Оптический составной резонатор для твердотельных и диодных лазеров

Полезная модель относится к области квантовой электроники и может быть использована для формирования качественного излучения в твердотельных и диодных лазерах.
Известно, что в твердотельных лазерах используются в качестве активной среды вибронные кристаллы, диодные лазеры имеют широкополосную генерацию в видимом и ближнем ИК-диапазоне спектра (380-2500 нм), что ограничивает их возможное применение в ряде технологических приложениях.
Известно, что для получения качественного пучка (узкая линия, поляризация, расходимость) в лазере необходимо в его резонаторе использовать различные оптические селективные элементы. Однако, за счет наличия на этих элементах высокого уровня неселективных потерь, в лазере существенно уменьшается выходная энергия (мощность) излучения и уменьшается спектральная область перестройки линии генерации. Это приводит к тому, что для повышения энергии необходимо применять лазерные системы, включающие в себя задающий генератор для формирования качественного излучения и усилитель для повышения энергии. При этом часто в качестве задающего генератора используются другие типы лазеров. Все это существенно усложняет и удорожает установку или прибор. Таким образом, существует потребность в разработке новых технических решений для формирования мощного качественного излучения в одномодульных лазерах.
-1
Имеющиеся в литературе данные показали [1-3], что при формировании в александритовом лазере узкополосного излучения, как правило, используются интерференционно-поляризационные фильтры Лео, имеющие малые неселективные потери. Тем не менее, небольшой коэффициент усиления активной среды (g ~ 0.05-0.1 см) и существующие потери в таком резонаторе повышают порог генерации и существенно снижают энергию (мощность) узкополосного излучения.
В качестве аналога можно взять патент № RU 2607815 С1 [4], в котором составной резонатор эксимерного лазера содержит разрядную камеру, выходной модуль, модуль сужения спектральной линии излучения и модуль усиления излучения. Разрядная камера лазера содержит рабочий газ для генерации излучения под действием источника возбуждения. Технический результат патента направлен на сужение спектральной линии с одновременным увеличением выходной мощности излучателя. Недостатком данного патента является другая спектральная область (200-350 нм) эксимерных лазеров и большие их габариты по сравнению с твердотельными лазерами.
кр
-3
-1
Наиболее близким аналогом, взятым нами за прототип, является александритовый лазер, описанный в работе [5], в котором были реализованы условия формирования пучка в малоапертурном составном резонаторе с пассивной модуляцией добротности и с самоинжекцией узкополосного излучения в резонатор лазера. Данный лазер имеет составной резонатор, стоящий из основного резонатора (ОР) и интегрированного с ним внешнего селективного резонатора (ВСР). ОР состоит из вогнутого зеркала полного отражения с радиусом r= 150 см, пассивного затвора, диафрагмы диаметром 1,5 мм, активной элемент из александрита длиной 9 см и диаметром 0.5 см и плоского зеркала с коэффициентом отражения R=60%. ВСР состоит из расширяющей призмы с углом преломления 42°, интерферометра Фабри-Перро и дифракционной решетки с числом штрихов 1200 штр/мм. Длина резонатора была 135 см. Принцип работы лазера заключается в следующем. Он работает в режиме пассивной модуляции добротности резонатора. После создания инверсии в активном элементе открывается пассивный затвор и формируется импульс излучения с длительностью 180 не, энергией 1.5 мДж и шириной спектральной линии 5×10 см (2.8 нм), который выводится из лазера за счет отражения от грани расширяющей призмы.
Недостатком технического решения, реализованного в прототипе в свете предлагаемого решения, является низкая энергия выходного пучка (1.5 мДж), большая длительность импульса излучения (180 нс, мощность 8,3 кВт) и широкая спектральная линия (2.8 нм).
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение выходной мощности и уменьшение ширины спектральной линии твердотельного лазера, работающего в режиме модуляции добротности резонатора.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном решении составной резонатор лазера, состоит из основного резонатора (ОР), включающий в себя кроме активного элемента сферическое зеркало, диафрагму, оптический затвор, полупрозрачное зеркало, и интегрированного с ним внешнего селективного резонатора (ВСР), включающего в себя расширяющую призму и дисперсионный элемент. Новым является то, что в ОР в качестве оптического затвора установлены активный затвор на основе пленочного поляризатора и ячейки Поккельса, диафрагма с диаметром 3 мм, а в ВСР в качестве дисперсионного элемента устанавливается дифракционная решетка с двумя расширяющими призмами.
