СПОСОБ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО УСИЛЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИСТОЧНИКА ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНА Российский патент 2025 года по МПК G02F1/39 H01S3/10 

Настоящее изобретение относится к лазерной технике и может быть преимущественно использовано для создания лазерных источников инфракрасного диапазона, предназначенных для работы в лидарных системах дистанционного мониторинга окружающей среды.

Известно, что диапазоны длин волн 3…5 мкм и 8…12 мкм соответствуют окнам спектральной прозрачности атмосферы и области молекулярного поглощения основных природных и антропогенных газовых составляющих атмосферы. Поэтому эти спектральные области наиболее перспективны для разработки лазерных систем дистанционного контроля атмосферы [О.К. Костко, В.С. Портасов, В.У. Хаттатов, Э.А.Чаянова, «Применение лазеров для определения состава атмосферы». Ленинград. Гидрометеоиздат. 1983]. Необходимыми условиями применения источника излучения в системах дистанционного зондирования атмосферы являются:

- возможность настройки (совпадения) спектра выходного излучения со спектром поглощения анализируемого газа;

- подходящая для спектрального разрешения ширина линии излучения;

- достаточный уровень выходной мощности источника зондирования.

По сравнению с известными лазерными источниками инфракрасного (ИК) диапазона, которые могут удовлетворить вышеперечисленным требованиям, квантово-каскадные лазеры (ККЛ) относительно новый, перспективный класс полупроводниковых лазеров, обладающие рядом преимуществ. Во-первых, они могут быть изготовлены на выбранный участок длин волн в широком ИК диапазоне от ~3 мкм до дальнего ИК диапазона, вплоть до диапазона терагерцового излучения (λ ~ 1мм) с необходимой для спектральных измерений шириной линии излучения. Во-вторых, ККЛ могут работать при комнатной температуре. В-третьих, по сравнению с существующими источниками излучения ККЛ обладают миниатюрной конструкцией. Благодаря вышеперечисленному ККЛ в последнее время широко применяются в науке и технике, в частности в системах экологического мониторинга окружающей среды [Béla Tuzson, Manuel Graf, Jonas Ravelid, Philipp Scheidegger, André Kupferschmid, Herbert Looser, Randulph Paulo Morales, and Lukas Emmenegger, «A compact QCL spectrometer for mobile, high-precision methane sensing aboard drones», Atmos. Meas. Tech.,13, 4715-4726, 2020, https://doi.org/10.5194/amt-13-4715-2020]. Основным недостатком ККЛ является ограничение выходной мощности излучения, как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режимах работы, из-за малого объема активной среды лазера. Данное обстоятельство затрудняет применение ККЛ в лидарных системах, работающих на протяженных трассах, где требуется мощность зондирующих импульсов в несколько киловатт и более [«Лазерный контроль атмосферы», под ред. Е.Хинкли, Москва, Мир (1976)].

Одним из простых, c точки зрения технической реализации, способов получения высокой мощности в импульсном режиме может быть параметрическое усиление излучения ККЛ. Так в работе [G. Bloom, A. Grisard, E. Lallier, C. Larat, M. Carras, and X. Marcadet «Optical parametric amplification of a distributed-feedback quantum-cascade laser in orientation-patterned GaAs », OPTICS LETTERS, Vol. 35, No. 4, February 15, (2010)] сообщается о получении максимальной пиковой мощности 580 Вт в импульсе длительностью 30 нс на длине волны ~ 4,5 мкм при усилении в однопроходном параметрическом усилителе на периодически поляризованном нелинейном оптическом кристалле (НОК) арсениде галлия (GaAs) непрерывного излучения ККЛ с выходной мощностью 3мВт.

Однопроходная оптическая схема параметрического усиления излучения ККЛ включает в себя импульсно-периодический Ho:YAG лазер на λ=2,09 мкм - лазер накачки НОК GaAs, непрерывный ККЛ на λ=4,5 мкм, периодически поляризованный нелинейный оптический кристалл GaAs и дихроичное зеркало, на котором пространственно совмещались пучки излучения лазера накачки и усиливаемого излучения. За счет угловой ориентации НОК относительно направления накачки обеспечивался фазовый синхронизм на выбранных длинах волн трехчастотного параметрического взаимодействия. Длина волны холостого излучения на λ=4,5 мкм параметрического взаимодействия соответствовала длине волны усиливаемого излучения ККЛ. Эффективность преобразования накачки с λ=2,09 мкм в усиленное излучение ККЛ на λ=4,5 мкм составила 12,7%. При этом на выходе НОК одновременно присутствовало излучение на трех длинах волн: усиленное излучение ККЛ на λ=4,5 мкм, излучение с λ~3,9 мкм, соответствующее сигнальной волне параметрического взаимодействия, и часть (~70%) непреобразованного излучения накачки на λ=2,09 мкм. Показано, что в определенных пределах выходная мощность усиливаемого излучения растет с увеличением интенсивности накачки и длины НОК.

