Многоканальный генератор последовательных импульсов с регулируемой временной задержкой и спектральным сложением выходного пучка (МГПИ)

Полезная модель относиться к оптическому приборостроению, в частности к устройствам лазерных резонаторов, и может быть использована для создания источников направленного излучения с регулируемым временным распределением интенсивности. Известен двухканальный лазер с плавно перестраиваемой задержкой между каналами генерации [1], являющийся наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату и выбранный в качестве прототипа. В этом устройстве резонатор двухканального лазера был образован одним общим плоским клиновидным зеркалом и двумя одинаковыми сферическими зеркалами. Для получения двух каналов генерации и их пространственного разнесения в активном элементе применялась двулучепреломляющая пластина, которая разделяла луч на два пучка, имеющих взаимно ортогональные поляризации и распространяющихся параллельно друг другу. Дальнейшее разнесение каналов в пространстве осуществлялось призмой Глана-Фуко. Получения режима модулированной добротности, а также для управления моментом начала генерации в каналах осуществлялось использованием двух электрооптических затворов.
Такое устройство позволяет получить единый по пространству и расходимости выходной пучок, состоящий из двух импульсов генерации с фиксированной временной задержкой между ними, однако требует использование отдельного высоковольтного электрооптического затвора для каждого из каналов и ограничивает максимальное количество каналов двумя, так как существует только две ортогональные поляризации света.
Также известен принцип получения нескольких импульсов генерации в пределах одного канала накачки [2]. В этом случае последующий импульс генерации соответствует поперечной моде лазерного резонатора более высокого порядка. Разным временным задержкам между импульсами соответствует разный модовый состав генерируемого излучения. При таком методе не осуществляется плавная перестройка времени задержки между импульсами генерации, масштабирование выходной энергии в широком диапазоне, и ухудшается качество выходного пучка лазера.
В полезной модели для улучшения качества пучка используется метод спектрального сложения сонаправленных лазеров с малой расходимостью излучения с помощью спектрального элемента аналогичного компенсатору дисперсии групповых скоростей. Возможность подобных устройств показана, на примере устройства описанного в источнике [3]. В методе предполагается, что центры нескольких параллельных лазерных пучков одинаковых размеров, но с разным спектром располагаются вдоль одной линии перпендикулярной штрихам дифракционных решеток. Падая на нее, пучки за счет дифракции приобретают различные углы отражения и начинают сходиться. В точке их схождения ставиться вторая дифракционная решетка симметрично первой, так чтобы при отражении от нее пучки за счет дифракционного отражения объединяются в один выходной пучок с составным спектром и одинаковыми направлением и размером. В источнике указано применение этого принципа для спектрального сложения волоконных лазеров, в нашем же случае он применяется для внутрирезонаторного преобразования излучения в пределах одного твердотельного активного элемента.
Задачами полезной модели являются упрощение способа получения импульсов генерации с фиксированной временной задержкой между ними и объединение излучения нескольких пространственно разнесенных каналов генерации.
Сущность полезной модели заключается в том, что в лазерном резонаторе, состоящем из заднего зеркала, активного твердотельного элемента, пассивного затвора для генерации гигантских импульсов, спектрального элемента аналогичного компенсатору дисперсии групповых скоростей и, диафрагмированного мягким пространственным селектором выполненным из насыщающегося поглотителя, выходного зеркала, образуется, с помощью модуляции распределения усиления в активном элементе, несколько близко расположенных каналов генерации, каждый из которых в процессе установления распределения излучения при дифракционном распространении в условиях неоднородного усиления ускоряет генерацию в соседнем канале и задает фиксированную временную задержку между ними, также каждый канал пространственно разнесенный в объеме активного элемента, имея различное спектральное распределение, при прохождении спектрального элемента аналогичного компенсатору дисперсии групповых скоростей, падает на диафрагмированное выходное зеркало и, объединяясь с прочими каналами, образует единый по пространству и расходимости выходной пучок, с временным распределением интенсивности всех каналов генерации. В отличие от прототипа полезная модель позволяет получение более чем двух последовательных импульсов генерации с регулируемой временной задержкой, это осуществляется синхронизацией близкорасположенных каналов генерации, за счет частичного перекрытия мод генерации лазерных каналов при их дифракционном распространении в условиях неоднородного усиления в процессе предгенерации лазера с пассивной модуляцией добротности и использованием спектрального элемента аналогичного компенсатору дисперсии групповых скоростей для объединения излучения нескольких пространственно разнесенных каналов генерации.
