СПОСОБ ПРОКАЧКИ РАСТВОРА КРАСИТЕЛЯ ДЛЯ ЛАЗЕРНЫХ РЕЗОНАТОРОВ
METHOD OF DYE SOLUTION CIRCULATION FOR LASER RESONATORS

Изобретение относится к области лазерной техники и может найти применение в устройствах, содержащих лазеры на растворах красителей, накачиваемые импульсными лазерами или лампами-вспышками с высокой частотой следования импульсов.
Из существующего уровня техники известны лазеры на растворах красителей. Накачка лазеров на растворах красителей производится излучением оптического диапазона волн. Лазер содержит резонаторную ячейку из двух зеркал, внутрь которой помещен генерирующий краситель. В качестве источника накачки используются либо импульсные лампы, либо лазеры. Одним из параметров лазера на красителе, определяющих модовый состав генерируемого излучения, является расстояние между зеркалами резонатора. Для ряда задач спектроскопии, накачки систем и других, необходимо многомодовое излучение, получаемое на резонаторных ячейках с расстоянием между зеркалами менее 1 мм, называемых далее тонкими. Одним из важных параметров такого многомодового излучения является межмодовое расстояние, определяемое через разницу модовых частот, далее называемое модовым расстоянием.
На эффективность преобразования излучения лазерами с активной средой в виде раствора красителя и сам к.п.д. преобразования влияют эффект нагрева красителя путем поглощения накачиваемого луча, что приводит к ухудшению оптических свойств красителя. Для уменьшения влияния этого эффекта прибегают, в частности, к прокачиванию раствора красителя через область накачки так, что молекулы раствора красителя обновляются достаточно часто, чтобы уменьшить вышеописанные эффекты. Прокачка красителя через тонкие резонаторы представляет значительную техническую сложность.
Известно техническое решение, используемое в устройстве кюветы для импульсного лазера на растворе красителя (Патент РФ №2308794 «Кювета для импульсного лазера на растворе красителя» МПК H01S 3/213, опубликовано 20.10.2007). Кювета для импульсного лазера на растворе красителя содержит герметично закрытую рабочую емкость. На стенках емкости выполнены одно входное и два выходных окна, причем выходные окна расположены друг против друга. Рабочую емкость кюветы наполняют раствором красителя, а саму кювету устанавливают в резонатор, образованный глухим зеркалом и полупрозрачным зеркалом. Причем кювету располагают в резонаторе таким образом, чтобы выполненные в ней выходные окна располагались между глухим и полупрозрачным зеркалами резонатора, так как это обычно делается в лазерах на жидком красителе. Внутри рабочей емкости установлен цилиндр со сплошными гладкими стенками. В центре цилиндра выполнено сквозное отверстие. Через отверстие пропущена трубка с жесткими стенками, которая проходит сквозь всю рабочую емкость и герметично закреплена в стенках рабочей емкости. В тело цилиндра установлены два постоянных магнита, являющиеся основными ведомыми магнитами. Через трубку пропущен вал. На валу в средней его части жестко закреплены два постоянных магнита, являющиеся ведущими магнитами. Магниты входят в магнитное зацепление друг с другом.
Недостатком данного решения является образование мультигармонического излучения с малым расстоянием между его модами, что следует из большого расстояния между зеркалами, обусловленного использованием широкой кюветы, а также сложность ее разборки и изменения расстояния между зеркалами резонатора, сложность обеспечения достаточной герметизации для высоких давлений.
Известно техническое решение, используемое в конструкции тонкого резонатора, которая состоит из двух расположенных на расстоянии 0,3…0.75 мм поверхностей зеркал и вводе прокачиваемого красителя через отверстие диаметром 6 мм с торца резонатора (Патент US 4891817 «Pulsed dye laser apparatus for high PRF operation, МПК H01S 3/02; H01S 3/094; H01S 3/23, опубликовано 1990-01-02), выбранное в качестве прототипа. Для получения необходимого ламинарного течения необходимо использовать резонатор более 2 см в высоту и использовать насосы высокого давления.
Недостатками данного технического решения является техническая сложность изготовления такого рода резонатора, сложность ее разборки и изменения расстояния между зеркалами резонатора, сложность обеспечения достаточной герметизации для высоких давлений.
Перед авторами стояла задача разработать способ прокачки раствора красителя для лазерных резонаторов, позволяющий легко разбирать емкость резонатора, быстро изменять ее параметры, обеспечивая герметизацию емкости резонатора при высоких давлениях.
