2
МОЩНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ СО-ЛАЗЕР С САМОИНЖЕКЦИЕЙ ИЗЛУЧЕНИЯ
2
POWERFUL PULSED SELF-SEEDING CO LASER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к лазерной технике и особенно к мощным импульсным лазерным системам.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Основной проблемой создания лазерных систем является получение высокой выходной мощностью излучения с низкой расходимостью.
Расходимость выходного излучения лазера определяется в основном свойствами его резонатора. Для получения лазерных пучков с малой расходимостью обычно используют неустойчивые резонаторы. В таких резонаторах фотоны, испущенные активной средой даже под незначительными углами к оптической оси, через несколько проходов по резонатору достигают края его апертуры. Вследствие этого оптические неоднородности, существующие в лазерной среде и на зеркалах резонатора, не оказывают значительного влияния на качество выходного излучения.
Неустойчивые резонаторы характеризуются коэффициентом увеличения поля M, который равен отношению линейных размеров светового пучка внутри резонатора на двух последующих друг другу проходах по нему.
Лазеры на основе неустойчивых резонаторов могут иметь выходное зеркало с высоким коэффициентов отражения. В таких лазерах вывод излучения из резонатора обеспечивается за пределами апертуры выходного зеркала в виде кольца. Такая форма светового пучка может быть неудобна для приложений требующих использования световых пучков с максимальной интенсивностью на оси (с пространственным распределением интенсивности либо гауссовым, либо близким к однородному).
Как альтернативу, лазеры на основе неустойчивых резонаторов могут также использовать полупрозрачное выходное зеркало. В таких лазерах достигается компромисс между пространственной расходимостью выходного пучка и удобством его практического использования.
Лазерные импульсы с высокой пиковой мощностью могут быть получены при помощи метода модуляция добротности резонатора, также известного как формирование гигантского импульса. Этот режим работы лазера состоит в изменении уровня потерь от высокого значения до минимального во время возбуждения активной среды внутри лазерного резонатора.
Суть метода заключается в следующем. При высоком значении коэффициента потерь в резонаторе порог генерации поддерживается на уровне, препятствующем развитию генерации. На этом этапе работы активная среда лазера получает энергию возбуждения от источника накачки и накапливает ее. После достижения необходимой величины накопленной энергии потери в резонаторе уменьшают с максимально возможной скоростью до минимального значения. В результате этого порог генерации резко понижается, и лазер начинает генерировать вынужденное излучение в условиях значительного превышения усиления над потерями.
Результатом такого процесса является появление на выходе лазера мощного светового импульса, энергия которого примерно равна энергии, запасенной в активной среде к моменту снижения резонаторных потерь. Длительность импульса составляет нескольких периодов обхода излучения в резонаторе.
Модуляция добротности может быть осуществлена различными способами наиболее простым из которых является так называемый оптико-механический. При этом подходе высокий уровень потерь в резонаторе обеспечивают путем размещения внутри резонатора механического прерывателя распространения излучения. Низкий уровень потерь обеспечивают путем вывода прерывателя из канала распространения излучения.
При использовании оптико-механических модуляторов добротности время переключения резонатора из состояния с максимальными потерями в состояние минимальных потерь может быть уменьшено путем максимального уменьшения размера пучка в плоскости расположения механического прерывателя.
2
Для минимизации размера лазерного пучка в плоскости механического прерывателя могут быть использованы дополнительные внутрирезонаторные фокусирующие компоненты или фокусирующие свойства самих отражателей, образующих резонатор (см. «Scaling of a Q-switch CO laser for pulsed laser deposition», Proc. SPIE, Vol. 3343, 1998, pp. 759-768).
Для лазеров с малой энергией генерации в импульсе внутрирезонаторная фокусировка излучения вполне допустима, однако, в мощных лазерных системах это может приводить к нежелательным эффектам таким, как оптический пробой. Длительность импульса генерации в лазере с модуляцией добротности может составлять от единиц до несколько сотен наносекунд. Она может оказаться существенно меньше, чем время, за которое механическими средствами можно уменьшить внутрирезонаторные потери (единицы микросекунд). При этом излучение может достичь пикового значения мощности в тот момент, когда механический прерыватель все еще находится в зоне действия излучения, как результат это может привести к его разрушению.
