ИМПУЛЬСНЫЙ ЛАЗЕР С КРОСС-МОДУЛЯЦИЕЙ ЛАЗЕРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
PULSED LASER WITH CROSS-MODULATION OF LASER ELEMENTS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к лазерной технике и является лазером, генерирующим излучение в импульсном режиме.
Лазеры, созданные в соответствии с изобретением, могут быть использованы в областях, где требуются высокие пиковые мощности излучения. В частности, в промышленности для обработки материалов, медицине для обработки биологических тканей, при диагностике окружающей среды.
Предшествующий уровень техники
Известны непрерывный и импульсный режимы работы лазеров. Преимуществом импульсного режима работы лазера является то, что в импульсном режиме пиковая мощность выходного излучения лазера может значительно превышать его мощность в непрерывном режиме работы.
Наиболее распространенным способом получения генерации излучения в импульсном режиме является модуляция добротности резонатора. Для этого в резонатор лазера периодически вносят дополнительные оптические потери.
Различают активную и пассивную модуляцию добротности резонатора лазера. При активной модуляции добротности дополнительные потери вносятся в резонатор посредством расположенного в нем активного модулятора, оптическое пропускание которого контролируется управляющим устройством (О.Звелто. "Принципы лазеров", пер. с англ. - 3-е перераб. и доп. изд. - М.: Мир, 1990). Недостатком этого способа является усложнение конструкции лазера, обусловленное необходимостью использования внешнего управляющего устройства.
При пассивной модуляции добротности внутрь резонатора помещают пассивный модулятор, частично поглощающий излучение, генерируемое лазером. Оптическое пропускание пассивного модулятора зависит от интенсивности излучения, что позволяет осуществлять модуляцию добротности резонатора лазера без использования управляющего устройства. В патенте автора W.F.Kosonocky "Laser Control Device Using a Saturable Absorber" (U.S. Pat. No. 3,270,291, August 30, 1966) указано, что "сила взаимодействия поглощающих частиц пассивного модулятора с электромагнитной волной на частоте излучения лазерной среды должна быть больше, чем сила взаимодействия излучающих частиц лазерной среды с этой же волной". В указанном патенте также отмечено, что это условие выполняется, если "произведение квадрата момента индуцированного электрического диполя и поперечного времени релаксации у поглощающих частиц на частоте излучения выше, чем у излучающих частиц на этой же частоте". Из указанного условия следует, что для конкретного лазерного материала требуется подбор материала для пассивного модулятора, что является недостатком рассмотренного способа получения импульсной генерации.
Прототип изобретения
Наиболее близким к изобретению является устройство, раскрытое в патенте за авторством Hong-Jin Kong, Nam-Seong Kim "Passively Q-Switched Laser with a Dual-Cavity Configuration" (U.S. Pat. No. 5,675,596, Oct. 7, 1997). Изобретение является импульсным лазером с пассивной модуляцией добротности, причем пассивный модулятор расположен в отдельном резонаторе. Пассивный модулятор генерирует излучение при прохождении по нему излучения, генерируемого в лазерной среде. За счет этого уменьшается время переключения модулятора в поглощающее состояние, что позволяет изменить форму импульса, в частности сделать его симметричным во времени и более коротким за счет поглощения в веществе модулятора заднего фронта импульса.
Недостатком изобретения является то, что сокращение длительности импульса и изменение его формы происходит за счет поглощения заднего фронта импульса в материале модулятора, т.е. энергия импульса уменьшается и падает эффективность генерации излучения в лазерной среде.
Раскрытие изобретения
Технической задачей настоящего изобретения является реализация импульсного лазера.
Импульсный лазер (Фиг.1) состоит из блока накачки 5 лазера I, лазера I и лазера II. Лазер I состоит из лазерного элемента 3, помещенного в резонатор 1, лазер II состоит из лазерного элемента 4, помещенного в отдельный резонатор 2. Лазер I и лазер II связаны таким образом, что излучение, генерируемое лазером I, проходит через лазерный элемент 4, а излучение, генерируемое лазером II, проходит через лазерный элемент 3.
