ЛАЗЕР С МОДУЛЯЦИЕЙ ДОБРОТНОСТИ РЕЗОНАТОРА И СИНХРОНИЗАЦИЕЙ МОД
Q-SWITCHED AND MODE-COUPLED LASER

Изобретение относится к области оптических квантовых генераторов (лазеров), более конкретно к лазерам, в которых с целью увеличения пиковой мощности используется модуляция добротности резонатора (режим Q-switch) и синхронизация мод.
Известные решения на основе акустооптических модуляторов (АОМ) в резонаторе лазера используют для этой цели два отдельных модулятора - для модуляции добротности на основе бегущей акустической волны и для активной синхронизации мод на основе стоячей акустической волны [1. Мустель Е.Р., Парыгин В.Н. Методы модуляции и сканирования света. М.: Наука, 1970. 2. Магдич Л.Н., Молчанов В.Я. Акустооптические устройства и их применение. М.: Советское радио, 1978], что приводит к дополнительным потерям в резонаторе лазера, громоздкости и удорожанию лазера. Известны и лазеры с пассивной синхронизацией мод, достигаемой размещением нелинейных поглощающих элементов в резонаторе [3. Херман Й., Вильгельми Б. Лазеры сверхкоротких световых импульсов. М.: Мир, 1986], которые обеспечивают генерацию в виде цугов импульсов. Однако они имеют низкую воспроизводимость и стационарность импульсов излучения (импульсы хаотичны), а также более низкие значения выходной мощности по сравнению со случаем активной синхронизации.
3
4
Кроме того, известны лазеры с активной синхронизацией мод с помощью АОМ бегущей волны, в котором синхронизация мод осуществлялась возвращением дифрагировавших волн в резонатор с помощью дополнительных зеркал [4. Кравцов Н.В. и др. Письма в ЖТФ. Т.9. В.7. С.440. 1983. 5. Надточеев В.Е., Наний О.Е. Квантовая электроника. Т.16. №11. С.2231. 1989], что значительно (более чем в 10 раз) увеличивало область синхронизации по сравнению с обычно используемым для этих целей АОМ стоячей волны. Однако наличие дополнительных зеркал значительно усложняло конструкцию лазера и увеличивало его размеры. При этом в указанных устройствах отсутствовала модуляция добротности резонатора, что приводило к значительному (10-10 раз) проигрышу в величине пиковой мощности, что является недостатком этих устройств по сравнению с лазерами, в которых одновременно осуществляется режим Q-switch и синхронизация мод.
По технической сущности (набору элементов и расположению зеркал резонатора) наиболее близким к предлагаемому решению является лазер, исследованный авторами настоящей заявки в работе [6. Донин В.И., Никонов А.В., Яковин Д.В. Квантовая электроника. Т.34. №10. С.930. 2004]. Резонатор этого лазера состоит из четырех зеркал, из которых два концевых и два вспомогательных зеркала. Между первым концевым зеркалом резонатора и активным элементом размещается акустооптический модулятор, а перед вторым концевым зеркалом устанавливается нелинейный кристалл. При этом первое концевое зеркало, модулятор, активный элемент и одно из вспомогательных зеркал расположены в одном плече оптического резонатора, а другое вспомогательное зеркало, нелинейный кристалл и второе концевое зеркало расположены в другом плече резонатора.
В предлагаемом лазере достигнут высокий (по сравнению с рассмотренными выше устройствами) уровень пиковой мощности при стабильности и воспроизводимости его выходных характеристик. Технический результат достигается за счет того, что в лазере, резонатор которого состоит из четырех зеркал, из которых два концевых и два вспомогательных зеркала, и между первым концевым зеркалом резонатора и активным элементом размещается акустооптический модулятор, а перед вторым концевым зеркалом устанавливается нелинейный кристалл, при этом первое концевое зеркало, модулятор, активный элемент и одно из вспомогательных зеркал расположены в одном плече оптического резонатора, а другое вспомогательное зеркало, нелинейный кристалл и второе концевое зеркало расположены в другом плече резонатора, первое концевое зеркало выполнено в виде вогнутой сферы радиуса R1, центр модулятора отстоит от отражающей поверхности первого концевого зеркала на расстоянии, равном радиусу R1, а между нелинейным кристаллом и вторым концевым зеркалом дополнительно устанавливается диафрагма, рабочая частота f модулятора задается равной (или кратной) половине межмодового интервала 2f лазера (2f=c/2L, где с - скорость света, L - длина резонатора), а частота переключения модулятора определяет частоту следования Q-switch импульсов (например, выбирается в диапазоне от одного до ста килогерц).
Целью предлагаемого изобретения является увеличение пиковой мощности лазера при стабильности и воспроизводимости его выходных характеристик за счет использования одного АОМ бегущей волны как для модуляции добротности, так и для синхронизации мод лазера без использования дополнительных зеркал. При этом помещенный в резонаторе лазера нелинейный кристалл (кристаллы) одновременно используется как для генерации гармоник излучения, так и для дальнейшего уменьшения длительности импульсов за счет образования в нем (в них) керровской линзы.
Описание предлагаемого решения поясняется графическим материалом:
Фиг.1. Схема лазера. 1, 4, 5, 8 - зеркала резонатора, 2 - акустооптический модулятор, 3 - активный элемент, 6 - керровский элемент (один или более нелинейных кристаллов в случае генерации гармоник, либо пластинка в случае основной частоты), 7 - диафрагма.
