Акустооптический лазерный затвор с выводом тепловой энергии из резонатора лазера
ACOUSTO-OPTICAL LASER SHUTTER WITH THERMAL ENERGY EXTRACTION FROM LASER RESONATOR

Изобретение относится к квантовой электронике, лазерной технике и акустооптике, в частности, оно может быть отнесено к акустооптическим (АО) устройствам модуляции добротности резонаторов лазеров видимого, ближнего и среднего инфракрасного (ИК) диапазонов длин волн (от 0,4 до 5,0 мкм).
АО-модуляторы добротности или АО-лазерные затворы широко используются для внутрирезонаторной модуляции потерь в резонаторах лазеров с целью генерации лазерных импульсов с высокой энергией. Когда АО-затвор включен, он вносит потери в резонатор, превышающие усиление за проход. Уровень вносимых затвором потерь для твердотельных импульсных лазеров, работающих в ближнем ИК-диапазоне длин волн, определяется системными параметрами лазера и обычно составляет от 60 до 80%. Когда АО-затвор выключается, потери в резонаторе уменьшаются до статических. В лазере развивается генерация гигантского импульса.
В качестве материала, из которого изготавливаются светозвукопроводы АО-устройств, в модуляторах добротности мощных лазеров в основном применяется плавленый кварц и кристаллический кварц. Эти материалы обладают высокой стойкостью к лазерному излучению, но низким АО-качеством.
Известно (US 6563844 В1, опубл. 13.05.2003 г.), что типичный АО-затвор на основе кварца, работающего на длине волны 1,06 мкм создает в резонаторе типичного лазера уровень потерь 75% при управляющей мощности высокочастотного (ВЧ) сигнала порядка 30 Вт. Стандартным техническим решением уменьшения температуры затвора является либо водяное охлаждение, либо термоэлектрическое с применением элементов Пельтье.
Принудительное охлаждение эффективно работает до значений ВЧ-мощности порядка 60 Вт. При большей мощности перегрев АО-затвора приводит к развитию температурных градиентов, изменению оптических, акустических и фотоупругих свойств АО-кристалла вплоть до его разрушения.
Известен пьезоэлектрический акустический демпфер (RU 187662 U1, опубл. 14.03.2019), который применяют для создания режима акустооптического взаимодействия на бегущей акустической волне в АО устройствах, в том числе, в АО затворах. Акустический пучок после АО-взаимодействия со световым пучком улавливается пьезоэлектрическим демпфером. В результате прямого пьезоэффекта возникает разность потенциалов между электродами демпфера и электрический ток, проходящий через электрическую нагрузку.
Недостатком демпфера является отсутствие согласования линейных апертур и диаграмм направленности акустического излучателя и акустического приемника, что приводит к существенному снижению эффективности акустического поглощения демпфером. Недостатком также является отсутствие технического решения по электрическому согласованию демпфера, что уменьшает эффективность и диапазон частот поглощения.
4
2
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) заявляемому устройству является устройство для модуляции лазерного излучения (RU 2699947 С1, опубл. 11.09.2019), представляющее собой высокоэффективный и стойкий к лазерному излучению лазерный затвор на основе квазисдвиговой акустической моды в кристалле группы калий-редкоземельных вольфраматов KRE(WO), где RE=Y, Yb, Gd, Lu. Предложенное техническое решение эффективно для диапазона длин волн до 2 мкм (K.В. Yushkov, et al. KYW crystal as a new material for acousto-optical Q-switches // Proc. SPIE. - 2019. - V. 10899. - P. 1089913).
Недостатком прототипа является перегрев лазерного затвора в случае работы в 3-5 мкм области среднего ИК-диапазона. Так управляющая ВЧ-мощность при работе затвора, например, на 4 мкм, превышает его управляющую мощность на 2 мкм в 4 раза. Недостатком прототипа также является применение стандартного акустического поглотителя, выполненного в виде наклонной акустической грани и расположенного непосредственно на АО-кристалле. В результате, вся выделяемая в поглотителе энергия приводит к нагреву светозвукопровода.
Технической задачей изобретения является создание нового термостабильного АО-лазерного затвора, оптимизированного для работы в резонаторах мощных лазеров диапазона длин волн от 3 до 5 мкм.
Техническим результатом изобретения является снижение температуры АО-затвора до допустимой в условиях работы с заданной дифракционной эффективностью, снижение управляющей ВЧ-мощности, повышение надежности и расширение областей применения АО-приборов в лазерных системах в сторону длинноволновой части среднего ИК-диапазона длин волн (от 3 до 5 мкм).
Указанный технический результат изобретения достигается следующим образом.
