ЛАЗЕР С МОДУЛЯЦИЕЙ ДОБРОТНОСТИ РЕЗОНАТОРА И СТАБИЛИЗАЦИЕЙ ВЫХОДНЫХ ИМПУЛЬСОВ (ВАРИАНТЫ)
LASER WITH RESONATOR Q-SWITCHING AND STABILIZATION OF OUTPUT PULSES (OPTIONS)

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для конструирования импульсных лазеров с модуляцией добротности, со стабильными выходными параметрами.
При создании лазеров, работающих в режиме активной модуляции добротности, имеющих большую энергию импульса и, одновременно, высокую среднюю мощность, период модуляции выбирается меньше времени жизни люминесценции в активной среде. В силу своей нелинейной динамики, при такой частоте модуляции лазер производит импульсы с периодически меняющейся энергией (так называемые бифуркации умножения периода; см., например, Samson, et al., Nonlinear dynamics of a loss-switched CO2 laser / J. experimental and theoretical phys., 1992, Vol. 74, p. 628). С точки зрения практических приложений, такое явление нежелательно, а в некоторых случаях недопустимо. Простой способ подавления бифуркаций состоит в том, чтобы внести обратную связь между интенсивностью в резонаторе и его добротностью.
Лазер, в котором применена обратная связь для подавления нестабильности выходных импульсов предложен в статье [K. Chil-Min, et al., Stabilization of quasiperiodic output in a Q-switched Nd:YAG laser / 2000 2nd Int. Conf. Control of Oscillations and Chaos. Proc. (Cat. No.00TH8521), 2000, Vol. 3, p. 431-434]. Данное устройство состоит из лазерного резонатора, фотодетектора, и блока управления. Лазерный резонатор включает в себя зеркала (1 глухое, 1 полупрозрачное), активный элемент, и акустооптический модулятор (АОМ). Блок управления подключен к фото детектору и АОМу. Частота ультразвуковой волны, проходящей через АОМ - управляемый параметр, от которого зависит добротность резонатора. Блок управления обратной связью получает временной профиль лазерного импульса от фотодетектора, вычисляет его энергию и подбирает частоту ультразвуковой волны при каждом следующем импульсе, исходя из интенсивности предыдущего, так, чтобы энергия выходных импульсов была постоянна. Подбор осуществляется на основе закона соответствия между энергией текущего импульса, длительностью модуляции и энергией следующего. Этот закон соответствия получается эмпирически для конкретной установки.
Более простая идея реализована в работе [С. Stolzenburg, et al., "AdUanced pulsed thin disk laser sources," in Lasers and Applications in Science and Engineering, 2008, p. 14]. Устройство, реализующее эту идею, состоит из лазерного резонатора, фотодиода, и блока управления. Резонатор включает в себя активный элемент, два глухих зеркала, поляризатор, и электрооптический модулятор, в качестве которого используется ячейка Поккельса. Блок управления состоит из задающего генератора, силового ключа, и источника напряжения. Ячейка Поккельса подключена через силовой ключ к источнику напряжения. Силовой ключ управляется одновременно от задающего генератора и от фотодиода. В исходном состоянии напряжение на ячейке Поккельса таково, что добротность резонатора низкая. Накачка активного элемента работает в непрерывном режиме, в активной среде копится инверсия. В момент времени, определяемый задающим генератором, напряжение отключается от ячейки Поккельса, добротность резонатора становится высокой, в резонаторе появляется и нарастает лазерный сигнал. Часть этого сигнала проходит через глухое зеркало и регистрируется фотодиодом. Напряжение на фотодиоде пропорционально падающему сигналу. В некоторый момент это напряжение превышает заранее определенное значение, вследствие чего фотодиод открывает силовой ключ. Из-за этого добротность резонатора снижается, лазерное излучение покидает резонатор, формируя импульсы стабильной энергии. Процесс повторяется заново.
