Предлагаемое изобретение относится к области квантовой электроники, в частности к приборам квантовой электроники и лазерной техники, преимущественно к импульсным лазерным системам с управляемыми параметрами и повышенной мощностью излучения, основная доля излучения которых приобретается в усилителе с активными элементами (активной средой), а именно: к конструкции многопроходных лазерных усилителей с активными элементами (активной средой), совмещенных с генераторами с устойчивыми оптическими резонаторами, и может быть использовано при создании и эксплуатации лазеров со сравнительно высоким коэффициентом усиления и с активными элементами (активными средами), обеспечивающими возможность генерации и усиления электромагнитного излучения, в качестве усилителя лазерного излучения в любом диапазоне длин волн, где возможно создание отражательных элементов, не поглощающих излучение, а также использующих полное внутреннее отражение, для систем связи, в научных исследованиях других областей.
Проблема необходимости создания многопроходных лазерных усилителей с активными элементами (активной средой) и устойчивыми оптическими резонаторами для лазеров со сравнительно высоким коэффициентом усиления в настоящее время встала достаточно остро.
Связано это с тем, что многие задачи дистанционного зондирования и мониторинга окружающей среды в натурных условиях любых климатических зон могут быть выполнены только с помощью лазеров. При этом изменяющиеся погодные условия и ограничение весовых и энергетических параметров устройств требуют минимизации габаритно-массовых показателей, высокой эффективности, а также повышенной надежности лазерных систем.
Известен лазер с управлением параметрами излучения путем изменения коэффициента пропускания резонатора лазера с помощью внутрирезонаторного электронно-оптического затвора-модулятора и опто-электронной цепи отрицательной обратной связи, использующей в качестве задающего сигнала часть излучения самого лазера, который затем преобразуется в электрический сигнал управления модулятором по цепи обратной связи [1].
В таком лазере в предположении малого изменения энергии лазерного излучения при развитии генерации на каждом проходе по резонатору энергия (n+1)-го прохода En+1 связана с En следующим рекурентным соотношением
где R - коэффициент неселективных потерь в резонаторе, в основном коэффициент отражения зеркал; α - коэффициент усиления активного элемента; β - коэффициент пропускания насыщающего поглотителя пассивного затвора модуляции добротности, зависящий от энергии импульса Еn; T - коэффициент пропускания электронно-оптического модулятора.
Закон отрицательной обратной связи через управление пропусканием затвора-модулятора в линейном приближении будет иметь вид:
где Т0 - начальное пропускание электронно-оптического затвора, σ - коэффициент обратной связи. Знак минус в уравнении (2) означает отрицательную обратную связь в этой цепи управления.
Недостатком такого лазера являются высоковольтные цепи управления, имеющие конечное время задержки формирования управляющего сигнала в электронных цепях, например, в [1] это не менее 9 нс, а также наличие внутрирезонаторных потерь, вносимых большим количеством оптических элементов, а также регулируемых затвором-модулятором, что приводит к безвозвратной потере энергии лазера и, таким образом, к снижению его эффективности, основным ограничением которой в простейшем лазере, состоящем из активного элемента и зеркал резонатора, является наличие отражающего покрытия зеркал, уменьшающего долю выхода энергии излучения, запасенной внутри резонатора лазера.
Известен лазер, в одном активном элементе которого одновременно совмещены функции задающего лазера, формирующего пучок излучения с расходимостью, близкой к дифракционной, и двухпроходного усилителя с расширением диаметра пучка до апертуры активного элемента и управлением расходимостью пучка с помощью дополнительного сферического вогнутого зеркала путем коррекции действия тепловой линзы, наводимой в активном элементе [2].
Недостатками такого лазера являются следующие:
1. Совмещение оптической оси резонатора задающего лазера с геометрической осью активного элемента, имеющего форму цилиндра, на которой достигается наибольшее значение оптической силы наведенной термической линзы, флуктуации которой будут приводить к неустойчивости параметров задающего лазера.
2. Диаметр пучка задающего лазера не может быть меньше конечного размера диаметра отверстия связи в выходном зеркале, и, тем самым, приосевая часть пучка на усилительном проходе, ограниченная диаметром отражающего покрытия на выходном зеркале, будет отражаться обратно внутрь резонатора лазера и ограничивать выходную энергию излучения.
3. Установка модулятора добротности лазера предполагается между активным элементом и “глухим” 100% зеркалом задающего лазера, где диаметр пучка излучения достигает максимального значения, ограниченного диаметром активного элемента, поэтому модулятор добротности должен иметь большую апертуру, не менее диаметра активного элемента, и быть высокого оптического качества, чтобы не искажать волновой фронт пучка, а также высокой оптической стойкости к оптическому пробою в области высокой интенсивности пучка внутри резонатора лазера.
4. Необходимость перемещения двух зеркал, сферического и “глухого”, для коррекции действия тепловой линзы. Такое перемещение зеркал в процессе изменения тепловой нагрузки на активный элемент, например, при повышении частоты повторения импульсов, может приводить к разъюстировке резонатора, снижению выходной энергии излучения и снижению ее стабильности.
Известен усилитель, в котором активный элемент расположен между двумя сферическими зеркалами, обеспечивающими многократное прохождение усиливаемого излучения по активному элементу. Вход излучения в усилитель осуществляется через отверстие в центре одного из зеркал. Вывод излучения производится за счет изменения расходимости и за счет меньших размеров второго зеркала [3].
