Импульсный твердотельный лазер с преобразованием длины волны излучения на вынужденном комбинационном рассеянии

 

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к импульсным твердотельным лазерам, работающим в режиме модуляции добротности резонатора. Импульсный твердотельный лазер содержит оптический резонатор, внутри которого установлены кристаллический активный элемент и модулятор добротности, активный элемент выполнен из материала, преобразующего генерируемую на рабочем переходе длину волны излучения в стоксовые компоненты, резонатор образован глухим зеркалом, полностью отражающим излучение с длиной волны первой стоксовой компоненты и максимально пропускающим излучение с длинами волн, соответствующими нерабочим переходам активного элемента, выходное зеркало, полностью отражающее излучение, генерируемое на длине волны рабочего перехода активного элемента, частично пропускающим излучение на длине волны первой стоксовой компоненты и максимально пропускающим излучение с длинами волн, соответствующими нерабочим переходам активного элемента и второй стоксовой компоненты. При этом модулятор добротности выполнен на основе электрооптического элемента и поляризатора или на основе насыщающегося фильтра со временем релаксации, превышающим более чем на порядок время обхода резонатора, и максимально пропускающий излучение с длиной волны первой стоксовой компоненты. 1 ил.

Изобретение относится к области лазерной техники, в частности к импульсным твердотельным лазерам, работающим в режиме модуляции добротности резонатора, и может быть использовано для получения мощных импульсов лазерного излучения в наносекундном диапазоне длительности импульсов в ближнем инфракрасном, в том числе в безопасном для человеческого глаза, спектральном диапазоне, для целей нелинейной оптики, лазерной дальнометрии, экологического мониторинга окружающей среды и т.д.

В настоящее время наблюдается возрастание интереса к вынужденному комбинационному рассеянию (ВКР), как к весьма эффективному способу преобразования длины волны излучения.

Метод ВКР уже применялся для решения важной практической задачи - преобразования длины волны наиболее широко применяемых лазеров на неодимосодержащих средах (1,05 - 1,08 мкм) в спектральную область, безопасную для человеческого глаза (1,45 - 2,5 мкм).

Так, например, известен лазер Y₃Al₅O₁₂:Nd³⁺ с ячейкой ВКР, наполненной метаном и помещенной вне резонатора лазера, в которой осуществляется преобразование лазерного излучения с длиной волны 1,06 мкм в первую стоксовую компоненту с длиной волны 1,54 мкм [1]. Однако коэффициент преобразования излучения лазера в стоксовую компоненту не превышает ~30%, что соответственно уменьшает КПД лазера в 3 раза. К тому же, применение ячеек, наполненных газом под высоким давлением (~30 атм), небезопасно для персонала и приводит кроме этого к увеличению весов и габаритов.

Применение в качестве преобразователей на ВКР кристаллов и KY(WO₄)₂, KGd. (WO₄)₂, Gd(MoO₄)₃ и др. позволяет увеличить коэффициент преобразования излучения в первую стоксовую компоненту до 60%.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является импульсный твердотельный лазер с преобразованием длины волны излучения на ВКР в кристаллах Ba(NO₃)₂ и KGd(WO₄)₂ [2]. Однако КПД такого лазера в целом остается низким, как остаются высокими и пороги ВКР-преобразования ~ 2 ГВт/см² из-за внерезонаторной схемы преобразования длины волны излучения. Данная схема в сущности является однопроходовой схемой преобразования и не является эффективной, поскольку эффективность преобразования в стоксовую компоненту пропорциональна длине кристалла.

Задачей настоящего изобретения является повышение КПД лазера на ВКР, снижение его пороговых характеристик, уменьшение веса и габаритов лазера.

