ДВУХКАНАЛЬНАЯ ИМПУЛЬСНАЯ ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА С ПЕРЕСТРОЙКОЙ ДЛИНЫ ВОЛНЫ ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК H01S3/10 

Предлагаемое изобретение относится к импульсным твердотельным лазерам с электрооптической модуляцией добротности резонатора с преобразованием частоты излучения в параметрических генераторах света и может быть использовано для получения мощных наносекундных импульсов лазерного излучения, плавно перестраиваемого по длине волны в ближнем (˜1,6 мкм) и среднем (˜3 мкм) инфракрасном спектральном диапазоне в лидарных системах экологического газоанализа атмосферы.

Среди методов лазерного дистанционного газоанализа атмосферы, позволяющих получить полную информацию о присутствии углеводородов, в первую очередь метана, на протяженных трассах вдоль трубопроводов или на территориях, где расположены газохранилища, наиболее перспективным считается метод дифференциального поглощения.

Для реализации этого метода необходима перестраиваемая по длине волны излучения лазерная система с излучением на длине волны λ_in, попадающей в узкую линию поглощения определяемого газа, и с излучением на длине волны λ_out, не попадающей в линию поглощения, но близкую к λ_it. Тогда при отражении от подстилающей поверхности в случае ослабления сигнала на длине волны λ_in можно судить о присутствии данного газа. Для обнаружения другого газа (этана, пропана, бутана и т.д.) требуется перестроить длины волн λ_in и λ_out в соответствии с его спектром поглощения.

Известна одноканальная лазерная система на твердотельном лазере на AHT:Nd с параметрическими генераторами света на основе нелинейного элемента из кристалла LiNbO₃, перестраиваемая по длине волны излучения [1]. Однако данная система не может работать в составе мобильного комплекса, т.к. для перестройки длины волны излучения и измерений на каждой длине волны требуется некоторое время.

Для получения оперативной информации при дистанционном газоанализе атмосферы с помощью мобильных комплексов, размещенных на автомобиле или вертолете, от лазерной системы требуется, чтобы она работала в импульсном режиме и являлась двухканальной.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является двухканальная импульсная твердотельная лазерная система для автомобильно-авиационного лидарного комплекса для газоанализа атмосферы, состоящая из двух синхронно излучающих импульсных лазеров на AHT:Nd с преобразованием длины волны излучения накачки λ_н=1064 нм в параметрических генераторах света на LiNbO₃, позволяющая обнаруживать присутствие метана на расстояниях до 500 м [2]. При этом поиск метана ведется на холостой волне излучения ПГС (λ_x)_in=392,2 нм, попадающей в линию поглощения газа. Во втором канале импульсы излучения с длиной волны (λ_x)_out=3391,2 нм, не попадающей в полосу поглощения метана и паров воды, сдвинуты во времени относительно импульсов излучения в первом канале на временной интервал ˜20 мкс. Лазерная система излучает по двум каналам импульсы излучения с частотой повторения 25 Гц, что позволяет в процессе движения комплекса обрабатывать поступающую информацию.

Важнейшими требованиями к параметрам лазерных импульсов являются энергия импульсов на длине волны λ_х(Е_λx≥1 мДж), которая определяет дальность действия комплекса, и ширина спектра излучения (Δ1/λ_х≤3,5 см^-1), которая не должна превышать ширину линии в спектре поглощения метана.

Эти требования на практике определяют принцип построения двухканальной лазерной системы. Так, в каждом канале присутствует одномодовый задающий лазер на AHT:Nd, генерирующий излучение с узкой шириной спектра и дифракционной расходимостью, двухпроходовый усилитель, обеспечивающий увеличение энергии импульсов накачки λ_н=1064 нм до величины ≅100 мДж, и однорезонаторный параметрический генератор света на LiNbO₃ с генерацией излучения сигнальной волны с λ_с=1600 нм и холостой волны с λ_х≅3300 нм.

