Многофункциональная лазерная система

Полезная модель относится к лазерной технике, а именно к твердотельным многофункциональным лазерным системам (МЛС), дискретно перестраивающимся по длине волны излучения.
Одним из перспективных направлений развития импульсных твердотельных лазеров, работающих в режиме модуляции добротности резонатора, является направление, связанное с переходом к лазерным системам, содержащим преобразователи частоты излучения в высшие гармоники в нелинейных элементах, параметрические генераторы света, усилители, лазеры с излучением на других длинах волн, преобразователи суммарных и разностных частот. Многофункциональность таких систем заключается в возможности переключать дискретно длину волны излучения, а также изменять энергетические и временные параметры импульсов излучения. Для переключения выходных параметров МЛС применяются источники питания импульсных ламп или лазерных диодов, блоки управления электрооптическими затворами, электромеханические и механические перемещающие устройства, термостаты с регуляторами температуры [1, 2].
Основным недостатками таких систем являются отсутствие возможности оптимизировать энергетические параметры моноимпульсов излучения на каждой длине волны и недостаточная оперативность переключения режимов.
3+
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой МЛС является 3-волновой RGB (Red, Green, Blue) лазер на основе лазера на АИГ:Ndс внутрирезонаторным параметрическим генератором света (ПГС) на основе нелинейного элемента из кристалла КТР [3] - прототип.
н
с
н
с
Особенности устройства этого лазера заключаются в возможности поляризационного вывода из резонатора основного лазерного излучения с длиной волны λ=1064 нм, являющегося излучением накачки для ПГС, и вывода из выходного зеркала излучения только на сигнальной волне ПГС с длиной волны λ=1570 нм. Излучение с λ заводится поворотными зеркалами в канал излучения с λ для преобразования в нелинейных элементах в излучение с суммарными частотами  и в излучение второй гармоники с длиной волны
Σ1
Σ2
н
с
Недостатком RGB лазера является невозможность оптимизации импульсов излучения с длинами волн λ=634 нм и λ=451 нм, так как для генерации этих излучений необходимо работать при значении амплитуды напряжения U на электродах электрооптического элемента, при котором энергии моноимпульсов излучения с λ и λ не являются максимально возможными [3].
с
н
При повышении значения амплитуды напряжения U до четвертьволнового напряжения энергия импульсов излучения с λ достигает максимума, однако энергия моноимпульсов излучения с λ, наоборот, падает до минимума. Еще одним недостатком является невозможность селекции выходного излучения по длинам волн без дополнительной внешней оптической схемы с дисперсионными призмами.
Задачей полезной модели является оптимизация энергии моноимпульса излучения на каждой длине волны и селекция излучения на выбранной длине волны на выходе многофункциональной лазерной системы от излучения с другими длинами волн.
Для решения поставленной задачи предлагается в известной многофункциональный лазерной системе, содержащей резонатор импульсного твердотельного лазера накачки, в котором установлены призма-крыша электрооптического элемента, вращатель плоскости поляризации на 90°, оптически изотропный активный элемент, пластина-поляризатор, зеркало, пропускающее излучение лазера накачки параметрического генератора света и полностью отражающее излучение сигнальной волны, нелинейный элемент параметрического генератора света, выходное зеркало, частично пропускающее излучение сигнальной волны параметрического генератора света и полностью отражающее излучение лазера накачки, в канале отраженного от пластины-поляризатора излучения лазера накачки, в котором установлены три поворотных зеркала, сводящих излучение лазера накачки в канал излучения сигнальной волны, в котором за выходным зеркалом резонатора установлены нелинейные элементы, ориентированные по направлению синхронизма для генерации излучения с первой суммарной частотой излучения на волне накачки и сигнальной волне, для генерации излучения со второй суммарной частотой излучений с первой суммарной частотой и сигнальной волны и для генерации излучения второй гармоники излучения на волне накачки, дополнительно в канале отраженного от пластины поляризатора излучения лазера накачки установлены оптически изотропный активный элемент усилителя, четвертьволновая пластина с кристаллографическими осями под углом 45° к плоскости пропускания пластины поляризатора и глухое зеркало, дополнительно в канале излучения лазера накачки, прошедшего пластину-поляризатор после двойного прохода активного элемента усилителя, за первым поворотным зеркалом установлен вращатель плоскости поляризации на 90°, дополнительно за последним поворотным зеркалом в канале излучения сигнальной волны установлены вращатель поляризации излучения на 90° и нелинейный элемент, ориентированный по направлению синхронизма для генерации второй гармоники излучения сигнальной волны, при этом все нелинейные элементы в канале излучения сигнальной волны помещены в термостаты.