Поставленная задача решается тем, что в способе прокачки раствора красителя для лазерных резонаторов, включающем использование емкости резонатора, которую выполняют герметичной с твердыми стенками, введение раствора красителя в емкость резонатора, обеспечение циркуляции красителя через внутрирезонаторное пространство, введение излучения накачки, дополнительно формируют хотя бы в одной твердой стенке емкости резонатора входное и выходное отверстия, внутреннюю поверхность твердых стенок резонатора выполняют в виде дихроического зеркала, с высоким коэффициентом отражения для излучения лазерной генерации и с низким коэффициентом отражения для излучения накачки, выполняют твердые стенки оптически связанными между собой, расстояние между твердыми стенками емкости резонатора выполняют в диапазоне 20-700 мкм, герметичность емкости резонатора обеспечивают кольцевой прокладкой, причем формируют входное отверстие в твердой стенке емкости резонатора, а выходное отверстие в противоположной твердой стенке емкости резонатора.
Технический результат заявляемого способа заключается в повышении скорости перестройки резонатора в целях получения лазерного излучения необходимых для дальнейшего применения параметров (например, максимальной интенсивности и с заданным количеством мод), в повышении расстояния между модами излучения, а также в обеспечении тонкой подстройки угла между зеркалами емкости резонатора при сохранении герметичности, и в возможности быстрой разборки и сборки конструкции емкости резонатора для целей изменения длины резонатора, замены зеркал или их чистки.
На фиг.1 представлена схема, поясняющая работу заявляемого способа прокачки раствора красителя для лазерных резонаторов, где 1 - твердая стенка емкости резонатора, 2 - дихроическое зеркало, 3 - кольцевая прокладка, 4 - входное отверстие, 5 - выходное отверстие, 6 - лазерное излучение накачки, 7 - генерируемое красителем резонаторное лазерное излучение.
Заявляемый способ прокачки раствора красителя для лазерных резонаторов работает следующим образом. Емкость резонатора образуется твердыми стенками 1. Внутреннюю поверхность твердых стенок резонатора выполняют в виде дихроического зеркала 2, с высоким коэффициентом отражения для излучения лазерной генерации и с низким коэффициентом отражения для излучения накачки и с расстоянием между твердыми стенками 1 в диапазоне 20-700 мкм, учитывая, что расстояние между твердыми стенками емкости резонатора зависит от требуемого межмодового расстояния.
Необходимо отметить, что использование достаточно большой емкости с красителем с толщиной от 1 мм определяет расстояние между резонаторными зеркалами, т.к. они расположены вне емкости резонатора, и в результате образуется излучение с близко расположенными модами линий генерации лазера. Селекция этих линий обеспечивается введением вовнутрь резонатора дополнительного элемента.
Особенность дихроического зеркала состоит в том, что оно пропускает излучение накачки с низким коэффициентом отражения и отражает генерируемое красителем лазерное излучение и таким образом формирует необходимый для лазера резонатор и обеспечивает оптическую обратную связь.
Герметичность емкости резонатора и параллельность твердых стенок 1 обеспечивают кольцевой прокладкой 3. В герметично закрытой емкости резонатора дополнительно формируют хотя бы в одной твердой стенке 1 емкости резонатора входное и выходное отверстия, а именно формируют входное отверстие 4 в твердой стенке 1 емкости резонатора, а выходное отверстие 5 в противоположной твердой стенке емкости резонатора. Затем в собранную емкость резонатора вводят раствор красителя.
В закрытой емкости резонатора раствор красителя подвергается лазерным излучением накачки 6. Лазерное излучение накачки 6 поглощается красителем, благодаря чему, последний генерирует собственное излучение в более красном спектральном диапазоне относительно лазерного излучения накачки 6. Генерируемое красителем резонаторное лазерное излучение 7 многократно отражается в емкости резонатора от внутренних твердых стенок 1 с высоким коэффициентом отражения для излучения лазерной генерации и модулируется модами резонатора. Обеспечивая циркуляцию красителя через внутрирезонаторное пространство, краситель из емкости резонатора прокачивают через сформированное выходное отверстие 5 в противоположной твердой стенке емкости резонатора.
Таким образом, достигается высокая технологичность изготовления емкости резонатора, состоящая только из двух дихроических зеркал и кольцевой прокладки, что позволяет: быстро проводить чистку емкости резонатора, быстро проводить перестройку путем смены кольцевой прокладки и смены дихроического зеркала в целях получения излучения необходимых параметров.
Для подстройки и оптимизации резонатора, непосредственно влияющих на форму генерируемого лазерного пучка, необходимо проводить коррекцию, а именно изменение угла между стенками 1 емкости резонатора. Коррекцию производят изменением давления на необходимую сторону твердой стенки емкости резонатора, приводящим к локальному изменению толщины кольцевой прокладки 3, что и приводит к изменению угла между дихроическими зеркалами 2. Кольцевая прокладка 3 изготовлена из материала (например, меди или тефлона), который может изменять свою толщину при изменении давления на ее поверхность. Далее, прикладывая к разным частям зеркала разное усилие, обеспечивают разное локальное давление и таким образом обеспечивают разную локальную толщину прокладки, что приводит к небольшому изменению угла между двумя твердыми стенками, что обеспечивает тонкую подстройку.