СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРА НА САМООГРАНИЧЕННЫХ ПЕРЕХОДАХ Российский патент 2004 года по МПК H01S3/97 

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании импульсных лазеров на парах химических элементов.

Известен способ возбуждения импульсных лазеров на самоограниченных переходах паров химических элементов, заключающийся в том, что возбуждение активной среды и разогрев активного вещества до рабочей температуры осуществляется периодически повторяющимся импульсом высокой частоты, которые, во-первых, за счет выделяемой при разряде в газовой смеси энергии, производят нагрев активной среды до рабочей температуры и, во-вторых, создают инверсную населенность в активной среде [Исаев А.А., Казарян М.А., Петраш Г.Г. Эффективный импульсный лазер на парах меди с высокой средней мощностью генерации. // Письма в ЖТФ, т.16, с.40, 1972].

Данный способ возбуждения является наиболее простым способом получения паров активного вещества и их возбуждения. Однако при этом способе реализуется стационарный режим работы лазера и невозможно производить управление энергетическими характеристиками лазерной генерации (средняя и импульсная мощность лазерного излучения, длительность импульса генерации и расходимость лазерного излучения), поскольку изменение параметров импульса возбуждения, необходимое для осуществления управления энергетическими характеристиками генерации, приводит к нарушению теплового режима работы лазера.

Известен способ возбуждения импульсных лазеров на самоограниченных переходах, заключающийся в формировании импульсов возбуждения и дополнительных импульсов, не вызывающих генерации [Солдатов А.Н., Федоров В.Ф. Лазер на парах меди со стабилизированными выходными характеристиками. // Квантовая электроника, т.10, с.947-976, 1983].

Данный способ позволяет осуществлять стабилизацию выходных характеристик лазерного излучения на заданном уровне, но не позволяет управлять энергетическими характеристиками генерации лазера.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ возбуждения импульсных лазеров на самоограниченных переходах, работающий в режиме саморазогрева, заключающийся в реализации инверсии в активной среде при формировании с каждым импульсом возбуждения одного дополнительного импульса и осуществлении управления энергетическими характеристиками генерации за счет изменения временного расположения дополнительного импульса относительно импульса возбуждения, соблюдая при этом условие:

(E₁+E₂)f=P,

где E₁ - энергия импульса возбуждения; E₂ - энергия дополнительного импульса; f - частота следования импульса возбуждения; Р - мощность, необходимая для разогрева рабочего объема лазера и поддержания его при рабочей температуре.

При этом временное расположение дополнительного импульса относительно импульса возбуждения изменяют от момента начала импульса генерации в сторону предыдущего импульса возбуждения, а амплитуду напряжения дополнительного импульса выбирают постоянной в пределах 15-50% амплитуды напряжения импульса возбуждения [Скрипниченко А.С., Солдатов А.Н., Юдин Н.А. Способ возбуждения импульсных лазеров на самоограниченных переходах. // Патент РФ №2082263].

Данный способ позволяет управлять лишь средней и импульсной мощностью генерации. Недостатком данного способа является невозможность управления длительностью импульса генерации и расходимостью лазерного излучения.

Техническим результатом изобретения является управление энергетическими характеристиками генерации (средняя и импульсная мощность лазерного излучения, длительность импульса генерации и расходимость лазерного излучения).

Технический результат достигается тем, что в способе возбуждения импульсных лазеров на самоограниченных переходах, работающих в режиме саморазогрева, заключающемся в реализации инверсии в активной среде при формировании с каждым импульсом возбуждения одного дополнительного импульса и осуществлении управления энергетическими характеристиками генерации за счет изменения временного расположения дополнительного импульса относительно импульса возбуждения, соблюдая при этом условие: (E₁+Е₂)f=Р, где E₁ - энергия импульса возбуждения, Е₂ - энергия дополнительного импульса, f - частота следования импульса возбуждения, Р - мощность, необходимая для разогрева рабочего объема лазера и поддержания его при рабочей температуре, реализуют инверсию в активной среде с максимальной длительностью импульса генерации при минимальном напряжении импульса возбуждения, при этом управление энергетическими характеристиками генерации осуществляют за счет изменения временного расположения дополнительного импульса относительно импульса возбуждения в пределах импульса генерации.

