Твердотельный лазер с модуляцией добротности и комбинированным методом синхронизации мод Российский патент 2023 года по МПК H01S3/81 

Изобретение относится к лазерной технике, более конкретно к импульсным твердотельным лазерам, в которых для получения сверхкоротких импульсов (СКИ) с высокими пиковыми мощностями используется модуляция добротности резонатора (режим Q-switch) и синхронизация мод.

Известны решения, когда для получения модуляции добротности и синхронизации мод в резонаторе лазера используют два акустооптических модулятора (АОМ): АОМ бегущей волны для модуляции добротности и АОМ стоячей волны для синхронизации мод. Недостатками таких решений являются: наличие дополнительных потерь в резонаторе, сложность конструкции, громоздкость и высокая стоимость лазера. [1. Мустель Е.Р., Парыгин В.Н. Методы модуляции и сканирования света. М.: Наука, 1970. 2. Магдич Л.Н., Молчанов В.Я. Акустооптические устройства и их применение. М.: Советское радио, 1978].

Также известны лазеры с активной синхронизацией мод, реализованной с помощью АОМ бегущей волны и возврата дифрагировавших волн в резонатор с помощью дополнительных зеркал, что увеличивает область синхронизации более чем в 10 раз по сравнению с используемым для этих целей АОМ стоячей волны [4. Кравцов Н.В. и др. Письма в ЖТФ. Т. 9. В. 7. С. 440. 1983. 5. Надточеев В.Е., Наний О.Е. Квантовая электроника. Т. 16. №11. С. 2231. 1989]. Недостатками такого метода синхронизации мод является: 1) сложность конструкции лазера из-за наличия дополнительных зеркал; 2) Величина пиковой мощности ниже в 10³-10⁴ раз из-за отсутствия модуляции добротности резонатора, по сравнению с лазерами, в которых одновременно осуществляется режим Q-switch и синхронизация мод (QML режим).

Для улучшения характеристик лазера иногда используется комбинация АОМа с поглощающими элементами [5. Lewis M.A., KnudtsonJ. T.Active-passivemode-lockedNd: YAGoscillator // Appliedoptics. 1982. 21, №16. P. 2897-2900.]. Однако это приводит к удорожанию и усложнению конструкции лазера.

Авторам [6. Грязное Н.А., Соснов Е.Н., Горячкин Д.А., Никитина В.М., Родионов А.Ю. Активная фазовая синхронизация мод в резонаторе с управляемым интерферометром Майкельсона// Оптический журнал. 2019. 86, №4. С. 3-10.] удалось организовать QML режим при помощи одного электрооптического модулятора. Модулятор был установлен в одном из плеч управляемого интерферометра Майкельсона, используемого в качестве выходного зеркала резонатора. Недостатками этого метода являются сложная схема лазерного резонатора и трудоемкий процесс точной настройки интерферометра.

Известно решение, где модуляция добротности и активная синхронизация мод в твердотельном лазере реализованы с помощью АОМ бегущей волны и возврата дифрагировавших волн в резонатор с помощью концевого сферического зеркала резонатора [7. Патент №2478242]. Недостатком такого метода является использование дополнительного нелинейного кристалла для получения керровской линзы и точного позиционирования АОМа относительно вогнутого сферического зеркала резонатора, что приводит к ограничению компактности конструкции таких лазеров.

В предлагаемом лазере получены сверхкороткие импульсы с высокой пиковой мощностью посредством использования одного АОМ бегущей волны. Технический результат достигается за счет того, что твердотельный лазер, работающий в режиме синхронизации мод или модуляции добротности, или в обоих режимах одновременно, содержит источник продольной накачки, четырехзеркальный резонатор, активный элемент (неодим содержащий кристалл, например, ортованадат иттрия, иттрий-алюминиевый гранат, иттрий-литиевый фторид), акустооптический модулятор. Четырехзеркальный резонатор собран по Z-образной схеме, активный элемент помещается в плечо образованное двумя поворотными зеркалами. В плечо, образованное первыми концевым и поворотным зеркалами помещается акустооптический модулятор, изготовленный из материала, обладающего керровской нелинейностью. В плечо, образованное вторыми поворотным и концевым зеркалами помещается диафрагма, в этом же плече располагается нелинейный кристалл для преобразования длины волны генерации лазера. Зеркала резонатора могут иметь произвольные радиусы кривизны, исходя из устойчивости резонатора. Уникальность изобретения заключается в том, что сокращение длительности импульсов достигается за счет высокого коэффициента нелинейности показателя преломления в самом акустооптическом модуляторе. Рабочая частота f модулятора задается равной (или кратной) половине межмодового интервала 2f лазера (2f≈c/2L, где с - скорость света, L - длина резонатора), а частота переключения модулятора определяет частоту следования Q-switch импульсов (например, выбирается в диапазоне от одного до ста килогерц).