1
2
1
2
Лазеры I и II обладают следующими свойствами: лазер II генерирует при накачке излучением лазера I; частота генерации ν лазера I превышает частоту генерации ν лазера II; полоса усиления лазерного элемента 3 в генерирующем лазере I включает в себя частоты генерации ν и ν лазеров I и II, соответственно, как показано на Фиг.2.
Заявленное устройство работает следующим образом. Лазер I генерирует излучение, и таким образом производит оптическую накачку лазера II. Излучение, генерируемое лазером II, вызывает уменьшение оптического усиления в лазерном элементе лазера I из-за вынужденных оптических переходов под действием излучения лазера II. Уменьшение усиления приводит к уменьшению выходной мощности лазера I. Когда выходная мощность лазера I становится достаточно малой, генерация излучения в лазере II прекращается. При этом выходная мощность лазера I увеличивается до исходного значения и описанный процесс повторяется.
Таким образом, лазеры I и II воздействуют друг на друга, осуществляя взаимную модуляцию параметров (населенности возбужденного состояния и, соответственно, интенсивности излучения) в лазерных элементах 3 и 4.
Энергия импульса и его пиковая мощность на частоте излучения лазера II зависят от усиления излучения лазера II в лазерном элементе 3. При достаточно высокой величине указанного усиления импульс лазера II экстрагирует подавляющую часть запасенной в лазерном элементе 3 энергии накачки. При этом энергия импульса излучения на частоте лазера I незначительна по сравнению с энергией импульса на частоте лазера II, и, таким образом, реализуется лазер, генерирующий импульсы на одной оптической частоте. Поэтому полезно выбирать частоту генерации лазера II в области максимума усиления лазерного элемента лазера I. Так как в этом случае лазерный элемент 3 выступает в роли накопителя энергии и усилителя излучения лазера II, а лазер II формирует импульс излучения всего устройства, то желательно, чтобы лазерный элемент 3 имел достаточно большую длину, а резонатор лазера II был как можно короче, поскольку малая длина благоприятствует получению коротких импульсов.
Возможно пространственное перекрытие резонаторов 1 и 2 (Фиг.3). При этом в резонатор 1 вносятся дополнительные оптические потери, обусловленные поглощением излучения лазера I в лазерном элементе 4, что приводит к увеличению усиления для излучения лазера II в лазерном элементе 3 и к увеличению энергии выходного импульса заявленного устройства.
При умеренных значениях поглощения излучения лазера I в лазерном элементе 4 и усиления излучения лазера II в лазерном элементе 3 непоглощенное излучение лазера I сравнимо по интенсивности с выходным излучением на частоте лазера II. В этом случае заявленный лазер может выступать в роли лазера, генерирующего на двух оптических частотах с разделением частот по направлению вывода излучения (Фиг.1).
Преимуществом заявленного лазера по сравнению с лазерами с модуляцией добротности является меньшая длительность импульса. Это преимущество реализуется вследствие того, что излучение лазера II прерывает генерацию излучения в лазере I. Прерывание происходит вследствие вынужденных оптических переходов в лазерном элементе 3 под действием излучения лазера II, которые приводят к опустошению возбужденного состояния в веществе лазерного элемента 3. Длительность импульса лазера II, кроме того, сокращается при распространении в лазерном элементе 3 за счет преимущественного усиления переднего фронта импульса лазера II.
Преимуществом заявленного изобретения является также то, что к лазерным элементам 3 и 4 не предъявляется требование к соотношению между сечениями излучения и поглощения, соответственно, которое накладывается на лазерный элемент и насыщающийся поглотитель в случае пассивной модуляции добротности. В частности, один и тот же лазерный материал можно использовать для изготовления лазерных элементов 3 и 4 в случае спектрального перекрытия областей поглощения и усиления этого лазерного материала.
Поскольку эффективные пассивные модуляторы на основе стекол неизвестны, то преимуществом заявленного изобретения по сравнению с методом пассивной модуляции добротности является также возможность использования в заявленном лазере лазерных элементов, выполненных на основе стекол.
По сравнению с прототипом (U.S. Pat. No. 5,675,596) заявленный лазер позволяет получать более короткие импульсы за счет того, что излучение лазера II опустошает возбужденное состояние в веществе лазерного элемента 3. Длительность импульса лазера II, кроме того, сокращается при распространении в лазерном элементе 3 за счет преимущественного усиления переднего фронта импульса лазера II.
