Лазерное генерационно-усилительное устройство

 

Использование: в квантовой электронике для повышения мощности одномодового импульсно-периодического излучения ИАГ Nd-лазера с непрерывной накачкой и ресурса работы пассивного затвора на кристалле LiF F^-₂. Сущность изобретения: длину кристалла LiF F^-₂ выбирают равной l=P/τρ, где P средняя мощность излучения лазера: τ пропускание выходного зеркала, определяемое из соотношения t=1 - T_o при T_o меньше / равно 0,77 и τ=0,23 при T_o больше 0,77: T_o начальное пропускание кристалла на длине волны излучения лазерного устройства: ρ=2 - 5 Вт/мм удельная мощность, приходящаяся на единицу длины кристалла. 1 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к неодимсодержащим твердотельным технологическим лазерам с пассивной модуляцией добротности резонатора, и может быть использовано для получения одномодового импульсно-периодического режима генерации с высокой пространственной яркостью излучения, обладающего большой длиной когерентности и малой расходимостью.

Известен пассивный модулятор добротности лазера, выполненный из радиационно окрашенного кристалла LiF, содержащего F₂⁺ и F₂^-центры окраски [1] Недостатком модулятора является невозможность осуществления одномодового режима генерации с высокой мощностью излучения при непрерывной накачке.

Известно лазерное генерационно-усилительное устройство, содержащее последовательно расположенные по ходу светового пучка выпуклое глухое зеркало, активный элемент из ИАГ: Nd, пассивный лазерный затвор (ПЛЗ) на кристалле LiF:F₂^-, выходное зеркало, образующие задающий генератор, и последующие каскады усилителя на активных элементах из ИАГ: Nd [2] Недостатками указанного устройства являются ограниченная мощность одномодового излучения при непрерывной накачке лазера и незначительный ресурс работы ПЛЗ. Эти недостатки обусловлены тем, что длина ПЛЗ и его пропускание не согласованы с мощностью излучения лазера и пропусканием выходного зеркала задающего генератора.

Техническая задача изобретения увеличение мощности одномодового излучения и ресурса работы ПЛЗ.

Это достигается тем, что используют ПЛЗ на кристалле LiF:F₂^-длиной l=P/ τρ (1) где Р средняя мощность излучения задающего генератора; τ пропускание выходного зеркала, определяемое из соотношения τ (2) Т_о начальное пропускание затвора на длине волны излучения лазерного устройства; ρ=2-5 Вт/мм удельная мощность, приходящаяся на единицу длины ПЛЗ.

Отличием данного устройства от прототипа является то, что длину ПЛЗ выбирают по формуле (1), а выходное зеркало имеет пропускание, определяемое по формуле (2).

На чертеже приведена оптическая схема лазера.

Устройство содержит закрепленные неподвижно на основании по ходу светового луча выпуклое глухое зеркало 1, активный элемент 2, кристалл LiF:F₂^- 3, плоское выходное зеркало 4, активные элементы 5, 6 и 7, лампы 8-11 оптической накачки.

Устройство работает следующим образом.

Лазерное излучение, возникающее при непрерывной оптической накачке активного элемента 2 лампой 8, модулируется ПЛЗ на основе кристалла LiF:F₂^- вследствие его периодического самопросветления. Таким образом, активный элемент 2, затвор 3 и зеркала 1,4 образуют задающий генератор, импульсно-периодическое излучение которого выводится через зеркало 4 и затем усиливается активными элементами 5-7 при их непрерывной оптической накачке лампами 9-11.

Предлагаемое устройство может быть изготовлено, например, на базе двух серийно выпускаемых технологических ИАГ:Nd-лазеров с непрерывной накачкой типа ЛТН-103, каждый из которых состоит из двух квантронов типа К-301В с активными элементами размером 6,3х100 мм и криптоновыми лампами накачки ДНП-6/90.

Одномодовый режим генерации в предлагаемом лазерном устройстве достигается благодаря применению неустойчивого резонатора с выпуклым глухим зеркалом. Радиус кривизны выпуклого зеркала выбирают экспериментально так, чтобы диаметр пятна нулевой моды соответствовал диаметру активного элемента, что обеспечивает лучшее заполнение активных элементов и, как результат, большой энергосъем и КПД лазера. При этом выпуклое глухое зеркало и термолинза активного элемента образуют телескопическую систему, что позволяет компенсировать термооптические линзы, наведенные в активных элементах и ПЛЗ, а следовательно, уменьшить расходимость лазерного излучения до значений, близких к дифракционным, что, наряду с высокой мощностью одномодового излучения, позволяет на порядок увеличить пространственную яркость излучения по сравнению с плоским резонатором.