Основным недостатком схемы усиления на основе периодически поляризованного НОК GaAs является небольшой размер (общая толщина полупроводниковых слоев) активной зоны кристалла (~450 мкм), что приводит к ограничению интенсивности накачки при ее фокусировке в кристалл из-за большой вероятности превышения порога по лучевой стойкости. Данное обстоятельство не позволяет увеличить выходную мощность излучения ККЛ до (приемлемого) киловатного уровня. Кроме этого, определенным неудобством является необходимость установки на выходе усилителя дополнительных оптических элементов для выделения усиливаемого излучения - холостой волны параметрического преобразования за счет блокировки остаточного излучения накачки и излучения сигнальной волны.

Более перспективным способом параметрического усиления излучения ККЛ до киловатного уровня является применение НОК германо-фосфида цинка - ZnGeP₂ (ZGP). Как следует из рекламных проспектов известных производителей НОК, например, фирмы Inrad Optics Inc. [ZGP properties listed on Inrad website, http://www.inrad.com/pages/crystals. html], кристалл ZGP имеет высокий коэффициент нелинейности (75 пм/В), хорошее пропускание в спектральной области от 2 до 10 мкм, высокие тепловые и механические характеристики и относительно большой размер рабочей апертуры (до 8×8 мм²).

Так в работе [Q. Clément, J. M. Melkonian, J. Barrientos-Barria, J. B. Dherbecourt, M.Raybaut, and A. Godard «Tunable optical parametric amplification of a single-frequency quantum cascade laser around 8 μm in ZnGeP2» Opt. Lett. 38(20), 4046-4049 (2013)] была применена, аналогичная рассмотренной выше, однопроходного схема параметрического усиления непрерывного излучения ККЛ мощностью 0,1Вт на λ ~ 8 мкм в НОК ZGP с накачкой лазером на λ=2,21 мкм. Продемонстрировано отличное совпадение экспериментальных результатов с расчетом. При этом наблюдалась экспоненциальная зависимость коэффициента усиления (соответственно и выходной мощности) от мощности накачки НОК. Расчетным путем показано, что при использовании кристалла длиной 20мм с пропусканием накачки не хуже 95% ожидаемый коэффициент усиления излучения ККЛ на λ ~ 8 мкм составит G ~10⁴. При входной мощности излучения ККЛ Р_вх=0,1Вт на выходе однокаскадного параметрического усилителя можно получить мощность в импульсе Р_вых ~ 1 кВт. Дальнейшее повышение мощности до необходимого уровня можно реализовать при применении дополнительных каскадов усиления. Для этого потребуются увеличение количества НОК, источников накачки и оптических элементов для схемы согласования размеров пучков накачки и усиливаемого излучения.

Совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков способа усиления, присуща оптической схеме параметрического генератора света (ПГС) на основе ZGP с кольцевым резонатором, описанной в [E. Lippert, H. Fonnum, G. Arisholm, and K. Stenersen, «A 22-watt mid-infrared optical parametric oscillator with V-shaped 3-mirror ring resonator», OPTICS EXPRESS Vol. 18, No.25 (2010)]. На фиг. 1 представлена оптическая схема двухрезонансного ПГС на основе ZGP с трехзеркальным резонатором V-образной формы, являющаяся ближайшим аналогом (прототипом) и включающая в себя: 1 - импульсно-периодический Ho:YAG лазер с излучением на λ=2,09 мкм - лазер накачки НОК ZGP; 2 - дихроичное зеркало резонатора с высоким пропусканием для накачки и глухое для параметрической генерации в области Δλ = 3,5..5 мкм; 3 - НОК ZGP; 4 - выходное зеркало резонатора, полупрозрачное для параметрической генерации и глухое для накачки; 5 - поворотное зеркало резонатора - глухое для параметрической генерации; α - угол между длинными плечами трехзеркального резонатора.

