ИМПУЛЬСНЫЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР С ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ДЛИНЫ ВОЛНЫ ИЗЛУЧЕНИЯ НА ВЫНУЖДЕННОМ КОМБИНАЦИОННОМ РАССЕЯНИИ
PULSED SOLID-STATE LASER WITH RADIATION WAVELENGTH CONVERSION ON STIMULATED RAMAN SCATTERING

Изобретение относится к области лазерной техники, в частности к импульсным твердотельным лазерам, работающим в режиме активной модуляции добротности и генерирующих в безопасном для человеческого глаза диапазоне длин волн. Изобретение может быть применено в лазерных дальномерах, в научных целях для накачки параметрических генераторов.
3
Наибольший практический интерес представляет реализация малогабаритного и некритичного к механическим и температурным воздействиям лазера, генерирующего высоконаправленное безопасное для глаз излучение на длине волны λ=1,54 мкм, в качестве активной среды которого может быть использован кристалл KGW: Nd+ на вынужденном комбинационном рассеянии (ВКР - преобразование) длины волны неосновного перехода λг=1,35 мкм в излучение на длине волны λс=1,54 мкм.
3+
3+
3+
3+
3+
Известен лазер с пассивной модуляцией добротности и ВКР-конверсией (см. статью А.Н. Титов, В.Н. Иванов, В.Н. Ветров, Б.А. Игнатенков, О.Б. Сторощук, Л.И. Крутова, К.В. Дукельский, В.В. Медоволкин, Е.В. Урбанович, Д.В. Иванов «Механизм просветления пассивных лазерных затворов YAG: V при ВКР-преобразовании в кристаллах KGW: Nd», «Оптический журнал», том 75, №1, 2008 г., стр.49-52), в котором осуществляется преобразование длины волны излучения на ВКР, содержащий лампу накачки, активный элемент (АЭ) из кристалла KGW: Nd, пассивный лазерный затвор (ПЛЗ) из кристалла YAG: V, резонатор, образованный глухим и выходным зеркалами. В нем предложена ориентация кристаллографических осей ПЛЗ из кристалла YAG: V относительно вектора электрической напряженности излучения, при которой энергия генерации возросла в несколько раз.
Однако в данном устройстве изготовление селективных зеркал резонатора является весьма сложным процессом. Кроме того, данный лазер критичен к разъюстировкам из-за климатических и механических воздействий.
Известен лазер (см. Белостоцкий Б.Р. и др. «Основы лазерной техники», журнал «Советское радио», М., 1972 г., стр.145), состоящий из лампы накачки, АЭ, и резонатора, образованного выходным зеркалом и двухгранной прямоугольной призмой (призмой БР-180) в качестве «глухого» зеркала с вершиной на оптической оси резонатора.
Данное устройство некритично к наведенному в АЭ термооптическому клину и разъюстировкам резонатора в плоскости, перпендикулярной ребру призмы БР-180.
Однако в нем невозможно осуществить генерацию на безопасной для глаз длине волны излучения, т.к. призма БР-180 не может обеспечить минимальный (менее 1%) коэффициент отражения излучения для основной длины волны излучения λн=1,067 мкм.
3+
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является импульсный твердотельный лазер с преобразованием длины волны излучения на ВКР (см. патент РФ на изобретение №2115983, М.кл. H01S 3/30, опубл. 18.09.1997 г.), содержащий в резонаторе, образованном «глухим» зеркалом, полностью отражающим излучение с длиной волны первой стоксовой компоненты и максимально пропускающим излучение с длинами волн, соответствующими нерабочим переходам АЭ, и выходным зеркалом, полностью отражающим излучение, генерируемое на длине волны рабочего перехода АЭ, частично пропускающим излучение на длине волны первой стоксовой компоненты и максимально пропускающим излучение с длинами волн, соответствующими нерабочим переходам АЭ и второй стоксовой компоненты, модулятор добротности (МД), который выполнен на основе электрооптического элемента и поляризатора или на основе насыщающегося фильтра со временем релаксации, превышающим более чем на порядок время обхода резонатора и максимально пропускающим излучение с длиной волны первой стоксовой компоненты, и кристаллический АЭ из калий-гадолиниевого вольфрамата (KGW: Nd), активированного ионами неодима, преобразующий генерируемую на рабочем переходе длину волны излучение λг=1,35 мкм в стоксовые компоненты (ВКР-преобразование), в том числе первую стоксовую компоненту λс=1,54 мкм.
