Лазерный источник мощного излучения среднего ИК-диапазона на основе кольцевого параметрического генератора на кристалле ZGP с высокой частотой импульса Российский патент 2024 года по МПК H01S3/10 G02F1/39 

Область техники

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано при разработке и изготовлении твердотельных лазеров с параметрическим преобразованием излучения и других источников когерентного излучения инфракрасного (ИК) диапазона длин волн.

В ИК диапазоне электромагнитных волн есть несколько «окон прозрачности» атмосферы Земли, которые расположены, в частности, на длинах волн 3,5…5 мкм и 8…14 мкм. Поэтому электромагнитное излучение в этих диапазонах используется для целого ряда применений, в частности спектроскопии, дистанционного зондирования, обнаружения химических веществ/загрязнителей, неразрушающего контроля материалов, а также для решения задач специального назначения. Для специальных применений важны также объекты теплового излучения, длина волны которого определяется температурой объекта (или газов около объекта) и лежит в среднем ИК диапазоне (длины волн 3-14 мкм). Наличие молекулярных переходов на длинах волн 3,5…5 мкм и 8…14 мкм делает эти спектральные диапазоны полезными для спектроскопии и дистанционного зондирования. Кроме паров воды сильные ограничения на распространение лазерного излучения в атмосфере Земли в среднем ИК диапазоне вносит также атмосферный углекислый газ (CO₂), который имеет сильные широкие полосы поглощения с центром на 4,3 мкм и 13,5 мкм. Объектами дистанционного зондирования могут быть также другие молекулярные газы, такие как углеводороды (СН₄, С₂Н₂, и др.), озон (О₃), диоксид серы (SO₂), фундаментальные полосы колебательного поглощения которых лежат в диапазонах 3,5…5 мкм и 8…14 мкм.

Уровень техники

В настоящее время в среднем ИК диапазоне используются различные типы лазерных излучателей. Среди существующих в настоящее время мощных источников когерентного излучения в диапазонах длин волн 3,5-5 мкм и 8-14 мкм можно отметить следующие: лазеры на молекулярных газах; фотодиссоциационные лазеры; параметрические генераторы света (ПГС); твердотельные лазеры на кристаллах Fe²⁺:ZnSe; волоконно-лазерные источники широкополосного излучения; лазерные диоды, включая квантово-каскадные полупроводниковые лазеры. Однако для целого ряда задач наиболее перспективным вариантом излучателя является ПГС на основе нелинейно-оптических кристаллов с накачкой излучением твердотельных лазеров.

ПГС представляют собой оптические устройства, в которых за счет нелинейно-оптического параметрического распада квантов накачки развивается генерация волн на новых частотах - происходит параметрическое преобразование частоты излучения лазера накачки. В резонаторе ПГС устанавливается нелинейно-оптический кристалл (или специальная кристаллическая структура). В процессе параметрического преобразования в нелинейно-оптическом кристалле на выходе ПГС обычно получается излучение сигнальной волны (на длине волны 3,5-4,2 мкм) и изучение холостой волны (на длине волны 4,3-5 мкм). В качестве лазеров накачки ПГС часто используются импульсно-периодические Nd³⁺:YAG лазеры с модуляцией добротности, которые работают на длине волны 1,064 мкм (ближний ИК диапазон) при длительности импульсов около 10 не и частоте повторения импульсов до 1 кГц. Рекордсменами по величине квадратичной нелинейности среди нелинейно-оптических кристаллов для ПГС среднего ИК диапазона являются кристаллы цинк-германий-фосфид ZnGeP₂ (сокращенно ZGP), кадмий-кремний-фосфид CdSiP₂, периодически-ориентированные структуры OP-GaAs и OP-GaP. Эти материалы обладают также хорошей теплопроводностью и прочностью. Относительным недостатком перечисленных материалов является наличие поглощения (как правило, примесного) на длинах волн менее 1,8…2 мкм. Наиболее технологически отработано в настоящее время изготовление кристаллов ZGP. Накачку ПГС среднего ИК диапазона на кристалле ZGP хорошо обеспечивают твердотельные лазеры на кристалле Ho³⁺:YAG на длине волны ~2100 нм. При этом для достижения высокой выходной мощности среднего ИК излучения можно использовать линейную, петлевую или кольцевую схему ПГС. Лазеры на кристаллах Ho³⁺:YAG могут накачиваться в свою очередь излучением лазеров на кристаллах Tm:YLF или тулиевых волоконных лазеров на длине волны ~1,9 мкм.

