Лазер с оптическим параметрическим генератором

 

Полезная модель относится к оптическому приборостроению, в частности к устройствам для параметрической генерации излучения, и может быть использована для создания источников инфракрасного направленного излучения. Задачей полезной модели является повышение эффективности лазера с оптическим параметрическим генератором (ОПГ) при использовании анизотропного активного элемента. Сущность полезной модели заключается в том, что в лазере с оптическим параметрическим генератором, включающем оптически связанные активный элемент, помещенный в лазерный резонатор, образованный глухим сферическим зеркалом и выходным зеркалом, внутреннее зеркало, установленное между активным элементом и выходным зеркалом и образующее с выходным зеркалом вторичный внутренний резонатор, с расположенным в нем нелинейным кристаллом, и поляризатор, установленный между внутренним и глухим сферическим зеркалами и выполненный в виде прозрачной пластины с плоскопараллельными рабочими гранями, расположенными так, что нормаль к ним составляет с оптической осью лазерного резонатора угол, близкий к углу Брюстера, выходное и внутреннее зеркала выполнены плоскими, коэффициент отражения выходного зеркала для выходного излучения оптического параметрического генератора находится в пределах от 0,1 до 0,8, активный элемент изготовлен из анизотропного кристалла, и установлен таким образом, что одна из главных осей эллипса, образованного сечением эллипсоида показателей преломления активного элемента плоскостью, перпендикулярной оптической оси лазерного резонатора, параллельна плоскости, проведенной через нормаль к плоскопараллельным рабочим граням поляризатора и оптическую ось лазерного резонатора, а внутреннее зеркало имеет близкий к 1 коэффициент отражения выходного излучения ОПГ. Возможно использование в качестве активного элемента анизотропного двухосного кристалла КГБ, легированного неодимом. 1 илл.

Полезная модель относится к оптическому приборостроению, в частности к устройствам для параметрической генерации излучения, и может быть использована для создания источников направленного излучения.

Известен лазер с внутрирезонаторным оптическим параметрическим генератором (ОПГ) [1], включающий образованный глухим сферическим зеркалом и выходным зеркалом лазерный резонатор, в котором установлены оптически связанные активный элемент, внутреннее зеркало, образующее с выходным зеркалом вторичный внутренний резонатор, нелинейный кристалл КТР (титанила фосфата калия или КТiOРO4), расположенный во вторичном внутреннем резонаторе, поляризатор, установленный между внутренним и глухим сферическим зеркалами, лазерный затвор, призменную поворотную систему, установленную между активным элементом и поляризатором.

При этом выходное зеркало ОПГ имеет коэффициент отражения выходного излучения ОПГ в пределах от 0,4 до 0,8.

В этой схеме резонатор ОПГ находится внутри резонатора лазера: выходное зеркало ОПГ отражает обратно излучение лазера, а внутреннее зеркало, образующее с выходным зеркалом ОПГ вторичный внутренний резонатор, служит глухим зеркалом ОПГ и пропускает излучение лазера. Излучение лазера заперто в резонаторе лазера, включающем резонатор ОПГ, и внутри этого резонатора достигаются высокие плотности мощности в области резонатора ОПГ, что позволяет получить достаточно высокую эффективность преобразования излучения лазера в выходное излучение ОПГ, и соответственно, повышает эффективность преобразования электрической энергии накачки лазера в выходное излучение ОПГ.

Однако, наличие призменной поворотной системы в лазерном резонаторе усложняет конструкцию лазера, а также вносит дополнительные потери излучения на отражение и не позволяет добиться максимально высокой эффективности преобразования электрической энергии накачки лазера в выходное излучение ОПГ.

Более высокую эффективность преобразования имеет лазер с внутрирезонаторным ОПГ [2], являющийся наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату и выбранный в качестве прототипа.

Лазер с ОПГ [2] включает оптически связанные активный элемент, помещенный в лазерный резонатор, образованный глухим сферическим зеркалом и выходным зеркалом, внутреннее зеркало, установленное между активным элементом и выходным зеркалом и образующее с выходным зеркалом вторичный внутренний резонатор, с расположенным в нем нелинейным кристаллом, и поляризатор, установленный между внутренним и глухим сферическим зеркалами и выполненный в виде прозрачной пластины с плоскопараллельными рабочими гранями, расположенными так, что нормаль к ним составляет с оптической осью лазерного резонатора угол, близкий к углу Брюстера.

Выходное и внутреннее зеркала указанного лазера с ОПГ выполнены плоскими, а коэффициент отражения выходного зеркала для выходного излучения оптического параметрического генератора находится в пределах от 0,1 до 0,8.

