Импульсный твердотельный лазер

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к импульсным твердотельным лазерам. Техническим результатом заявленного изобретения является создание импульсного твердотельного лазера на основе микрочип-элемента АИГ:Nd³⁺/АИГ:Cr⁴⁺, генерирующего линейно поляризованное излучение с субнаносекундной длительностью импульса и неизменной плоскостью поляризации. Импульсный твердотельный лазер содержит источник накачки и расположенный внутри резонатора микрочип-элемент, состоящий из соединенных диффузионной сваркой кристаллов АИГ:Nd³⁺ и АИГ:Cr⁴⁺, в котором выходное зеркало резонатора образовано диэлектрическим покрытием, нанесенным на подложку из двулучепреломляющего кристалла, главная кристаллографическая ось которого лежит в плоскости отражающей поверхности выходного зеркала. 1 ил.

 

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к импульсным твердотельным лазерам.

Ряд современных импульсных твердотельных лазеров [1], [2] на основе кристалла АИГ:Nd³⁺, решающих различные задачи из областей нелинейной оптики, микрохирургии, оптической локации, обработки материалов и т.д., используют пассивную модуляцию добротности резонатора фототропным затвором одновременно с внутрирезонаторным нелинейным преобразованием длины волны излучения, что позволяет получать лазерные импульсы с требуемой длиной волны и длительностью несколько наносекунд за счет малой длины резонатора. Но в связи с постоянным ростом требований к точности и импульсной мощности лазерных систем, необходима длительность импульса менее 1 нс. Однако в лазерах с внутрирезонаторным преобразованием длины волны внутри резонатора кроме активной среды и фототропного затвора должен также располагаться нелинейный элемент, из-за чего минимально возможная длина резонатора равна нескольким сантиметрам, а это определяет предельно малую длительность импульса более 1 нс.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является импульсный твердотельный лазер [3] с длиной волны генерации 1064 нм, включающий активную среду из кристалла АИГ:Nd³⁺, соединенного с пассивным затвором из кристалла АИГ:Cr⁴⁺ высокотемпературной диффузионной сваркой в монолитный микрочип-элемент. Ориентация пассивного затвора такова, что направление кристаллографической оси [100] кристалла АИГ:Cr⁴⁺ совпадает с направлением распространения излучения. Резонатор образован диэлектрическими отражающими покрытиями, нанесенными на торцы микрочип-элемента АИГ:Nd³⁺/АИГ:Cr⁴⁺. Плотная упаковка активной среды, пассивного затвора и зеркал резонатора позволяет уменьшить длину резонатора до нескольких миллиметров и получить длительность лазерного импульса от ста до тысячи пикосекунд, что при энергии импульса порядка 1 мДж соответствует импульсной мощности от одного до десяти мегаватт. При такой длительности и пиковой мощности лазерного излучения возможен, в частности, отказ от внутрирезонаторного преобразования длины волны в пользу высокоэффективного внерезонаторного преобразования. Полученные таким образом энергия и длительность лазерного импульса, кроме прочих возможных применений, оптимальны для создания оптического локатора дальнего действия с разрешающей способностью порядка 10 см.

Но из-за отсутствия у такого лазера в резонаторе каких-либо анизотропных элементов кроме кристалла АИГ:Cr⁴⁺ поляризация выходного излучения определяется внутренней структурой этого кристалла и может иметь одно из двух различных направлений, совпадающих с кристаллографическими осями [010] и [001] АИГ:Cr⁴⁺. В силу специфики расположения ионов Cr⁴⁺ в кристаллической решетке АИГ, вероятность генерации излучения, поляризованного по направлению любой из этих осей, одинакова и равна, соответственно, 50% [4]. Следовательно, выходная поляризация данного лазера может неконтролируемым образом скачкообразно изменяться от импульса к импульсу между этими двумя ортогональными направлениями. Для большинства практических применений, требующих строго определенной линейной поляризации лазерного излучения, это недопустимо.

Задачей настоящего изобретения является создание импульсного твердотельного лазера на основе микрочип-элемента АИГ:Nd³⁺/АИГ:Cr⁴⁺, генерирующего линейно поляризованное излучение с субнаносекундной длительностью импульса и неизменной плоскостью поляризации.

Поставленная задача решается за счет того, что в импульсном твердотельном лазере, включающем источник накачки и расположенный внутри резонатора микрочип-элемент, состоящий из соединенных диффузионной сваркой кристаллов АИГ:Nd³⁺ и АИГ:Cr⁴⁺, выходное зеркало резонатора образовано диэлектрическим покрытием, нанесенным на подложку из двулучепреломляющего кристалла, главная кристаллографическая ось которого лежит в плоскости отражающей поверхности выходного зеркала.

На чертеже представлена принципиальная схема предлагаемого устройства.