Целью изобретения является получение сверхкоротких импульсов с высокой пиковой мощностью в твердотельном лазере посредством использования одного АОМ бегущей волны для модуляции добротности, синхронизации мод и образования керровской линзы без использования дополнительных элементов. Помещенный нелинейный кристалл в резонатор лазера используется для получения длины волны выходного излучения в заданном спектральном диапазоне.

Описание предлагаемого решения поясняется графическим материалом:

Фиг. 1. Схема лазера. 1, 3, 5, 8 - зеркала резонатора, 2 - акустооптический модулятор, 4 - активный элемент, 6 - один или более нелинейных кристаллов для преобразования длины волны генерации лазера, 7 - диафрагма, 9 - согласующая линзовая система; 10 - источник накачки активного кристалла.

Фиг. 2. Принцип создания режимов модуляции добротности и синхронизации мод.

Фиг. 3. Денситограмма импульса генерации Nd:YAG лазера (на длине волны λ=1,064 мкм) в режиме Q-switch с синхронизацией мод. Средняя мощность лазера 2 Вт, частота повторения 2 кГц.

Лазер (фиг. 1) выполнен на простой Z-образной схеме оптического резонатора. Активный кристалл 4 продольно накачивается через линзовую систему 9, в качестве источника накачки 10 используется лазерный диод, или линейка лазерных диодов. Акустооптический модулятор 2 обеспечивает режимы модуляции добротности и синхронизации мод.

Принцип создания режимов модуляции добротности и синхронизации мод иллюстрируется фиг. 2. Модулятор располагается под углом Брэгга (θ_Б) к оптической оси резонатора рядом с концевым сферическим зеркалом (СЗ) резонатора так, чтобы оптическая длина пути между центром модулятора и отражающей поверхностью зеркала была приблизительно равна радиусу кривизны R этого зеркала. На пьезопреобразователь АОМа подается рабочая частота f, равная половине межмодового интервала лазера (c/2L=2f). При прохождении светового луча 1 (с частотой ν₀) через АОМ справа налево на зеркало падает два луча (лучи 2 и 3 с частотами ν₀ и ν₀ + f соответственно). Оба эти луча, отражаясь от зеркала, возвращаются в АОМ по тому же оптическому пути, где подвергаются повторной дифракции. Луч 2 распадается на лучи 4 и 5 с частотами ν₀ и ν₀ - f соответственно. Луч 3 распадается на лучи 6 и 7 с частотами ν₀ + f и ν₀ + 2f соответственно. Лучи 5 и 6 выходят из резонатора под углом 2θ_Б. Лучи 4 и 7 остаются в резонаторе и за счет луча 7 с частотой ν₀ + 2f достигается эффект синхронизации мод.

Коэффициент дифракционной связи (k_d) или дифракционная эффективность АОМа служит управляющим параметром, изменяя который можно управлять динамическими режимами генерации лазера. Таким образом, при подаче на модулятор непрерывного питающего сигнала ультразвуковой частоты и точной настройке межмодового интервала лазера на удвоенную частоту бегущей звуковой волны модулятора, изменяя величину k_d можно получить генерацию в двух режимах: синхронизация мод в непрерывном режиме (CWML) и автоколебательный QML режим (aвтоQML) при котором модуляция добротности возникает на частоте релаксационных колебаний лазера.

QML режим генерации осуществляется включением периодической модуляции звуковой волны АОМа с частотой ~1÷100 кГц и увеличением k_d по сравнению с режимами CWML и aвтоQML. Выходящие под углом 2θ_Б из резонатора лучи 5 и 6 с частотами ν₀ - f и ν₀ + f обеспечивают модулирующие добротность резонатора потери. При этом после отключения рабочей частоты звуковая волна в светозвукопроводе АОМа отключается за время ~ 0,1 мкс (время прохождения заднего фронта звуковой волны через световой пучок). За это время в Q-switch импульсе генерации за счет луча повторной дифракции с частотой (ν₀+2f) одновременно происходит синхронизация мод.

