ИМПУЛЬСНЫЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР

Полезная модель относится к лазерной технике, в частности к твердотельным импульсным лазерам.
Импульсные твердотельные лазеры с электрооптической модуляцией добротности резонатора, как генераторы мощных импульсов (моноимпульсов) электромагнитного излучения в наносекундном диапазоне длительности импульсов, широко применяются в научно-прикладных исследованиях, в медицинской технике, в системах экологического мониторинга окружающей среды, в технологических установках.
3+
В качестве лазеров ИК спектрального диапазона часто используются лазеры на кристаллах, содержащих ионы Nd (АИГ:Nd, АИ: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, KTP.
Известен импульсный твердотельный лазер с резонатором, образованным частично прозрачным и глухим зеркалами и содержащим активный элемент из АИГ:Nd, поляризатор и электрооптический элемент [1]
Пространственная структура многомодового моноимпульсного излучения данного лазера в режиме модуляции добротности резонатора является неоднородной, что снижает КПД лазера и эффективность процессов преобразования частоты излучения методами нелинейной оптики.
Известен также импульсный твердотельный лазер с резонатором на основе оптической схемы двухпроходного усилителя кольцевого типа, который обладает более низким порогом генерации (до 2-х раз) и более высоким КПД [2]
Пространственная структура многомодового моноимпульсного излучения такого лазера отличается более высокой степенью равномерности. Однако, так как излучение лазера занимает всю площадь поперечного сечения активного элемента, плотность энергии моноимпульсов излучения оказывается недостаточно высокой, чтобы обеспечить высокую эффективность процессов преобразования частоты излучения в другие спектральные диапазоны.
Особенно сильно это обстоятельство проявляется в режиме работы лазера с большой частотой повторения импульсов вследствие необходимости снижения энергии импульсов накачки из-за ограничения по средней мощности накачки.
Для повышения плотности энергии моноимпульсов излучения и снижения порога генерации применяются многопроходовые оптические схемы резонаторов, в которых поперечное сечение пучка излучения меньше площади поперечного сечения активного элемента.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является импульсный твердотельный лазер [3], содержащий в резонаторе частично прозрачное зеркало, электрооптический элемент, поляризатор, активный элемент, две 90-градусные призмы-крыши, при этом первая призма-крыша расположена по одну сторону от активного элемента таким образом, что ее ребро при вершине перпендикулярно геометрической оси активного элемента и лежит в вертикальной плоскости, проходящей через эту ось, вторая призма-крыша расположена по другую сторону от активного элемента, таким образом, что ее ребро при вершине перпендикулярно геометрической оси активного элемента и лежит в горизонтальной плоскости, проходящей через эту ось, нерабочая торцевая поверхность второй призмы-крыши лежит в вертикальной плоскости, проходящей через геометрическую ось активного элемента.
В лазере-прототипе [3] излучение при полном обходе резонатора проходит активный элемент 4 раза, а не 2 раза, как в лазере-аналоге [1], что позволяет снизить порог генерации и повысить частоту повторения моноимпульсов излучения до 2-х раз. Уменьшение площади поперечного сечения лазерного пучка в 2 раза позволяет также увеличить плотность энергии моноимпульсов излучения. Однако при необходимости дальнейшего увеличения частоты повторения моноимпульсов излучения требуется дальнейшее повышение эффективности лазера за счет снижения порога генерации и повышение плотности энергии моноимпульсов излучения за счет уменьшения площади поперечного сечения пучка излучения.
Задачей полезной модели является повышение эффективности импульсного твердотельного лазера с модуляцией добротности резонатора, плотности энергии моноимпульсов излучения и частоты повторения моноимпульсов.
Поставленная задача решается за счет того, что в импульсном твердотельном лазере, содержащем в резонаторе частично прозрачное зеркало, электрооптический элемент, поляризатор, активный элемент, две 90-градусные призмы-крыши, при этом первая призма-крыша расположена по одну сторону от активного элемента таким образом, что ее ребро при вершине перпендикулярно геометрической оси активного элемента и лежит в вертикальной плоскости, проходящей через эту ось, вторая призма-крыша расположена по другую сторону от активного элемента таким образом, что ее ребро при вершине перпендикулярно геометрической оси активного элемента и лежит в горизонтальной плоскости, проходящей через эту ось, нерабочая торцевая грань второй призмы-крыши лежит в вертикальной плоскости, проходящей через геометрическую ось активного элемента, между активным элементом и поляризатором дополнительно установлено плоское глухое зеркало с прямолинейным краем, лежащем в горизонтальной плоскости, проходящей через геометрическую ось активного элемента, причем рабочая грань плоского глухого зеркала перпендикулярна геометрической оси активного элемента.
