СПОСОБ МОДУЛЯЦИИ ДОБРОТНОСТИ РЕЗОНАТОРА ЛАЗЕРА Советский патент 1995 года по МПК H01S3/10 

Изобретение относится к импульсным твердотельным лазерам, работающим в режимах электрооптической модуляции добротности, и может быть использовано для получения мощных стабилизированных по энергии и длительности импульсов излучения с частотами повторения импульсов сотни герц в наносекундном диапазоне длительностей импульсов в нелинейной оптике, дальнометрии, оптической локалии и т.д.

Известен режим включения добротности резонатора лазера после окончания пичковой генерации, основанный на внесении потерь в резонатор в начале импульса накачки, обеспечивающих возникновение импульса пичковой генерации, и включении добротности резонатора полностью после последнего пичка через отрезок времени, превышающий длительность пичка не менее, чем на порядок. Внесение начальных потерь в резонатор, образованный двумя зеркалами, полностью отражающими излучение на длине волны генерации, проводится отклонением оси электрооптического элемента от оси резонатора на небольшой угол ≈1-2^о в пределах первого кольца коноскопической картины. В этом резонаторе существует только один выходной луч, отраженный от поляризатора, вследствие чего наведенное при больших частотах повторения импульсов двулучепреломление в оптических элементах резонатора не приводит к уменьшению энергии импульсов излучения. Однако вследствие температурной зависимости электрооптического коэффициента данный способ не обеспечивает стабильности энергии и длительности моноимпульсов в широком диапазоне температур окружающей среды.

Наиболее близким к изобретению является способ, реализуемый путем подачи на электроды электрооптического элемента импульса управляющего напряжения, величина которого в начальный период развития моноимпульса превышает величину U_o, соответствующую минимальным потерям резонатора, а затем монотонно уменьшается до нуля, проходя величину U_o в момент появления моноимпульса. Этот способ эффективно применяется в схеме резонатора с полупрозрачным выходным зеркалом при относительно низких частотах повторения (до 50 Гц), при которых влиянием наведенного двулучепреломления в оптических элементах резонатора можно пренебречь. Однако в резонаторе с "поляризационным" выводом излучения такой способ не обеспечивает независимости энергии моноимпульсов от температуры электрооптического элемента вследствие сильной зависимости коэффициента полезных потерь К_n(t^*) в момент появления моноимпульса t^* от величины электрооптического коэффициента.

Цель изобретения расширение диапазона рабочих температур и повышение предельной частоты повторения импульсов излучения.

Сущность изобретения состоит в том, что в предлагаемом способе модуляции добротности резонатора лазера, образованного двумя зеркалами полностью отражающими излучение на длине волны генерации, устанавливают начальный уровень полезных потерь, обеспечивающий возникновение пичковой генерации, и включают полезные потери после окончания импульса пичковой генерации через отрезок времени, превышающий длительность последнего пичка не менее, чем на порядок, для чего на электродах электрооптического элемента монотонно увеличивают величину управляющего напряжения от нуля до значения U^*, соответствующего оптимальному по выходной энергии моноимпульсов излучения коэффициенту полезных потерь резонатора, а затем снижают до 0, причем время увеличения напряжения подбирают таким, чтобы момент появления моноимпульса совпадал с моментом времени, когда величина напряжения достигла значения U^*.

Модуляцию добротности резонатора, состоящего из двух зеркал, полностью отражающих излучение на длине волны генерации, между которыми расположены поляризатор, активный элемент, электрооптический элемент, предлагаемым способом осуществляют следующим образом.

В начале импульса накачки (фиг.1) достижения коэффициентом усиления в активном элементе К_о порогового условия генерации
К_о=p+(K_n)_o, (1) где p коэффициент пассивных потерь резонатора;
(K_п)_o= (2l)^-1ln cosU_oU коэффициент начальных полезных потерь резонатора;
U_o= dr^-1(n _o^-2 -n _e^-2 )Ψθ- управляющее напряжение, соответствующее минимальным полезным потерям;
d длина электрооптического элемента;
r электрооптический коэффициент;
n_o, n_e показатель преломления обыкновенной и необыкновенной волн;
Ψ, θ- углы отклонения оптической оси элемента от оси резонатора в горизонтальной и вертикальной плоскости;
U_λ/4- четвертьволновое напряжение;
l длина активного элемента, в момент t_н начинается импульс пичковой генерации, который заканчивается в момент t_o, когда мощность излучения лампы накачки снижается до порогового значения, в непрерывном режиме.

