ХИМИЧЕСКИЙ ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР С НЕПРЕРЫВНОЙ НАКАЧКОЙ И МОДУЛЯЦИЕЙ ДОБРОТНОСТИ РЕЗОНАТОРА Российский патент 2013 года по МПК H01S3/07 H01S3/107 

Область техники

Предлагаемое изобретение относится к лазерной технике и, в частности, к HF(DF)-HXЛ с модулированной добротностью.

Предшествующий уровень техники

Известны лазеры с модуляцией добротности резонатора, в которых между зеркалами резонатора помещены оптические затворы. При закрытом затворе в резонаторе копится энергия возбужденных частиц и растет инверсия населенностей их энергетических уровней. При быстром открытии затвора (включенная добротность) развивается генерация (Звелто О. Принципы лазеров: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990, с.284).

В оптических затворах используются прерыватели различного типа. Они основаны на исключении условий для прохождения лазерного излучения к одному из зеркал резонатора. Наиболее часто для модуляции добротности резонатора используются оптико-механические прерыватели излучения (вращающиеся зеркала, перфорированные вращающиеся диски). Известно техническое решение на непрерывный химический лазер с оптико-механической модуляцией добротности резонатора, работающий в импульсно-периодическом режиме излучения. (См. патент US №4418413, МКИ H01S 3/095, от 29.11.1983 г). В этом лазере лазерная среда с непрерывной накачкой протекает через оптический резонатор, в котором установлен оптический затвор (прерыватель излучения). Этот затвор может быть выполнен в виде либо вращающегося перфорированного диска, либо (в случае неустойчивого телескопического резонатора) вращающегося многогранного зеркала со сферическими отражающими гранями, которые поочередно выполняют роль одного из зеркал резонатора.

При вращении затвора периодически с частотой смены лазерной среды включается добротность резонатора и генерируются импульсы нестационарной генерации (аналог предлагаемого изобретения).

Основным недостатком аналога является то, что частота повторения импульсов в совокупности с их длительностью ограничена реально достижимой на практике скоростью вращения элементов, прерывающих лазерное излучение. Следовательно, предложенная организация импульсно-периодического режима возможна только для лазера с низкой (дозвуковой) скоростью потока среды, то есть с невысокой частотой смены лазерной среды в полости резонатора и с вытекающей отсюда невысокой средней мощностью излучения.

Известен также импульсно-периодический лазер с непрерывной накачкой и модуляцией добротности резонатора, содержащий большое количество оптических резонаторов, образованных выходным зеркалом, глухим зеркалом в виде вращающегося многогранного или торцевого зеркала, причем глухое зеркало выполнено в виде периодического ряда отражающих излучение секций, которые разделены неотражающими промежутками и размещены на поверхности или части поверхности, окружающей вращающееся зеркало так, что каждая секция служит глухим зеркалом резонатора, при этом на оптической оси резонатора перед вращающимся зеркалом установлено фокусирующее зеркало или телескоп, (см. патент RU №2134006, МКИ H01S 3/11, от 29.07.1997, являющийся прототипом предлагаемого изобретения). Недостаток данного патента заключается в значительных габаритах оптической системы. Исходя из соображений большей простоты изготовления многогранного вращающегося глухого зеркала, был произведен расчет необходимого радиуса вращения луча R в данном модуляторе для величин скважности С=1000, апертуры a=1 см, числа зеркал Z=10 и числа граней модулятора n=6 (количество неустойчивых резонаторов - 60). Оказалось, что радиус вращения луча R, а, следовательно, и расстояние, на котором располагается глухое зеркало, должно быть не менее R~100 м, что конструктивно является нереальным из-за габаритных размеров конструкции и невозможности надежной юстировки большого количества неустойчивых резонаторов на таком расстоянии.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является разработка химического лазера с непрерывной накачкой, состоящего из задающего генератора и усилителя мощности импульсов, в котором должно быть обеспечено формирование коротких импульсов излучения с требуемой длительностью и энергией. При этом в лазере должны быть подобраны условия, подавляющие развитие генерации в промежутках времени между соседними импульсами излучения и в котором энергия импульсов генерируемого излучения на выходе оптического резонатора задающего генератора должна быть как можно большей для обеспечения эффективного усиления в усилителе мощности и упрощения конструкции.

Эта задача решена за счет того, что в химическом импульсно-периодическом лазере с непрерывной накачкой и модуляцией добротности резонатора, содержащем генератор активной среды, оптический резонатор, образованный выходным и глухим плоскими зеркалами, и помещенный между ними на оптической оси резонатора оптический затвор, который включает в себя электрооптический затвор Поккельса, по обе стороны которого размещены поляризационные призмы, а выходящее из задающего генератора лазера излучение далее усиливается, проходя последовательно через оптически соединенные усилители - однопроходовый предусилитель и однопроходовый оконечный усилитель мощности, каждый из которых включает в себя генераторы активной среды, при этом для достижения дифракционной расходимости оптический резонатор содержит участок сжатия пучка L₃, далее после выхода из плоского резонатора пучок расширяется до необходимых размеров и проходя через второй затвор Поккельса поступает на вход предварительного усилителя, оптическая связь предварительного усилителя со входом усилителя мощности осуществлена через сферические зеркала пространственных фильтров, снабженных диафрагмой, и зеркала цилиндрического расширяющегося телескопа.

