ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА С МНОГОПЕТЛЕВЫМ РЕЗОНАТОРОМ Российский патент 2016 года по МПК H01S3/83 H01S3/102 

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к твердотельным лазерам, и может быть использовано для получения одномодового импульсно-периодического режима генерации с высокой пространственной яркостью излучения, обладающего большой длиной когерентности и малой расходимостью.

В квантовой электронике широкое распространение получили твердотельные лазерные системы с самонакачивающимся обращением волнового фронта (далее ОВФ), реализуемом при четырехволновом смешении непосредственно в лазерной усиливающей среде [1-6]. Такие лазерные системы обеспечивают генерацию мощного лазерного излучения с малой расходимостью, близкой к дифракционному пределу, благодаря самокомпенсации искажений при ОВФ.

Известна лазерная система одномодового излучения [7], содержащая два активных элемента, между которыми расположен пассивный лазерный затвор, также лазерная система содержит поворотные зеркала и полностью отражающее концевое опорное зеркало, выполненное в виде интерферометра Саньяка. Поворотные зеркала установлены так, что формируют по одной петле излучения в каждом из активных элементов, что обеспечивает образование самонакачивающихся ОВФ-зеркал в виде решеток коэффициента усиления, возникающих в результате интерференции пересекающихся пучков излучения.

Одномодовый одночастотный режим генерации лазерной системы достигается путем селекции поперечных мод в интерферометре Саньяка и обращения волнового фронта излучения при четырехволновом смешении на решетках усиления в активных элементах. Пассивный лазерный затвор позволяет осуществить модуляцию добротности резонатора с увеличением мощности и сокращением длительности генерируемых импульсов лазерного излучения.

Недостатком данного устройства является необходимость использования дополнительного активного элемента с записью в нем дополнительного ОВФ-зеркала для снижения порога лазерной генерации и увеличения усиления в канале генерации. При этом запасенная энергия дополнительного активного элемента используется не полностью, что приводит к уменьшению эффективности генерации. Другим недостатком устройства является то, что излучение, отраженное от ОВФ-зеркала, распространяется в направлении, встречном к направлению выходного лазерного излучения, что приводит к неполной компенсации искажений при ОВФ.

Известна также лазерная система одномодового излучения, принятая в качестве прототипа [8], содержащая один активный элемент, поворотные зеркала, частично отражающее опорное зеркало, являющееся выходным, и оптический вентиль Фарадея, направляющий выходное лазерное излучение к выходному зеркалу. Причем поворотные зеркала установлены так, что формируют петлю излучения, перекрестье которой локализовано в центральной области среды активного элемента для обеспечения образования ОВФ-зеркала. Реализация одномодового одночастотного режима генерации, как и в предыдущей лазерной системе, достигается путем ОВФ при четырехволновом смешении в активной лазерной среде, однако при этом компенсация искажений при ОВФ является полной, т.к. отраженное ОВФ-зеркалом излучение оказывается попутным к выходному лазерному излучению. При этом реализуется режим самомодуляции добротности резонатора на решетках усиления с увеличением мощности и сокращением длительности генерируемых импульсов лазерного излучения без использования каких-либо лазерных затворов.

Недостатком данной системы является наличие высокого порога генерации лазерного излучения, что требует использования активного элемента, имеющего активную среду только с высоким усилением.

Задача изобретения состоит в уменьшении порога генерации лазерного излучения в лазерах с использованием петлевой схемы.

Известна лазерная система одномодового одночастотного излучения, содержащая активный элемент, поворотные зеркала, установленные с возможностью образования пучком излучения петли, перекрестье которой локализовано в центральной области среды активного элемента с записью в нем обращающего волновой фронт зеркала, а на выходе лазерной системы установлено выходное зеркало.