Основным недостатком данной системы является повышенная чувствительность энергетических параметров импульсов задающего лазера к энергии импульсов накачки, что связано с необходимостью выбора рабочей точки по энергии импульсов накачки вблизи порога генерации, так как именно вблизи порога ширина спектра излучения накачки наиболее узкая, а длительность импульсов достаточно велика, чтобы обеспечить необходимую ширину спектра излучения ПГС (Δ1/λ_х=3,5 см^-1). Поэтому небольшие отклонения по энергии импульсов накачки в сторону уменьшения, например вследствие естественной деградации лампы накачки в процессе эксплуатации, приводят к сильной нестабильности энергии импульсов излучения λ_x и даже к срыву генерации ПГС, который тоже работает близко к своему порогу генерации.

При небольших отклонениях по энергии импульсов накачки в сторону увеличения, например вследствие нестабильности энергии импульсов накачки или ошибки при выборе рабочей точки, происходит резкое увеличение энергии импульсов излучения накачки Е_λн, приводящее к оптическому пробою поверхности элемента из LiNbO₃, и, следовательно, к необратимой деградации параметров импульсов излучения ПГС.

К другим недостаткам известной системы следует отнести большие вес и габариты, обусловленные применением принципа тиражирования "два канала - два лазера", что привело к необходимости использовать 4 блока питания ламп и 2 блока охлаждения осветителей.

Задачей настоящего изобретения является улучшение стабильности параметров импульсов излучения и повышение надежности при эксплуатации лазерной системы, а также уменьшение ее веса и габаритов.

Для решения поставленной задачи в двухканальной твердотельной лазерной системе с перестройкой длины волны излучения, состоящей из двух твердотельных лазеров с параметрическими генераторами света, применены лазеры, состоящие из задающих лазеров и усилителей, причем два активных элемента задающих лазеров с полированной боковой поверхностью помещены в одноламповый осветитель, а два активных элемента усилителей помещены во второй одноламповый осветитель, причем каждый усилитель выполнен по двухпроходной кольцевой схеме, включающей в себя последовательно расположенные первый поляризатор, вращатель плоскости поляризации на 90°, активный элемент, второй поляризатор, первое поворотное зеркало, телескоп, двулучепреломляющую пластину и второе поворотное зеркало.

Применение в задающих лазерах активных элементов с полированной боковой поверхностью позволило осуществить стабилизацию энергетических параметров импульсов излучения задающих лазеров вблизи порога генерации при размещении активных элементов в одноламповом осветителе, а применение схемы двухпроходного усилителя кольцевого типа со встроенным ослабителем на основе двулучепреломляющей пластины и первого поляризатора позволило разместить активные элементы усилителей в одном одноламповом осветителе.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.

Два резонатора двух задающих лазеров образованы глухими зеркалами 1, 2 и общим выходным частично прозрачным зеркалом 3. Поляризатор 4 представляет собой пластину с многослойным диэлектрическом покрытием, поляризует излучение в плоскости чертежа. Электрооптические элементы из кристалла LibO₃ 5, 6 могут изменять добротность резонатора при подаче напряжения на управляющие электроды. Активные элементы 7, 8 из алюмоиттриевого граната с неодимом (АИГ:Nd) цилиндрической формы размером ⊘3×60 мм помещены в одноламповый осветитель 9, при этом боковая поверхность активных элементов 7, 8 является полированной (обработана по 10 классу). За выходным зеркалом 3 расположены два усилителя на основе активных элементов из АИГ:Nd цилиндрической формы размером ⊘6,3×100 мм, каждый из которых выполнен по двухпроходной кольцевой схеме. Каждый усилитель содержит первый поляризатор 10, вращатель плоскости поляризации на 90° на основе оптически активного кристаллического кварца 11 (12), активный элемент 13 (14), второй поляризатор 15, первое поворотное зеркало 16 (17), телескоп из отрицательной линзы 18 (19) и положительной линзы 20 (21), двулучепреломляющую пластину λ/4 22 (23), второе поворотное зеркало 24 (25). При этом два активных элемента 13 и 14 помещены в одноламповый осветитель 16.

