ИМПУЛЬСНЫЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР С КАСКАДНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ЧАСТОТЫ ИЗЛУЧЕНИЯ В ВЫСШИЕ ГАРМОНИКИ Российский патент 2003 года по МПК H01S3/10 

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к твердотельным импульсным лазерам.

Импульсные лазеры с электрооптической модуляцией добротности резонатора как генераторы мощных импульсов излучения в наносекундном диапазоне длительностей импульсов с частотами повторения до сотен герц в ближнем ИК, видимом и УФ-спектральных диапазонах широко применяются в научно-прикладных исследованиях, медицине, в системах экологического мониторинга окружающей среды.

В качестве лазеров ИК-диапазона обычно используются лазеры на неодимсодержащих кристаллах. Для генерации в видимом и УФ-диапазонах используется каскадное преобразование частоты излучения ИК-лазеров в высшие гармоники в нелинейных кристаллах, среди которых следует отметить относительно новые кристаллы КТР, ВВО и LBO, обладающие высокой нелинейностью и высокой лучевой прочностью.

Для дальнейшего расширения спектрального диапазона лазерного излучения применяется генерация на неосновных или "слабых" лазерных переходах, т.е. переходах инвертированных ионов на другие уровни с меньшими сечениями вынужденного излучения по сравнению с сечением основного перехода.

Так, например, известно многомодовые импульсные лазеры на алюмоиттриевом гранате с неодимом (AИГ:Nd), способные генерировать излучение с длиной волны 1064 нм (основной переход) и 1320 нм (первый "слабый" переход) с последующим преобразованием частоты во вторую и третью гармоники в красно-зелено-синюю области спектра в нелинейных элементах из КТР [1]. Однако в УФ-диапазоне спектра элементы из КТР обладают сильным поглощением и не имеют направлений синхронизма для генерации третьей и четвертой гармоник.

Прозрачные в УФ-диапазоне и имеющие соответствующие направления синхронизма элементы из ВВО обладают существенным недостатком - угловая ширина синхронизма в критичной плоскости ~0,5 мрад. Многомодовое излучение лазеров, как правило, имеет расходимость 3-5 мрад. К снижению коэффициента преобразования мощности излучения первой гармоники в высшие гармоники приводит также недостаточно высокая плотность мощности в сечении луча ИК-лазеров. Последнее обстоятельство возникает, когда ИК-лазер генерирует на "слабом" переходе и КПД его поэтому заметно снижен. Вторая распространенная причина - большая частота повторения импульсов лазерного излучения. Увеличение частоты повторения импульсов необходимо, например, чтобы выйти на требуемый уровень средней мощности УФ-излучения при вводе его в оптоволоконный кабель, который часто используется в медицине для передачи излучения от лазера к пациенту. Увеличение же уровня средней мощности излучения за счет увеличения энергии импульсов излучения ограничено из-за невысокой лучевой прочности волокна.

Одним из решений указанных выше проблем является создание эффективных одномодовых лазеров или лазеров с астигматичными пучками, одномодовых в одной плоскости, обладающих и низкой расходимостью, и более высокой плотностью мощности в сечении луча.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является импульсный твердотельный лазер с каскадным преобразованием частоты излучения в высшие гармоники в нелинейных элементах с резонатором, образованным глухим и частично прозрачным зеркалами, содержащем активный и электрооптический элементы, обеспечивающий на выходе мощное излучение с малой расходимостью в одной плоскости [2].

В резонаторе лазера установлена специальная "клиновая" диафрагма, формирующая щелевидный пучок, который выводится из резонатора, расширяется до формы квадрата, меняет линейную поляризацию на ортогональную, вновь через входной поляризатор заводится в активный элемент лазера, где дополнительно усиливается, выводится на выходном поляризаторе и направляется в усилитель, а затем - в нелинейные элементы для генерации высших гармоник.

