ИМПУЛЬСНАЯ ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА С ГЕНЕРАЦИЕЙ ВЫСШИХ ГАРМОНИК ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2007 года по МПК H01S3/10 H01S3/109 

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к импульсным твердотельным лазерным системам с генерацией высших гармоник излучения.

Импульсные лазеры с 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 (АИГ:Nd, АИ:Nd и др.). Для генерации в видимом и УФ-диапазонах часто используется каскадное преобразование частоты излучения в высшие гармоники в нелинейных кристаллах, среди которых следует отметить кристаллы КТР, ВВО, LBO, обладающие высокой нелинейностью и высокой лучевой стойкостью.

Для дальнейшего развития и совершенствования некоторых научно-технических направлений, в частности, систем экологического мониторинга, использующих методы флуоресцентной спектроскопии для идентификации примесей и определения их концентрации в водной среде, необходимо применять многофункциональные лазерные системы. Такие лазерные системы для возбуждения объектов анализа должны генерировать импульсы излучения в видимом и УФ диапазонах, дискретно изменять не только частоту излучения, но и длительность импульсов в широких пределах (из наносекундного в субнаносекундный диапазон), а также плавно изменять мощность импульсов излучения на каждой длине волны без изменения других параметров, таких как длительность импульсов, диаметр пучка, расходимость.

В настоящее время генерация субнаносекундных импульсов достигается в микрочип-лазерах на АИГ:Nd с пассивным затвором из кристалла АИГ:Cr⁴⁺ с Диодной накачкой [1, 2]. Так как длина резонатора микрочип-лазера составляет несколько мм, длительность импульсов излучения в режиме модуляции добротности резонатора попадает в субнаносекундный диапазон 0,1...0,4 нс.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является импульсная твердотельная лазерная система на основе микрочип-лазера с пассивным затвором из кристалла АИГ:Cr⁴⁺ с диодной накачкой, двухпроходовым усилителем и нелинейными элементами для преобразования частоты излучения в высшие гармоники [3].

Однако в этой лазерной системе отсутствует возможность дискретной перестройки частоты излучения и дискретной перестройки длительности импульсов в наносекундный диапазон. Для ряда научно-прикладных задач такая лазерная система будет ограничивать применение разработанных методик в силу своих узких характеристик. Необходимо будет использовать дополнительный лазер (или лазеры), что создает значительные затруднения в применении нескольких лазеров в составе единого экспериментального комплекса, а также повышает дороговизну этого комплекса. Создание многофункциональной лазерной системы может решить эти проблемы.

Задачей настоящего изобретения является создание лазерной системы, способной генерировать по одному направлению импульсы с дискретно перестраиваемой длительностью, с дискретно перестраиваемой частотой излучения и с плавно изменяемой мощностью.

Для решения поставленной задачи в импульсную твердотельную лазерную систему с генерацией высших гармоник излучения, содержащую микрочип-лазер с пассивным затвором из кристалла АИГ:Cr⁴⁺, с диодной накачкой, двухпроходовый усилитель и нелинейные элементы для преобразования частоты излучения в высшие гармоники, добавлен предусилитель, в оптическую схему которого введены с одной стороны активного элемента первое глухое зеркало, входной поляризатор, электрооптический элемент, 90-градусный вращатель плоскости поляризации, установленный на первом двухпозиционном перемещающем устройстве, призма, выходной поляризатор, поворотное зеркало, второе глухое зеркало, перекрытое первой секцией двухсекционного экрана, установленного на втором двухпозиционном устройстве, а с другой стороны от активного элемента введено третье глухое зеркало, обеспечивающее прохождение луча микрочип-лазера через активный элемент по траектории, подобной римской цифре V, в оптическую схему двухпроходового усилителя введен электрооптический элемент, в оптическую схему расположения нелинейных элементов для преобразования частоты излучения в высшие гармоники введены зеркала и дисперсионные призмы, в том числе зеркала и призмы на перемещающих устройствах, позволяющих при соответствующей коммутации включения обеспечивать прохождение луча в определенный нелинейный элемент для преобразования частоты излучения в высшую гармонику и последующую селекцию по единому для всех гармоник направлению, причем первое и второе перемещающие устройства расположены так, что при их одновременном выключении 90-градусный вращатель плоскости поляризации находится вне луча, первая секция двухсекционного экрана открывает второе глухое зеркало, образующее с первым и третьим глухими зеркалами оптический резонатор, а луч микрочип-лазера перекрыт второй секцией двухсекционного экрана.

