Твердотельный лазер

 

Использование: в области квантовой электроники в твердотельных лазерах с модуляцией добротности в диапазоне длин волн 1,3 - 3 мкм. Сущность изобретения: лазер содержит резонатор, внутри которого установлены феррит - гранатовый лазерный элемент и поляризатор. Поляризатор установлен таким образом, что в исходном состоянии излучение, дважды прошедшее через элемент, гасится. Импульсное магнитное поле, создаваемое катушками, приводит к изменению угла поворота плоскости поляризации излучения. 5 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано в твердотельных лазерах с модуляцией добротности и диапазона длин волн 1,3-3 мкм.

Известен твердотельный лазер, содержащий резонатор, внутри которого на оптической оси установлены лазерный элемент, поляризатор и ячейка Керра [1] .

Недостатком этого технического решения является невозможность магнитооптической модуляции добротности резонатора лазера при формировании гигантского импульса, а следовательно низкая мощность.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является твердотельный лазер, содержащий резонатор, внутри которого на оптической оси установлены лазерный элемент, поляризатор и ячейка Поккельса [2].

Недостатком такого лазера является невозможность магнитооптической модуляции добротности резонатора лазера при формировании гигантского импульса, а следовательно, низкая мощность.

Цель изобретения - повышение мощности.

Поставленная цель достигается тем, что твердотельный лазер, содержащий резонатор, внутри которого на оптической оси расположены активный элемент и поляризатор, дополнительно содержит блок магнитного поля, выполненный таким образом, что создаваемое им магнитное поле намагничивает до насыщения активный элемент, при этом активный элемент выполнен из феррит-граната, активированного ионами неодима, эрбия, гольмия или тулия, а длина активного элемента такова, что при двухкратном проходе излучения сквозь элемент угол поворота плоскости поляризации на длине волны излучения лазера изменяется на 90^о.

В частности, блок магнитного поля может быть выполнен в виде источника импульсного магнитного поля, направленного вдоль оптической оси, а длина L активного элемента определяется соотношением 2LQ = (2p-1) 90^o, где Q - удельное фарадеевское вращение феррит-граната на длине волны излучения лазера; р - целое число.

Альтернативным вариантом является выполнение магнитного блока в виде источника постоянного магнитного поля и источника противоположно направленного магнитного поля, при этом длина лазерного элемента определяется соотношением 2LQ = (2p-1) 45^o. В частности, активный элемент может быть выполнен в виде феррит-граната и соответствует химической формуле A_xR_yFe_zO₁₂, где А - элемент матрицы граната и/или сенсибилизатор; R - активатор, по крайней мере один из элементов Nd, Tm, Ho, Er, 0,01<x<4,99; 0,01<y<3,00; 3,00<z<5,00.

Например, в качестве сенсибилизатора могут быть взяты хром, церий, неодим, иттерий, тулий, эрбий. Поскольку активный элемент выполнен из феррит-граната, то при отсутствии магнитного поля он разбивается на магнитные домены и только при приложении достаточно большого магнитного поля намагничивается до насыщения. Следовательно, приложение магнитного поля или изменение его направления приводит к изменению суммарного угла поворота плоскости поляризации излучения, проходящего через элемент, что при наличии в резонаторе лазера поляризатора обеспечивает магнитооптическую модуляцию добротности резонатора лазера при формировании гигантского импульса.

На чертеже показана блок-схема лазера. Лазер содержит резонатор, образованный глухим 1 и выходным 2 зеркалами. Внутри резонатора между зеркалами 1 и 2 последовательно установлены активный элемент 3 и поляризатор 4. Поляризатор установлен таким образом, что излучение, дважды прошедшее через элемент 3, полностью гасится. Накачка лазера осуществляется лампой 5, соединенной с блоком 6 накачки.

Лазерный элемент 3 установлен между катушками 7 Гельмгольца. Вариантом является использование соленоида, катушек Гельмгольца и постоянных кольцевых магнитов или двух соленоидов. Катушки 7 соединены с блоком 8 импульсов магнитного поля, который может быть синхронизирован с блоком 6 накачки.