В соответствии с изобретением, лазерная система снабжена системой поворотных зеркал, установленных с возможностью образования, по меньшей мере, еще одной дополнительной петлей излучения. Перекрестья каждой из дополнительных петель также локализованы в центральной области среды активного элемента. При этом каждая дополнительная N-я петля излучения формируется пучком излучения, проходящим среду активного элемента N+1-й раз, пучки излучения каждой из петель записывают обращающие волновой фронт зеркала в среде активного элемента, а генерируемые пучки излучения отражаются от них и когерентно складываются между собой, образуя при этом выходное лазерное излучение.

Предлагаемое изобретение позволяет осуществить генерацию лазерного излучения с использованием активного элемента со слабым усилением за счет того, что пучки излучения, генерирующиеся на всех ОВФ-зеркалах, полученных с помощью дополнительных петель, суммируются между собой, обеспечивая развитие генерации лазерного излучения с обращенным волновым фронтом и самокомпенсацией внутрирезонаторных искажений.

На образовавшихся дополнительных ОВФ-зеркалах происходит частичное рассеяние излучения в петли, вызывающее дальнейшее нарастание интенсивности пучков излучения, которое приводит и к увеличению коэффициентов отражения (дифракционной эффективности) ОВФ-зеркал. Такая динамическая обратная связь, включающая одновременный взаимный рост дифракционной эффективности ОВФ-зеркал и нарастание потока излучения, приводит к формированию резонатора лазера. Пучки излучения, генерирующиеся на образованных ОВФ-зеркалах, суммируются, обеспечивая снижение порога лазерной генерации и возможность использования различных активных сред в качестве активных элементов и различных их линий люминесценции, в т.ч. со слабым усилением.

Использование в лазерной системе дополнительных поворотных зеркал, с помощью которых пучками излучения образуются две дополнительные петли с перекрестьями, также локализованными в центральной области среды активного элемента, дополнительно снижает порог и обеспечивает более эффективную лазерную генерацию.

Эффективность лазерной системы одномодового одночастотного излучения может быть повышена за счет того, что в системе поворотных зеркал, по меньшей мере, между двумя зеркалами установлен один оптический вентиль Фарадея.

Рис.1. Схема лазерной системы с многопетлевым резонатором.

Рис.2. Схема генерации ОВФ-зеркала P₁ с помощью первой петли излучения.

Рис.3. Схема генерации ОВФ-зеркала Р₂ с помощью второй петли излучения.

Рис.4. Схема генерации ОВФ-зеркала Р₃ с помощью третьей петли излучения.

Рис.5. Графики зависимости пороговых значений усиления G_пор активного элемента от пропускания вентиля для прототипа и заявляемого изобретения.

Пример реализации изобретения для лазерной системы с количеством дополнительных петель N, равным двум. Лазерная система (рис.1) содержит закрепленный неподвижно на основании по ходу световых лучей активный элемент АЭ и систему зеркал 1-7, установленных таким образом, что формируется не менее трех внутрирезонаторных петель, в пересечении которых размещен активный элемент АЭ. По ходу распространения пучков излучения между зеркалами 6 и 7 установлен оптический вентиль фарадея ВФ. Опорное зеркало 1 является частично пропускающим и предназначено для вывода лазерного излучения в направлении ОВФ-генерации с самокомпенсацией искажений.

Генерация одномодового одночастотного лазерного излучения происходит следующим образом. Для генерации лазерного излучения с помощью ламп или линеек (матриц) лазерных диодов (не показано) возбуждается активная среда активного элемента АЭ. Пучки затравочного или инжектированного излучения распространяются в лазерной системе, последовательно отражаясь от зеркал 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7, и усиливаются в G раз за каждый проход АЭ (G - усиление АЭ за проход), при этом между зеркалами 6 и 7 установлен вентиль Фарадея так, что при распространении излучения от зеркала 6 к зеркалу 7 (направление записи) пучок проходит вентиль Фарадея с ослаблением (коэффициент ослабления равен пропусканию T вентиля Фарадея в закрытом направлении), а во встречном направлении (направление ОВФ-генерации) от зеркала 7 к зеркалу 6 излучение проходит вентиль Фарадея без существенного ослабления. При этом пучки излучения, распространяющиеся в направлении записи, несколько раз пересекаются в АЭ и интерферируют, записывая решетки усиления благодаря зависимости коэффициента усиления АЭ от интенсивности излучения. На записанных решетках усиления происходит ОВФ-дифракция внутрирезонаторного излучения, возвращающая генерируемое излучение в лазерный резонатор, т.е. решетки являются ОВФ-зеркалами резонатора, обеспечивающими лазерную генерацию в направлении, встречном к направлению записи.

