Твердотельный лазер с модуляцией добротности
SOLID STATE LASER WITH Q-SWITCHING

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к импульсным твердотельным лазерам с диодной накачкой.
Известны твердотельные лазеры, содержащие активный элемент с резонатором и лампу накачки [1, с. 60]. Преобразование излучения лампы в лазерное излучение недостаточно эффективно из-за неоптимального согласования спектра излучения лампы со спектром поглощения активного элемента и из-за несовпадения процесса горения лампы с кинетикой поглощения-излучения активного элемента.
Эти недостатки устранены в лазерах с диодной накачкой. Лазерные диодные решетки и матрицы, применяемые для накачки твердотельных лазеров,+
обладают по сравнению с лампами более высоким кпд, оптимальным для накачки спектром излучения и управляемыми параметрами импульса накачки. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является твердотельный лазер, описанный в [2]. Этот твердотельный лазер содержит последовательно установленные источник излучения накачки в виде лазерной диодной матрицы, первое зеркало резонатора, активный элемент, поляризатор, электрооптический затвор и второе зеркало резонатора.
Необходимость использования первого зеркала одновременно как элемента резонатора лазера и входного окна для излучения накачки усложняет конструкцию зеркала и ухудшает его характеристики по каждому из указанных назначений. В результате снижается выходная энергия излучения лазера и затрудняется управление временными и пространственными характеристиками лазерного излучения путем изменения геометрии резонатора, т.к. одно из зеркал привязано к торцу активного элемента. Кроме того, данное решение вынуждает использовать короткие активные элементы, поскольку при торцевой накачке излучение накачки затухает по мере проникновения в активный элемент, и при большой длине активного элемента накачка становится неэффективной.
Задачей изобретения является повышение энергии выходного излучения лазера и улучшение его временных и пространственных характеристик.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном твердотельном лазере с модуляцией добротности, содержащем источник излучения накачки в виде лазерной диодной матрицы, активный элемент, первое и второе зеркала резонатора, а также электрооптический элемент и поляризатор, активный элемент выполнен в виде стержня, оба торца которого скошены так, что угол между нормалью к каждому торцу и осью активного элемента превышает предельный угол полного внутреннего отражения, боковая поверхность стержня, противоположная каждому скошенному торцу, выполнена в виде окна, прозрачного для лазерного излучения, источник накачки установлен таким образом, чтобы излучение накачки проникало через скошенный торец в активный элемент на максимальную глубину, а зеркала резонатора установлены напротив окон в активном элементе так, чтобы оптические оси зеркал были совмещены с оптической осью активного элемента, причем поверхность второго торца активного элемента повернута вокруг оптической оси резонатора на 90 градусов относительно поверхности первого торца.
Может быть введен второй источник накачки, установленный у второго торца активного элемента.
На фиг. 1 представлена схема лазера.
Активный элемент 1 установлен в резонатор, образуемый глухим зеркалом 2 и полупрозрачным зеркалом 3. Оптическая ось резонатора проходит через активный элемент 1, торцы которого являются зеркалами полного внутреннего отражения и изламывают оптическую ось резонатора под прямым углом к оси активного элемента и под углом 90 градусов вокруг этой оси. Источники накачки 4 и 5 установлены у противоположных торцов активного элемента 1 так, чтобы их излучение проникало в активный элемент через его торцы и не выходило наружу через боковые поверхности активного элемента. Внутри резонатора установлен электрооптический модулятор добротности (1, с. 154), состоящий из электрооптического элемента 6 и поляризатора 7.
Устройство работает следующим образом.
При засветке внутреннего объема активного элемента 1 излучением источников накачки 4 и 5 происходит возбуждение активного вещества [1, с. 59]. При этом электрооптический затвор вносит потери, при которых добротность резонатора низка, и лазерная генерация невозможна. При подаче управляющего напряжения на электрооптический элемент добротность резонатора становится максимальной, обеспечивая условие развития лазерной генерации. Деполяризация лазерного пучка при полном внутреннем отражении на первом торце активного элемента 1 [3, с. 439] компенсируется деполяризацией при отражении от второго торца активного элемента благодаря тому, что второй торец повернут относительно первого на угол 90 градусов. Тем самым состояние поляризации лазерного излучения соответствует направлению поляризации электрооптического модулятора добротности при каждом проходе излучения внутри резонатора 2, 3, что удовлетворяет условию развития гигантского импульса лазерного излучения, в котором высвобождается энергия накачки, запасенная в активном веществе.
Предлагаемый твердотельный лазер имеет следующие преимущества по сравнению с известными твердотельными лазерами.
- Благодаря торцевой схеме накачки повышается КПД накачки.
- Накачка с противоположных торцов активного элемента повышает однородность возбуждения активной примеси и энергию выходного излучения.
- Разделение канала накачки и резонатора позволяет управлять диаграммой направленности лазерного излучения путем подбора кривизны зеркал и длины резонатора.
- Предложенная конфигурация торцов активного элемента обеспечивает сохранение линейной поляризации в процессе развития лазерного процесса при использовании электрооптической модуляции добротности.
- Возможность введения электрооптического модулятора добротности позволяет обеспечить минимальную длительность гигантского импульса.
Указанные преимущества обеспечивают решение поставленной задачи: повышение энергии выходного излучения лазера и улучшение его временных и пространственных характеристик.
Данный вывод подтвержден положительными результатами изготовления и испытаний макетного образца лазера. После корректировки документации по результатам испытаний лазер будет запущен в производство.
Источники информации
1. Справочник по лазерной технике. Киев, «Технiка», 1978 г. - С. 288.
2. LASER-DIODE ARRAYS: Multicolor uncooled diode array efficiently pumps Nd:YAG laser. LaserFocusWorld. 08/01/2007 - прототип.
3. Ландсберг Г.С. Оптика. Учебное пособие. М., Физматлит, 2003 г. - С. 439.