Импульсный твердотельный лазер с усилителем

Полезная модель относится к лазерной технике, в частности к твердотельным импульсным лазерам.
3+
3
Импульсные твердотельные лазеры с модуляцией добротности резонатора, как генераторы мощных импульсов излучения (моноимпульсов) в наносекундном диапазоне длительностей импульсов, широко применяются в научно-прикладных исследованиях, в медицинских аппаратах, в системах экологического мониторинга окружающей среды, в технологических и метрологических установках. В качестве лазеров ИК спектрального диапазона часто используются лазеры на кристаллах, содержащих ионы Nd (АИГ:Nd, ГСГГ:Cr, Nd, ИСГГ:Cr, Nd и т.д.). Для модуляции добротности резонатора используются затворы на основе электрооптических элементов из кристаллов DKDP, LiNbO, RTP, KTP.
Известен твердотельный лазер, работающий в импульсно-периодическом режиме, содержащий резонатор, образованный частично прозрачным и глухим зеркалами, внутри которого установлены активный элемент, поляризатор и электрооптический элемент [1]. Пространственная структура многомодового излучения данного лазера в режиме модуляции добротности резонатора является неоднородной, что снижает КПД лазера и эффективность процессов преобразования в другие спектральные диапазоны методами нелинейной оптики. Более того, в метрологических установках требуется повышенная стабильность энергии моноимпульсов излучения, как кратковременная (от импульса к импульсу), так и долговременная.
3+
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является импульсный твердотельный лазер с резонатором, содержащим последовательно расположенные по ходу излучения от глухого зеркала к частично прозрачному электрооптический элемент, пластину-поляризатор, оптически изотропный активный элемент, 90-градусный вращатель плоскости поляризации излучения, пластину-поляризатор и поворотные зеркала, обеспечивающие второй проход активного элемента излучением [2]. В этом лазере активный элемент из АИГ:Nd выполнен в форме цилиндра с полированной боковой поверхностью, что приводит к насыщению энергетической характеристики лазера при больших энергиях импульсов накачки за счет генерации внутренних мод в активном элементе, и, следовательно, к повышению стабильности энергии моноимпульсов лазерного излучения. При этом пространственная структура излучения становится существенно более однородной.
В то же время к метрологическим лазерам часто предъявляются требования генерировать моноимпульсы излучения с повышенной энергией.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение энергии моноимпульсов излучения лазера с сохранением высокой кратковременной и долговременной стабильности энергии моноимпульсов излучения.
Поставленная задача решается за счет того, что в импульсном твердотельном лазере с резонатором, содержащим последовательно расположенные по ходу излучения от глухого зеркала к частично прозрачному электрооптический элемент, пластину-поляризатор, оптически изотропный активный элемент, 90-градусный вращатель плоскости поляризации излучения, пластину-поляризатор и поворотные зеркала, обеспечивающие второй проход активного элемента излучением, оптически изотропный активный цилиндрический элемент выполнен с частично полированной боковой поверхностью, дополнительно за частично прозрачным зеркалом по ходу излучения установлены пластина-поляризатор, оптически изотропный активный элемент с матированной боковой поверхностью, вторая пластина-поляризатор, а вне оси распространения лазерного излучения установлены два глухих зеркала и четвертьволновая пластина.
Применение в импульсном лазере с частично закольцованном резонатором оптически изотропного элемента с частично полированной боковой поверхностью позволяет увеличить порог генерации внутренних мод в объеме активного элемента и, следовательно, увеличить уровень энергии моноимпульсов излучения в области насыщения энергетической характеристики лазера. При прохождении расположенного вне резонатора второго такого же оптически изотропного активного элемента, играющего роль усилителя, энергия возрастает в соответствии с уровнем инверсной населенности в активном элементе, который стабилизируется при возникновении свободной генерации в дополнительном резонаторе, образованном двумя глухими зеркалами и пластинами-поляризаторами.
Порог свободной генерации, который регулируется азимутальной ориентацией четвертьволновой пластины, определяет уровень инверсной населенности в активном элементе усилителя и, в конечном счете, уровень выходной энергии предлагаемого лазера с усилителем.