Дальнейшее уменьшение длительности отдельного импульса генерации с целью увеличения пиковой мощности производится керровской линзой (т.е. наведенной излучением лазера), формируемой в акустооптическом модуляторе.

В основе метода лежит явление самофокусировки излучения в среде, благодаря которому в резонаторе можно создать эффект, аналогичный просветляющемуся поглотителю. Самофокусировка является следствием зависимости показателя преломления среды от интенсивности излучения. Это явление известно, как оптический эффект Керра, его следствием является образование линзы, сила которой зависит от интенсивности проходящего света. Сокращение длительности импульса достигается совместным действием керровской линзы и диафрагмы. Для эффективного уменьшения длительности импульса генерации необходимо, чтобы в плоскости диафрагмы размер пучка уменьшался при увеличении его интенсивности. При использовании в качестве активного элемента кристалла Nd:YAG, акустооптического модулятора изготовленного из кристаллического кварца (модель М3-322) в лазере собранном по схеме фиг. 1. были получены импульсы длительностью 15 пс в QML режиме генерации. На фиг. 3. показан результат измерения от дельного импульса внутри Q-switch цуга с помощью электронно-оптической камеры Агат-СФ3М. При средней выходной мощности лазера 2 Вт, частоте Q-switch 2 кГц и длительности Q-switch цуга 80 нс пиковая мощность импульсов составила ≈7 МВт.

Новизной заявляемого изобретения является то, что с помощью одного акустооптического модулятора удается не только модулировать добротность резонатора и обеспечивать синхронизацию мод, но и эффективно сокращать длительность генерируемых импульсов за счет формирования керровской линзы в материале модулятора.

Основными преимуществами предлагаемого лазера по сравнению с другими является возможность переключения между режимами генерации (непрерывная генерация, модуляция добротности, синхронизация мод, aвтоQML и QML режим) без необходимости изменения оптической схемы лазера или замены каких-либо ее элементов, а также сравнительная простота настройки и низкая стоимость изготовления такого лазера.

Изобретение относится к лазерной технике. Лазер с модуляцией добротности резонатора и синхронизацией мод содержит резонатор из четырех зеркал, два из которых являются концевыми, а два промежуточными, поворотными; активный кристалл (АК) в наклонном плече, образованном двумя поворотными зеркалами, при этом излучение лазерного диода накачки фокусируется в АК системой линз через менисковое поворотное зеркало, в одном из двух концевых плеч, каждое из которых образовано концевым и поворотным зеркалом, размещается акустооптический модулятор, изготовленный из материала, обладающего керровской нелинейностью, для формирования режимов модуляции добротности и синхронизации мод, рабочая частота f модулятора задается равной или кратной половине межмодового интервала 2f лазера, частота переключения модулятора определяет частоту следования Q-switch импульсов, во втором концевом плече размещен нелинейный кристалл для генерации кратных гармоник и параметрической генерации, выполненный с возможностью получения лазерного излучения в заданном спектральном диапазоне. Технический результат - сверхкороткие импульсы с высокой пиковой мощностью в твердотельном лазере с одним АОМ бегущей волны для модуляции добротности, синхронизации мод и образования керровской линзы. 3 ил.

Лазер с модуляцией добротности резонатора и синхронизацией мод, у которого резонатор состоит из четырех зеркал, два из которых являются концевыми, а два остальных - промежуточными, поворотными, активный кристалл размещен в наклонном плече, образованном двумя поворотными зеркалами, при этом излучение лазерного диода накачки фокусируется в активный кристалл системой линз через менисковое поворотное зеркало, в одном из двух концевых плеч, каждое из которых образовано концевым и поворотным зеркалом, размещается акустооптический модулятор, изготовленный из материала, обладающего керровской нелинейностью, для формирования режимов модуляции добротности и синхронизации мод, рабочая частота f модулятора задается равной или кратной половине межмодового интервала 2f лазера, частота переключения модулятора определяет частоту следования Q-switch импульсов, во втором концевом плече размещен нелинейный кристалл для генерации кратных гармоник и параметрической генерации, выполненный с возможностью получения лазерного излучения в заданном спектральном диапазоне.