Другими отличиями предлагаемого изобретения являются:

- для достижения компактности установки генератор активной среды предварительного усилителя совмещен с генератором активной среды задающего генератора;

- оконечный усилитель мощности выполнен на основе двух последовательно расположенных плоскоблочных генераторов активной среды, а оптическая связь этих генераторов осуществлена через сферические зеркала пространственных фильтров, снабженных диафрагмой;

- электрооптические затворы Поккельса вместе с поляризационными призмами установлены перед глухим и выходным зеркалами.

Технический результат состоит в получении более высоких энергий в коротком импульсе генерации излучения, чем в известных предложениях и в достижении высоких пиковых мощностей излучения при частоте повторения импульсов до десятков кГц.

Изобретение поясняется чертежами.

На Фиг.1 представлена оптическая схема плоскоблочного задающего генератора с устойчивым плоским однопроходовым резонатором, электрооптический затвор Поккельса находится перед глухим зеркалом резонатора.

На Фиг.2 представлена оптическая схема плоскоблочного задающего генератора с устойчивым плоским однопроходовым резонатором, электрооптический затвор Поккельса находится перед глухим и выходным зеркалами резонатора.

На Фиг.3 представлена оптическая схема однопроходового оконечного усилителя мощности на основе двух последовательно расположенных плоскоблочных генераторов активной среды.

Пример реализации изобретения

В состав лазера (Фиг.1) входит генератор активной среды 1, оптический резонатор, образованный выходным зеркалом 2 и глухим зеркалом 3, модулятор добротности, состоящий из электрооптического затвора Поккельса 4, который установлен на оптической оси внутри оптического резонатора между двумя поляризационными призмами 5 и 6 перед глухим зеркалом, предварительный усилитель 7 - плоскоблочный однопроходовый усилитель и оконечный усилитель мощности 8 (Фиг.3) - плоскоблочный однопроходный мощный усилитель. Предпочтительнее указанный затвор Поккельса устанавливать, как перед глухим зеркалом, так и перед выходным зеркалом 2. На Фиг.2 это затворы 4 и 9. Для дстиения дифракционной расходимости излучения в резонаторе задающего генератора используется участок L₃,, который пучок проходит в сжатом состоянии. Далее сжатие осуществляется с помощью телескопа сжатия пучка, состоящего из сферических зеркал 10-11. Короткие импульсы излучения, формирующиеся в оптическом резонаторе (Фиг.1, Фиг.2), далее поступают на предварительный усилитель через выходное зеркало 2, плоское передающее зеркало 12, сферические зеркала телескопа 13-14 расширения пучка, дополнительный электрооптический затвор Поккельса 15 с поляризационными призмами 5 и 6 и сферические зеркала 16-17 телескопа дополнительного расширения пучка. Для снижения габаритов лазера предварительный усилитель коротких импульсов излучения предпочтительней выполнять на базе того же генератора активной среды, что и в задающем генераторе. С выхода предварительного усилителя импульсы излучения поступают на вход оконечного усилителя 8. Для получения высокой направленности лазерного пучка используются пространственные фильтры со сферическими зеркалами 21-22 и 18-19 с диафрагмами 23 и 20 соответственно. Для согласования поперечных размеров лазерных пучков на выходе предусилителя 7 и на входе в оконечный усилитель 8 осуществляется с помощью зеркал 24-25 цилиндрического телескопа. Оконечный усилитель мощности 8 выполнен на основе одного или двух последовательно расположенных генераторов активной среды.

