ЛАЗЕР С ОПТИЧЕСКИМ ПАРАМЕТРИЧЕСКИМ ГЕНЕРАТОРОМ

Полезная модель относится к оптическому приборостроению, в частности к устройствам для параметрической генерации излучения, и может быть использовано для создания источников направленного излучения.
3
Известен лазер с параметрическим генератором света (ПГС) [1], включающий активный элемент из алюмоиттриевого граната с неодимом и электрооптический затвор, находящиеся в лазерном резонаторе, фокусирующую линзу, и внешний (по отношению к лазерному резонатору) резонатор ПГС, образованный плоским зеркалом, входным для излучения лазера, и сферическим выходным зеркалом, между которыми расположен нелинейный одноосный кристалл ниобата лития LiNbO.
Излучение лазера на алюмоиттриевом гранате с неодимом с длиной волны излучения λ, равной 1,064 мкм, фокусируется линзой на нелинейном кристалле ниобата лития. Продольная ось кристалла составляет с оптической осью z угол 46°. Плоское и сферическое (радиус кривизны R=50 мм) зеркала резонатора ПГС расположены вне резонатора лазера накачки на алюмоиттриевом гранате с неодимом, пропускают излучение лазера с λ=1,064 мкм и имеют высокий коэффициент отражения в диапазоне длин волн около 2,1 мкм. При использовании выходного сферического зеркала с коэффициентом отражения 0,96 на длине волны 2,1 мкм получается излучение ПГС с λ=2,1 мкм и коэффициентом преобразования 8% от мощности излучения лазера.
Более высокую эффективность преобразования электрической энергии накачки в выходное излучение имеет лазер с внутрирезонаторным оптическим параметрическим генератором (ОПГ) [2], являющийся наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату.
4
Лазер включает образованный глухим сферическим зеркалом и выходным зеркалом лазерный резонатор, в котором установлены оптически связанные активный элемент, внутреннее зеркало, образующее с выходным зеркалом вторичный внутренний резонатор, кристалл КТР (титанила фосфата калия или KТiOРO), расположенный во вторичном внутреннем резонаторе, поляризатор, установленный между внутренним и глухим сферическим зеркалами, лазерный затвор, призменную поворотную систему.
При этом глухое зеркало лазера выполнено сферическим, а выходное зеркало ОПГ имеет коэффициент отражения выходного излучения ОПГ в пределах от 0,4 до 0,8.
В этой схеме резонатор ОПГ находится внутри резонатора лазера: выходное зеркало ОПГ отражает обратно излучение лазера, а внутреннее зеркало, образующее с выходным зеркалом ОПГ вторичный внутренний резонатор, служит глухим зеркалом ОПГ и пропускает излучение лазера. Излучение лазера заперто в резонаторе лазера, включающем резонатор ОПГ, и внутри этого резонатора достигаются значительно более высокие плотности мощности в области резонатора ОПГ, чем при использовании внешнего резонатора ОПГ, что повышает эффективность преобразования излучения лазера в выходное излучение ОПГ, и соответственно, повышает эффективность преобразования электрической энергии накачки в выходное излучение ОПГ.
Наличие призменной поворотной системы в лазерном резонаторе усложняет конструкцию лазера и не позволяет получить максимально высокую эффективность преобразования.
Задачей полезной модели является упрощение конструкции и повышение эффективности преобразования излучения лазера.