На чертеже представлена оптическая схема устройства.
Резонатор лазера образован глухим зеркалом 1 и частично прозрачным зеркалом 2, между которыми расположены последовательно по ходу излучения электрооптический элемент 3, пластина-поляризатор 4, оптически изотропный активный элемент цилиндрической формы с частично полированной боковой поверхностью 5, 90-градусный вращатель плоскости поляризации излучения из оптически активного кварца 6, пластина-поляризатор 7, поворотные зеркала 8 и 9, обеспечивающие второй проход активного элемента излучением. За частично прозрачным зеркалом 2 по ходу моноимпульсного излучения расположены пластина-поляризатор 10, оптически изотропный цилиндрический активный элемент с матированной боковой поверхностью 11, пластина-поляризатор 12. Глухие зеркала 13, 14 вместе с четвертьволновой пластиной 15 и пластинами-поляризаторами 10 и 12 образуют резонатор, в котором возникает излучение свободной генерации, выходящее через пластину-поляризатор 10.
3
В качестве активных элементов 5 и 11 могут быть использованы элементы из оптически изотропных гранатов АИГ:Nd, ГСГГ:Cr, Nd, ИСГГ:Cr, Nd и др. В качестве электрооптического элемента 3 могут быть использованы элементы из кристаллов DKDP, LiNbO, RTP, КТР.
Предлагаемый лазер с усилителем работает следующим образом. В импульсно-периодическом режиме за время каждого импульса накачки при «закрытом» электрооптическом затворе, который сформирован зеркалом 1, элементом 3 и пластиной-поляризатором 4, происходит накопление инверсной населенности или рост коэффициента усиления в активном элементе 5. Когда коэффициент усиления достигает порога внутренних мод в периферийной части активного элемента, возникает генерация этих мод, интенсивность которых продолжает расти с повышением энергии импульсов накачки, что приводит к насыщению коэффициента усиления в центральной части активного элемента за счет увеличения интенсивности рассеянного в объеме и отраженного от матированных участков боковой поверхности активного элемента излучения внутренних мод. В результате в активном элементе формируется распределение коэффициента усиления по поперечному сечению активного элемента к моменту окончания генерации внутренних мод, слабо зависящее от уровня энергии импульсов накачки.
Чем меньше площадь полированной боковой поверхности и больше площадь матированной боковой поверхности, тем выше порог генерации внутренних мод и, следовательно, тем выше уровень насыщения коэффициента усиления, а также уровень стабилизации энергии моноимпульсов излучения лазера. При синхронной накачке элементов 5 и 11 в активном элементе 11 уровень насыщения инверсной населенности (или коэффициента усиления) стабилизируется при превышении порога свободной генерации (путем увеличения энергии импульсов накачки активного элемента 11) в резонаторе, образованным глухими зеркалами 13, 14 и пластинами-поляризаторами 10, 12. При изменении азимутальной ориентации четвертьволновой пластины 15 изменяется порог свободной генерации, а, следовательно, уровень насыщения коэффициента усиления, а также уровень энергии моноимпульсов излучения, выходящего из устройства, который уже не зависит от энергии импульсов накачки активного элемента 11. При этом излучение свободной генерации выходит из дополнительного резонатора через пластину-поляризатор 10.
Повышение энергии моноимпульсов излучения в предлагаемом устройстве происходит на выходе лазера (за счет частичной полировки боковой поверхности активного элемента) и на выходе устройства (за счет усилителя со стабилизированным коэффициентом усиления).
Таким образом, предложенный импульсный твердотельный лазер с усилителем позволяет повысить энергию моноимпульсов излучения лазера с сохранением высокой кратковременной и долговременной стабильности энергии моноимпульсов излучения.
Источник информации:
1. Г.М. Зверев, Ю.Д. Голяев. Лазеры на кристаллах и их применение. М. «Радио и связь», «Рикел», 1994, с. 227.
2. А.А. Бульбин, Е.А. Исаева, А.И. Ляшенко. Импульсный твердотельный лазер. Патент РФ на полезную модель №141513 от 29.01.2014.