СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК H01S3/00 

Изобретение относится к лазерной технике, более конкретно к лазерным системам генератор - усилитель на основе лазеров на самоограниченных переходах, и может найти применение при создании мощных лазерных систем с усилительным каскадом на парах меди.

Известен способ усиления лазерных импульсов в двухпроходных однокаскадных усилителях с задающим генератором и усилителем на твердотельной активной среде при полном временном перекрытии импульсов и неперекрывающихся импульсов для усилителей со встречными проходами и кольцевого типа с поляризационной развязкой (см. Квантовая электроника, 19, 9, 1992, с.865).

Недостатком такого способа является сравнительно низкий (до 20%) выигрыш в коэффициенте усиления при малых входных сигналах в отсутствии перекрытия импульсов излучения в рабочей среде усилительного каскада, а также техническая сложность осуществления способа на высоких частотах следования импульсов в десятки килогерц в видимом диапазоне излучения.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является способ генерации импульсного лазерного излучения, включающий генерацию импульсов лазерного излучения задающим генератором формирующего каскада и их последующее усиление в активной среде однопроходного усилительного каскада на самоограниченных переходах (см. Квантовая электроника, 13, 12, 1986, с.2431, прототип).

Известный способ работы лазерной системы генератор - усилитель, созданной на основе лазеров на парах меди, позволил получить мощность излучения в пучке с расходимостью, близкой к дифракционной, равную 30-35 Вт с рабочего объема в 250 см³, что в 3-4 раза превышает мощность дифракционной компоненты излучения отдельного генератора того же объема с неустойчивым резонатором.

К недостаткам известного способа можно отнести, во первых, сравнительно низкие амплитуды импульсов выходного лазерного излучения, недостаточные для эффективного применения в ряде лазерных технологий. Вторым недостатком являются технические трудности, связанные с очисткой импульса задающего генератора от его суперлюминесцентного фона. Для очистки в известном способе работы применяют пространственный фильтр или задерживают момент входа импульса задающего генератора в усилитель по отношению к моменту начала возникновения инверсной заселенности в нем. Однако эти приемы приводят к сокращению рабочего участка длительности задающего импульса до величины меньшей длительности инверсной заселенности активной среды усилительного каскада, что снижает энергосъем и кпд лазерной системы при однопроходном усилении и увеличивает собственный суперлюминесцентный фон усилительного каскада.

Решаемой задачей заявленного способа является повышение амплитуды импульса и качества выходного излучения лазерной системы генератор - усилитель с активной средой на самоограниченных переходах при частичном и полном временном перекрытии импульсов излучения в активной среде многопроходных усилителей со встречными проходами и кольцевого типа.

Указанная задача, решается тем, что в известном способе генерации импульсного лазерного излучения, включающем генерацию импульсов лазерного излучения задающим генератором формирующего каскада и их последующее усиление в активной среде усилительного каскада на самоограниченных переходах, согласно изобретению в формирующем каскаде лазерной системы генерируют импульсы излучения с длиной волны, совпадающей с длиной волны лазерного перехода атомов активной среды усилительного каскада, и с длительностью, меньшей времени существования в этой среде инверсной заселенности, затем направляют сформированные импульсы излучения на вход многопроходного усилительного каскада, синхронизуя момент первого входа переднего фронта каждого импульса излучения в активную среду усилительного каскада с началом возникновения инверсной заселенности в ней, причем число проходов и время прохождения переднего фронта каждого импульса излучения через активную среду усилительного каскада, время задержки переднего фронта импульса блоками возврата на входе и выходе усилительного каскада суммарное за все проходы, а также время существования инверсной заселенности атомов активной среды усилительного каскада связаны соотношением:

где τ_имп - длительность импульса, генерируемого в формирующем каскаде излучения;
τ_инв - время существования инверсной заселенности атомов активной среды усилительного каскада в каждом импульсе возбуждения этой среды;
L_ус - длина рабочей камеры усилительного каскада, заполненной активной средой;
N - число проходов каждого импульса излучения через активную среду усилительного каскада;
с_ус - скорость света в активной среде усилительного каскада;
τ_зад - суммарное за все проходы время задержки переднего фронта каждого импульса блоками возврата на входе и выходе усилительного каскада.