Установка в резонаторе дополнительного глухого зеркала с прямолинейным краем в качестве концевого отражателя позволила увеличить количество проходов излучения через активный элемент в 2 раза (по сравнению с прототипом) при полном обходе излучения резонатора.
При этом порог генерации снизился в 2 раза, а площадь поперечного сечения пучка излучения лазера уменьшилась также в 2 раза, что привело к соответствующему росту плотности энергии моноимпульсов излучения.
На Фиг. 1 представлена оптическая схема предлагаемой полезной модели в горизонтальной плоскости. На Фиг. 2 представлена оптическая схема устройства в вертикальной плоскости.
Резонатор лазера образован частично прозрачным зеркалом 1 и глухим зеркалом 2, между которыми расположены последовательно по ходу отраженного от зеркала 1 излучения электрооптический элемент 3, поляризатор 4, активный элемент 5 (первой четвертью своего поперечного сечения), первая призма-крыша 6, активный элемент 5 (второй четвертью своего поперечного сечения), вторая призма-крыша 7, активный элемент 5 (третьей четвертью своего поперечного сечения), первая призма-крыша 6, активный элемент 5 (четвертой четвертью своего поперечного сечения).
В качестве активного элемента 5 могут быть использованы элементы из кристаллов АИГ:Nd, АИ:Nd, ГСГГ:Cr, Nd, ИСГГ:Cr, Nd и др.
Предлагаемый лазер работает следующим образом. В импульсно-периодическом режиме за время каждого импульса накачки при "закрытом" электрооптическом затворе, который сформирован частично прозрачным зеркалом 1, электрооптическим элементом 3 и поляризатором 4, происходит накопление инверсной населенности или рост коэффициента усиления в активном элементе 5.
Когда коэффициент усиления достигает максимального значения, на электроды электрооптического элемента 3 подается импульс высоковольтного "отпирающего" напряжения. При этом электрооптический затвор открывается и в резонаторе генерируется мощный моноимпульс лазерного излучения.
Так как при полном обходе излучением резонатора активный элемент 5 проходится излучением 8 раз (а не 4 раза, как в прототипе), порог генерации предлагаемого лазера снижается по сравнению с лазером-прототипом в 2 раза.
За счет взаимного расположения глухого зеркала и призм-крыш площадь поперечного сечения пучка излучения составляет только четвертую часть поперечного сечения активного элемента, что приводит к повышению плотности энергии моноимпульсов излучения в 2 раза при одной и той же выходной энергии в сравнении с лазером-прототипом.
Предлагаемый импульсный лазер превосходит лазер-прототип по эффективности в 2 раза, что позволяет увеличить предельную частоту повторения импульсов также до 2 раз, и превосходит прототип по плотности энергии моноимпульсов излучения в 2 раза, что позволяет существенно увеличить эффективность процессов преобразования частоты изучения лазера в другие спектральные диапазоны методами нелинейной оптики.
Таким образом, задача предлагаемой полезной модели по повышению эффективности импульсного твердотельного лазера с модуляцией добротности резонатора, плотности энергии моноимпульсов излучения и частоты повторения моноимпульсов выполнена.
Источник информации:
1. Г.М. Зверев, Ю.Д. Голяев. Лазеры на кристаллах и их применение. М. «Радио и связь», «Рикел», 1994, с. 227.
3+
2. В.М. Гармаш, Е.А. Исаева, А.И. Ляшенко. Эффективные моноимпульсные лазеры на АИГ:Nd с резонаторами на основе оптических схем двухпроходных усилителей. Физические основы приборостроения, 2016, т. 5, №3(20), С. 48-55
3. А.А. Казаков, А.И. Ляшенко, В.В. Струкова. Импульсный твердотельный лазер с генерацией высших гармоник излучения Патент РФ №232502 от 06.09.2006 г. (прототип).