Импульсный твердотельный лазер

Полезная модель относится к лазерной технике, в частности к твердотельным импульсным лазерам. Импульсный твердотельный лазер с резонатором, образованным глухим и частично прозрачным зеркалами, между которыми по ходу излучения последовательно расположены электрооптический элемент, пластина-поляризатор, оптически изотропный активный элемент, 90-градусный вращатель плоскости поляризации излучения, вторая пластина-поляризатор и поворотные зеркала, обеспечивающие второй проход активного элемента излучением. Боковая поверхность активного элемента выполнена полированной. Технический результат заключается в повышении кратковременной и долговременной стабильности энергии моноимпульсов излучения лазера в режиме модуляции добротности резонатора.

Полезная модель относится к лазерной технике, в частности к твердотельным импульсным лазерам.

Импульсные твердотельные лазеры с модуляцией добротности резонатора, в качестве генераторов мощных импульсов излучения в наносекундном диапазоне длительностей импульсов, широко применяются в научно-прикладных исследованиях, в медицинских аппаратах, в системах экологического мониторинга окружающей среды, в технологических установках.

В ИК-спектральном диапазоне часто используются лазеры с активными элементами из оптически изотропных кристаллов, содержащих ионы Nd³⁺ (АИГ:Nd ГСГГ:Cr, Nd, ИСГГ:Cr, Nd и т.д.).

Для модуляции добротности резонатора используются затворы на основе электрооптических элементов из кристаллов DKDP, LiNbO, RTP, KTP.

Известен импульсный твердотельный лазер, содержащий резонатор, образованный частично прозрачным и глухим зеркалами, внутри которого установлены активный элемент из АИГ:Nd, поляризатор и электрооптический элемент [1].

Пространственная структура многомодового моноимпульсного излучения данного лазера в режиме модуляции добротности резонатора является неоднородной, что снижает КПД лазера и эффективность процессов преобразования в другие спектральные диапазоны методами нелинейной оптики.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является импульсный твердотельный лазер, содержащий резонатор, образованный глухим и частично прозрачным зеркалами, между которыми по ходу излучения последовательно расположены электрооптический элемент, пластина-поляризатор, оптически изотропный активный элемент, 90-градусный вращатель плоскости поляризации излучения, вторая пластина-поляризатор и поворотные зеркала, обеспечивающие второй проход активного элемента излучением. Лазер, в котором обеспечивается дополнительный проход активного элемента излучением при проходе от глухого зеркала к частично прозрачному зеркалу в работе [2] был назван лазером с частично закольцованным резонатором.

Однако для применения в метрологических установках от лазера требуется повышенная стабильность (как кратковременная, так и долговременная) энергии моноимпульсов излучения.

Задачей полезной модели является повышение кратковременной и долговременной стабильности энергии моноимпульсов многомодового излучения твердотельного лазера.

Поставленная задача решается за счет того, что в импульсном твердотельном лазере с резонатором, образованным глухим и частично прозрачным зеркалами, между которыми по ходу излучения последовательно расположены электрооптический элемент, пластина-поляризатор, оптически изотропный активный элемент, 90-градусный вращатель плоскости поляризации излучения, вторая пластина-поляризатор и поворотные зеркала, обеспечивающие второй проход активного элемента излучением, боковая поверхность активного элемента выполнена полированной.

Применение в импульсном лазере с частично закольцованным резонатором оптически изотропного активного элемента с полированной боковой поверхностью позволило существенно увеличить стабильность энергии моноимпульсов излучения лазера в режиме электрооптической модуляции добротности резонатора за счет резкого уменьшения дифференциального КПД в области энергий импульсов накачки, превышающих порог генерации внутренних мод активного элемента.

Внутренние моды активного элемента, отражающиеся от боковой поверхности элемента под углами полного внутреннего отражения, занимают периферийный от оси объем активного элемента вне виртуальной поверхности цилиндра с радиусом R=R₀·n^-1, где R₀ - радиус поперечного сечения активного элемента, n - относительный показатель преломления кристалла. В этом объеме в области энергий импульсов накачки, превышающих порог генерации внутренних мод активного элемента, коэффициент усиления равен пороговому, т.е. не зависит от энергии импульсов накачки. В центральной части объема активного элемента насыщение коэффициента усиления происходит под действием рассеянного в периферийном объеме излучения внутренних мод.

Таким образом, при больших энергиях импульсов излучения в активном элементе с полированной боковой поверхностью формируется стабильное (не зависящее от энергии импульсов накачки) распределение коэффициента усиления. Однако значительная разница в уровнях стабилизации коэффициентов усиления в центре и на периферии активного элемента приводит в лазере с традиционной схемой резонатора [1] к существенному снижению степени равномерности пространственной структуры моноимпульсного излучения и, следовательно, к существенному снижению эффективности лазера. Для устранения этого эффекта в таких лазерах применяются активные элементы с матированной боковой поверхностью, в которых порог генерации внутренних мод существенно увеличен.

В предлагаемом лазере с частично закольцованным резонатором с активным элементом, боковая поверхность которого отполирована по классу не ниже 10, эффективность второго прохода активного элемента излучением тем выше, чем коэффициент усиления ближе к пороговому.

Поэтому плотность энергии моноимпульсов излучения в периферийной зоне «подтягивается» к уровню плотности моноимпульсного излучения в центральной зоне, вследствие чего степень равномерности распределения пространственной структуры излучения заметно возрастает.