Модуляцию добротности резонатора можно осуществлять также, например, электро-оптическим устройством, разместив внутри резонатора оптические элементы, пропускание которых зависит от величины прикладываемого электрического напряжения.
Электро-оптическая модуляция добротности резонатора в мощных лазерных системах также представляет большую проблему, т.к. лучевая прочность электрооптических кристаллов, входящих в состав таких модуляторов, как правило, существенно уступает лучевой прочностью других некристаллических внутрирезонаторных компонентов. Например, патент US 4498179 сообщает об импульсном лазере состоящем из лазерной среды, расположенной в основном резонаторе с полупрозрачным выходным зеркалом, добавочным отражателем в указанном основном резонаторе, электрооптическом модуляторе добротности внутри дополнительного резонатора и устройства управления электрооптическим модулятором. Лазер имеет невысокую выходную мощность вследствие использования электро-оптического модулятора.
2
2
Одним из возможных вариантов решения задачи построения лазерных систем генерирующих мощное импульсное излучение является комбинация маломощного импульсного лазера и усилителя установленных последовательно выходу лазера («Generation of CO laser pulses by Q-switching and cavity dumping and their amplification by a microwave excited CO laser», J. Phys. D: Appl. Phys. 29, 1996, pp. 57-67). В таких системах лазер с модулированной добротностью генерирует короткий импульс с незначительной энергией, который поступает на вход усилителя. В результате одного или нескольких проходов через усиливающую среду усилителя излучение достигает требуемого уровня энергии. На практике лазерные системы с усилителями являются существенно более сложными и громоздкими, требуют использования дополнительных систем синхронизации, что обуславливает их высокую стоимость и снижение эффективности.
Эффективная модуляция излучения в основном резонаторе лазера может быть получена либо размещением модулятора внутри резонатора, либо использованием внешнего источника модулированного излучения для последующей инжекции излучения в основной резонатор, который при этом начинает играть роль многопроходного усилителя.
В случае размещения модулятора внутри резонатора требования к модуляции добротности могут быть определены соотношением глубины модуляции и временем жизни фотона в резонаторе. Так в лазерах, где используются модуляторы с малой глубиной модуляции, генерация импульсов с высоким контрастом достигается только в лазерах с малыми внутрирезонаторными потерями за проход. Если же внутрирезонаторные потери велики (и активная среда лазера обладает высоким усилением), то глубину модуляции следует увеличивать так как фотон может до выхода из резонатора совершить лишь несколько полных обходов. Из-за низкого порога оптического разрушения внутрирезонаторного модулятора достаточно затруднительно одновременное достижение высоких значений пиковой и средней мощности генерации лазера.
В случае внешнего источника излучения вышеупомянутое ограничение может быть преодолено, но получение высокого контраста модуляции излучения в основном резонаторе может быть под вопросом. Действительно если эффективной модуляции подвергается лишь инжектируемое в основной резонатор излучение, в котором уже выполнены условия вынужденного излучения, и генерация может развиваться независимо от излучения затравки, то глубина модуляции излучения основного резонатора зависит от соотношения мощности затравочного излучения и мощности собственного вынужденного излучения внутри основного резонатора. Таким образом, если мощность излучения затравки окажется недостаточной, то это излучение не сможет «навязать» свою модуляцию излучению основного резонатора. С другой стороны, если же мощность затравочного излучения будет значительно увеличена, то при осуществлении ее глубокой модуляции возникнут проблемы, описанные выше.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предметом настоящего изобретения являются метод и устройство для его осуществления позволяющие преодолеть вышеуказанные недостатки. Цель изобретения достигается путем использования методов и устройств, описанных в независимых пунктах формулы изобретения. Предпочтительные варианты реализации раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
2
CO-лазер с самоинжекцией основан на новой конструкции оптического тракта включающего лазерную среду помещенную в основной резонатор, выходное зеркало которого выполнено полупрозрачным, устройство возбуждения лазерной среды, дополнительный резонатор, оптически сопряженный с лазерным резонатором.
Резонатор лазера имеет неустойчивую конфигурацию. Выходной отражатель может иметь апертуру меньше диаметра выходного лазерного пучка и резонатор может быть оптически связан с неустойчивым резонатором лазера за пределами апертуры выходного отражателя.