Укорочение длительности импульса прототипа достигается за счет поглощения части импульса в насыщающемся поглотителе. Таким образом, преимуществом заявленного изобретения является то, что укорочение длительности импульса происходит без потери энергии излучения.
Полезно использовать для реализации изобретения лазерные элементы, состоящие из стекла, активированного ионами редкоземельных элементов, таких как иттербий (Yb), эрбий (Er), тулий (Tm) и гольмий (Ho). Эти элементы в стеклах обладают широкими, спектрально перекрывающимися полосами поглощения и излучения. Таким образом, в качестве лазерных элементов 3 и 4 может быть использован один и тот же материал.
Предпочтительно использовать в качестве лазерного элемента 3 стекло с добавкой неодима (Nd), а в качестве лазерного элемента 4 стекло с добавкой иттербия. В этом случае в лазере I в области флуоресценции стекла с примесью иттербия, 1000-1100 нм, отсутствует полоса поглощения, благодаря чему усиление излучения лазера II в лазерном элементе 3 происходит более эффективно.
Также предпочтительно использовать в качестве лазерного элемента 3 стекло с добавкой тулия, а в качестве лазерного элемента 4 стекло с добавкой гольмия. В этом случае в лазере I в области флуоресценции стекла с примесью гольмия, 2000-2100 нм, отсутствует полоса поглощения тулия, благодаря чему усиление излучения лазера II в лазерном элементе 3 происходит более эффективно.
Кроме того, предпочтительно использовать в качестве лазерного элемента 3 стекло с добавкой иттербия и эрбия, а в качестве лазерного элемента 4 стекло с добавкой эрбия. В этом случае лазер I накачивают доступными мощными диодными лазерами, генерирующими в области 910-980 нм, а накачка эрбия в элементе 3 производится за счет известного эффекта передачи энергии от иттербия к эрбию.
Также предпочтительно использовать в качестве лазерного элемента 3 стекло с добавкой тулия и гольмия, а в качестве лазерного элемента 4 стекло с добавкой гольмия. В этом случае лазер I накачивают доступными мощными диодными лазерами, генерирующими в области 800 нм, а накачка гольмия в лазерном элементе 3 производится за счет известного эффекта передачи энергии от тулия к гольмию.
Форма осуществления изобретения
Предпочтительно реализовывать изобретение в виде полностью волоконного лазера, с диодной накачкой лазера I по оболочке оптоволокна и накачкой лазера II по сердцевине оптоволокна.
Преимуществом реализации заявленного устройства в виде волоконного лазера является возможность использования большой длины лазерного элемента 3, что позволяет получать высокое усиление для излучения лазера II в лазерном элементе 3, что благоприятствует получению импульсов значительной энергии.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения заявленный лазер может быть выполнен в виде волоконного лазера с диодной накачкой по оболочке, причем накачка лазера II осуществляется по сердцевине. В этом случае длина резонатора 2, на которой поглощается подавляющая часть излучения лазера I, может быть сделана много меньше длины резонатора 1.
При этом в качестве зеркал лазеров I и II предпочтительно использовать волоконные брэгговские решетки, что позволяет реализовать заявленное устройство в полностью волоконном виде, Фиг.4.
Предпочтительно помещать лазерный элемент 4 лазера II внутри резонатора лазера I для увеличения коэффициента усиления для излучения лазера II в элементе 3, как показано на Фиг.5.
Пример 1. В соответствии с изобретением был реализован иттербиевый волоконный лазер по схеме, показанной на Фиг.4. Диодная накачка лазера I производилась по оболочке лазерного элемента 3 на длине волны 975 нм с помощью узла ввода 10. Длина волны генерации лазера I была 1060 нм, а длина волны генерации лазера II составляла 1075 нм. При этом пропускание выходного зеркала 7 лазера I составляло 90%, а выходное зеркало 8 лазера II было полупрозрачным. Длина лазерного элемента 3 составляла 20 м, а длина лазерного элемента - 4-5 м. Излучения лазера I и лазера II имели различные направления вывода в соответствии с Фиг.4. Длительность импульса излучения на частоте лазера I составила по полувысоте 350 нс, а длительность импульса на частоте лазера II - 300 нс. Отношение средней мощности выходного излучения на частоте лазера I к средней мощности излучения на частоте лазера II составило 3:1. Таким образом, был реализован лазер, генерирующий оптическое излучение в импульсном режиме одновременно на двух частотах, с селекцией частоты излучения по направлению вывода излучения.