При одновременном выключении перемещающих устройств предусилитель преобразуется в лазер, генерирующий импульсы излучения с длительностью в наносекундном диапазоне с сохранением прежнего направления распространения излучения. В лазерной системе появляется возможность плавного изменения мощности импульсов излучения, выходящего из усилителя, что позволяет плавно изменять мощность импульсов излучения высших гармоник. Появляется возможность дискретного переключения частоты излучения с сохранением единого направления выхода излучения из системы для всех гармоник.

Таким образом, предлагаемое устройство является многофункциональной лазерной системой, способной дискретно перестраиваться по длительности импульсов из субнаносекундного в наносекундный диапазон и по частоте излучения в видимом и УФ-спектральных диапазонах, а также плавно перестраиваться по мощности излучения.

На чертеже представлена оптическая схема предлагаемого устройства.

В оптической схеме лазерной системы расположены микрочип-лазер 1 из кристалла АИГ:Nd с пассивным затвором из кристалла АИГ:Cr⁴⁺ с диодной накачкой по оптоволокну, двухсекционный экран на перемещающем устройстве 2, поворотное зеркало 3, линза 4; предусилитель, состоящий из глухих зеркал 5-8, входного поляризатора 9, электрооптического элемента 10, 90-градусного вращателя плоскости поляризации на перемещающем устройстве 11, диафрагмы 12, поворотной призмы 13, активного элемента из АИГ:Nd 14, выходного поляризатора 15; усилитель, состоящий из входного поляризатора 16, 90-градусного вращателя плоскости поляризации 17, активного элемента из АИГ:Nd 18, выходного поляризатора 19, поворотного зеркала 20, телескопа 21, электрооптического элемента 22, поворотного зеркала 23; поворотные зеркала 24-25, вращатель плоскости поляризации 26, нелинейный кристалл КТР 27, поворотные зеркала 28-29 на селектирующем перемещающем устройстве 30, 90-градусный вращетель плоскости поляризации 31, нелинейные кристаллы ВВО 32-33, селектирующее перемещающее устройство 34, дисперсионная призма Пеллин-Брока 35, поворотное зеркало 36.

Предлагаемая лазерная система работает следующим образом.

Микрочип-лазер представляет собой излучатель из АИГ:Nd с пассивным затвором из АИГ:Cr⁴⁺ с диодной накачкой, работает в импульсно-периодическом режиме с частотой повторения от 1 до 100 Гц. Из-за малой длины резонатора длительность импульсов излучения попадает в субнаносекундный диапазон.

При параллельном включении первого и второго перемещающих устройств излучение микрочип-лазера (λ=1064 нм) проходит в оптическую схему предусилителя. За время импульса накачки через лампу двухпроходового предусилителя в элементе 14 возникает инверсная населенность, что приводит к эффекту усиления импульсов излучения микрочип-лазера.

Затем происходит дальнейшее усиление импульсов излучения в двухпроходовом усилителе кольцевого типа в элементе 18.

При подаче высокого напряжения на электроды электрооптического элемента 22 происходит деполяризация излучения на втором проходе с потерей части излучения, поляризованной горизонтально на входном поляризаторе 16. Тем самым достигается плавное изменение уровня энергии импульсов на втором входе в усилитель и, следовательно, плавное изменение уровня энергии импульсов на выходе усилителя.

При плавном изменении уровня энергии импульсов излучения реализуется также плавное изменение энергии импульсов излучения высших гармоник.

В оптической схеме преобразования частоты последовательно расположены нелинейные элементы КТР 27 для генерации излучения второй гармоники (λ=532 нм), ВВО 32, помещенный в термостат, для генерации излучения четвертой гармоники (λ=266 нм), ВВО 33 для генерации излучения третьей гармоники (λ=355 нм) и дисперсионные призмы и зеркала для дискретного переключения и селекции гармоник. При включенном селектирующем перемещающем устройстве 30 излучение первой гармоники преобразуется в элементе КТР 27 в излучение второй гармоники по второму типу взаимодействия и через параметрические зеркала 28-29, отражающие только вторую гармонику, выходит из излучателя. При выключенном устройстве 30 и включенном устройстве 34 преобразованное излучение второй гармоники попадает в элемент ВВО 32, где по первому типу взаимодействия преобразуется в четвертую гармонику, при этом после селекции из излучателя выходит только четвертая гармоника. При выключенных устройствах 30 и 34 с пульта управления одновременно выключается питание термостата элемента 32, при этом излучение второй гармоники проходит элемент ВВО 32, не преобразуясь в четвертую гармонику, и попадает в элемент ВВО 33, где генерируется излучение третьей гармоники по первому типу взаимодействия, и после селекции на призме 35 через зеркало 36 выходит из излучателя. Все лучи юстировкой сводятся в одном направлении.