Второй резонатор может состоять как минимум из двух зеркальных отражателей и может включать в себя как минимум один фокусирующий элемент. Оптическая длина резонатора может быть равна или кратна оптической длине вышеупомянутого резонатора.
Лазер дополнительно содержит модулятор добротности. Модулятор добротности может быть представлен механическим прерывателем, расположенным в фокальной плоскости фокусирующего элемента резонатора, а блок управления модулятором добротности может быть электрически соединен с устройством накачки лазерной среды. Управление может быть синхронизировано с накачкой лазерной среды и модулятором добротности.
Использование описанной конструкции и оптического тракта делает возможным получение высококонтрастных лазерных импульсов с высокой пиковой мощностью и высокой средней выходной мощностью излучения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Сущность изобретения более подробно описывается для предпочтительных вариантов осуществления в прилагаемых рисунках.
На фиг. 1 представлен вариант схемы заявляемого лазера с использованием стигматических фокусирующих элементов в дополнительном резонаторе.
На фиг. 2 и 3 показаны оптические схемы заявляемого лазера с использованием астигматических фокусирующих элементов в дополнительном резонаторе.
На фиг. 4 и 5 приведены формы механических прерывателей модулятора добротности.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
2
2
Настоящее описание описывает метод для CO-лазера содержащего неустойчивый лазерный резонатор, лазерную среду, представляющую собой объем заполненный содержащей CO лазерной газовой смесью, внутри лазерного резонатора и устройство для возбуждения лазерной среды. Неустойчивый лазерный резонатор может быть сформирован из основного оптического резонатора имеющего полупрозрачное выходное зеркало. Неустойчивый резонатор может быть выполнен, например, в телескопической конфигурации. В лазерном резонаторе лазерный пучок может быть получен путем возбуждения лазерной среды.
Диаметр апертуры выходного отражателя может быть меньше, чем диаметр пучка выходного излучения лазера на выходе неустойчивого резонатора. Выходной отражатель может быть сконфигурирован таким образом, чтобы делить выходной пучок лазерного излучения на первую часть, которая проходит через апертуру выходного отражателя и вторую часть, которая проходит вне апертуры выходного отражателя.
Для того чтобы промодулировать пучок генерируемого лазерного излучения, второй резонатор должен быть оптически связан с первым оптическим резонатором вне световой апертуры выходного отражателя. Другими словами часть лазерного пучка распространяющаяся вне световой апертуры выходного отражателя, то есть вторая часть лазерного пучка может быть направлена во второй резонатор. Второй резонатор используется для модуляции той части, которая отправлена в него. Промодулированная часть выходного излучения инжектируется обратно в неустойчивый резонатор лазера.
Эффективная (100%) модуляция мощного излучения возможна при величине мощности инжектируемого в первый оптический резонатор излучения не менее 20% от полной выходной мощности лазера. Учитывая это, минимально возможное значение коэффициента увеличения поля должно удовлетворять условию .
Второй оптический резонатор должен состоять, по крайней мере, из двух зеркал. Второй оптический резонатор может быть связан с неустойчивым лазерным резонатором при помощи своего первого зеркала имеющего отверстие в апертуре. Первое зеркало может быть сконфигурировано для отражения второй части, то есть части следующей по пути, проходящему мимо апертуры лазерного пучка.
Условия фазового сопряжения между излучением затравки и внутрирезонаторной волной является важным для описываемого лазера. Если условия фазового сопряжения не могут быть получены, оптическое качество выходного лазерного излучения может ухудшиться и порог генерации возрастет. Для того чтобы обеспечить представленное условие оптическая длина второго резонатора должна быть равна или кратна оптической длине первого резонатора.
Второй резонатор может содержать, по меньшей мере, один фокусирующий элемент. Фокусирующий элемент может быть стигматическим или астигматическим. Часть лазерного пучка, проходящая через фокальную плоскость фокусирующего элемента, может быть промодулирована при помощи модулятора добротности таким образом, чтобы возбуждение лазерной среды было синхронизировано с работой модулятора добротности. Модулятор добротности может быть установлен в фокальной плоскости упомянутого фокусирующего элемента внутри второго резонатора. Модулятор добротности может быть, например, механическим прерывателем.