В рассматриваемом ПГС ход лучей происходит в некритичной плоскости кристалла, что позволяет при малом угле α реализовать второй проход накачки через кристалл практически без изменения эффективной нелинейности, которая для фазового синхронизма первого типа определяется известным выражением:

d_эфф = d₃₆ sin2Ɵ cos2φ,

где: Ɵ - полярный угол (угол между оптической осью НОК и направлением излучения), ϕ - азимутальный угол (угол между проекцией волнового вектора на плоскость, перпендикулярную оптической оси, и одной из осей в этой плоскости [Г.Г. Гурзадян, В.Г. Дмитриев. Д.Н. Никогосян, Справочник «Нелинейно-оптические кристаллы», Москва, «Радио и связь», 1991]. Так как угол ϕ не превышает несколько градусов, то значение d_эфф снизится для рассмотренной конфигурации двойного прохода накачки через НОК не более чем на 1%.

В рассматриваемом двухрезонансном ПГС при накачке ZGP излучением гольмиевого лазера на λ=2,1 мкм со средней мощностью 37,7 Вт с частотой следования импульсов 45 кГц выходная мощность генерации импульсно-периодического излучения в диапазоне Δλ = 3,5..5 мкм составила 22 Вт, что соответствует оптической эффективности преобразования накачки ~ 58%. При этом импульсная мощность преобразованного излучения составила Р_пгс ~15 кВт (~ 9 кВт в сигнальной и ~ 6 кВт в холостой волнах) при длительности импульса 32нс. Спектральная ширина излучения как сигнальной (λ~3,85 мкм), так и холостой (λ~4,55 мкм) волн, составила типичную величину Δλ ~100 нм. За счет угловой перестройки НОК спектр выходного излучения параметрической генерации можно настроить на выбранный участок спектрального диапазона прозрачности НОК.

Несмотря на достигнутый киловаттный уровень выходной мощности в импульсе, рассматриваемая оптическая схема ПГС на основе ZGP имеет недостатки:

- относительно большая спектральная ширина выходного излучения, что не позволяет использовать такой источник для лидарных измерений с высоким спектральным разрешением;

- присутствие в выходном пучке ПГС одновременно трех различных длин волн, соответствующих параметрической генерации и остаточному излучению накачки, что требует дополнительных оптических элементов для селекции нужного излучения.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является способ эффективного параметрического усиления излучения лазерного источника ИК диапазона, обеспечивающего на выходе киловаттный уровень мощности с узкой спектральной шириной линии, без примеси накачки и другого сопряженного параметрического излучения, что необходимо для лидарной системы при проведении спектральных измерений.

Техническим результатом настоящего изобретения является применение одно- резонансного трехзеркального кольцевого ПГС на основе ZGP как способ эффективного параметрического усиления излучения внешнего источника ИК диапазона с узкой спектральной линией путем инжектирования усиливаемого излучения в ПГС соосно с излучением накачки и двойным проходом через НОК. При однорезонансном режиме генерации обратная связь и усиление в резонаторе ПГС обеспечивается только на одной из параметрической волн. Сопряженная с ней, другая волна параметрического трехчастотного взаимодействия, усиленная за счет резонирующей первой волны может свободно выходить из резонатора.

Технический результат изобретения обеспечивается тем, что в способе параметрического усиления излучения лазерного источника инфракрасного диапазона используют параметрический генератор света, состоящий из нелинейного оптического кристалла, установленного в трехзеркальном кольцевом резонаторе V-образной формы, состоящем из трех зеркал, расположенных на горизонтальной плоскости в вершинах треугольника с образованием разных плеч таким образом, что два зеркала, одно из которых служит для ввода излучения источника накачки в кристалл, располагают на таком малом расстоянии друг от друга, что короткое плечо резонатора в плоскости между этими зеркалами задает угол α между длинными плечами резонатора, который позволяет реализовать второй проход излучения накачки через кристалл, согласно изобретению новым является то, что спектральные характеристики зеркал резонатора выбирают из условия обеспечения однорезонансного режима генерации на одной из двух параметрических волн, инжектируют усиливаемое излучение от внешнего источника в нелинейный кристалл на частоте, сопряженной частоте однорезонансного режима параметрической генерации соосно с направлением излучения накачки и отдельным выходом параметрически усиленного излучения, при этом зеркало, стоящее в вершине треугольника, образованного длинными плечами резонатора, выполняют сферическим с радиусом кривизны равным геометрической длине резонатора.

Сущность изобретения поясняется оптической схемой параметрического усиления, представленной на фиг. 2. Оптическая схема включает в себя: 1 - лазер накачки НОК ZGP; 2 - дихроичное зеркало резонатора с высоким пропусканием для накачки НОК, и полупрозрачное, для одной из волн параметрической генерации; 3 - НОК ZGP; 4 - глухое сферическое зеркало резонатора с радиусом кривизны равным геометрической длине резонатора ПГС; 5 - дихроичное зеркало резонатора, глухое для накачки и однорезонансного режима генерации, прозрачное (входное) для усиливаемого и выходное для усиленного излучения внешнего источника; 6 - внешний источник усиливаемого излучения ИК диапазона; 7 - выходной луч однорезонансной параметрической генерации; 8- выходной луч усиленного излучения внешнего источника.

