Лазерный излучатель с управляемым интерферометром в качестве выходного зеркала
LASER EMITTER WITH CONTROLLED INTERFEROMETER AS OUTPUT MIRROR

Область техники
Изобретение относится к лазерной технике, в частности к устройствам для генерации импульсов наносекундной и субнаносекундной длительности и может быть использовано в системах импульсной обработки материалов и лазерной локации.
Предшествующий уровень техники
Практически во всех известных лазерах наносекундного и субнаносекундного диапазона для осуществления внутрирезонаторного управления длительностью импульсов используется т.н. комбинированная схема управления генерацией с активной или пассивной синхронизацией мод в сочетании с активной модуляцией добротности резонатора. Причем реализация такой схемы может быть выполнена с применением модуляторов различных типов, установленных в резонаторных схемах различной конфигурации.
В частности, в патенте RU 2240635 от 20 ноября 2004 года описан пикосекундный Nd:YАG-лазер, подробнее см. статью тех же авторов (Горбунков М.В., Коняшкин А.В., Кострюков П.В., Морозов В.Б. и др. «Пикосекундные полностью твердотельные Nd:YАG-лазеры с импульсной диодной накачкой и электрооптическим управлением генерацией». Квантовая электроника. 2005. Т. 35. №1. С. 2-7), в котором используются термоскомпенсированные низковольтные электрооптические модуляторы (ЭОМ) для активной синхронизации мод и переключения режимов резонатора, а также пассивная синхронизация мод с помощью насыщающихся полупроводниковых зеркал SESAM (Semiconductor Saturable Absorber Mirrors). Комбинированное действие активно-пассивной синхронизации мод и отрицательной обратной связи обеспечивает формирование ультракоротких импульсов и точную синхронизацию импульса генерации с внешним сигналом.
К недостатку указанного лазера можно отнести достаточно сложную оптическую схему резонатора с одним пассивным модулятором и тремя активными ЭОМ, а также схему их синхронизации и управления.
В патенте US 7,907,644 В2 от 15 марта 2011 года предложена схема пикосекундного лазера, резонатор которого содержит активную среду с широкой полосой люминесценции, пассивный модулятор на основе нелинейного зеркала SESAM для синхронизации мод и получения частотной последовательности ультракоротких импульсов и быстрый электрооптический модулятор для обеспечения в требуемый момент времени вывода единичного импульса из резонатора.
Данная система имеет большие энергетические потери и низкий уровень энергетики выделяемых импульсов, которые для большинства применений необходимо дополнительно усиливать.
Наконец, в патенте RU 2478242 С2 от 7 июня 2011 года и зависимом от него последующем патенте тех же авторов RU 2606348 С1 от 8 июня 2015 года предложено использовать единый акустооптический модулятор (АОМ) бегущей волны как для синхронизации мод, так и для модуляции добротности, и устанавливать его в центре кривизны концевого зеркала резонатора. Второй из указанных выше патентов является техническим развитием первого и содержит большое количество усложняющих элементов и признаков, не относящихся к предлагаемому нами изобретению. Первый из названных патентов, RU 2478242 С2, по совокупности признаков может быть выбран в качестве прототипа предлагаемого нами устройства.
В лазере, описанном в патенте-прототипе, достигнут высокий уровень пиковой мощности при стабильности и воспроизводимости выходных характеристик. Технический результат достигается за счет того, что в лазере, резонатор которого состоит из двух плеч, в первом плече между концевым зеркалом и активным элементом в центре кривизны концевого зеркала размещается АОМ, а во втором плече перед вторым концевым зеркалом устанавливается нелинейно-оптическая линза с Керровской нелинейностью и жесткая диафрагма в ее фокусе.
