Лазерное многокаскадное генераторно-усилительное устройство

 

Использование: в квантовой электронике для плавного изменения в широких пределах временных и энергетических параметров одномодового импульсно-периодического излучения Nd-лазеров. Сущность изобретения: устройство состоит из задающего генератора с пассивным лазерным затвором на кристалле LiF:F^-₂ и последующих каскадов усилителей. Кристалл LiF:F^-₂ установлен в резонаторе лазера с возможностью перемещения его в направлении, перпендикулярном оптической оси резонатора, а пропускание кристалла вдоль указанного направления имеет следущее распределение: T(X) = A - (A - B)x/1, где X - координата на поверхности кристалла в направлении, перпендикулярном оптической оси резонатора, 0 ≅ X ≅ I; A и B - соответственно максимальное и минимальное начальное пропускание кристалла на длине волны лазерного излучения; l = (5 - 10) d - длина рабочей части кристалла; d - диаметр активного элемента, l₀≥1+d - общая длина кристалла. 1 ил.

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

Известен технологический ИАГ:Nd-лазер с модуляцией добротности кристаллом LiF: F₂^-, состоящий из двух активных элементов (АЭ), один из которых используют как задающий генератор, а другой как усилитель [1] Недостатком лазера является органическая мощность лазерного излучения в связи с использованием одного каскада усиления.

Известно лазерное многокаскадное генераторно-усилительное устройство, состоящее из задающего генератора с пассивным лазерным затвором (ПЛЗ) на кристалле LiF:F₂^- и последующих каскадов усилителей [2] Положение ПЛЗ в резонаторе лазера неизменно и имеет определенное значение пропускания на длине волны лазерного излучения.

Недостатком данного устройства является невозможность плавного изменения временных и энергетических параметров излучения лазерной системы в широких пределах, так как для этого необходимо иметь набор ПЛЗ с различным пропусканием, поочередно и устанавливаемых в резонаторе лазера.

Технической задачей изобретения является реализация возможности плавного изменения временных и энергетических параметров лазерной системы в широких пределах.

Техническая задача достигается тем, что кристалл LiF:F₂^- установлен в резонаторе лазера с возможностью перемещения его в направлении, перпендикулярном оптической оси резонатора, а пропускание кристалла вдоль указанного направления имеет следующее распределение: Т(х)=А-(А-В)Х/l, (1) где X координата на поверхности кристалла в направлении, перпендикулярном оптической оси резонатора, 0≅ X ≅ l; А и В соответственно максимальное и минимальное начальное пропускание кристалла на длине волны лазерного излучения; l=(5-10)d длина рабочей части кристалла; d диаметр АЭ; l_o≥l+d общая длина кристалла.

Отличием предлагаемого устройства от прототипа является то, что ПЛЗ установлен в резонаторе лазера с возможностью перемещения его в направлении, перпендикулярном оптической оси резонатора, а пропускание кристалла вдоль указанного направления изменяется по формуле (1).

Предлагаемое устройство может быть изготовлено на базе серийно выпускаемых технологических твердотельных лазеров типа ЛТН-103, ЛТН-120 с непрерывной накачкой или лазеров ЛИТ-100, ЛТИ-130, ЛИТ-500 с импульсно-периодической накачкой.

Преимуществом предлагаемого устройства по сравнению с прототипом является возможность плавного изменения временных и энергетических параметров одномодового лазерного излучения в широком интервале, что существенно расширяет диапазон применения лазерной системы в науке, технике, технологии. Это преимущество обусловлено тем, что начальное пропускание ПЛЗ изменяется по формуле (1), а кристалл может плавно перемещаться в направлении, перпендикулерном оптической оси резонатора лазера.

Например, на базе двух лазеров типа ЛТН-103 собирают генераторно-усилительное устройство, состоящее из четырех последовательно расположенных квантронов К-301В с АЭ из ИАГ:Nd размером 6,3х100 мм и криптоновых ламп накачки ДНП-6/90. При этом один квантрон и ПЛЗ используют как задающий генератор, а остальные квантроны как усилители. Для получения одномодового излучения с малой расходимостью и высокой пространственной яркостью в задающем генераторе используют выпуклое зеркало, а ПЛЗ помещают между АЭ и выходным пропускающим зеркалом. Радиус кривизны глухого зеркала и его положение в резонаторе выбирают из условия соответствия диаметра пятна нулевой моды и диаметра АЭ, что обеспечивает лучшее заполнение АЭ и, как результат, больший энергосъем и КПД лазера. Пpи этом на люминесцентном экране, расположенном на выходе лазерного устройства, наблюдают одномодовую структуру излучения с гауссовым профилем распределения интенсивности.