Фиг.2. Осциллограмма импульса генерации Nd:YAG лазера (на переходе λ=1,064 мкм) в режиме Q-switch с синхронизацией мод. Цена деления по оси абсцисс 50 нс. Средняя мощность лазера 2 Вт, частота повторения 2 кГц.
Б
0
0
0
Б
0
Б
0
ЗВ
зв
0
5
Предлагаемый лазер (фиг.1) выполнен на основе простой и эффективной схемы удвоения частоты генерации одномодового твердотельного лазера (например, Nd:YAG) с накачкой лазерными диодами [6]. Длина резонатора (с учетом показателей преломления в расположенных в резонаторе элементов) L=1,5 м. Акустооптический модулятор бегущей волны 2 расположен под углом Брэгга (θ) к оптической оси резонатора между первым концевым сферическим зеркалом 1 и активным элементом 3. Центр модулятора отстоит от отражающей поверхности зеркала 1 на расстоянии R1, равном радиусу кривизны этого зеркала. При подаче рабочей частоты f=50 МГц, равной половине межмодового интервала 2f лазера на пьезопреобразователь АОМа в светозвукопроводе образуется бегущая звуковая волна (показана маленькой "жирной" стрелкой), на которой происходит брэгговская дифракция лазерного излучения. В результате при прохождении луча со стороны активного элемента 3 на зеркало 1 падает два луча: первый - проходящий по оси резонатора лазера (обозначен буквой "а") - отражается от зеркала назад по тому же пути без изменения частоты v лазера; второй (обозначен буквой "б") - испытывающий брэгговскую дифракцию - падает на зеркало 1 с частотой (ν+f) и, отражаясь от сферической поверхности зеркала, попадает обратно в АОМ, где распадается на луч без изменения частоты (ν+f), выходящий из резонатора в обратном направлении под углом 2θ, и на луч после повторной дифракции в светозвукопроводе модулятора. Последний луч с частотой (ν+2f) распространяется в обратном направлении по оси резонатора. За счет этого достигается эффект синхронизации мод, как и в упоминавшихся выше работах [4, 5]. Выходящий под углом 2θ из резонатора луч с частотой (ν+f) обеспечивает модулирующие добротность резонатора потери, и лазер работает в режиме модуляции добротности с частотой следования импульсов, задаваемой частотой переключения модулятора (~1÷100 кГц). При этом, после отключения рабочей частоты, звуковая волна в светозвукопроводе АОМа отключается за время τ=d/V=0,2 см/5·l0 см/c≈0,4 мкс (где d - диаметр лазерного луча в светозвукопроводе, V - скорость звука). Длительность импульса генерации лазера в режиме Q-switch составляет ~100 нc, т.е. за время τ за счет луча повторной дифракции с частотой (ν+2f) в импульсе генерации одновременно происходит синхронизация мод (Q-switch импульс с синхронизацией мод показан на фиг.2). Измеренная оптическим коррелятором длительность отдельного импульса (внутри огибающей импульса Q-switch) составила 50 пс (т.е. пиковая мощность отдельного импульса в условиях фиг.2 составляет ~ 2 МВт). Длительность импульса и соответствующая пиковая мощность 2 МВт получена без формирования (настройки) керровской линзы.
Дальнейшее уменьшение длительности отдельного импульса генерации с целью увеличения пиковой мощности производится керровской линзой (т.е. наведенной излучением лазера), формируемой в нелинейном кристалле для генерации гармоники 6 (в нашем эксперименте кристалл LBO с синхронизмом 1-го типа) и диафрагмой 7. Для этого матричным методом рассчитывались области устойчивости резонатора с керровской линзой и без нее. При этом элементы резонатора выбирались в соответствие с расчетом, чтобы в отсутствии керровской линзы лазер работал на границе устойчивости, а при ее появлении переходил в устойчивый режим. Настройка на данный режим генерации осуществлялась точным подбором в соответствии с расчетом расстояний от нелинейного кристалла 6 до зеркал 5 и 8, а также положением и размером диафрагмы 7. Сокращение длительности импульса достигается совместным действием керровской линзы и диафрагмы. Оптическая сила керровской линзы пропорциональна интенсивности проходящего через нее света (более интенсивное излучение фокусируется сильнее) и, таким образом, установкой диафрагмы можно добиться сокращения длительности импульса за счет ослабления его краев и усиления средней части.
В случае необходимости работы лазера на основной частоте генерации (без гармоник излучения) вместо нелинейного кристалла помещается обычный оптический материал, обладающий достаточной керровской нелинейностью (например, пластинка из стекла ТФ 5). Измеренная оптическим коррелятором длительность отдельного импульса Nd:YAG лазера составила ≤10 пс (т.е. пиковая мощность отдельного импульса в условиях фиг.2 составляет ≥10 МВт). Эти экспериментальные данные подтверждают, что в предлагаемом лазере обеспечиваются высокие значения пиковой мощности. Решение, при котором с помощью одного акустооптического модулятора одновременно удалось модулировать добротность резонатора и обеспечить синхронизацию мод, является новым.
Предлагаемый лазер не требует дополнительной "стартовки" керровской линзы и обладает высокой кратковременной и долговременной стабильностью выходных характеристик.