В отличие от известного, в предлагаемом способе выбирают минимальное напряжение импульса возбуждения, при котором реализуется инверсия в активной среде, а временное расположение дополнительного импульса относительно импульса возбуждения изменяют в пределах импульса генерации.

Типичная длительность импульса генерации по полувысоте лазеров на самоограниченных переходах паров химических элементов составляет ~10-20 нc, что определяет большую расходимость лазерного излучения. В типичных экспериментальных условиях расходимость лазерного излучения с плоскопараллельным резонатором на два порядка, а с неустойчивым резонатором на порядок хуже дифракционной. Из-за высоких коэффициентов усиления, короткой длительности существования инверсии и больших осевых размеров активной среды формирование дифракционно направленного излучения происходит с большими энергетическими потерями. Это связано с тем, что время формирования излучения с дифракционной расходимостью сравнимо с длительностью импульса генерации ~20 нc. Так, например, в лазере на парах меди с оптимальным неустойчивым резонатором (увеличение М=30) достигнут коэффициент преобразования лазерного излучения в излучение с дифракционной расходимостью не более 12%.

Возбуждение активной среды лазеров на самоограниченных переходах паров химических элементов осуществляется прямым электронным ударом из основного состояния атома рабочего вещества. Электронная температура, определяющая скорости заселения верхних и нижних лазерных уровней рабочего вещества, отслеживает изменение напряженности поля на активной среде. При низких значениях электронной температуры, когда скорость заселения верхних лазерных уровней незначительно превышает скорость заселения нижних, реализуется минимальное значение инверсной населенности в активной среде, но максимальное время ее существования. С увеличением электронной температуры возрастает величина инверсной населенности в активной среде, но сокращается время ее существования. Эту особенность формирования инверсии в активной среде лазеров на самоограниченных переходах паров химических элементов предлагается использовать для управления энергетическими характеристиками лазерного излучения. Управление энергетическими характеристиками лазерного излучения заключается в том, что выбирается минимальное напряжение импульса возбуждения, при котором реализуется инверсия в активной среде с максимальной длительностью импульса генерации, а дополнительным импульсом, формируя его во время импульса генерации, осуществляется ее усиление. В этом случае управление энергетическими характеристиками лазерного излучения будет осуществляться за счет изменения временного расположения дополнительного импульса относительно импульса возбуждения в пределах импульса генерации.

Способ можно реализовать следующим образом.

На фиг.1 приведена блок-схема устройства, реализующего данный способ, где изображены регулируемые высоковольтные источники питания 1, 2; генератор запускающих импульсов 3; коммутаторы 4, 5; линии задержки 6, 7 (в качестве которых можно использовать, например, ждущие мультивибраторы); резонатор 8; лазерная трубка 9; зарядная индуктивность 10; накопительные конденсаторы 11, 12.

От регулируемого высоковольтного источника питания 1 заряжается накопительный конденсатор 11, а от регулируемого высоковольтного источника питания 2 заряжается накопительный конденсатор 12. Накопительные конденсаторы заряжаются через зарядную индуктивность 10, подключенную параллельно лазерной трубке 9. Генератор запускающих импульсов 3 через линию задержки 6 запускает коммутатор 4, который формирует импульсы возбуждения на лазерной трубке 9, помещенной в резонатор 8. Параллельно генератор запускающих импульсов 3 через линию задержки 7 (регулируемая линия задержки) запускает коммутатор 5, который формирует на лазерной трубке 9 дополнительный импульс.

Настройка лазера производится следующим образом.

