Импульсный твердотельный двухчастотный лазер

 

Изобретение относится к импульсным твердотельным лазерам с возможностью генерации на двух длинах волн и может быть использовано для получения мощных импульсов лазерного излучения в ближнем ИК-диапазоне, в том числе безопасном для человеческого глаза. Импульсный твердотельный лазер содержит два резонатора с общим выходным зеркалом и одним активным элементом, затвор на эффекте нарушения полного внутреннего отражения (НПВО). По ходу отраженного от затвора НПВО луча расположены поляризатор, электрооптический элемент и концевой элемент резонатора для длины волны излучения λн. По ходу прямого луча расположены два глухих для длины волны излучения λс и прозрачных для излучения с длиной λн зеркала. Обеспечена высокая направленность излучения. 1 ил.

Изобретение относится к импульсным твердотельным лазерам, работающим в режиме активной модуляции добротности с возможностью генерации на двух фиксированных длинах волн. Изобретение может быть применено в научных целях для накачки параметрических генераторов, в лазерных дальномерах-целеуказателях, обеспечивающих дальнометрирование в безопасном для глаз диапазоне, а целеуказание на основной длине волны с более высокой энергией излучения.

Наибольший практический интерес представляет генерация безопасного для глаз излучения в интервале λ=1,53...1,55 мкм с возможностью генерации и на основной длине λн=1,064 мкм. Длина волны безопасного диапазона получается как первая стоксовая компонента излучения 1,32-1,35 мкм лазеров на кристаллах ИАГ, ГГГ и КПВ.

Так, известен лазер [1] на активном элементе из калий-гадолиниевого вольфрамата (КГВ), активированный ионами неодима, генерирующий в безопасном диапазоне на длине волны λс=1,54 мкм. Недостатком данного лазера является сложность изготовления селективных зеркал резонатора, имеющих минимальный коэффициент отражения для основной длины волны излучения, и максимальный коэффициент отражения для длин волн λ=1,35 мкм и λс=1,54 мкм, а также невозможность генерации на основной длине волны с более высокой энергией излучения.

Известен импульсный твердотельный лазер [2] с возможностью генерации как на основной длине волны излучения λн, так и сигнальной длине волны излучения λс или их одновременной генерации, содержащий последовательно расположенные призму-крышу в качестве концевого элемента резонатора, электрооптический затвор, 90-градусный вращатель плоскости поляризации, активный элемент, два поворотных зеркала с установленной между ними положительной фокусирующей линзой, возвратное параметрическое зеркало, нелинейный элемент параметрического генератора света, систему четырех зеркал для вывода излучения основной длины волны излучения λн.

Недостатком данного устройства является сложность конструкции (14 оптических элементов в резонаторе), высокая расходимость излучения из-за введения в резонатор положительной линзы с фокусным расстоянием порядка 100 см, а также то, что длина волны излучения λс=1,571 мкм выходит за пределы безопасного для глаз диапазона.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является выбранный в качестве прототипа лазер [3] с трехзеркальным резонатором, образованный выходным зеркалом и двумя “глухими” селективными зеркалами в качестве концевого элемента, и затвором на эффекте нарушения полного внутреннего отражения (НПВО). Недостатком данного устройства является то, что известное устройство не имеет возможности генерации на длине волны излучения λн основного перехода.

Технической задачей изобретения является обеспечение генерации лазера как в безопасном для глаз диапазоне, так и на длине волны излучения основного перехода с обеспечением высокой направленности излучения.

Задача решается за счет того, что в лазере, содержащем последовательно расположенные выходное зеркало, активный элемент, затвор на эффекте нарушения полного внутреннего отражения (НПВО), два “глухих” для длины волны излучения λс и прозрачных для излучения с длиной λн зеркала, дополнительно введены поляризатор, электрооптический элемент и концевой элемент резонатора для длины волны излучения λн, последовательно расположенные вдоль оси отраженного от затвора на НПВО пучка излучения.

На чертеже представлена оптическая схема предложенного устройства. Выходное зеркало 1 и “глухие” зеркала 4, а также концевой элемент 7 образуют два резонатора, настроенные на длины волн λc и λн соответственно. Между концевьми элементами последовательно расположен активный элемент 2, затвор на НПВО 3, поляризатор 5 и электрооптический элемент.

Работа устройства происходит следующим образом:

а) режим генерации излучения на длине волны λн.

