ИМПУЛЬСНЫЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР

Полезная модель относится к лазерной технике, в частности к твердотельным импульсным лазерам, работающим в режиме модуляции добротности резонатора.
Импульсные твердотельные лазеры с модуляцией добротности резонатора, как генераторы мощных импульсов узконаправленного излучения в наносекундном диапазоне длительностей импульсов в ИК спектральном диапазоне, широко применяются в научно-прикладных исследованиях, в медицине, в системах экологического мониторинга окружающей среды, в технологических установках и т.д.
В настоящее время в качестве лазеров ИК диапазона часто используются лазеры на оптически изотропных кристаллах, содержащих ионы неодима (АИГ:Nd, ГСГГ:Cr, Nd, ИСГГ:Cr, Nd и т.д.).
3
Для модуляции добротности резонатора используются затворы на основе электрооптических элементов из кристаллов DKDP, LiNbO, RTP, КТР или пассивные затворы из кристаллов АИГ:Cr, ГСГГ:Cr.
Известен импульсный твердотельный лазер, содержащий резонатор, образованный частично отражающим и глухим зеркалами, внутри которого установлены активный элемент из АИГ:Nd, поляризатор и электрооптический элемент [1].
Предельная выходная энергия импульсного излучения данного лазера зависит как от площади поперечного сечения активного элемента, так и от предельной плотности энергии в поперечном сечении пучка излучения, которая ограничивается величиной лучевой прочности самого нестойкого к излучению компонента оптической схемы резонатора лазера. Наиболее подверженным оптическому пробою лазерным излучением в резонаторе является электрооптический элемент в форме прямоугольного параллелепипеда. Для уменьшения лучевой нагрузки на электрооптический элемент ниже порога его разрушения в качестве выходного зеркала применяют более прозрачное (по сравнению с оптимальным) зеркало, что снижает предельную выходную энергию импульса лазерного излучения.
Эффективным способом уменьшения лучевой нагрузки является применение электрооптического элемента из более стойкого к излучению нелинейного кристалла или элемента со скошенными под углом Брюстера рабочими гранями.
Наиболее близкими к предлагаемому лазеру является импульсный твердотельный лазер, содержащий резонатор, образованный глухим и частично отражающим зеркалами, между которыми в направлении оптической оси резонатора от глухого зеркала к частично отражающему последовательно установлены электрооптический элемент с рабочими гранями под углом Брюстера, пластина-поляризатор, задающая линейную поляризацию в горизонтальной плоскости, активный элемент из оптически изотропного лазерного кристалла [2].
В этом лазере размер поперечного сечения пучка излучения в плоскости падения на рабочую грань электрооптического элемента увеличивается в n раз, где n - показатель преломления кристалла, из которого изготовлен элемент. Во столько же раз может быть увеличена предельная энергия импульсов излучения лазера, что практически исчерпывает возможности данной оптической схемы лазера.
Задачей настоящей полезной модели лазера является увеличение предельной выходной энергии импульса излучения лазера с выбранной элементной базой компонентов резонатора за счет новой оптической схемы лазера.
Поставленная задача решается за счет того, что в импульсном твердотельном лазере, содержащем резонатор, образованный глухим и частично отражающим зеркалом, между которыми в направлении оптической оси резонатора от глухого зеркала к частично отражающему последовательно установлены электрооптический элемент с рабочими гранями под углом Брюстера, пластина-поляризатор, задающая линейную поляризацию излучения в резонаторе в горизонтальной плоскости, активный элемент из оптически изотропного лазерного кристалла, в резонатор между активным элементом и частично отражающим зеркалом дополнительно последовательно установлены вращатель плоскости поляризации на 90 градусов, вторая пластина-поляризатор, поворотное зеркало, разворачивающее оптическую ось резонатора в обратном направлении по нормали к частично отражающему зеркалу, за которым установлено второе поворотное зеркало, направляющее излучение на первую пластину-поляризатор, отражающую излучение в активный элемент.