Лазер работает следующим образом. В исходном состоянии после подачи накачки излучение дважды проходит через элемент 3 и гасится поляризатором 4. При достаточно большом размере элемента 3 он разбивается на большое число противоположно намагниченных доменов, в результате суммарный поворот плоскости поляризации света равен нулю. При использовании источника постоянного магнитного поля суммарный поворот плоскости поляризации света при двухкратном проходе через элемент равен - (2р-1) 45^о. После приложения импульса магнитного поля в первом случае элемент намагничивается до насыщения, угол поворота плоскости поляризации излучения в нем становится равным (2р-1) 90^о, т.е. излучение полностью проходит через поляризатор 4 и формируется гигантский импульс. Во втором случае лазерный элемент 3 перемагничивается и угол поворота плоскости поляризации становится равным + (2р-1) 45^о, т.е. изменение этого угла также равно (2р-1) 90^о.

Лазерное вещество получали спонтанной кристаллизацией из раствора-расплава или методом жидкофазной эпитаксии из переохлажденного раствора расплава. Шихту корректировали с учетом коэффициентов распределения гранатообразующих компонентов.

Примеры конкретного выполнения лазерного вещества приведены в таблице.

Из монокристаллов вырезали активные элементы в виде цилиндров диаметром 1-5 мм и длиной 5-20 мм. Магнитное поле создавали с помощью катушек Гельмгольца, расположенных вблизи торцов элементов 3 и подключенных к мощному источнику импульсов тока (до 100 А). Постоянное магнитное поле создавали с помощью соленоида, внутри которого располагался осветитель с лазерным элементом. Во всех случаях с помощью магнитооптической модуляции добротности резонатора лазера формировался гигантский импульс.

Дополнительным преимуществом изобретения является упрощение лазера за счет исключения ячейки Поккельса, отсутствие высоковольтных управляющих напряжений.

Формула изобретения

1. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР, содержащий резонатор, внутри которого на оптической оси расположены активный элемент и поляризатор, отличающийся тем, что, с целью повышения мощности, в него введен блок магнитного поля, выполненный так, что создаваемое им магнитное поле намагничивает до насыщения активный элемент, при этом активный элемент выполнен из феррит-граната, активированного ионами неодима, эрбия, гольмия или тулия, а длина активного элемента такова, что при двукратном проходе излучения сквозь элемент угол поворота плоскости поляризации излучения на длине волны изменяется на 90^o.

2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что блок магнитного поля выполнен в виде источника импульсного магнитного поля, направленного вдоль оптической оси, а длина активного элемента L определена соотношением 2L_F = (2P - 1)90^о, где _F - удельное фарадеевское вращение феррит-граната на длине волны излучения лазера; P - целое число.

3. Лазер по п.1, отличающийся тем, что блок магнитного поля выполнен в виде источника постоянного поля и источника противоположно направленного импульсного магнитного поля, при этом длина активного элемента определена соотношением 2L_F = (2P - 1)45^о, .

4. Лазер по п.1, отличающийся тем, что активный элемент выполнен в виде феррит-граната и соответствует химической формуле A_xR_y Fe_ZO₁₂, где A - элемент матрицы граната и/или сенсибилизатор, R - активатор, по крайней мере один элемент из ряда Nd, Tm, Ho, Er, 0,01 x 4,99, 0,01 y 3,00, 3,00 z 5,00.

5. Лазер по пп. 1 и 4, отличающийся тем, что элемент матрицы граната представляет собой по крайней мере один элемент из ряда лютеций, иттрий, гадолиний, лантан, галлий, алюминий, скандий, индий.

6. Лазер по пп.1, 4 и 5, отличающийся тем, что в качестве сенсибилизатора взят по крайней мере один элемент из ряда хром, церий, неодим, иттербий, тулий, эрбий.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3