Гольмиевый лазер для накачки параметрического генератора света
Владельцы патента RU 2603336:
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") (RU)
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") (RU)
В гольмиевом лазере для накачки параметрического генератора света, включающем источник накачки и размещенные в двухпроходном оптическом резонаторе активный элемент, модулятор добротности, выполненный из материала с кристаллической структурой, новым является то, что модулятор добротности совмещает в себе функции поляризатора и спектрального селектора и представляет собой акустооптический фильтр на основе кристалла парателлурита, с формой, обеспечивающей совпадение оси дифрагированного луча на выходе кристалла с осью оптического резонатора. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности накачки параметрического генератора света и точности спектральных исследований, а также упрощается оптическая схема и уменьшается энергопотребление лазера. 1 ил.
Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для накачки параметрических генераторов света различных типов, работающих в инфракрасной области спектра, а также для зондирования атмосферы.
Задачей, стоящей в данной области техники, на решение которой направлено изобретение, является разработка эффективных источников излучения ИК-диапазона на основе гольмиевого лазера, которые обеспечивают генерацию стабильного по амплитуде импульсно-периодического и линейно- поляризованного излучения с высоким контрастом.
Из предшествующего уровня техники известны аналогичные устройства, направленные на решение данной задачи.
Известен гольмиевый лазер для накачки параметрического генератора света, представленный в статье [«A high power hybrid mid-IR laser source», A. Hemming, J. Richards, S. Bennetts et al, Optics Communications, 283, 2010, p. 4041-4045], который включает в себя источник накачки и размещенные в двухпроходном оптическом резонаторе активный элемент, поляризатор, спектральный селектор и модулятор добротности на основе двух электрооптических кристаллов PbTiOPO4. В качестве поляризатора использована четвертьволновая пластинка. Спектральный селектор представляет собой эталон Фабри-Перо, в виде кварцевой пластины, толщиной ~100 мкм.
Недостатком аналога является низкая эффективность модуляции, сравнительно низкий контраст, а также не достаточно высокая степень поляризации. Спектральная селекция осуществляется механической настройкой эталонов Фабри-Перо, работа с которым представляет определенные эксплуатационные сложности. Кроме того, для эффективной работы электрооптических модуляторов требуется высокое управляющее напряжение (порядка нескольких киловольт), что влечет за собой повышенные требования к электроизоляции и защите электрических цепей от наводок. Использование двух электрооптических модуляторов приводит к усложнению оптической схемы и увеличению габаритов.
Наиболее близким по технической сущности и назначению к заявляемому устройству является гольмиевый лазер для накачки параметрического генератора света, представленный в статье [«Midinfrared laser source with high power and beam quality», E. Lippert, S. Nicolas, G. Arisholm et al, Applied optics, Vol. 45, №16, June 2006, p. 3839-3845], включающий источник накачки и размещенные в двухпроходном оптическом резонаторе активный элемент, модулятор добротности, поляризатор и спектральный селектор. Причем в качестве поляризатора использован срез модулятора добротности под углом Брюстера, который определяет степень поляризации. Модулятор добротности выполнен на основе акустооптического материала кристаллической структуры - плавленого кварца. В качестве спектрального селектора применяется эталон Фабри-Перо, представляющий собой кварцевую пластину толщиной ~100 мкм.
Недостатками известного решения являются:
- низкая эффективность модуляции (порядка 50%) при относительно высокой мощности управляющего сигнала, что ведет к низкому контрасту выходного излучения;
- усложнение оптической схемы лазера из-за наличия брюстерского элемента и спектрального селектора;
- невысокая степень поляризации;
- высокое энергопотребление, что при длительной работе предлагаемого устройства требует интенсивного охлаждения;
- требуется механическая настройка длины волны генерации.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности накачки параметрического генератора света и точности спектральных исследований. Кроме того, перестройка длины волны осуществляется в автоматическом режиме, а также упрощается оптическая схема и уменьшается энергопотребление лазера.
Указанный технический результат достигается тем, что в гольмиевом лазере для накачки параметрического генератора света, включающем источник накачки и размещенные в двухпроходном оптическом резонаторе активный элемент, модулятор добротности, выполненный из материала с кристаллической структурой, новым является то, что модулятор добротности совмещает в себе функции поляризатора и спектрального селектора и представляет собой акустооптический фильтр на основе кристалла парателлурита, с формой, обеспечивающей совпадение оси дифрагированного луча на выходе кристалла с осью оптического резонатора.