Для формирования ОВФ-зеркал используются четыре записывающих пучка с интенсивностями I₁-I₄, при этом пучки I₁-I₃ образуются в лазерной системе из затравочного или инжектированного пучка интенсивностью I₁, идущего от опорного зеркала 1 лазерной системы (рис.1). Необходимо отметить, что число записанных решеток усиления, являющихся ОВФ-зеркалами, равно числу сочетаний пар записывающих пучков (N²-N)/2=6, где N=4 - число записывающих пучков, т.е. записывается шесть решеток усиления. При этом наибольшее влияние на развитие генерации и снижение ее порога оказывают только три наиболее эффективные решетки, в записи которых участвует записывающий пучок с наибольшей интенсивностью I₄~G³, где G - усиление за проход лазерной среды. Каждому ОВФ-зеркалу соответствует своя траектория обхода лазерной системы генерируемым излучением, что иллюстрируется рис.2-4. При этом лазерная генерация на каждой из решеток усиления происходит навстречу записывающим пучкам, поэтому вентиль Фарадея (рис.1) для генерируемого излучения оказывается полностью пропускающим (имеющим малые потери, не превышающие нескольких процентов).

В результате интерференции записывающих пучков I₄ и I₁ первой петли образуется 1-е ОВФ-зеркало (1-я решетка усиления), а пучок I₅ генерируемого лазерного излучения распространяется от зеркала 2 (рис.2) навстречу записывающему пучку I₁ и дифрагирует на 1-й решетке усиления, частично (с коэффициентом η₁) рассеиваясь навстречу второму записывающему пучку I₄ в сторону зеркала 7. Далее отражаясь от зеркал 7, 6, 5, 4, 3 и 2, генерируемое излучение (пучок I₅) совершает полный обход резонатора, дважды проходя лазерную среду с усилением в G² раз. При этом коэффициент изменения интенсивности генерируемого излучения I₅ за полный обход резонатора равен η₁G².

В результате интерференции записывающих пучков I₄ и I₂ второй петли образуется 2-е ОВФ-зеркало (2-я решетка усиления), а пучок I₆ генерируемого лазерного излучения распространяется от зеркала 4 (рис.3) навстречу записывающему пучку I₂ и дифрагирует на 2-й решетке усиления, частично (с коэффициентом η₂) рассеиваясь навстречу второму записывающему пучку I₄ в сторону зеркала 7. Далее отражаясь от зеркал 7, 6, 5 и 4, пучок генерируемого излучения I₆ совершает полный обход резонатора, один раз проходя лазерную среду с усилением в G раз. При этом коэффициент изменения интенсивности генерируемого излучения за полный обход резонатора равен η₂G.

В результате интерференции пучков третьей петли I₄ и I₃ образуется 3-е ОВФ-зеркало (3-я решетка усиления), а пучок I₇ генерируемого лазерного излучения распространяется от зеркала 6 (рис.4) навстречу записывающему пучку I₃ и дифрагирует на 3-й решетке усиления, частично (с коэффициентом η₃) рассеиваясь навстречу второму записывающему пучку I₄ в сторону зеркала 7. Далее отражаясь от зеркал 7 и 6, генерируемое излучение I₇ совершает полный обход резонатора с коэффициентом изменения интенсивности, равным η₃.