При неизменном уровне накачки параметры импульсов излучения устройства определяются начальным пропусканием ПЛЗ. Уменьшение пропускания ПЛЗ приводит к увеличению порогового значения инверсной населенности, которое обуславливает генерацию лазерных импульсов с большей энергией и меньшей длительностью. При этом период следования, определяемый временем достижения пороговой инверсии, возрастает, а средняя мощность излучения уменьшается вследствие увеличения активных потерь на просветление ПЛЗ и неактивных потерь на люминесценцию. Изменяя пропускание ПЛЗ и мощность накачки, можно в широких пределах изменять параметры одномодового лазерного излучения. При выполнении условий (1) и (2) пиковая мощность излучения лазера и ресурс работы ПЛЗ максимальны.

Допустимые значения удельной мощности, приходящиеся на единицу длины ПЛЗ, определяют способом его крепления и условиями охлаждения. Это обусловлено тем, что при температуре кристалла LiF:F^-₂- выше 60^оС становится заметной деградация F₂^- центров. Поэтому ПЛЗ закрепляют на массивном латунном основании с применением индиевых прокладок и прижимных пластин. Экспериментально установлено, что при таком креплении ПЛЗ его температура не превышает комнатную более чем на 10^оС, если удельные нагрузки составляют 2-3 Вт/мм. Принудительное водяное охлаждение элементов крепления ПЛЗ позволяет увеличить ρ в два и более раз. В этом случае ресурс работы ПЛЗ на уровне уменьшения его начального пропускания на 10% составляет более 500 ч, что в 2-3 раза превышает ресурс работы ламп накачки и соизмеримо с ресурсом работы активного элемента. Применение ПЛЗ с меньшей длиной сопровождается увеличением его рабочей температуры и увеличением скорости деградации рабочих центров окраски, что приводит к сокращению ресурса работы затвора. Применение ПЛЗ с большей длиной увеличивает его стоимость и сопровождается увеличением длины резонатора, что приводит к увеличению длительности импульсов и уменьшению их мощности.

На основании изложенного принято ρ=2-5 Вт/м. Например, при использовании в задающем генераторе ПЛЗ на кристалле LiF:F₂^- с начальным пропусканием Т_о= 0,73 и выходного зеркала с пропусканием τ=0,27 максимальное значение пиковой мощности 32 кВт достигается при средней мощности одномодового излучения 32 Вт, мощности накачки 4,2 кВт, длительности импульсов 120 нс, частоте их следования 8,3 кГц. После усилителя пиковая мощность достигает 130 кВт при средней мощности 130 Вт и расходимости излучения 2,3 мрад. Мощность одномодового немодулированного излучения составляет 80 Вт на выходе задающего генератора и 310 Вт после усилителя. Для обеспечения ресурса работы ПЛЗ более 500 ч его длину необходимо взять равной согласно выражению (1) 57 мм при ρ=2 Вт/мм или 38 мм при ρ3 Вт/мм. Применение принудительного охлаждения ПЛЗ позволяет увеличить ρ до 5 Вт/мм, т.е. уменьшить его длину или увеличить среднюю и пиковую мощности излучения путем увеличения мощности накачки.

При Т_о= 0,65, τ0,35 пиковая мощность задающего генератора равна 63 кВт, средняя 21 Вт, длительность импульсов 75 нс, частота их следования 4,5 кГц. После усилителя пиковая мощность достигает 230 кВт при средней мощности 80 Вт. Согласно выражению (1) необходимая длина ПЛЗ составляет 20-30 мм и может быть уменьшена до 12-15 мм при использовании принудительного охлаждения.

Таким образом, предлагаемое устройство имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом: более высокую мощность одномодового излучения, что обусловлено применением выходного зеркала с оптимальным пропусканием, определяемым по формуле (2), а также благодаря возможности использования большей мощности непрерывной накачки; в 2-3 раза более высокий ресурс работы ПЛЗ, чем у прототипа, что обусловлено согласованием длины кристалла LiF:F₂^- и его пропускания со средней мощностью излучения задающего генератора и пропусканием выходного зеркала по формулам (1) и (2).

Высокая мощность одномодового излучения и его пространственная яркость, малая расходимость и большой ресурс работы позволяют использовать устройство различных технологических применений, повысить эффективность и качество обработки изделий, осуществлять с помощью нелинейных кристаллов генерацию кратных гармоник, обладающих большой длиной когерентности.

Формула изобретения

ЛАЗЕРНОЕ ГЕНЕРАЦИОННО-УСИЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее последовательно расположенные по ходу светового пучка выпуклое глухое зеркало, активный элемент из ИАГ Nd, пассивный затвор на кристалле LiF:F^-₂, выходное зеркало, образующие задающий генератор, и последующие каскады усиления на активных элементах ИАГ Nd, отличающееся тем, что кристалл LiF:F^-₂ имеет длину l = P/τρ,
где P средняя мощность излучения задающего генератора;
τ пропускание выходного зеркала, определяемое из соотношения

T₀ начальное пропускание кристалла на длине волны излучения лазерного устройства;
ρ = 2-5 Вт/мм удельная мощность, приходящаяся на единицу длины кристалла.

РИСУНКИ

Рисунок 1