ИМПУЛЬСНЫЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР
PULSED SOLID-STATE LASER

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к импульсным твердотельным лазерам.
3+
Ряд современных импульсных твердотельных лазеров [1], [2] на основе кристалла АИГ:Nd, решающих различные задачи из областей нелинейной оптики, микрохирургии, оптической локации, обработки материалов и т.д., используют пассивную модуляцию добротности резонатора фототропным затвором одновременно с внутрирезонаторным нелинейным преобразованием длины волны излучения, что позволяет получать лазерные импульсы с требуемой длиной волны и длительностью несколько наносекунд за счет малой длины резонатора. Но в связи с постоянным ростом требований к точности и импульсной мощности лазерных систем, необходима длительность импульса менее 1 нс. Однако в лазерах с внутрирезонаторным преобразованием длины волны внутри резонатора кроме активной среды и фототропного затвора должен также располагаться нелинейный элемент, из-за чего минимально возможная длина резонатора равна нескольким сантиметрам, а это определяет предельно малую длительность импульса более 1 нс.
3+
4+
4+
3+
4+
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является импульсный твердотельный лазер [3] с длиной волны генерации 1064 нм, включающий активную среду из кристалла АИГ:Nd, соединенного с пассивным затвором из кристалла АИГ:Cr высокотемпературной диффузионной сваркой в монолитный микрочип-элемент. Ориентация пассивного затвора такова, что направление кристаллографической оси [100] кристалла АИГ:Cr совпадает с направлением распространения излучения. Резонатор образован диэлектрическими отражающими покрытиями, нанесенными на торцы микрочип-элемента АИГ:Nd/АИГ:Cr. Плотная упаковка активной среды, пассивного затвора и зеркал резонатора позволяет уменьшить длину резонатора до нескольких миллиметров и получить длительность лазерного импульса от ста до тысячи пикосекунд, что при энергии импульса порядка 1 мДж соответствует импульсной мощности от одного до десяти мегаватт. При такой длительности и пиковой мощности лазерного излучения возможен, в частности, отказ от внутрирезонаторного преобразования длины волны в пользу высокоэффективного внерезонаторного преобразования. Полученные таким образом энергия и длительность лазерного импульса, кроме прочих возможных применений, оптимальны для создания оптического локатора дальнего действия с разрешающей способностью порядка 10 см.
4+
4+
4+
Но из-за отсутствия у такого лазера в резонаторе каких-либо анизотропных элементов кроме кристалла АИГ:Cr поляризация выходного излучения определяется внутренней структурой этого кристалла и может иметь одно из двух различных направлений, совпадающих с кристаллографическими осями [010] и [001] АИГ:Cr. В силу специфики расположения ионов Cr в кристаллической решетке АИГ, вероятность генерации излучения, поляризованного по направлению любой из этих осей, одинакова и равна, соответственно, 50% [4]. Следовательно, выходная поляризация данного лазера может неконтролируемым образом скачкообразно изменяться от импульса к импульсу между этими двумя ортогональными направлениями. Для большинства практических применений, требующих строго определенной линейной поляризации лазерного излучения, это недопустимо.
3+
4+
Задачей настоящего изобретения является создание импульсного твердотельного лазера на основе микрочип-элемента АИГ:Nd/АИГ:Cr, генерирующего линейно поляризованное излучение с субнаносекундной длительностью импульса и неизменной плоскостью поляризации.
3+
4+
Поставленная задача решается за счет того, что в импульсном твердотельном лазере, включающем источник накачки и расположенный внутри резонатора микрочип-элемент, состоящий из соединенных диффузионной сваркой кристаллов АИГ:Nd и АИГ:Cr, выходное зеркало резонатора образовано диэлектрическим покрытием, нанесенным на подложку из двулучепреломляющего кристалла, главная кристаллографическая ось которого лежит в плоскости отражающей поверхности выходного зеркала.
На чертеже представлена принципиальная схема предлагаемого устройства.