Пример 2. На Фиг.5 показана схема реализованных волоконных иттербиевых лазеров с диодной накачкой по оболочке на длине волны 975 нм с помощью узла ввода 10. Зеркала 6 и 7 обладали высоким отражением на частоте генерации лазера I и были прозрачны для излучения лазера II. Зеркала 8 и 9 были прозрачны для излучения лазера I, причем зеркало 9 обладало высоким отражением для излучения с частотой генерации лазера II, а зеркало 8 было полупрозрачно на указанной частоте.
Параметры реализованных в соответствии с изобретением волоконных лазеров приведены в таблице. Во всех лазерах в выходном спектре излучения излучение на частоте лазера II составляло более 99% от суммарной выходной мощности, т.е. более чем на два порядка превышало долю излучения на частоте лазера I. Характерный вид выходного импульса заявленного лазера, собранного в соответствии с Фиг.5, приведен на Фиг.6. Приведенный импульс соответствует указанному в таблице лазеру с длительностью выходного импульса по полувысоте, равной 100 нс.
Параметры лазеров, реализованных в соответствии с изобретением (длины резонаторов 1 (L<sub>1</sub>) и 2 (L<sub>2</sub>), соответственно; длины волн излучения лазеров I и II, λ<sub>1</sub> и λ<sub>2</sub>, соответственно; энергия импульса Е, длительность лазерного импульса по полувысоте τ).
L<sub>1</sub>, м
L<sub>2</sub>, м
λ<sub>1</sub>, нм
λ<sub>2</sub>, нм
Е, мДж
τ, нс
35
15
1060
1080
1
200
25
5
1055
1080
0.5
100
20
0.5
1050
1080
0.2
10
Краткое описание чертежей.
Фиг.1. Схема заявленного лазера. 1 - резонатор лазера I, 2 - резонатор лазера II, 3 - лазерный элемент лазера I, 4 - лазерный элемент лазера II, 5 - блок накачки. Направления вывода излучения из резонаторов лазеров I и II указаны стрелками.
1
2
Фиг.2. Полоса усиления лазерного элемента 3 в генерирующем излучение лазере I. Стрелками указаны частота генерации лазера I (ν) и частота генерации лазера II (ν).
Фиг.3. Схема заявленного лазера с пространственным перекрытием резонаторов. 1 - резонатор лазера I, 2 - резонатор лазера II, 3 - лазерный элемент лазера I, 4 - лазерный элемент лазера II, 5 - блок накачки. Направление вывода излучения из резонатора лазера II указано стрелкой.
Фиг.4. Схема волоконного лазера, реализованная в соответствии с изобретением. 6, 7 - зеркала (волоконные брэгговские решетки), формирующие резонатор лазера I, 8, 9 - зеркала (волоконные брэгговские решетки), формирующие резонатор лазера II, 3 - лазерный элемент (оптоволокно) лазера I, 4 - лазерный элемент (оптоволокно) лазера II, 5 - блок накачки, 10 - устройство для ввода излучения накачки в лазерный элемент 3. Направления вывода излучения из резонаторов лазеров I и II указаны стрелками.
Фиг.5. Схема волоконного лазера с пространственным перекрытием резонаторов, реализованная в соответствии с изобретением. 6, 7 - зеркала (волоконные брэгговские решетки), формирующие резонатор лазера I, 8, 9 - зеркала (волоконные брэгговские решетки), формирующие резонатор лазера II, 3 - лазерный элемент (оптоволокно) лазера I, 4 - лазерный элемент (оптоволокно) лазера II, 5 - блок накачки, 10 - устройство для ввода излучения накачки в лазерный элемент 5. Направление вывода излучения из лазера указано стрелкой.
Фиг.6. Характерный вид выходного импульса излучения заявленного лазера.