Недостатки такого технического решения заключаются в том, что усиленное излучение повторяет неоднородности коэффициента усиления среды активного элемента, поскольку для большинства сред активных элементов практически невозможно избежать вариаций инверсной заселенности в направлении, перпендикулярном направлению распространения излучения (оси-системы). Выходящее излучение по направлению совпадает с направлением распространения излучения на предшествующих последнему проходах, что приводит за счет дифракции на меньшем зеркале к попаданию этого излучения в выходное. Может происходить также и обратное - доля выходного излучения попадает в излучение предыдущих проходов, что делает усилитель склонным к самовозбуждению. Дифракция на выходном зеркале приводит также к появлению неоднородностей в распределении выходного пучка. Направление выходного пучка весьма чувствительно к нестабильности положения зеркал.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является многопроходный усилитель лазерного излучения, содержащий устройство накачки, активный элемент, выполненный цилиндрическим и установленный таким образом, что его ось совпадает с осью усилителя, и систему отражателей лазерного излучения, выполненную в виде двух блоков, состоящих, по крайней мере, из трех одинаковых симметричных призм с двумя гранями полного внутреннего отражения, угол θ между отражающими гранями призм, ширина a и высота h грани призмы, противолежащей этому углу, расстояние L между отражателями призм (база усилителя) и угол наклона γ оси пучка к оси усилителя связаны соотношениями: a=2r0; h=H+2r0;
где La, R0, n - соответственно длина, радиус и показатель преломления материала цилиндрического активного элемента; r0 - радиус кругового сечения лазерного пучка; H - максимальное удаление оси пучка от оси усилителя (расстояние между центрами пучка на гипотенузной грани призм); 2 γ - угол между осью пучка на входе и на выходе призмы, и установленных таким образом, что в любом сечении активного элемента, перпендикулярном оси усилителя, ось пучка при последовательных проходах образует правильную шестиугольную структуру, вырождающуюся в точку в сечении, проходящем через геометрический центр системы [4].
Недостатки известного технического решения заключаются в необходимости использования входного излучения, производимого задающим генератором, собранного на отдельном активном элементе с отдельной системой накачки и элементами управления, что приводит к усложнению лазерной системы, увеличению габаритов и массы как оптической, так и электрической (блоки питания и охлаждения) части системы и к снижению ее надежности и эффективности.
Новым достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности и эффективности лазерной системы “генератор-усилитель(и)” посредством повышения однородности усиления по сечению пучка, стабильности направления выходного излучения, его энергии и мощности, минимальной расходимости, частотного и временного состава излучения, повышения быстродействия петли обратной связи до физического предела, повышения скорости изменения величины управляемого параметра задающего лазера/генератора и порога самовозбуждения.
Новый технический результат достигается тем, что в многопроходном усилителе лазерного излучения, содержащем устройство накачки, задающий генератор, активный элемент и систему отражателей лазерного излучения, при этом ось излучения задающего генератора проходит через первый торец активного элемента под уголом к продольной оси симметрии активного элемента, в отличие от прототипа, система отражателей лазерного излучения выполнена в виде поворотных оптических отражающих элементов, первого глухого зеркала, установленного для обеспечения возможности по крайней мере одного дополнительного усилительного прохода излучения задающего генератора, и устойчивого оптического резонатора, включающего второе глухое и выходное полупрозрачное плоское зеркала, при этом оптическая ось оптического резонатора задающего генератора и ось пучка излучения задающего генератора образуют с продольной осью симметрии активного элемента угол γ , удовлетворяющий условию
γ ≈ arctg(2(R0-r0)/Lа),
где 2R0 - апертура активного элемента, Lа - длина активного элемента, r0 - радиус пучка излучения задающего генератора,
причем выходное полупрозрачное плоское зеркало установлено с возможностью последовательного оптического сопряжения посредством поворотных оптических отражающих элементов через второй торец активного элемента с первым глухим зеркалом для обеспечения возможности первого усилительного прохода излучения задающего генератора, пересекающего оптическую ось оптического резонатора задающего генератора под углом δ , удовлетворяющим условию
аrctg(2(R0-3r0)/La)≤ δ ≤ 2arctg(2(R0-r0)/La).
В усилитель может быть дополнительно введена диафрагма с диаметром d<<2R0 для селекции поперечных мод, установленная между активным элементом и выходным полупрозрачным плоским зеркалом с возможностью последовательного оптического сопряжения диафрагмы и выходного полупрозрачного плоского зеркала.
В усилитель может быть дополнительно введен по крайней мере один активный элемент, при этом все активные элементы установлены с образованием двухпроходного каскада усилителей, при этом выходной торец предыдущего активного элемента оптически сопряжен с входным торцом последующего активного элемента, причем первое глухое зеркало установлено со стороны последнего при первом усилительном проходе выходного торца последнего в каскаде усилителей активного элемента на его продольной оси симметрии и оптически сопряжено с выходным торцом последнего в каскаде усилителей активного элемента с возможностью отражения излучения задающего генератора внутрь последнего в каскаде усилителей активного элемента через его выходной для случая первого усилительного прохода излучения задающего генератора торец для обеспечения возможности по крайней мере одного дополнительного усилительного прохода излучения задающего генератора.
Все активные элементы могут быть установлены последовательно вдоль продольной оси симметрии усилителя в обратном ходу первичного входного излучения задающего генератора направлении.
Все активные элементы могут быть установлены параллельно друг другу, при этом выходной торец предыдущего активного элемента оптически сопряжен с входным торцом последующего активного элемента посредством вновь введенных дополнительных поворотных оптических отражающих элементов.
Все активные элементы могут быть установлены параллельно относительно устройства накачки с возможностью генерации и усиления по крайней мере в двух из активных элементов от одного устройства накачки для создания инверсной заселенности.
Первое глухое зеркало может быть выполнено плоским.
Поворотный оптический отражающий элемент для обеспечения возможности первого усилительного прохода излучения задающего генератора непосредственно во второй торец первого активного элемента и первое глухое зеркало могут быть выполнены в виде телескопической пары из сферического выпуклого и глухого вогнутого зеркал, при этом сферическое выпуклое зеркало выполнено на прозрачной, просветленной с обеих сторон выпукло-вогнутой подложке с радиусом кривизны R1 рабочей поверхности, обеспечивающим полное заполнение апертуры 2R0 активного элемента через второй торец первого активного элемента при первом усилительном проходе излучения задающего генератора, и отражающим покрытием на центральном участке диаметром d1, удовлетворяющим условию d≤ d1≤2R0, и установлено на продольной оси симметрии первого активного элемента с возможностью отражения излучения задающего генератора через второй торец внутрь первого активного элемента вдоль этой оси, а глухое вогнутое зеркало выполнено с радиусом кривизны R2 рабочей поверхности, обеспечивающим полное заполнение апертуры активного элемента через входной торец при начале второго усилительного прохода излучения задающего генератора последнего в каскаде усилителей активного элемента, и установлено на продольной оптической оси симметрии последнего в каскаде усилителей активного элемента с возможностью перемещения вдоль этой продольной оптической оси и отражения излучения через входной торец при начале второго усилительного прохода излучения задающего генератора внутрь последнего в каскаде усилителей активного элемента вдоль этой продольной оси, причем разность между радиусами кривизны сферического выпуклого и глухого вогнутого зеркал выражается соотношением
(R2-R1)≥ L1,... , n,
где L1,... , n - длина активных элементов в каскаде усилителей.