н
Σ1
с
с
н
н
н
с
Σ1
н
Существенным отличием предлагаемой полезной модели многофункциональной лазерной системы является установка в канал излучения лазера накачки двухпроходового усилителя. Это позволяет существенно увеличить энергию моноимпульсов излучения с λ при четвертьволновой амплитуде импульсов напряжения  при которой энергия моноимпульсов излучения сигнальной волны максимальна [3]. Вследствие этого энергия моноимпульсов с λ=634 нм также существенно возрастает до оптимального значения. Дополнительная установка нелинейного элемента для генерации второй гармоники излучения с λ является еще одним существенным отличием, так как излучение с длиной волны 451 нм генерируется при сложении излучения второй гармоники сигнальной волны и мощного излучения лазера накачки, что приводит к существенному повышению энергетических параметров синего излучения. Дополнительным отличием служит появление излучения на второй гармонике сигнальной волны  в спектральном составе излучения предлагаемой МЛС. Оптическая схема предлагаемой МЛС представлена на чертеже. Резонатор моноимпульсного твердотельного лазера образован призмой-крышей 1 и выходным зеркалом 2, частично пропускающим излучение сигнальной волны ПГС с λ и полностью отражающим излучения лазера накачки с λ, 3 - электрооптический элемент, 4 - вращатель плоскости поляризации излучения с λ на 90°, 5 - активный элемент, 6 - пластина-поляризатор, 7 - зеркало, пропускающее излучения лазера накачки с λ и полностью отражающее излучение сигнальной волны ПГС с λ, 9 - поворотное зеркало, 10 - нелинейный элемент, ориентированный по направлению синхронизма для генерации излучения с λ в термостате, 11 - нелинейный элемент, ориентированный по направлению синхронизма для генерации излучения с длиной волны 451 нм в термостате, 12 - нелинейный элемент, ориентированный по направлению синхронизма для генерации излучения с  в термостате, 13 - активный элемент усилителя, 14 - четвертьволновая пластина, 15 - глухое зеркало для излучения с λ, 16 - нелинейный элемент, ориентированный по направлению синхронизма для генерации излучения с  в термостате.
н
н
н
н
с
н
н
с
н
МЛС, оптическая схема которой представлена на Фиг. 1, работает следующим образом. В момент достижения максимального значения инверсной населенности в активных элементах 5 и 13 на электроды элемента 3 подается импульс высоковольтного напряжения с амплитудой U, равный четвертьволновому напряжению. В резонаторе, образованном призмой-крышей 1 и глухим для излучения с λ зеркалом 2, начинает развиваться моноимпульс излучения с λ. После достижения порога генерации ПГС мощность импульса излучения с λ перестает увеличиваться, так как в резонаторе ПГС, образованном зеркалами 2 и 7, происходит преобразование излучения лазера накачки с λ в излучение сигнальной волны ПГС с λ. При этом средняя мощность излучения с λ, которая отражается от пластины-поляризатора 6, принимает минимальную величину, которая зависит от контрастности электрооптического затвора и начального коэффициента усиления в активном элементе лазера. Это излучение направляется в двухпроходовый усилитель, состоящий из активного элемента усилителя 13, глухого зеркала и четвертьволновой пластины с кристаллографическими осями под углом 45° к плоскости пропускания пластины-поляризатора. После прохождения двухпроходового усилителя излучение с λ становится поляризованным в плоскости пропускания пластины-поляризатора, которая совпадает с плоскостью чертежа, и практически без потерь на отражение проходит пластину-поляризатор, отражается от первого поворотного зеркала 9 и после прохода вращателя плоскости поляризации на 90° заводится двумя поворотными зеркалами 9 в канал излучения сигнальной волны ПГС с λ, выходящего из зеркала 2. При этом энергетические параметры моноимпульсов излучения с λ определяются начальным коэффициентом в активном элементе усилителя и потому могут достигать высоких значений, ограниченных только лучевой прочностью диэлектрических покрытий поворотных зеркал и просветляющих покрытий нелинейных элементов.