λ/4
В качестве прототипа выбран лазер, реализующий модуляцию добротности и разгрузку резонатора по сигналу с фотодиода, представленный в патенте US №3673504 [R. Hilberg, "Laser with combined Q-switch and synchronized caUity dump circut", June 27, 1972]. В данном устройстве, представленном на фиг. 1, резонатор 1 состоит из последовательно расположенных на оптической оси первого глухого зеркала 2, активного элемента 3, поляризатора 4, ячейки Поккельса 5 и второго глухого зеркала 6. Позади первого глухого зеркала 2 находится фотодиод 7. Фотодиод 7 подключен к блоку управления 8, который подключен к ячейке Поккельса 5. Блок управления 8 состоит из задающего генератора 9, управляющего блоком накачки 11 и силовым ключом 15 через линию задержки 10, инвертор сигнала 12 и сумматор 14, компаратора 13, силового ключа 15, источника четвертьволнового напряжения 16. Блок накачки 11 осуществляет работу в импульсном режиме. Механизм модуляции добротности следующий. Лазерное излучение проходит поляризатор 4, приобретая вертикальную поляризацию. Затем оно проходит ячейку Поккельса 5 (при этом меняется его поляризация), отражается от второго глухого зеркала 6, снова проходит ячейку Поккельса 5 с изменением поляризации. При напряжении на ячейке Поккельса 5, равном четвертьволновому U, поляризация лазерного излучения за два прохода через ячейку Поккельса 5 поворачивается на 90°, вследствие чего оно отражается от поляризатора 4, покидает резонатор 1 и не усиливается. Это означает, что добротность резонатора 1 нулевая, и лазерная генерация невозможна. При нулевом напряжении на ячейке Поккельса 5 проходящее через нее лазерное излучение не меняет свою поляризацию, поэтому проходит сквозь поляризатор 4, остается в резонаторе 1 и усиливается. Это означает высокую добротность резонатора 1 и возможность лазерной генерации.
(λ/4)
к
Работа устройства описывается следующим образом. Исходное напряжение на ячейке Поккельса 5 равно четвертьволновому U. Блок управления 8 запускает блок накачки 11, который создает инверсную населенность в активном элементе 3. Через интервал времени, определяемый линией задержки 10, блок управления 8 отключает напряжение на ячейке Поккельса 5, повышает добротность резонатора 1, вследствие чего в нем рождается и нарастает лазерное излучение. Малая часть лазерного излучения проходит через первое глухое зеркало 2 и попадает на фотодиод 7. Напряжение с фотодиода 7, пропорциональное интенсивности падающего лазерного излучения, подается в блок управления 8. При превышении напряжением с фотодиода 7 величины U на компараторе 13 силовой ключ 15 подключает источник четвертьволнового напряжения 16 к ячейке Поккельса 5, вследствие чего излучение покидает резонатор 1 в виде импульса с заданной энергией.
Недостатком всех перечисленных устройств является то, что получаемые импульсы не имеют строго определенного временного интервала следования (присутствует временной джиттер). Это можно объяснить следующим образом. Лазерная генерация зарождается из фотонов, спонтанно испущенных активной средой, или из внешних шумов. Момент, когда «стартует» такая генерация, случаен, его невозможно рассчитать и предсказать. Лазерный импульс возрастает с уровня шумов до уровня насыщения за известный интервал времени, но в связи со случайностью начального момента, также случаен и момент достижения максимума излучения. Этот недостаток может быть существенным, когда лазерные импульсы используются для накачки вторичных импульсных источников излучения, где требуется высокая стабильность периода повторения. В связи с этим необходимо принять дополнительные меры для одновременной стабилизации импульсов не только по энергии, но и по времени.
Внесение задержки необходимой длительности во время усиления лазерного импульса от шумов до насыщения, которое реализуется в предлагаемом изобретении, позволяет скомпенсировать разброс начального момента, а значит, осуществить стабилизацию выходных импульсов лазера также и по времени.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является осуществление одновременной стабилизации импульсов как по энергии, так и по времени для лазера с модуляцией добротности.
Технический эффект в случае реализации изобретения по п. 1 формулы достигается тем, что лазер с модуляцией добротности резонатора и стабилизацией выходных импульсов, состоит из резонатора, включающего в себя последовательно расположенные на оптической оси первое глухое зеркало, активный элемент, поляризатор, по крайней мере одну ячейку Поккельса и второе глухое зеркало, и фотодиода, расположенного за первым глухим зеркалом и соединенного с блоком управления, состоящим из задающего генератора, блока накачки, линии задержки, инвертора, по крайней мере одного компаратора, через который напряжение от фотодиода подается в блок управления, и источника четвертьволнового напряжения, подключенного к ячейке Поккельса через силовой ключ.
Новым является то, что блок накачки, осуществляющий работу в постоянном режиме, выполнен автономным от задающего генератора, блок управления содержит источник промежуточного напряжения, подключенный к ячейке Поккельса через дополнительный силовой ключ, а также дополнительный компаратор, положительный вход которого соединен с выходом компаратора, а выход соединен с дополнительным силовым ключом, причем компаратор и дополнительный компаратор имеют нулевой выходной сигнал при равных напряжениях на входах.