1
2
3
1
2
пр
1
2
3
1
2
пр
пр
1
2
пр
Положительный эффект полезной модели достигается за счет замены пассивного затвора на активный, увеличения диаметра внутрирезонаторной диафрагмы, исключения из ВСР интерферометра Фабри-Перро и использования двух расширяющих призм. Установка прямоугольной призмы углом в диапазоне (80-85 град.), разделяющей ОР лазера и интегрированного с ним ВСР, позволяет обеспечить оптимальную обратную связь между ОР и ВСР при которой в составном резонаторе обеспечивается эффективное формирование когерентного излучения. При этом величина обратной связи ОР составила k=R×R=0,5±0.1, а ВСР k=R×(1-R×R)×(1-R)=0.3±0.05. В этом случае величина обратной связи оптического составного резонатора составила K=R×R+R×(1-R×R)×(1-R)=0.8±0.15, где R≈33±1%, a R, R и R - коэффициенты отражения глухого и выходного зеркала, и отражения от поверхности призмы для угла падения (82°±2) пучка, имеющего p-поляризацию.
В качестве доказательства возможности осуществления заявляемой полезной модели приводится пример экспериментальной реализации предлагаемого решения.
На Фиг. 1 представлена оптическая схема составного резонатора лазера.
Оптический составной резонатор лазера состоит из ОР и интегрированного с ним ВСР. ВСР содержит расширяющий телескоп на основе двух прямоугольных призм (1) и дифракционную решетку 1200 штр/мм (2). ОР содержит полупрозрачное выходное зеркало (3), активным элементом является александрит (4) длиной 9 см и диаметром 0.6 см, электрооптический затвор на основе пленочного поляризатора (5) и ячейки Поккельса (6), диафрагму диаметром 3 мм (7) и вогнутое зеркало полного отражения (8). Обратная связь между ОР и ВСР обеспечивается отражением пучка от дифракционной решетки (2), установленной в автоколлимационном режиме. Вывод пучка из лазера обеспечивается отражением излучения от одной грани призмы (1), установленной под углом падения не нее пучка в 82°. При этом лазерное излучение имеет р-поляризацию в плоскости падения на поляризатор (5) и призмы (1). Длина оптического составного резонатора была 75 см. Температура кристалла александрита удерживалась в диапазоне 70±0.3°С.
Принцип работы лазера заключается в следующем. Он работает в режиме модуляции добротности (как и прототип). После достижения инверсии в активной среде (4) открывается электрооптический затвор (5, 6) и в составном резонаторе формируется мощный и короткий импульс. Часть этого импульса выводится из лазера за счет отражения излучения от грани одной призмы (1). Узкая линия излучения обеспечивается дифракционной решеткой (2), а высокая направленность пучка - диафрагмой (7).
В результате на выходе лазера регистрировался импульс излучения, имеющий следующие параметры:
ширина спектральной линии - менее 20 пм;
диапазон спектральной перестройки - 710-790 нм;
энергия на краю контура усиления - 25 мДж;
длительность импульса на полувысоте интенсивности - 30 нс;
импульсная мощность - 833 кВт;
степень поляризации - 99%;
расходимость (80% энергии) - 0.7 мрад;
частота повторения импульсов - 1-15 Гц.
Таким образом, предложенный оптический составной резонатор позволяет в лазере, как на кристалле александрит, так и в диодных лазерах формировать узкополосное и высоконаправленное излучение, которое более чем на два порядка превышает импульсную мощность, полученную в прототипе, и в той же пропорции уменьшает ширину спектральной линии.
Использование предлагаемого нами составного резонатора позволит формировать узкополосное перестраиваемое излучение в твердотельных лазерах видимого и ближнего ИК-диапазонах спектра, работающих как в непрерывном, так и импульсных режимах.
Источники информации:
1. J.С. Walling, О.G. Peterson, Н.P. Jenssen, R.С. Morris, Е. Wayne O'dell Tunable Alexandrite Lasers // IEEE J. of Quant. Electron. 1980. Vol. 16, No. 12. P. 1302-1315.
2
4
2. Sh. Imai, T. Yamada, Y. Fujimori, and K. Ishikawa Third-harmonic generation of an alexandrite laser in β-BaBO // Appl. Phys. Lett. 1989. Vol.54, No. 13. P. 1206-1208.
3
-
3. B.B. Анциферов, E.B. Иванов Мощный одночастотный лазер на александрите с пассивной модуляцией добротности затворами на кристаллах F:LiF, с плавной перестройкой и стабилизацией длины волны генерации // Препринт ИЯФ СО РАН им. Г.И. Будкера, ИЯФ 99-40. 1999.
4. Патент RU №2607815 С1, 20.01.2017.
5. И.С. Тырышкин, Н.А. Иванов, В.М. Хулугуров Узкополосный перестраиваемый лазер на александрите с пассивной модуляцией добротности // Квантовая электроника. 1998. Т. 25, №6. С. 505-506.