ЭКСИМЕРНЫЙ ЛАЗЕР С СУБПИКОСЕКУНДНЫМ ИМПУЛЬСОМ ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК H01S3/22 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании эксимерных лазеров с импульсом излучения короткой длительности и малой расходимости.

Известно, что эксимерные лазеры являются наиболее эффективными и мощными источниками в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне спектра. К настоящему времени в литературе имеется значительное количество экспериментальных и теоретических работ, посвященных изучению этих лазеров. Для многих применений требуются мощные и короткие (единицы и доли наносекунд) импульсы с малой расходимостью (близкой к дифракционному пределу) излучения. Формирование таких импульсов является достаточно сложной задачей.

Одним из перспективных способов формирования мощного лазерного пучка с малой расходимостью и короткой длительностью является формирование пучка в оптических схемах, в которых используется вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ зеркало) [1, 2]. Такое зеркало позволяет формировать короткий импульс и, дополнительно, за счет обращения волнового фронта (ОВФ) пучка, улучшать его расходимость при усилении в активной среде на обратном проходе через нее. Однако для реализации таких оптических схем требуется сложная лазерная система, состоящая из двух лазерных блоков, требующих наносекундной синхронизации при работе и большого набора дорогих оптических элементов. При этом в первом лазерном блоке, являющемся задающим генератором, происходит формирование пучка с необходимым качеством для работы ВРМБ зеркала (узкая спектральная линия и малая расходимость). Во втором блоке-усилителе происходит повышение энергии лазерного импульса до уровня, который необходим для работы ВРМБ зеркала. После усилителя пучок фокусируется на поверхность ВРМБ зеркала (жидкая среда). При этом после начала отражения пучка вблизи поверхности жидкости зажигается плазмы в парах жидкости. Данная плазма поглощает падающее излучение, перекрывая ВРМБ зеркало. Поэтому отражается только короткая начальная часть падающего импульса (происходит усечение импульса). Короткий импульс снова проходит усилитель в обратном направлении, повышая свою энергию, и с помощью специальной оптической развязки (обычно используется поляризационная развязка) мощный короткий пучок выводится из лазерной системы.

В работах [3-7] описаны исследования по формированию коротких импульсов с длительностью в десятки-сотни пикосекунд в таких эксимерных лазерных системах. При этом в качестве ВРМБ зеркала используются такие жидкости, как этанол, гептан, гексан и др.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является эксимерный лазер, описанный в работе [7], в котором были реализованы условия, позволяющие получить мощный короткий импульс в одном лазерном блоке. При этом существенно упрощается как оптическая, так и электрическая схема установки, снижается ее стоимость, повышается стабильность параметров лазерного пучка. В данной работе было реализовано двухступенчатое усечение пучка, сначала до длительности импульса 200 пс, при последующем усечении и до 40 пс. Прототипом технического решения взят лазер, в котором реализована первая ступень. В данном лазере формирование короткого импульса излучения происходило в резонаторе, образованного вогнутой поверхностью мениска с коэффициентом отражения 70% и ВРМБ зеркалом. Для уменьшения расходимости излучения внутри резонатора располагалась диафрагма, а для фокусировки излучения на ВРМБ зеркало внутри резонатора использовались поворотное зеркало и линза с фокусным расстоянием 5 см.

Принцип работы данной схемы заключался в том, что в активной среде формировался поток усиленного спонтанного излучения (УСИ), который отражался от мениска, усиливался на проходе через активную среду до 2 мДж и фокусировался на ВРМБ зеркало в приповерхностном слое жидкости (гексан). ВРМБ зеркало отражало короткий импульс излучения (200 пс), который снова проходил через активную среду, повышая свою энергию до десятков микроджоулей, и выходил из лазера. Понятно, что на ВРМБ зеркало падало излучение с большой расходимостью, поскольку оно было сформировано из спонтанного шума только на двух проходах по активной среде (несмотря на наличие диафрагмы, которая в какой-то мере уменьшала расходимость). Это явилось главной причиной того, что при отражении излучения от ВРМБ зеркала пучок не испытывал ОВФ, просто наблюдалось рассеяние падающего пучка ВРМБ средой. Как следствие этого, короткий лазерный импульс излучения на выходе из данного лазера имел достаточно большую расходимость (во много раз превышающую дифракционный предел).