Кроме того, в задающем генераторе лазерной системы можно сначала генерировать импульсы лазерного излучения с длительностью, равной или большей времени существования инверсной заселенности атомов активной среды усилительного каскада, а затем направлять их на вход усилительного каскада, предварительно пропуская их через оптический затвор формирующего каскада для выделения части каждого импульса с длительностью, меньшей времени существования инверсной заселенности атомов активной среды усилительного каскада.

Кроме того, длительность импульсов лазерного излучения на входе усилительного каскада может быть связана с временами задержек, затрачиваемыми на возвращение переднего фронта каждого импульса излучения в рабочий объем усилительного каскада каждым блоком возврата, дополнительным соотношением для схемы со встречными проходами лучей:

а для усилительного каскада с кольцевым ходом лучей - соотношением:

где L_yс - длина рабочей камеры усилительного каскада, заполненного активной средой;
τ₁,τ₂ - времена задержек, затрачиваемых на одно возвращение переднего фронта импульса излучения в рабочую камеру усилителя соответственно входным и выходным блоками возврата многопроходного усилительного каскада;
с_ус - скорость света в активной среде усилительного каскада.

Такое выполнение способа позволяет решить поставленную задачу совершенствования способа генерации импульсного лазерного излучения в системе генератор - усилитель с рабочей средой на самоограниченных переходах путем достижения высоких уровней амплитуды импульсов выходного излучения и его качества при многократном прохождении через активную среду усилителя лазерного импульса с длительностью, более короткой, чем время существования инверсии в активной среде усилительного каскада, с учетом указанных соотношений. В этом случае, короткий импульс задающего генератора отбирает от активной среды усилительного каскада и аккумулирует в себя столько же энергии, что и длинный входной импульс при одном проходе, а следовательно, имеет на выходе более высокую амплитуду. Формирующий каскад согласно предложенному способу может быть снабжен в отличие от прототипа задающим генератором с произвольной длиной волны и дополнен устройством, перестраивающим частоту излучения на выходе для выполнения указанных условий.

Улучшение качества выходного импульса излучения по сравнению с прототипом связано с уменьшением фона суперлюминесценции из рабочей среды усилительного каскада. Достигается это за счет того, что при выполнении указанных дополнительных условий передний фронт импульса при возращении в активную среду усилителя смыкается со своим задним фронтом до того, как задний фронт войдет в рабочую камеру и начнет продвигаться по ней. В результате при выполнении всех указанных условий активная среда усилительного каскада в течение всего времени существования инверсной заселенности находится под воздействием направленного электромагнитного излучения и суперлюминесценция в усилителе не развивается.

На чертеже представлен конкретный пример выполнения лазерной системы, работающей по предлагаемому способу. Лазерная система содержит формирующий каскад 1, включающий задающий генератор 2 и оптический пространственный фильтр 3, и усилительный каскад 4, включающий рабочую камеру 5 с блоками 6, 7 возврата луча на входе и выходе камеры. Задающий генератор 2 выполнен на базе лазера на парах меди LT1-CU, который доработан таким образом, что излучает поляризованные импульсы длительностью 10-12 нс с длинами волн 0,51 мкм и 0,57 мкм с частотой следования импульсов 10 кГц, при средней мощности ~ 1 Вт. Диаметр луча на выходе 7 мм. Пространственный фильтр 3 содержит две линзы с фокусными расстояниями в 1 м и 2 м и диафрагму в фокусе первой линзы диаметром 0,3 мм. Диаметр луча на выходе фильтра 20 мм. Пространственный фильтр частично задерживает суперлюминесцентный фон задающего генератора и уменьшает длительность профильтрованных импульсов излучения τ_имп до 10 нс.

