СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УЛЬТРАКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF GENERATING ULTRASHORT PULSES OF HIGH-POWER LASER RADIATION AND DEVICE FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к области лазерной физики и может быть использовано при получении импульсов лазерного излучения длительностью 0,01-1нс.
Известен способ получения ультракороткого импульса лазерного излучения [1] - метод синхронизации мод.
Недостатком данного способа является то, что в генерации принимают участие небольшие объемы активного элемента, что не позволяет получить большие мощности в импульсе. Кроме того, имеет место неопределенность в моменте появления импульса излучения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является реализованный в устройстве [2] способ получения ультракороткого мощного импульса при пассивной синхронизации мод в дисковом лазере.
Недостатком данного способа является применение резонаторов большой длины и фокусировка лазерного излучения в объеме пассивного модулятора, что препятствует получению мощных ультракоротких импульсов из-за оптического пробоя среды, затягивает время развития генерации и создает неопределенность в моменте появления импульса генерации.
Задачей заявляемого изобретения является создание способа получения ультракоротких импульсов большой мощности и устройства для его реализации.
Для выполнения поставленной задачи предлагается способ получения ультракоротких импульсов лазерного излучения большой мощности, состоящий в модуляции добротности короткого резонатора.
С помощью внешнего резонатора создают геометрию сфазированного за счет дифракционной связи поля фотонов в коротком резонаторе большого поперечного сечения и при включении короткого резонатора выводят из него лазерное излучение в виде ультракороткого импульса.
Сущность изобретения поясняется схемой (фиг.1), которая состоит из диодов накачки 1, системы охлаждения 2, глухого зеркала 3, активного элемента 4, электрооптического затвора 5, полупрозрачного зеркала 6, линзы 7, электрооптического модулятора 8, поляризатора 9 и зеркала 10.
Импульс излучения диодов накачки 1 создает инверсную населенность в объеме активного элемента 4. На линейном этапе развития генерации, в течение ~ 1 мкс мощность излучения во внешнем резонаторе с 100% отражающими зеркалами 3, 10 медленно нарастает, начиная со спонтанного шума, и происходит формирование пространственной и спектральной структуры излучения. В коротком резонаторе 3, 6 выбором коэффициента отражения полупрозрачного зеркала 6 генерацию подавляют. Пространственная структура поля фотонов будет определяться конфигурацией внешнего резонатора 3, 10. При включении добротности короткого резонатора 3, 6 электрооптическим затвором 5 при одновременном отключении зеркала 10 поворотом плоскости поляризации с помощью электрооптического модулятора 8 генерация развивается в коротком резонаторе и выводится поляризатором 9. Геометрические параметры излучения не изменятся за несколько проходов короткого резонатора 3, 6 и будут соответствовать параметрам внешнего резонатора 3, 10, что обеспечит сфазированность генерации по объему активного элемента 4 и получение ультракороткого импульса за счет малой длины резонатора (от 100 мкм до 10 мм).
Известно устройство [3], содержащее оптически связанные дисковый активный элемент, резонатор, модулятор добротности резонатора, расположенные на одной оптической оси, источник накачки активного и систему охлаждения активного элемента.
Данное устройство имеет большую длину резонатора и как следствие большую длительность импульсов генерации (примерно 100 нс).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является представленное в [2] устройство получения ультракороткого мощного импульса при пассивной синхронизации мод в дисковом лазере.
Недостатком данного устройства является неопределенность в моменте появления импульса и фокусировка лазерного излучения в объеме пассивного модулятора, что препятствует получению мощных ультракоротких импульсов из-за оптического пробоя среды.
Для решения поставленной задачи предлагается устройство для получения ультракоротких импульсов лазерного излучения большой мощности, которое содержит плоский активный элемент в виде диска большой площади сечения, выполненный в виде моноблока с зеркалами резонатора и модулятором добротности резонатора, источник диодной накачки активного элемента и систему охлаждения.
Устройство дополнительно содержит внешнее выпуклое зеркало с 100% коэффициентом отражения на длине волны генерации, оптически связанное с линзой, четвертьволновым модулятором и пленочным поляризатором, размещенными между моноблоком и выпуклым зеркалом.
Сущность заявляемого устройства для получения ультракоротких импульсов лазерного излучения большой мощности поясняется чертежом (фиг.2), где 1 - диоды накачки, 2 - система охлаждения, 3 - глухое зеркало, 4 - активный элемент, 5 - модулятор добротности резонатора, 6 - полупрозрачное зеркало, 7 - линза, 8 - пленочный поляризатор, 9 - четвертьволновой модулятор, 10 - выпуклое зеркало.
Плоский активный элемент 4 в виде диска большой площади сечения, короткий резонатор из зеркал глухого 3 и полупрозрачного 6, модулятор добротности резонатора 5 выполнены в виде моноблока.
Устройство для получения ультракоротких импульсов лазерного излучения большой мощности работает следующим образом.
Импульс излучения диодов накачки 1 создает инверсную населенность в объеме активного элемента 4. На линейном этапе развития генерации, в течение которого мощность излучения во внешнем резонаторе 3, 10 лазера медленно нарастает, начиная со спонтанного шума, происходит формирование пространственной и спектральной структуры излучения. В коротком резонаторе 3, 6 выбором коэффициента отражения полупрозрачного зеркала 6 генерацию подавляют. При достижении уровня насыщения активной среды включают модулятор добротности резонатора 5 и обеспечивают условие развития генерации в коротком резонаторе 3, 6. В то же время с помощью четвертьволнового модулятора 9 поворачивают плоскость поляризации излучения и выводят его из резонатора с помощью пленочного поляризатора 8, преобразуя его в параллельный пучок линзой 11. Длительность импульса составит от единиц наносекунд до сотых долей наносекунды в зависимости от параметров активного элемента и длины короткого резонатора примерно от 100 мкм до 10 мм. Геометрические параметры излучения не изменятся за несколько проходов короткого резонатора и будут соответствовать параметрам внешнего резонатора, что обеспечит сфазированность генерации по объему активного элемента и малую длительность ипульса. За счет применения во внешнем резонаторе выпуклого зеркала исключается фокусировка излучения в объеме резонатора и опасность пробоя оптических элементов при формировании мощного импульса излучения.
Таким образом, заявляемый способ и устройство обеспечивают получение мощных ультракоротких импульсов лазерного излучения.
Источники информации
1. L.Hargrove, R.Fork, V.Pollack // Appl. Phys. Lett., v.5, p.4.1964.
2. E.Wintner, I.Sorokina, E.Sorokin // US Patent № 6,363,090 B1. 2002.
3. H.Huegel, W.Bohn. Solid State thin disk laser. // Proc. SPIE. Vol.3574. P.15-28. 1998.