с
н
Излучение сигнальный волны ПГС с λ после прохождения вращателя плоскости поляризации излучения на 90° становится линейно поляризованным в вертикальной плоскости к плоскости чертежа и преобразуется во вторую гармонику в дополнительно установленном нелинейном элементе 16, помещенном в термостат, в котором при нагреве с помощью регулятора температуры обеспечивается максимальный коэффициент преобразования излучения во вторую гармонику сигнальной волны. В нелинейном элементе 11, помещенном в термостат, управляемым своим регулятором температуры, происходит генерация излучения с длиной волны 451 нм (суммарной частоты излучений с  и с λ). В нелинейном элементе 12, помещенном в термостат со своим регулятором температуры, происходит генерация второй гармоники излучения накачки.
3+
3+
3+
3+
3+
3
В качестве активных элементов в лазере и усилителе могут быть использованы элементы из оптически изотропного семейства гранатов: АИГ:Nd, ГСГГ:Nd, Cr, ИСГГ:Nd, Cr и т.д. В качестве электрооптического элемента могут быть использованы элементы из кристаллов DKDP и LiNbO. В качестве нелинейных элементов могут быть использованы элементы из кристаллов КТР и LBO. Помещение всех нелинейных элементов в термостаты, каждый из которых настроен на поддержание определенной температуры синхронизма для эффективной генерации излучения с соответствующей длиной волны, позволяет с помощью включенных в сеть или отключенных от сети питания регуляторов температуры эффективно генерировать моноимпульсы излучения с выбранными длинами волн. Более того, при выборе излучения с одной длиной волны происходит оптимизация этого излучения по энергетическим параметрам.
В результате оптимизации режима работы параметрического генератора света, увеличения энергии импульсов излучения лазера накачки за счет двухпроходового усилителя и помещения всех внерезонаторных нелинейных элементов в управляемые термостаты в предлагаемой полезной модели обеспечена оптимизация энергии моноимпульса излучения на каждой длине волны и селекция излучения на выбранной длине волны на выходе многофункциональной лазерной системы от излучения с другими длинами волн. Таким образом, поставленную перед полезной моделью задачу следует считать выполненной. Источники информации
1. Ляшенко А.И., Мешканцов А.А. Импульсная твердотельная лазерная система с генерацией высших гармоник излучения. Патент РФ №2291532 от 05.10.2005.
3+
2. Ляшенко А.И., Бирюкова П.С. Многоканальные и многофункциональные моноимпульсные лазеры на АИГ:Nd// Труды Российского научно-технологического общества радиотехники, электроники и связи имени А.С. Попова. Серия: Акустооптических и радиолокационных методов измерений и обработки информации. Выпуск XI Москва-Суздаль, 2018, - с. 196-199.
3+
3. Алампиев М.В., Ляшенко А.И. Импульсные лазеры на АИГ: Ndс параметрическими генераторами света. Труды Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи имени А.С. Попова, Серия: акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации, выпуск X, с. 184, Москва, Суздаль, 2017.