В настоящее время известно довольно много лазерных источников среднего ИК диапазона на основе параметрических генераторов, однако на пути достижения высокой мощности и энергии импульсов их излучения возникает ряд проблем. Одной из основных проблем мощных ПГС среднего ИК диапазона является оптический пробой поверхности нелинейно-оптических элементов под действием интенсивного импульсно-периодического излучения накачки и генерации. При увеличении диаметра пучка накачки, необходимого для предотвращения оптического пробоя поверхности, возникают другие проблемы: снижается эффективность ПГС и ухудшается качество пучка генерации.

По патенту US11048143, публ. 29.06.2021, МПК G02F1/35; G02F1/355; G02F1/39 известно устройство и способ генерации инфракрасного излучения. При этом устройство генерации излучения ИК-диапазона содержит один или несколько источников накачки, выполненных с возможностью генерирования одного или нескольких лучей накачки; нелинейный оптический преобразователь, ориентированный вдоль одной линии луча; при этом нелинейный оптический преобразователь генерирует первую длину волны сигнала, первую холостую длину волны, вторую длину волны сигнала и вторую холостую длину волны; и при этом оптическая система источника инфракрасного излучения сконфигурирована для вывода средневолнового инфракрасного луча, включающего в себя три или более волны на разных частотах. Способ генерирования инфракрасного излучения включает в себя: формирование одного или нескольких лучей накачки с помощью одного или нескольких источников накачки; при несколько лучей накачки образуют единую линию луча; генерируют с помощью нелинейного оптического преобразователя первую длину волны сигнала, первую холостую длину волны, вторую сигнальную длину волны и вторую холостую длину волны на основе, по меньшей мере, частично, одного или нескольких лучей накачки; при этом первая длина волны сигнала и первая длина волны холостого хода изменяются независимо от второй длины волны сигнала и второй длины волны холостого хода; и через нелинейный оптический преобразователь выводится средневолновое инфракрасное излучение, включающее в себя три или более длин волн в одной линии луча.

В некоторых реализациях нелинейный оптический преобразователь системы источника инфракрасного излучения представляет собой ПГС, а система источника инфракрасного излучения дополнительно содержит: кольцевой резонатор ПГС; по меньшей мере один отражающий оптический элемент, расположенный внутри кольцевого резонатора и вдоль единственной линии луча; первый нелинейно-оптический кристалл ПГС, ориентированный вдоль единственной линии луча; и второй нелинейно-оптический кристалл ПГС, ориентированный вдоль единственной линии луча; при этом первый нелинейно-оптический кристалл и второй нелинейно-оптический кристалл являются критически синхронизированными по фазе. Некоторые типичные нелинейно-оптические кристаллы включают ZGP или CdSiP₂. В качестве оптического поворотного устройства в варианте с кольцевым резонатором используют призму.

Однако известный по патенту US 11048143 способ и устройство имеет следующие недостатки: использование двух нелинейно-оптических элементов (вместо одного), а также зеркал (или призм) для формирования резонатора ПГС, отражающих одновременно излучение сигнальной, холостой и накачивающих волн, хоть и снижает порог параметрической генерации, однако приводит к большой нестабильности генерации и не решает проблему (не повышает порог) пробоя поверхности нелинейно-оптических кристаллов, что не позволяет достичь высокой мощности выходного излучения.

По патенту CN111244743, публ. 05.06.2020, МПК H01S3/10; H01S3/107 известно устройство, представляющее собой многоволновой лазерный источник ИК излучения на основе ПГС с переключателем средней длины волны выходного сигнала на основе электрооптического кристалла. Лазерный источник содержит четыре плосковыпуклые линзы, электрооптический кристалл, три поляризационных пластины, три полуволновые пластины, два зеркала полного отражения, три зеркала первого резонатора и пять кристаллов ZGP. Устройство содержит также электрооптический кристалл, первое выходное зеркало, два дихроичных зеркала, первый фильтр, три зеркала резонатора ПГС, второе выходное зеркало, зеркало полного отражения, второе дихроичное зеркало, третье дихроичное зеркало, второй фильтр, три зеркала третьего резонатора, третье выходное зеркало и третий фильтр. Устройство предназначено для получения ИК излучения в двух спектральных диапазонах: 3-5 мкм и 8-10 мкм, с возможностью переключения от диапазона к диапазону. В качестве источника накачки ПГС в варианте осуществления используется импульсно-периодический Ho³⁺:YAG лазер с частотой повторения 10 кГц и длиной волны - 2,1 мкм.

