Лазер с модуляцией добротности резонатора и синхронизацией мод
LASER WITH RESONATOR Q-FACTOR MODULATION AND MODE SYNCHRONIZATION

Изобретение относится к области оптических квантовых генераторов (лазеров), использующих акустооптическую модуляцию добротности резонатора и одновременно синхронизацию мод для получения высокой пиковой мощности излучения.
1
1
В этой области известно техническое решение в соответствии с патентом РФ №2478242, авторы которого также входят в состав авторов предлагаемого изобретения. Известное решение содержит лазерный резонатор, состоящий из четырех зеркал, из которых два концевых и два вспомогательных, между первым концевым зеркалом резонатора и активным элементом размещается акустооптический модулятор бегущей волны, а перед вторым концевым зеркалом последовательно нелинейный кристалл и диафрагма, при этом первое концевое зеркало выполнено в виде вогнутой сферы радиуса R, центр модулятора отстоит от отражающей поверхности первого концевого зеркала на расстоянии, равном радиусу R, рабочая частота f модулятора задается равной (или кратной) половине межмодового интервала 2f лазера (2f=c/2L, где c - скорость света, L - длина резонатора), а частота переключения модулятора определяет частоту следования импульсов.
При проведении экспериментов с использованием лазера по патенту №2478242 выяснились некоторые недостатки в его работе.
Первый из них обусловлен малым (не превышающим 50%) уровнем модуляции потерь в резонаторе за двойной проход, который приводит к снижению общей энергии и мощности лазерного импульса в случае повышенного коэффициента усиления активной среды. Причиной малой модуляции потерь в резонаторе является обратный возврат в активную среду световых пучков, отраженных от первого концевого зеркала и претерпевших повторную дифракцию на бегущей акустической волне в модуляторе. В результате этого в лазере перед основными импульсами (Q-switch импульсами) наблюдаются так называемые предвестники импульса (структурированное во времени шумовое излучение). Результаты эксперимента показаны на фиг. 1, где приведена осциллограмма трех Q-switch импульсов лазера с активной средой Nd: YAG. Крайние справа импульсы на фиг. 1 являются основными Q-switch импульсами с длительностью по полувысоте 120 нс. Их период повторения 1 мс. Слева от основных Q-switch импульсов наблюдается излучение предвестников импульса с общей длительностью около 400 мкс. Появление предвестников связано с тем, что при непрерывной во времени накачке активной среды инверсия населенностей в активной среде и, соответственно, коэффициент усиления нарастают со временем по мере приближения к моменту генерации Q-switch импульса. В некоторый момент времени усиление излучения в активной среде начинает превосходить потери, что проявляется в генерации предвестников импульса. В лазере с повышенным коэффициентом усиления общая энергия предвестников импульса может быть сопоставима с энергией основного импульса, поэтому наличие предвестников примерно вдвое снижает общую энергию и мощность излучения в основном Q-switch импульсе.
Второй недостаток известного решения вызван невозможностью независимого управления режимом модуляции добротности и режимом синхронизации мод, что ограничивает функциональные возможности лазера. В частности, в известном решении отсутствует возможность оперативного (без перестройки резонатора) переключения лазера из режима работы с модуляцией добротности и синхронизацией мод в режим с модуляцией добротности без синхронизации мод и обратно. В то же время такое переключение режимов работы часто необходимо при применении лазера для научных исследований, например при изучении особенностей процессов лазерной сварки и резки различных материалов.
Целью данного изобретения является повышение уровня модуляции потерь резонатора и увеличение в два (и более) раза энергии и мощности Q-switch импульса с синхронизацией мод в лазерах с повышенным коэффициентом усиления активной среды, а также расширение функциональных возможностей лазера.
Поставленная цель достигается тем, что в лазере с модуляцией добротности резонатора и синхронизацией мод по патенту РФ №2478242 используемый в нем акустооптический модулятор в разные моменты времени работает на двух звуковых частотах, подаваемых через дополнительно введенный сумматор электрических сигналов, от двух дополнительно введенных генераторов модулированных колебаний, синхронизируемых третьим генератором, задающим частоту следования импульсов лазера, выбираемую в диапазоне (0,1-100) кГц, причем величина первой звуковой частоты определяется параметрами оптического резонатора для выполнения условия синхронизации мод лазера, а вторая звуковая частота, обеспечивающая модуляцию добротности резонатора, выбирается в полтора раза выше первой, причем выходящий из модулятора световой пучок после дифракции на этой частоте перекрывается дополнительно введенной диафрагмой.
Предложенный в заявляемом решении режим работы акустооптического модулятора, когда лазерный луч в разное время испытывает дифракцию на двух различных звуковых частотах, является новым. Заявляемое в качестве изобретения решение является зависимым, поскольку в нем используются все существенные признаки изобретения по патенту №2478242.