Этот лазер имеет следующие недостатки:
- активный элемент должен быть изготовлен из оптически изотропных кристаллов (AИГ: Nd, ГСГГ: Сr, Nd и т.д.), т.к. активные элементы из одноосных кристаллов AИ: Nd, ИЛФ:Nd из-за поляризованности излучения люминесценции не будут усиливать ортогонально поляризованное излучение;
- при увеличении частоты повторения импульсов выше 50 Гц наведенное двулучепреломление в активном элементе приводит к снижению КПД лазера и к ухудшению однородности пространственной структуры излучения;
- даже для случая основного перехода (λ=1064 нм) необходимо подавать на лампу импульсы довольно высокие по энергии, чтобы получить высокий общий КПД.

Таким образом, известный лазер предназначен для получения мощных импульсов на частотах высших гармоник (532, 355, 266, 213 нм) с частотами повторения импульсов не более 50 Гц. В то же время существует потребность в эффективных однокаскадных лазерах, работающих с большими частотами повторения импульсов (до сотен герц) или с излучением на других длинах волн, соответствующих "слабым" переходам и их гармоникам (например, второй по силе переход в алюминате иттрия с неодимом AИ:Nd соответствует длине волны 1341,4 нм, а высшие гармоники: 670,7 нм, 447,1 нм, 335,3 нм).

Задачей настоящего изобретения является повышение предельной частоты повторения импульсов излучения твердотельных лазеров с каскадным преобразованием частоты излучения в высшие гармоники, расширение спектрального диапазона за счет неосновных лазерных переходов и повышение эффективности лазеров.

Для решения поставленной задачи в импульсном твердотельном лазере с каскадным преобразованием частоты излучения в высшие гармоники в нелинейных элементах с резонатором, образованным глухим и частично прозрачным зеркалами, содержащем активный и электрооптический элементы, глухое и частично прозрачное зеркала установлены по одну сторону активного элемента, а по другую сторону активного элемента установлено дополнительное глухое зеркало, при этом ориентация зеркал такова, что оптическая ось резонатора, сломанная на дополнительном глухом зеркале на две полуоси, образует римскую цифру пять, активный элемент расположен симметрично относительно этих полуосей, электрооптический элемент расположен на полуоси резонатора рядом с глухим зеркалом, между ним и активным элементом установлен оптический клин с углом при вершине, равным arcctg n_k, или установлена дисперсионная призма с углом при вершине, равным 2arcctg n_п, так, что вершины клина или призмы расположены на геометрической оси активного элемента, а их грани, ближайшие к активному элементу, составляют с полуосью резонатора угол Брюстера, при этом оптический клин установлен для генерации излучения на основном лазерном переходе и имеет на рабочей грани, ближайшей к активному элементу, поляризующее покрытие, на другой рабочей грани - просветляющее покрытие, а дисперсионная призма установлена для генерации излучения на неосновном лазерном переходе, где n_k - показатель преломления материала оптического клина на длине волны основного перехода, n_п - показатель преломления материала дисперсионной призмы на длине волны неосновного лазерного перехода.

