Импульсный твердотельный лазер с параметрическим генератором света

Полезная модель относится к импульсным твердотельным лазерам в режиме электрооптической модуляции добротности резонатора с параметрическими генераторами света (ПГС) и может быть использована для генерации мощных импульсов лазерного излучения в наносекундном диапазоне длительностей в ближней инфракрасной области спектра для целей нелинейной оптики, фотометрии, оптической локации и дальнометрии.
н
3+
В качестве лазера, генерирующего излучение накачки λ для ПГС, часто используются лазеры на неодимосодержащих кристаллах, в т.ч. лазеры на алюмоиттриевом гранате, активированные ионами неодима (АИГ:Nd).
с
x
Оптическая схема ПГС состоит из резонатора с двумя параметрическими зеркалами, между которыми установлен нелинейный элемент из кристаллов КТР, КТА, ВВО [1]. Наиболее эффективное преобразование излучения лазера накачки в излучение с сигнальной длиной волны λ для однорезонаторного ПГС реализуется при помещении резонатора ПГС в резонатор лазера накачки [1]. Для двухрезонаторного ПГС эффективное преобразование реализуется в резонаторе лазера накачки и для излучения с холостой длиной волны λ [2].
н
н
н
с
Однако при увеличении частоты повторения импульсов излучения в оптических схемах этих лазеров с ПГС из-за наведенного двулучепреломления в активном и электрооптическом элементах появляются отраженные от поляризатора пучки излучения с λ, выходящие из резонатора, что приводит к ухудшению однородности пространственной структуры излучения ПГС и к падению энергии импульсов излучения ПГС. Указанные недостатки частично устранены в оптической схеме лазера с ПГС из [3] за счет взаимной компенсации эффектов наведенного двулучепреломления в активном и электрооптическом элементах с помощью установки между ними 90-градусного вращателя плоскости поляризации излучения с λ. Применение в резонаторе лазера из [3] в качестве концевого отражателя призмы-крыши позволяет повысить однородность пространственной структуры излучений с λи с λ, если распределение инверсной населенности в поперечном сечении активного элемента неоднородно, но при этом имеет плоскость симметрии, составляющую 45 градусов с плоскостью максимального пропускания пластины-поляризатора.
В лазере с ПГС из [3] при изменении амплитуды высоковольтного импульса на электроды электрооптического элемента из кристалла DKDP можно обеспечить работу в следующих режимах:
с
н
из выходного параметрического зеркала ПГС выходит излучение с λ=1570 нм, а отраженное от пластины-поляризатора излучение с λ=1064 нм почти отсутствует;
с
н
излучение с λ отсутствует, так как накачка ПГС становится ниже пороговой, а отраженное от пластины-поляризатора излучение с λстановится максимальным по мощности.
н
с
Для изменения амплитуды высоковольтного импульса с блока управления электрооптическим элементом и установки амплитуды с высокой точностью требуется некоторое время. Однако для ряда применений лазера, например в системах мониторинга атмосферы в условиях городской застройки, требуется оперативное переключение лазера из режима генерации импульсов излучения с опасной для зрения длиной волны λ в режим генерации импульсов излучения с безопасной для зрения длиной волны λ.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является известный импульсный твердотельный лазер с параметрическим генератором света с резонатором, образованным призмой-крышей и параметрическим зеркалом, полностью отражающим излучение накачки и частично пропускающим излучение на сигнальной длине волны, содержащим расположенные на оптической оси резонатора по ходу от призмы-крыши электрооптический элемент, 90-градусный вращатель плоскости поляризации излучения, оптически изотропный твердотельный активный элемент, пластину-поляризатор, параметрическое зеркало, полностью пропускающее излучение накачки и полностью отражающее излучение на сигнальной длине волны, нелинейный элемент параметрического генератора [3] (прототип).
Задачей настоящей полезной модели является обеспечение оперативного переключения длин волн излучения импульсного твердотельного лазера с параметрическим генератором света, попадающих в безопасный или в опасный для зрения спектральный диапазон.