На Фиг. 1 представлена оптическая схема устройства. На Фиг. 2 представлены энергетические характеристики предлагаемого лазера, лазера-прототипа и лазера-аналога в режиме электрооптической модуляции добротности резонатора с частотой повторения импульсов 10 Гц.

На Фиг. 1 показано, что резонатор лазера образован глухим зеркалом 1 и частично прозрачным зеркалом 2, между которыми последовательно расположены по ходу излучения электрооптический элемент 3, пластина-поляризатор 4, активный элемент с полированной боковой поверхностью 5, 90-градусный вращатель плоскости поляризации излучения из оптически активного кристаллического кварца 6, пластина-поляризатор 7, поворотные зеркала 8, обеспечивающие второй проход активного элемента излучением.

В качестве активного элемента 5 могут быть использованы элементы из оптически изотропных кристаллов АИГ:Nd, ГСГГ:Cr, Nd, ИСГГ:Cr, Nd и др.

В качестве электрооптического элемента 3 могут быть использованы элементы из кристаллов LiNbO ₃, DKDP, RTP и др.

Предлагаемый лазер работает следующим образом. В импульсно-периодическом режиме за время каждого импульса накачки при «закрытом» электрооптическом затворе, который сформирован зеркалом 1, элементом 3 и пластиной-поляризатором 4, происходит накопление инверсной населенности или рост коэффициента усиления в активном элементе 5. Когда коэффициент усиления достигает порога внутренних мод в периферийной части активного элемента, возникает свободная генерация этих мод, интенсивность которых продолжает расти во времени с ростом интенсивности накачки, что приводит к насыщению коэффициента усиления в центральной части активного элемента за счет увеличения интенсивности рассеянного излучения внутренних мод. В результате в активном элементе формируется распределение коэффициента усиления по поперечному сечению элемента, слабо зависящее от уровня энергии импульсов накачки.

При подаче «отпирающего» импульса высоковольтного напряжения на электроды элемента 3 электрооптический затвор открывается и в резонаторе генерируется моноимпульс излучения.

На фигуре 2 прямая 1 представляет энергетическую характеристику лазера-прототипа с частично закольцованным резонатором с активным элементом из АИГ:Nd размером 5×100 мм с матированной боковой поверхностью.

Кривая 2 представляет энергетическую характеристику лазера с частично закольцованным резонатором с активным элементом из АИГ:Nd размером 5×100 мм с полированной по 10 классу чистоты боковой поверхностью.

Кривая 3 представляет энергетическую характеристику лазера-аналога с резонатором по традиционной схеме с активным элементом из АИГ:Nd размером 5×100 мм с полированной по 10 классу чистоты боковой поверхностью.

Обозначения параметров на Фиг. 2 следующие:

E - энергия моноимпульсов излучения лазера на АИГ:Nd на длине волны ₁=1064 нм;

E_Н - энергия импульсов накачки через импульсную лампу ИНП-5/60А-1;

E_ВМ - порог генерации внутренних мод для активного элемента с полированной боковой поверхностью.

Из данных, представленных на Фиг. 2, видно, что стабильность энергии моноимпульсов излучения предлагаемого лазера в области E_Н>E_ВМ (кривая 2) в 4 раза лучше, чем стабильность энергии моноимпульсов излучения лазера-прототипа (прямая 1). В сравнении с лазером-аналогом (кривая 3) преимущества предлагаемого лазера очевидны.

Предлагаемый лазер с представленной на Фиг. 2 энергетической характеристикой 2, в области насыщения которой обеспечивается повышенная кратковременная (от импульса к импульсу) и долговременная стабильность энергии моноимпульсов излучения, был изготовлен по заказу отдела метрологии для поверки приемников лазерного излучения методом сличения с эталонным приемником.

Установка преобразователей частоты излучения на основе нелинейных элементов из KTP, KDP и DKDP во 2-ю, 3-ю и 4-ю гармоники позволила получить моноимпульсы излучения на длинах волн 532, 355 и 266 нм с повышенной стабильностью по энергии моноимпульсов для поверки приемников лазерного излучения в видимом и УФ спектральных диапазонах.

Таким образом, предлагаемый импульсный твердотельный лазер превосходит лазер-прототип по стабильности энергии моноимпульсов в 4 раза, а лазер-аналог в 2 раза по стабильности и в 2 раза по КПД.

Предложенный лазер может быть использован в метрологии, а также при проведении научно-прикладных исследований, в которых требуется повышенная стабильность энергии моноимпульсов излучения.

Источники информации:

1. Г.М. Зверев, Ю.Д. Голяев. Лазеры на кристаллах и их применение. М. «Радио и связь», «Рикел», 1994, с. 237.

2. Патент РФ 2390891 HO1S 3/10 - протопип.

Импульсный твердотельный лазер с резонатором, образованным глухим и частично прозрачным зеркалами, между которыми по ходу излучения последовательно расположены электрооптический элемент, пластина-поляризатор, оптически изотропный активный элемент, 90-градусный вращатель плоскости поляризации излучения, вторая пластина-поляризатор и поворотные зеркала, обеспечивающие второй проход активного элемента излучением, отличающийся тем, что боковая поверхность активного элемента выполнена полированной.