В этом устройстве изготовление селективных зеркал, имеющих минимальный (менее 1%) коэффициент отражения для основной длины волны излучения λн=1,067 мкм и максимальный (более 90%) коэффициент отражения для длин волн λг=1,351 мкм и λс=1,54 мкм, является сложным процессом.
Кроме того, устройство критично к разъюстировкам при температурных и механических воздействиях, при которых возникают термооптические искажения АЭ в виде клина в плоскости прохождения через ось лампы накачки и АЭ. Это приводит к нестабильности энергии излучения в безопасном для глаз диапазоне длин волн.
Техническим результатом изобретения является упрощение изготовления лазера и обеспечение стабильности энергии излучения в безопасном для глаз диапазоне длин волн в широком диапазоне температурных и механических воздействий путем компенсации теромооптических искажений АЭ в плоскости, проходящей через ось лампы накачки и АЭ.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что предлагаемый импульсный твердотельный лазер с преобразованием длины волны излучения на ВКР, содержащий лампу накачки, резонатор, внутри которого установлены кристаллический АЭ, выполненный из материала, преобразующего генерируемую на рабочем переходе длину волны излучения в стоксовые компоненты, и МД на основе насыщающего фильтра, при этом резонатор содержит выходное зеркало, полностью отражающее излучение на длине волны рабочего перехода АЭ, частично пропускающее излучение с длиной волны первой стоксовой компоненты и максимально пропускающее излучение с длинами волн, соответствующими нерабочим переходам АЭ, отличается тем, что резонатор дополнительно в качестве «глухого» зеркала содержит призму БР-180, ребро при вершине двухгранного угла которой соосно АЭ, между АЭ и призмой БР-180 установлена под углом 45° к оптической оси резонатора плоскопараллельная пластина (ППП), а МД, выполненный на основе насыщающего фильтра и установленный между АЭ и выходным зеркалом, заклонен относительно торца АЭ на угол α>d/2L, где L - расстояние от АЭ до МД, d - диаметр АЭ, причем на рабочие поверхности ППП и МД нанесено оптическое покрытие, минимально отражающее излучение на длине волны рабочего перехода и длине волны первой стоксовой компоненты и частично пропускающее излучение с длинами волн, соответствующими нерабочим переходам.
При этом ППП может быть выполнена из стекла, а оптическое покрытие ППП и МД может быть многослойным диэлектрическим.
Возможность получения указанного технического результата можно пояснить следующим образом.
Использование двухгранной прямоугольной призмы (призмы БР-180) в качестве «глухого» зеркала с вершиной на оптической оси резонатора позволяет компенсировать термооптические искажения АЭ, возникающие в плоскости, проходящей через ось АЭ и лампы накачки; введение ППП, например из стекла, между призмой БР-180 и АЭ под углом 45° к оптической оси резонатора с нанесенным на нее и МД оптическим покрытием, например, многослойным диэлектрическим, а также заклона МД на основе насыщающего фильтра, установленного между АЭ и выходным зеркалом, относительно торца АЭ на угол α>d/2L существенно снижает требования к коэффициентам отражения концевых элементов (зеркал) резонатора, упрощая тем самым конструкцию лазера.
Кроме того, при предложенной установке призмы БР-180 по отношению к АЭ при работе лазера в импульсно-периодическом режиме угол между пучком излучения и осью резонатора, возникающий в результате термооптических искажений в АЭ, не увеличивается и устойчивость лазера сохраняется.