Акустооптический затвор состоит из размещенного в лазерном резонаторе и изготовленного из акустооптического материала светозвукопровода, имеющего входную и выходную оптические грани с антиотражающими покрытиями и параллельные друг другу первую и вторую акустические грани, к которым идентичной технологией присоединены соответственно пьезопреобразователь и пьезопоглотитель, выполненные в виде пластин монокристаллов на основе ниобата лития и имеющие идентичные линейные размеры, толщину и ориентацию, а также из первой электрической согласующей системы, вход которой соединен с выходным сопротивлением драйвера, а выход со входом пьезопреобразователя, и из второй электрической согласующей системы, вход которой соединен с выходом пьезопоглотителя, а выход посредством коаксиального ВЧ-кабеля соединен со входом электрической нагрузки, удаленной из резонатора и установленной на теплоотводе.
4
2
4
2
4
2
4
2
Кроме того светозвукопровод выполнен из монокристалла калий-гадолиниевого вольфрамата KGd(WO) или кристалла калий-иттриевого вольфрамата KY(WO) или кристалла калий-лютециевого вольфрамата KLu(WO) или кристалла калий-иттербиевого вольфрамата KYb(WO).
2
Также светозвукопровод выполнен из монокристалла парателлурита ТеО.
2
При этом светозвукопровод выполнен из монокристалла кварца α-SiO.
2
Кроме того, светозвукопровод выполнен из аморфного плавленого кварца SiO.
Также пьезопреобразователь и пьезопоглотитель присоединены к светозвукопро-воду путем склейки или прямой сварки диэлектриков или вакуумной диффузионной сварки с образованием двойных сплавов или атомной диффузионной сварки одноименных металлов.
В изобретении входной лазерный пучок дифрагирует на бегущей акустической волне, генерируемой пьезопреобразователем, при этом пучок нулевого порядка дифракции является рабочим, пучок минус первого порядка отклоняется и не используется. Бегущая акустическая волна после дифракции улавливается пьезопоглотителем и преобразуется в электрические колебания, которые распространяются по коаксиальному кабелю и диссипируются в удаленной электрической нагрузке, установленной на теплоотводе, который расположен вне резонатора лазера в конструктивно приемлемой зоне лазерной системы.
2
Тем самым достигается технический результат изобретения: обеспечивается вывод части тепловой энергии из акустооптического затвора, изготовленного из АО материала с высоким АО качеством М, в конструктивно приемлемую зону вне резонатора лазера, уменьшается управляющая ВЧ-мощность, обеспечивается понижение температуры затвора, повышается стабильность работы лазера, и, как следствие, возникает возможность применять АО затворы в среднем ИК диапазоне 3-5 мкм.
В частном случае, светозвукопровод может быть монокристаллом калий-редкоземельного вольфрамата, парателлурита, кварца, или призмой из аморфного плавленого кварца, а пьезопреобразователь и пьезопоглотитель могут быть выполнены на основе монокристалла ниобата лития Х-среза или 163°Y-среза, обеспечивающих эффективное возбуждение сдвиговых акустических волн, а возбуждаемая пьезопреобразователем в светозвукопроводе акустическая волна является чистой сдвиговой или квазисдвиговой модой или 36°Y-среза, обеспечивающего эффективное возбуждение продольных акустических волн в светозвукопроводе, а возбуждаемая пьезопреобразователем в светозвукопроводе акустическая волна является чистой продольной или квазипродольной модой.
В частном случае также для уменьшения управляющей ВЧ-мощности пьезопреобразователь и пьезопоглотитель могут быть присоединены к светозвукопроводу по оригинальной вакуумной технологии с образованием двойных сплавов (патент RU 2461097 С1, опубл. 10.02.2019). Пьезопреобразователь и пьезопоглотитель также могут быть присоединены к светозвукопроводу склейкой, методом атомной диффузионной сварки одноименных металлов (Т. Shimatsu, М. Uomoto, Atomic diffusion bonding of wafers with thin nanocrystalline metal films // J. Vac. Sci. Technol. В. - 2010. - V. 28 - P. 706), или методом прямой сварки (K. Eda et al. Direct Bonding of Piezoelectric Materials and Its Applications // Proc. 2000 IEEE Ultrasonics Symposium. – 2000. - P. 299), обеспечивающими акустический контакт соединяемых поверхностей. Идентичность технологии присоединения пьезопреобразователя и пьезопоглотителя обеспечивает идентичность акустических свойств соединительных слоев.
4
2
Изобретение поясняется чертежом, где приведено схематическое изображение акустооптического лазерного затвора на основе кристалла группы калий-редкоземельного вольфрамата KRE(WO).
На фигуре обозначены: светозвукопровод 1; первая акустическая грань 2; вторая акустическая грань 3; пьезопреобразователь 4; пьезопоглотитель 5; входная оптическая грань 6 с антиотражающим покрытием; выходная оптическая грань 7 с антиотражающим покрытием; входной лазерный пучок 8; направление 9 поляризации лазерного пучка; нулевой порядок 10 дифракции; минус первый порядок 11 дифракции; первая электрическая согласующая система 12 пьезопреобразователя; вторая электрическая согласующая система 13 пьезопоглотителя; управляющий ВЧ-сигнал 14; коаксиальный кабель 15; электрическая нагрузка 16; теплоотвод 17; волновой вектор 18 акустической волны; вектор 19 потока энергии акустической волны; собственные диэлектрические оси 20, 21 и 22 кристаллов Np, Nm и Ng соответственно
Изобретение реализуется следующим образом.