Усилительный каскад 4 выполнен на базе серийной лазерной разрядной трубки ГЛ-201 на парах меди с длиной рабочей камеры L_yс=80 см, диаметром 20 мм. Время существования инверсной заселенности τ_инв в каждом импульсе возбуждения рабочей среды ГЛ-201 при типовой средней мощности накачки в 3-3,5 кВт составляет τ_имп≈40 нс.

Конкретное исполнение оптических блоков 6, 7 может базироваться на самых различных элементах (четвертьволновые пластинки, призмы Глана, вращатели Фарадея и т.п.) и будет конструктивно зависеть от числа проходов N. В нашем примере выбрана схема (см. чертеж) встречных проходов лучей J⁺ и J^- для N=4 (луч J^-' на чертеже используется для кольцевой схемы проходов). Величина суммарной задержки в блоках разворота τ_зад определяется указанным соотношением, что при выбранных выше параметрах дает величину τ_зад≈19,3 нс. Необходимо иметь в виду, что при N=4 луч два раза отражается от блока 7 и один раз от блока 6, поэтому τ_зад = τ₁+2τ₂, где τ₁ и τ₂ - времена задержек, затрачиваемых на одно возращение луча соответственно в блоках 6 и 7. При равенстве этих задержек получаем τ₁ = τ₂≈6,4 нс. Эти задержки обеспечиваются путем подбора оптических длин блоков и материалов оптических элементов, входящих в блоки. Блок 6 на входе в рабочую камеру содержит две призмы Глана и одну четвертьволновую пластинку, блок 7 на выходе рабочей камеры содержит четвертьволновую пластинку и плоское зеркало.

Выполнение предложенного способа и работа конкретной лазерной системы осуществляется следующим образом. Задающий генератор 2 формирующего каскада 1 генерирует импульсы лазерного излучения с указанными выше параметрами. Затем импульсы излучения проходят пространственный фильтр 3 и поступают на вход усилительного каскада 4, рабочая среда которого возбуждается электрическими импульсами синхронно и с такой же частотой следования, как и рабочая среда задающего генератора 2.

За счет специального исполнения задающего генератора 2 и использования пространственного фильтра обеспечено условие τ_имп<τ_инв (в другом примере выполнения способа по п.2 формулы это условие можно было бы выполнить за счет установки оптического затвора на выходе обычного задающего генератора). Затем импульс излучения (τ_имп≈10 нс) с выхода формирующего каскада 1 подается на вход рабочей камеры 5 (в сечение "А" на чертеже) через блок 6, причем синхронизация работы задающего генератора 2 и усилительного каскада 4 осуществляется так, что передний фронт задающего импульса излучения входит в рабочую камеру 5 усилителя в момент времени, соответствующий началу возникновения инверсной заселенности в ее среде в каждом импульсе возбуждения. Далее импульс излучения проходит четыре раза через камеру 5, дважды разворачиваясь в обратном направлении блоком 7 и один раз блоком 6. Выходит усиленный импульс J_вых наружу после четырех проходов опять через блок 6, как показано на чертеже (при нечетном числе встречных проходов луч вышел бы через блок 7).

Поскольку конструктивным исполнением блоков разворота 6, 7 и подбором числа проходов с учетом упомянутых параметров разрядной трубки ГЛ-201 удовлетворяется указанное выше соотношение, то задний фронт усиливаемого импульса задающего генератора выходит после четырех проходов (в момент времени, соответствующий окончанию инверсной заселенности в рабочей среде усилителя в каждом импульсе возбуждения), то есть импульс формирующего каскада длительностью ~10 нс находится в рабочей камере усилителя все время (~40 нс), пока там существует инверсная заселенность среды, иными словами в четыре раза дольше своей длительности. Поскольку с активной среды снимается примерно такая же энергия, что и при прохождении через однопроходный усилитель длинного импульса (~ 40 нс), то амплитуда выходного импульса в приведенном варианте исполнения способа возрастет примерно в четыре раза, что решает поставленную задачу.