Полезная модель поясняется рисунком.
На фигуре представлена схема многоканального генератора последовательных импульсов с регулируемой временной задержкой и спектральным сложением выходного пучка (МГПИ).
Многоканальный генератор последовательных импульсов с регулируемой временной задержкой и спектральным сложением выходного пучка (МГПИ) включает заднее зеркало лазерного резонатора 1, лазерный активный элемент 2, первый пассивный затвор выполненных из насыщающегося поглотителя 3, спектральный элемент аналогичный компенсатору дисперсии групповых скоростей 4, второй пассивный затвор выполненных из насыщающегося поглотителя 5 и переднее (выходное) зеркало 6.
Для подтверждения работоспособности полезной модели рассматривалась экспериментально-расчетная схема с конкретизацией описанных выше элементов. Заднее зеркало 1 являлось дихроичным и имело коэффициент отражения для длин волн генерации порядка 1, а на длину волны накачки вблизи 0. Оно напылялось на один из торцов активного элемента.
g
g
g
g
В роли активного элемента 2 использовался кристалл Cr:LiCaF диаметром 6,2 мм и длиной 20 мм с дихроичным покрытием на второй грани с отражением ~100% для излучения накачки и просветлением для длины волны генерации. В нем при торцевой накачке образовывалось несколько каналов, в которых происходит генерации. Для этого использовалось отображение выходных торцов диодных модулей с волоконным выходом с помощью объектива в объем активного элемента. Размер каналов накачки в активном элементе должен быть незначительно меньше перетяжки основной гауссовой моды (w) характерной для такого резонатора на центральной длине волны генерации. Расстояние между центрами каналов накачки подбирается для конкретной необходимой задержки, но находиться в диапазоне от [2w<d<3w]. В полезной модели рассматривались w=730 мкм. Интенсивности накачки так же подбираются для обеспечения необходимой задержки, так, чтобы обеспечить близкие коэффициенты усиления в среде на момент совместной генерации для различных каналов с точностью до нескольких процентов с учетом неоднородной линии усиления в активном элементе для разных длин волн. В качестве насыщающихся поглотителей 3 и 5 использовались кристаллы Cr:YAG с различными толщинами, 8×2 мм и 8×0,5 мм. При этом элементы 3 и 5 имели начальное пропускание порядка 80% и 95%, соответственно.
Все элементы устанавливаются соосно как показано на фигуре 1.
1
…
n
Спектральный элемент для спектрального сложения лазерных каналов 4 реализовывался с помощью двух одинаковых дифракционных решеток. Постоянная решетки 1200 штр/мм. Угол блеска 36,5 градусов. Решетки (4а и 4b) располагаются симметрично друг другу на расстоянии 185 мм и под углом к оси прочих элементов в 21,4 градуса. Углы подбираются в зависимости от конкретных дифракционных решеток и необходимых длин волн. Для Cr:LiCaF центральная длина волны вблизи 780. А расстояние между решетками устанавливается таким, чтобы обеспечить совпадение пучков генерации различных каналов на решетке 4b. Так в различных каналах устанавливаются различные длины волн λ; λλ.
Выходное зеркало, для выполнения полезной модели на активном элементе Cr:LiCaF, должно быть сферическим для компенсации отрицательной тепловой линзы. Радиус кривизны ~1000 мм, коэффициент отражения 75%.
