ИМПУЛЬСНЫЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР

Полезная модель относится к лазерной технике, в частности к твердотельным импульсным лазерам.
Импульсные твердотельные лазеры с модуляцией добротности резонатора, в качестве генераторов мощных импульсов излучения в наносекундном диапазоне длительностей импульсов, широко применяются в научно-прикладных исследованиях, в медицинских аппаратах, в системах экологического мониторинга окружающей среды, в технологических установках.
3+
В ИК-спектральном диапазоне часто используются лазеры с активными элементами из оптически изотропных кристаллов, 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, содержащий резонатор, образованный частично прозрачным и глухим зеркалами, внутри которого установлены активный элемент из АИГ:Nd, поляризатор и электрооптический элемент [1].
Пространственная структура многомодового моноимпульсного излучения данного лазера в режиме модуляции добротности резонатора является неоднородной, что снижает КПД лазера и эффективность процессов преобразования в другие спектральные диапазоны методами нелинейной оптики.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является импульсный твердотельный лазер, содержащий резонатор, образованный глухим и частично прозрачным зеркалами, между которыми по ходу излучения последовательно расположены электрооптический элемент, пластина-поляризатор, оптически изотропный активный элемент, 90-градусный вращатель плоскости поляризации излучения, вторая пластина-поляризатор и поворотные зеркала, обеспечивающие второй проход активного элемента излучением. Лазер, в котором обеспечивается дополнительный проход активного элемента излучением при проходе от глухого зеркала к частично прозрачному зеркалу в работе [2] был назван лазером с частично закольцованным резонатором.
Однако для применения в метрологических установках от лазера требуется повышенная стабильность (как кратковременная, так и долговременная) энергии моноимпульсов излучения.
Задачей полезной модели является повышение кратковременной и долговременной стабильности энергии моноимпульсов многомодового излучения твердотельного лазера.
Поставленная задача решается за счет того, что в импульсном твердотельном лазере с резонатором, образованным глухим и частично прозрачным зеркалами, между которыми по ходу излучения последовательно расположены электрооптический элемент, пластина-поляризатор, оптически изотропный активный элемент, 90-градусный вращатель плоскости поляризации излучения, вторая пластина-поляризатор и поворотные зеркала, обеспечивающие второй проход активного элемента излучением, боковая поверхность активного элемента выполнена полированной.
Применение в импульсном лазере с частично закольцованным резонатором оптически изотропного активного элемента с полированной боковой поверхностью позволило существенно увеличить стабильность энергии моноимпульсов излучения лазера в режиме электрооптической модуляции добротности резонатора за счет резкого уменьшения дифференциального КПД в области энергий импульсов накачки, превышающих порог генерации внутренних мод активного элемента.
0
0
-1
Внутренние моды активного элемента, отражающиеся от боковой поверхности элемента под углами полного внутреннего отражения, занимают периферийный от оси объем активного элемента вне виртуальной поверхности цилиндра с радиусом R=R·n, где R - радиус поперечного сечения активного элемента, n - относительный показатель преломления кристалла. В этом объеме в области энергий импульсов накачки, превышающих порог генерации внутренних мод активного элемента, коэффициент усиления равен пороговому, т.е. не зависит от энергии импульсов накачки. В центральной части объема активного элемента насыщение коэффициента усиления происходит под действием рассеянного в периферийном объеме излучения внутренних мод.
Таким образом, при больших энергиях импульсов излучения в активном элементе с полированной боковой поверхностью формируется стабильное (не зависящее от энергии импульсов накачки) распределение коэффициента усиления. Однако значительная разница в уровнях стабилизации коэффициентов усиления в центре и на периферии активного элемента приводит в лазере с традиционной схемой резонатора [1] к существенному снижению степени равномерности пространственной структуры моноимпульсного излучения и, следовательно, к существенному снижению эффективности лазера. Для устранения этого эффекта в таких лазерах применяются активные элементы с матированной боковой поверхностью, в которых порог генерации внутренних мод существенно увеличен.
В предлагаемом лазере с частично закольцованным резонатором с активным элементом, боковая поверхность которого отполирована по классу не ниже 10, эффективность второго прохода активного элемента излучением тем выше, чем коэффициент усиления ближе к пороговому.
Поэтому плотность энергии моноимпульсов излучения в периферийной зоне «подтягивается» к уровню плотности моноимпульсного излучения в центральной зоне, вследствие чего степень равномерности распределения пространственной структуры излучения заметно возрастает.
На Фиг. 1 представлена оптическая схема устройства. На Фиг. 2 представлены энергетические характеристики предлагаемого лазера, лазера-прототипа и лазера-аналога в режиме электрооптической модуляции добротности резонатора с частотой повторения импульсов 10 Гц.
