ИМПУЛЬСНЫЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР

Полезная модель относится к лазерной технике, в частности к твердотельным импульсным лазерам.
Импульсные твердотельные лазеры с модуляцией добротности резонатора как генераторы мощных импульсов узконаправленного излучения в наносекундном диапазоне длительностей импульсов широко применяются в научно-прикладных исследованиях, в медицинских аппаратах, в системах экологического мониторинга окружающей среды, в технологических установках и т.д.
3+
4+
4+
3
В качестве лазеров ИК спектрального диапазона часто используются лазеры с активными элементами из кристаллов, содержащих ионы Nd (АИГ:Nd, ГСГГ:Cr, Nd, ИСГГ: Nd и т.д.). Для модуляции добротности резонатора используются затворы на основе электрооптических элементов из кристаллов DKDP, LiNbO, RTP, КТР или пассивные затворы на основе элементов из кристаллов АИГ:Cr, ГСГГ:Cr.
Однако лазеры с пассивными затворами в отличие от лазеров с электрооптическими затворами имеют в 2 раза более низкий КПД из-за неполного просветления пассивного затвора в процессе генерации моноимпульса (гигантского импульса) [1].
Наиболее близким к предполагаемому лазеру по технической сущности является импульсный лазер с резонатором, образованным частично прозрачным и глухим зеркалами, содержащим активный элемент, поляризатор и пассивный затвор [2] (прототип).
4+
В этом лазере пассивный затвор из кристалла АИГ:Cr устанавливается в оптимальном азимутальном положении относительно плоскости пропускания поляризатора, что приводит к увеличению КПД лазера всего лишь в 1,15 раза.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение КПД лазера до КПД лазера с электрооптическим затвором.
Поставленная задача решается за счет того, что в импульсном твердотельном лазере с резонатором, образованным частично прозрачным и глухим зеркалами, содержащим активный элемент, поляризатор и пассивный затвор, поляризатор установлен между частично прозрачным зеркалом и активным элементом, четвертьволновая пластина с ориентацией кристаллографических осей под углом 45 градусов к плоскости пропускания поляризатора установлена рядом с глухим зеркалом, пассивный затвор установлен между активным элементом и четвертьволновой пластиной, а по нормали к лучу, отраженному от поляризатора, установлена призма-крыша с ребром, проходящим через центр поперечного сечения луча параллельно или ортогонально плоскости пропускания поляризатора, активный элемент изготовлен из оптически изотропного кристалла.
Применение в предлагаемом лазере дополнительного резонатора между глухим зеркалом и концевым отражателем в форме призмы-крыши, который в сочетании с четвертьволновой пластиной обеспечивает четыре прохода активного элемента излучением при полном обходе резонатора вместо двух проходов в резонаторе лазера-прототипа, приводит к двухкратному снижению порога генерации. Двухкратное снижение порога генерации при наличии пассивного затвора в резонаторе приводит к двухкратному снижению энергии импульса накачки или двухкратному повышению КПД при сохранении выходной энергии моноимпульса излучения.
Энергия моноимпульсов излучения в предлагаемом лазере выше, чем в лазере с 2-х зеркальным резонатором за счет более полного съема инверсной населенности при четырехкратном проходе активного элемента за полный обход резонатора.
Выбор местоположения пассивного затвора рядом с четвертьволновой пластиной, где излучение также проходит четыре раза за полный обход резонатора, дает дополнительные преимущества. Во-первых, можно применить пассивный затвор с более низким начальным пропусканием, который лучше просветляется. Во-вторых, в указанном месте плотность энергии импульсов излучения в 2 раза выше, чем в месте рядом с концевым отражателем, что также обеспечивает более полное просветление затвора в процессе генерации моноимпульса излучения.
На чертеже представлена оптическая схема предлагаемого лазера.
Резонатор лазера образован частично прозрачным зеркалом 1 и глухим зеркалом 2. Между ними установлены поляризатор 3, активный элемент 4 из оптически изотропного кристалла, пассивный затвор 5 и четвертьволновая пластина 6. По нормали к лучу, отраженному от поляризатора 3, установлена призма-крыша 7, образующая с зеркалом 2 дополнительный резонатор. Пластина 6 ориентирована азимутально таким образом, что ее кристаллографические оси составляют 45° с плоскостью пропускания поляризатора, т.е. с плоскостью чертежа.
Призма-крыша 7 установлена таким образом, что ее ребро ориентировано параллельно или ортогонально к плоскости пропускания поляризатора и проходит через центр поперечного сечения луча, отраженного от поляризатора.
3+
Предлагаемый лазер работает следующим образом. В импульсно-периодическом режиме за время каждого импульса накачки при «закрытом» затворе происходит накопление инверсной населенности ионов Nd: в активном элементе 4. При достижении порогового значения инверсной населенности пассивный затвор просветляется и в резонаторе генерируется моноимульс излучения. Плоскость поляризации излучения, подходящего к частично прозрачному зеркалу и частично отражающегося от него, лежит в плоскости чертежа.
Рассмотрим полный обход излучением резонатора. Отраженное от зеркала 1 излучение проходит поляризатор 3 и первый раз усиливается в активном элементе 4, затем проходит «просветленный» пассивный затвор 5 и четвертьволновую пластину 6, которая формирует из линейной поляризации циркулярную поляризацию. После отражения от зеркала 2 излучение проходит пластину 6, становясь ортогонально поляризованным к плоскости чертежа. Второй раз, усилившись в активном элементе 4, излучение отражается от поляризатора 3 и падает на призму-крышу 7.
После отражения от призмы-крыши 7 пространственная структура излучения переворачивается в горизонтальной плоскости. Луч, отраженный от призмы-крыши 7, возвращается назад к зеркалу 1 по тому же направлению. Таким образом, призма-крыша 7 компенсирует появление термического клина в активном элементе и устраняет влияние неоднородного распределения инверсной населенности по сечению активного элемента на пространственную структуру излучения. Термический клин и неоднородное распределение инверсной населенности возникают при односторонней накачке активного элемента одной импульсной лампой или решетками лазерных диодов, расположенных вдоль длины активного элемента.
3+
Предложенная оптическая схема применена в импульсном твердотельном лазере на АИГ: Nd с односторонней накачкой активного элемента решетками лазерных диодов.
Данный лазер в режиме пассивной модуляции добротности имеет такой же КПД, как и лазер с двухзеркальным резонатором в режиме электрооптической модуляции добротности.
Источники информации:
1. Г.М. Зверев, Ю.Д. Голяев. Лазеры на кристаллах и их применение. М. «Радио и связь», «Рикел», 1994, с. 240.
4+
2. Н.Н. Ильичев, Э.С. Гулямова, П.П. Пашинин. Пассивная модуляция добротности неодимового лазера с помощью затвора на основе кристалла YAG:. Квантовая электроника, 24, №1, 1997 - прототип.