Оптическая схема предлагаемого устройства приведена на чертеже. Предлагаемый импульсный твердотельный лазер с преобразованием длины волны излучения на вынужденном комбинационном рассеянии содержит последовательно установленные призму 1 БР-180 резонатора с вершиной на оптической оси резонатора, при этом ребро призмы при вершине двухгранного угла соосно АЭ, за призмой 1 БР-180 внутри резонатора установлены под углом 45° к оптической оси резонатора ППП 2, которая может быть выполнена из стекла, АЭ 3 с ВКР-преобразованием и МД 4 на основе насыщающего фильтра. При этом резонатор содержит также выходное зеркало 5 и лампу 6 накачки. МД 4 заклонен относительно торца АЭ на угол α>d/2L, где L - расстояние от АЭ до МД, d - диаметр АЭ, а на рабочие поверхности ППП 2 и МД 4 нанесено оптическое покрытие, минимально отражающее излучение на длине волны рабочего перехода и длине волны первой стоксовой компоненты и частично пропускающее излучение с длинами волн, соответствующими нерабочим переходам, например многослойное диэлектрическое покрытие, т.е. покрытие, должно быть прозрачным в диапазоне длин волн 1060-1560 нм.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Во время действия импульса накачки, формируемого лампой 6 накачки, в АЭ с ВКР-преобразованием 3 создается инверсная населенность. Спонтанное излучение, выходящее из торцов АЭ 3 на наиболее эффективной длине волны излучения λн=1,067 мкм, попадая на входную грань модулятора 4 добротности, заклоненного относительно торца АЭ 3 на угол α>d/2L, где L - расстояние от АЭ до МД, d - диаметр АЭ, и ППП 2, установленную под углом 45° к оптической оси резонатора, за счет большого коэффициента отражения выводится из резонатора и не попадает на АЭ 3.
-1
-1
В результате в резонаторе создаются условия для развития генерации на длине волны λг=1,351 мкм. Частотный сдвиг в АЭ 3 с ВКР-преобразованием, равный Δ(λ)=902 см согласно формуле (1)
приводит к возникновению в резонаторе излучения на первой стоксовой компоненте λс=1,54 мкм, которое через частично прозрачное для данной длины волны излучения выходное зеркало 5 выводится из резонатора лазера.
При работе лазера в импульсно-периодическом режиме в АЭ 3 возникают термооптические искажения в виде клиновой деформации, обусловленные градиентом температуры между ближней к лампе 6 накачки более нагретой поверхностью АЭ 3 по сравнению с менее нагретой противоположной частью АЭ 3. Если призму 1 БР-180 выставить таким образом, чтобы ее преломляющее ребро (А) было перпендикулярно плоскости, содержащей лампу 6 накачки и АЭ 3, и соосно с геометрической осью АЭ 3, то при очередном проходе резонатора угол между пучком излучения и осью резонатора не увеличивается и устойчивость резонатора сохраняется.
Рассмотрим пример выполнения элементов предлагаемого устройства.
3+
При реализации твердотельного лазера в нем использовался АЭ 3 из КГВ: Nd с диаметром 3 мм и длиной 50 мм, установленный в лейкосапфировую трубку с для обеспечения оптимального режима термостабилизации при предельно допустимом режиме работы с частотами следования импульсов излучения до 5 Гц.
3+
В качестве МД 4 для длины волны λс использовался кристалл YAG: V с начальным пропусканием То=52%.
4
3/2
4
13/2
Коэффициент отражения выходного зеркала 5 для длины волны излучения λс=1,54 мкм соответствовал R=55%, для длины волны излучения λн=1,067 мкм R≤10% и R=99,5% для λ=1,35 мкм(переход F-I).
Коэффициенты отражения оптического покрытия (изготовленного, например, из стекла К108), нанесенного на входные грани ППП 2 и МД 4, R>80% для λ=1,067 мкм, а для длин волн λг=1,35 мкм и λс=1,54 мкм коэффициент отражения R<0,5%.
При энергии накачки 5 Дж с помощью лампы 6 накачки, в качестве которой использовалась лампа ИНП2-35А, получена энергия излучения на безопасной для глаз длине волны λс=1,54 мкм E=8 мДж.