Второе глухое зеркало оптического резонатора может быть выполнено в форме плоского круга с диаметром d2≥d и гауссовым профилем распределения коэффициента отражения, установленное на поверхности среза в виде фаски входного торца первого активного элемента, при этом отражающая поверхность второго глухого зеркала в форме плоского круга находится на оптической оси оптического резонатора задающего генератора и перпендикулярна ей.
Выходное полупрозрачное плоское зеркало оптического резонатора может быть выполнено в форме плоского круга с диаметром d2≥d и гауссовым профилем распределения коэффициента отражения, установленное на поверхности среза в виде фаски второго торца первого активного элемента, при этом отражающая поверхность выходного полупрозрачного зеркала в форме плоского круга находится на оптической оси оптического резонатора задающего генератора и перпендикулярна ей.
В усилитель может быть дополнительно введен модулятор добротности резонатора, установленный на оптической оси оптического резонатора задающего генератора между активным элементом и выходным полупрозрачным плоским зеркалом и оптически сопряженный с выходным плоским полупрозрачным зеркалом.
В усилитель может быть дополнительно введен модулятор добротности резонатора, установленный на оптической оси оптического резонатора задающего генератора между активным элементом и диафрагмой и оптически сопряженный с диафрагмой.
На фиг.1-5 представлены принципиальные схемы выполнения усилителя лазерного излучения.
Многопроходный усилитель лазерного излучения (фиг.1) содержит устройство накачки 1, задающий генератор 2, активный элемент 3, выполненный цилиндрическим с апертурой 2R0 и длиной Lа, систему отражателей лазерного излучения, выполненную в виде поворотных оптических отражающих элементов 4, 5, первого глухого плоского зеркала 6, установленного для обеспечения возможности по крайней мере одного дополнительного усилительного прохода излучения 7 задающего генератора 2, и устойчивого оптического резонатора, включающего второе глухое 8, выходное полупрозрачное плоское 9 зеркала и диафрагму 10 диаметром d<<2R0 для селекции поперечных мод, при этом оптическая ось О’’-О’’’ оптического резонатора задающего генератора 2 и пучок излучения 7 диметром 2r0 задающего генератора 2 проходят через первый торец 11 активного элемента 3 под уголом к продольной оси O-O’ симметрии активного элемента 3 под углом γ , удовлетворяющим условию
γ ≈ arctg(2(R0-r0)/La),
диафрагма 10 установлена между активным элементом 3 и выходным полупрозрачным плоским зеркалом 9 с возможностью последовательного оптического сопряжения диафрагмы 10 и выходного полупрозрачного плоского зеркала 9 посредством поворотных оптических отражающих элементов 4, 5 через второй торец 12 активного элемента 3 с первым глухим плоским зеркалом 6 для обеспечения возможности первого усилительного прохода излучения 7 задающего генератора 2, и пересекающего оптическую ось O’’-O’’’ оптического резонатора задающего генератора 2 под углом δ , удовлетворяющим условию
arctg(2(R0-3r0)/La)≤ δ ≤ 2arctg(2(R0-r0)/La).
В случае наличия нескольких активных элементов 3, 3’,... , 3n все они могут быть установлены последовательно вдоль продольной оси симметрии O-O’ усилителя в обратном ходу первичного входного излучения 7 задающего генератора 2 направлении с образованием двухпроходного каскада усилителей, при этом выходной торец предыдущего активного элемента 3n-1 оптически сопряжен с входным торцом последующего активного элемента 3n, причем первое глухое плоское зеркало 6 установлено со стороны последнего при первом усилительном проходе излучения 7 задающего генератора 2 выходного торца 13 последнего в каскаде усилителей активного элемента 3n на его продольной оси симметрии O-O’ и оптически сопряжено с выходным торцом 13 последнего в каскаде усилителей активного элемента 3n с возможностью отражения излучения 7 задающего генератора 2 внутрь последнего в каскаде усилителей активного элемента 3n через его выходной для случая первого усилительного прохода излучения 7 задающего генератора 2 торец 13 для обеспечения возможности по крайней мере одного дополнительного усилительного прохода излучения 7 задающего генератора 2 (фиг.2).
Все активные элементы 3, 3’,... , 3n могут быть установлены параллельно друг другу, при этом выходной торец предыдущего активного элемента 3n-1 оптически сопряжен с входным торцом последующего активного элемента 3n посредством дополнительных поворотных оптических отражающих элементов 14, 15 (фиг.3).
Поворотный оптический отражающий элемент 5 для обеспечения возможности первого усилительного прохода излучения 7 задающего генератора 2 непосредственно во второй торец 12 первого активного элемента 3 и первое глухое зеркало 6 могут быть выполнены в виде телескопической пары из сферического выпуклого 16 и глухого вогнутого 17 зеркал, при этом сферическое выпуклое зеркало 16 выполнено на прозрачной, просветленной с обеих сторон выпукло-вогнутой подложке с радиусом кривизны R1 рабочей поверхности, обеспечивающим полное заполнение апертуры 2R0 активного элемента через второй торец первого активного элемента при первом усилительном проходе излучения задающего генератора, и отражающим покрытием 16 на центральном участке диаметром d1, удовлетворяющим условию d≤ d1≤2R0, и установлено на продольной оси симметрии O-O’ первого активного элемента 3 с возможностью отражения излучения 7 задающего генератора 2 через второй торец 12 внутрь первого активного элемента 3 вдоль этой оси O-O’, а глухое вогнутое зеркало 17 выполнено с радиусом кривизны R2 рабочей поверхности, обеспечивающим полное заполнение апертуры активного элемента 3 через входной торец 13 при начале второго усилительного прохода излучения 7 задающего генератора 2 последнего в каскаде усилителей активного элемента 3n, и установлено на продольной оптической оси симметрии ОIV-OV последнего в каскаде усилителей активного элемента 3n с возможностью перемещения вдоль этой продольной оптической оси симметрии OIV-OV и отражения излучения 7 через входной торец 13 при начале второго усилительного прохода излучения 7 задающего генератора 2 внутрь последнего в каскаде усилителей активного элемента 3n вдоль этой оптической оси симметрии ОIV-OV причем разность между радиусами кривизны сферического выпуклого 16 и глухого вогнутого 17 зеркал выражается соотношением
(R2-R1)≥ L1,... , n
где L1,... , n - длина активных элементов 3 в каскаде усилителей (фиг.4).