Через отрезок времени τ после окончания последнего пичка ( τ > 10 мкс), превышающий длительность пичка ( ≃ 1 мкс) не менее, чем на порядок, на электроды электрооптического элемента подают импульс управляющего напряжения.

Временная зависимость коэффициента полезных потерь K_п(t) (2l)^-1ln cosU_o-U(t)U определяет время развития моноимпульса из шумов, начиная с момента уменьшения полезных потерь ниже начальных и кончая генерацией моноимпульса в момент Т(U(T)=U^*), где Т длительность фронта управляющего напряжения, а U^* соответствует оптимальному по выходной энергии моноимпульсов коэффициенту полезных потерь
-p(2l)^-1lncosU_o-UU (2)
Для электрооптического элемента, например, из кристалла ДКДР, величина U_o уменьшается при уменьшении температуры элемента, при этом условия для развития моноимпульса улучшаются, моноимпульс развивается быстрее и появляется в момент времени t^*, в который К(t^*) < K_п^*.

Таким образом, изменение температуры электрооптического элемента не приводит к заметному изменению коэффициента полезных потерь резонатора.

Условием достижения мощностью моноимпульсного излучения определенного ("предлавинного") уровня в конце начального периода развития моноимпульса к моменту времени τ _p является уравнение τ _p
[K_o-p-K_п(t)] dt (K_o-p-K*п

В случае линейной зависимости управляющего напряжения U(t)=U^*T^-1t (T≥t ≥0), решая систему уравнений (1), (2), (3) относительно Т, положив в уравнении (3) τ_p=Т, получим для длительности фронта Т следующую формулу
T (4)
Для l=6 см; К_о-p=0,1 см^-1; p=0,027 см^-1; получим U_oU _λ/4^-1=0,636, U^*U _λ/4^-10,226; T(T^*)^-1=1,25. T^* определяется экспериментально (для указанного случая Т^*=110 нс).

Эффективность предлагаемого способа модуляции добротности заключается в стабилизации энергии и длительности моноимпульсов излучения при изменении в широких пределах температуры электрооптического элемента, что обеспечивает расширение диапазона рабочих температур и повышение предельной частоты повторения импульсов излучения.

Использование: в импульсных твердотельных лазерах с электрооптической модуляцией добротности резонатора. Сущность: в предлагаемом способе модуляции добротности резонатора включают полезные потери резонатора путем подачи на электроды электрооптического элемента импульса управляющего напряжения с длительностью фронта, обеспечивающей совпадение моментов появления моноимпульса и достижения оптимального по выходной энергии моноимпульсов коэффициента полезных потерь резонатора в пределах фронта. 2 ил.

СПОСОБ МОДУЛЯЦИИ ДОБРОТНОСТИ РЕЗОНАТОРА ЛАЗЕРА, образованного двумя зеркалами, полностью отражающими излучение на длине волны генерации, между которыми расположены поляризатор, активный элемент, электрооптический элемент, заключающийся в создании начального уровня полезных потерь резонатора, обеспечивающего возникновение пичковой генерации, путем отклонения оптической оси электрооптического элемента от оси резонатора на углы в пределах первого кольца коноскопической картины и включении полезных потерь после окончания потерь импульса пичковой генерации через отрезок времени, превышающий длительность последнего пичка не менее, чем на порядок, путем подачи на электроды электрооптического элемента импульса управляющего напряжения, отличающийся тем, что, с целью повышения ставбильности параметров импульсов излучения путем расширения диапазона рабочих температур, а также повышения предельной частоты повторения импульсов излучения, величину управляющего напряжения на электродах электрооптического элемента монотонно увеличивают от нуля до значения U^* соответствующего оптимальному по выходной энергии моноимпульсов излучения коэффициенту полезных потерь излучения в резонаторе, а затем снижают до нуля, причем время увеличения напряжения устанавливают таким, что момент появления моноимпульса совпадает по времени с моментом, когда величины напряжения достигает значения U^*