ИМПУЛЬСНЫЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР С ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ДЛИНЫ ВОЛНЫ ИЗЛУЧЕНИЯ НА ВЫНУЖДЕННОМ КОМБИНАЦИОННОМ РАССЕЯНИИ Российский патент 2015 года по МПК H01S3/08 H01S3/98 

Изобретение относится к области лазерной техники, в частности к импульсным твердотельным лазерам, работающим в режиме активной модуляции добротности и генерирующих в безопасном для человеческого глаза диапазоне длин волн. Изобретение может быть применено в лазерных дальномерах, в научных целях для накачки параметрических генераторов.

Наибольший практический интерес представляет реализация малогабаритного и некритичного к механическим и температурным воздействиям лазера, генерирующего высоконаправленное безопасное для глаз излучение на длине волны λ=1,54 мкм, в качестве активной среды которого может быть использован кристалл KGW: Nd³+ на вынужденном комбинационном рассеянии (ВКР - преобразование) длины волны неосновного перехода λг=1,35 мкм в излучение на длине волны λс=1,54 мкм.

Известен лазер с пассивной модуляцией добротности и ВКР-конверсией (см. статью А.Н. Титов, В.Н. Иванов, В.Н. Ветров, Б.А. Игнатенков, О.Б. Сторощук, Л.И. Крутова, К.В. Дукельский, В.В. Медоволкин, Е.В. Урбанович, Д.В. Иванов «Механизм просветления пассивных лазерных затворов YAG: V³⁺ при ВКР-преобразовании в кристаллах KGW: Nd³⁺», «Оптический журнал», том 75, №1, 2008 г., стр.49-52), в котором осуществляется преобразование длины волны излучения на ВКР, содержащий лампу накачки, активный элемент (АЭ) из кристалла KGW: Nd³⁺, пассивный лазерный затвор (ПЛЗ) из кристалла YAG: V³⁺, резонатор, образованный глухим и выходным зеркалами. В нем предложена ориентация кристаллографических осей ПЛЗ из кристалла YAG: V³⁺ относительно вектора электрической напряженности излучения, при которой энергия генерации возросла в несколько раз.

Однако в данном устройстве изготовление селективных зеркал резонатора является весьма сложным процессом. Кроме того, данный лазер критичен к разъюстировкам из-за климатических и механических воздействий.

Известен лазер (см. Белостоцкий Б.Р. и др. «Основы лазерной техники», журнал «Советское радио», М., 1972 г., стр.145), состоящий из лампы накачки, АЭ, и резонатора, образованного выходным зеркалом и двухгранной прямоугольной призмой (призмой БР-180) в качестве «глухого» зеркала с вершиной на оптической оси резонатора.

Данное устройство некритично к наведенному в АЭ термооптическому клину и разъюстировкам резонатора в плоскости, перпендикулярной ребру призмы БР-180.

Однако в нем невозможно осуществить генерацию на безопасной для глаз длине волны излучения, т.к. призма БР-180 не может обеспечить минимальный (менее 1%) коэффициент отражения излучения для основной длины волны излучения λн=1,067 мкм.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является импульсный твердотельный лазер с преобразованием длины волны излучения на ВКР (см. патент РФ на изобретение №2115983, М.кл. H01S 3/30, опубл. 18.09.1997 г.), содержащий в резонаторе, образованном «глухим» зеркалом, полностью отражающим излучение с длиной волны первой стоксовой компоненты и максимально пропускающим излучение с длинами волн, соответствующими нерабочим переходам АЭ, и выходным зеркалом, полностью отражающим излучение, генерируемое на длине волны рабочего перехода АЭ, частично пропускающим излучение на длине волны первой стоксовой компоненты и максимально пропускающим излучение с длинами волн, соответствующими нерабочим переходам АЭ и второй стоксовой компоненты, модулятор добротности (МД), который выполнен на основе электрооптического элемента и поляризатора или на основе насыщающегося фильтра со временем релаксации, превышающим более чем на порядок время обхода резонатора и максимально пропускающим излучение с длиной волны первой стоксовой компоненты, и кристаллический АЭ из калий-гадолиниевого вольфрамата (KGW: Nd³⁺), активированного ионами неодима, преобразующий генерируемую на рабочем переходе длину волны излучение λг=1,35 мкм в стоксовые компоненты (ВКР-преобразование), в том числе первую стоксовую компоненту λс=1,54 мкм.

В этом устройстве изготовление селективных зеркал, имеющих минимальный (менее 1%) коэффициент отражения для основной длины волны излучения λн=1,067 мкм и максимальный (более 90%) коэффициент отражения для длин волн λг=1,351 мкм и λс=1,54 мкм, является сложным процессом.

Кроме того, устройство критично к разъюстировкам при температурных и механических воздействиях, при которых возникают термооптические искажения АЭ в виде клина в плоскости прохождения через ось лампы накачки и АЭ. Это приводит к нестабильности энергии излучения в безопасном для глаз диапазоне длин волн.