Для обеспечения активной синхронизации мод рабочая частота АОМ задается равной (или кратной) половине межмодового интервала лазера, а частота переключения модулятора (например, в диапазоне от одного до сотни килогерц) определяет частоту следования импульсов модулированной добротности. Таким образом, удается использовать один АОМ как для модуляции добротности, так и для синхронизации мод лазера без использования дополнительных элементов и зеркал. Помещенный во втором плече резонатора дополнительный кристалл с нелинейностью Керра может использоваться одновременно для дальнейшего уменьшения длительности импульса.
К недостаткам указанного устройства можно отнести ограниченное быстродействие АОМ, а также высокие энергетические потери излучения, во-первых, за счет характерных для АОМ дифракционных потерь, а, во-вторых, за счет особенности применяемого авторами патента RU 2 478 242 С2 режима управления добротностью резонатора, в котором режим модуляции добротности резонатора обеспечивается за счет снижения потерь в выходящем из резонатора нулевом порядке дифракции при инерционном (за счет ограниченности скорости звука) отключении быстрой рабочей частоты АОМ. Не устранены эти недостатки полностью и в более позднем зависимом патенте RU 2606348 C1.
Целью данного изобретения является повышение быстродействия и эффективности наносекундного режима работы лазера, причем, так же как в прототипе, сохраняется принцип использования в резонаторе одного и того же оптического модулятора для синхронизации мод и модуляции добротности резонатора, но этот модулятор электрооптического типа осуществляет активную фазовую модуляцию с высоким быстродействием и низкими энергетическими потерями. Для реализации режима фазовой модуляции электрооптический модулятор помещен в одно из плеч интерферометра Майкельсона, который, в свою очередь, используется в качестве выходного зеркала резонатора.
В результате в более простом и эффективном устройстве получены сходные с прототипом выходные параметры излучения, а именно, цуги наносекундных импульсов микросекундной длительности, следующие с частотой повторения до нескольких десятков килогерц с уровнем средней мощности порядка нескольких ватт.
Раскрытие сущности предлагаемого изобретения
Предлагаемое изобретение относится к лазерной технике, в частности, к устройствам для генерации короткоимпульсного лазерного излучения, управление длительностью которого осуществляется с помощью фазового электрооптического модулятора, размещаемого в одном из плеч интерферометра Майкельсона, используемого в качестве выходного зеркала лазерного резонатора с плоскими зеркалами.
На Фиг. 1 показана упрощенная оптическая схема предлагаемого устройства.
На Фиг. 2 показана конфигурация устройства в компактном варианте исполнения.
Схема устройства на Фиг. 1 включает активную среду лазера 1, три полностью отражающих плоских зеркала 2, 3 и 4, светоделитель 5 и фазовый электрооптический модулятор (ЭОМ) 6. Зеркала 2, 3 и светоделитель 4 составляют интерферометр Майкельсона, 4 - заднее глухое зеркало резонатора. Плечи интерферометра выравниваются с точностью до нескольких сотен микрон, что обеспечивает одинаковую отражательную способность в полосе усиления сигнала активной среды лазера. Модулятор состоит из пары термоскомпенсированных электрооптических кристаллов, установленных в конфигурации фазового модулятора (М. Roth, М. Tseitlin, N. Angert. «Oxide Crystals for Electro-Optic Q-Switching of Lasers». Glass Phys. Chem., 31, p. 86-95,2005).
Устройство работает следующим образом. Интерферометр используется в качестве составного выходного зеркала резонатора с управляемым коэффициентом отражения. Настройка его начального максимального пропускания осуществляется изменением длины одного из плеч в пределах длины волны с помощью линейного пьезоактуатора, на котором устанавливается зеркало 3. Динамичное изменение коэффициента отражения выходного зеркала осуществляется, благодаря изменению оптической длины кристаллов ЭОМ при подаче них двух электрических сигналов. Медленная составляющая сигнала в виде серии микросекундных импульсов напряжения с амплитудой, близкой к полуволновому, и частотой повторения от единиц до десятков килогерц определяет режим модуляции добротности резонатора. На этот же модулятор подается быстрое высокочастотное гармоничное возмущение на частоте двойного обхода резонатора с амплитудой, не превышающей 10-20% от полуволнового напряжения, которое осуществляет режим активной синхронизации мод.