Заявляемая оптическая схема параметрического усиления излучения в соответствии с фиг. 2 представляет собой однорезонансный ПГС с инжекцией излучения от внешнего источника ИК диапазона. В случае выбора НОК ZGP для схемы параметрического усиления, длина волны излучения накачки НОК должна быть ограничена величиной λ_н ≥ 2 мкм, что связано с зависимостью внутреннего поглощения излучения в кристалле ZGP от длины волны. При этом длина волны усиливаемого излучения внешнего источника не должна выходить за диапазон спектральной прозрачности НОК (2…10 мкм). В случае усиления излучения ККЛ нижняя граница обычно составляет λ > 3 мкм. Отметим, что спектральная ширина излучения источника накачки не должна превышать целевую спектральную ширину генерируемого излучения.

Предварительно выходной пучок источника накачки проходит через фокусирующую систему (на фиг.2 не показана) для создания в расходящемся пучке на входной грани НОК пятно с оптимальной для параметрической генерации плотностью энергии. В соответствии с фиг. 2 Р-поляризованное излучение источника накачки 1 с длиной волны λ_н через дихроичное зеркало резонатора 2 проходит через НОК 3 и, отражаясь под малым углом α/2 от зеркала 4, вторично проходит через кристалл. При этом за счет фокусирующих свойств зеркала 4 происходит компенсация геометрической расходимости излучения накачки для сохранения оптимальной плотности энергии в пятне при втором проходе через НОК. Путем углового поворота НОК вокруг горизонтальной оси обеспечивается фазовый синхронизм первого типа для трехчастотного параметрического взаимодействия волн, при котором выполняется условие сохранения энергии:

1 / λ_н = 1 / λ_с + 1 / λ_х,

где: λ_н, λ_с, λ_х - длина волны накачки, сигнальная и холостая волны параметрической генерации, соответственно. Ориентация оптической оси НОК ZGP в общем случае определяется типом трехчастотного параметрического взаимодействия волн, длинами волн источника накачки и источника усиливаемого излучения. Для рассматриваемой схемы усиления внешнего источника ИК излучения выбран однорезонансный режим генерации в компактной схеме кольцевого резонатора ПГС, при котором резонирует излучение только на одной выбранной длине волны - λ_с или λ_х, что задается спектральными характеристиками зеркал резонатора. В нашей схеме выходным зеркалом резонатора в рассматриваемом режиме генерации является зеркало 2 (оно же входное для накачки). Выходной пучок 7 содержит излучение на одной из выбранных длин волн генерации (λ_с или λ_х), а также остаточную (не преобразованную) часть излучения накачки с λ_н. При наличии фазового синхронизма и достижении порога параметрической генерации при каждом двойном проходе через НОК резонирующей волны на λ₁ (λ_с или λ_х) образуется сопряженная ей волна на λ₂ (λ_х или λ_с), которая свободно выходит из резонатора через зеркало 5. Через это же зеркало под углом ~ 45^° к выходному пучку 8 в резонатор от внешнего источника 6 инжектируется излучение на λ₂, предназначенное для параметрического усиления. После зеркала 5 излучение попадает на зеркало 2, совмещается с направлением накачки, отражается от зеркала 2 и соосно с накачкой направляется в НОК. Предварительно с помощью фокусирующей системы (на фиг. 2 не показана) параметры усиливаемого излучения источника 6 (размер пучка и геометрическая расходимость) приводятся в соответствие с параметрами излучения накачки в НОК.

При инжекции внешнего излучения в однорезонансный ПГС и наличии фазового синхронизма взаимодействующих волн происходит снижение порога параметрической генерации и, как следствие, увеличение эффективности преобразования и выходной мощности излучения на длинах волн усиливаемого излучения с сохранением исходной спектральной ширины линии.

Кроме этого, следует отметить, что двойной проход накачки через НОК в рассмотренной конфигурации кольцевого резонатора позволяет использовать более короткие кристаллы, сохраняя оптимальной суммарную геометрическую длину параметрического взаимодействия излучения.