Техническим результатом изобретения является упрощение изготовления лазера и обеспечение стабильности энергии излучения в безопасном для глаз диапазоне длин волн в широком диапазоне температурных и механических воздействий путем компенсации теромооптических искажений АЭ в плоскости, проходящей через ось лампы накачки и АЭ.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что предлагаемый импульсный твердотельный лазер с преобразованием длины волны излучения на ВКР, содержащий лампу накачки, резонатор, внутри которого установлены кристаллический АЭ, выполненный из материала, преобразующего генерируемую на рабочем переходе длину волны излучения в стоксовые компоненты, и МД на основе насыщающего фильтра, при этом резонатор содержит выходное зеркало, полностью отражающее излучение на длине волны рабочего перехода АЭ, частично пропускающее излучение с длиной волны первой стоксовой компоненты и максимально пропускающее излучение с длинами волн, соответствующими нерабочим переходам АЭ, отличается тем, что резонатор дополнительно в качестве «глухого» зеркала содержит призму БР-180, ребро при вершине двухгранного угла которой соосно АЭ, между АЭ и призмой БР-180 установлена под углом 45° к оптической оси резонатора плоскопараллельная пластина (ППП), а МД, выполненный на основе насыщающего фильтра и установленный между АЭ и выходным зеркалом, заклонен относительно торца АЭ на угол α>d/2L, где L - расстояние от АЭ до МД, d - диаметр АЭ, причем на рабочие поверхности ППП и МД нанесено оптическое покрытие, минимально отражающее излучение на длине волны рабочего перехода и длине волны первой стоксовой компоненты и частично пропускающее излучение с длинами волн, соответствующими нерабочим переходам.

При этом ППП может быть выполнена из стекла, а оптическое покрытие ППП и МД может быть многослойным диэлектрическим.

Возможность получения указанного технического результата можно пояснить следующим образом.

Использование двухгранной прямоугольной призмы (призмы БР-180) в качестве «глухого» зеркала с вершиной на оптической оси резонатора позволяет компенсировать термооптические искажения АЭ, возникающие в плоскости, проходящей через ось АЭ и лампы накачки; введение ППП, например из стекла, между призмой БР-180 и АЭ под углом 45° к оптической оси резонатора с нанесенным на нее и МД оптическим покрытием, например, многослойным диэлектрическим, а также заклона МД на основе насыщающего фильтра, установленного между АЭ и выходным зеркалом, относительно торца АЭ на угол α>d/2L существенно снижает требования к коэффициентам отражения концевых элементов (зеркал) резонатора, упрощая тем самым конструкцию лазера.

Кроме того, при предложенной установке призмы БР-180 по отношению к АЭ при работе лазера в импульсно-периодическом режиме угол между пучком излучения и осью резонатора, возникающий в результате термооптических искажений в АЭ, не увеличивается и устойчивость лазера сохраняется.

Оптическая схема предлагаемого устройства приведена на чертеже. Предлагаемый импульсный твердотельный лазер с преобразованием длины волны излучения на вынужденном комбинационном рассеянии содержит последовательно установленные призму 1 БР-180 резонатора с вершиной на оптической оси резонатора, при этом ребро призмы при вершине двухгранного угла соосно АЭ, за призмой 1 БР-180 внутри резонатора установлены под углом 45° к оптической оси резонатора ППП 2, которая может быть выполнена из стекла, АЭ 3 с ВКР-преобразованием и МД 4 на основе насыщающего фильтра. При этом резонатор содержит также выходное зеркало 5 и лампу 6 накачки. МД 4 заклонен относительно торца АЭ на угол α>d/2L, где L - расстояние от АЭ до МД, d - диаметр АЭ, а на рабочие поверхности ППП 2 и МД 4 нанесено оптическое покрытие, минимально отражающее излучение на длине волны рабочего перехода и длине волны первой стоксовой компоненты и частично пропускающее излучение с длинами волн, соответствующими нерабочим переходам, например многослойное диэлектрическое покрытие, т.е. покрытие, должно быть прозрачным в диапазоне длин волн 1060-1560 нм.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Во время действия импульса накачки, формируемого лампой 6 накачки, в АЭ с ВКР-преобразованием 3 создается инверсная населенность. Спонтанное излучение, выходящее из торцов АЭ 3 на наиболее эффективной длине волны излучения λн=1,067 мкм, попадая на входную грань модулятора 4 добротности, заклоненного относительно торца АЭ 3 на угол α>d/2L, где L - расстояние от АЭ до МД, d - диаметр АЭ, и ППП 2, установленную под углом 45° к оптической оси резонатора, за счет большого коэффициента отражения выводится из резонатора и не попадает на АЭ 3.