Описание предлагаемого технического решения поясняется чертежами.
Фиг. 1 Осциллограмма трех Q-switch импульсов с предвестниками импульсов (получена в эксперименте с лазером по пат. РФ №4278242). Цена деления по оси абсцисс 200 мкс. Частота повторения импульсов 1 кГц.
1
2
Фиг. 2 Схема предлагаемого лазера. 1, 4, 5, 8 - зеркала резонатора, 2 - акустооптический модулятор бегущей волны, 3 - активный элемент, 6 - нелинейный элемент, 7 - диафрагма, 9 - дополнительная диафрагма, 10 - сумматор амплитуд сигналов, 11 - генератор управляющего сигнала с несущей частотой f, 12 - генератор управляющего сигнала с несущей частотой f, 13 - генератор импульсов, задающий частоту следования лазерных импульсов (0,1-100) кГц.
1
2
Фиг. 3 Временные диаграммы управляющих электрических сигналов и интенсивности лазерного излучения, a) - выходные сигналы генератора импульсов 13 на первом выходе (штриховая линия) и генератора 11 с частотой f (сплошная линия, b) - выходные сигналы генератора импульсов 13 на втором выходе (штриховая линия) и генератора 12 с частотой f(сплошная линия), c) - сигнал, подаваемый в акустооптический модулятор, d) - интенсивность лазерного излучения.
Фиг. 4 Осциллограмма импульса генерации Nd: YAG лазера, выполненного в соответствии с предлагаемым техническим решением, в режиме Q-switch с синхронизацией мод. Цена деления по оси абсцисс 50 нс. Средняя мощность лазера 2 Вт, частота повторения 1 кГц.
Фиг. 5 Осциллограмма трех Q-switch импульсов генерации в предлагаемом Nd: YAG лазере. Цена деления по оси абсцисс 200 мкс. Частота повторения импульсов 1 кГц, энергия в импульсе 2 мДж.
Предлагаемый лазер приведен на фиг. 2, где помимо элементов лазера по патенту №4278242 дополнительно введены генераторы 11-13, сумматор 10 и диафрагма 9.
1
2
Акустооптический модулятор 2 соединен с выходом сумматора 10 амплитуд сигналов, а входы сумматора 10 соединены с выходами генераторов 11 и 12. Генераторы 11, 12 содержат синтезаторы частоты, формирующие непрерывные синусоидальные сигналы на частотах f и f, а также схемы модуляции (ключи), выполняющие модуляцию (коммутацию) этих сигналов. Генератор импульсов 13 имеет два выхода, соединенные со входами схем модуляции генераторов 11, 12. Он задает частоту следования импульсов лазера и синхронизирует работу генераторов 11 и 12.
1
1
2
1
На пьезопреобразователь модулятора 2 подается управляющий сигнал, представляющий собой сумму амплитуд двух сигналов. Первый из этих сигналов, формируемый генератором 11, имеет несущую частоту f, которая равна (или кратна) половине межмодового интервала (f=c/4L). Этот сигнал используется для синхронизации мод лазера. Второй из сигналов, формируемый генератором 12, имеет несущую частоту f=1,5⋅f. Этот сигнал предназначен для модуляции добротности резонатора (режим Q-switch) лазера.
1
1
1
1
1
На фиг. 3 а) штриховой линией показана зависимость напряжения U импульсного сигнала от времени t, подаваемого с первого выхода генератора 13 на модулирующий вход генератора 11. Сплошной линией показан выходной сигнала генератора 11, который представляет собой периодическую последовательность радиоимпульсов с несущей частотой f, имеющих длительность τ и период повторения Т. Синхронизация мод лазера происходит в течение времени τ длительности радиоимпульса. Обычно выбирают значение τ, равное нескольким микросекундам.
2
2
1
На фиг. 3 b) штриховой линией показана зависимость от времени напряжения U импульсного сигнала, подаваемого со второго выхода генератора 13 на модулирующий вход генератора 12. Сплошной линией показан выходной сигнал генератора 12, который представляет собой периодическую последовательность радиоимпульсов длительностью τ, следующих с периодом Т. Длительность паузы между радиоимпульсами равна τ. Период Т равен периоду следования лазерных Q-switch импульсов. На практике значения Т могут находиться в диапазоне от 10 микросекунд до 100 миллисекунд.
1
2
Форма суммарного (U+U) сигнала, подаваемого на вход модулятора 2, в зависимости от времени показана на фиг. 3 с).
Интенсивность лазерного излучения J от времени t условно изображена на фиг. 3 d), где с помощью вертикальных стрелок показаны моменты генерации Q-switch импульсов. Частота следования Q-switch импульсов F=1/T находится в диапазоне 0,1-100 кГц.
