Импульсный твердотельный лазер с преобразованием длины волны излучения на вынужденном комбинационном рассеянии
Полезная модель относится к лазерной технике, в частности, к импульсным твердотельным лазерам, работающим в режиме модуляции добротности резонатора. Лазер содержит оптический резонатор, внутри которого установлены кристаллический активный элемент 3 и модулятор добротности 4. Активный элемент 3 выполнен из материала, преобразующего генерируемую на рабочем переходе длину волны излучения в стоксовые компоненты, например, из KGd(WO4) 2:Nd3+. Глухое зеркало 1 полностью отражает излучение с длиной волны первой стоксовой компоненты. Выходное зеркало 2 полностью отражает излучение с длиной волны рабочего перехода активного элемента, и частично пропускает излучение с длиной волны первой стоксовой компоненты. Напыления зеркал не менее чем на 98% пропускают опасное для глаз излучение с длиной волны нерабочего перехода активного элемента, а на обратных поверхностях подложек зеркал 1 и 2 для излучения с этой длиной волны выполнены просветляющие покрытия. В лазере с активным элементом из KGd(WO 4)2:Nd3+ доля опасного для глаз излучения на 1,067 мкм в спектре выходного излучения не превышает 1%. Технический результат - повышение безопасности лазера. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Полезная модель относится к области лазерной техники, в частности, к импульсным твердотельным лазерам, работающим в режиме модуляции добротности резонатора, и может быть использовано в лазерных дальномерах, работающих в ближнем инфракрасном спектральном диапазоне, в том числе в диапазоне, безопасном для глаз.
Одним из способов преобразования длины волны широко применяемых лазеров на неодимосодержащих средах (1,05-1,08 мкм) в спектральную область, безопасную для человеческого глаза (1,45-2,5 мкм), является использование вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР). Особенно эффективен способ с использованием активного элемента со свойством ВКР-преобразователя, обеспечивающий снижение массы и габаритов лазера.
Известен импульсный твердотельный лазер с преобразованием длины волны излучения на ВКР в кристаллах Ba(NO 3)2 и KGd(WO4)2 (Басиев Т.Т. и др. Квантовая электроника, 1987, т. 14, с. 2452).
Недостатком лазера является низкий КПД из-за внерезонаторной (одно-проходовой) схемы преобразования длины волны излучения, т.к. эффективность преобразования в стоксовую компоненту пропорциональна длине кристалла.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому - прототипом - является импульсный твердотельный лазер с преобразованием длины волны излучения на вынужденном комбинационном рассеянии по патенту РФ 
2115983 от 18.09.1997 г., МПК H01S 3/30. В качестве активного элемента использован материал, обладающий помимо осуществления генерации лазерного излучения на выбранном рабочем переходе свойствами ВКР-преобразования. В данном лазере непреобразованное излучение отражается в резонатор и многократно участвует в процессе генерации и ВКР-преобразовании.
Указанный лазер содержит резонатор, образованный глухим и выходным зеркалами, внутри которого установлены кристаллический активный элемент и модулятор добротности. Активный элемент выполнен из материала, преобразующего генерируемую на рабочем переходе длину волны излучения в стоксовые компоненты. Глухое зеркало выполнено полностью отражающим излучение с длиной волны первой стоксовой компоненты. Выходное зеркало выполнено полностью отражающим излучение, генерируемое на длине волны рабочего перехода активного элемента и частично пропускающим излучение на длине волны первой стоксовой компоненты. Модулятор добротности выполнен на основе насыщающегося фильтра на длину волны первой стоксовой компоненты.
В прототипе модулятор добротности кроме того, может быть выполнен на основе электрооптического элемента и поляризатора.
Кроме того, согласно формуле изобретения глухое и выходное зеркала выполнены максимально пропускающими излучение с длинами волн, соответствующими нерабочим переходам активного элемента. В приведенном примере коэффициенты отражения зеркал на длине волны, соответствующей нерабочему переходу активного элемента (1,067 мкм), составляют 5% и 5,9%, следовательно, без учета поглощения материала подложек коэффициенты пропускания зеркал составляют 94,1 и 95%. Такое пропускание зеркал является высоким, но не максимально возможным.