Второе глухое зеркало 8 оптического резонатора может быть выполнено в форме плоского круга 19 с диаметром d2 и гауссовым профилем распределения коэффициента отражения, установленное на поверхности среза в виде фаски первого торца 11 первого активного элемента 3, при этом отражающая поверхность второго глухого зеркала в форме плоского круга 19 перпендикулярна оптической оси O’’-O’’’ оптического резонатора задающего генератора 2 (фиг.5).
При этом все активные элементы 3, 3’,... , 3n могут быть установлены параллельно относительно устройства накачки 1 с возможностью генерации и усиления по крайней мере в двух из активных элементов 3, 3’,... , 3n от одного устройства накачки 1 для создания инверсной заселенности (фиг.3-5).
В усилитель может быть введен модулятор добротности резонатора 20, установленный на оптической оси O’’-О’’’ оптического резонатора задающего генератора 2 между активным элементом 3 и диафрагмой 10 и оптически сопряженный с диафрагмой 10 (фиг.1-5).
Выходное полупрозрачное плоское зеркало 9 оптического резонатора может быть выполнено в виде выходного плоского зеркала в форме плоского круга 21 с диаметром d2≥d и гауссовым профилем распределения коэффициента отражения, установленное на поверхности среза в виде фаски второго торца 12 первого активного элемента 3, при этом отражающая поверхность 22 выходного плоского зеркала в форме плоского круга 21 перпендикулярна оптической оси O’’-O’’’ оптического резонатора задающего генератора 2 (фиг.6).
Многопроходный усилитель лазерного излучения может быть выполнен следующим образом.
Задающий генератор 1 предназначен для формирования излучения 7 вдоль оси O’’-O’’’ и последующей генерации в активном элементе 3 под углом γ относительно продольной оси O’’-O’’’ симметрии активного элемента 3, удовлетворяющий условию
0<γ ≤ аrсtg(2(R0-r0)/La),
например, γ =5° при аrсtg(2(R0-r0)=7 мм/La=80 мм,
для обеспечения снижения инверсии населенности на оси O’’-О’’’ оптического резонатора задающего генератора 2 при ее пересечении излучением 7 на уже первом усилительном проходе излучения 7 задающего генератора 2, что соответствует действию отрицательной обратной связи, эквивалентно действию устройства медленного включения добротности резонатора, и, как следствие, обеспечивает подавление развития генерации на высших поперечных и продольных модах.
В качестве задающего генератора 2 может быть использован серийно выпускаемый неодимовый лазер на алюмо-иттриевом гранате, например, ЛТИ-ПЧ, производимый НПО “Полюс”.
Активный элемент 3 предназначен для обеспечения усиления, например, на длине волны генерации 1064 нм.
В качестве активного элемента 2 используют, например, цилиндрический активный элемент с радиусом R, длиной Lа и показателем преломления n, например, из АИГ:Nd и диаметром 2R=5 или 8 мм и равным размеру апертуры 2R0 (размеру входного окна) активного элемента 3 и длиной Lа=65 мм или 80 мм, соответственно, или другие лазерные активные элементы, например, в виде газовой активной среды с нецилиндрической конфигурацией объема с инверсией населенности, например, прямоугольного сечения. В этом случае, апертура 2R0 (размер входного окна) активного элемента 3 будет характеризоваться размером сторон а и b прямоугольного сечения активного элемента 3.
Устойчивый оптический резонатор в виде второго глухого плоского 8 и выходного полупрозрачного плоского 9 зеркал предназначен для генерации излучения 7 лазера.
В качестве глухого плоского 8 и выходного полупрозрачного плоского 9 зеркал используют, например, диэлектрические зеркала.
Первое глухое плоское зеркало 6 предназначено для отражения излучения 7 задающего генератора 2 внутрь активного элемента 3 для обеспечения второго усилительного прохода излучения 7 задающего генератора 2.
Диафрагма 10 диаметром d<<2R0 предназначена для селекции поперечных мод с целью генерации излучения 7 задающего генератора 2 на основной поперечной моде.
В качестве диафрагмы 10 используют, например, ирисовую диафрагму от фотообъектива “Гелиос-44” производства “Красногорский оптико-механический завод”.
Поворотные оптические отражающие элементы 4, 5 предназначены для оптического сопряжения со вторым торцом 12 активного элемента 3 и первым глухим плоским зеркалом 6 излучения 7 задающего генератора 2 через диафрагму 10 и выходное полупрозрачное плоское зеркало 9 и для обеспечения первого усилительного прохода излучения 7 задающего генератора 2 через активный элемент 3.
В качестве поворотных оптических отражающих элементов 4, 5 используют, например, призмы-крыши или диэлектрические зеркала с максимальным коэффициентом отражения под углом 40-50° .
Двухпроходный каскад усилителей из установленных последовательно активных элементов 3, 3’,... , 3n предназначен для увеличения энергии излучения 7, когда необходимо получить пучок излучения 7 на выходе усилителя с большим диаметром, чем, например, в техническом решении по прототипу, а также когда многопроходная схема усиления, принятая, например, в техническом решении по прототипу, не реализуема по конструктивным показаниям или когда длина первого активного элемента 3 не может быть неограниченной по технологическим причинам его производства, например, длина активных элементов 3 из алюмо-иттриевого граната с неодимом значительно меньше длины элементов из неодимового стекла, изготавливаемых на Лыткаринском заводе оптического стекла.
