ИМПУЛЬСНЫЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 2010 года по МПК H01S3/10 H01S3/83 

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к твердотельным импульсным лазерам.

Импульсные твердотельные лазеры с модуляцией добротности резонатора как генераторы мощных импульсов узконаправленного излучения в наносекундном диапазоне длительностей импульсов в ближнем ИК спектральном диапазоне широко применяются в научно-прикладных исследованиях, в медицине, в системах экологического мониторинга окружающей среды, в технологических установках.

В качестве лазеров ИК-диапазона часто используются лазеры на кристаллах, содержащих ионы Nd (АИГ:Nd, AИ:Nd, ГСГГ:Сr, Nd, ИСГГ:Сr, Nd и т.д.).

Известен импульсный твердотельный лазер, содержащий резонатор, образованный частично прозрачным и глухим зеркалами, внутри которого установлены активный элемент из оптически изотропного кристалла (АИГ:Nd, ГСГГ:Сr, Nd, ИСГГ:Сr, Nd и т.д.), поляризатор и электрооптический элемент [1].

Пространственная структура многомодового излучения данного лазера в режиме модуляции добротности резонатора является неоднородной, что снижает КПД лазера и эффективность процессов преобразования длины волны излучения в другие спектральные диапазоны методами нелинейной оптики.

Более того, степень равномерности пространственной структуры излучения уменьшается при увеличении частоты повторения импульсов вследствие деполяризации излучения в активном элементе из оптически изотропного кристалла из-за двулучепреломления, наведенного излучением лампы накачки, что, как показано в работе [2], наиболее сильно сказывается при ориентации оси цилиндрического элемента из АИГ:Nd³⁺ относительно кристаллографических осей в направлении [111]. Производство активных элементов данной ориентации высокого оптического качества налажено во многих странах.

В резонаторе с поляризатором деполяризованное излучение покидает резонатор, отражаясь от поляризатора, при этом КПД лазера снижается. Эффективность нелинейных эффектов преобразования излучения в другие спектральные диапазоны также снижается в том числе из-за деполяризации выходного излучения в активном элементе.

Наиболее близкими к предлагаемому по технической сущности является импульсный твердотельный лазер, содержащий активный элемент из анизотропного кристалла ортоалюмината иттрия с неодимом (АИ:Nd), в котором эффект наведенного двулучепреломления отсутствует из-за собственного двулучепреломления [3, 4], глухое и частично прозрачное зеркала, поляризатор, электрооптический элемент.

Однако элемент из АИ:Nd обладает более низкой лучевой стойкостью и более сильной наведенной термической линзой, а также требует более тщательной фильтрации УФ излучения лампы, чем элемент из оптически изотропного алюмоиттриевого граната с неодимом (АИГ:Nd).

Задачей настоящего изобретения является повышение КПД, степени равномерности пространственной структуры излучения, стабильности энергетических параметров импульсов излучения от импульса к импульсу и степени поляризации выходного излучения в лазере на активном элементе из оптически изотропного кристалла при частотах повторения импульсов десятки герц.

Поставленная задача решается за счет того, что в импульсном твердотельном лазере, содержащем резонатор, образованный частично прозрачным и глухим зеркалами, внутри которого установлены активный элемент, поляризатор и электрооптический элемент, отличающийся тем, что между активным элементом и частично прозрачным зеркалом дополнительно установлен 90-градусный вращатель плоскости поляризации излучения и второй поляризатор, а вне резонатора установлены два поворотных зеркала таким образом, что вместе с поляризаторами они образуют кольцевой резонатор, содержащий активный элемент и 90-градусный вращатель плоскости поляризации излучения, причем активный элемент выполнен из оптически изотропного кристалла.

Применение 90-градусного вращателя, второго поляризатора и двух поворотных зеркал обеспечивает дополнительный проход излучением активного элемента при проходе излучения от глухого зеркала к частично прозрачному, что приводит к двукратному снижению порога генерации. При этом деполяризованное излучение проходит один раз активный элемент при проходе от глухого к частично прозрачному зеркалу, но не покидает резонатор и на обратном проходе дважды проходит активный элемент.

Таким образом, резонатор становится частично закольцованным, что приводит к снижению порога генерации из-за дополнительного прохода излучением через активный элемент и улучшению равномерности пространственной структуры из-за отсутствия потерь излучения на поляризаторах.

В лазере с частично закольцованным резонатором из-за понижения порога повышается КПД (особенно сильно в припороговой области энергий импульсов накачки), повышается степень равномерности пространственной структуры излучения и улучшается стабильность энергии импульсов излучения от импульса к импульсу, которая зависит от превышения над порогом генерации. Выходное излучение лазера линейно поляризовано с высокой степенью, близкой к 1.

На чертеже представлена оптическая схема предлагаемого устройства.

Резонатор лазера образован частично прозрачным зеркалом 1, глухим зеркалом 2, двумя поляризаторами - пластинами с диэлектрическим покрытием 3, 4 и двумя поворотными зеркалами 5, 6. Рядом с активным элементом из оптически изотропного кристалла 7 расположен 90-градусный вращатель плоскости поляризации излучения из оптически активного кристаллического кварца 8. Электрооптический элемент 9 вместе с глухим зеркалом 2 и поляризатором 3 образуют электрооптический затвор по схеме «λ/4».