Таким образом, главный недостаток технического решения, реализованного в прототипе в свете предлагаемого решения, является большая расходимость короткого лазерного импульса излучения. Причиной получения большой расходимости излучения является изначальное формирование пучка с большой расходимостью в такой оптической схеме и отсутствие обращения волнового фронта (ОВФ), которое в данном решении не удалось реализовать. При этом расходимость полученного короткого импульса излучения была существенно хуже, чем расходимость, полученная в работах, использующих лазерную систему генератор-усилитель с ОВФ на основе двух лазерных блоков [3-6].

Задачей настоящего изобретения является создание лазера, состоящего из одного блока с такой оптической схемой, в которой выполняются условия формирования короткого лазерного импульса с малой расходимостью.

При этом техническим результатом по сравнению с прототипом будет являться уменьшение расходимости короткого импульса излучения и, следовательно, повышение яркости выходного субпикосекундного пучка.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном эксимерном лазере с субпикосекундным импульсом излучения, содержащем активную среду лазера, выходное зеркало резонатора, ограничивающую диафрагму, поворотное зеркало, фокусирующую линзу и ВРМБ зеркало (ячейка с нелинейной средой), обеспечивающее формирование короткого импульса излучения, согласно изобретению выходное зеркало и выпуклая поверхность фокусирующей линзы образуют неустойчивый резонатор с обратной связью (1-10)10^-6 и увеличением М=40-60.

Предложенное устройство основано на формировании в таком неустойчивом резонаторе (плоское зеркало и линза) одновременно потоков усиленного спонтанного излучения (УСИ) и лазерного пучка с малой расходимостью и короткой длительностью импульса. При этом пучок с малой расходимостью может сформироваться только в узком диапазоне параметров резонатора (увеличение неустойчивого резонатора должно быть М=40-60, обратная связь (1-10)10^-6. Величина внутренних потерь в таком неустойчивом резонаторе, образованном выпуклой поверхностью линзы и выходным плоским зеркалом, должна быть сравнима с усилением излучения. В таком случае в резонаторе происходит формирование пучка только вблизи максимума контура усиления, и длительность его импульса может быть намного короче длительности импульса возбуждения. Дальнейшее укорочение импульса в предлагаемом лазере осуществляется уже при фокусировке излучения, выходящего из неустойчивого резонатора на ВРМБ зеркало, и развитии оптического пробоя на поверхности нелинейной среды. Фокусировка излучения в нелинейную среду подбирается таким образом, чтобы интенсивности усиленного спонтанного излучения (УСИ), падающего на ВРМБ зеркало, не было достаточно как для развития ВРМБ, так и для оптического пробоя на поверхности жидкости. ВРМБ зеркало должно отражать только излучения с малой расходимостью, сформированное в неустойчивом резонаторе.

В качестве доказательства возможности осуществления заявляемого изобретения приводится пример экспериментальной реализации предлагаемого решения.

На чертеже представлена оптическая схема лазера для формирования субпикосекундного импульса излучения с малой расходимостью. Активная среда (АС) формировалась в типичном электроразрядном эксимерном XeCl лазере с длительностью импульса 30 нс. Разряд зажигался в газовой смеси Ne/Xe/HCl=1000/15/1 при давлении 3.6 атм.

Резонатор лазера состоял из полупрозрачного плоского выходного зеркала с коэффициентом отражения 40% (1), диафрагмы с диаметром 10 мм (2), фокусирующей линзы с фокусным расстоянием 10 см (3), поворотного зеркала (4) и ВРМБ зеркала (этанол) (5). Полная длина лазерного резонатора была 1200 мм (расстояние от поверхности жидкости до выходного зеркала). Увеличение дополнительного неустойчивого резонатора, образованного выпуклой поверхностью линзы и выходным зеркалом, было М=50, величина обратная связь 10^-6.