Технический эффект в случае реализации изобретения по п. 2 формулы достигается тем, что лазер с модуляцией добротности резонатора и стабилизацией выходных импульсов, состоит из резонатора, включающего в себя последовательно расположенные на оптической оси первое глухое зеркало, активный элемент, поляризатор, по крайней мере одну ячейку Поккельса и второе глухое зеркало, и фотодиода, расположенного за первым глухим зеркалом и соединенного с блоком управления, состоящим из задающего генератора, блока накачки, линии задержки, по крайней мере одного компаратора, через который напряжение от фотодиода подается в блок управления, и источника четвертьволнового напряжения, подключенного к одной ячейке Поккельса через силовой ключ.
Новым является то, что блок накачки, осуществляющий работу в постоянном режиме, выполнен автономным от задающего генератора, резонатор содержит между поляризатором и ячейкой Поккельса дополнительную ячейку Поккельса, а между ячейкой Поккельса и вторым глухим зеркалом четвертьволновую пластинку, при этом блок управления содержит источник промежуточного напряжения, подключенный к дополнительной ячейке Поккельса через дополнительный силовой ключ, а также дополнительный компаратор, положительный вход которого соединен с выходом компаратора, а выход соединен с дополнительным силовым ключом, причем компаратор и дополнительный компаратор имеют нулевой выходной сигнал при равных напряжениях на входах.
Изобретение поясняется следующими чертежами.
Фиг. 1. Схема прототипа с модуляцией добротности и разгрузкой резонатора, в котором реализуется стабилизация импульсов по энергии.
Фиг. 2. Схема лазера с модуляцией добротности со стабилизацией импульсов по энергии и по времени по п. 1 формулы.
Фиг. 3. Временной профиль напряжения на ячейке Поккельса и временной профиль напряжения с фотодиода в лазере по п. 1 формулы.
Фиг. 4. Схема лазера с модуляцией добротности со стабилизацией импульсов по энергии и по времени по п. 2 формулы.
Фиг. 5. Временной профиль напряжения на ячейке Поккельса и дополнительной ячейке Поккельса в лазере по п. 2 формулы.
В случае реализации изобретения по п. 1 формулы (см. фиг. 2) предложен лазер с модуляцией добротности резонатора и стабилизацией выходных импульсов, резонатор 1 которого состоит из последовательно расположенных на оптической оси первого глухого зеркала 2, активного элемента 3, поляризатора 4, ячейки Поккельса 5 и второго глухого зеркала 6. За первым глухим зеркалом 2 находится фотодиод 7, подключенный к блоку управления 8, который подключен к ячейке Поккельса 5. Блок управления 8 включает в себя: задающий генератор 9, линию задержки 10, блок накачки 11, инвертор сигнала 12, компаратор 13, дополнительный компаратор 19, силовой ключ 15, источник четвертьволнового напряжения 16, дополнительный силовой ключ 17 и источник промежуточного напряжения 18. Блок накачки 11 выполнен автономным от задающего генератора 9 и осуществляет работу в постоянном режиме. Источник четвертьволнового напряжения 16, подключен к ячейке Поккельса 5 через силовой ключ 15. Источник промежуточного напряжения 18 подключен к ячейке Поккельса 5 через дополнительный силовой ключ 17. Положительный вход дополнительного компаратора 19 соединен с выходом компаратора 13, а выход дополнительного компаратора 19 соединен с дополнительным силовым ключом 17, причем компаратор 13 и дополнительный компаратор 19 имеют нулевой выходной сигнал при равных напряжениях на входах.
яП
1
3
4
2
ф
к
2
1
λ/4
п
Напряжение U, подаваемое на ячейку Поккельса 5, имеет временную форму, представленную на фиг. 3. Моменты времени t, t, t фиксированы относительно друг друга благодаря задающему генератору 8 и линии задержки 10. Момент времени t - это момент, в который выдаваемое фотодиодом 7 напряжение U, пропорциональное интенсивности падающего на фотодиод 7 лазерного излучения, превышает некоторую фиксированную величину U. Момент времени t не фиксирован относительно t. При подаче на ячейку Поккельса 5 четвертьволнового напряжения U добротность резонатора 1 становится нулевой. Величина промежуточного напряжения U такова, что при подаче его на ячейку Поккельса 5 потери излучения в резонаторе 1 равны усилению слабого сигнала в активном элементе 3.