Источник накачки 1 осуществляет торцевую накачку лазера сквозь глухое зеркало 2, представляющее собой диэлектрическое покрытие, отражающее излучение лазерной генерации и пропускающее излучение накачки, нанесенное на торец активного кристалла 3, соединенного диффузионной сваркой с пассивным затвором 4. Выходное зеркало 5 образовано диэлектрическим покрытием, нанесенным на двулучепреломляющую подложку 6, главная кристаллографическая ось которой лежит в плоскости отражающей поверхности выходного зеркала.
Предлагаемый лазер работает следующим образом:
Источник накачки 1 создает инверсную населенность в активном кристалле 3. Когда из-за спонтанного излучения в инверсно населенной активной среде просветляется пассивный затвор 4, между зеркалами 2 и 5 резонатора начинается развитие лазерного импульса. Коэффициент отражения диэлектрического выходного зеркала 5 на двулучепреломляющей подложке 6 зависит от угла между плоскостью поляризации излучения и главной кристаллографической осью кристалла, из которого сделана подложка. А именно, он минимален (максимален, в зависимости от толщины и величин показателей преломления слоев диэлектрического покрытия) для излучения, вектор напряженности электрического поля которого параллелен главной кристаллографической оси, и максимален (минимален) для ортогонального вектора напряженности. Максимально отражаемые поперечные моды резонатора имеют минимальный порог генерации и начинают раньше развиваться в активной среде, а все прочие моды оказываются подавленными. Таким образом происходит селекция поперечных мод по направлению плоскости поляризации, то есть лазер генерирует импульсы выходного излучения с одинаковым направлением вектора напряженности электрического поля. Субнаносекундная длительность лазерного импульса при этом сохраняется, поскольку двулучепреломляющая подложка 6 располагается за пределами резонатора 2, 5 и не увеличивает его длину.
o
e
o
e
e
o
2
3
2
3
o
e
e
o
При изготовлении макетного образца были проведены расчеты, которые показывают, что для получения наибольшей возможной разницы (3-4%) между коэффициентами отражения для обыкновенной и необыкновенной поляризации излучения на длине волны 1064 нм необходимо использовать двулучепреломляющий материал подложки со значениями показателей преломления n и n в диапазоне 1.4…1.7. В таблице приведены коэффициенты отражения обыкновенной R и необыкновенной R волн и их разница R - R для зеркал, образованных покрытием из различного числа чередующихся четвертьволновых слоев из AlO (n=1.63) и SiO (n=1.45), нанесенных на подложку из СаСО (n=1.64, n=1.48). Из таблицы видно, что для данных материалов оптимальное число слоев, соответствующее максимальной разнице R-R, равно 7.
Число слоев
5
7
9
11
13
R<sub>e</sub>, %
23.3
32.2
41.1
49.7
57.7
R<sub>o</sub>, %
19.6
28.3
37.2
46.0
54.3
R<sub>e</sub>-R<sub>o</sub>, %
3.7
3.9
3.9
3.7
3.4
3+
4+
Предлагаемый лазер может применяться в лазерных системах промышленного, медицинского, технического и научного назначения, требующих длительности лазерного импульса менее 1 нс с неизменной плоскостью линейной поляризации для управления излучением или для его технологического применения. Кроме того, энергия импульса субнаносекундного лазера с неизменной плоскостью поляризации на основе диффузионно сваренного АИГ:Nd/АИГ:Cr элемента может быть многократно увеличена в системе поляризационно развязанных усилительных каскадов, что позволяет наиболее простым способом из известных получать импульсы с пиковой мощностью порядка гигаватта и осуществлять внерезонаторное нелинейное преобразование длины волны с эффективностью до 70%.
Источники информации
1. Bradley W. Schilling, Stephen R. Chinn, A.D. Hays, Lew Goldberg and Ward Trussell, "End-pumped 1.5 µm monoblock laser for broad temperature operation", Applied Optics, Vol. 45, No. 25, 6607-6615 (2006).
2. Yuri Yashkir and Henry M. van Driel, "Passively Q-switched 1.57-µm intracavity optical parametric oscillator", Applied Optics, Vol. 38, No. 12, 6607-6615 (1999).
3. Патент США №5394413 - прототип.
+4
4. A.G.Okhrimchuk, A.V.Shestakov, "Absorption saturation mechanism for YAG:Cr crystals", Physical Reviews B, Vol. 61, No. 2, 988-995 (2000).