Моноимпульсный твердотельный лазер с параметрическим генератором света

3+
н
н
c
Полезная модель относится к лазерной технике, в частности к дискретно перестраиваемым по длине волны излучения твердотельным моноимпульсным лазерам с параметрическими генераторами света (ПГС). Моноимпульсные лазеры на кристаллических средах с ионами Nd широко применяются в различных областях науки и техники благодаря способностям генерировать мощные импульсы излучения (моноимпульсы) в наносекундном диапазоне длительности в ИК спектральном диапазоне. С появлением нелинейных элементов из кристалла КТР, обладающих высокой лучевой прочностью, стало возможным создание эффективных моноимпульсных лазеров с ПГС на промышленном уровне. Часто применяется схема с внутрирезонаторной параметрической генерацией, в которой резонатор ПГС установлен внутри резонатора твердотельного лазера (лазера накачки ПГС) с зеркалами полностью отражающими излучение на длине волны накачки λ [1]. Однако в этой схеме эффекты наведенного двулучепреломления в активном элементе излучением лампы накачки и в электрооптическом элементе из кристалла DKDP лазерным излучением с λ, приводят к появления отраженных от пластины-поляризатора пучков излучения и, как следствие, к падению энергии импульсов излучения ПГС и ухудшению однородности пространственной структуры излучения ПГС на сигнальной длине волны λ.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является моноимпульсный твердотельный лазер с параметрическим генераторов света с резонатором, содержащим зеркало, полностью отражающие излучение накачки и частично пропускающее излучение на сигнальной длине волны, нелинейный элемент параметрического генератора света, зеркало, полностью пропускающее излучение накачки и полностью отражающее излучение на сигнальной длине волны, пластину-поляризатор, оптически изотропный активный элемент, электрооптический элемент с отклонением оси z от оси резонатора на малые углы в пределах первого кольца коноскопической картины [2].
c
Лазер-прототип позволяет увеличить энергию моноимпульсов излучения на сигнальной длине волны излучения ПГС λ за счет частичной взаимной компенсации эффектов наведенного двулучепреломления в активном и электрооптическом элементах.
Однако эффективность лазера-прототипа невысока из-за низкой эффективности квантрона, в котором применяется ламповая накачка активного элемента. Переход от ламповой накачки активного элемента к накачке линейками лазерных диодов или решетками лазерных диодов существенно увеличивает эффективность квантрона.
К другой причине невысокой эффективности лазера - прототипа следует отнести недостаточно высокую плотность энергии моноимпульсов излучения лазера накачки, что сопровождается высоким порогом генерации ПГС и низкой энергией моноимпульсов излучения ПГС.
Задачей настоящей полезной модели является повышение эффективности моноимпульсного твердотельного лазера с параметрическим генератором света и увеличение энергии моноимпульсов излучения ПГС на сигнальной длине волны.
Для решения поставленной задачи в моноимпульсном твердотельном лазере с параметрическим генераторов света с резонатором, содержащим зеркало, полностью отражающее излучение накачки и частично пропускающее излучение на сигнальной длине волны, нелинейный элемент, зеркало, полностью пропускающее излучение накачки и полностью отражающее излучение на сигнальной длине волны, пластину-поляризатор, оптически изотропный активный элемент, электрооптический элемент с отклонением оси z от оси резонатора на углы в пределах первого кольца коноскопической картины, глухое зеркало, электрооптический элемент установлен рядом с пластиной-поляризатором, на оси резонатора по ходу от него дополнительно установлена четвертьволновая пластина с кристаллографическими осями, параллельными и ортогональными плоскости пропускания пластины-поляризатора, активный элемент смещен перпендикулярно оси резонатора на четвертую часть своего поперечного сечения в плоскости пропускания пластины-поляризатора, дополнительно установлена призма-крыша с ребром при вершине, перпендикулярным плоскости пропускания пластины-поляризатора и смещенным перпендикулярно оси резонатора на четвертую часть поперечного сечения активного элемента в той же плоскости, глухое зеркало установлено между активным элементом и четвертьволновой пластиной и имеет прямоугольный край, параллельный ребру призмы-крыши и смещенный от оси резонатора на четвертую часть поперечного сечения активного элемента в плоскости пропускания пластины-поляризатора.
Существенными отличиями полезной модели от лазера-прототипа являются: дополнительно установленные четвертьволновая пластина и призма-крыша вместе с глухим зеркалом с прямоугольным краем, которые сохраняют состояние поляризации излучения после двойного прохода через них, и изменение положения электрооптического элемента в резонаторе, что обеспечивает возможность модуляции добротности зеркально-призменного резонатора в широком динамическом диапазоне.