В качестве активного элемента 7 могут быть использованы элементы из оптически изотропных кристаллов АИГ:Nd, ГСГГ:Сr, Nd, ИСГГ:Сr, Nd и др.

В качестве электрооптического элемента могут быть использованы элементы из кристаллов LiNbO₃, DKDP, RTP и др.

Предлагаемый лазер работает следующим образом. В импульсно-периодическом режиме за время каждого импульса накачки при закрытом электрооптическом затворе происходит накопление инверсной населенности в активном элементе 7. При подаче отпирающего импульса высоковольтного напряжения на электроды элемента 9 электрооптический затвор открывается и в резонаторе генерируется моноимпульс излучения.

Плоскость поляризации излучения, подходящего к частично прозрачному зеркалу 1 и частично отражающегося от него, совпадает с плоскостью чертежа. Проходя поляризатор 4 и 90-градусный вращатель плоскости поляризации 8 плоскость поляризации излучения становится вертикальной. После прохода активного элемента 7 излучение отражается от поляризатора 3, поворотных зеркал 5 и 6, поляризатора 4 и снова проходит 90-градусный вращатель 8 плоскости поляризации и активный элемент 7.

После 2-го прохода 90-градусного вращателя плоскости поляризации 8 излучение становится поляризованным в горизонтальной плоскости и через поляризатор 3 направляется к глухому зеркалу 2.

Деполяризованное вследствие эффекта наведенного двулучепреломления излучение в активном элементе 7 не покидает резонатор.

Результаты испытаний макета лазера на АИГ:Nd (λ=1064 нм) размером ⌀6,3×65 мм с ориентацией кристаллографических осей [111] в импульсно-периодическом режиме с частотой повторения 20 Гц с электрооптической модуляцией добротности затвором на основе элемента из DKDP подтверждают эффективность предложенного устройства.

По сравнению с известным лазером предлагаемый лазер обладает большим КПД (в 1,35 раза) в рабочей точке по энергии импульсов накачки 20 Дж, в 1,5 раза более высокой степенью равномерности пространственной структуры, в 1,25 раза более высокой стабильностью энергии импульсов от импульса к импульсу и степенью поляризации выходного излучения (близким к 1).

Известный лазер на AИ:Nd уступает предлагаемому лазеру на АИГ:Nd по КПД в 1,3 раза, по степени равномерности в 1,2 раза и по стабильности энергии импульсов в 1,2 раза.

Таким образом, предлагаемый лазер может эффективно работать в импульсно-периодическом режиме с модуляцией добротности резонатора в присутствии эффектов наведенного двулучепреломления в активном элементе из оптически изотропного кристалла в лазерных системах с преобразованием частоты излучения в другие спектральные диапазоны.

Источники информации

1. Г.М.Зверев, Ю.Д.Голяев. Лазеры на кристаллах и их применение. М. «Радио и связь», «Рикел», 1994, с.237.

2. Л.Н.Сомс, А.А.Тарасов, В.В.Шашкин. К вопросу о деполяризации линейно-поляризованного излучения лазерного активного элемента из AИГ:Nd³⁺ в условиях термически наведенного двулучепреломления, Квантовая электроника, т.7, №3, с.619, 1980.

3. А.А.Каминский. Лазерные кристаллы. Издательство «Наука», 1975, с.211.

4. Е.И.Агеенков, В.А.Коновалов, А.И.Ляшенко, В.Л.Павлович, Е.В.Раевский, А.И.Романов, Е.А.Шалаев. Высокочастотный импульсный лазер на алюминате иттрия с удвоением частоты излучения. Электронная техника, Сер. Лазерная техника и оптоэлектроника. 1998, вып.2, стр.58-63 (прототип).

Импульсный твердотельный лазер содержит резонатор, образованный частично прозрачным и глухим зеркалами, внутри которого установлены активный элемент, поляризатор и электрооптический элемент. Между активным элементом и частично прозрачным зеркалом установлен 90-градусный вращатель плоскости поляризации излучения и второй поляризатор. Вне резонатора установлены два поворотных зеркала таким образом, что вместе с поляризаторами они образуют кольцевой резонатор, содержащий активный элемент и 90-градусный вращатель плоскости поляризации излучения. Активный элемент выполнен из оптически изотропного кристалла. Технический результат заключается в повышении КПД, степени равномерности пространственной структуры излучения, стабильности энергетических параметров импульсов излучения от импульса к импульсу и степени поляризации выходного излучения. 1 ил.

Импульсный твердотельный лазер, содержащий резонатор, образованный частично прозрачным и глухим зеркалами, внутри которого установлены активный элемент, поляризатор и электрооптический элемент, отличающийся тем, что между активным элементом и частично прозрачным зеркалом дополнительно установлен 90-градусный вращатель плоскости поляризации излучения и второй поляризатор, а вне резонатора установлены два поворотных зеркала таким образом, что вместе с поляризаторами они образуют кольцевой резонатор, содержащий активный элемент и 90-градусный вращатель плоскости поляризации излучения, причем активный элемент выполнен из оптически изотропного кристалла.