Включают оба источника питания 1, 2 и разогревают рабочий объем лазерной трубки 9 до рабочей температуры, а с помощью регистрирующей аппаратуры регистрируют импульсы тока, напряжения, генерации, рабочую температуру. С помощью линии задержки 7 дополнительный импульс помещают за импульсом возбуждения. Затем проводят настройку лазера по возбуждению, подбирая параметры импульса возбуждения, при которых реализуется минимальное значение энергии импульса генерации, но максимальная длительность импульса генерации. Затем с помощью линии задержки 7 дополнительный импульс помещают перед импульсом возбуждения и проводят настройку лазера, подбирая параметры дополнительного импульса, при которых реализуется максимальное значение энергии импульса генерации. При этом должно выполняться условие: (E₁+E₂)f=Р, где E₁ - энергия импульса возбуждения; Е₂ - энергия дополнительного импульса; f - частота следования импульсов возбуждения; Р - мощность, необходимая для разогрева рабочего объема лазера и поддержания его при рабочей температуре. Выполнение данного условия необходимо для сохранения теплового режима работы лазера. Изменением задержки (линия задержки 7) дополнительного импульса относительно импульса возбуждения в пределах импульса генерации, формируемой импульсом возбуждения, можно осуществлять управление энергетическими характеристиками генерации от максимального значения до минимального значения. При этом излучение лазера будет иметь дифракционную расходимость при задержке дополнительного импульса >20 нс относительно начала импульса генерации в импульсе возбуждения.

Практически реализация данного способа была осуществлена в лазере на парах меди (ЛПМ). В качестве активного элемента использовалась промышленная лазерная трубка УЛ-102 "Квант", рабочий канал которой изготовлен из алундовой керамики – Аl₂О₃ диаметром 20 мм и длиной 400 мм. Для формирования импульса возбуждения использовался в качестве коммутатора 4 - тиратрон ТГИ1-270/12. Дополнительный импульс формировался коммутатором 5 - тиратрон ТГИ2-500/20. В качестве линий задержки использовались два ждущих мультивибратора, которые запускались от одного генератора.

На начальной стадии эксперимента выбиралась величина задержки между импульсами такой, чтобы дополнительный импульс, формируемый коммутатором 5, находился непосредственно за импульсом возбуждения. Параметры импульсов выбирались исходя из условия саморазогревного режима работы лазерной трубки УЛ-102. После выхода лазера на рабочий режим проводилась оптимизация параметров накачки. Напряжение на регулируемом высоковольтном источнике питания 1 выбиралось минимальным, при котором появляется генерация в импульсе возбуждения, а напряжение на регулируемом высоковольтном источнике питания 2 выбиралось из условия обеспечения саморазогревного режима работы ЛПМ. Следует отметить, что регулируемые источники питания 1, 2 представляли собой регулируемый высоковольтный выпрямитель. Выход выпрямителя соединялся с накопительным конденсатором через последовательно включенные зарядные дроссель и диод, чтобы обеспечивать резонансный заряд накопительного конденсатора. Дальнейшие исследования проводились при выбранных параметрах накачки на частоте следования импульсов (ЧСИ) возбуждения - 12,5 кГц. Импульс возбуждения формировался за счет разряда накопительного конденсатора 11-2200 пФ при напряжении на регулируемом высоковольтном источнике питания 1-2,3 кВ и потребляемом токе ~190 мА. Дополнительный импульс формировался за счет разряда накопительного конденсатора 12-1340 пФ при напряжении на регулируемом высоковольтном источнике питания 2-5,1 кВ и потребляемом токе ~210 мА. Импульс генерации в импульсе возбуждения появлялся через ~70 нc от начала импульса возбуждения. Длительность импульса генерации по полувысоте составляла ~45 нc, а по основанию ~110 нс, при средней мощности генерации ~13 мВт. Генерации в дополнительном импульсе при этом не наблюдалось. Изменение положения импульсов возбуждения относительно друг друга привело к появлению типичного для ЛПМ импульса генерации в дополнительном импульсе. Импульс генерации в этом случае появлялся через ~40 нc от начала дополнительного импульса. Длительность импульса генерации по полувысоте составляла ~20 нc при средней мощности генерации ~3,2 Вт. Дальнейшие исследования проводились для случая, когда дополнительный импульс находился за импульсом возбуждения. С изменением задержки между импульсами, в сторону совмещения импульсов, наблюдалось усиление той части импульса генерации, которая совпадала с фронтом напряжения дополнительного импульса, как показано на фиг.2. На фиг.2 приведены импульсы тока (13), напряжения (14) на лазерной трубке и импульсы генерации (15) - во время импульса возбуждения, и (16) - усиленный дополнительным импульсом. Стрелкой показано направление изменения задержки между импульсами. На фиг.3 показано изменение средней мощности генерации ЛПМ, а на фиг.4 - длительности усиленного импульса генерации по полувысоте при перемещении дополнительного импульса по импульсу генерации в импульсе возбуждения от "хвоста" импульса генерации к основанию (показано стрелкой на фиг.3 и фиг.4). Коэффициент преобразования лазерного излучения в излучение с дифракционной расходимостью в данном режиме работы ЛПМ достигает значения ~80%. Характерно, что наблюдаемое усиление генерации дополнительным импульсом возбуждения отражает радиально-временной профиль импульса генерации, формируемый импульсом возбуждения. Так на "хвосте" импульса генерации наблюдалось усиление в виде кольца у стенок газоразрядного канала лазерной трубки на длине волны генерации 578,2 нм. При перемещении дополнительного импульса вдоль импульса генерации от "хвоста" импульса генерации к основанию наблюдалось постепенное выравнивание радиального профиля генерации на λ=578,2 нм в течение ~20-25 нс, затем появлялось усиление генерации в виде кольца и на λ=510,6 нм с последующим выравниванием радиального профиля генерации.

