Импульсный твердотельный лазер

Полезная модель относится к лазерной технике, в частности к твердотельным импульсным лазерам в режиме модуляции добротности резонатора.
Импульсные твердотельные лазеры с электрооптической модуляцией добротности резонатора, как генераторы мощных импульсов (моноимпульсов) электромагнитного излучения в наносекундном диапазоне длительности импульсов, широко применяются в научно-прикладных исследованиях, в медицинской технике, в системах экологического мониторинга окружающей среды, в технологических установках.
3+
3
В качестве лазеров ИК спектрального диапазона часто используются лазеры на оптически изотропных кристаллах, содержащих ионы Nd (АИГ:Nd, ГСГГ:Cr, Nd, ИСГГ:Cr, Nd и т.д) Для модуляции добротности резонатора используются затворы на основе электрооптических элементов из кристаллов DKDP, LiNbO, RTP, KTP.
Известен импульсный твердотельный лазер с резонатором, образованным частично прозрачным и глухим зеркалами и содержащим активный элемент из АИГ:Nd, поляризатор и электрооптический элемент [1]. Пространственная структура многомодового данного лазера является неоднородной, а средняя плотность энергии в сечение пучка недостаточно высокой, что снижает эффективность процессов преобразования частоты излучения методами нелинейной оптики.
Для повышения плотности энергии моноимпульсов излучения применяются многопроходовые оптические схемы резонаторов, в которых поперечное сечение пучка излучения меньше площади поперечного сечения активного элемента.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является импульсный твердотельный лазер [2], содержащий в резонаторе частично прозрачное зеркало, электрооптический элемент, поляризатор, активный элемент, две 90-градусные призмы-крыши, при этом первая призма-крыша расположена по одну сторону от активного элемента таким образом, что ее ребро при вершине перпендикулярно геометрической оси активного элемента и лежит в вертикальной плоскости, проходящей через эту ось, вторая призма-крыша расположена по другую сторону от активного элемента таким образом, что ее ребро при вершине перпендикулярно геометрической оси активного элемента и лежит горизонтальной плоскости, проходящей через эту ось, а нерабочая торцевая грань второй призмы-крыши лежит в вертикальной плоскости, проходящей через геометрическую ось активного элемента.
В лазере прототипе [2] излучение при полном обходе резонатора проходит активный элемент 4 раза, а не 2 раза, как в лазере аналоге [1], что позволяет снизить порог генерации и повысить частоту повторения моноимпульсов излучения до 2-х раз. Уменьшение площади поперечного сечения лазерного пучка в 2 раза позволяет также увеличить плотность энергии моноимпульсов излучения. Однако частично прозрачное зеркало выбирается с коэффициентом отражения меньшим, чем оптимальный коэффициент отражения, при котором выходная энергия моноимпульсов излучения максимальна при фиксированной энергии импульсов накачки. При этом лучевая нагрузка на электрооптический элемент, который, как правило, является самым нестойким элементом в резонаторе к лазерному излучению, снижается до безопасного уровня. Вследствие этого снижается также КПД лазера.
Задачей полезной модели является повышение КПД импульсного твердотельного лазера с модуляцией добротности резонатора, за счет оптимизации коэффициента полезных потерь резонатора.
Поставленная задача решается за счет того, что в импульсном твердотельном лазере, содержащем в резонаторе зеркало, электрооптический элемент, поляризатор, активный элемент, две 90-градусные призмы-крыши, при этом первая призма-крыша расположена по одну сторону от активного элемента таким образом, что ее ребро при вершине перпендикулярно геометрической оси активного элемента и лежит в вертикальной плоскости, проходящей через эту ось, вторая призма-крыша расположена по другую сторону от активного элемента таким образом, что ее ребро при вершине перпендикулярно геометрической оси активного элемента и лежит в горизонтальной плоскости, проходящей через эту ось, а нерабочая торцевая грань второй призмы-крыши лежит в вертикальной плоскости, проходящей через геометрическую ось активного элемента, между активным элементом и поляризатором дополнительно установлена четвертьволновая пластина, а зеркало резонатора выполнено полностью отражающим излучение лазера.
Установка в резонаторе четвертьволновой пластины позволяет оптимизировать коэффициент полезных потерь резонатора за счет значительного уменьшения лучевой нагрузки на электрооптический элемент. Призмы-крыши, вследствие того, что их ребра ортогональны друг другу, не вносят дополнительную разность фаз для излучений с р- и s- поляризациями при полном внутреннем отражении от граней призм. Это обстоятельство позволяет обеспечить изменение коэффициента полезных потерь резонатора в широком диапазоне при изменении азимутальной ориентации четвертьволновой пластины.
На Фиг. 1 представлена оптическая схема предлагаемой полезной модели в горизонтальной плоскости. На Фиг. 2 представлена оптическая схема устройства в вертикальной плоскости.
Резонатор лазера образован полностью отражающим излучение лазера глухим зеркалом 1 и призмой-крышей 2, между которыми расположены последовательно по ходу отраженного от зеркала 1 излучения электрооптический элемент 3, поляризатор 4, четвертьволновая пластина 5, активный элемент 6 (первой половиной своего поперечного сечения), призма-крыша 7, активный элемент 6 (второй половиной своего поперечного сечения).
В качестве активного элемента 6 могут быть использованы элементы из кристаллов АИГ:Nd, ГСГГ:Cr, Nd, ИСГГ:Cr, Nd и др.
Предлагаемый лазер работает следующим образом. В импульсно-периодическом режиме за время каждого импульса накачки при «закрытом» электрооптическом затворе, который сформирован глухим зеркалом 1, электрооптическим элементом 3 и поляризатором 4, происходит накопление инверсной населенности или рост коэффициента усиления в активном элементе 6.
Когда коэффициент усиления достигает максимального значения, на электроды электрооптического элемента 3 подается импульс высоковольтного «отпирающего» напряжения. При этом электрооптический затвор «открывается» и в резонаторе генерируется мощный импульс лазерного излучения. Сниженная лучевая нагрузка на электрооптический элемент позволяет установить четвертьволновую пластину в азимутальной ориентации, соответствующей оптимальному выходному т.н. «поляризационному» зеркалу, что приводит к увеличению энергии моноимпульсов излучения, выходящего из резонатора при отражении от поляризатора.
Предлагаемый импульсный лазер превосходит лазер прототип по КПД в 1,2…1,3 раза. При этом увеличение выводной энергии моноимпульсов излучения лазера позволило существенно увеличить эффективность процесса преобразования частоты излучения во вторую гармонику.
Таким образом, задача предлагаемой полезной модели по повышению КПД импульсного твердотельного лазера с модуляцией добротности резонатора выполнена.
Источник информации:
1. Г.М. Зверев, Ю.Д. Голяев. Лазеры на кристаллах и их применение. М. «Радио и связь», «Рикел», 1994, с. 227.
2. А.А. Казаков, А.И. Ляшенко, В.В. Струкова. Импульсный твердотельный лазер с генерацией высших гармоник. Патент РФ №2325021 от 06.09.2006 г. (прототип)