Реализация конкретного варианта предложенного способа генерации импульсного лазерного излучения в системе генератор - усилитель на парах меди позволит эффективно использовать маломощные и поэтому более дешевые лазеры со средней мощностью излучения на уровне 10 Вт вместо более дорогих лазеров с мощностью в десятки - сотни ватт в технологических системах удвоения частоты излучения с помощью нелинейных кристаллов там, где требуется высокая амплитуда импульсов излучения при низкой средней мощности.

Изобретение относится к лазерной технике, более конкретно к работе лазерных систем генератор - усилитель на основе лазеров на самоограниченных переходах, и может найти применение при создании мощных лазерных систем с усилительным каскадом на парах меди. В формирующем каскаде лазерной системы генерируют импульсы излучения с длиной волны, совпадающей с длиной волны лазерного перехода атомов активной среды усилительного каскада, и с длительностью, меньшей времени существования в этой среде инверсной заселенности. Затем направляют сформированные импульсы излучения на вход многопроходного усилительного каскада. Синхронизуют момент первого входа переднего фронта каждого импульса излучения в активную среду усилительного каскада с началом возникновения инверсной заселенности в ней. Число проходов и время прохождения переднего фронта каждого импульса излучения через активную среду усилительного каскада, время задержки переднего фронта импульса блоками возврата на входе и выходе усилительного каскада суммарное за все проходы, а также время существования инверсной заселенности атомов активной среды усилительного каскада связаны определенным соотношением. Технический результат изобретения: повышение амплитуды импульсов и качества выходного излучения лазерной системы генератор - усилитель с активной средой на самоограниченных переходах. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ генерации импульсного лазерного излучения, включающий генерацию импульсов лазерного излучения задающим генератором формирующего каскада и их последующее усиление в активной среде усилительного каскада на самоограниченных переходах, отличающийся тем, что в формирующем каскаде лазерной системы генерируют импульсы излучения с длиной волны, совпадающей с длиной волны лазерного перехода атомов активной среды усилительного каскада, и с длительностью, меньшей времени существования в этой среде инверсной заселенности, затем направляют сформированные импульсы излучения на вход многопроходного усилительного каскада, синхронизуя момент первого входа переднего фронта каждого импульса излучения в активную среду усилительного каскада с началом возникновения инверсной заселенности в ней, причем число проходов и время прохождения переднего фронта каждого импульса излучения через активную среду усилительного каскада, время задержки переднего фронта импульса блоками возврата на входе и выходе усилительного каскада суммарное за все проходы, а также время существования инверсной заселенности атомов активной среды усилительного каскада связаны соотношением

где τ_имп - длительность импульса генерируемого в формирующем каскаде излучения;
τ_инв - время существования инверсной заселенности атомов активной среды усилительного каскада в каждом импульсе возбуждения этой среды;
L_ус - длина рабочей камеры усилительного каскада, заполненной активной средой;
N - число проходов каждого импульса излучения через активную среду усилительного каскада;
с_ус - скорость света в активной среде усилительного каскада;
τ_зад - суммарное за все проходы время задержки переднего фронта импульса блоками возврата на входе и выходе усилительного каскада. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в задающем генераторе лазерной системы сначала генерируют импульсы лазерного излучения с длительностью, равной или большей времени существования инверсной заселенности атомов активной среды усилительного каскада, а затем направляют их на вход усилительного каскада, предварительно пропуская через оптический затвор формирующего каскада для выделения части каждого импульса с длительностью, меньшей времени существования инверсной заселенности атомов активной среды усилительного каскада. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что длительность импульсов лазерного излучения на входе усилительного каскада связана с временами задержек, затрачиваемыми на возвращение переднего фронта каждого импульса излучения в рабочую камеру усилительного каскада каждым блоком возврата, дополнительным соотношением для схем со встречными проходами лучей

а для усилительного каскада с кольцевым ходом лучей - соотношением

где L_ус - длина рабочей камеры усилительного каскада, заполненной активной средой;
τ₁, τ₂ - времена задержек, затрачиваемых на одно возвращение переднего фронта импульса излучения в рабочую камеру усилителя соответственно входным и выходным блоками возврата многопроходного усилительного каскада;
с_ус - скорость света в активной среде усилительного каскада.