Лазер может содержать устройство для синхронизации работы устройства возбуждения активной среды с модулятором добротности. Эти устройства могут быть электрически соединены с устройством для возбуждения лазерной среды.
2
На фиг. 1 схематически показано устройство CO-лазера содержащего стигматический фокусирующий элемент во втором резонаторе. На фигуре 1 лазер содержит основной резонатор в форме первого оптического резонатора из полупрозрачного выходного зеркала 3 и заднего зеркала с высоким коэффициентом отражения 4. На фиг. 1 лазерная среда 2 расположена в основном лазерном резонаторе. Устройство накачки 1 предназначено для возбуждения лазерной среды 2.
Основной резонатор имеет неустойчивую конфигурацию. Диаметр апертуры выходного зеркала 3 меньше, чем диаметр лазерного пучка в основном лазерном резонаторе как результат одна часть лазерного пучка проходит через апертуру выходного зеркала 3, тогда как вторая часть пучка проходит мимо апертуры выходного зеркала 3.
На фиг. 1 фокальные точки зеркал 3 и 4 совпадают, а коэффициент увеличения поля при этом можно рассчитать из соотношения:
где R3 - радиус кривизны выходного зеркала 3, а R4 - радиус кривизны зеркала 4.
Лазер на фиг. 1 включает также зеркала 5, 6 и 7, которые формируют дополнительный резонатор. Второй оптический резонатор оптически связан с основным лазерным резонатором вне световой апертуры зеркала 3. Оптическая длина второго резонатора равна или кратна оптической длине основного резонатора.
На фиг. 1 зеркало 5 установлено на оптической оси основного резонатора и выполнено таким образом, что в центре его апертуры имеется отверстие. Форма отверстия совпадает с формой апертуры выходного зеркала 3 в направлении оптической оси основного резонатора. Зеркало 5 расположено под углом к ней таким образом, что отражает часть светового пучка, который проходит мимо апертуры выходного зеркала 3 и направляет его на зеркала 6 и 7.
На фиг. 1 сферические зеркала 6 и 7 являются фокусирующими элементами. Зеркала 6 и 7 расположены таким образом, что фокус зеркала 6 совпадает с центром кривизны зеркала 7.
Во втором оптическом резонаторе на фиг. 1 расположен модулятор добротности 8, сопряженный с фокальной плоскостью зеркала 6. Модулятор добротности 8 выполнен в форме механического прерывателя показанного на фиг. 4. Механический прерыватель на фиг. 4 представляет собой дисковый прерыватель 41 с круглыми сквозными отверстиями 42. Во время работы диск 41 вращается вокруг оси 43, которая перпендикулярна плоскости диска 41.
Лазер на фиг. 1 содержит также устройство для синхронизации устройства возбуждения лазерной среды 2 с работой модулятора добротности 8. Блок управления 9 предназначен для синхронизации (фиг. 1) Модулятор добротности, электрически соединен с блоком управления 9, которое в свою очередь электрически соединено с устройством накачки 1 лазерной среды 2. Блок управления 9 управляет устройством накачки 1 основываясь на угловом положении модулятора добротности 8.
Лазер на фиг. 1 работает следующим образом. Лазерное излучение генерируется основным лазерным резонатором путем возбуждения лазерной среды 2. Устройство накачки 1 обеспечивает создание инверсной населенности в лазерной среде 2. Спонтанное излучение, возникающее в лазерной среде 2 под действием накачки, усиливается в результате вынужденных переходов и приобретает когерентность, отражаясь от зеркал 3 и 4.
В силу того, что основной резонатор неустойчив, и лазерный пучок в основном резонаторе от прохода к проходу расширяется в М раз, его периферийная часть распространяется вне световой апертуры выходного зеркала 3. Эта часть пучка достигает отклоняющего зеркала 5 и отражается от него. Таким образом первая часть пучка направляется во второй резонатор.
В то же время, вторая часть пучка, то есть его приосевая часть, распространяющаяся в основном резонаторе в пределах световой апертуры полупрозрачного выходного зеркала 3, частично отражается от него. Отраженная часть начинает, тем самым очередной проход по основному резонатору. Оставшаяся часть проходит через зеркало 3, проходит отклоняющее зеркало 5 через сквозное отверстие, диаметр которого совпадает с диаметром световой апертуры выходного зеркала 3.