4
2
2
АО-затвор состоит из светозвукопровода 1, изготовленного из монокристалла группы KRE(WO) с высоким АО качеством М, имеющего две параллельные акустические грани 2 и 3 с присоединенными к ним пьезопреобразователем 4 и пьезопоглотителем 5. Грани 2 и 3 параллельны собственной диэлектрической оси 20 кристалла светозвукопровода 1 и нормаль к ним составляет угол от 0 до минус 40 градусов с собственной диэлектрической осью 21 монокристалла, что позволяет реализовать максимум акустооптического качества. Входная оптическая грань 6 и выходная оптическая грань 7 ортогональны собственной диэлектрической оси 20 кристалла и имеют антиотражающие покрытия. Пьезопреобразователь 4 на основе сдвиговой пластинки ниобата лития возбуждает в светозвукопроводе 1 квазисдвиговую акустическую волну с волновым вектором 18, поляризованную ортогонально собственной диэлектрической оси 20 кристалла, которая падает на пьезопоглотитель 5, причем вследствие акустической анизотропии вектор 19 потока акустической энергии не совпадает с волновым вектором 18. Пьезопоглотитель 5 на основе сдвиговой пластинки ниобата лития расположен на грани 3 светозвукопровода 1, в области проекции пьезопреобразователя 4 вдоль вектора 19 и имеет одинаковые с ним геометрические размеры, что обеспечивает режим согласования диаграмм направленности пьезопреобразователя 4 и поглотителя 5 и максимальную эффективность преобразования упругой волны в электрические колебания. Входной лазерный пучок 8 имеет вертикальную линейную поляризацию 9, параллельную собственной диэлектрической оси 22 светозвукопровода 1. Пучок нулевого порядка 10 дифракции является рабочим лазерным пучком; пучок минус первого порядка 11 отклоняется и не используется. Управляющий ВЧ-сигнал 14 от драйвера поступает на электрическую согласующую систему 12 пьезопреобразователя 4, необходимую для электрического согласования комплексного импеданса пьезопреобразователя 4 в рабочем диапазоне частот лазерного затвора с выходным сопротивлением драйвера. Электрический ВЧ-сигнал от пьезопоглотителя 5 поступает на электрическую согласующую систему 13 для электрического согласования комплексного импеданса пьезопоглотителя в рабочем диапазоне частот затвора с электрической нагрузкой 16, имеющей активное сопротивление 50 Ом и присоединенной к согласующей системе 13 коаксиальным ВЧ-кабелем 15 с волновым сопротивление 50 Ом. Энергия бегущей акустической волны в пьезопоглотителе 5 преобразуется в ВЧ-электрическую энергию и по ВЧ-кабелю 15 передается в электрическую нагрузку 16, в которой происходит диссипация ВЧ-энергии и которая установлена на теплоотводе 17, удаленном из резонатора лазера в конструктивно приемлемое место лазерной системы.
Тем самым достигается технический результат изобретения: часть тепловой энергии акустооптического затвора с пониженной управляющей ВЧ-мощностью выводится в зону, расположенную вне резонатора лазера, вследствие чего понижается температура затвора, повышается термостабильность резонатора и реализуется возможность работать в среднем ИК диапазоне 3-5 мкм.
4
2
В других АО-материалах, например в парателлурите или кристаллическом кварце используются иные, чем в кристаллах группы KRE(WO), ориентации светозвукопровода относительно кристаллографических осей. Например, в АО-модуляторах и затворах на основе парателлурита используется чистая сдвиговая акустическая волна, распространяющаяся вдоль оси [001] с параллельными векторами 18 и 19, а лазерный пучок распространяется вдоль оси [100] или вдоль оси [110]. В плавленом кварце, являющимся изотропным материалом, любая поляризация света является собственной, но максимальное акустооптическое качество достигается для продольной акустической волны при поляризации пучка, параллельной вектору акустического смещения.
4
2
2
4
2
Моноклинные кристаллы группы KRE(WO) обладают высоким АО-качеством Mдля изотропной дифракции, максимальные значения которого в оптимальных направлениях близки по величине к акустооптическому качеству парателлурита для продольной волны, распространяющейся вдоль оси Z, и более чем на порядок, превосходящим АО-качество кристаллического и плавленого кварца. При этом лазерная стойкость монокристаллов группы KRE(WO) значительно выше, чем в парателлурите. Совокупность этих двух факторов позволяет создавать на основе этих монокристаллов внутрирезонаторные затворы для мощных импульсных лазеров с существенно сниженными по сравнению с кварцем потребляемой мощностью и температурой затвора.