Работа лазера заключается в следующем. В неустойчивом резонаторе, образованном элементами (1) и (3), происходит формирование пучка с малой расходимостью и укороченной длительностью. Поскольку величина внутренних потерь в таком резонаторе сравнима с усилением излучения, то длительность выходного импульса из неустойчивого резонатора не превышает 4 нс. Наряду с этим импульсом на выходе неустойчивого резонатора через линзу (3) дополнительно выходит поток усиленного спонтанного излучения (УСИ), имеющий существенно большую расходимость. Пройдя поворотное зеркало (4), все это излучение фокусируется линзой (3) в ВРМБ среду (5). Фокусирующая линза (3) была подобрана таким образом, что для потока УСИ не происходит развития ВРМБ (его интенсивность не достигает пороговой величины для ВРМБ) и он не отражается назад. Четырехнаносекундный же импульс, имеющий маленькую расходимость, отражается от ВРМБ среды (5) и при этом для него реализуется обращение волнового фронта (ОВФ). Однако за счет развития оптического пробоя на поверхности ВРМБ среды (5) отражается только его передняя часть, и импульс укорачивается с 4 наносекунд до 150 пикосекунд. Далее пикосекундный импульс возвращается строго по тому же пути (свойство пучков с ОВФ), усиливается в активной среде (АС) и выходит из лазера через полупрозрачное зеркало (1). В результате длительность импульса сформированного пучка на выходе лазера составила 0.15 нс, энергия - 0.2 мДж. Расходимость излучения была близка к дифракционному пределу ϕ₀ и соствляла ϕ=1.12ϕ₀. Измеренные параметры сформированного пучка имели высокую стабильность повторения от импульса к импульсу.

Полученные результаты показывают возможность формирования субнаносекундного импульса излучения с малой расходимостью в простой оптической схеме с использованием одного лазерного модуля.

Использование данного изобретения позволит создавать задающие генераторы на базе коммерческих эксимерных лазеров без использования дорогой селективной оптики и сложных оптических схем, традиционно используемых в схемах генератор-усилитель.

Источники информации

1. Bourne O.L., Alcock A.J. Generation of picosecond pulse duration of XeCl laser by SBS // Optics Lett. 1984. Vol.9. P.411-413.

2. Fedosejev R., Offenberger A.A. Subnanosecond pulses from a KrF laser pumped SF₆ Brillouin amplifier // IEEE J. of Quantum Electronics. 1985. Vol.21. P.1558-1562.

3. Kurnit N.A., Thomas S.I. Amplification of a phase-conjugate Brillouin mirror to generation of high-quality variable-duration KrF pulses // IEEE J. Quant. Electron. - 1989. Vol.25. №3. P.421-429.

4. Bourne O.L., Alcock A.J. Generation of picosecond pulse duration of XeCl laser by SBS // Optics Lett. 1984. Vol.9. P.411-413.

5. McInture I.A., Boyer К., Rhodes C.K. Shortening of KrF laser using SBS // Opt. Lett. 1987. Vol.12. №11. P.909-911.

6. Джиджоев М.С., Краюшкин С.В., Платоненко В.Т., Слободчиков Е.В., Использование усеченного ВРМБ для генерации короткого импульса XeCl лазера // Квантовая электроника. 1991. Т.18. С.313-316.

7. Alimpiev S.S., Vartapetov S.K., Veselovsky I.A., Likhasky S.V and Obidin A.Z. Optics Communications. 96, 71, (1993).

8. Поповичев В.И., Рагульский В.В., Файзуллов Ф.С. ВРМБ при широком спектре возбуждающего излучения // Письма в ЖЭТФ. 1974. Т.19. №6. С.350-352.

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при разработке и создании эксимерных лазеров с импульсом излучения короткой длительности и малой расходимости. Лазер содержит активную среду лазера, выходное зеркало резонатора, ограничивающую диафрагму, поворотное зеркало, фокусирующую линзу и ВРМБ зеркало. Выходное зеркало и выпуклая поверхность линзы образуют неустойчивый резонатор с обратной связью и увеличением М=40-60. Фокусирующая линза фокусирует усиленное спонтанное излучение (УСИ) с выходным импульсом неустойчивого резонатора на ВРМБ зеркало через поворотное зеркало таким образом, что УСИ не отражается назад в активную среду, а отражается в активную среду только передняя часть выходного импульса неустойчивого резонатора. Технический результат - получение лазерного импульса в субпикосекундном диапазоне длительности с малой расходимостью в одном лазерном модуле без предварительного формирования пучка накачки в задающем генераторе. 1 ил.

Эксимерный лазер, формирующий субпикосекундный импульс излучения, содержащий активную среду лазера, выходное зеркало резонатора, ограничивающую диафрагму, поворотное зеркало, фокусирующую линзу и ВРМБ зеркало, отличающийся тем, что выходное зеркало и выпуклая поверхность линзы образуют неустойчивый резонатор с обратной связью и увеличением М=40-60, при этом фокусирующая линза фокусирует усиленное спонтанное излучение (УСИ) с выходным импульсом неустойчивого резонатора на ВРМБ зеркало через поворотное зеркало таким образом, что УСИ не отражается назад в активную среду, а отражается в активную среду только передняя часть выходного импульса неустойчивого резонатора.