Двухпроходный каскад усилителей из установленных параллельно друг другу активных элементов 3, 3’,... , 3n предназначен для повышения эффективности и компактности компоновки при сокращении общей длины многопроходного усилителя лазерного излучения, когда для создания инверсии населенности в активных элементах, установленных параллельно в виде револьверного барабана вокруг одной оси, достаточно, по крайней мере, одной лампы вспышки, тогда расходы энергопитания уменьшаются пропорционально уменьшению количества ламп-вспышек, а эффективность усилителя, в целом, увеличивается.
Дополнительные поворотные оптические отражающие элементы 14, 15 предназначены для оптического сопряжения предыдущего активного элемента 3n-1 и последующего активного элемента 3n в двухпроходном каскаде усилителей из установленных параллельно друг другу активных элементов 3, 3’,... , 3n.
В качестве поворотных оптических отражающих элементов 14, 15 используют, например, зеркала, аналогичные поворотным оптическим отражающим элементам 4, 5.
Телескопическая пара из сферического выпуклого 14 и глухого вогнутого 15 зеркал предназначена для обеспечения соответственно первого и второго усилительного проходов излучения через активные элементы 3, 3’,... , 3n и обеспечения полного заполнения апертуры активных элементов 3, 3’,... , 3n при втором усилительном проходе, а также для обеспечения возможности получения максимального диаметра пучка излучения 7 задающего генератора 2 и, соответственно, снижения до минимальной дифракционной, а также и управляемой, расходимости пучка излучения на выходе усилителя до значения 2θ ≤ λ /2R0.
В качестве сферического выпуклого зеркала 16 используют, например, зеркало на прозрачной, просветленной с обеих сторон выпукло-вогнутой подложке с нейтральным мениском (с одинаковыми радиусами кривизны поверхностей) с радиусом кривизны R1 рабочей поверхности, например, R1=12 мм, обеспечивающим постепенное полное заполнение апертуры 2R0 с диафрагмой диаметром d внутри резонатора, например, при 2R0=8 мм, d=1 мм и длины Lа=80 мм, первого активного элемента 3 при первом усилительном проходе излучения 7 задающего генератора 2, и отражающим покрытием 18 на центральном участке диаметром d1, удовлетворяющим условию d1≥d, например, при d1=1, 2 мм при d=1 мм.
Глухое вогнутое зеркало 17 предназначено для управления расходимостью излучения на выходе из усилителя и для корректировки влияния наведенной термической линзы при разных уровнях тепловой нагрузки на активные элементы 3, 3’,... , 3n посредством своего перемещения вдоль продольной оптической оси ОIV-OV симметрии последнего в каскаде усилителей активного элемента 3.
В качестве глухого вогнутого зеркала 17 используют, например, зеркало, выполненное с возможностью перемещения вдоль продольной оптической оси и с радиусом кривизны R2 рабочей поверхности, например, R2=110-120 мм при длине активного элемента La=80 мм, обеспечивающим полное заполнение апертуры активного элемента 3n через входной торец 13 при начале второго усилительного прохода излучения 7 задающего генератора 2 последнего в каскаде усилителей активного элемента 3n. Разность между радиусами кривизны сферического выпуклого 16 и глухого вогнутого 17 зеркал выражается соотношением
(R2-R1)≥ L1,... , n,
где, например, L1,... , n=80 мм или 2× 80=160 мм и т.д. и представляет собой длину активного элемента 3, например одного или двух активных элементов 3 и 3’ в каскаде усилителей.
Второе глухое зеркало в форме плоского круга 19 предназначено для осуществления селекции поперечных мод генерации, при этом диафрагму 10 можно изъять из оптического резонатора (фиг.5).
В качестве второго глухого зеркала используют, например, зеркало в форме плоского круга 19 с диаметром d2≥d, например, при d2=1 мм, и гауссовым профилем распределения коэффициента отражения, например, от 50% на полувысоте до 100% в центральной части второго глухого зеркала в форме плоского круга 19.
Многопроходный усилитель лазерного излучения работает следующим образом.
При создании инверсной населенности в активном элементе 3 управление параметрами излучения 7 в предлагаемом многопроходном усилителе лазерного излучения реализуется посредством использования излучения 7 самого задающего генератора 2 для обеспечения обратной связи в цепи управления, устойчивый оптический резонатор которого, например, размещен на оси O’’-О’’’ входного пучка многопроходного усилителя.
При этом генерация усиливаемого излучения 7, управление параметрами оптического резонатора и усиление излучения 7 производятся в одной и той же активной среде усилителя лазерного излучения в его активном элементе 3 или в каскаде усилителей из активных элементов 3, 3’,... , 3n, причем отрицательная обратная связь осуществляется посредством модуляции коэффициента усиления (α n)2 (во вторую степень) среды активного элемента 3 в канале генерации задающего генератора 2 (см. уравнение (1)) в отличие от модуляции коэффициента пропускания Тn в первой степени (1).
Излучение 7 от задающего генератора 2 направляется в среду активного элемента 3 усилителя лазерного излучения и, после выхода из среды активного элемента 3, излучение 7 задающего генератора с малой расходимостью, соответствующей гауссовой моде оптического резонатора с глухим плоским 8 и выходным полупрозрачным плоским 9 зеркалами, вторично направляется в среду активного элемента 3 через модулятор добротности резонатора 20 (при его наличии), диафрагму 10 и выходное полупрозрачное плоское зеркало 9 посредством поворотных оптических отражающих элементов 4, 5, например, в виде призм или зеркал, на второй торец 12 активного элемента 3, где пересекает оптическую ось O’’-O’’’ оптического резонатора задающего генератора 2 для обеспечения первого (по крайней мере из двух усилительных проходов) усилительного прохода излучения 7 задающего генератора 2 через активный элемент 3 или каскад усилителей из дополнительных активных элементов 3, 3’,... , 3n.
При пересечении излучением 7 оптической оси О’’-O’’’ оптического резонатора задающего генератора 2 лазерного излучения, происходит модуляция коэффициента усиления среды активного элемента 3 на оптической оси O’’-O’’’ оптического резонатора задающего генератора 2 лазерного излучения, уменьшая его в момент пересечения этой оси О’’-О’’’ и, тем самым, осуществляя отрицательную обратную связь и, одновременно, усиливая выходное излучение 7 усилителя лазерного излучения при его проходе по среде активного элемента 3 или каскада усилителей из активных элементов 3, 3’,... , 3n, аккумулируя часть энергии из канала генерации усилителя лазерного излучения.