1
1
ф
2
ф
к
λ/4
Устройство работает следующим образом. Блок накачки 11 работает непрерывно. До момента t напряжение на выходе задающего генератора 9 равно логическому «0», инвертор сигнала 12 имеет на выходе логический «1», поэтому силовой ключ 15 открыт, ячейка Поккельса 5 подключена к источнику четвертьволнового напряжения 16, добротность резонатора 1 нулевая, лазерной генерации нет. При этом дополнительный силовой ключ 17 закрыт.В момент времени t сигнал на выходе задающего генератора 9 меняется с логического «0» на «1», вследствие чего инвертор 12 меняет напряжение на своем выходе с «1» на «0», поэтому силовой ключ 15 закрывается. Напряжение на ячейке Поккельса 5 выключается, добротность резонатора 1 становится высокой. В случайный момент времени в резонаторе 1 зарождается и усиливается лазерное излучение. Фотодиод 7 регистрирует лазерное излучение, проходящее через первое глухое зеркало 2, и выдает напряжение U, пропорциональное интенсивности падающего на него лазерного излучения, на компаратор 13 блока управления 8. В момент времени t напряжение U с фотодиода 7 превышает значение U, поэтому компаратор 13 подает сигнал на положительный вход дополнительного компаратора 19, при этом отсутствует сигнал на отрицательном входе последнего. Вследствие этого дополнительный компаратор 19 подает сигнал «1» на дополнительный силовой ключ 17, открывает его, и источник промежуточного напряжения 18 подключается к ячейке Поккельса 5. При этом потери резонатора 1 становятся равны усилению в активном элементе 3, и интенсивность лазерного излучения в резонаторе 1 остается постоянной до момента времени 13, определяемого линией задержки 10. В момент времени 13 выходное напряжение линии задержки 10 меняется с «0» на «1», т.е. становится равным выходному напряжению компаратора 13, поэтому дополнительный компаратор 19 меняет выходной сигнал с «1» на «0», дополнительный силовой ключ 17 закрывается, и напряжение на ячейке Поккельса 5 выключается. Добротность резонатора 1 снова становится высокой. Имеющееся лазерное излучение усиливается до максимума через фиксированный промежуток времени. После этого задающий генератор 9 меняет выходной сигнал с «1» на «0», инвертор 12 с «0» на «1», силовой ключ 15 открывается. Четвертьволновое напряжение U подается на ячейку Поккельса 5. Лазерное излучение, циркулирующее до этого момента в резонаторе 1, проходит ячейку Поккельса 5, меняет поляризацию с вертикальной на циркулярную, отражается от второго глухого зеркала 6 и снова проходит ячейку Поккельса 5, меняет поляризацию с циркулярной на горизонтальную, отражается от поляризатора 4, стабилизированный как по энергии, так и по времени.
1
4
Благодаря использованию источника промежуточного напряжения 18 добротность резонатора 1 принимает промежуточное значение во временном интервале, который лежит внутри интервала усиления импульса между t и t, поэтому происходит стабилизация выходных импульсов по времени с сохранением стабилизации по энергии.
В случае реализации изобретения по п. 2 формулы (см. фиг. 4), предложен лазер с модуляцией добротности резонатора и стабилизацией выходных импульсов, резонатор 1 которого включает последовательно расположенные на оптической оси первое глухое зеркало 2, активный элемент 3, поляризатор 4, дополнительную ячейку Поккельса 20, ячейку Поккельса 5, четвертьволновую пластинку 21 и второе глухое зеркало 6. За первым глухим зеркалом 2 находится фотодиод 7, подключенный к блоку управления 8. Блок управления 8 включает в себя: задающий генератор 9, линию задержки 10, блок накачки 11, компаратор 13, дополнительный компаратор 19, силовой ключ 15, источник четвертьволнового напряжения 16, дополнительный силовой ключ 17 и источник промежуточного напряжения 18. Блок накачки 11 выполнен автономным от задающего генератора 9 и осуществляет работу в постоянном режиме. Источник четвертьволнового напряжения 16 подключен к ячейке Поккельса 5 через силовой ключ 15. Источник промежуточного напряжения 18 подключен к дополнительной ячейке Поккельса 20 через дополнительный силовой ключ 17. Положительный вход дополнительного компаратора 19 соединен с выходом компаратора 13, а выход дополнительного компаратора 19 соединен с дополнительным силовым ключом 17, причем компаратор 13 и дополнительный компаратор 19 имеют нулевой выходной сигнал при равных напряжениях на входах.
