ОПТИЧЕСКИЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР СВЕТА С УДЛИНЕННЫМ ИМПУЛЬСОМ ГЕНЕРАЦИИ

Полезная модель относится к квантовой электронике, в частности к параметрическим резонаторным генераторам коротких (наносекундных и короче) импульсов оптического излучения и представляет интерес для техники освоения видимого, ближнего и среднего инфракрасных диапазонов, а также может быть использована в различных областях оптики и спектроскопии, лазерном зондировании атмосферы, медицине и фотохимии.
Предлагаемая полезная модель в настоящее время актуальна, прежде всего, в области построения мощных и эффективных импульсных перестраиваемых лазеров среднего ИК диапазона (2-12 мкм). Наиболее перспективное направление в этой области основано на параметрическом преобразовании частоты излучения твердотельных лазеров, в частности, излучения распространенных и коммерчески доступных ~1 мкм неодимовых импульсных лазеров. Одним из решений при построении мощного наносекундного параметрического преобразователя с дифракционным качеством пучка является схема «параметрический задающий генератор - мощный параметрический усилитель». Чтобы избежать сложностей при временном согласовании импульсов сигнала, поступающего от задающего параметрического генератора (ПГС) и накачки в параметрическом усилителе (ПУ), целесообразно использовать общий источник накачки. Генерация в задающем параметрическом генераторе развивается из шумов, и в случае наносекундной длительности накачки генерация на выходе появляется после значительного числа обходов резонатора, что, в свою очередь, приводит к существенному укорочению длительности выходного импульса генерации по сравнению с длительностью импульса накачки. Таким образом, в усилителе импульс входного усиливаемого сигнала оказывается короче импульса накачки, что выявляет резерв в части эффективности параметрического преобразования, поскольку часть импульса накачки параметрического усилителя не участвует в процессе усиления. Данный недостаток сказывается многократно в случае использования многоступенчатых параметрических преобразователей, например, когда выходное излучение параметрического генератора-усилителя производит накачку следующей ступени параметрического генератора-усилителя для получения излучения в диапазоне 3-12 мкм [1]. В частности, использование нескольких ступеней параметрического преобразования при построении лазерного источника, излучающего в среднем ИК-диапазоне, обусловлено отсутствием эффективной нелинейной среды, осуществляющей преобразование в длинноволновую область и обладающей необходимой прозрачностью в коротковолновой области (1 мкм).
Так, в работе [1] продемонстрировано двухступенчатое параметрическое преобразование импульсного излучения Nd:YAG лазера с высокой энергией в диапазон 3-5 мкм. Первая ступень представляет собой систему «параметрический задающий генератор - мощный параметрический усилитель» на кристаллах КТР, накачиваемую одним лазерным источником с длительностью импульса 6 нс. При этом оптический путь от источника накачки до параметрического усилителя сделан на 80 см длиннее, чем до задающего генератора, для компенсации времени развития генерации в ПГС с целью оптимизации временного согласования импульсов в параметрическом усилителе.
Целью предлагаемой полезной модели является увеличение длительности выходного импульса параметрического генератора и улучшение эффективности параметрического преобразования системы «параметрический генератор - мощный параметрический усилитель» с общим источником накачки. Поставленная цель достигается тем, что резонатор ПГС содержит два (или несколько) плеча с нелинейными кристаллами, импульсы накачки которых задержаны во времени относительно друг друга на величину порядка длительности импульса. Задержка импульсов накачки достигается путем свободного прогона пучков излучения в пространстве. При этом импульс накачки ПУ также задерживается на величину, обеспечивающую полное перекрытие импульса накачки импульсом генерации увеличенной длительности, обеспечивая тем самым эффективное преобразование в ПУ.
ПРИМЕР
4
Приведен пример системы «параметрический генератор - параметрический усилитель» на кристаллах KTiOPO (KTP) с общим источником накачки - Nd:YAG лазером (1064 нм), фиг. 1. Оптическая схема (согласующие телескопы и линзы на схеме не показаны) параметрического генератора-усилителя с удлиненным импульсом генерации, где 1-3 - кристаллы КТР, 4 - излучение 1064 мкм накачки системы ПГС-ПУ, 5 - частично прозрачные зеркала, 6 - линии пространственных задержек импульсов накачек, 7 - поворотные зеркала, 8 - дихроичные зеркала, 9 - выходное зеркало ПГС, 10 - остаточные накачки, 11 - усиленное излучение ~2 мкм генерации.
Форма импульса лазера накачки приведена на фиг. 2, длительность импульса по половинному уровню составила ~7 нс. Пучок накачки 4 с помощью частично прозрачных зеркал 5 расщепляется на три пучка, осуществляющих накачку кристаллов 1, 2 параметрического генератора и кристалла(ов) 3 параметрического усилителя. При этом пучки накачки кристаллов 2 и 3 задерживаются в пространстве с помощью линий задержек 6 на величины, соответствующие временным задержкам 6 и 10 не по отношению к моменту поступления импульса накачки в кристалл 1. Дихроичные зеркала 8 пропускают накачку и отражают генерацию (1,9-2,4 мкм). Дихроичное зеркало 9 является выходным зеркалом ПГС, пропускает накачку и отражает ~50% генерации. Усиленное в ПГС ~2 мкм излучение с увеличенной длительностью поступает в кристалл 3 параметрического усилителя, где совмещается с пучком накачки и происходит дальнейшее его усиление.
Были выбраны приблизительно равные энергии накачек кристаллов 1 и 2 с разницей временных задержек ~6 нc. Таким образом, в параметрическом усилителе за счет реализованных временных задержек накачек отдельных кристаллов в течение всего импульса накачки присутствует усиливаемый входной сигнал с высокой интенсивностью. Форма импульса генерации на выходе ПГС представлена на фиг. 3.
Подобное решение дает существенный выигрыш в эффективности параметрического преобразования в системах «параметрический генератор - мощный параметрический усилитель» с общим источником накачки, применяемым в случаях, когда требуется получение генерации с высоким качеством пучка.
Литература
1. G. Rustad, S. Nicolas, ∅. Nordseth, and G. Arisholm, "High pulse energy mid-infrared laser source," Proc. of SPIE 5989, 2005. Article no. 598904.