Недостатком представленного устройства является следующее: использованные схемы ПГС и режимы работы лазера накачки не приводят к повышению порога оптического пробоя нелинейно-оптических кристаллов в ПГС.

Наиболее близким аналогом (прототипом) по технической сущности предлагаемого устройства является лазерный излучатель среднего ИК диапазона на основе кольцевого ПГС на кристалле ZGP, известный из публикации Hemming A. et al. A high power mid-IR ZGP ring OPO // CLEO: 2013. San Jose, California: OSA, 2013. P. CW1B.7. Для накачки использовался импульсный высокомощный Но³⁺:УАО-лазер с выходной мощностью до 54 Вт. Известное устройство обеспечивает получение мощного лазерного излучения среднего ИК диапазона с хорошим качеством луча, но у него есть ряд недостатков.

Одним из недостатков прототипа является то, что в получаемом импульсном ИК излучении частота следования импульсов оказывается недостаточной для обеспечения необходимой для решения некоторых задач мощности и стабильности выходного излучения, что ограничивает область применения известного устройства. Кроме того, используемые в прототипе зеркала кольцевого ПГС осуществляют связь и по сигнальной, и по холостой волне, и по волне накачки, что снижает стабильность генерации и не способствует повышению порога оптического пробоя поверхности нелинейно-оптических элементов, не позволяя поднять мощность выходного излучения.

Раскрытие сущности изобретения

Технической задачей заявляемого изобретения является возможность получения высокоэнергетических пачек импульсов с высокой частотой следования импульсов заполнения пачки, обеспечивая высокую энергию пачек импульсов, в среднем по времени мощность и стабильность выходного ИК излучения с высоким качеством пучка, что расширяет возможности использования предлагаемого лазерного источника мощного излучения среднего ИК диапазона.

Технический результат в данном изобретении достигается тем, что он, как и прототип включает в себя источник накачки на основе тулиевого волоконного лазера, лазер на кристалле Ho³⁺:YAG с высокой частотой следования импульсов и кольцевой ПГС на основе кристалла ZGP.

Новым в предполагаемом устройстве является то, что в тулиевом волоконном лазере дополнительно устанавливают блок управления током накачки, внутри резонатора лазера на кристалле Ho³⁺:YAG используют акустооптический модулятор, а кольцевой резонатор ПГС формируется диэлектрическими зеркалами отражающими только сигнальную волну.

Наличие двух блоков управления режимом генерации (за счет управления током накачки и акустооптического модулятора добротности резонатора лазера) позволяет получать в Ho³⁺:YAG лазере импульсно-периодическую последовательность пачек, следующих с килогерцовой частотой и содержащих импульсы еще более высокочастотного заполнения с высокой энергией. По сравнению с прототипом в заявляемом устройстве может быть получена более высокая частота следования импульсов. Наличие обратной связи только для сигнальной волны "однорезонансного" ПГС за счет применения диэлектрических зеркал с соответствующим спектром отражения обеспечивает высокую стабильность параметрической генерации. Оба указанных фактора (высокая частота следования импульсов и стабильность их мощности) позволяют повысить порог оптического пробоя поверхности нелинейно-оптических кристаллов и получить высокую энергию импульсов и пачек импульсов генерации. Согласование пространственной структуры моды сигнальной волны резонатора и пучка накачки ПГС, в частном случае за счет использования внутрирезонаторной линзы позволяет получить высокую эффективность генерации при хорошем качестве выходного пучка. Другим способом согласования указанных пространственных структур является подбор оптической длины резонатора ПГС и размеров нелинейно-оптического кристалла при заданной мощности накачки.

Краткое описание чертежей

Устройство поясняется фигурой 1, на которой показана схема предлагаемого лазерного источника. Схема ПГС показана на фигуре 2.

Обозначения на фигурах:

1 - Tm волоконный лазер

2 - излучение Tm волоконного лазера

3 - Ho³⁺:YAG лазер

4 - блок управления током накачки

5 - акустооптический модулятор

6 - импульсно-периодическое излучение Ho³⁺:YAG лазера

7 - ПГС с кольцевым резонатором на кристалле ZGP

8 - выходное импульсно-периодическое излучение ИК-диапазона

9 - кристалл ZGP

10 - входное зеркало

11 - выходное зеркало

12, 13 - поворотные зеркала

14 - линза.