После поворотных зеркал 27, 28 (29, 30) расположены параметрические генераторы света, каждый из которых содержит резонатор, образованный параметрическим зеркалом 31 (32), прозрачным для излучения с λ_н=1064 нм и глухим для излучения с λ_с=1600 нм, и параметрическим зеркалом 33 (34), прозрачным для излучений с λ_н=1064 нм и λ_х=3300 нм, частично прозрачным для излучения с λ_c=1600 нм, и элемент из кристалла LibO₃ 35 (36) размером 12×14×40 мм.

Для получения эффективной параметрической генерации света необходимо использовать кристаллы LibO₃ с высокой степенью продольной и поперечной однородности. В процессе отбора элементов их однородность контролируется по специальной методике.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

В импульсно-периодическом режиме за время каждого импульса накачки ламп осветителей, каждая из которых является нагрузкой для соответствующего блока питания, при закрытых электрооптических затворах резонатора, образованных поляризатором 4, электрооптическими элементами 5, 6 и зеркалами 1, 2, во всех активных элементах 7, 8, 13, 14 происходит накопление инверсной населенности.

Так как боковая поверхность активных элементов задающих лазеров является полированной и, следовательно, хорошо отражающей для лучей под углами полного внутреннего отражения, в активных элементах через определенное время (˜100 мкс) после начала импульса накачки развивается генерация так называемых внутренних мод. Интенсивность внутренних мод максимальна в объеме между поверхностью активного элемента и виртуальной поверхностью цилиндра такой же длины как и активный элемент, но сечения меньшего диаметра d=Dn^-1, где D - диаметр поперечного сечения активного элемента, n - относительный показатель преломления (кристалл - охлаждающая жидкость).

Поэтому в этой периферийной области объема элемента коэффициент усиления перестает расти во времени. В центральной же части активного элемента рост коэффициента усиления продолжается, что приводит к созданию в поперечном сечении элемента т.н. активной "мягкой" диафрагмы. Активная "мягкая" диафрагма обладает высоким коэффициентом усиления в центре сечения с крутым, но плавным спадом на границе виртуального цилиндра с диаметром d. Подобное распределение обеспечивает в первом задающем лазере генерацию поперечной моды TEM_ooq при включении добротности резонатора, образованного зеркалами 1, 3, путем подачи импульса высоковольтного напряжения на электроды электрооптического элемента 5 с блока управления затвором БУЗ-1.

Управляя моментом включения добротности путем выбора времени задержки импульса запуска БУЗ-1 относительно начала импульса ламповой накачки, можно подобрать необходимый уровень энергии моноимпульса одномодового излучения.

При увеличении энергии накачки с помощью увеличения энергии импульса накачки Е_н=CU²/2, где С - емкость разрядного конденсатора, U - предразрядное напряжение на конденсаторе, происходит возрастание интенсивности внутренних мод в активном элементе и, следовательно, к возрастанию их влияния на центральную область активного элемента за счет лучей, попадающих в центр при рассеянии в объеме.

В результате рост энергии импульсов накачки не приводит к росту энергии моноимпульсов излучения. Таким образом, возникает возможность стабилизации энергетических параметров моноимпульсов излучения на уровне с широким динамическим диапазоном. При этом уровень зависит от момента включения добротности резонатора и может быть выбран близким к припороговым значениям.

При включении добротности резонатора второго задающего лазера с помощью БУЗ-2 через время ˜10 мкс после включения добротности резонатора первого задающего лазера второй задающий лазер также генерирует моноимпульс излучения с пространственной структурой, соответствующей моде TEM_ooq, энергия которого близка к энергии моноимпульса излучения первого лазера, так как время жизни метастабильного уровня ионов Nd³⁺ составляет 230 мкс.

Далее одномодовое излучение двух задающих лазеров направляется по двум каналам в два усилителя, в активных элементах которых под действием одной лампы накачки достигается максимум инверсной населенности в момент, близкий к моментам генерации моноимпульсов излучения задающих лазеров.

