ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ МОНОИМПУЛЬСНЫЙ ЛАЗЕР

Полезная модель относится к лазерной технике, а именно к импульсным твердотельным лазерам с оптической накачкой, преимущественно для импульсных лазерных дальномеров.
Известны твердотельные лазеры, содержащие активный элемент с резонатором и лампу накачки [1].
Известен твердотельный моноимпульсный лазер, описанный в [2]. Этот твердотельный лазер содержит активный элемент с теплоотводом и оптический источник накачки, установленные в осветителе, а также резонатор, образованный глухим и полупрозрачным зеркалами.
Ввиду того, что накачка и теплоотвод в этом лазере осуществляются несимметрично относительно оптической оси активного элемента, имеет место неоднородность его накачки и неоднородность прогрева в поперечном сечении элемента. Это приводит, с одной стороны, к неоднородности плотности мощности в пучке лазерного излучения, а с другой - к возникновению термооптического клина в активном элементе [2-4]. Первый фактор вызывает неравномерность энергетической нагрузки на оптические элементы лазера и последующего оптического тракта, что приводит к снижению КПД накачки и ограничивает общий уровень мощности выходного излучения. Второй фактор приводит к отклонению лазерного пучка от оси лазера в резонаторе по мере прогрева активного элемента - до 60 угл. сек и более [4], что приводит к снижению кпд лазера вплоть до срыва генерации. Последнее особенно отрицательно сказывается в частотном квазинепрерывном режиме.
Наиболее близким к предлагаемому решению является лазер, описанный в [5]. Этот твердотельный лазер содержит оптический источник накачки, два активных элемента с теплоотводами, расположенных параллельно источнику накачки симметрично относительно его оси, резонатор, образованный глухим и полупрозрачным зеркалами, и оборачивающую призму с нечетным числом отражений, большим единицы, причем призма установлена так, что ее основание обращено к торцам активных элементов и ориентировано параллельно им. Согласно описанию [5], отражения лазерного пучка происходят последовательно от боковой грани, основания и второй боковой грани оборачивающей призмы. В такой конфигурации трудно обеспечить режим полного внутреннего отражения, а изготовление такой призмы представляет сложную технологическую задачу. Неоднородность накачки и температурного режима отрицательно сказывается на выходной энергии и однородности излучения, а также на трудоемкости и надежности изготовления лазера.
Задачей полезной модели является увеличение выходной энергии лазера, повышение однородности энергии в сечении лазерного пучка и предотвращение его отклонения в процессе работы лазера.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном твердотельном моноимпульсном лазере, содержащем оптический источник накачки, два активных элемента с теплоотводами, расположенных параллельно источнику накачки симметрично относительно его оси, резонатор, образованный глухим и полупрозрачным зеркалами, и оборачивающую призму, оборачивающая призма установлена так, что ее основание обращено к торцам активных элементов и ориентировано параллельно им, оборачивающая призма в сечении, лежащем в плоскости, содержащей оптические оси активных элементов, выполнена в виде равнобедренной трапеции, причем, у верхней грани оборачивающей призмы, противоположной основанию и параллельной ему, введен зеркальный отражатель, совместно с оборачивающей призмой образующий оборачивающую систему, а ширина основания трапеции а и высота h оборачивающей системы связаны соотношением
где
ПВО
α>α - угол между основанием оборачивающей призмы и ее боковой гранью;
а - ширина основания оборачивающей призмы в плоскости, содержащей оси активных элементов;
b - расстояние между оптическими осями активных элементов (база);
ПВО
α=arcsin 1/n - угол полного внутреннего отражения;
n - показатель преломления материала оборачивающей призмы;
Δb - допуск на несоосность активных элементов относительно оптической оси резонатора.
Зеркальный отражатель может быть выполнен в виде зеркального покрытия, нанесенного на верхнюю грань оборачивающей призмы.
Зеркальный отражатель может быть выполнен с возможностью подвижки вдоль оптической оси лазера. В этом случае верхняя грань оборачивающей призмы может быть просветлена на рабочей длине волны лазера.
Глухое зеркало резонатора может быть выполнено в виде призмы полного внутреннего отражения БР-180, ребро которой между катетными гранями перпендикулярно плоскости, содержащей оптические оси активных элементов, и перпендикулярно одной из этих осей.
Глухое зеркало резонатора может быть выполнено в виде призмы полного внутреннего отражения БР-180, ребро которой между катетными гранями лежит в плоскости, содержащей оптические оси активных элементов перпендикулярно одной из этих осей.
Призма БР-180 может быть выполнена с возможностью вращения вокруг оси, перпендикулярной к оптической оси резонатора и лежащей в плоскости, перпендикулярной ребру между катетными гранями призмы БР-180.
На фиг. 1 представлена оптическая схема лазера с плоским глухим зеркалом (фиг 1а) и глухим зеркалом в виде призмы БР-180 (фиг. 1б). На фиг. 2 изображен ход лучей в оборачивающей системе. Фиг. 3 иллюстрирует распределение энергии излучения в каждом из активных элементов и на выходе лазера.
