Усилитель энергии фемтосекундных лазерных импульсов с различным временным профилем интенсивности

Полезная модель относится к лазерной технике, в частности к фемтосекундным лазерным системам с высокой импульсной мощностью излучения, и может быть использована в промышленности, медицине, микроэлектронике и других областях хозяйственной деятельности.
Известен усилитель энергии лазерных импульсов, содержащий активный элемент из стекла, легированного иттербием, с центральной длиной волны излучения λ=1050 нм (H. Liu, S. Biswal, J. Рауе, J. Nees, et al. // Directly diode-pumped millijoule subpicosecond Yb: glass regenerative amplifier // July 1, 1999 / Vol. 24, No. 13 / Optics Letters 917). Однако активные элементы, используемые в усилителях энергии фемтосекундных лазерных импульсов в спектральном диапазоне от 110 до 3000 нм, имеют низкий коэффициент усиления, а известные технические решения усилителей энергии не позволяют получить высокую энергию импульса.
Наиболее близким к предложенному техническому решению является известный патент на полезную модель RU 47140 U1 - УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ и работы авторов указанного выше охранного документа: M.B. Agranat, S.I. Ashitkov, A.A. Ivanov, A.V. Konyashchenko, A.V. Ovchinnikov and F.E. Fortov «Terawatt femtosecond Cr: forsterite laser system» Quantum Electron. 34, 506 (2004); A.B. Овчинников, С.И. Ашитков, М.Б. Агранат, Д.С. Ситников, "Усилитель мощности для фемтосекундной тераваттной хром-форстеритовой лазерной системы", Квантовая электроника, 2008, 38 (4), 325-329. Однако известные технические решения не учитывали возможности усиления лазерных импульсов с различной временной и спектральной формой, а охранный документ в настоящее время прекратил свое действие.
Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу увеличения энергии фемтосекундных лазерных импульсов с центральной длиной волны излучения λ=1240 нм и с различным временным профилем импульса.
Поставленная техническая задача решается тем, что в усилителе энергии лазерных импульсов, содержащем первичный источник импульсов лазерного излучения, формирователь спектра для получения требуемого временного профиля интенсивности лазерного импульса, один и более активных усиливающих элементов, систему диэлектрических зеркал, имеющих полосовую спектральную характеристику для модуляции интенсивности усиливаемого импульса, используемого для обеспечения прохода лазерного излучения через усилитель, оптическую схему формирования требуемой расходимости лазерного пучка и лазеры накачки активных усиливающих элементов, каждый активный элемент выполнен из кристалла форстерита, легированного ионами хрома (хром-форстерит), при этом система диэлектрических зеркал установлена с возможностью многократного прохода лазерного излучения через активные усиливающие элементы.
Такое исполнение усилителя энергии лазерных импульсов позволяет решить поставленную техническую задачу за счет того, что исходный лазерный импульс, от первичного источника лазерного излучения, проходя через формирователь спектра лазерного импульса для требуемого временного профиля интенсивности, направляется с помощью системы диэлектрических зеркал в активный усиливающий элемент, выполненный из кристалла хром-форстерита, в котором с помощью импульса лазера накачки наносекундной длительности создается инверсная заселенность электронных энергетических уровней, то есть активный элемент становится усиливающим. Система диэлектрических зеркал позволяет осуществить один и более проходов исходного лазерного импульса через активный усиливающий элемент, пока существует инверсная среда, сохраняя при этом сформированный временной профиль интенсивности. Таким образом, происходит последовательное увеличение энергии исходного лазерного импульса. Коэффициент усиления определяется энергией импульсов лазеров накачки, параметрами активного усиливающего элемента и количеством проходов через активный усиливающий элемент. Сущность предлагаемой полезной модели поясняется схемой, показанной на фиг. 1.
Усилитель энергии лазерных импульсов содержит корпус 1, в котором устанавливаются зеркала 2, формирующие проходы лазерных импульсов через активные усиливающие элементы 3 на основе кристалла хром-форстерита, лазеры накачки 4, поворотные зеркала 5, первичного источника излучения лазерных импульсов 6, система регулировки расходимости лазерного пучка 7 и формирователь спектра лазерного импульса для требуемого временного профиля интенсивности 8.
2
Предлагаемая полезная модель работает следующим образом. Исходный лазерный импульс с центральной длиной волны излучения 1240 нм от первичного источника излучения с помощью поворотных зеркал 5 вводится в систему зеркал 2, формирующую в данной оптической схеме шесть проходов через активный усиливающий элемент 3. Накачка активной среды осуществляется импульсным лазером 4, работающим в режиме модуляции добротности. При этом максимальная плотность энергии накачки может достигать 3 Дж/см. Импульс накачки длительностью в диапазоне от 1 до 20 нс попадает на активный усиливающий элемент 3 непосредственно перед приходом лазерного импульса из первичного источника, и соответственно, максимальная инверсия достигается на первом проходе, и как следствие, достигается максимальный коэффициент усиления. С увеличением числа проходов по активной среде коэффициент усиления уменьшается, что связано с уменьшением инверсии в активной среде. Например, энергия лазерного импульса на выходе усилителя будет составлять 6 мДж при энергии исходного лазерного импульса около 0.4 мДж.
макс
Конкретными достоинствами и преимуществами данного усилителя мощности по сравнению с прототипом являются возможность усиления инфракрасных лазерных импульсов в спектральной полосе излучения с λ = 1240 нм и использование лазеров накачки с длиной волны излучения 1.06 мкм.