На Фиг. 1 показано, что резонатор лазера образован глухим зеркалом 1 и частично прозрачным зеркалом 2, между которыми последовательно расположены по ходу излучения электрооптический элемент 3, пластина-поляризатор 4, активный элемент с полированной боковой поверхностью 5, 90-градусный вращатель плоскости поляризации излучения из оптически активного кристаллического кварца 6, пластина-поляризатор 7, поворотные зеркала 8, обеспечивающие второй проход активного элемента излучением.
В качестве активного элемента 5 могут быть использованы элементы из оптически изотропных кристаллов АИГ:Nd, ГСГГ:Cr, Nd, ИСГГ:Cr, Nd и др.
3
В качестве электрооптического элемента 3 могут быть использованы элементы из кристаллов LiNbO, DKDP, RTP и др.
Предлагаемый лазер работает следующим образом. В импульсно-периодическом режиме за время каждого импульса накачки при «закрытом» электрооптическом затворе, который сформирован зеркалом 1, элементом 3 и пластиной-поляризатором 4, происходит накопление инверсной населенности или рост коэффициента усиления в активном элементе 5. Когда коэффициент усиления достигает порога внутренних мод в периферийной части активного элемента, возникает свободная генерация этих мод, интенсивность которых продолжает расти во времени с ростом интенсивности накачки, что приводит к насыщению коэффициента усиления в центральной части активного элемента за счет увеличения интенсивности рассеянного излучения внутренних мод. В результате в активном элементе формируется распределение коэффициента усиления по поперечному сечению элемента, слабо зависящее от уровня энергии импульсов накачки.
При подаче «отпирающего» импульса высоковольтного напряжения на электроды элемента 3 электрооптический затвор открывается и в резонаторе генерируется моноимпульс излучения.
На фигуре 2 прямая 1 представляет энергетическую характеристику лазера-прототипа с частично закольцованным резонатором с активным элементом из АИГ:Nd размером ⌀5×100 мм с матированной боковой поверхностью.
Кривая 2 представляет энергетическую характеристику лазера с частично закольцованным резонатором с активным элементом из АИГ:Nd размером ⌀5×100 мм с полированной по 10 классу чистоты боковой поверхностью.
Кривая 3 представляет энергетическую характеристику лазера-аналога с резонатором по традиционной схеме с активным элементом из АИГ:Nd размером ⌀5×100 мм с полированной по 10 классу чистоты боковой поверхностью.
Обозначения параметров на Фиг. 2 следующие:
1
E - энергия моноимпульсов излучения лазера на АИГ:Nd на длине волны λ=1064 нм;
Н
E - энергия импульсов накачки через импульсную лампу ИНП-5/60А-1;
ВМ
E - порог генерации внутренних мод для активного элемента с полированной боковой поверхностью.
Н
ВМ
Из данных, представленных на Фиг. 2, видно, что стабильность энергии моноимпульсов излучения предлагаемого лазера в области E>E (кривая 2) в 4 раза лучше, чем стабильность энергии моноимпульсов излучения лазера-прототипа (прямая 1). В сравнении с лазером-аналогом (кривая 3) преимущества предлагаемого лазера очевидны.
Предлагаемый лазер с представленной на Фиг. 2 энергетической характеристикой 2, в области насыщения которой обеспечивается повышенная кратковременная (от импульса к импульсу) и долговременная стабильность энергии моноимпульсов излучения, был изготовлен по заказу отдела метрологии для поверки приемников лазерного излучения методом сличения с эталонным приемником.
Установка преобразователей частоты излучения на основе нелинейных элементов из KTP, KDP и DKDP во 2-ю, 3-ю и 4-ю гармоники позволила получить моноимпульсы излучения на длинах волн 532, 355 и 266 нм с повышенной стабильностью по энергии моноимпульсов для поверки приемников лазерного излучения в видимом и УФ спектральных диапазонах.
Таким образом, предлагаемый импульсный твердотельный лазер превосходит лазер-прототип по стабильности энергии моноимпульсов в 4 раза, а лазер-аналог в 2 раза по стабильности и в 2 раза по КПД.
Предложенный лазер может быть использован в метрологии, а также при проведении научно-прикладных исследований, в которых требуется повышенная стабильность энергии моноимпульсов излучения.
Источники информации:
1. Г.М. Зверев, Ю.Д. Голяев. Лазеры на кристаллах и их применение. М. «Радио и связь», «Рикел», 1994, с. 237.
2. Патент РФ №2390891 HO1S 3/10 - протопип.