Оснащение лазера зеркалами с указанными коэффициентами отражения на длине волны 1,067 мкм может приводить к возникновению свободной генерации на длине волны 1,067 мкм. Присутствие в спектре излучения длины волны 1,067 мкм не обеспечивает полную безопасность излучения для человеческого глаза и при использовании такого лазера требует принятия дополнительных мер для устранения небезопасной составляющей излучения на 1,067 мкм.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение безопасности лазера.
Указанный технический результат достигается следующим образом. Предложенный импульсный твердотельный лазер с преобразованием длины волны излучения на вынужденном комбинационном рассеянии, как и прототип, содержит резонатор, образованный глухим и выходным зеркалами, внутри которого установлены кристаллический активный элемент и модулятор добротности, причем, активный элемент выполнен из материала, преобразующего генерируемую на рабочем переходе длину волны излучения в стоксовые компоненты, глухое зеркало выполнено полностью отражающим излучение с длиной волны первой стоксовой компоненты, выходное зеркало выполнено полностью отражающим излучение, генерируемое на длине волны рабочего перехода активного элемента и частично пропускающим излучение на длине волны первой стоксовой компоненты, а модулятор добротности выполнен на основе насыщающегося фильтра на длину волны первой стоксовой компоненты. В отличие от прототипа в нем выполнено следующее: напыления глухого и выходного зеркал выполнены не менее, чем на 98% пропускающими излучение с длиной волны, соответствующей нерабочему переходу активного элемента; на обратных поверхностях подложек зеркал выполнены просветляющие покрытия для излучения с длиной волны, соответствующей нерабочему переходу активного элемента.
Просветление обратных поверхностей подложек глухого и выходного зеркал позволяет практически полностью устранить в спектре выходного излучения составляющую излучения на длине волны соответствующей нерабочему переходу активного элемента. При этом увеличивается генерация на длине волны рабочего перехода активного элемента, и соответственно возрастает ВКР-преобразование на длину волны первой стоксовой компоненты.
В частных случаях реализации в качестве кристаллического активного элемента используется стержень из калий-гадолиниевого вольфрамата с неодимом KGd(WO 4)2:Nd3+, или алюмо-иттриевого граната Y3Al5O12:Nd3+.
Подложки зеркал могут выполняться из кварца, стекла К8 и др. стекол.
В качестве примера конкретной реализации предлагаемого устройства рассмотрен лазер на калий-гадолиниевом вольфрамате с неодимом KGd(WO4)2:Nd 3+, генерирующий импульсное излучение на безопасной для человеческого глаза длине волны 1,54 мкм.
На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.
Лазер содержит резонатор, образованный глухим зеркалом 1 и выходным зеркалом 2, активный элемент 3, модулятор добротности резонатора 4 и лампу накачки 5.
Активный элемент 3 размером 3×50 мм. выполнен из KGd(WO4)2:Nd 3+ и ориентирован таким образом, чтобы эффективность ВКР-преобразования вдоль оптической оси была максимальной (вырезан по оси (010). Активный элемент 3 помещен в посеребренную кварцевую трубку и накачивается лампой ИНП 3/35.
Длина волны генерируемого излучения - 1,351 мкм, длина волны первой стоксовой компоненты - 1,54 мкм, длина волны нерабочего перехода активного элемента - 1,067 мкм.
Глухое и выходное зеркала 1 и 2 выполнены с многослойными (десятки слоев) селективными покрытиями с сохранением максимальной прозрачности на длину волны 1,067 мкм., полностью (с учетом погрешности измерений на 99,9%) пропускающими излучение с длиной волны 1,067 мкм.
Подложки зеркал 1 и 2 выполнены из стекла К8. На обратных поверхностях подложек зеркал 1 и 2 выполнены просветляющие покрытия для излучения с длиной волны 1,067 мкм.
Глухое зеркало 1 имеет следующие коэффициенты отражения:
- на длине волны 1,351 мкм - 99,9%;
- на длине волны 1,067 мкм - 0,5÷1,5%;
- на длине волны 1,54 мкм - 99,9%;
Выходное зеркало 2 имеет следующие коэффициенты отражения:
- на длине волны 1,351 мкм - 99,9%;
- на длине волны 1,067 мкм - 0,5÷1,5%;
- на длине волны 1,54 мкм - 15%;
Таким образом, глухое зеркало 1 выполнено полностью (с учетом погрешности измерений) отражающим излучение с длиной волны первой стоксовой компоненты 1,54 мкм и длиной волны генерируемого излучения 1,351 мкм и на 98,4÷99,4% пропускающим излучение с длиной волны нерабочего перехода активного элемента 1,067 мкм. Выходное зеркало 2 выполнено полностью отражающим генерируемое излучение с длиной волны 1,351 мкм, частично, на 15%, пропускающим излучение на длине волны первой стоксовой компоненты 1,54 мкм и на 98,4÷99,4% пропускающим излучение с длиной волны, соответствующей нерабочему переходу 1,067 мкм.