Суть происходящего при этом физического явления заключается в том, что при создании инверсной населенности в активном элементе 3 задающий генератор 2, устойчивый оптический резонатор которого включает глухое плоское 8 и выходное полупрозрачное плоское 9 зеркала, излучает когерентный световой пучок излучения 7 на основной низшей поперечной моде с гауссовым распределением интенсивности по поперечному сечению. Причем оптическая ось оптического резонатора задающего генератора 2 совпадает с диаганалью продольного сечения активного элемента 3, что уменьшает влияние изменения наведенной термической линзы при изменении уровня накачки активного элемента 3. Этот фактор повышает стабильность излучения задающего генератора 2 по направлению, поперечному сечению пучка, расходимости и энергии излучения 7. Большая часть активного элемента 3 вне оптической оси O’’-O’’’ излучения 7 задающего генератора 2 не принимает участия в генерации, так как торцы 12, 13 активного элемента 3 просветлены и не параллельны.
При этом каждое пересечение оптической оси O’’-О’’’ оптического резонатора задающего генератора устройства при очередном усилительном проходе излучения 7 задающего генератора 2 через активный элемент 3 или каскад усилителей из активных элементах 3, 3’,... , 3n снижает инверсию населенности и повышает порог самовозбуждения, т.е. осуществляет отрицательную обратную связь и увеличивает время развития генерации на модах с меньшими потерями, что подавляет развитие генерации на высших поперечных и продольных модах, имеющих большие потери, чем основная поперечная мода с гауссовым профилем распределения интенсивности и центральная частота (одна продольная мода) в спектральном профиле коэффициента усиления.
Величиной или коэффициентом и временной формой модуляции коэффициента усиления в усилителе лазерного излучения управляют посредством вариации только оптической отрицательной обратной связи без использования электронных цепей путем изменения уровня превышения накачки среды активного элемента 3 или каскада усилителей из активных элементов 3, 3’,... , 3n усилителя лазерного излучения выше порогового уровня генерации, изменения добротности оптического резонатора задающего генератора 2, например, вариацией коэффициента отражения выходного полупрозрачного плоского зеркала 9 оптического резонатора, длины области пересечения пучка излучения 7 с оптической осью O’’-O’’’ оптического резонатора задающего генератора 2 внутри среды активного элемента 3 на соответствующих усилительных проходах, которая может меняться как изменением угла их пересечения с оптической осью О’’-O’’’ оптического резонатора задающего генератора от минимального значения δ ≥ arctg(2(R0-3r0)/La), при этом достигается максимальное значение коэффициента обратной связи до максимального угла δ ≤ 2arctg(2(R0-r0)/La), при этом достигается минимальное значение коэффициента обратной связи так и диаметром пучка излучения 7, а также посредством изменения длины оптического резонатора задающего генератора 2 и величиной разницы длины оптического пути вне и внутри оптического резонатора задающего генератора 2 от выходного полупрозрачного плоского зеркала 9 до места пересечения пучков излучения 7 в активном элементе 3 с оптической осью О’’-О’’’ оптического резонатора задающего генератора 2. Так, при минимальном значении угла пересечения пучков: δ =arctg(2(R0-3r0)/La), эта разница длин оптического пути может быть менее 0,5 см, тогда время запаздывания включения/влияния оптической отрицательной обратной связи будет не более t=0,5 см/(3,10Е10 см/с)≈ 15,10Е-12 с или 15 пс, что значительно (в 600 раз быстрее) меньше, чем в электронных цепях управления [1] и представляет физический предел, определяемый скоростью света с=3,10Е10 см/с.
При необходимости увеличение динамического диапазона управления величиной оптической отрицательной обратной связи и глубиной модуляции коэффициента усиления среды активного элемента 3 в многопроходном усилителе лазерного излучения, например, от подавления генерации лазера до ее возобновления, достигается независимой вариацией уровня накачки одного двухпроходного каскада усилителей из активных элементов 3,3’,... , 3n или, даже, нескольких двухпроходных каскадов усилителей, все активные элементы 3, 3’,... , 3n которых установлены последовательно вдоль оси O-O’ усилителя в обратном ходу первичного излучения 7 задающего генератора 2 направлении, причем после выхода излучения 7 первого прохода усиления из последнего активного элемента 3n последнего усилительного каскада излучение 7 отражают в среду активного элемента 3n усилительного каскада для второго прохода усиления.
Для получения минимальной и управляемой расходимости пучка излучение 7 задающего генератора 2 направляют на сферическое выпуклое зеркало 16, выполненное на прозрачной, просветленной с обеих сторон выпукло-вогнутой подложке с радиусом кривизны R1 рабочей поверхности, обеспечивающим полное заполнение апертуры 2R0 активного элемента 3 через второй торец 12 первого активного элемента 3 при первом усилительном проходе, и отражающим покрытием 18 на центральном участке диаметром d1, удовлетворяющим условию d≤ d1≤2R0, и установлено на продольной оси O-O’ симметрии первого активного элемента 3 с возможностью отражения излучения 7 задающего генератора 2 через второй торец 12 внутрь первого активного элемента 3 вдоль оси O-O’.
Управление расходимостью излучения 7 и корректировку влияния наведенной термической линзы при разных уровнях тепловой нагрузки на активные элементы 3, 3’,... , 3n усилителя лазерного излучения осуществляют посредством перемещения вдоль продольной оптической оси OIV-OV симметрии последнего в каскаде усилителей активного элемента 3 глухого вогнутого зеркала 17, выполненного с радиусом кривизны R2 рабочей поверхности, обеспечивающим полное заполнение апертуры активного элемента 3n через входной торец 13 при начале второго усилительного прохода последнего в каскаде усилителей активного элемента 3n, и установлено на оси симметрии последнего в каскаде усилителей активного элемента 3n с возможностью перемещения вдоль этой продольной оптической оси ОIV-OV и отражения излучения 7 через входной торец 13 при начале второго усилительного прохода внутрь последнего в каскаде усилителей активного элемента 3n вдоль этой продольной оси ОIV-OV, причем разность между радиусами кривизны сферического выпуклого 16 и глухого вогнутого 17 зеркал выражается соотношением
(R2-R1)≥ L1,... , n,
где L1,... , n - длина активных элементов 3, 3’,... , 3n в каскаде усилителей.