Сущность полезной модели заключается в том, что в лазере с оптическим параметрическим генератором, включающем образованный глухим сферическим зеркалом и выходным зеркалом лазерный резонатор, в котором установлены оптически связанные активный элемент, внутреннее
зеркало, образующее с выходным зеркалом вторичный внутренний резонатор, кристалл КТР, расположенный во вторичном внутреннем резонаторе, поляризатор, установленный между внутренним и глухим сферическим зеркалами, в отличие от прототипа, поляризатор выполнен в виде прозрачной пластины с плоскопараллельными рабочими гранями и расположен таким образом, что нормаль к плоскопараллельным рабочим граням поляризатора составляет с оптической осью лазерного резонатора угол, близкий к углу Брюстера, кристалл КТР имеет плоскопараллельные рабочие грани, выполненные перпендикулярными главной оси Х индикатрисы показателей преломления кристалла КТР, при этом кристалл КТР расположен так, что главная ось Х индикатрисы показателей преломления кристалла КТР направлена вдоль оптической оси резонатора, а главная ось Z индикатрисы показателей преломления кристалла КТР направлена параллельно плоскопараллельным рабочим граням поляризатора, выходное и внутреннее зеркала выполнены плоскими, причем коэффициент отражения выходного зеркала для выходного излучения оптического параметрического генератора находится в пределах от 0,1 до 0,8.
На одну плоскопараллельную рабочую грань поляризатора может быть нанесено поляризующее интерференционное покрытие.
Наличие образованного глухим сферическим зеркалом и выходным зеркалом лазерного резонатора, в котором установлен оптически связанный активный элемент, позволяет получить излучение лазера.
Наличие внутреннего зеркала, образующего с выходным зеркалом вторичный внутренний резонатор, и кристалла КТР, расположенного во вторичном внутреннем резонаторе, создает резонатор ОПГ и позволяет получить излучение ОПГ.
Наличие поляризатора, расположенного между внутренним и глухим сферическим зеркалами, обеспечивает необходимую поляризацию излучения лазера.
Выполнение поляризатора в виде прозрачной пластины с плоскопараллельными рабочими гранями обеспечивает простую конструкцию поляризатора.
Расположение этой пластины таким образом, что нормаль к плоскопараллельным рабочим граням составляет с оптической осью лазерного резонатора угол, близкий к углу Брюстера, позволяет увеличить степень поляризации излучения, проходящего через пластину, и таким образом, с большей эффективностью получить линейно поляризованное излучение лазера с расположением электрического вектора Е в плоскости падения излучения лазера на плоскопараллельные рабочие грани пластины поляризатора, увеличивая, таким образом, эффективность преобразования излучения лазера в излучение ОПГ.
p
s
i
p
s
i
p
s
i
s
i
Изготовление рабочих граней кристалла КТР плоскопараллельными и перпендикулярными главной оси Х индикатрисы показателей преломления кристалла КТР, расположив при этом кристалл КТР так, что главная ось Х индикатрисы показателей преломления кристалла КТР направлена вдоль оптической оси резонатора, а главная ось Z индикатрисы показателей преломления кристалла КТР направлена параллельно плоскопараллельным рабочим граням поляризатора, позволяет получить высокоэффективную параметрическую генерацию излучения ОПГ с длиной волны λ~1,58 мкм за счет обеспечения 90° (некритичного) фазового синхронизма при взаимодействии типа o→oe или o→eo, где o, o, о - обыкновенные волны излучения лазера, имеющего длину волны излучения λ~1,06 мкм, сигнальной волны (выходное излучение ОПГ с длиной волны λ~1,58 мкм) и холостой волны (излучение ОПГ с длиной волны λ~3,3 мкм), распространяющиеся в кристалле КТР, соответственно, a e и е - необыкновенные сигнальная и холостые волны, распространяющиеся в кристалле КТР, соответственно.
Выполнение лазера с ОПГ с линейным расположением оптических элементов, выполнение выходного и внутреннего зеркал плоскими, в
дополнение к выполнению поляризатора в виде прозрачной пластины с плоскопараллельными рабочими гранями позволяет упростить конструкцию лазера с ОПГ и увеличить эффективность преобразования излучения лазера.
Выполнение выходного зеркала с коэффициентом отражения выходного излучения ОПГ в пределах от 0,1 до 0,8 обеспечивает высокоэффективный выход выходного излучения ОПГ из лазера с ОПГ.
При нанесении на одну плоскопараллельную рабочую грань поляризатора поляризующего интерференционного покрытия может быть увеличена степень поляризации излучения лазера и эффективность преобразования излучения лазера в излучение ОПГ.