Например, в качестве ПЛЗ используют кристаллы LiF:F₂^- длиной l_o=66 мм, шириной 17 мм, толщиной 8 мм. Если за начало отсчета Х=0 принять точку, расположенную на расстоянии d/2 от края кристалла, то за рабочую часть можно принять l=l_o-d=60 мм. Диаметр АЭ 6,3 мм, поэтому l/d=10. При l/d>10 чрезмерно возрастает длина ПЛЗ, что приводит к увеличению его стоимости и затрудняет его эксплуатацию. При l/d<5 градиент пропускания dT/dX в пределах апертуры АЭ становится значительным, что приводит к нестабильности параметров лазерного излучения, превышающей погрешность их измерения, равную 5-10% В соответствии с формулой (1) при А=0,95, В=0,35, l=60 мм, имеют Т(х)= 0,95--0,01Х, где 0 ≅ X ≅ 60 мм.

Применение указанного ПЛЗ в предлагаемом лазерном устройстве позволило плавно изменять длительность импульсов излучения от 70 до 500 нс, частоту их следования от 1 до 50 кГц, среднюю мощность излучения от 10 до 350 Вт, а пиковую мощность от 10 до 500 кВт. Это объясняется тем, что уменьшение пропускания ПЛЗ приводит к увеличению пороговой инверсной населенности, поэтому обуславливает генерацию лазерных импульсов с большей энергией и меньшей длительностью. При этом период следования импульсов, определяемый временем достижения инверсной населенности, увеличивается, а частота уменьшается. Одновременно уменьшается средняя мощность излучения лазерной системы, что объясняется ростом активных потерь на просветление ПЛЗ и ростом неактивных потерь в затворе.

Среднюю мощность лазерного излучения измеряют с помощью калориметрического прибора ТПИ-2М и цифрового вольтметра Ф-283 с погрешностью 5% Импульсы излучения регистрируют с помощью лавинного фотодиода на запоминающем осциллографе С8-14.

Применение трехкаскадного однопроходного усилителя позволяет увеличить мощность одномодового излучения задающего генератора в 3-5 раз, а использование ПЛЗ распределением пропускания согласно формуле (1) позволяет плавно изменять временные и энергетические параметры лазерного излучения в широких пределах при сохранении высокого качества излучения. Так, расходимость излучения предлагаемого лазерного устройства составила Θ=2мрад на уровне 0,5 максимальной интенсивности, что соответствует параметру качества излучения М²= π D Θ / 4 λ10, где D диаметр пучка в ближней зоне, равный диаметру АЭ; λ= 1064 нм длина волны излучения. Длина когерентности лазерного излучения, определенная с помощью интерферометра Майкельсона, составила 10 см, что соответствует ширине спектра генерации 10 пм. Высокая видность интерференционной картины свидетельствует о том, что интенсивность излучения мод высшего порядка незначительна по сравнению с интенсивностью нулевой поперечной моды.

На чертеже приведена оптическая схема предлагаемого лазерного многокаскадного генераторно-усилительного устройства.

Устройство содержит закрепленные на основании по ходу светового пучка выпуклое глухое зеркало 1, АЭ 2, ПЛЗ 3, пропускающее зеркало 4, АЭ 5-7.

Устройство работает следующим образом.

Лазерное излучение, возникающее при оптической накачке АЭ 2, отражается от глухого зеркала 1, проходит через ПЛЗ и пропускающее зеркало 4, частично отражаясь от него. Вследствие периодического самопросветления ПЛЗ возникает затравочный импульс излучения. Длительность импульсов, их энергия и частота следования зависят от начального пропускания ПЛЗ и мощности накачки, АЭ 2, ПЛЗ и зеркала 1,4 образуют задающий генератор, излучение которого выводится через зеркало 4 и усиливается АЭ 5-7 при их оптической накачке. Так как пропускание ПЛЗ изменяется по закону (1), то путем перемещения ПЛЗ в направлении, перпендикулярном оптической оси резонатора, осуществляют плавное изменение временных и энергетических параметров лазерного излучения. Дополнительное изменение параметров излучения выполняют путем плавного изменения величины тока накачки.

Формула изобретения

ЛАЗЕРНОЕ МНОГОКАСКАДНОЕ ГЕНЕРАТОРНО-УСИЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО, состоящее из задающего генератора с пассивным лазерным затвором на кристалле LiF:F^-₂ и последующих каскадов усилителей, отличающееся тем, что кристалл установлен в резонаторе лазера с возможностью перемещения его в направлении, перпендикулярном оптической оси резонатора, а пропускание кристалла вдоль указанного направления имеет следующее распределение T(x) = A - (A - B)x/l, где x - координата на поверхности кристалла в направлении, перпендикулярном оптической оси резонатора, 0 ≅ x ≅ l;
А, В - соответственно максимальное и минимальное начальное пропускание кристалла на длине волны лазерного излучения;
l = (5 - 10)d - длина рабочей части кристалла;
d - диаметр активного элемента,
причем общая длина кристалла l_o ≥ l + d.

РИСУНКИ

Рисунок 1