Данное техническое решение позволяет значительно расширить функциональные возможности лазеров на самоограниченных переходах.

Представляет интерес практически во всех областях, где нашли применение данные лазеры.

Изобретение относится к области квантовой электроники и используется при создании импульсно-периодических лазеров на парах химических элементов. Способ возбуждения импульсных лазеров на самоограниченных переходах, работающих в режиме саморазогрева, заключается в формировании с каждым импульсом возбуждения одного дополнительного импульса с регулируемой задержкой между импульсами при соблюдении условия: (E₁+E₁)f=P, где E₁ - энергия импульса возбуждения; E₂ - энергия дополнительного импульса; f - частота следования импульсов возбуждения; Р - мощность, необходимая для разогрева рабочего объема лазера и поддержания его при рабочей температуре. Выбирается минимальное напряжение импульса возбуждения, при котором реализуется инверсия в активной среде, а временное расположение дополнительного импульса относительно импульса возбуждения изменяют в пределах импульса генерации. Обеспечено управление средней и импульсной мощностью лазерного излучения, длительностью импульса генерации и расходимостью лазерного излучения. 4 ил.

Способ возбуждения импульсного лазера на самоограниченных переходах, работающих в режиме саморазогрева, заключающийся в реализации инверсии в активной среде при формировании с каждым импульсом возбуждения одного дополнительного импульса и осуществлении управления энергетическими характеристиками генерации за счет изменения временного расположения дополнительного импульса относительно импульса возбуждения, соблюдая при этом условие

(E₁+Е₂)f=P,

где E₁ - энергия импульса возбуждения;

Е₂ - энергия дополнительного импульса;

f - частота следования импульсов возбуждения;

Р - мощность, необходимая для разогрева рабочего объема лазера и поддержания его при рабочей температуре,

отличающийся тем, что реализуют инверсию в активной среде с максимальной длительностью импульса генерации при минимальном напряжении импульса возбуждения, при этом управление энергетическими характеристиками генерации осуществляют за счет изменения временного расположения дополнительного импульса относительно импульса возбуждения в пределах импульса генерации.