Полезная модель поясняется чертежом.
На фигуре представлена оптическая схема лазера с ОПГ.
Лазер с ОПГ включает лазерный резонатор, образованный глухим сферическим зеркалом 1 и выходным зеркалом 2, в котором установлены оптически связанные активный элемент 3, внутреннее зеркало 4, образующее с выходным зеркалом 2 вторичный внутренний резонатор, поляризатор 5, установленный между внутренним 4 и глухим 1 сферическим зеркалами, кристалл КТР 6, расположенный во вторичном внутреннем резонаторе, и затвор 7 для модуляции добротности лазера, установленный между глухим зеркалом 1 и поляризатором 5.
Глухое сферическое зеркало 1 имеет коэффициент отражения ρ>0,99 для излучения лазера в области длин волн λ~1,06 мкм и радиус 2500 мм.
Выходное зеркало 2 изготовлено из кварцевого стекла КИ и выполнено в виде плоского зеркала, являющегося глухим для излучения лазера с λ~1,06 мкм (коэффициент отражения ρ>0,99) и пропускающим выходное излучение ОПГ с λ~1,58 мкм. Оно имеет коэффициент отражения ρ=0,6 для выходного излучения ОПГ.
При этом выполнение выходного зеркала 2 с коэффициентом отражения выходного излучения ОПГ в пределах от 0,1 до 0,8 обеспечивает высокую эффективность преобразования излучения лазера.
Активный элемент 3 (⌀4×50 мм) изготовлен из стекла с неодимом и позволяет получить длину волны излучения лазера λ~1,06 мкм.
Внутреннее зеркало 4 изготовлено из кварцевого стекла КИ, выполнено плоским и образует с выходным зеркалом 2 вторичный внутренний резонатор. Внутреннее зеркало 4 пропускает излучение лазера с длиной волны λ~1,06 мкм и отражает выходное излучение ОПГ в области длин волн λ~1,58 мкм.
Поляризатор 5 выполнен в виде тонкой прозрачной пластины из стекла К8 с плоскопараллельными рабочими гранями и установлен между внутренним 4 и глухим 1 сферическим зеркалами. В лазерном резонаторе поляризатор 5 расположен таким образом, что нормаль к плоскопараллельным рабочим граням его составляет с оптической осью лазерного резонатора угол, близкий к углу Брюстера.
Для увеличения степени поляризации излучения и увеличения эффективности преобразования излучения лазера в излучение ОПГ возможно нанесение на одну плоскопараллельную рабочую грань поляризатора 5 поляризующего интерференционного покрытия.
p
s
В нашем случае на одну плоскопараллельную рабочую грань поляризатора 5 было нанесено поляризующее интерференционное покрытие В.006+ по ОСТ3-1901-95, имеющее для излучения с длиной волны λ~1,06 мкм при установке поляризатора 5 таким образом, что нормаль к плоскопараллельным рабочим граням его составляет с оптической осью лазерного резонатора угол, близкий к углу Брюстера, коэффициент пропускания τ>99% при расположении электрического вектора в плоскости падения, и коэффициент пропускания τ<1% при расположении электрического вектора перпендикулярно плоскости падения.
Во вторичном внутреннем резонаторе между выходным 2 и внутренним зеркалом 4 установлен нелинейный кристалл 6, изготовленный из двухосного кристалла КТР, плоскопараллельные рабочие грани которого выполнены перпендикулярными главной оси Х индикатрисы показателей преломления
кристалла КТР с точностью ±30'. Во вторичном внутренннем резонаторе лазера с ОПГ кристалл КТР 6 расположен так, что указанная ось Х направлена вдоль оптической оси резонатора, вдоль которой на кристалл КТР 6 направлено поляризованное излучение лазера с длиной волны λ~1,06 мкм, а главная ось Z индикатрисы показателей преломления кристалла КТР 6 направлена параллельно плоскопараллельным рабочим граням поляризатора 5.
