Способ получения генерации лазерных импульсов и устройство для его осуществления
METHOD FOR OBTAINING LASER PULSE GENERATION AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к квантовой электронике и лазерной технике, в частности к импульсным твердотельным лазерам, и может быть использовано в науке, медицине и технике.
В настоящее время в отечественной и зарубежной практике широкое распространение получили способы и устройства для получения пикосекундных лазерных импульсов методом синхронизации мод с использованием пассивных модуляторов добротности.
10
Типичные системы генерации пикосекундных импульсов представлены в работах [1-3]. При действии лампы-вспышки происходит накачка активного элемента и формируется инверсия населенности. Вследствие того, что пассивный затвор не полностью закрыт и пропускает излучение, в результате возникает свободная генерация и начинается процесс синхронизации мод, приводящий к насыщению пассивного затвора, его открытию и образованию цуга пикосекундных импульсов, временной интервал Δt между которыми равен Δt=2L/c (1), (где c - скорость света 3 10 см/сек; L см - оптическая длина в резонаторе (расстояние между зеркалами резонатора с учетом показателя преломления активного элемента и пассивного затвора).
В результате случайного характера вспышки лампы, а также начала свободной генерации и синхронизации мод момент генерации цуга пикосекундных импульсов относительно импульса поджига лампы накачки является случайной величиной, разброс которой по времени превышает десятки микросекунд. Также следует отметить, что на выходе импульсное излучение представляет собой суперпозицию цуга пикосекундных импульсов на фоне свободной генерации с длительностью в сотни микросекунд.
В ряде приложений требуется выделение одного лазерного импульса и для этого используют дополнительное оборудование, например, оптический затвор Поккельса с управлением от оптического пробоя разрядника или оптически инициированной лавины разряда последовательности транзисторов, который позволяет выделить из цуга один или несколько импульсов. Синхронизацию данного узла, как правило, осуществляют по фронту цуга импульсов с дополнительным введением пространственной задержки.
Следует заметить, что лазерные импульсы наносекундной длительности также получают с применением оптических затворов на эффекте Поккельса. При этом разброс момента генерации лазерного импульса относительно импульса управления модулятором добротности Поккельса составляет десятки наносекунд.
Наиболее близким к предлагаемому способу и устройству, выбранным в качестве прототипа, является способ получения генерации лазерных импульсов [4], заключающийся в получении генерации путем накачки активного элемента мощностью больше пороговой и формирование импульсов генерации изменением положения относительно оси резонатора активного элемента, расположенного в пространстве между двумя зеркалами резонатора.
Указанный способ генерации наносекундных импульсов и устройство для их генерации (лазер) имеют ряд недостатков:
1. Переход от одного режима генерации наносекундных импульсов к пикосекундным требует существенной перестройки оптической схемы лазера, путем внесения или удаления оптических элементов.
2. Начало цуга пикосекундных импульсов генерируется нестабильно с вариацией в десятки микросекунд относительно импульса поджига или вспышки лампы накачки, что исключает возможность априорной синхронизации цуга с изучаемым процессом.
3. Для выделения единичного лазерного пикосекундного импульса из цуга требуется дополнительное оборудование в виде оптически инициируемого пробоя в разряднике или оптический запуск электронной лавины предыдущим пикосекундным импульсом из цуга для переключения оптического затвора, длительность открытого состояния которого не более одного периода обхода резонатора импульсом (соотношение 1).
4. Энергия выделенного пикосекундного импульса или нескольких импульсов невелика, поскольку распределена по всем 30-50 импульсам цуга и поэтому требует усиления при прохождении через каскады оптических усилителей, установленных последовательно после лазера-генератора импульсов.
Технической задачей решения является расширение функциональных возможностей способа - получение генерации лазерного импульса наносекундой или пикосекундной длительности, или цуга пикосекундных импульсов с управляемым (заданным) моментом их излучения, или двух последовательных пикосекундных импульсов/цугов с управляемой задержкой в диапазоне до сотен микросекунд на одном и том же лазерном резонаторе.
α
Поставленная задача достигается тем, что в известном способе получения генерации лазерных импульсов, включающем получение генерации путем накачки активного элемента мощностью больше пороговой, регулирование начала генерации с помощью модулятора добротности, формирование импульсов генерации излучения положением относительно оси резонатора активного элемента, расположенного в резонаторе между двумя зеркалами, импульсы генерации формируют, выбирая оптимальный угол  нормали граней активного элемента относительно оси резонатора, который должен быть более чем arctg(d/l) величины отношения диаметра пучка d к длине l активного элемента и менее чем arclg(D/l) величины отношения диаметра активного элемента D к длине l. причем, при генерации пикосекундных импульсов на одной частоте или продольной моде резонатора нормаль граней активного элемента совпадает с оптической осью резонатора, когда угол α не должен превышать величину u<urctg(d/L), где (d - диаметр пучка, l - длина резонатора), в остальных случаях получают один / цуг пикосекундных импульсов.