Совмещение в модуляторе добротности функций поляризатора и спектрального селектора, представляющего собой акустооптический фильтр, позволяет расширить диапазон перестройки длины волны и увеличить контраст выходного сигнала, что влияет на повышение эффективности накачки параметрического генератора света и точности спектральных исследований, а также упрощает оптическую схему лазера.
Выполнение акустооптического фильтра на основе кристалла парателлурита, с формой, обеспечивающей совпадение оси дифрагированного луча на выходе кристалла с осью оптического резонатора, позволяет получить линейно-поляризованное излучение с максимальной степенью поляризации и контрастом при невысоком энергопотреблении, что обеспечивает достижение вышеуказанного технического результата.
Конструкция устройства представлена на фигуре, где позициями обозначены:
1 - источник накачки,
2 - входное зеркало оптического резонатора,
3 - активный элемент,
4 - входное зеркало оптического резонатора,
5 - акустооптический фильтр,
6 - выходное зеркало оптического резонатора.
Гольмиевый лазер содержит двухпроходный оптический резонатор (длиной 100 мм), образованный тремя зеркалами. При этом входное зеркало 2 выполнено глухим (99%), т.е. полностью отражающим как излучение накачки, так и излучение генерации. Входное зеркало 4 является полностью прозрачным (99%) для излучения накачки и полностью отражающим (99%) излучение генерации. Выходное зеркало 6 выполнено плоско-сферическим с радиусом кривизны 200 мм и является частично отражающим (60%) излучение генерации. Внутри оптического резонатора между зеркалами 2 и 4 размещен активный элемент 3, между зеркалами 4 и 6 - акустооптический фильтр 5. В качестве активного элемента 3 использован кристалл алюмоиттриевого граната, длиной 30 мм и концентрацией легирования ионами гольмия 1 ат.%. Акустооптический фильтр 5 выполнен на основе анизотропного кристалла парателлурита (TeO2) с формой, обеспечивающей совпадение дифрагированного луча на выходе кристалла с осью оптического резонатора. Форма кристалла парателлурита представляет собой четырехгранную призму длиной 28 мм, входная грань которой образует прямой угол с осью оптического резонатора, а выходная грань скошена под углом 7°, обеспечивающим соосность дифрагированного и падающего лучей. Длина пьезопреобразователя, расположенного на одной из боковых граней, составляет 17 мм, ширина 1.8 мм.
Лазер работает следующим образом. После включения источника накачки 1 и подачи управляющего сигнала с соответствующими параметрами на акустооптический фильтр 5, созданная в активном элементе 3 инверсия населенностей и включенная обратная связь оптического резонатора, приводят к возникновению лазерной генерации. Направление оси оптического резонатора, образованного тремя зеркалами 2, 4 и 6, совпадает с направлением оси дифрагированного луча на выходе акустооптического фильтра 5. Длина волны генерации лазера определяется несущей частотой управляющего сигнала. Частота следования лазерных импульсов определяется частотой модуляции. Направление поляризации выходного излучения лазера совпадает с направлением поляризации на выходе акустооптического фильтра 5. Таким образом, излучение оказывается полностью линейно-поляризованным. При отсутствии управляющего сигнала на акустооптическом фильтре 5 генерация лазерного излучения не возникает.
Проведена конструкторская проработка и создан макет гольмиевого лазера с акустооптическим фильтром на парателлурите, с достижением вышеуказанного технического результата. В результате экспериментальных исследований была получена генерация излучения гольмиевого лазера с эффективностью преобразования излучения накачки более 55% и осуществлена автоматическая перестройка длины волны. Осуществлена модуляция добротности лазера, эффективность которой достигла 100%. При этом пропускание акустооптического фильтра в режиме дифракции составило 98%. Получено линейно-поляризованное лазерное излучение со 100% степенью поляризации и контрастом более 105. Благодаря низкому энергопотреблению акустооптического фильтра (2 Вт) удалось уменьшить энергопотребление лазера в целом и тем самым увеличить общий КПД. Разработанный лазер может успешно применяться в качестве источника накачки для параметрических генераторов света ИК диапазона различных типов, а также для зондирования атмосферы.
Гольмиевый лазер для накачки параметрического генератора света, включающий источник накачки и размещенные в двухпроходном оптическом резонаторе активный элемент, модулятор добротности, выполненный из материала с кристаллической структурой, отличающийся тем, что модулятор добротности совмещает в себе функции поляризатора и спектрального селектора и представляет собой акустооптический фильтр на основе кристалла парателлурита, с формой, обеспечивающей совпадение оси дифрагированного луча на выходе кристалла с осью оптического резонатора.