Излучение, отведенное из основного резонатора зеркалом 5, имеет форму кольца. Это излучение направляют на стигматический фокусирующий элемент в виде сферического зеркала 6. В фокальной плоскости сферического зеркала 6 поперечный размер пучка излучения становится минимальным по обеим поперечным координатам.
В фокальной плоскости сферического зеркала 6 расположен механический прерыватель модулятора добротности 8, модулирующий часть лазерного пучка проходящую через фокальную плоскость. Блок управления 9 управляет возбуждением лазерной среды 2 синхронно с работой модулятора добротности 8. Блок управления может, например, управлять работой блока накачки 1 на основе сигнала вращения механического прерывателя.
После прохождения механического прерывателя излучение достигает крайнего сферического зеркала 7 дополнительного резонатора. Отразившись от крайнего сферического зеркала 7, излучение проходит модулятор добротности 8, сферическое зеркало 6 в обратном порядке. Излучение направляется назад в основной резонатор отклоняющим зеркалом 5 мимо световой апертуры выходного зеркала 3. При этом поперечный размер инжектированного пучка в основном резонаторе от прохода к проходу уменьшается, а его интенсивность увеличивается.
Условие равенства или кратности оптических длин основного и дополнительного резонаторов обеспечивает фазовое сопряжение инжектированного излучения и излучения, формируемого в основном резонаторе. Соответственно инжектируемое модулированное излучение эффективно «навязывает» модуляцию излучению основного резонатора, обеспечивая, тем самым, генерацию высококонтрастных импульсов высокой пиковой мощности при высокой средней мощности выходного излучения.
Описанный метод может также быть реализован другими способами. На фиг. 2 и 3 показаны примеры реализации, где вторичный резонатор содержит астигматический фокусирующий элемент.
На фиг. 2 зеркало 21 отражающее первую часть лазерного пучка проходящего мимо выходного зеркала 22 расположено вне основного резонатора. На фиг. 2 соотношение между оптической длиной основного резонатора L и суммой оптических расстояний между элементами дополнительного резонатора L1, L2 и L3 удовлетворяет условию
где k - целое число.
Подобно изображенному на фиг. 1, первая часть пучка то есть периферийная часть распространяется вне апертуры выходного зеркала 2. Первая часть отражается от поворотного зеркала 21 и направляется во второй резонатор на фиг. 2.
На фиг. 2 астигматические фокусирующий элемент второго резонатора сформирован цилиндрическими зеркалами 23 и 24. Поперечный размер пучка при этом становится минимальным только по одной поперечной координате в фокальной плоскости.
В фокальной плоскости зеркала 23 установлен модулятор добротности 25, который может быть, например, механическим прерывателем, изображенным на фиг. 5. Экземпляр механического прерывателя на фиг. 5 представляет диск 51 со сквозными щелями 52. Диск 51 вращается вокруг оси 53, которая перпендикулярна плоскости диска 51.
На фиг. 2 после прохождения через механический прерыватель, пучок попадает на цилиндрическое зеркало 24 второго резонатора. Подобно описанному для фиг. 1 пучок отражается от заднего зеркала 24 проходит модулятор добротности 25 и цилиндрическое зеркало 23. Пучок направляется обратно в основной резонатор лазера при помощи зеркала 21.
На фиг. 3 зеркало 31 отражает первую часть лазерного пучка, проходящую мимо выходного зеркала 32 расположенного внутри основного резонатора. Как и в предыдущем примере, отношение между оптическими длинами основного резонатора L и суммой оптических длин L1, L2 и L3 между элементами второго резонатора на фиг. 3 удовлетворяет условиям выражения (2). Также как и на фиг. 2, астигматический фокусирующий элемент второго резонатора на фиг. 3 сформирован цилиндрическими вогнутыми зеркалами 33 и 34 на фиг. 3. Модулирующее устройство 35 может, например, представлять собой механический прерыватель, как это показано на фиг. 5.
Для специалиста в данной области техники очевидно, что концепция изобретения может быть реализована различными способами. Изобретение и его варианты не ограничиваются примерами, описанными выше, но могут изменяться в пределах объема формулы изобретения.