Поясним работу предлагаемого лазера.
1
2
1
2
Световой луч, распространяющийся в резонаторе лазера справа налево (см. фиг. 2), при прохождении через модулятор 2 в различные моменты времени испытывает дифракцию на бегущей акустической волне с двумя различными частотами f и f. При этом образуются два дифрагированных луча (обозначены на фиг. 2 буквами «b» и «c»), которые распространяются под углами θ и θ по отношению к прошедшему (недифрагированному) лучу (обозначен на фиг. 2 буквой «a»).
1
1
1
1
1
1
Первый из дифрагированных лучей «b» соответствует дифракции на акустической волне с частотой f. Этот луч имеет допплеровский сдвиг частоты f. После отражения от зеркала 1 прошедший луч «a» и первый дифрагированный луч «b» распространяются назад по тому же пути и попадают обратно в модулятор 2, где испытывают повторную дифракцию. В результате повторной дифракции часть луча «b» возвращается обратно в резонатор с удвоенным допплеровским сдвигом частоты 2f, а другая его часть проходит без дифракции и выводится из резонатора. Прошедший луч «a» после повторного прохождения модулятора частично возвращается в резонатор без изменения частоты, а частично испытывает дифракцию в модуляторе со сдвигом частоты f и покидает резонатор. В результате этого после двойного прохода излучения через модулятор с акустической волной на частоте f из резонатора выводится пучок, обозначенный на фиг. 2 буквой «a». Вследствие интерференции световых волн с разными частотными сдвигами интенсивность выводимого из резонатора пучка «d» модулирована по времени с частотой 2f.
2
2
2
Второй из дифрагированных лучей («c») соответствует дифракции на акустической волне с частотой f. Его угол распространения равен θ. В резонаторе лазера установлена дополнительная (по сравнению с известным решением по патенту РФ №4278242) внеосевая диафрагма 9, расположенная вблизи концевого зеркала 1, которая перекрывает дифрагированный пучок «c» и препятствует его обратному возврату в лазерный резонатор. Прошедший световой пучок «a» после отражения от зеркала 1 испытывает повторную дифракцию в модуляторе 2 на волне с частотой f и частично выводится из резонатора. Выводимый пучок обозначен на фиг. 2 буквой «e».
1
1
Коэффициент потерь Т, вносимый в резонатор АО модулятором, определяется отношением интенсивности выводимых из резонатора пучков излучения на прямом и обратном проходе модулятора (после отражения от зеркала) к интенсивности падающего справа на модулятор светового пучка. Дифракционную эффективность модулятора за один проход излучения через модулятор обозначим η. Если в модуляторе распространяется акустическая волна с частотой f, то потери определяются средней интенсивностью выводимого из резонатора пучка «d» (см. фиг. 2). Вычисляя интенсивность пучка «d», для коэффициента потерь Т в зависимости от эффективности модулятора η получаем выражение Т=2⋅η⋅(1-η). Заметим, что аналогичное выражение для потерь будет справедливо также для известного решения по патенту РФ №2478242. Анализ этого выражения показывает, что с увеличением η коэффициент потерь Т достигает максимального значения Т=0,5 при значении η=0,5 и далее спадает до нуля при η=1. Кроме того, максимальное значение Т=0,5 необходимо рассматривать как среднее во времени значение. Как указывалось выше, выводимый из резонатора пучок «d» имеет модуляцию на частоте 2⋅f. Поэтому связанный с этим пучком коэффициент потерь Т также модулирован на частоте 2%. При этом в точках минимума коэффициент потерь Т<0,5. Генерация лазерных импульсов с синхронизацией мод происходит в этих точках минимума коэффициента потерь.
2
В случае когда в модуляторе распространяется акустическая волна с частотой f, в потери резонатора дает вклад интенсивность пучка «с», задержанного диафрагмой 9. Вычисляя суммарную интенсивность пучка «с» и выводимого из резонатора пучка «е», для коэффициента потерь получаем выражение Т=η(2-η). Из этого выражения следует, что максимальное значение потерь Т=1 при η=1. Для типичного АОМ с дифракционной эффективностью η=0,7 имеем коэффициент потерь Т=0,91. Такое значение потерь достаточно для модуляции добротности в большинстве лазеров с повышенным коэффициентом усиления излучения.
2
1
2
1
Для улучшения пространственного разделения дифрагированных световых пучков «b» и «c» в плоскости диафрагмы 9 (см. фиг. 2) необходимо увеличивать разность между рабочими частотами модулятора f-f. Целесообразно выбрать значение частоты f=1,5⋅f, так как в этом случае допплеровский сдвиг частоты рассеяного света, не задержанного диафрагмой 9 в процессе переключения частоты, лежит в промежутке между лазерными модами (антирезонанс), что приводит к дополнительному подавлению светового излучения в резонаторе.