В результате сформированные на трех рассматриваемых ОВФ-зеркалах пучки генерируемого лазерного излучения I₅, I₆, I₇ складываются между собой, что позволяет преодолеть порог и осуществить развитие генерации даже при малом усилении активного элемента.

Оценку максимальной дифракционной эффективности каждой (1-й, 2-й и 3-й) решетки усиления можно провести с помощью по формулы [9]:

$${\eta }_{\mathrm{1,2,3}}\approx G\cdot {\left(b\cdot L\cdot V_{\mathrm{1,2,3}}\right)}^2,(1)$$

где L - длина АЭ; b=α/4 - максимальное значение коэффициента дифракционной связи [10], α=L^-1·InG - коэффициент усиления лазерной среды;

$$V_i=\frac{2\sqrt{I_i\cdot I_4}}{I_i+I_4}(2)$$

- контраст интерференции пары пучков, записывающих i-ю решетку (i=1, 2, 3 - номер решетки); I_i - интенсивность первого записывающего пучка i-й решетки; вторым записывающим пучком во всех решетках является выходной пучок интенсивностью I₄.

Для интенсификации развития генерации мы предлагаем использовать вентиль Фарадея, имеющий малое оптическое пропускание в направлении записи Т<<1, но полное оптическое пропускание в направлении генерации, установленный согласно рис.1. Использование вентиля Фарадея приводит к существенному увеличению дифракционной эффективности решеток η_i. Это происходит вследствие того, что интенсивность наиболее сильного записывающего пучка I₄ уменьшается (коэффициент уменьшения равен Т), и благодаря уменьшению различия интенсивностей интерферирующих волн I_i=I₁·G^i-1 и I₄=T·I₁·G³ увеличивается контраст интерференции V_i (2).

Значения контраста интерференции для 1-й, 2-й и 3-й решетки при подстановке интенсивностей I_i и I₄ в (2) описываются следующей формулой:

$$V_i=\frac{2\sqrt{T\cdot G^{4-i}}}{1+T\cdot G^{4-i}},(3)$$

тогда дифракционные эффективности η_1,2,3 (1) определяются выражением:

$${\eta }_i=\frac{G}{4}\cdot {\left(\ln G\right)}^2\frac{T\cdot G^{4-i}}{{\left(1+T\cdot G^{4-i}\right)}^2}.(4)$$

В результате дифрагирующие (рассеянные) на трех рассматриваемых решетках усиления (ОВФ-зеркалах) пучки ОВФ-излучения когерентно складываются, обусловливая повышение обратной связи для образования лазерного резонатора. Тогда условие порога генерации с учетом баланса интенсивностей при обходе резонатора примет вид:

$${\eta }_1\cdot G^2\cdot {\eta }_2\cdot G+{\eta }_3=1.(5)$$

Для прототипа дифракционная эффективность ОВФ-зеркала определяется следующей формулой:

$$\eta =\frac{G}{4}\cdot {\left(\ln G\right)}^2\frac{T\cdot G}{{\left(1+T\cdot G\right)}^2}.(6)$$

При этом условие порога генерации с учетом баланса интенсивностей при обходе резонатора примет вид:

$$\eta =1.(7)$$

Из формул (4)-(5) и (6)-(7) определяются пороговые значения усиления G активного элемента, превышение которого обеспечивает лазерную генерацию в предлагаемой лазерной системе и в прототипе соответственно.

Формулы (3)-(7) также справедливы для случая отсутствия вентиля Фарадея в схеме (рис.1), если принять T=1. Тогда получим для предлагаемой лазерной системы значение порогового усиления G_пор=3.54, что в 2.54 раза ниже, чем в прототипе (G_пор=9.01).