Для решения поставленной задачи в известном импульсном твердотельном лазере с параметрическим генератором света с резонатором, образованным призмой-крышей и параметрическим зеркалом, полностью отражающим излучение накачки и частично пропускающим излучение на сигнальной длине волны, содержащим расположенные на оптической оси резонатора по ходу от призмы-крыши электрооптический элемент, 90-градусный вращатель плоскости поляризации излучения накачки, оптически изотропный твердотельный активный элемент в осветителе, содержащим также импульсную лампу и отражатель, пластину-поляризатор, параметрическое зеркало, полностью отражающее излучение на сигнальной длине волны, нелинейный элемент параметрического генератора света, призма-крыша установлена таким образом, что ее ребро при вершине составляет угол 45 градусов с плоскостью пропускания пластины-поляризатора и ортогонально оси резонатора, оптическая ось электрооптического элемента отклонена от оси резонатора на угол в пределах первого кольца коноскопической картины и лежит в плоскости, проходящей через ось резонатора и составляющей угол 45 градусов с плоскостью пропускания пластины-поляризатора, между электрооптическим элементом и 90-градусным вращателем установлен второй электрооптический элемент, оптическая ось которого совпадает с осью резонатора, осветитель азимутально ориентирован таким образом, что плоскость симметрии распределения инверсной населенности в поперечном сечении активного элемента совпадает с плоскостью пропускания пластины-поляризатора.
Существенными отличиями полезной модели от прототипа являются
ребро при вершине призмы-крыши, эквивалентной по своим деполяризующим свойствам глухому зеркалу и близкой к четвертьволновой пластине двулучепреломляющей пластине с осями под углами 0 и 90 градусов к ребру, установлено под углом 45 градусов к плоскости пропускания пластины-поляризатора, что приводит к частичному «запиранию» резонатора электрооптическим затвором;
λ/4
н
оптическая ось электрооптического элемента отклонена от оси резонатора таким образом, что обеспечивает вместе с призмой-крышей максимальное «запирание» резонатора. При этом электрооптический затвор может полностью «открывать» резонатор, т.е. повышать добротность резонатора до максимальной величины при подаче на электроды электрооптического элемента четвертьволнового напряжения U, где λ-λ;
λ/4
установка второго электрооптического элемента с оптической осью, совпадающей с осью резонатора, позволяет «открывать» резонатор не полностью при подаче на электроды второго электрооптического элемента напряжения U, где U<U, и, тем самым, обеспечивать формирование в резонаторе т.н. «поляризационного» зеркала.
λ/4
с
н
Таким образом, в предлагаемом лазере реализуется возможность управлять добротностью резонатора при подаче напряжения либо на один электрооптический элемент, либо на другой. При подключении к каждому электрооптическому элементу соответствующих блоков управления затвором БУЗ-1 и БУЗ-2, способных формировать импульсы напряжения с амплитудой U на первый электрооптический элемент и с амплитудой U на второй электрооптический элемент, появляется возможность оперативного переключения режимов работы лазера: режим выхода из резонатора только излучения с λ через зеркало или режим выхода из лазера только излучения с λ, отражающегося от пластины-поляризатора.
Поскольку генерация импульсов напряжения БУЗ-1 и БУЗ-2 осуществляется при их запуске синхроимпульсами TTL уровня, которые легко коммутируются от ПК, переключение длин волн выходного излучения может осуществляться оперативно вплоть до временного интервала между импульсами излучения в импульсно-периодическом режиме работы лазера.
Оптическая схема полезной модели представлена на чертеже.
н
с.