В предложенном импульсном твердотельном лазере с преобразованием длины волны излучения на вынужденном комбинационном рассеянии, содержащем оптический резонатор, внутри которого установлены кристаллический активный элемент и модулятор добротности, активный элемент выполнен из материала, преобразующего генерируемую на рабочем переходе длину волны излучения в стоксовые компоненты, резонатор образован глухим зеркалом, полностью отражающим излучение с длиной волны первой стоксовой компоненты и максимально пропускающим излучение с длинами волн, соответствующими нерабочим переходам активного элемента, и выходным зеркалом, полностью отражающим излучение, генерируемое на длине волны рабочего перехода активного элемента, частично пропускающим излучение на длине волны первой стоксовой компоненты и максимально пропускающим излучение с длинами волн, соответствующими нерабочим переходам активного элемента и второй стоксовой компоненты, модулятор добротности выполнен на основе электрооптического элемента и поляризатора или на основе насыщающегося фильтра со временем релаксации, превышающим более чем на порядок время обхода резонатора, и максимально пропускающий излучение с длиной волны первой стоксовой компоненты.

Использование в качестве активного элемента материала, обладающего помимо осуществления генерации лазерного излучения на выбранном рабочем переходе свойствами ВКР-преобразования позволяет существенно уменьшить пороги ВКР-преобразования до 0,15 - 0,25 ГВт/см², увеличить КПД генерации на длине волны первой стоксовой компоненты за счет уменьшения потерь и увеличения эффективной длины преобразования.

Параметрические спектральные характеристики покрытий зеркал и модулятора, а также требования к времени релаксации насыщающегося фильтра обеспечивают вывод из резонатора импульсов излучения на длине волны первой стоксовой компоненты с длительностью импульса в наносекундном диапазоне.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства. Резонатор образован глухим зеркалом 1, полностью отражающим излучение с длиной волны генерируемого излучения λ_г и его первой стоксовой компонентой и максимально пропускающим излучение с длинами волн, соответствующими другим переходам активного элемента, и выходным зеркалом 2, полностью отражающим генерируемое излучение с длиной волны λ_г, частично пропускающим излучение на длине волны первой стоксовой компоненты и максимально пропускающим излучение с длинами волн, соответствующими нерабочим переходам и второй стоксовой компоненте . При этом выбранная величина λ_г соответствует одному из возможных лазерных переходов активных центров, а величины и определяются основным сдвигом частоты Δ(λ)^-1 относительно λ_г где n = 1,2...

Активный элемент 3 из кристаллов, обладающих свойством ВКР- преобразования (KGd(WO₄)₂, Gd₂(MoO₄)₃ и т.д.) и активированных ионами редкоземельных элементов, вырезан и ориентирован таким образом, чтобы эффективность ВКР-преобразования вдоль оптической оси была максимальной. Между глухим зеркалом 1 и активным элементом 3 установлен модулятор добротности резонатора 4, выполненный на основе электрооптического элемента и поляризатора или на основе насыщающегося фильтра.

Предлагаемый лазер работает следующим образом. Во время действия импульса накачки в активном элементе создается инверсная населенность, достигающая максимального значения в момент τ. В случае применения электрооптического элемента на его электроды в момент τ подается импульс высоковольтного напряжения, переключающий добротность от минимальной величины до максимально возможной. Так как выходное зеркало полностью отражает излучение только с выбранной длиной волны λ_г, то через некоторое время после включения модулятора (считая от фронта импульса) появятся импульс с длительностью в наносекундном диапазоне на длине волны λ_г и практически полностью совпадающий с ним по времени импульс излучения первой стоксовой компоненты с длиной волны , часть которого выводится из резонатора через зеркало 2. Энергия импульса излучения на длине волны будет определяться соотношением между пиковой мощностью импульса излучения на длине волны λ_г и пороговой мощностью ВКР-преобразования на длине волны . В случае применения насыщающегося фильтра энергия импульсов генерации на длине волны λ_г и, соответственно, будет расти с ростом начального пропускания фильтра. Ограничение на время релаксации фильтра обеспечивает генерацию импульса излучения с длительностью в наносекундном диапазоне.

По сравнению с лазером на внерезонаторном ВКР-преобразовании в предлагаемом лазере непреобразованное излучение возвращается в резонатор и многократно участвует в процессе генерации и ВКР-преобразовании и поэтому очевидно, что порог ВКР и заданная энергия излучения выходных импульсов будут достигнуты при меньших энергиях накачки лазера, что существенно повышает КПД лазера в целом.