Существенными отличительными признаками предлагаемого лазера от известного (прототипа) являются: применение 3-зеркального резонатора и симметричное расположение активного элемента относительно полуосей резонатора. При этом достигаются качественно новые свойства лазера:
- возможно использование активных элементов из одноосных кристаллов (AИ: Nd, ИЛФ:Nd и т.д.), в которых эффект наведенного двулучепреломления отсутствует, а сечения "слабых" переходов выше, что позволяет увеличить предельную частоту повторения импульсов и повысить эффективность генерации излучения на других длинах волн;
- при использовании активных элементов из изотропных кристаллов (AИГ:Nd, ГСГГ: Nd, Cr и т.д.) эффект наведенного двулучепреломления влияет на КПД лазера и пространственную структуру излучения в меньшей степени из-за увеличения отношения коэффициентов усиления и пассивных потерь в резонаторе, что также позволяет увеличить предельную частоту повторения импульсов;
- длина активного элемента эквивалентно возрастает в 2 раза, а сечение уменьшается в 2 раза, что, в конечном счете, приводит к возрастанию эффективности преобразования излучения в высшие гармоники;
- в резонаторе возникает эквивалентная "мягкая" диафрагма за счет плавного спада коэффициента усиления у боковой поверхности активного элемента, что увеличивает объем генерируемой моды резонатора, а тем самым КПД лазера;
- присутствие клина приводит к уменьшению в 1,5 раза лучевой нагрузки на электрооптический элемент, что увеличивает предельную выходную энергию моноимпульсов излучения;
- резонатор лазера легко трансформируется в резонатор с более сильной дисперсией за счет изменения геометрической формы элемента, разводящего полуоси (замена клина на призму), что позволяет уверенно подавить генерацию на основном переходе.

В предлагаемом устройстве фактически осуществлена селекция поперечных мод резонатора в горизонтальной плоскости с помощью эквивалентной "мягкой" диафрагмы, в результате чего расходимость выходного излучения уменьшается в ~2 раза.

На фиг.1 и 2 представлены оптические схемы предлагаемого устройства для генерации излучения на основном лазерном переходе и неосновном лазерном переходе соответственно.

Резонатор лазера образован частично прозрачным 1 и глухим 2 зеркалами и дополнительным зеркалом 3. На дополнительном зеркале 3 ось резонатора сломана на две полуоси. Активный элемент цилиндрической формы 4 из кристалла, активированного ионами Nd, имеющего кубическую кристаллическую решетку (AИГ: Nd, ГСГГ:Cr, Nd, ИСГГ:Cr, Nd и т.д.) и выращенного в направлении [001], ориентирован так, что кристаллографические оси Х и Y составляют углы ±45^o с плоскостью чертежа.

Если лазер предназначен для работы с большой частотой повторения импульсов, предпочтительнее в качестве кристалла для активного элемента выбирать одноосные кристаллы AИ:Nd, ИЛФ:Nd и т.д. В этом случае элемент 4 азимутально ориентируется так, чтобы плоскость поляризации люминесценции совпадала с плоскостью чертежа. В обоих указанных случаях расположенный симметрично относительно полуосей активный элемент помещен в осветитель, содержащий также отражатель и лампу накачки, причем предпочтительная ориентация осветителя соответствует той, при которой плоскость, проходящая через геометрические оси элемента 4 и лампы, перпендикулярна плоскости чертежа.

На верхней полуоси резонатора расположен оптический клин 5 (фиг.1), вершина которого лежит на линии, являющейся геометрической осью активного элемента 4. Ближайшая к элементу 4 грань клина 5 имеет диэлектрическое поляризующее покрытие и составляет с полуосью угол Брюстера θ_к = arctg n_к, где n_к - показатель преломления материала оптического клина на длине волны основного перехода.

Вторая грань клина 5 составляет с первой угол, равный arcctg n_к, а с полуосью угол 90^o и имеет просветляющее покрытие на длине волны основного перехода. Клин 5 играет роль оптического элемента, разводящего полуоси на достаточно большое расстояние, чтобы разместить электрооптический элемент 6 и зеркало 2. Более того, клин 5 увеличивает в n_к раз линейный размер сечения излучения в плоскости чертежа на гранях элемента 6, являющегося самым нестойким по лучевой прочности элементом резонатора. Тем самым предельная выходная энергия импульсов лазера возрастает в ~1,5 раза.

Электрооптический элемент 6 в форме параллелепипеда может быть изготовлен из кристалла LiNbO₃ с рабочими гранями, скошенньми под углом Брюстера. Кристалл LiNbО₃ имеет широкую полосу прозрачности в ИК-диапазоне и поэтому электрооптический элемент из LiNbO₃ имеет небольшие пассивные потери на длинах волн как основного, так и "слабых" переходов в ионах Nd.