В этой схеме электрический вектор Е линейно поляризованного излучения лазера с длиной волны λ~1,06 мкм находится в плоскости падения излучения (расположенной на фиг.1 в плоскости чертежа) на плоскопараллельные рабочие грани поляризатора 5, и соответственно, перпендикулярен главной оси Z (расположенной на фиг.1 перпендикулярно плоскости чертежа) индикатрисы показателей преломления кристалла КТР 6.
p
s
i
p
s
i
Указанная взаимная ориентация главных осей индикатрисы показателей преломления кристалла КТР 6 и направления распространения излучения лазера с длиной волны λ~1,06 мкм приводит к тому, что полярный угол θ между главной осью Z индикатрисы показателей преломления кристалла и направлением распространения излучения лазера с длиной волны λ~1,06 мкм равен 90°, а угол φ между главной осью Х индикатрисы показателей преломления кристалла КТР 6 и проекцией направления распространения излучения лазера с длиной волны λ~1,06 мкм на плоскость главных осей XY индикатрисы показателей преломления кристалла составляет 0°. Угол φ может находиться в пределах от 0° до 90°, однако в направлении θ=90° φ=0° достигается максимальная эффективность параметрического преобразования лазерного излучения с длиной волны λ~1,06 мкм в выходное излучение ОПГ (с длиной волны λ~1,58 мкм) за счет обеспечения 90° (некритичного) фазового синхронизма при взаимодействии типа o→oe, или o→eo.
Затвор 7 предназначен для модуляции добротности лазера и выполнен из лейкосапфира.
Лазер с ОПГ работает следующим образом.
В резонаторе лазера с активным элементом 3 из стекла с неодимом, образованном глухими (для излучения в области длин волн λ~1,06 мкм) сферическим зеркалом 1 и выходным зеркалом 2 (которое является одновременно и выходным для излучения ОПГ с λ~1,58 мкм) генерируется при использовании затвора 7 импульс поляризованного излучения с длиной волны λ~1,06 мкм и длительностью около 10 не с расположением электрического вектора Е в плоскости падения излучения на плоскопараллельные рабочие грани поляризатора 5. Это излучение проходит вдоль оптической оси резонатора лазера с ОПГ через внутреннее зеркало 4 на нелинейный двухосный кристалл КТР 6. В кристалле КТР 6, находящемся во вторичном внутреннем резонаторе между выходным для излучения ОПГ и внутренним зеркалами 2 и 4, соответственно, импульсное поляризованное излучение с длиной волны λ~1,06 мкм параметрически преобразовывается в излучение сигнальной волны с длиной волны в области 1,58 мкм и излучение холостой волны с длиной волны в области 3,3 мкм. Излучение сигнальной волны усиливается в резонаторе, составленном из выходного для излучения ОПГ и внутреннего зеркал 2 и 4, соответственно, с расположенным между ними кристаллом КТР 6, и выходит наружу через выходное для излучения ОПГ зеркало 2.
Наличие резонатора ОПГ внутри резонатора лазера накачки позволяет получить высокие плотности мощности накачки в области ОПГ, за счет чего повышается эффективность преобразования в излучение сигнальной волны. Кроме того, многократное отражение излучения сигнальной волны с длиной волны в области 1,58 мкм в резонаторе, составленном из выходного для излучения ОПГ и внутреннего зеркал 2 и 4, соответственно, также позволяет увеличить эффективность преобразования излучения с длиной волны λ~1,06 мкм в излучение с длиной волны в области 1,58 мкм.
При электрической энергии импульса накачки лазера с ОПГ, равной 6,4 Дж, энергия импульса излучения с длиной волны в области 1,58 мкм составляет до 25 мДж.
Таким образом, лазер с ОПГ обеспечивает простую конструкцию и увеличение эффективности преобразования излучения лазера.
Источники информации.
1 Рябов С.Г., Торопкин Г.Н., Усольцев И.Ф. Приборы квантовой электроники. - М. Советское радио, 1976. - С.263-265.
2 Заявка РФ на полезную модель №23020, МПК H01S 3/00, опубл. 10.05.2002, БИПМ №13 - (прототип).