Энергетический расчет и экспериментальные результаты ВКР лазера с активным элементом из KGd(WO₄)₂:Nd³⁺ подтверждают эффективность предлагаемого лазера.

Примером конкретной реализации предлагаемого устройства является твердотельный лазер, генерирующий импульсное излучение на длине волны = 1,54 мкм, безопасный для человеческого глаза. В качестве активного элемента использовался элемент из кристалла калий-гадолиниевого вольфрамата с неодимом KGd(WO₄)₂:Nd³⁺ размерами ⊘ 4х50 мм, вырезанный по оси (010). В качестве длины волны рабочего перехода выбрана λ_г = 1,351 мкм. Частотный сдвиг равнялся Δ(λ)^-1 = 901 см^-1 и, соответственно, длина волны первой стоксовой компоненты = 1,54 мкм. Резонатор был образован зеркалами со следующими параметрами, %: а) глухое зеркало 1 имело коэффициенты отражения R_r: на длине волны 1,351 мкм R^г_1,351 =99,9; на длине волны 1,067 мкм R^г_1,067 =5; на длине волны 1,54 мкм R^г_1,54 =99,9; б) выходное зеркало 2 имело коэффициенты отражения R_b, %: на длине волны 1,351 мкм R^В_1,351 = 99,9; на длине волны 1,067 мкм R^В_1,067 = 5,9;
на длине волны 1,54 мкм R^В_1,54/ = 40;
на длине волны 1,7 мкм R^В_1,7 = 10.

Модуляция добротности осуществлялась электрооптическим элементом из кристалла ниобата лития LiNbO₃ с брюстеровскими входными поверхностями. Активный элемент был помещен в посеребренную кварцевую трубку и накачивался лампой ИНП 3/35.

Результаты испытаний показали, что такой лазер генерирует импульс излучения с длиной волны 1,54 мкм энергией 10 мДж при длительности импульса 12 нс. Энергия импульса накачки составила 6 Дж. Данный лазер был испытан при частоте повторения 10 Гц и в режиме длительных испытаний генерировал импульсы излучения со стабильными пространственно-временными параметрами.

Дополнительным преимуществом соединения свойств активного элемента и ВКР-преобразователя в одном элементе является очевидное уменьшение веса и габаритов лазера. Оценки также показывают, что применение аналогичной схемы с заменой одного элемента - самопреобразователя на два (активный элемент и кристаллический ВКР-преобразователь) приводит за счет увеличения длины резонатора и появления дополнительных внутрирезонаторных пассивных потерь к увеличению длительности импульса генерируемого излучения, к уменьшению мощности и, следовательно, к возрастанию порога ВКР и снижению эффективности лазера в целом.

Таким образом, предлагаемый лазер по сравнению с аналогами и прототипом позволяет получить импульсы излучения в наносекундном диапазоне на выбранной длине волны с большим КПД, меньшими порогами ВКР-преобразования и при этом имеет меньший вес и габариты.

Формула изобретения

Импульсный твердотельный лазер с преобразованием длины волны излучения на вынужденном комбинационном рассеянии, содержащий резонатор, внутри которого установлены кристаллический активный элемент и модулятор добротности, отличающийся тем, что активный элемент выполнен из материала, преобразующего генерируемую на рабочем переходе длину волны излучения в стоксовые компоненты, резонатор образован глухим зеркалом, полностью отражающим излучением с длиной волны первой стоксовой компоненты и максимально пропускающим излучение с длинами волн, соответствующими нерабочим переходам активного элемента, и выходным зеркалом, полностью отражающим излучение, генерируемое на длине волны рабочего перехода активного элемента, частично пропускающим излучение на длине волны первой стоксовой компоненты и максимально пропускающим излучение с длинами волн, соответствующими нерабочим переходам активного элемента и второй стоксовой компоненты, модулятор добротности выполнен на основе электрооптического элемента и поляризатора или на основе насыщающегося фильтра со временем релаксации, превышающим более чем на порядок время обхода резонатора, и максимально пропускающий излучение с длиной волны первой стокосовой компоненты.

РИСУНКИ

Рисунок 1

NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение

Извещение опубликовано: 27.12.2005        БИ: 36/2005