В результате в резонаторе создаются условия для развития генерации на длине волны λг=1,351 мкм. Частотный сдвиг в АЭ 3 с ВКР-преобразованием, равный Δ(λ)^-1=902 см^-1 согласно формуле (1)

приводит к возникновению в резонаторе излучения на первой стоксовой компоненте λс=1,54 мкм, которое через частично прозрачное для данной длины волны излучения выходное зеркало 5 выводится из резонатора лазера.

При работе лазера в импульсно-периодическом режиме в АЭ 3 возникают термооптические искажения в виде клиновой деформации, обусловленные градиентом температуры между ближней к лампе 6 накачки более нагретой поверхностью АЭ 3 по сравнению с менее нагретой противоположной частью АЭ 3. Если призму 1 БР-180 выставить таким образом, чтобы ее преломляющее ребро (А) было перпендикулярно плоскости, содержащей лампу 6 накачки и АЭ 3, и соосно с геометрической осью АЭ 3, то при очередном проходе резонатора угол между пучком излучения и осью резонатора не увеличивается и устойчивость резонатора сохраняется.

Рассмотрим пример выполнения элементов предлагаемого устройства.

При реализации твердотельного лазера в нем использовался АЭ 3 из КГВ: Nd³⁺ с диаметром 3 мм и длиной 50 мм, установленный в лейкосапфировую трубку с для обеспечения оптимального режима термостабилизации при предельно допустимом режиме работы с частотами следования импульсов излучения до 5 Гц.

В качестве МД 4 для длины волны λс использовался кристалл YAG: V³⁺ с начальным пропусканием То=52%.

Коэффициент отражения выходного зеркала 5 для длины волны излучения λс=1,54 мкм соответствовал R=55%, для длины волны излучения λн=1,067 мкм R≤10% и R=99,5% для λ=1,35 мкм(переход ₄F_3/2-₄I_13/2).

Коэффициенты отражения оптического покрытия (изготовленного, например, из стекла К108), нанесенного на входные грани ППП 2 и МД 4, R>80% для λ=1,067 мкм, а для длин волн λг=1,35 мкм и λс=1,54 мкм коэффициент отражения R<0,5%.

При энергии накачки 5 Дж с помощью лампы 6 накачки, в качестве которой использовалась лампа ИНП2-35А, получена энергия излучения на безопасной для глаз длине волны λс=1,54 мкм E=8 мДж.

Изобретение относится к импульсным твердотельным лазерам с преобразованием длины волны излучения на ВКР, который содержит лампу накачки, резонатор, внутри которого установлены кристаллический активный элемент, выполненный из материала, преобразующего генерируемую на рабочем переходе длину волны излучения в стоксовые компоненты, и модулятор добротности на основе насыщающего фильтра. При этом резонатор содержит выходное зеркало, полностью отражающее излучение на длине волны рабочего перехода активного элемента и максимально пропускающее излучение с длинами волн, соответствующими нерабочим переходам активного элемента. В качестве «глухого» зеркала резонатор содержит призму БР-180, ребро при вершине двухгранного угла которой соосно активному элементу. Между активным элементом и призмой установлена под углом 45° к оптической оси резонатора плоскопараллельная пластина, на рабочей поверхности которой нанесено оптическое покрытие, минимально отражающее излучение на длине волны рабочего перехода. Техническим результатом изобретения является упрощение изготовления лазера и обеспечение стабильности энергии излучения в безопасном для глаз диапазоне длин волн в широком диапазоне температурных и механических воздействий. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Импульсный твердотельный лазер с преобразованием длины волны излучения на ВКР, содержащий лампу накачки, резонатор, внутри которого установлены кристаллический АЭ, выполненный из материала, преобразующего генерируемую на рабочем переходе длину волны излучения в стоксовые компоненты, и модулятор добротности (МД) на основе насыщающего фильтра, при этом резонатор содержит выходное зеркало, полностью отражающее излучение на длине волны рабочего перехода АЭ, частично пропускающего излучение с длиной волны первой стоксовой компоненты и максимально пропускающего излучение с длинами волн, соответствующими нерабочим переходам АЭ, отличающийся тем, что резонатор дополнительно в качестве «глухого» зеркала содержит призму БР-180, ребро при вершине двухгранного угла которой соосно АЭ, между АЭ и призмой БР-180 установлена под углом 45° к оптической оси резонатора плоскопараллельная пластина (ППП), a МД, выполненный на основе насыщающего фильтра и установленный между АЭ и выходным зеркалом, заклонен относительно торца АЭ на угол α>d/2L, где L - расстояние от АЭ до МД, d - диаметр АЭ, причем на рабочие поверхности ППП и МД нанесено оптическое покрытие, минимально отражающее излучение на длине волны рабочего перехода и длине волны первой стоксовой компоненты и частично пропускающее излучение с длинами волн, соответствующими нерабочим переходам.

2. Импульсный твердотельный лазер по п.1,отличающийся тем, что ППП выполнена из стекла.

3. Импульсный твердотельный лазер по п.1 или 2, отличающийся тем, что оптическое покрытие ППП и МД выполнено многослойным диэлектрическим.