Оценим параметры генерируемого излучения для устройства, построенного по предлагаемому способу, в соответствии со схемой, представленной на фиг. 2. В качестве НОК используется ZGP с оптической осью, ориентированной относительно направления накачки под углом =54,5^° и размерами 6х6х12мм и коэффициентом внутреннего поглощения не хуже 0,03 см^-1. Источником накачки НОК выбран Ho:YAG - лазер с параметрами излучения:

- длина волны λ ~ 2,091 мкм;

- частота повторения импульсов 10 кГц;

- длительность импульсов τ ~ 30 нс;

- энергия в импульсе E_н ~ 2⋅10^-3 дж;

- ширина линии излучения Δλ_2,1 ~ 0,5 нм.

В качестве источника инжектируемого излучения может быть взят специально изготовленный для спектральных измерений ККЛ, или аналогичный ему по решаемой задаче газовый He-Ne лазер на длине волны λ_л = λ_с ~ 3,39 мкм с выходной мощностью непрерывного излучения ~ 1 мВт и с типичной шириной линии излучения для газового лазера Δλ_3,39 ~ 1⋅10^-2 нм. Длина волны в области 3,39 мкм широко используется для диагностики метана в атмосферном воздухе методом дифференциального поглощения, Пример применения He-Ne лазера в аппаратуре дистанционного контроля приведен в [Алексеев Б.А., Бутиков Ю.А., Власов О.Ф. и др. В сб. «Лазеры и современное приборостроение» (Материалы школы - семинара- выставки, С.-Петербург, 1991, с138.)] Ширина линии метана Р7 в области 3,39 мкм в атмосфере по оценкам составляет Δλ_CH4 ~ 1нм [Rothman, L.S. The HITRAN 2004 molecular spectroscopic database / L.S. Rothman et al //JQSRT. - 2005. - V. 96. - P. 139-204.] , что определяет достаточной целевую ширину линии излучения усиленного излучения на уровне Δλ_Л ≤ 1нм.

При обычном для ПГС на основе кристалла ZnGeP₂ коэффициенте преобразования излучения η ~ 50 %, энергия генерируемого излучения в области 3,39 мкм составит:

E_3,39 ~ η E_н λ_н / λ_с ~ 0,5 ⋅ 2⋅10^-3 ⋅ 2,091 / 3,39 ~ 0,6 ⋅ 10^-3 Дж

Импульсная мощность генерируемого излучения составит: P_3,39 ~ E_3,39 / τ ~ 20 кВт. При этом, по оценкам, ширина линии усиливаемого излучения не превышает 0,5 нм.

Таким образом, обоснование заявленных в формуле изобретения признаков, касающихся особенностей выполнения схемных составляющих усилительного устройства, а так же результаты расчетов, позволяет сделать вывод о возможности достижения технического результата.

Настоящее изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для создания лазерных источников инфракрасного диапазона. Способ параметрического усиления излучения лазерного источника инфракрасного диапазона заключается в использовании однорезонансного трехзеркального кольцевого параметрического генератора света (ПГС) на основе германо-фосфида цинка - ZnGeP₂ (ZGP) за счет инжектирования усиливаемого излучения в ПГС соосно с излучением накачки и двойного прохода через нелинейный оптический кристалл (НОК). При однорезонансном режиме генерации обратная связь и усиление в резонаторе ПГС обеспечивается только на одной из параметрических волн. Сопряженная с ней, другая волна параметрического трехчастотного взаимодействия, усиленная за счет резонирующей первой волны, может свободно выходить из резонатора. Технический результат - эффективное параметрическое усиление излучения внешнего источника инфракрасного (ИК) диапазона с узкой спектральной линией. 2 ил.

Способ параметрического усиления излучения лазерного источника инфракрасного диапазона, заключающийся в том, что используют параметрический генератор света, состоящий из нелинейного оптического кристалла, установленного в трехзеркальном кольцевом резонаторе V-образной формы, состоящем из трех зеркал, расположенных на горизонтальной плоскости в вершинах треугольника с образованием разных плеч таким образом, что два зеркала, одно из которых служит для ввода излучения источника накачки в кристалл, располагают на таком малом расстоянии друг от друга, что короткое плечо резонатора в плоскости между этими зеркалами задает угол между длинными плечами резонатора, который позволяет реализовать второй проход излучения накачки через кристалл, отличающийся тем, что спектральные характеристики зеркал резонатора выбирают из условия обеспечения однорезонансного режима генерации на одной из двух параметрических волн, инжектируют усиливаемое излучение от внешнего источника в нелинейный кристалл на частоте, сопряженной частоте однорезонансного режима параметрической генерации соосно с направлением излучения накачки и отдельным выходом параметрически усиленного излучения, при этом зеркало, стоящее в вершине треугольника, образованного длинными плечами резонатора, выполняют сферическим с радиусом кривизны, равным геометрической длине резонатора.