В активном элементе 2 при воздействии накачки генерируется основное излучение, которое может распространяться вдоль оси резонаторов, образованных общим выходным зеркалом 1 и концевьми элементами 4 и 7. При отсутствии на затворе на НПВО 3 управляющего напряжения происходит отражение пучка излучения на границе входной призмы и воздушного зазора затвора на НПВО 3. После чего излучение проходит через поляризатор 5 и электрооптический элемент 6. При подаче на электрооптический элемент 6 постоянного четвертьволнового запирающего напряжения Uλ_/4 поляризация прошедшего через него излучения меняется на 45 градусов. Отразившись от концевого элемента 7 (100% отражающее зеркало, ретро-зеркало и т.д.) и повторно пройдя через электрооптический элемент 6, поляризация излучения становится ортогональной падающей и не пропускается поляризатором 5. Таким образом, резонатор оказывается запертым и происходит накопление инверсии в активном элементе. При подаче через определенное время t на электрооптический элемент 6 управляющего динамического напряжения плоскость поляризации на выходе электрооптического элемента 6 становится исходной, излучение проходит через поляризатор 5, затвор 3 и активный элемент 2. В лазере реализуется процесс развития и генерации гигантского импульса на длине волны основного перехода λн.

б) режим генерации излучения на длине волны λс.

При подаче на пьезоэлектрический преобразователь затвора на НПВО управляющего сигнала через определенное время t, необходимое для накопления инверсной населенности в активном элементе, толщина воздушного промежутка между преломляющими гранями призм затвора уменьшается, что приводит к отсутствию отраженного пучка и полному пропусканию затвора. Отразившись от двух “глухих” зеркал 4 и повторно пройдя через затвор 3 и активный элемент 2 в лазере реализуется процесс развития и генерации гигантского импульса на длине волны λс.

Условием отсутствия излучения на длине волны λн в течение времени t, необходимом для накопления инверсной населенности в активном элементе, является наличие постоянного четвертьволнового запирающего напряжения Uλ_/4 на электрооптическом элементе 6.

Одной из важнейших особенностей предлагаемого лазера является то, что без существенного изменения оптической схемы может осуществляться генерация лазерного излучения с различными длинами волн на одном и том же активном элементе без использования параметрической генерации. Кроме этого данное устройство с использованием неодимосодержащих сред в качестве активной среды позволяет работать как на основной длине волны излучения, имеющего высокий КПД, так и в безопасном для глаз диапазоне длин волн λс=1,53...1,55 мкм.

В конкретном варианте твердотельного лазера использовался активный элемент из КГВ: Nd³⁺ диаметром 4 и длиной 50 мм, установленный в лейкосапфировую трубку для обеспечения оптимального режима термостабилизации при работе в режиме с частотами следования импульсов излучения до 20 Гц. В качестве электрооптического элемента использовался кристалл ниобата лития со скошенными под углом Брюстера торцами. Затвор на НПВО представлял собой две прозрачные для излучения призмы, смежные грани которых образовывали плоскопараллельный зазор толщиной в несколько долей микрометра. На усеченных гранях призм закреплялись пьезоэлектрические преобразователи типа П-3. Коэффициент отражения выходного зеркала для длины волны излучения λс=1,54 мкм соответствовал R=40%, для длины волны излучения λн=1,067 мкм R=20% и R=99,5% для λ=1,35 мкм (переход ⁴F_3/2-⁴I_13/2). Коэффициент отражения каждого из двух селективных зеркал 4 R>99% для λ=1,35 мкм и R<5% для λ=1,067 мкм. При работе в одиночном режиме в качестве концевого элемента 7 использовалось зеркало с коэффициентом отражения R>99,5% для длины волны излучения λн=1,067 мкм. При работе в частотном режиме в качестве концевого элемента 7 использовалась призма-крыша.

При энергии накачки 5 Дж с помощью лампы ИНП2-35А в режиме основной генерации на длине волны λн=1,067 мкм получена энергия генерации 50 мДж, а на безопасной для глаз длине волны λс=1,54 мкм - энергия генерации 10 мДж.

Источники информации

1. Устименко Н.С., Гулин А.В. Патент РФ №2115983 от 18.09.97.

2. Ляшенко А.И., Павлович В.Л. Патент РФ №2101817 от 13.05.96.

3. Войцеховский В.Н., Карпухин С.Н. // Оптический журнал. - 1995. - №11. - С.30-35.

Формула изобретения

Импульсный твердотельный двухчастотный лазер, содержащий последовательно расположенные выходное зеркало, активный элемент, затвор на эффекте нарушения полного внутреннего отражения (НПВО), два “глухих” для длины волны излучения λс и прозрачных для излучения с длиной λн зеркала, отличающийся тем, что в лазер последовательно введены по ходу отраженного от затвора на НПВО пучка излучения поляризатор, электрооптический элемент и концевой элемент резонатора для длины волны излучения λн.

РИСУНКИ

Рисунок 1