Активные элементы 1 и 2 с теплоотводами 3 и 4 установлены параллельно оптическому источнику накачки 5 симметрично его оси. Оптические оси активных элементов совмещены с помощью призмы 6 с тремя отражающими гранями. У противоположных торцов активных элементов установлены глухое зеркало 7 и полупрозрачное зеркало 8, световое отверстие которого является выходом лазерного резонатора, образуемого зеркалами 7 и 8.На узкую грань оборачивающей призмы, параллельную основанию 6, нанесено отражающее покрытие 9.
Устройство работает следующим образом.
При включении оптического источника накачки 5 происходит возбуждение активирующей примеси в активных элементах 1 и 2. В качестве оптического источника накачки может использоваться импульсная газоразрядная лампа [3] или две лазерных диодных линейки [4]. При достижении порога возбуждения происходит генерация лазерного импульса с характеристиками, определяемыми параметрами резонатора, образуемого зеркалами 7 и 8. Излучение лазера выходит через полупрозрачное зеркало 8.
В процессе накачки в активных элементах выделяется тепло, для отведения которого предусмотрены теплоотводы 3 и 4. В связи с тем, что энергия накачки поступает с одной стороны активного элемента, а его охлаждение происходит с противоположной стороны, в каждом активном элементе возникает термооптический клин, вызывающий отклонение оси лазерного пучка. При описанной структуре устройства термооптические клинья оказываются направлены в противоположные стороны и компенсируют друг друга, как показано на графике фиг.3. При этом в схеме фиг. 1 а) один цикл осуществляется за два прохода, а в схеме фиг. 1 б) - за четыре прохода лазерного излучения. Тем самым обеспечивается сохранение добротности резонатора как в течение одного импульса накачки, так и в частотном режиме излучения, когда происходит непрерывное повышение температурной неоднородности активных элементов и наведенной в них клиновидности.
Из схемы фиг. 2 следует основное расчетное соотношение для параметров оборачивающей призмы.
пво
α>α - угол между основанием оборачивающей призмы и ее боковой гранью;
а - ширина основания оборачивающей призмы в плоскости, содержащей оси активных элементов;
b - расстояние между оптическими осями активных элементов (база);
αПВО
=arcsin 1/n - угол полного внутреннего отражения;
n - показатель преломления материала оборачивающей призмы;
Допуск Δh должен соответствовать условию, полученному путем дифференцирования выражения (1) с переходом к конечным приращениям:
Δh - допуск на несоосность активных элементов относительно оптической оси резонатора.
Наиболее высокая добротность резонатора достигается при выполнении зеркального отражателя в виде зеркального покрытия, нанесенного на верхнюю грань оборачивающей призмы.
вп
При необходимости регулировки параметра h зеркальный отражатель может быть выполнен с возможностью подвижки вдоль оптической оси лазера. В этом случае верхнюю грань оборачивающей призмы следует просветлить на рабочей длине волны лазера. Диапазон подвижки зеркального отражателя определяется выражением (2) с учетом укорочения оптического расстояния в воздушном промежутке шириной Δ между зеркальным отражателем и гранью оборачивающей призмы на величину  где n - показатель преломления оборачивающей призмы [6].
При выполнении глухого зеркала 7 резонатора в виде призмы полного внутреннего отражения БР-180 эта призма может использоваться для юстировки резонатора при ее вращении вокруг оси, перпендикулярной плоскости, параллельной ребру между катетными гранями этой призмы. При высокой скорости вращения призмы возможен режим модуляции добротности резонатора с генерацией гигантского импульса [1].
Предлагаемый твердотельный моноимпульсный лазер имеет следующие преимущества.
- Использование оптических элементов с полным внутренним отражением обеспечивает высокую добротность резонатора.
- Поочередное прохождение каждого луча вдоль разных продольных сечений активных элементов способствует выравниванию плотности лазерного излучения.
- Благодаря компенсации термонаведенной клиновидности выравнивается однородность выходного излучения и обеспечивается постоянство его направленности.
- Непосредственный контакт теплоотвода с активными элементами обеспечивает эффективный съем избыточного тепла, выделяющегося при накачке.
- Использование призмы БР-180 в качестве глухого зеркала позволяет использовать это зеркало для оптико-механической модуляции добротности лазера.
Указанные преимущества обеспечивают решение поставленной задачи: увеличение выходной энергии лазера, повышение однородности энергии в сечении лазерного пучка и предотвращение его отклонения в процессе работы лазера.
Данный вывод подтвержден положительными результатами изготовления и испытаний макетного образца лазера.
Источники информации
1. Справочник по лазерной технике. Киев, «Технiка», 1978 г., с. 60.
2. Импульсно-периодический лазер. Патент РФ №2197043.
3. Твердотельный лазер. ПатентРФ №2346367.
4. Лазер. Патент РФ №2202845.
5. Мощный твердотельный лазер. Патент РФ №2100881 - прототип.
6. Б.Н. Бегунов и др. Теория оптических систем. М., Машиностроение, 1973 г.