Дополнительная задача - число пикосекундных импульсов в цуге вплоть до одного регулируют изменением длины резонатора и заданным временем открытия затвора модулятора добротности.
Также дополнительной задачей является управление (задание) моментом генерации лазерного импульса с субнаносекундной точностью, синхронизованное с моментом открывания затвора модулятора добротности.
Предлагаемый способ отличается от прототипа тем, что позволяет получать генерации наносекундного или цуга пикосекундных импульсов, или единичного пикосекундного импульса большой энергии с заданным моментом возникновения, или пары последовательных пикосекундных импульсов с управляемой задержкой до десятков микросекунд без изменения числа оптических элементов в лазерном излучателе.
Технической задачей устройства, реализующего данный способ, является упрощение конструкции, обеспечивающей генерацию импульса наносекундной длительности на одной частоте (продольной моде резонатора) либо пикосекундной длительности, момент генерации которого задается фронтом импульса управления модулятором добротности.
В известном устройстве (лазере), содержащем оптический резонатор и расположенные на одной оси зеркала, активный элемент, модулятор добротности и диафрагму, активный элемент лазера выполнен в виде стержня с плоскопараллельными торцами и снабжен котировочным узлом с возможностью его углового поворота относительно оси резонатора на угол. который должен быть более чем arctg(d/l) величины отношения диаметра пучка d к длине l активного элемента и менее чем arctg(D/l) величины отношения диаметра активного элемента D к длине l активного элемента.
Сущность изобретения поясняется фиг.1, 2, 3.
На фиг.1 изображена схема устройства (лазера), осуществляющего предлагаемый способ.
На фиг.2 изображен временный профиль лазерного импульса в разных режимах работы лазера.
На фиг.3 изображен спектр генерации лазера в режиме наносекундного импульса на одной частоте продольной моды резонатора.
На фиг.1 устройство содержит резонатор (плоскопараллельный или конфокальный), который образован двумя зеркалами 1 и 5, одно из которых 5 - «глухое», имеет коэффициент отражения 100%, а другое - 80% и (менее) 1, причем активный модулятор добротности на элементе Поккельса 4 (на основе электрооптического затвора) расположен внутри резонатора около зеркала 5, а активный элемент 3 с плоскопараллельными торцами изготовлен из кристалла, активированного ионами, на переходах которых происходит генерация лазера, расположен внутри резонатора на его оптической оси, положение которой задается диафрагмой 2 - селектором поперечных мод резонатора и переключения режима работы лазера. Активный элемент 3 закреплен в котировочном узле, позволяющем задавать его точное расположение по углу относительно оптической оси резонатора.
Работа устройства по переключению режимов происходит следующим образом.
Выбор наносекундной длительности импульса осуществляют юстировкой активного элемента, при котором активный элемент служит селектором продольных мод резонатора. Активный элемент располагают так, чтобы нормаль к торцу грани была соосна с оптической осью резонатора, причем допустимое отклонение α не должно превышать величину α<arctg(d/L) (d - диаметр пучка, L - длина резонатора). При этом режиме активный элемент выполняет роль селектора продольных мод, что приводит к отсутствию синхронизации мод, и возникает генерация импульса наносекундной длительности (1) на (фиг.2) одной продольной моде резонатора [1, 2].
Для дополнительного тестирования режима генерации наносекундного импульса с гладкой огибающей было проведено измерение формы и длительности импульса на осциллографе Tektronix TDS 2024 В (полоса пропускания 200 МГц) с помощью фотодиода ЛФД-2а (τ=500 пикосекунд), а также одновременно измерение спектра излучения лазера после юстировки активного элемента. Активный элемент юстировался так, чтобы нормали к поверхности торцов элемента совпадали с оптической осью резонатора и активный элемент выполнял еще одну функцию: интерферометра Фабри-Перо, селектора продольных мод резонатора. Тогда промежутки резонатора лазера между торцами активного элемента и зеркалами резонатора также образовывали интерферометр Фабри-Перо с базой, не совпадающей друг с другом и интерферометром на активном элементе. Биение собственных мод этих связанных интерферометров и основного резонатора лазера обеспечивали частотную модуляцию резонатора и генерацию лазера на одной продольной моде. Спектр генерации лазера регистрировался после удвоения частоты лазера на интерферометре Фабри-Перо с базой 3 см. Вид спектра приведен на фиг.3.