Как следует из энергетического расчета предлагаемой модели лазера на основе балансных уравнений, использование дополнительных элементов: 90-градусного вращателя плоскости поляризации, второй пластины-поляризатора, двух поворотных зеркал, обеспечивающих дополнительный проход излучением активного элемента, минуя электрооптический элемент, позволяет в  раз снизить лучевую нагрузку на электрооптический элемент. При коэффициенте отражения частично отражающего зеркала R=0.25, который для мощных лазеров на АИГ:Nd близок оптимальному, снижение нагрузи на электрооптический элемент происходит в 2 раза, что позволит в 2 раза увеличить предельную выходную энергию импульса излучения предлагаемого лазера в сравнении с лазером-прототипом [2] без разрушения (оптического пробоя) электрооптического элемента.
Оптическая схема резонатора предлагаемого лазера представлена на чертеже.
Резонатор образован глухим зеркалом 1 и частично отражающим 2, содержит электрооптический элемент с рабочими гранями под углом Брюстера 3, пластину-поляризатор 4, активный элемент 5 из оптически изотропного кристалла, вращатель плоскости поляризации на 90 градусов 6, вторую пластину-поляризатор 7, поворотное зеркало 8 и второе поворотное зеркало 9.
3
В качестве электрооптического элемента могут быть использованы элементы с рабочими гранями под улом Брюстера из кристаллов DKDP или LiNbO.
В качестве пластин-поляризаторов 4, 7 могут использоваться стеклянные пластины с многослойными диэлектрическими покрытиями на одной стороне при углах падения излучения 56…59 градусов.
В качестве активного элемента могут быть использованы элементы из оптически изотропных кристаллов АИГ:Nd, ГСГГ:Cr, Nd, ИСГГ:Cr, Nd и другие.
В качестве 90-градусного вращателя может использоваться элемент из оптически активного кристаллического кварца.
Предлагаемый лазер работает следующим образом. В импульсно-периодическом режиме за время каждого импульса накачки при «закрытом» электрооптическом затворе, образованным электрооптическим элементом 3, пластиной-поляризатором 4 и глухим зеркалом 1, происходит накопление инверсной населенности ионов Nd в активном элементе 5. При подаче импульса высокого напряжения на электроды электрооптического элемента в момент времени, соответствующий максимуму накопленной инверсной населенности, затвор «открывается» и в резонаторе лазера генерируется короткий (~10 нс) и мощный импульс излучения.
Плоскость поляризации излучения, проходящего по нормали к частично отражающему зеркалу 2, ортогональна к плоскости чертежа после поворота на 90 градусов во вращателе 6 и поворота зеркалом 8.
Вышедшее из зеркала 2 излучение направляется поворотным зеркалом 9 и пластиной-поляризатором 4 в активный элемент 5 для дополнительного усиления и поворота вертикальной поляризации на горизонтальную во вращателе 6.
В результате поляризованное в горизонтальной плоскости излучение без отражения проходит пластину-поляризатор 7 и выходит из лазера.
3+
3
Результаты испытаний макета лазера с активным элементом из АИГ:Nd размером ⌀5·100 мм в импульсно-периодическом режиме с частотой повторения 10 Гц с электрооптической модуляцией добротности резонатора затвором на основе элемента из LiNbO с рабочими гранями под углом Брюстера подтверждают эффективность предложенного устройства лазера.
В сравнении с прототипом предлагаемый лазер генерирует импульсы излучения с энергией до 180 мДж, что в 2 раза превышает по энергии предельные параметры прототипа.
Источники информации
1. Г.М. Зверев, Ю.Д. Голяев. Лазеры на кристаллах и их применение. М. «Радио и связь», «Рикел», 1994, с. 237.
2. Д.Г. Калинин, В.Л. Наумов, В.А. Пашков, А.М. Онищенко. Электрооптические затворы из ниобата лития для лазеров на алюмоиттриевом гранате с неодимом. Электронная техника. Серия II. Лазерная техника и оптоэлектроника, 1979, №2 (8), с. 49. - прототип.