Ключевым преимуществом предлагаемого устройства с фазовым модулятором, помещенным в интерферометр Майкельсона, является возможность оптимизировать энергетическую эффективность процесса генерации излучения путем переключения выходного зеркала резонатора из полностью «открытого» состояния в полностью «закрытое» и обратно.
Важными условиями стабильной работы резонатора с управляемым интерферометром являются высокая однородность диодной накачки в АС лазера и поддержание теплового режима АС на одном и том же уровне. В противном случае в процессе работы лазерной системы может меняться как тепловая линза, возникающая вследствие неоднородной накачки, так и частота излучения накачки, что приведет к нестабильной интерференции и к нестабильности выходных параметров лазера.
Выполнение указанных условий достигается с применением охлаждающего устройства с высокой точностью поддержания температуры охлаждающей жидкости (±0,1 градуса). Сам интерферометр конструктивно выполняется достаточно жестким, а для компенсации тепловой линзы АС ток накачки фиксируется и подбирается одна или несколько линз, установленных внутри резонатора (на Фиг. 1 и Фиг. 2 не показаны).
Отметим, что при технологически разумном ограничении частоты высокочастотного электрического сигнала быстрого управления ЭОМ до 100 МГц, оптическая длина резонатора составляет не менее 150 см. В связи с этим в рассматриваемом устройстве целесообразно использовать оптическую схему резонатора, «сложенного» в четыре раза (см. патент RU 2297084 от 10 апреля 2007 года, заявленный с участием одного из авторов настоящего изобретения). Схема позволяет, за счет применения одноразмерных ретроотражателей (зеркальных «крыш»), повысить устойчивость излучателя к вибрационным и деформационным возмущениям и сделать устройство более компактным.
Вариант конструктивного решения «сложенного» резонатора, в котором оптическая длина резонатора в 150 см упаковывается в лазерный излучатель с длиной, не превышающей 35 см, приведен на Фиг. 2. Активный элемент 1 расположен около глухого зеркала резонатора, выходное зеркало выполнено в виде управляемого интерферометра 7, излучение разворачивается зеркалами ретроотражателей 8.
4
В реализованном нами устройстве в компактной конфигурации резонатора, показанной на Фиг. 2, устанавливался серийный квантрон GN-50 (Sino-Laser, Китай, см. http://www.sino-laser.com) на базе Nd:YAG с непрерывной поперечной диодной накачкой и ЭОМ на базе двух кристаллов RTP (Rubidium Titanyl Phosphate, RbTiOPO) с размерами 4×4×10 мм (Raicol Crystals, Израиль, см. http://www.raicol.com). Юстировка резонатора сводилась к соосной установке активной среды 1 и угловой подстройке концевых зеркал 3 и 4 (см. Фиг. 1). Затем зеркало 2 подстраивалось по максимуму (или минимуму, в зависимости от положения пьезокерамики) нулевого поля интерференционной картины.
Наблюдалось два режима управления, каждый из которых может найти собственное технологическое применение. При подаче только медленного управляющего напряжения (модуляция добротности) наблюдалось излучение в виде килогерцовой последовательности импульсов микросекундной длительности. При подаче обоих электрических сигналов управления указанные выходные импульсы были на 100% промодулированы цугом наносенкундных импульсов синхронизации мод резонатора. Средняя мощность излучения составляла порядка 2 Вт.
Промышленная применимость.
Предлагаемое устройство внутрирезонаторного управления длительностью лазерного излучения с использованием управляемого интерферометра в качестве выходного зеркала может использоваться при создании лазеров с наносекундной и субнаносекундной длительностью для лазерной обработки материалов и лазерной локации.