок концевых элементов резонатора в широком диапазоне температурных и механических воздействий и термооптических искажений активного элемента.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в резонатор твердотельного лазера с изломом оптической оси введена вторая двухгранная прямоугольная призма (призма БР-180^o), одновременно выполняющая роль "глухого" зеркала и составляющая с плоским выходным зеркалом единый концевой элемент, причем ребра призм взаимоперпендикулярны.

На фиг. 1 изображена оптическая схема устройства; на фиг.2 представлен график зависимости энергии генерации от величины разъюстировок концевых элементов резонатора.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем.

Импульсный твердотельный лазер (фиг.1) состоит из активного элемента 1, лампы накачки 2, клинового компенсатора 3 для юстировки резонатора, поворотной призмы БР-180^o 4 для излома оси резонатора и второй призмы БР-180^o 5, жестко закрепленной (на оптическом контакте или приклеенной) на стеклянной подложке 6 с нанесенным на ней выходным зеркалом, причем ребра призм взаимоперпендикулярны, а ребро второй призмы, выполняющей роль "глухого" зеркала, перпендикулярно плоскости, проходящей через оси лампы накачки и активного элемента. В случае необходимости реализации режима модулированной добротности в резонатор может быть введен затвор 7 (пассивный или электрооптический).

Устройство работает следующим образом.

Поток излучения, возникающий в активном элементе 1 под действием излучения лампы накачки 2 (фиг.1), попадает на концевую призму БР-180^o 5. Отраженный от призмы поток излучения проходит вторично через активный элемент и, пройдя через поворотную призму 4, попадает на выходное зеркало 6. Часть излучения выводится из резонатора, а часть возвращается обратно. Если в результате механических или температурных деформаций концевые элементы резонатора разъюстируются на угол θ в плоскости, содержащей ребро поворотной призмы, тогда нормально отраженный от выходного зеркала пучок излучения, пройдя через поворотную призму, направляется на концевую призму под углом 2θ к нормали выходного зеркала, оставаясь в плоскости, перпендикулярной ребру концевой призмы, отражается от нее строго в противоположном направлении, и, вновь проходя через поворотную призму, падает по нормали на выходное зеркало.

Для прототипа разъюстировка концевых элементов резонатора в плоскости, содержащей ребро поворотной призмы на угол θ при каждом очередном проходе резонатора приводит к удвоению угла между пучком излучения и осью резонатора, что в конечном итоге приводит к значительному снижению энергии (следовательно, и кпд).

При разъюстировке концевых элементов резонатора в плоскости, перпендикулярной ребру поворотной призмы, устойчивость резонатора не нарушается вплоть до углов порядка 30 угл.мин, а медленное снижение энергии при углах разъюстировки более 30 угл.мин определяется виньетированием пучка излучения на оправе (диаметре) активного элемента.

Сравнительные испытания лазеров (фиг.2), выполненных по прототипу и изобретению, показали, что при разъюстировке концевого элемента на 1 угл.мин в плоскости, содержащей ребро поворотной призмы в лазере, выполненного по известной схеме, энергия генерации снижается в 10 и более раз, в то время как в лазере, выполненном по изобретению, практически остается неизменной (не более 10%) при разъюстировках до 6 угл.мин.

При работе в циклическом режиме с частотой следования импульсов 10 Гц лазер, выполненный по изобретению, по сравнению с прототипом, был менее критичным к наведенному термооптическому клину, возникающему в активном элементе, что обеспечивало стабильность энергии генерации при более продолжительном режиме работы. Так, при работе в циклическом режиме с частотой следования импульсов 10 Гц сериями по 10 сек с перерывом 30 с прототип обеспечивал генерацию излучения с нестабильностью энергии не более 20% только в 6-7 циклах, в то время как лазер, выполненный по изобретению, обеспечивал аналогичные характеристики при той же энергии накачки в 13-14 циклах.

В конкретном варианте твердотельного лазера использовался активный элемент из АИГ: Nd³⁺ диаметром 3 мм и длиной 50 мм, лампа накачки типа ИНП3-35, установленные в диффузно-отражающем осветителе. Для юстировки лазера использовался клиновый компенсатор. Для работы в режиме пассивной модуляции добротности использовался затвор на центрах окраски из кристалла ГСГГ, активированный хромом с начальным пропусканием То=30%, а для активной модуляции добротности использовался электрооптический затвор типа МЗ-203. При работе лазера в периодическом режиме с частотой следования импульсов более 5 Гц и энергиях накачки более 3 Дж активный элемент помещался в лейкосапфировую трубку для выравнивания температуры между ближней к лампе накачки и противоположной сторонами активного элемента.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в твердотельных лазерах. В лазере с изломом оси резонатора призмой БР-180^o введена вторая призма БР-180^o, составляющая с выходным зеркалом единый концевой элемент резонатора. Технический результат изобретения: обеспечение стабильности энергии излучения в условиях значительных разъюстировок концевых элементов резонатора и наведенного термооптического клина в активном элементе. 2 ил.

Твердотельный лазер, содержащий поворотную двухгранную прямоугольную призму для излома оси резонатора, лампу накачки, активный элемент, выходное зеркало, клиновый компенсатор, отличающийся тем, что в резонатор введена вторая двухгранная прямоугольная призма, составляющая с выходным зеркалом единый концевой элемент резонатора, причем ребра призм при двухгранных преломляющих углах взаимоперпендикулярны, а ребро второй призмы, выполняющей роль "глухого" зеркала, перпендикулярно плоскости, проходящей через оси лампы накачки и активного элемента.