Применение вентиля Фарадея в схеме (рис.1), при котором Т<1, позволяет снизить пороговое усиление G_пор активного элемента по сравнению со случаем отсутствия вентиля Фарадея (Т=1). Так, при T=10^-1 из формул (5) и (7) имеем G_пор=2.41 - для предлагаемой лазерной системы и G_пор=5.84 - для прототипа, т.е. при использовании вентиля Фарадея с пропусканием в закрытом направлении Т=10^-1 в предлагаемой лазерной системе пороговое усиление активного элемента в 2.42 раза ниже, чем в прототипе. При уменьшении T до 10^-2 из формул (5) и (7) получаем значения G_пор=2.87 - для предлагаемой лазерной системы и G_пор=9.82 - для прототипа, т.е. использование вентиля Фарадея с T=10^-2 в предлагаемой лазерной системе снижает порог генерации, а в прототипе, наоборот, повышает по сравнению со случаем отсутствия вентиля Фарадея.

На рис.5 представлены зависимости пороговых значений усиления G_пор активного элемента от пропускания вентиля Фарадея в закрытом направлении Т. Зависимость 1 (рис.5) рассчитана по формулам (4) и (5) для предлагаемой лазерной системы, а зависимость 2 (рис.5) рассчитана по формулам (6) и (7) для прототипа.

Из рис.5 видно, что использование вентиля Фарадея (T<1) для предлагаемой лазерной системы позволяет уменьшить пороговое усиление активного элемента в сравнении со случаем отсутствия вентиля Фарадея (T=1) в более широком диапазоне T от 10^-3 до 1 в отличие от прототипа, где аналогичный диапазон узок - от 10^-2 до 1, а из принципа работы вентиля Фарадея следует, что уменьшение его пропускания Т в закрытом направлении приводит к уменьшению потерь излучения в его открытом направлении, что повышает эффективность лазерной генерации.

Минимальное значение порогового усиления для предлагаемой лазерной системы составляет G_min=2.41 при T≈0.1, что в 2.27 раза меньше такового для прототипа (G_min=5.50 при Т≈0.2). При этом G_min примерно в 1.5 раза меньше, чем G_пор в отсутствие вентиля Фарадея (при T=1), как в предлагаемой лазерной системе, так и в прототипе.

Использование предлагаемого изобретения позволяет снизить пороговое усиление активного элемента более чем в 2 раза; уменьшить число активных элементов в парциальном генераторе при построении многоканальных лазерных систем; создавать компактные лазерные системы; расширить диапазон активных сред, используемых для генерации лазерного излучения; осуществлять генерацию лазерного излучения на не основных лазерных переходах для его дальнейшего смещения в среднюю инфракрасную область спектра лазерного излучения.

Литература

1. Бельдюгин, И.М. Твердотельные лазеры с самонакачивающимися ОВФ-зеркалами в активной среде / И.М.Бельдюгин, В.А.Беренберг, А.В.Васильев, И.В.Мочалов, В.М.Петникова, Г.Т.Петровский, М.А.Харченко, В.В.Шувалов // Квантовая электроника- 1989. - 16, №6. - С.1142-1145.

2. Damzen, M.J. Self-adaptive solid-state laser oscillator formed by dynamic gain-grating holograms / M.J.Damzen, R.P.M.Green, K.S.Syed // Optics Letters. - 1995. - 20, №16. - P.1704-1706.

3. Sillard, P. Gain-grating analysis of self-starting self-pumped phase-conjugate Nd:YAG loop resonator / P.Sillard, A.Brignon, J.-P.Huignard // IEEE J. Quantum Electronics. - 1998. - 34. - P.465-472.

4. Fedin, A.V. Passive Q-switching of self-pumped phase-conjugate Nd:YAG loop resonator / A.V.Fedin, A.V.Gavrilov, T.T.Basiev, O.L.Antipov, A.S.Kuzhelev, S.N.Smetanin // Laser Physics. - 1999. - 9(2). - P.433-436.