Работа устройства

При включении генератора активной среды 1 в нем создается активная среда, и в результате протекания химической реакции фтора с водородом (дейтерием) образуются возбужденные молекулы фтористого водорода (или фтористого дейтерия). При этом, если затвор Поккельса (комбинация электрооптического затвора и пары поляризаторов) закрыт, то генерация коротких импульсов возникнуть не может, и инверсия населенности может достичь значения, которое намного превышает пороговое, имеющее место в отсутствии затвора. При включении электрооптического затвора проход для излучения в оптическом резонаторе задающего генератора к глухому зеркалу 3 будет открыт, и в резонаторе начнет формироваться короткий импульс излучения. После этого сформированный в задающем генераторе лазерный пучок расширяется в телескопе 13-14 и проходит через затвор Поккельса 15 с просветленными гранями. Он вводится, чтобы уменьшить коэффициент отражения для спонтанного излучения, зарождающегося в усилителе мощности 8, когда затвор закрыт, в результате чего интенсивность усиленного спонтанного излучения на выходе конечного усилителя должна существенно уменьшиться. Далее лазерный пучок расширяется в телескопе 16-17 до апертуры, равной апертуре предусилителя 7. Для уменьшения влияния аберраций пучок коротких импульсов перед поступлением на вход плоскоблочного оконечного усилителя 8 проходит через пространственный фильтр, представляющий собой систему из двух софокусных зеркал 21 и 22 и помещенной в их общем фокусе диафрагмы 23 с малым отверстием. Поскольку из предусилителя выходит пучок с размерами апертуры меньшей, чем размеры апертуры активной среды оконечного усилителя, то для полного заполнения выходной апертуры оконечного усилителя лазерный пучок расширяется в телескопе 24-25 и поступает на вход оконечного усилителя 8.

Промышленная применимость

Предложенный HF(DF)-HXJI при генерации импульсов HF-излучения с энергией ≥1 Дж и длительностью τ_имп≈(1…2)·10^-8с может найти применение для очистки околоземного пространства от опасных фрагментов космического мусора, а импульсы DF-излучения с энергией ≥3 мДж на определенных колебательно-вращательных переходах и с той же длительностью - для определения надфоновых концентраций выбросов углеводородов в околоземной атмосфере с целью отыскания утечек из газопроводов и новых газовых и нефтяных месторождений.

Изобретение относится к лазерной технике. Химический импульсно-периодический лазер с непрерывной накачкой и модуляцией добротности резонатора, состоящий из задающего генератора, предусилителя и оконечного усилителя. Задающий генератор содержит генератор активной среды, оптический резонатор, образованный выходным и глухим зеркалами, и помещенный между ними на оптической оси резонатора оптический затвор для модуляции добротности резонатора, который включает в себя электрооптический затвор Поккельса, по обе стороны которого размещены поляризационные призмы. Выходящее из задающего генератора излучение усиливается, проходя через однопроходовый предусилитель и однопроходовый оконечный усилитель мощности, каждый из которых включает в себя генераторы активной среды. Импульсы излучения с выхода оптического резонатора поступают на сферические зеркала телескопа расширения пучка, дополнительный электрооптический затвор Поккельса, по обе стороны которого установлены поляризационные призмы, и сферические зеркала телескопов дополнительного расширения пучка, расположенных перед предусилителем и оконечным усилителем. Для снижения аберраций в оконечном усилителе используются пространственные фильтры, а для согласования размеров пучка на выходе предусилителя используется расширяющий цилиндрический телескоп. Технический результат заключается в обеспечении возможности повышения эффективности усиления мощности излучения, а также в упрощении конструкции. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Химический импульсно-периодический лазер с непрерывной накачкой и модуляцией добротности резонатора, состоящий из задающего генератора, предусилителя и оконечного усилителя, в котором задающий генератор содержит генератор активной среды, оптический резонатор, образованный выходным и глухим зеркалами, и помещенный между ними на оптической оси резонатора оптический затвор для модуляции добротности резонатора, отличающийся тем, что модулятор добротности включает в себя электрооптический затвор Поккельса, по обе стороны которого размещены поляризационные призмы, а выходящее из резонатора задающего генератора излучение усиливается, проходя через последовательно оптически соединенные усилители - однопроходовый предусилитель и однопроходовый оконечный усилитель мощности, каждый из которых включает в себя генераторы активной среды, при этом короткие импульсы излучения с выхода оптического резонатора последовательно поступают на сферические зеркала телескопа расширения пучка, дополнительный внешний электрооптический затвор Поккельса, по обе стороны которого установлены поляризационные призмы и сферические зеркала телескопов дополнительного расширения пучка, расположенных перед предусилителем и оконечным усилителем, причем для существенного снижения уровня оптических аберраций в оконечном усилителе используются пространственные фильтры, а для согласования размеров пучка на выходе предусилителя и на входе в оконечный усилитель используется расширяющий цилиндрический телескоп.

2. Химический импульсно-периодический лазер по п.1, отличающийся тем, что генератор активной среды предусилителя объединен с генератором активной среды задающего генератора.

3. Химический импульсно-периодический лазер по п.1, отличающийся тем, что оконечный усилитель мощности выполнен на основе двух или более последовательно расположенных генераторов активной среды, а оптическая связь между этими генераторами осуществляется через сферические зеркала пространственных фильтров, снабженных диафрагмой.

4. Химический импульсно-периодический лазер по п.1, отличающийся тем, что в оптический резонатор введен дополнительный электрооптический затвор Поккельса, при этом электрооптические затворы Поккельса вместе с поляризационными призмами установлены перед глухим и выходным зеркалами.