Для осуществления селекции поперечных мод генерации без диафрагмы 10 второе глухое зеркало 8 оптического резонатора выполняют в виде глухого зеркала в форме плоского круга 19 с диаметром d2≥d и гауссовым профилем распределения коэффициента отражения и устанавливают на поверхности среза в виде фаски первого 11 торца, а выходное полупрозрачное плоское зеркало 9 - в виде выходного полупрозрачного зеркала в форме плоского круга 21 с гауссовым профилем распределения коэффициента отражения с диаметром d2≥d, которое, например, напыляют на фаску, выполненную на втором торце 12 первого активного элемента 3, при этом отражающие поверхности глухого зеркала в форме плоского круга 19 и выходного полупрозрачного зеркала в форме плоского круга 21 находятся на оптической оси O’’-O’’’ оптического резонатора задающего генератора 2 и перпендикулярны ей.
Предлагаемый усилитель лазерного излучения может работать как в режиме свободной генерации, так и в режиме модулированной добротности или режиме синхронизации мод для генерации пикосекундных импульсов. При работе в режиме модулированной добротности или режиме синхронизации мод модулятор добротности резонатора 20 устанавливается между активным элементом 3 и любым зеркалом оптического резонатора, причем малая энергия тепловыделения в модуляторе добротности резонатора 200 при малом диаметре пучка d в оптическом резонаторе задающего генератора 2, определяемого диафрагмой 10, и эффективный теплосъем этой энергии при малых поперечных размерах модулятора добротности резонатора 20 позволяют повышать среднюю мощность излучения задающего генератора 2.
При генерации излучения без модуля добротности резонатора 20 (без модуляции добротности излучения 7 задающего генератора 2) выходное полупрозрачное плоское зеркало 9 также выполняют в виде выходного полупрозрачного зеркала в форме плоского круга 21 с гауссовым профилем распределения коэффициента отражения с диаметром d2≥d, которое, например, напыляют на фаску, выполненную на втором торце 12 первого активного элемента 3, при этом отражающая поверхность выходного полупрозрачного зеркала в форме плоского круга 21 находится на оптической оси O’’-O’’’ оптического резонатора задающего генератора 2 и перпендикулярна ей (фиг.6).
Такой многопроходный усилитель лазерного излучения был реализован на активном элементе из АИГ:Nd и габаритами 8× 80 мм и 5× 60 мм. Лазер устойчиво работал в режиме свободной генерации, в режиме модуляции добротности на пассивном элементе на флюориде лития с центрами окраски и в режиме синхронизации мод с пассивным просвеляющим красителем как в растворе, так и в полимерной пленке. При этом, в режиме модуляции добротности была осуществлена устойчивая генерация 15 нс импульсов на одной поперечной и одной продольной моде при пятикратном изменении средней мощности накачки посредством увеличения частоты повторения импульсов с 1 до 5 Гц.
На основании вышеизложенного новым достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является:
1. Повышение компактности, надежности и эффективности генератора и усилителя лазерного излучения не менее чем на 50% посредством совмещения в одном активном элементе и использования одной (вместо как минимум двух) системы накачки генератора и усилителя, повышения однородности усиления по сечению пучка, стабильности направления выходного излучения, его энергии и мощности, минимальной расходимости, частотного и временного состава излучения, повышения быстродействия петли обратной связи до физического предела, повышения скорости изменения величины управляемого параметра излучения лазера и порога самовозбуждения.
2. Обеспечение возможности управления параметрами задающего генератора посредством уменьшения коэффициента усиления активного элемента в канале генерации лазерного излучения излучением самого задающего генератора на усилительных проходах при их пересечении с осью резонатора без дополнительных внутрирезонаторных элементов с внешним управлением электронными цепями.
3. Обеспечение возможности прямого управления именно коэффициентом усиления активного элемента усилителя лазерного излучения, а не коэффициентом пропускания резонатора, за счет увеличения крутизны функции управления как фактора 2 степенной функции, его первой производной по времени, так как выходная энергия от задающего генератора линейно зависит от коэффициента пропускания и квадратично от коэффициента усиления.
4. Обеспечение возможности использования только оптической отрицательной обратной связи управления без электронных цепей и коммутирующих элементов увеличивает быстродействие такой петли обратной связи до физического предела.
5. Обеспечение возможности увеличения выходной энергии усилителя лазерного излучения на усилительном проходе через активный элемент за счет перераспределения запасенной в активном элементе энергии - из канала генерации лазера в канал усилителя, а не в тепло. Именно использование такой оптической отрицательной обратной связи приводит к недиссипативным внутри резонаторным потерям энергии в оптическом резонаторе задающего генератора, в частности к уменьшению коэффициента усиления внутри резонатора задающего лазера генератора.
6. Обеспечение возможности уменьшения тепловыделения в активном элементе, внутрирезонаторных элементах при малом диаметре пучка задающего генератора и, как следствие, повышение средней мощности излучения лазера или частоты повторения следования импульсов за счет уменьшения диссипативных безизлучательных потерь внутри оптического резонатора лазерного излучения.
7. Обеспечение возможности более полного использования всего объема активного элемента при усилительных проходах по ней и, соответственно, меньшей части объема активного элемента для генерации излучения задающим генератором, в котором всегда остается часть запасенной внутрирезонаторной энергии, повышает в целом эффективность использования энергии накачки лазера и многопроходного усилителя лазерного излучения и, как следствие, КПД лазера.
8. Обеспечение возможности достижения самосогласованного режима генерации задающего генератора с автостабилизацией выходных параметров излучения, имеющих минимальные потери и максимальную добротность в резонаторе заданной конфигурации, а именно: энергию, мощность и направление излучения, генерацию и поддержку генерации одной поперечной основной (гауссовской) моды и одной продольной (одной частоты) моды оптического резонатора задающего генератора, за счет наличия глубокой оптической отрицательной обратной связи с быстрым управлением по коэффициенту усиления активного элемента.