При выключенных одновременно перемещающих устройствах 2 и 11 90-градусный вращатель плоскости поляризации выведен из оптического тракта, а двухсекционный экран перекрывает первой своей секцией луч микрочип-лазера, а вторая секция открывает оптический путь для глухого зеркала 6. Глухое зеркало 7 вместе с зеркалами 6 и 8 образуют трехзеркальный резонатор лазера, обеспечивающий прохождение генерации через активный элемент по траектории, подобной римской цифре V, совпадающей с траекторией, по которой идет излучение микрочип-лазера при включенных устройствах 2 и 11. Таким образом, появляется возможность генерировать импульсы с наносекундной длительностью и дискретно переключаться в субнаносекундный диапазон.

Результаты испытаний лазерной системы, представленные в таблице, подтверждают многофункциональность предложенного устройства.

ТаблицаДлина волны излучения, нм532355266Длительность импульсов по уровню 0,5, нс0,3250,3230,322Максимальная энергия импульсов, мДж5151,551,55Частота повторения импульсов, Гц10

Из таблицы видно, что предложенная импульсная твердотельная лазерная система способна дискретно перестраиваться по длительности импульсов излучения из субнаносекундного в наносекундный диапазон и переключаться по частоте излучения (2, 3 и 4 гармоники) в видимом и УФ-спектральных диапазонах, а также плавно перестраиваться по мощности импульсов излучения в каждом из шести режимов работы.

Данная лазерная система может применятся в комплексных научных исследованиях, в экологическом мониторинге и других научно-практических целях, так как заменяет собой сразу несколько лазеров.

Источники информации

1. J.Zayhowski, "Microchip lasers", Optical materials 11 (1999) р.255-267.

2. Е.Molva, "Microchip lasers and their applications in optical Microsystems", Optical materials 11 (1999) p.289-299.

3. Патент США №6373864, 2002 г. - прототип.

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к импульсным твердотельным лазерным системам, работающим в субнаносекундном и наносекундном диапазоне длительностей импульсов с каскадным преобразованием частоты излучения в высшие гармоники в видимом и УФ-спектральных диапазонах. Лазерная система содержит микрочип-лазер с пассивным затвором из кристалла АИГ:Cr⁴⁺, двухпроходовый усилитель и нелинейные элементы для преобразования частоты излучения в высшие гармоники. Добавлен предусилитель. В оптическую схему предусилителя введены с одной стороны активного элемента первое глухое зеркало, входной поляризатор, электрооптический элемент, 90-градусный вращатель плоскости поляризации, установленный на первом двухпозиционном перемещающем устройстве, призма, выходной поляризатор, поворотное зеркало, второе глухое зеркало, перекрытое первой секцией двухсекционного экрана, третье глухое зеркало. В оптическую схему двухпроходового усилителя введен электрооптический элемент. Технический результат - создание лазерной системы, способной генерировать по одному направлению импульсы с дискретно перестраиваемой длительностью, с дискретно перестраиваемой частотой излучения и с плавно изменяющейся мощностью. 1 табл., 1 ил.

Импульсная твердотельная лазерная система с генерацией высших гармоник излучения, содержащая микрочип-лазер с пассивным затвором из кристалла АИГ:Cr⁴⁺, с диодной накачкой, двухпроходовый усилитель и нелинейные элементы для преобразования частоты излучения в высшие гармоники, отличающаяся тем, что в лазерную систему добавлен предусилитель, в оптическую схему которого введены с одной стороны активного элемента первое глухое зеркало, входной поляризатор, электрооптический элемент, 90-градусный вращатель плоскости поляризации, установленный на первом двухпозиционном перемещающем устройстве, призма, выходной поляризатор, поворотное зеркало, второе глухое зеркало, перекрытое первой секцией двухсекционного экрана, установленного на втором двухпозиционном устройстве, а с другой стороны от активного элемента введено третье глухое зеркало, обеспечивающее прохождение луча микрочип-лазера через активный элемент по траектории, подобной римской цифре V, в оптическую схему двухпроходового усилителя введен электрооптический элемент, в оптическую схему расположения нелинейных элементов для преобразования частоты излучения в высшие гармоники введены зеркала и дисперсионные призмы, в том числе зеркала и призмы на перемещающих устройствах, позволяющих при соответствующей коммутации включения обеспечивать прохождение луча в определенный нелинейный элемент для преобразования частоты излучения в высшую гармонику и последующую селекцию по единому для всех гармоник направлению, причем первое и второе перемещающие устройства расположены так, что при их одновременном выключении 90-градусный вращатель плоскости поляризации находится вне луча, первая секция двухсекционного экрана открывает второе глухое зеркало, образующее с первым и третьим глухими зеркалами оптический резонатор, а луч микрочип-лазера перекрыт второй секцией двухсекционного экрана.