Кроме того, призма-крыша устраняет негативное влияние термического клина и неравномерного распределения инверсной населенности в поперечном сечении активного элемента на выходные параметры лазера при использовании в лазере эффективного квантрона с односторонней боковой накачкой активного элемента решетками лазерных диодов. С установкой призмы-крыши в резонаторе осуществляется «разделение» поперечного сечения активного элемента на две равные части и двукратное «увеличение» длины активного элемента, что в 2 раза понижает порог генерации лазера и более чем в 2 раза порог генерации ПГС.
Оптическая схема предлагаемой полезной модели моноимпульсного лазера с параметрическим генератором света представлена на Фиг. 1.
н
c
н
c
3+
3+
3+
Резонатор лазера образован зеркалом 1, полностью отражающим излучение накачки λ и частично прозрачным для излучения на сигнальной длине волны λ, и глухим зеркалом с прямоугольным краем 2. На оптической оси резонатора по ходу от зеркала 1 расположены нелинейный элемент параметрического генератора света 3, зеркало 4, полностью пропускающее излучение накачки λ и полностью отражающее излучение на сигнальной длине волны λ, пластина-поляризатор 5, электрооптический элемент 6, четвертьволновая пластина 7 с кристаллографическими осями, параллельными и ортогональными плоскости пропускания пластины-поляризатора (в плоскости чертежа), активный элемент 8 из оптически изотропного кристалла (АИГ:Nd, GSGS:Nd, Cr т.д.) в квантроне с двумя решетками лазерных диодов и сегментом посеребренного отражателя, призма-крыша 9.
Сохранение состояния поляризации излучения после двойного прохода через четвертьволновую пластину 7, призму-крышу 9 и глухое зеркало 2 происходит благодаря эффекту взаимной компенсации сдвига фаз между ортогональными поляризациями в четвертьволновой пластине и призме-крыше.
Деполяризация излучения в призме-крыше происходит из-за разности в скачках фаз δ для волн с ортогональными поляризациями при полном внутреннем отражении от граней призмы-крыши [3]:
где n - показатель преломления материала призмы-крыши, θ - угол падения излучения на отражающие грани призмы-крыши.
Так, для стекла с n=1,55 при θ=45° сдвиг фаз δ=90°, а после двойного прохода сдвиг фаз составляет 180°. Четвертьволновая пластина добавляет сдвиг фаз при двойном проходе тоже в 180°. Таким образом, суммарный сдвиг фаз при двойном проходе четвертьволновой пластины, призмы-крыши и глухого зеркала составляет 0° или 360° и поэтому не влияет на состояние поляризации излучения после двойного прохода.
Лазер работает следующим образом.
В момент времени, в который под воздействием импульса накачки активного элемента 8 решетками лазерных диодов инверсная населенность (коэффициент усиления) в активном элементе достигает своего максимального значения, на электроды электрооптического элемента 6 подается импульс высоковольтного напряжения, «открывающий» электрооптический затвор, образованный электрооптическим элементом 6, пластиной-поляризатором 5 и зеркало 2.
н
c
Дополнительный сдвиг фаз в четвертьволновой пластине и призме-крыше равен 0° или 360° и поэтому не влияет на работу затвора. После «открытия» электрооптического затвора в резонаторе генерируется мощный импульс излучения с λ, которое без потерь проходит пластину-поляризатор 5 и частично преобразуется в излучение параметрической генерации на длине волны λ, которое выходит из резонатора через зеркало 1.
н
c
Пороги генерации моноимпульсов излучения накачки с λ и параметрической генерации излучения на сигнальной длине волны λ в предлагаемой полезной модели лазера существенно снижены (в 5…10 раз) как за счет применения эффективного квантрона с диодной накачкой, так и за счет зеркально-призменного резонатора с двукратным «увеличением» длины активного элемента и с уменьшением площади поперечного сечения пучка излучения, что привело к повышению эффективности моноимпульсного лазера с ПГС и увеличению энергии моноимпульсов излучения ПГС на сигнальной длине волны.
Таким образом, поставленную перед полезной моделью задачу по повышению эффективности моноимпульсного твердотельного лазера с параметрическим генератором света и увеличению энергии моноимпульсов излучения ПГС на сигнальной длине волны, можно считать решенной.
Источник информации:
1. Geng Y., Tan X., Li Χ., Yao J. Compact and widely tunable terahertz source based on a dual-wavelength intracavity optical parametric oscillation. // Applied Physics B, April 2010, vol. 99, issue 1-2, pp. 181-185.
3+
2. Алампиев M.B., Ляшенко А.И. Импульсные лазера на АИГ:Nd с параметрическими генераторами света. Труды Российского научно-технологического общества радиотехники, электроники и связи имени А.С. Попова. Серия: Акустооптических и радиолокационных методов измерений и обработки информации. Выпуск 10 Москва, 2017, с. 184-186.
3. Г.С. Ландсберг. Оптика, «Наука», М., 1976, с. 485.