Однако описанный лазер с ОПГ позволяет получать высокую эффективность преобразования только при применении изотропных активных элементов. При использовании анизотропного активного элемента эффективность преобразования излучения лазера в выходное излучение ОПГ будет существенно снижаться из-за случайной установки ориентации плоскости поляризации излучения активным элементом и соответственным наличием поляризационных потерь излучения лазера.

Задачей полезной модели является повышение эффективности лазера с ОПГ при использовании анизотропного активного элемента.

Сущность полезной модели заключается в том, что в лазере с оптическим параметрическим генератором, включающем оптически связанные активный элемент, помещенный в лазерный резонатор, образованный глухим сферическим зеркалом и выходным зеркалом, внутреннее зеркало, установленное между активным элементом и выходным зеркалом и образующее с выходным зеркалом вторичный внутренний резонатор, с расположенным в нем нелинейным кристаллом, и поляризатор, установленный между внутренним и глухим сферическим зеркалами и выполненный в виде прозрачной пластины с плоскопараллельными рабочими гранями, расположенными так, что нормаль к ним составляет с оптической осью лазерного резонатора угол, близкий к углу Брюстера, выходное и внутреннее зеркала выполнены плоскими, коэффициент отражения выходного зеркала для выходного излучения оптического параметрического генератора находится в пределах от 0,1 до 0,8, в отличие от прототипа активный элемент изготовлен из анизотропного кристалла, и установлен таким образом, что одна из главных осей эллипса, полученного сечением эллипсоида показателей преломления активного элемента плоскостью, перпендикулярной оптической оси лазерного резонатора, параллельна плоскости, проведенной через нормаль к плоскопараллельным рабочим граням поляризатора и оптическую ось лазерного резонатора, а внутреннее зеркало имеет близкий к 1 коэффициент отражения выходного излучения оптического параметрического генератора.

В частности, в качестве анизотропного кристалла возможно использование активного элемента из анизотропного двухосного кристалла КГВ, легированного неодимом.

Изготовление активного элемента из анизотропного кристалла и установка его таким образом, что одна из главных осей эллипса, полученного сечением эллипсоида показателей преломления активного элемента плоскостью, перпендикулярной оптической оси лазерного резонатора, параллельна плоскости, проведенной через нормаль к плоскопараллельным рабочим граням поляризатора и оптическую ось лазерного резонатора, позволяет установить параллельно друг другу плоскость поляризации излучения поляризатором и плоскость поляризации излучения лазера, распространяющегося в анизотропном активном элементе, и таким образом исключить поляризационные потери излучения лазера, что способствует повышению эффективности генерации излучения лазера, и соответственно, способствует повышению эффективности лазера с ОПГ.

Наличие у внутреннего зеркала лазера с ОПГ коэффициента отражения выходного излучения ОПГ, близкого к 1, способствует получению высокой эффективности преобразования излучения лазера в выходное излучение ОПГ.

Возможное использование активного элемента из анизотропного двухосного кристалла КГВ (KGd(WO4)2 - калий-гадолиниевый вольфрамат), легированного неодимом, позволяет получить эффективную генерацию излучения (с длиной волны =1,067 мкм) лазера при небольшой электрической энергии накачки.

Полезная модель поясняется рисунком.

На фигуре представлена оптическая схема лазера с ОПГ.

Лазер с ОПГ включает лазерный резонатор, образованный глухим сферическим зеркалом 1 и выходным зеркалом 2, в котором установлены оптически связанные активный элемент 3, внутреннее зеркало 4, установленное между активным элементом 3 и выходным зеркалом 2 и образующее с выходным зеркалом 2 вторичный внутренний резонатор, поляризатор 5, установленный между внутренним зеркалом 4 и глухим сферическим зеркалом 1, нелинейный кристалл КТР 6, расположенный во вторичном внутреннем резонаторе, и затвор 7 для модуляции добротности лазера, установленный между глухим сферическим зеркалом 1 и поляризатором 5.

Глухое сферическое зеркало 1 имеет коэффициент отражения >0, 99 для излучения лазера в области длин волн ~1,06 мкм и радиус 2500 мм.

Выходное зеркало 2 изготовлено из кварцевого стекла КИ или KB в виде плоского зеркала и имеет близкий к 1 коэффициент отражения р для излучения лазера с ~1,06 мкм (>0, 99). При этом выходное зеркало 2 имеет коэффициент отражения =0,6 для выходного излучения ОПГ с ~1,58 мкм, и соответственно, частично пропускает выходное излучение ОПГ.

Активный элемент 3 изготовлен в виде цилиндра 4×50 мм из анизотропного двухосного кристалла КГВ, легированного неодимом, и позволяет получить длину волны излучения лазера =1,067 мкм. Цилиндрический активный элемент 3 изготовлен так, что его продольная ось направлена вдоль одной из осей индикатрисы показателей преломления кристалла КГВ. При юстировке лазера активный элемент 3 устанавливается так, что его продольная ось направляется вдоль оптической оси лазерного резонатора.