1
2
Для обеспечения работы модулятора на двух разных частотах f и f целесообразно использовать режим работы, который является промежуточным между режимами дифракции Рамана-Ната и Брэгга. Теоретическое рассмотрение этого режима изложено в книге [1] В.И. Балакший, В.Н. Парыгин, Л.Е. Чирков. Физические основы акустооптики. - М.: Радио и связь, 1985. - 280 с. В этой работе показано, что при выборе оптимального значения длины пьезопреобразователя модулятора в направлении распространения света возможно обеспечение как высокой дифракционной эффективности модулятора (η≈0,8), так и достаточно широкой полосы рабочих частот, достигающей 60% от средней рабочей частоты.
1
1
2
1
1
2
Предлагаемый лазер реализован с длиной резонатора L=1,5 м. В качестве активной среды использовался кристалл Nd: YAG с диодной накачкой (длина волны лазерного перехода λ=1,064 мкм). Межмодовая частота резонатора лазера составляла 100 МГц. Зеркало 1 имело радиус кривизны отражающей поверхности R=400 мм. Модулятор 2 выполнен на кристалле кварца со скоростью акустической волны V=5,75 км/сек. Первая рабочая частота модулятора f=50 МГц, что составляет половину от межмодовой частоты резонатора. Вторая рабочая частота модулятора f=1,5 f=75 МГц. Исходя из этих значений рабочих частот, длина пьезопреобразователя модулятора в направлении распространения света выбрана равной 25 мм. Толщина пьезопреобразователя соответствовала его резонансной частоте, равной среднему значению между частотами f и f. Для расширения полосы частот пьезопреобразователя применялась согласующая электрическая схема. При этом получен диапазон рабочих частот модулятора от 44 МГц до 82 МГц по уровню спада, равному 0,8 от максимального значения дифракционной эффективности, около 80%.
1
2
Для синхронизации мод лазера использовался управляющий сигнал в виде радиоимпульсов с несущей частотой f=50 МГц, длительностью 4 мкс и частотой повторения 1 кГц (см. фиг. 3а). Сигнал с частотой f=75 МГц применялся для модуляции добротности лазера. С этой целью уровень амплитуды сигнала 75 МГц периодически модулировался до нулевого уровня на время паузы длительностью 4 мкс при частоте повторения 1 кГц. Модулированный сигнал 75 МГц суммировался по амплитуде с сигналом 50 МГц, усиливался и подавался в модулятор 2. На входе модулятора 2 импульсная мощность сигнала 75 МГц составляла 35 Вт, что обеспечивало дифракционную эффективность модулятора η=0,7. В результате этого коэффициент потерь излучения в резонаторе лазера за двойной проход в режиме модуляции добротности составлял Т=0,91. Импульсная мощность сигнала на частоте 50 МГц составляла около 5 Вт, в результате чего достигалась эффективность модулятора η≈0,15, достаточная для эффективной синхронизации лазерных мод.
1
На фиг. 4 показана осциллограмма одного Q-switch импульса излучения, полученная в предлагаемом лазере. Импульс имеет длительность по полувысоте огибающей, равную 130 нс. Внутри огибающей импульс содержит серию коротких импульсов с синхронизацией мод, следующих с периодом 10 нс. Частота повторения Q-switch импульсов равна 1 кГц, средняя мощность лазера 2 Вт. При отключении управляющего сигнала с частотой f=50 МГц на осциллограмме отсутствовали короткие импульсы с синхронизацией мод, а временной профиль импульса совпадал с огибающей линией, проведенной через вершины коротких импульсов на фиг. 4. Таким образом, реализовано переключение режима работы, что подтверждает расширенные функциональные возможности лазера.
На фиг. 5 приведена осциллограмма трех Q-switch импульсов излучения, полученная в предлагаемом лазере. Частота повторения Q-switch импульсов 1 кГц. На осциллограмме отсутствуют предвестники импульсов, наблюдаемые в лазере по патенту РФ №2478242 (см. фиг. 1). Это объясняется повышенным уровнем модуляции потерь резонатора (91%) в предлагаемом лазере. В предложенном лазере получена средняя мощность излучения 2 Вт при частоте повторения Q-switch импульсов 1 кГц, в то время как в лазере по патенту РФ №2478242 такая же мощность излучения (при отсутствии предвестников импульса) получается при частоте повторения Q-switch импульсов 2 кГц. Отсюда следует, что в предложенном лазере энергия одного Q-switch импульса примерно вдвое выше, чем в известном решении по патенту РФ №2478242.
Полученные результаты подтверждают эффективность предложенного технического решения.