9. Обеспечение возможности снижения требований на оптическое качество среды активного элемента и его вариации при изменении уровня накачки или ее средней мощности за счет того, что при усилительных проходах через активный элемент лазера ее оптические начальные или наведенные накачкой неоднородности в меньшей степени искажают поперечное распределение энергии в пучке излучения, чем в канале генерации, гауссовское распределение, задаваемое основной модой генерации, будет сохраняться, несмотря на полное заполнение всей апертуры активного элемента при усилении, при использовании устойчивой конфигурации оптического резонатора задающего генератора с сильным подавлением (селекцией) поперечных мод высших порядков.
10. Обеспечение возможности уменьшения влияния на медовый состав излучения по сравнению с геометрией, когда оптическая ось совпадает с осью симметрии, за счет расположения оптической оси задающего генератора под углом γ ≈ arctg(2(R0-r0)/Lа) к оси симметрии активного элемента, проходящей через область минимального значения термически наведенной оптической линзы.
11. Обеспечение возможности работать при большей частоте повторения импульсов за счет размещения модулятора добротности на оптической оси задающего генератора, пучок излучения которого имеет небольшой по сравнению с активным элементом диаметр, и, как следствие, величина энергии излучения, поглощенной в модуляторе (пассивном или активном), будет уменьшаться с уменьшением диаметра пучка, при этом уменьшение поперечного размера модулятора увеличивает скорость теплоотвода от модулятора.
Используемые источники
1. Баянов И.М., Гордиенко В.М., Зверева М.Г., Магницкий С.А., Тарасович А.П. Высокостабильный пикосекундный лазер ИАГ:Nd с отрицательной обратной связью, Квантовая электроника, т. 16, №8, стр. 1545-1547, 1989.
2. Апанасевич П.А., Квач В.В., Контев В.Г., Орлович В.А., Ставров А.А., Шкадаревич А.П. Мощная лазерная система на базе АИГ:Nd лазера импульсно-периодического действия с неустойчивым телескопическим резонатором и двухкаскадного усилителя, Квантовая электроника, 1987, т.14, № 2, с.265-269.
3. МКИ Н 01 S 3/08, авт. свид. SU № 1771026, 1990.
4. МКИ Н 01 S 3/08, авт. свид. СССР № 282542, 1970.
5. МКИ Н 01 S 3/00, авт. свид. СССР № 913878, 1983.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| Лазер | 2016 |
|
RU2623810C1 |
| СПОСОБ НЕОДНОРОДНОГО ВЫВОДА ЭНЕРГИИ СВОБОДНОЙ ГЕНЕРАЦИИ ВЫСШИХ ПОПЕРЕЧНЫХ ТИПОВ КОЛЕБАНИЙ ИЗ ЛАЗЕРА И ЛАЗЕР | 2003 |
|
RU2239921C1 |
| ЛАЗЕРНОЕ ГЕНЕРАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ОДНОМОДОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ | 1992 |
|
RU2038666C1 |
| БЛОК ГЕНЕРАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ МНОГОКАНАЛЬНОГО ЛАЗЕРА | 1996 |
|
RU2107976C1 |
| ЛАЗЕРНОЕ ГЕНЕРАЦИОННО-УСИЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО | 1992 |
|
RU2046481C1 |
| ЛАЗЕРНОЕ МНОГОКАСКАДНОЕ ГЕНЕРАТОРНО-УСИЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО | 1993 |
|
RU2056686C1 |
| Лазер | 1990 |
|
SU1771026A1 |
| Твердотельный лазер | 2016 |
|
RU2635400C1 |
| СПОСОБ НАКАЧКИ АКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА ЛАЗЕРА И ЛАЗЕР ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) | 2000 |
|
RU2186445C2 |
| ЛАЗЕРНОЕ ГЕНЕРАТОРНО-УСИЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ОДНОМОДОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ | 1993 |
|
RU2044065C1 |
Изобретение относится к лазерной технике. Усилитель содержит устройство накачки, задающий генератор, активный элемент и систему отражателей лазерного излучения, выполненную в виде поворотных оптических отражающих элементов, первого глухого зеркала, установленного для обеспечения возможности по крайней мере одного дополнительного усилительного прохода излучения задающего генератора, и устойчивого оптического резонатора, включающего второе глухое, выходное полупрозрачное плоское зеркала и диафрагму для селекции поперечных мод. Оптическая ось оптического резонатора задающего генератора и ось пучка излучения задающего генератора проходят через первый торец активного элемента под определенным углом к продольной оси симметрии активного элемента. Выходное полупрозрачное плоское зеркало установлено с возможностью последовательного оптического сопряжения посредством поворотных оптических отражающих элементов через второй торец активного элемента с первым глухим зеркалом для обеспечения возможности первого усилительного прохода излучения задающего генератора, пересекающего оптическую ось оптического резонатора задающего генератора под углом, удовлетворяющим определенному условию. Обеспечено повышение надежности и эффективности усилителя. 11 з.п. ф-лы, 6 ил.
γ ≈ arctg(2(R0-r0)/La),
где 2R0 - апертура активного элемента;
Lа - длина активного элемента;
r0 - радиус пучка излучения задающего генератора,
причем выходное полупрозрачное плоское зеркало установлено с возможностью последовательного оптического сопряжения посредством поворотных оптических отражающих элементов через второй торец активного элемента с первым глухим зеркалом для обеспечения возможности первого усилительного прохода излучения задающего генератора, пересекающего оптическую ось оптического резонатора задающего генератора под углом δ , удовлетворяющим условию
arctg(2(R0-3r0)/La)≤ δ ≤ 2arctg(2(R0-r0)/La).
(R2-R1)≥ L1,... , n,
где L1,... , n - длина активных элементов в каскаде усилителей.
| SU 913878 А, 23.09.1983 | |||
| Лазер | 1990 |
|
SU1771026A1 |
| УСИЛИТЕЛЬ | 1997 |
|
RU2130675C1 |
| US 5546222 А, 13.08.1996. | |||