Из частично прозрачного выходного зеркала 1 излучение призмой 7 направляется в элемент 8, преобразующий линейную поляризацию излучения в круговую или эллиптическую.

Элемент 8 может быть выполнен в виде пластинки λ/4 или вращателя плоскости поляризации на 90^o. И в том и другом случае угловая ориентация элемента 8 выбирается по максимуму мощности излучения второй гармоники, генерируемой в нелинейном элементе 9, или третьей гармоники, генерируемой в нелинейном элементе 10.

Для генерации четвертой гармоники нелинейный элемент 10 выбирается с ориентацией, соответствующей взаимодействию I типа для второй гармоники излучения. Для генерации второй гармоники предпочтительнее использовать нелинейный элемент из КТР (тип взаимодействия II), для генерации третьей и четвертой - элементы из LBO и ВВО.

Для генерации излучения на "слабых" переходах предлагаемое устройство легко трансформируется в устройство, схема которого представлена на фиг.2.

Главные отличия схемы на фиг.2 от схемы фиг.1 следующие:
- зеркала 2 и 3 глухие на длине волны "слабого" перехода и максимально прозрачные на длине волны основного;
- клин 5 заменен на дисперсионную призму, грани которой составляют с верхней полуосью угол Брюстера θ_п = arctg n_п, где n_п - показатель преломления материала дисперсионной призмы на длине волны неосновного лазерного перехода, а вершина лежит на линии, являющейся геометрической осью активного элемента 4, угол при вершине призмы равен 2arcctg n_п и поэтому вторая рабочая грань призмы составляет с полуосью также угол Брюстера;
- элементы 9 и 10 заменены на нелинейные элементы со срезами, соответствующими новым длинам волн (может даже измениться и материал кристалла; например, для третьей гармоники от излучения "слабого" перехода 1320 нм предпочтительнее заменить элемент из ВВО на элемент из КТР).

Предлагаемый лазер работает следующим образом. В импульсно-периодическом режиме за время каждого импульса накачки при закрытом электрооптическом затворе, который образуют электрооптический элемент 6, глухое зеркало 2 и поляризующий элемент 5, происходит накопление инверсной населенности в активном элементе 4.

При подаче отпирающего импульса высокого напряжения на электроды элемента 6 электрооптический затвор открывается и в резонаторе генерируется моноимпульс излучения.

Пространственная структура излучения определяется размерами разрешенной для генерации половиной сечения активного элемента 4.

Расходимость излучения, выходящего из зеркала 1, в плоскости чертежа сокращается в 2 раза за счет селекции поперечных мод по сравнению со случаем, когда сечение активного элемента в обычном двухзеркальном резонаторе полностью заполнено излучением. В плоскости, перпендикулярной плоскости чертежа, расходимость излучения практически не изменяется.

Как показали проведенные энергетические расчеты лазера, при переходе от обычного двухзеркального резонатора к предлагаемому трехзеркальному резонатору при условии оптимизации коэффициента прозрачности выходного зеркала при фиксированной энергии импульсов накачки энергия Е и длительность τ_0,5 моноимпульсов излучения не изменяются.

Так как площадь сечения генерируемого излучения уменьшилась в ~2 раза, то плотность энергии (мощности) в сечении луча возросла тоже в ~2 раза. При этом возрастает коэффициент преобразования частоты излучения в высшие гармоники. В приближении заданного поля (при небольших плотностях энергии) рост ожидается линейным (также в ~2 раза). В случае генерации высших гармоник в УФ-области, где применяются элементы из ВВО с узкой угловой шириной синхронизма, рост коэффициента преобразования ожидается за счет уменьшения расходимости.

В отличие от прототипа [2] предлагаемый лазер позволяет увеличить частоту повторения импульсов и получить генерацию излучения на "слабых" переходах с высокими коэффициентами преобразования частоты излучения в высшие гармоники.