Модулятор 4 добротности резонатора выполнен на основе насыщающегося фильтра (пассивного лазерного затвора) и установлен между глухим зеркалом 1 и активным элементом 3.
Предлагаемый импульсный твердотельный лазер с преобразованием длины волны излучения на вынужденном комбинационном рассеянии работает следующим образом. Во время действия импульса накачки лампой накачки 5 в активном элементе 3 создается инверсная населенность. Так как зеркала 1 и 2 полностью отражают излучение только с длиной волны 1,351 мкм, то через некоторое время после переключения добротности модулятора 4 появятся импульс с длительностью в наносекундном диапазоне на длине волны 1,351 мкм и практически полностью совпадающий с ним по времени импульс излучения первой стоксовой компоненты с длиной волны 1,54 мкм, часть которого выводится из резонатора через зеркало 2. Непреобразованное излучение с длиной волны 1,351 мкм полностью отражается зеркалами 1 и 2 и многократно участвует в процессе генерации и ВКР-преобразовании.
Напыленные на подложках зеркал 1 и 2 покрытия полностью (на 99,9%) пропускают излучение с длиной волны 1,067 мкм. Наличие на обратных поверхностях подложек зеркал 1 и 2 просветляющих покрытий для излучения с длиной волны 1,067 мкм позволяет значительно минимизировать долю отраженного обратно в резонатор на границе двух сред (стекло-воздух) излучения с длиной волны 1,067 мкм. По сравнению с прототипом доля отраженного излучения снижена в несколько раз: с 5÷5,9% до 0,5÷1,5%, а результирующее пропускание глухого и выходного зеркал на длине волны 1,067 мкм увеличено до 98,4÷99,4%.
Т.к. излучение с длиной волны 1,067 мкм практически полностью выводится из резонатора, следовательно, практически исключаются условия для возникновения свободной генерации на длине волны 1,067 мкм. Таким образом, в предлагаемом лазере вероятность возникновения свободной генерации на длине волны 1,067 мкм в несколько раз ниже, чем в прототипе, что делает этот лазер более безопасным для глаз.
Экспериментально получены следующие результаты: указанный лазер с активным элементом из KGd(WO4)2:Nd 3+генерирует импульс излучения с длиной волны 1,54 мкм энергией 11 мДж при длительности импульса 25 не, при энергии импульса накачки 7 Дж. Измерения с помощью полосовых фильтров (стекло СЗС-23) показали, что доля излучения на длине волны 1,067 мкм в спектре выходного излучения не превышает 1%.
Таким образом, предлагаемая полезная модель по сравнению с прототипом позволяет повысить безопасность лазера.
1. Импульсный твердотельный лазер с преобразованием длины волны излучения на вынужденном комбинационном рассеянии, содержащий резонатор, образованный глухим и выходным зеркалами, внутри которого установлены кристаллический активный элемент и модулятор добротности, причем активный элемент выполнен из материала, преобразующего генерируемую на рабочем переходе длину волны излучения в стоксовые компоненты, глухое зеркало выполнено полностью отражающим излучение с длиной волны первой стоксовой компоненты, выходное зеркало выполнено полностью отражающим излучение, генерируемое на длине волны рабочего перехода активного элемента, и частично пропускающим излучение на длине волны первой стоксовой компоненты, а модулятор добротности выполнен на основе насыщающегося фильтра на длину волны первой стоксовой компоненты, отличающийся тем, что напыления глухого и выходного зеркал выполнены не менее чем на 98% пропускающими излучение с длиной волны, соответствующей нерабочему переходу активного элемента, а на обратных поверхностях подложек зеркал выполнены просветляющие покрытия для излучения с длиной волны, соответствующей нерабочему переходу активного элемента.
2. Импульсный твердотельный лазер по п.1, отличающийся тем, что в качестве кристаллического активного элемента использован стержень из калий-гадолиниевого вольфрамата с неодимом.
3. Импульсный твердотельный лазер по п.1, отличающийся тем, что подложки зеркал выполнены из стекла К8.