Осуществление изобретения

Тулиевый (Tm) волоконный лазер 1 с помощью непрерывного излучения 2 накачивает лазер на кристалле Ho³⁺:YAG 3. При этом для тулиевого волоконного лазера 1 используют блок электронного управления током накачки 4, что позволяет формировать высокоэнергетические пачки импульсов генерации. Акустооптический модулятор 5 обеспечивает формирование импульсно-периодического излучения 6 Ho³⁺:YAG лазера 2 с высокой частотой следования импульсов в пачке. Это излучение используют в качестве накачки ПГС 7. В ПГС 7 происходит генерация мощного импульсно-периодического излучения 8 в среднем ИК диапазоне.

В ПГС устанавливают нелинейно-оптический кристалл ZGP 9. Резонатор ПГС имеет кольцевую геометрию, включающую 4 зеркала под углом падения 45°. В качестве зеркал 13-16 используются специальные диэлектрические зеркала, которые обеспечивают обратную связь только по сигнальной волне, что обеспечивает более высокую стабильность и пиковую мощность импульсов генерации. Внутри резонатора ПГС 8 в частном случае устанавливают линзу 17, обеспечивающую согласование пространственной структуры моды генерации и пучка накачки, что позволяет увеличивать эффективность и мощность генерации, а также получать пучки генерации высокого качества. Другим способом согласования указанных пространственных структур является подбор оптической длины резонатора ПГС и размеров нелинейно-оптического кристалла при заданной мощности накачки.

В процессе параметрического преобразования в нелинейно-оптическом кристалле квант оптической накачки распадается на два кванта с разной энергией (частотой), которые называются квантами сигнальной и холостой волн. При этом энергия кванта накачки равна сумме энергий квантов сигнальной и холостой волн. Частота (энергия) кванта сигнальной волны больше, чем частота (энергия) кванта холостой волны.

Таким образом, в ПГС 7 происходит генерация мощного импульсно-периодического излучения в среднем ИК диапазоне. Излучение представляет собой пачки импульсов с высокой частотой следования импульсов внутри пачек, высокой средней мощностью и стабильностью амплитуды.

Использование двух блоков управления режимом генерации, позволяющее получить высокую частоту следования импульсов в пачке совместно с повышением стабильности излучения за счет применения диэлектрических зеркал только для сигнальной волны и согласованием пространственных структур моды генерации и пучка накачки, впервые предложенные авторами, позволяет повысить порог оптического пробоя поверхности нелинейно-оптических элементов при одновременном увеличении мощности выходного ИК излучения с высоким качеством пучка.

Изобретение относится к лазерной технике. Устройство включает в себя источник накачки на основе тулиевого волоконного лазера, лазер на кристалле Ho³⁺:YAG и кольцевой 4-зеркальный параметрический генератор света (ПГС) на основе нелинейно-оптического кристалла ZGP. В тулиевом волоконном лазере осуществляют управление током накачки, а внутри резонатора лазера на кристалле Ho³⁺:YAG используют акустооптический модулятор, что обеспечивает формирование импульсно-периодической последовательности пачек генерации с высокочастотным заполнением. Кольцевой резонатор ПГС формируется диэлектрическими зеркалами с отражением только для сигнальной волны, оптическая схема которого обеспечивает хорошее согласование пространственных структур моды генерации и пучка накачки. Технический результат - получение излучения среднего ИК диапазона в пучках высокого качества с высокой частотой следования импульсов при высокой энергии в импульсах и стабильности их амплитуды. 2 ил.

Лазерный источник мощного излучения среднего ИК диапазона на основе кольцевого параметрического генератора на кристалле ZGP с высокой частотой импульса, включающий в себя источник накачки на основе тулиевого волоконного лазера, лазер на кристалле Ho³⁺:YAG и кольцевой параметрический генератор света (ПГС) на основе кристалла ZGP, отличающийся тем, что в тулиевом волоконном лазере дополнительно устанавливают блок управления током накачки, внутри резонатора лазера на кристалле Ho³⁺:YAG используют акустооптический модулятор для получения импульсно-периодической последовательности пачек импульсов с высокочастотным заполнением, а кольцевой резонатор ПГС формируется диэлектрическими зеркалами с отражением только для сигнальной волны, оптическую схему которого конструируют таким образом, чтобы достичь максимального согласования пространственной структуры моды генерации и пучка накачки.