ИМПУЛЬСНЫЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР Советский патент 1994 года по МПК H01S3/02 

Изобретение может быть использовано в импульсных твердотельных лазерах с электрооптической модуляцией добротности резонатора.

Цель изобретения - повышение КПД лазера и предельно допустимой частоты повторения импульсов и улучшение равномерности пространственной структуры моноимпульсного излучения.

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

При частотах повторения импульсов сотни герц наведенное излучением лампы накачки двулучепреломление в активном элементе и наведенное вследствие нагрева лазерным излучением двулучепреломление в электрооптическом элементе приводят к снижению КПД лазера и ухудшению равномерности распределения плотности энергии моноимпульсов излучения в сечении луча.

На чертеже представлена оптическая схема устройства предлагаемого лазера, где 1 - призма-крышка; 2 - глухое зеркало, 3 - поляризатор-пластина с диэлектрическими покрытиями; 4 - активный элемент цилиндрической формы; 5 - 90-градусный вращатель плоскости поляризации, 6 - электрооптический элемент, 7 - лампа накачки, 8 - отражатель.

Оптическая ось электрооптического элемента 6 (из кристаллов ДКДР или LiNbO₃) разъюстирована на небольшой угол 1-2^о (в пределах первого кольца коноскопической картины) относительно оси резонатора для внесения начального уровня электрооптических потерь в резонатор, что соответствует прозрачному "электрооптическому" зеркалу в начале импульса накачки. Активный элемент цилиндрической формы из кристаллов с кубической решеткой 4 (АИГ:Nd, ГСГГ: Cr, Nd, ИСГГ:Cr,Nd и т.д.), выращенный вдоль направления (001), ориентирован так, что кристаллические оси Х и Y составляют угол ± 45^о относительно плоскости пропускания поляризатора 3.

Осветитель лазера содержит цилиндрический отражатель 8 и размещенные параллельно его оси активный элемент 4 и лампу накачки 7.

Во время импульса накачки в активном элементе создается инверсная населенность, пропорциональная коэффициенту усиления, усредненному по длине активного элемента К. Коэффициент К достигает своего максимального значения в момент τ₀, причем его распределение по сечению элемента отличается неоднородностью и может быть описано средним по диаметру сечения элемента коэффициентом усиления (τ₀) в любой плоскости, проходящей через ось активного элемента. В конкретном случае зеркального отражателя (τ₀) достигает своего наибольшего значения в плоскости, перпендикулярной плоскости, проходящей через оси лампы и активного элемента. Осветитель ориентирован таким образом, что указанная плоскость наибольшего значения (τ₀)составляет с плоскостью пропускания поляризатора и ребром призмы-крыши угол 45^о.

Зависимости величины двулучепреломления в активном и электрооптическом элементах от радиальной и угловой координат имеют аналогичный характер в радиальных зонах поперечного сечения резонатора, близких к направлениям, составляющим углы ± 45^о с плоскостью пропускания поляризатора.

В этих зонах 90-градусный вращатель 5 обеспечивает взаимную компенсацию наведенного двулучепреломления в активном и электрооптическом элементах. При неполной компенсации эффектов в указанных выше зонах возникают суммарные наведенные потери, среднее значение которых за 2 полных обхода резонатора, благодаря повороту на 90^о при отражении от призмы-крыши 1, существенно уменьшено и одинаково в обоих направлениях. В радиальных зонах поперечного сечения резонатора, близких к направлениям, составляющим углы 0 и 90^о с плоскостью пропускания поляризатора, наведенное двулучепреломление в элементах резонатора не вносит наведенных потерь в резонатор. Поворот пятна излучения на 90^о при отражении от призмы-крыши резонатора обеспечивает также повышенную равномерность коэффициента (τ₀) при усреднении за 2 полных обхода резонатора.

Предлагаемый лазер работает следующим образом.

В импульсно-периодическом режиме при условии повышенной равномерности распределения коэффициента усиления и распределения наведенных потерь в сечении резонатора в начале каждого импульса накачки осуществляется накопление инверсной населенности в активном элементе.

По достижении максимума коэффициента усиления во времени на электрооптический элемент подается импульс управляющего напряжения, амплитуда которого обеспечивает формирование оптимального (по выходной энергии моноимпульса излучения) коэффициента отражения "электооптического" зеркала в процессе генерации моноимпульса излучения.

При этом пространственная структура моноимпульсного излучения отличается высокой степенью равномерности распределения плотности энергии в сечении луча
ζ= W-1ma

При увеличении частоты повторения импульсов эффекты наведенного двулучепреломления возрастают как в активном, так и в электрооптическом элементах, однако вследствие взаимной частичной компенсации эффектов, а также усреднению наведенных потерь за 2 обхода резонатора величина суммарных наведенных потерь элементов резонатора изменяется незначительно.

Результаты испытаний лазера на АИГ: Nd подтверждают эффективность предложенной схемы. Энергия импульсов излучения составила 60 мДж при частоте повторения 300 Гц. КПД лазера ≈1%. Степень равномерности пространственной структуры излучения ζ находилась в пределах 0,5-0,6 при изменении частоты повторения импульсов в диапазоне 50-300 Гц.

Таким образом, предлагаемый лазер позволяет получать моноимпульсы излучения с высокой степенью равномерности пространственной структуры излучения при частотах повторения импульсов сотни герц с КПД, близким с 1%.

Область применения: импульсные твердотельные лазеры, нелинейная оптика, дальнометрия, оптическая локация. Сущность изобретения: для повышения КПД лазера и предельно допустимой частоты повторения импульсов и улучшения равномерности пространственной структуры моноимпульсного излучения в импульсном твердотельном лазере с электрооптической модуляцией полезных потерь резонатора, содержащем активный элемент цилиндрической формы, призму-крышку, поляризатор, осветитель, включающий лампу накачки и отражатель, электрооптический элемент и глухое зеркало, поляризатор установлен между призмой-крышей, ребро которой ориентировано параллельно или перпендикулярно плоскости пропускания поляризатора, и торцом активного элемента, а между другим торцом активного элемента и электрооптическим элементом дополнительно установлен вращатель плоскости поляризации на 90°, причем осветитель расположен так, что плоскость сечения, проходящая через ось активного элемента, в которой усредненное по диаметру и длине элемента значение коэффициента усиления максимально, составляет с плоскостью пропускания поляризатора угол 45°. 1 ил.

ИМПУЛЬСНЫЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР, содержащий активный элемент цилиндрической формы, призму-крышку, поляризатор, осветитель, включающий лампу накачки и отражатель, электрооптический элемент и глухое зеркало, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД лазера и предельно допустимой частоты повторения импульсов и улучшения равномерности пространственной структуры моноимпульсного излучения, поляризатор установлен между призмой-крышей, ребро которой ориентировано параллельно или перпендикулярно плоскости пропускания поляризатора и торцом активного элемента, а между другим торцом активного элемента и электрооптическим элементом дополнительно установлен вращатель плоскости поляризации на 90^o, причем осветитель расположен так, что плоскость сечения, проходящая через ось активного элемента, в которой усредненное по диаметру и длине элемента значение коэффициента усиления максимально, составляет с плоскостью пропускания поляризатора угол 45^o.