яП
яП(доп)
1
3
4
2
ф
к
2
1
λ/4
п
λ/4
Напряжение U, подаваемое на ячейку Поккельса 5 и напряжение U, подаваемое на дополнительную ячейку Поккельса 20, имеют временные формы, представленные на фиг. 5. Моменты времени t, t, t фиксированы относительно друг друга благодаря задающему генератору 9 и линии задержки 10. Момент времени t - это момент, в который выдаваемое фотодиодом 7 напряжение U, пропорциональное интенсивности падающего на фотодиод 7 лазерного излучения, превышает некоторое фиксированное значение U. Момент времени t не фиксирован относительно t. При нулевом напряжении на ячейке Поккельса 5 и дополнительной ячейке Поккельса 20 добротность резонатора нулевая. При подаче на ячейку Поккельса 5 четвертьволнового напряжения U добротность резонатора 1 становится высокой. Величина промежуточного напряжения U такова, что при одновременной подаче его на дополнительную ячейку Поккельса 20, и четвертьволнового напряжения U - на ячейку Поккельса 5, потери излучения в резонаторе 1 равны усилению слабого сигнала в активном элементе 3.
1
1
ф
к
λ/4
Устройство работает следующим образом. Блок накачки 11 работает непрерывно. До момента t напряжение на выходе задающего генератора 9 равно логическому «0», поэтому силовой ключ 15 закрыт, источник четвертьволнового напряжения 16 отключен от ячейки Поккельса 5. Дополнительный силовой ключ 17 также закрыт, поэтому источник промежуточного напряжения 18 отключен от дополнительной ячейки Поккельса 20. В момент времени t сигнал на выходе задающего генератора 9 меняется с логического «0» на «1», вследствие чего силовой ключ 15 открывается. Напряжение на ячейке Поккельса 5 становится четвертьволновым, добротность резонатора 1 становится высокой. В случайный момент времени в резонаторе 1 зарождается и усиливается лазерное излучение. Фотодиод 7 регистрирует лазерное излучение, проходящее через первое глухое зеркало 2, и выдает напряжение U, пропорциональное интенсивности падающего лазерного излучения, на компаратор 13 блока управления 8. В момент времени 12 напряжение с фотодиода 7 превышает значение U, поэтому компаратор 13 подает положительный сигнал на положительный вход дополнительного компаратора 19, при этом отсутствует сигнал на отрицательном входе последнего. Вследствие этого дополнительный компаратор 19 подает сигнал «1» на дополнительный силовой ключ 17, открывает его, и источник промежуточного напряжения 18 подключается к дополнительной ячейке Поккельса 20. При этом потери резонатора 1 становятся равны усилению в активном элементе 3, и интенсивность лазерного излучения в резонаторе 1 остается постоянной до момента времени 13, определяемого линией задержки 10. В момент времени 13 выходное напряжение линии задержки 10 меняется с «0» на «1», т.е. становится равным выходному напряжению компаратора 13, поэтому дополнительный компаратор 19 меняет выходной сигнал с «1» на «0», дополнительный силовой ключ 17 закрывается, и напряжение на дополнительной ячейке Поккельса 20 выключается. Добротность резонатора 1 снова становится высокой. Имеющееся лазерное излучение усиливается до максимума через фиксированный промежуток времени. После этого задающий генератор 9 меняет выходной сигнал с «1» на «0», силовой ключ 15 закрывается. Четвертьволновое напряжение U отключается от ячейки Поккельса 5. Лазерное излучение, циркулирующее до этого момента в резонаторе 1, проходит четвертьволновую пластинку 21, меняет поляризацию с вертикальной на циркулярную, отражается от второго глухого зеркала 6 и снова проходит четвертьволновую пластинку 21, меняет поляризацию с циркулярной на горизонтальную, отражается от поляризатора 4, формируя выходной импульс, стабилизированный как по энергии, так и по времени.
Четвертьволновая пластинка 21, вставленная в резонатор 1, позволяет инвертировать сигнал от источника четвертьволнового напряжения 16, поступающего на ячейку Поккельса 5. Таким образом, высокое напряжение на ней включено в течение короткого интервала времени, что снижает требования к источнику четвертьволнового напряжения 16. Кроме того, поскольку источники напряжений подключены к разным ячейкам Поккельса, они не имеют общих высоковольтных проводников, что исключает их замыкание между собой.
Таким образом, предлагаемый лазер с модуляцией добротности как в случае реализации по п. 1, так и в случае реализации по п. 2 формулы, в отличие от прототипа, позволяет осуществлять стабилизацию выходных импульсов не только по энергии, но и по времени.