Поворотом вокруг продольной оси анизотропный активный элемент 3 устанавливается таким образом, что одна из главных осей эллипса, полученного сечением эллипсоида показателей преломления активного элемента 3 плоскостью, перпендикулярной оптической оси лазерного резонатора, параллельна плоскости, проведенной через нормаль к плоскопараллельным рабочим граням поляризатора 5 и оптическую ось лазерного резонатора.

Направления главных осей указанного эллипса и направление распространения излучения определяют плоскости поляризации излучения, распространяющегося в анизотропном активном элементе вдоль его продольной оси.

Для активного элемента из анизотропного двухосного кристалла КГВ плоскость поляризации излучения возможно определить по минимальной интенсивности света, проходящего через активный элемент, установленный между скрещенными поляризаторами, плоскости поляризации которых выставлены под углом 90° друг к другу.

Поворотом вокруг продольной оси плоскость поляризации излучения активным элементом из КГВ выставлена параллельна плоскости, проведенной через нормаль к плоскопараллельным рабочим граням поляризатора 5 и оптическую ось лазерного резонатора.

Внутреннее зеркало 4 изготовлено из кварцевого стекла КИ или KB, выполнено плоским и образует с выходным зеркалом 2 вторичный внутренний резонатор. Внутреннее зеркало 4 пропускает излучение лазера с длиной волны ~1,06 мкм и имеет близкий к 1 коэффициент отражения выходного излучения ОПГ в области длин волн ~1,58 мкм.

Поляризатор 5 выполнен в виде тонкой прозрачной пластины из стекла К8 с плоскопараллельными рабочими гранями и установлен между внутренним 4 и глухим 1 сферическим зеркалами. В лазерном резонаторе поляризатор 5 расположен таким образом, что нормаль к его плоскопараллельным рабочим граням составляет с оптической осью лазерного резонатора угол, близкий к углу Брюстера.

На одну плоскопараллельную рабочую грань поляризатора 5 нанесено поляризующее интерференционное покрытие В.006+ по ОСТ3-1901-95, имеющее для излучения с длиной волны ~1,06 мкм при установке поляризатора 5 таким образом, что нормаль к плоскопараллельным рабочим граням его составляет с оптической осью лазерного резонатора угол, близкий к углу Брюстера, коэффициент пропускания р>99% при расположении электрического вектора излучения в плоскости падения, и коэффициент пропускания s<1% при расположении электрического вектора излучения перпендикулярно плоскости падения.

Во вторичном внутреннем резонаторе между выходным 2 и внутренним зеркалом 4 установлен нелинейный кристалл 6, изготовленный из двухосного кристалла КТР, плоскопараллельные рабочие грани которого выполнены перпендикулярными главной оси Х индикатрисы показателей преломления кристалла КТР с точностью ±30'. Во вторичном внутреннем резонаторе лазера с ОПГ кристалл КТР 6 расположен так, что указанная ось Х направлена вдоль оптической оси резонатора, вдоль которой на кристалл КТР 6 направлено поляризованное излучение лазера с длиной волны ~1,06 мкм, а главная ось Z индикатрисы показателей преломления нелинейного кристалла 6 направлена параллельно плоскопараллельным рабочим граням поляризатора 5.

В этой схеме электрический вектор Е линейно поляризованного излучения лазера с длиной волны ~1,06 мкм находится в плоскости падения излучения (расположенной на фиг.1 в плоскости чертежа) на плоскопараллельные рабочие грани поляризатора 5, и соответственно, перпендикулярен главной оси Z (расположенной на рисунке перпендикулярно плоскости чертежа) индикатрисы показателей преломления кристалла КТР 6.

Указанная взаимная ориентация главных осей индикатрисы показателей преломления нелинейного кристалла 6 и направления распространения излучения лазера с длиной волны ~1,06 мкм приводит к тому, что полярный угол между главной осью Z индикатрисы показателей преломления нелинейного кристалла 6 и направлением распространения излучения лазера с длиной волны ~1,06 мкм равен 90°, а угол между главной осью Х индикатрисы показателей преломления нелинейного кристалла КТР 6 и проекцией направления распространения излучения лазера с длиной волны ~1,06 мкм на плоскость главных осей XY индикатрисы показателей преломления кристалла составляет 0°. Угол может находиться в пределах от 0° до 90°, однако в направлении =90° =0° достигается максимальная эффективность параметрического преобразования лазерного излучения с длиной волны ~1,06 мкм в выходное излучение ОПГ (с длиной волны ~1,58 мкм) за счет обеспечения 90° (некритичного) фазового синхронизма при взаимодействии типа oрosei или oрesoi.

Затвор 7 предназначен для модуляции добротности лазера и выполнен из лейкосапфира.

Лазер с ОПГ работает следующим образом.