Источник накачки 1 осуществляет торцевую накачку лазера сквозь глухое зеркало 2, представляющее собой диэлектрическое покрытие, отражающее излучение лазерной генерации и пропускающее излучение накачки, нанесенное на торец активного кристалла 3, соединенного диффузионной сваркой с пассивным затвором 4. Выходное зеркало 5 образовано диэлектрическим покрытием, нанесенным на двулучепреломляющую подложку 6, главная кристаллографическая ось которой лежит в плоскости отражающей поверхности выходного зеркала.

Предлагаемый лазер работает следующим образом:

Источник накачки 1 создает инверсную населенность в активном кристалле 3. Когда из-за спонтанного излучения в инверсно населенной активной среде просветляется пассивный затвор 4, между зеркалами 2 и 5 резонатора начинается развитие лазерного импульса. Коэффициент отражения диэлектрического выходного зеркала 5 на двулучепреломляющей подложке 6 зависит от угла между плоскостью поляризации излучения и главной кристаллографической осью кристалла, из которого сделана подложка. А именно, он минимален (максимален, в зависимости от толщины и величин показателей преломления слоев диэлектрического покрытия) для излучения, вектор напряженности электрического поля которого параллелен главной кристаллографической оси, и максимален (минимален) для ортогонального вектора напряженности. Максимально отражаемые поперечные моды резонатора имеют минимальный порог генерации и начинают раньше развиваться в активной среде, а все прочие моды оказываются подавленными. Таким образом происходит селекция поперечных мод по направлению плоскости поляризации, то есть лазер генерирует импульсы выходного излучения с одинаковым направлением вектора напряженности электрического поля. Субнаносекундная длительность лазерного импульса при этом сохраняется, поскольку двулучепреломляющая подложка 6 располагается за пределами резонатора 2, 5 и не увеличивает его длину.

При изготовлении макетного образца были проведены расчеты, которые показывают, что для получения наибольшей возможной разницы (3-4%) между коэффициентами отражения для обыкновенной и необыкновенной поляризации излучения на длине волны 1064 нм необходимо использовать двулучепреломляющий материал подложки со значениями показателей преломления n_o и n_e в диапазоне 1.4…1.7. В таблице приведены коэффициенты отражения обыкновенной R_o и необыкновенной R_e волн и их разница R_e - R_o для зеркал, образованных покрытием из различного числа чередующихся четвертьволновых слоев из Al₂O₃ (n=1.63) и SiO₂ (n=1.45), нанесенных на подложку из СаСО₃ (n_o=1.64, n_e=1.48). Из таблицы видно, что для данных материалов оптимальное число слоев, соответствующее максимальной разнице R_e-R_o, равно 7.

Число слоев	5	7	9	11	13
Re, %	23.3	32.2	41.1	49.7	57.7
Ro, %	19.6	28.3	37.2	46.0	54.3
Re-Ro, %	3.7	3.9	3.9	3.7	3.4

Предлагаемый лазер может применяться в лазерных системах промышленного, медицинского, технического и научного назначения, требующих длительности лазерного импульса менее 1 нс с неизменной плоскостью линейной поляризации для управления излучением или для его технологического применения. Кроме того, энергия импульса субнаносекундного лазера с неизменной плоскостью поляризации на основе диффузионно сваренного АИГ:Nd³⁺/АИГ:Cr⁴⁺ элемента может быть многократно увеличена в системе поляризационно развязанных усилительных каскадов, что позволяет наиболее простым способом из известных получать импульсы с пиковой мощностью порядка гигаватта и осуществлять внерезонаторное нелинейное преобразование длины волны с эффективностью до 70%.

Источники информации

1. Bradley W. Schilling, Stephen R. Chinn, A.D. Hays, Lew Goldberg and Ward Trussell, "End-pumped 1.5 µm monoblock laser for broad temperature operation", Applied Optics, Vol. 45, No. 25, 6607-6615 (2006).

2. Yuri Yashkir and Henry M. van Driel, "Passively Q-switched 1.57-µm intracavity optical parametric oscillator", Applied Optics, Vol. 38, No. 12, 6607-6615 (1999).

3. Патент США №5394413 - прототип.

4. A.G.Okhrimchuk, A.V.Shestakov, "Absorption saturation mechanism for YAG:Cr⁺⁴ crystals", Physical Reviews B, Vol. 61, No. 2, 988-995 (2000).

Импульсный твердотельный лазер, включающий источник накачки и расположенный внутри резонатора микрочип-элемент, состоящий из соединенных диффузионной сваркой кристаллов АИГ:Nd³⁺ и АИГ:Cr⁴⁺, отличающийся тем, что выходное зеркало резонатора образовано диэлектрическим покрытием, нанесенным на подложку из двулучепреломляющего кристалла, главная кристаллографическая ось которого лежит в плоскости отражающей поверхности выходного зеркала.