При изменении расположения активного элемента относительно оптической оси более чем на величину α>arctg(d/l) отношения диаметра пучка d к длине l активного элемента и менее чем α<circtg(D/l) величины отношения диаметра активного элемента D к длине l, происходит переключение на режим генерации пикосекундных импульсов. При этом активный элемент перестает быть селектором продольных мод, что приводит к самосинхронизации мод и на выходе возникает лазерный импульс, который представляет собой цуг пикосекундных импульсов с наносекундной огибающей (2) на фиг.2. Длительность огибающей соответствует длительности наносекундного лазерного импульса, расстояние между максимумами пикосекундных составляющих импульсов соответствует времени двойного прохода резонатора (см. соотношение (1)). Количество импульсов в цуге определяется длиной резонатора и фронтом открытия затвора Поккельса - время открытия затвора определяет огибающую τ, в которую укладывается целое число двойных проходов резонатора: N=τ/Δt. Для переключения на режим генерации единичного пикосекундного импульса нужно увеличить длину резонатора настолько, чтобы период следования импульсов в цуге (1) был больше или равен длительности импульса модулятора добротности Поккельса (например, для резонатора длиной 3 м и фронтом открытия затвора 5 не будет реализовываться данное условие). При использовании активного модулятора добротности, который позволяет открывать затвор два (несколько) раза за время вспышки лампы, возможно получать два последовательных импульса пикосекундной длительности с контролируемой задержкой между импульсами до десятков микросекунд на одном и том же лазере без изменения оптических элементов.
Предлагаемый лазер обеспечивает генерацию со следующими особенностями:
1) лазер способен генерировать импульсы либо наносекундной, либо пикосекундной длительности;
2) момент генерации цуга пикосекундных импульсов может быть задан заранее положением фронта импульса-строба, который открывает модулятор Поккельса, при достижении пороговой инверсии населенности рабочего перехода ионов в активном элементе;
3) избежать в выходном излучении вклада свободной генерации, которая всегда присутствует в пикосекундных лазерах [1, 2] и получить цуг пикосекундных импульсов или один импульс без вклада свободной генерации;
4) управлять посредством изменения длины резонатора количеством импульсов в цуге вплоть до доминирующего одного импульса без системы выделения единичного пикосекундного импульса с разрядником вне резонатора лазера;
5) получать пару последовательных пикосекундных импульсов с управляемой задержкой между импульсами до десятков микросекунд;
6) генерировать пикосекундный импульс с энергией, в 30-50 раз превышающей энергию импульса выделенного из цуга в стандартном лазере (по сравнению с прототипом) с пассивной синхронизацией мод при тех же энерговложениях в накачку без дополнительных каскадов оптических усилителей;
7) возможность управления (задания) момента генерации лазерного импульса;
8) если возникнет необходимость генерировать импульсы наносекундной длительности, синхронизованные с моментом открывания модулятора добротности, то активный элемент в этом случае юстируют и угол поворота его равен 0°, чтобы активный элемент выполнял роль интерферометра Фабри-Перо.
Этот способ и устройство позволяют изменением ориентации (юстировкой) активного элемента лазера управлять режимом генерации наносекундного либо пикосекундного импульса (одного или цуга) с заданным временем генерации без изменения элементов резонатора и обеспечивать кратное повышение КПД лазера при генерации одного (несколько) пикосекундного импульса. Это делает предлагаемый способ и устройство удобным в эксплуатации, экономичным и легко управляемым. Таким образом, отличительные признаки способа и устройства дали очевидные преимущества. В связи с вышеизложенным заявленный способ и устройство обладают существенными отличиями.
Предлагаемый способ был осуществлен на промышленном образце импульсного твердотельного лазера ИЛТ-407 В с ламповой накачкой, схема которого приведена на фиг.1. Лазер основан на плоскопараллельном резонаторе длиной 330 мм, который состоит из выходного зеркала (отражение 40%) и глухого зеркала (отражение 99%). Внутри расположен активный элемент Nd:АИГ диаметром 6 мм и длиной 100 мм. Активный модулятор добротности на эффекте Поккельса состоит из кристалла KDP и снабжен брюстеровским поляризатором. Для переключения в режим одночастотной генерации с наносекундной длительностью импульса внутри расположена диафрагма диаметром 2 мм для селекции одной поперечной моды в пучке лазера.
Литература
1. Звелто О., Принципы лазеров, 2008, Лань, Москва, с.720.
2. Siegman A.E., Lasers, 1986, University Science Books, Sausalito, USA.
3. Патент N 1353255, СССР, Першин С.М., Подшивалов А.А., Салтиел С.М., Янков П.Д., 15.07.1987 г.
4. Патент N 1416006, СССР, Кузнецов В.И., Першин С.М., 12.07.1985 г. Прототип.