В резонаторе лазера накачки с активным элементом 3 из анизотропного двухосного кристалла КГВ, легированного неодимом, образованном глухим (для излучения в области длин волн ~1,06 мкм) сферическим зеркалом 1 и выходным зеркалом 2 (которое является одновременно и выходным для излучения ОПГ с ~1,58 мкм) генерируется при использовании затвора 7 импульс поляризованного излучения с длиной волны ~1,06 мкм и длительностью около 10 не. Электрический вектор Е излучения в анизотропном активном элементе 3 из КГВ расположен в плоскости поляризации излучения активным элементом 3. Эта плоскость совпадает с одной из двух плоскостей, проведенных через направление распространения излучения и главные оси эллипса, полученного сечением эллипсоида показателей преломления активного элемента 3 плоскостью, перпендикулярной оптической оси лазерного резонатора.

Поворотом вокруг продольной оси плоскость поляризации излучения активным элементом 3 выставляется параллельной плоскости падения излучения на плоскопараллельные рабочие грани поляризатора 5, в связи с чем поляризационные потери излучения в резонаторе лазера с ОПГ минимальны.

Поляризованное излучение проходит вдоль оптической оси резонатора лазера с ОПГ через внутреннее зеркало 4 на нелинейный двухосный кристалл КТР 6. В кристалле КТР 6, находящемся во вторичном внутреннем резонаторе, импульсное поляризованное излучение с длиной волны ~1,06 мкм параметрически преобразовывается в излучение сигнальной волны с длиной волны в области 1,58 мкм и излучение холостой волны с длиной волны в области 3,3 мкм. Излучение сигнальной волны усиливается во вторичном внутреннем резонаторе, составленном из выходного зеркала 2 и внутреннего зеркала 4, с расположенным между ними кристаллом КТР 6, и выходит наружу через выходное зеркало 2.

Наличие резонатора ОПГ внутри резонатора лазера, имеющего зеркала 1 и 2 с коэффициентами отражения излучения лазера, близкими к 1, позволяет получить высокие плотности мощности излучения накачки ОПГ, за счет чего повышается эффективность преобразования излучения лазера в излучение сигнальной волны. Кроме того, многократное отражение излучения сигнальной волны во вторичном внутреннем резонаторе, внутреннее зеркало 4 которого выполнено с близким к 1 коэффициент отражения выходного излучения ОПГ, также позволяет увеличить эффективность преобразования излучения с длиной волны ~1,06 мкм в излучение с длиной волны в области 1,58 мкм.

При электрической энергии импульса накачки лазера с ОПГ, равной 6,4 Дж, энергия импульса излучения с длиной волны в области 1,58 мкм составляет до 25 мДж.

Таким образом, обеспечивается повышение эффективности лазера с ОПГ при использовании анизотропного активного элемента.

Источники информации.

1 Патент РФ на полезную модель 23020, МПК Н01S 3/00, опубл. 10.05.2002, БИПМ 13.

2 Патент на ПМ BY 3871 от 30.10.07 г. - Прототип.

1. Лазер с оптическим параметрическим генератором, включающий оптически связанные активный элемент, помещенный в лазерный резонатор, образованный глухим сферическим зеркалом и выходным зеркалом, внутреннее зеркало, установленное между активным элементом и выходным зеркалом и образующее с выходным зеркалом вторичный внутренний резонатор, с расположенным в нем нелинейным кристаллом, и поляризатор, установленный между внутренним и глухим сферическим зеркалами и выполненный в виде прозрачной пластины с плоскопараллельными рабочими гранями, расположенными так, что нормаль к ним составляет с оптической осью лазерного резонатора угол, близкий к углу Брюстера, выходное и внутреннее зеркала выполнены плоскими, коэффициент отражения выходного зеркала для выходного излучения оптического параметрического генератора находится в пределах от 0,1 до 0,8, отличающийся тем, что активный элемент изготовлен из анизотропного кристалла, и установлен таким образом, что одна из главных осей эллипса, образованного сечением эллипсоида показателей преломления активного элемента плоскостью, перпендикулярной оптической оси лазерного резонатора, параллельна плоскости, проведенной через нормаль к плоскопараллельным рабочим граням поляризатора и оптическую ось лазерного резонатора, а внутреннее зеркало имеет близкий к 1 коэффициент отражения выходного излучения оптического параметрического генератора.

2. Лазер с оптическим параметрическим генератором по п.1, отличающийся тем, что в качестве анизотропного кристалла используется двухосный кристалл КГВ, легированный неодимом.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к оборудованию для лазерной обработки, более конкретно - к способам и устройствам для размерной обработки изделий сложной пространственной формы и может быть использовано в технологических процессах для размерной резки изделий из ПКМ в авиакосмической промышленности, судостроении и др
Наверх