Для получения необходимого эффекта образования каналов генерации и их синхронизации принципиально использование насыщающегося поглотителя, так как этот эффект связан с завязыванием мод соседних каналов в режиме предгенерации. Так же недопустимо использование жесткой диафрагмы (отверстий в качестве диафрагм). Ее использование препятствует появлению мод высших порядков. А использование насыщающегося поглотителя в качестве пространственного фильтра позволяет после его просветления внести в резонатор для более высоких мод более высокие потери, это объясняется большими поперечными размерами мод более высоких порядков и связанным с этим большим объемом насыщающегося поглотителя. Соотношение между начальными пропусканиями затворов необходимо привязывать к числу каналов генерации так, чтобы насыщающейся поглотитель 5 имел поглощение меньшее чем суммарное для поглощение во всех каналах генерации на элемент 3.
Многоканальный генератор последовательных импульсов с регулируемой временной задержкой и спектральным сложением выходного пучка (МГПИ) работает следующим образом.
При торцевой накачке через дихроичное зеркало в объеме активного элемента образуется несколько каналов усиления пространственно разнесенных между собой. Первоначально, так как поглощение в кристаллах Cr:YAG не насыщено, то его влияние на моды генерации эквивалентно равномерным потерям в резонаторе. Это приводит к тому, что во всех каналах начинается развитие генерации на различных длинах волн. При этом каждый канал генерации при своем дифракционном распространении в условиях неоднородного усиления стремиться навязать соседнему каналу когерентно связанное излучение и образовать супермоду, которая имеет больший поперечный размер, чем мода генерации самого канала (нулевая мода Эрмита-Гаусса). С помощью регулирования мощности накачки в каналах можно добиться того, что в крайнем канале, имеющем лишь один соседний с ним канал, генерация развивается быстрее, чем в остальных (ведущий канал). Следующий по скорости развития генерации должен быть соседний (ведомый) с ним, и так далее. Ведущий канал, взаимодействуя с соседним с некоторой вероятностью, зависящей от расстояния между каналами и разницы усиления в каналах, навязывает ему когерентное излучение с той же длинной волны (образует супермоду). Такое взаимодействие приводит к нестабильной когерентности смежных каналов на временных интервалах порядка времени жизни фотона в резонаторе. Получаемая супермода имеет характерный размер близкий к расстоянию между каналами, что ускоряет просветление затвора 3, области ведомого канала, и тем самым ускоряет процесс генерации в нем, причем не только для когерентной супермоды, а и для всех прочих мод и длин волн. Таким образом, можно получить фиксированную временную задержку между импульсами из соседних каналов определяемую вероятностью когерентного сложения каналов. Аналогичная ситуация происходит и между прочими каналами. В дальнейшем происходит частичное просветление насыщающегося поглотителя 5, причем он просветляется не однородно, а преимущественно в области с наибольшей интенсивностью излучения предгенерации. Это приводит резкому изменению потерь для мод различных поперечных размеров и тем самым ускоряется развитие генерации нулевых мод Эрмита-Гаусса с различными длинами волн для различных каналов. Таким образом, всем каналам навязывается генерация нулевых мод с таким спектром, что объединенное излучение всех каналов имеет минимальные поперечные размеры. Это соответствует спектральному сложению с внутрирезонаторным подбором длин волн генерации. Для подтверждения работоспособности данной полезной модели была реализована расчетно-экспериментальная модель для четырех каналов генерации. В результате разница длин волн между каналами генерации составила ~3,4 нм, а временная задержка между импульсами генерации регулировалась в диапазоне от 26 до 173 нс. Длительность импульса генерации по полувысоте составляла ~41 нс, а суммарная выходная энергия была ~2,83 мДж.
Таким образом, были реализованы задачи полезной модели, а именно был упрощен способ получения импульсов генерации с фиксированной временной задержкой между ними и объединено излучения нескольких пространственно разнесенных каналов генерации.
1. Воробьев Н.С., Коноплев О.А. Двухканальный лазер на неодимовом стекле с плавно перестраиваемой задержкой между каналами генерации // Квантовая электроника. - 1991. - Т. 18. - №. 3. - С. 292-294. - Прототип
2. Арумов Г.П. и др. Двухимпульсный ИАГ: Nd 3+-лазер с управляемой в диапазоне 20-100 не задержкой // Квантовая электроника. - 1988. - Т. 15. - №. 9. - С. 1744-1750.
3. Патент US №11342336. Опубл. 03.04.07 г., H01S 3/23