Проходя первый поляризатор 10 и вращатель 11 поляризации на 90°, излучение первого задающего лазера меняет плоскость поляризации с горизонтальной на вертикальную, усиливается в активном элементе 13 и отражается от второго поляризатора. Затем излучение направляется зеркалом 16 в телескоп из линз 18, 20 и частично деполяризуется в пластине λ/4 22. После отражения зеркалом 24 излучение с вертикальной плоскостью поляризации второй раз проходит вращатель 11, становясь поляризованным в горизонтальной плоскости, усиливается в активном элементе 13, проходит поляризатор 15 и через зеркала 27, 28 направляется в ПГС.

Излучение второго задающего лазера усиливается аналогичным образом во втором усилителе и направляется в ПГС.

Так как требуемые параметры импульсов излучения ПГС могут быть получены при определенных с большой точностью энергетических параметрах импульсов излучения с λ_н (между порогом генерации ПГС и лучевой прочностью), окончательная регулировка энергии импульсов излучения с λ_n осуществляется с помощью поворота двулучепреломляющих пластин 22, 23, которые вместе с поляризатором 10 играют роль плавного ослабителя с коэффициентом ослабления от 1 до 2.

Для сужения спектра генерации излучения ПГС необходимо, чтобы расходимость излучения с λ_н в каждом канале была минимальной. Выполнение этого условия достигается изменением межлинзового расстояния соответствующего телескопа, что компенсирует влияние термической линзы в активном элементе усилителя на кривизну фазового фронта излучения.

Важнейшими особенностями предлагаемого устройства двухканальной твердотельной лазерной системы с перестройкой длины волны излучения являются:

1) кратковременная и долговременная стабильность энергетических параметров импульсов излучения задающего лазера в припороговой области энергий импульсов ламповой накачки, что позволило создать компактный двухканальный задающий лазер на основе однолампового осветителя с одним блоком питания;

2) возможность прецизионной подстройки энергетических параметров импульсов и расходимости излучения с λ_н после усиления в усилителе на основе компактного двухэлементного однолампового осветителя с одним блоком питания, что вместе с п.1. повышает надежность системы;

3) компактность и меньший вес системы за счет уменьшения в два раза по сравнению с прототипом количества излучателей, блоков питания и охлаждения.

Литература

1. Р.Межерис, "Лазерное дистанционное зондирование", М., "Мир", 1987, с.448.

2. Патент РФ №2086959, G 01 N 21/39, 21/61 - прототип.

Изобретение относится к лазерной технике, к импульсным твердотельным лазерам с электрооптической модуляцией добротности резонатора, может быть использовано для получения мощных наносекундных импульсов излучения. Система состоит из двух твердотельных лазеров с параметрическими генераторами света. Лазеры состоят из задающих лазеров и усилителей. Два активных элемента задающих лазеров с полированной боковой поверхностью помещены в одноламповый осветитель. Два активных элемента усилителей помещены во второй одноламповый осветитель. Каждый усилитель выполнен по двухпроходной кольцевой схеме. Схема включает в себя последовательно расположенные первый поляризатор, вращатель плоскости поляризации на 90°, активный элемент, второй поляризатор, первое поворотное зеркало, телескоп, двулучепреломляющую пластину и второе поворотное зеркало. Технический результат - улучшение стабильности параметров импульсов излучения и повышение надежности при эксплуатации лазерной системы, уменьшение ее веса и габаритов. 1 ил.

Двухканальная импульсная твердотельная лазерная система с престройкой длины волны излучения, состоящая из двух твердотельных лазеров с параметрическими генераторами света, отличающаяся тем, что лазеры состоят из задающих лазеров и усилителей, причем два активных элемента задающих лазеров с полированной боковой поверхностью помещены в одноламповый осветитель, а два активных элемента усилителей помещены во второй одноламповый осветитель, причем каждый усилитель выполнен по двухпроходной кольцевой схеме, включающей в себя последовательно расположенные первый поляризатор, вращатель плоскости поляризации на 90°, активный элемент, второй поляризатор, первое поворотное зеркало, телескоп, двулучепреломляющую пластину и второе поворотное зеркало.