н
с
3+
Резонатор импульсного лазера с ПГС образован призмой-крышей 1 с ребром при вершине под 45 градусов к плоскости чертежа и под 90 градусов к оси резонатора и параметрическим зеркалом 2, полностью отражающим излучение накачки с λ и частично пропускающим излучение на сигнальной длине волны ПГС λ На оптической оси резонатора по ходу от призмы-крыши 1 расположены электрооптический элемент 3 из кристалла DKDP, дополнительно установленный второй электрооптический элемент 4 из кристалла DKDP с оптической осью, совпадающей с осью резонатора, 90-градусный вращатель поляризации 5, осветитель 6 с оптически изотропным активным элементом из АИГ:Nd 7, содержащим также импульсную лампу 8 и отражатель 9, пластина-поляризатор 10 с плоскостью пропускания в плоскости чертежа, параметрическое зеркало 11, полностью пропускающее излучение накачки с λ и полностью отражающее излучение с λ, нелинейный элемент ПГС из кристалла КТР 12. Оптическая ось электрооптического элемента 3 отклонена от оси резонатора на небольшой (~1 градус) угол ϕ в пределах первого кольца коноскопической картины в плоскости, проходящей через ось резонатора и составляющей 45 градусов с плоскостью чертежа. При этом величину угла ϕ устанавливают по максимальному коэффициенту начальных потерь, вносимых в резонатор электрооптическим затвором, состоящим из призмы-крыши 1, электрооптического элемента 3, электрооптического элемента 4 и пластины-поляризатора 10. Осветитель 6 азимутально ориентирован таким образом, что плоскость симметрии распределения инверсной населенности в поперечном сечении активного элемента совпадает с плоскостью чертежа.
Импульсный твердотельный лазер с параметрическим генератором света работает следующим образом.
λ/4
н
с
н
с
с
В момент времени, в который под воздействием импульса излучения лампы инверсная населенность в активном элементе достигает своего максимального значения, на электроды электрооптического элемента 3 подается импульс высоковольтного напряжения с амплитудой U=4 кВ с БУЗ-1, который срабатывает при подаче на него синхроимпульса запуска. После полного «открытия» электрооптическим затвором резонатора в резонаторе генерируется короткий во времени (~10 нс) импульс излучения с λ и одновременно в резонаторе ПГС генерируется импульс излучения с λ(~5 нс). Причем излучение с λ практически не выходит из общего резонатора. Излучение с λ выходит из резонатора через частично прозрачное зеркало 2. При этом на БУЗ-2 синхроимпульс запуска не подается. В этом случае из резонатора лазера выходит излучение на безопасной для зрения длине волны λ=1,57 мкм.
н
н
н
н
Если синхроимпульс запуска в момент достижения инверсной населенности в активном элементе своего максимального значения подается на БУЗ-2, который в свою очередь подает на электроды электрооптического элемента 4 импульс высоковольтного напряжения U~1,5 кВ, то общий резонатор лазера открывается не полностью и становится эквивалентным резонатору, в котором выход излучения с λ из резонатора осуществляется при отражении части излучения, идущего в сторону резонатора ПГС от пластины-поляризатора 10. При этом часть излучения с λ, прошедшая пластину-поляризатор 10, оказывается ниже по мощности пороговой мощности ПГС, который, вследствие этого, становится эквивалентным глухому зеркалу для излучения с λ. В этом случае из резонатора лазера выходит излучение на опасной для зрения длине волны λ. Коммутируя синхроимпульсы запуска либо БУЗ-1, либо БУЗ-2, можно оперативно переключать длины волн излучения, выходящего из резонатора лазера.
Таким образом, поставленную перед полезной моделью задачу по обеспечению оперативного переключения длин волн излучения импульсного твердотельного лазера с параметрическим генератором света, попадающих в безопасный или опасный для зрения спектральный диапазон.
Источник информации:
1. Дмитриев В.Г., Тарасов Л.В. Прикладная нелинейная оптика. М.: Физматлит, 2004, с. 321.
2. Geng Y., Tan X., Li X., Yao J. Compact and widely tunable terahertz source based on dual-wavelength intracavity optical parametric oscillation / Applied Physics В., April 2010, vol. 99, issue 1-2, pp. 181-185.
3+
3. Алампиев M.B., Ляшенко А.И. Импульсные лазеры на АИГ:Nd с параметрическим генератором света. Труды Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи имени А.С. Попова. Серия: Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации. Выпуск: 10, Москва-Суздаль, 2017, с. 184-186.7