Результаты испытаний двух лазеров подтверждают эффективность предложенного устройства.

Первый лазер на AИГ:Nd (λ=1064 нм) с активным элементом размером ⊘5•100 мм, с клином с углом при вершине 34^o, электрооптическим элементом из LiNbО₃ с гранями под углом Брюстера, нелинейным элементом из КТР (вторая гармоника) и нелинейным элементом из ВВО (четвертая гармоника) на частоте повторения 200 Гц при энергии импульсов накачки 4 Дж на выходе волоконно-оптического кабеля генерировал импульсы излучения со следующими параметрами: λ=266 нм, Е=0,5 мДж, τ_0,5 = 30 нс.

Второй лазер на AИ:Nd (λ₁ = 1341 нм) с активным элементом ⊘6•100 мм, с дисперсионной призмой с углом при вершине 68^o, электрооптическим элементом из LiNbO₃ с гранями под углом Брюстера, нелинейным элементом из КТР (вторая гармоника) и нелинейным элементом из КТР (третья гармоника) на частоте повторения до 50 Гц при энергии импульсов накачки 32 Дж генерировал импульсы излучения со следующими параметрами:
λ₂ = 670 нм, Е=20 мДж, τ_0,5 = 40 нс,
λ₂ = 447 нм, Е=8 мДж, τ_0,5 = 35 нс.
Таким образом, предлагаемый лазер может эффективно работать в импульсно-периодических режимах с модуляцией добротности резонатора с преобразованием частоты излучения в высшие гармоники при больших частотах повторения импульсов или с длиной волны излучения, соответствующей неосновному лазерному переходу активной среды.

Источники информации
1. Патент США 5144630, H 01 S 3/10, 1991 г.

2. Патент РФ 2162265, H 01 S 3/10, 1999 г.

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к твердотельным импульсным лазерам, работающим в наносекундном диапазоне длительностей импульсов. Устройство содержит глухие и частично прозрачные зеркала, оптический клин или дисперсионную призму, нелинейно-оптические элементы для каскадного преобразования частоты излучения, электрооптический модулятор, активный элемент. Активный элемент симметрично расположен относительно полуосей резонатора. Резонатор трехзеркальный. Технический результат изобретения - повышение предельной частоты повторения импульсов излучения, расширение спектрального диапазона излучения за счет неосновных лазерных переходов. 2 ил.

Импульсный твердотельный лазер с каскадным преобразованием частоты излучения в высшие гармоники в нелинейных элементах с резонатором, образованным глухим и частично прозрачным зеркалами, содержащим активный и электрооптический элементы, отличающийся тем, что глухое и частично прозрачное зеркала установлены по одну сторону активного элемента, а по другую сторону активного элемента установлено дополнительное глухое зеркало, при этом ориентация зеркал такова, что оптическая ось резонатора, сломанная на дополнительном глухом зеркале на две полуоси, образует римскую цифру пять, активный элемент расположен симметрично относительно этих полуосей, электрооптический элемент расположен на полуоси резонатора рядом с глухим зеркалом, между ним и активным элементом установлен оптический клин с углом при вершине, равным arcctg n_к, или установлена дисперсионная призма с углом при вершине, равным 2 arcctg n_п, так, что вершины клина или призмы расположены на геометрической оси активного элемента, а их грани, ближайшие к активному элементу, составляют с полуосью резонатора угол Брюстера, при этом оптический клин установлен для генерации излучения на основном лазерном переходе и имеет на рабочей грани, ближайшей к активному элементу, поляризующее покрытие, на другой рабочей грани - просветляющее покрытие, а дисперсионная призма установлена для генерации излучения на неосновном лазерном переходе, где n_к - показатель преломления материала оптического клина на длине волны основного, перехода n_п - показатель преломления материала дисперсной призмы на длине волны неосновного лазерного перехода.