5. Antipov, O.L. 250-W average-power Nd:YAG laser with self-adaptive cavity completed by dynamic refractive-index gratings / O.L.Antipov, D.V.Chausov, A.S.Kuzhelev et al. // IEEE J. Quantum Electronics. - 2001. - 37(5). - P.716-724.

6. Басиев, Т.Т. Повышение эффективности генерации ИАГ:Nd-лазера с самообращением волнового фронта излучения / Т.Т.Басиев, А.В.Гаврилов, С.Н.Сметанин, А.В.Федин // Доклады Академии Наук. - 2006. - 408, №5. - С.614-617.

7. Пат. RU 2157035, Российская Федерация, МКИ H01S 3/11. Лазерная система одномодового излучения с динамическим резонатором / О.Л.Антипов, Т.Т.Басиев, А.В.Гаврилов, А.С.Кужелев, С.Н.Сметанин, А.В.Федин // Приоритет от 27.05.1998 г.

8. Smith, G. Quasi-CW diode-pumped self-starting adaptive laser with self-Q-switched output / G.Smith, M.J.Damzen // Optics Express. - 2007. - Vol.15(10). - P.6458-6463.

9. Basiev, Т.Т. On the influence of reflective gain holograms on the dynamics of lasing in a loop laser cavity / Т.Т.Basiev, A.V.Fedin, V.V.Osiko, S.N.Smetanin // Laser physics. - 2003. - 13(7) - P.903-908.

10. Kogelnik, H. Coupled wave theory for volume holographic grating // Bell Syst. Techn. J. - 1969. - 48(9). - P.2909-2947.

Лазерная система одномодового одночастотного излучения содержит систему поворотных зеркал, установленных с возможностью образования кольцевого резонатора и по меньшей мере одной дополнительной петли излучения в нём. Перекрестье каждой дополнительной петли локализовано в центральной области среды активного элемента. При этом каждая дополнительная N-я петля излучения формируется пучком излучения, проходящим среду активного элемента N+1-й раз. Пучки излучения каждой из петель записывают обращающие волновой фронт зеркала в среде активного элемента - дифракционную решётку усиления, а генерируемые пучки излучения отражаются от них и когерентно складываются между собой, образуя при этом выходное лазерное излучение. Технический результат - уменьшение порогового усиления активного элемента, числа активных элементов в парциальном генераторе при построении многоканальных лазерных систем, габаритных размеров лазерной системы; расширение диапазона активных сред, используемых для генерации лазерного излучения; осуществление генерации лазерного излучения на не основных лазерных переходах для его дальнейшего смещения в среднюю инфракрасную область спектра лазерного излучения. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Лазерная система одномодового одночастотного излучения, содержащая активный элемент, поворотные зеркала, установленные с возможностью образования пучком излучения петли, перекрестье которой локализовано в центральной области среды активного элемента с записью в нем обращающего волновой фронт зеркала, а на выходе лазерной системы установлено выходное зеркало, отличающаяся тем, что лазерная система снабжена системой поворотных зеркал, установленных с возможностью образования, по меньшей мере, еще одной дополнительной петли излучения, при этом перекрестья каждой из дополнительных петель также локализованы в центральной области среды активного элемента, при этом каждая дополнительная петля N излучения формируется пучком излучения, проходящим среду активного элемента N+1 раз, пучки излучения каждой из петель записывают обращающие волновой фронт зеркала в среде активного элемента, а генерируемые пучки излучения отражаются от них и когерентно складываются между собой, образуя при этом выходное лазерное излучение.

2. Лазерная система одномодового одночастотного излучения по п.1, отличающаяся тем, что снабжена системой поворотных зеркал, установленных с возможностью образования пучками излучения двух дополнительных петель, перекрестья которых также локализованы в центральной области среды активного элемента.

3. Лазерная система одномодового одночастотного излучения по п.1, отличающаяся тем, что в системе поворотных зеркал, по меньшей мере, между двумя зеркалами установлен оптический вентиль Фарадея.