Способ увеличения частоты следования ультракоротких высокомощных лазерных импульсов в ограниченной последовательности



Способ увеличения частоты следования ультракоротких высокомощных лазерных импульсов в ограниченной последовательности
Способ увеличения частоты следования ультракоротких высокомощных лазерных импульсов в ограниченной последовательности
G02F1/3515 - Устройства или приспособления для управления интенсивностью, цветом, фазой, поляризацией или направлением света, исходящего от независимого источника, например для переключения, стробирования или модуляции; нелинейная оптика (термометры с использованием изменения цвета или прозрачности G01K 11/12; с использованием изменения параметров флуоресценцией G01K 11/32; световоды G02B 6/00; оптические устройства или приспособления с использованием подвижных или деформируемых элементов для управления светом от независимого источника G02B 26/00; управление светом вообще G05D 25/00; системы визуальной сигнализации G08B 5/00; устройства для индикации меняющейся информации путем выбора или комбинации отдельных элементов G09F 9/00; схемы и устройства управления для приборов

Владельцы патента RU 2703937:

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) (RU)

Изобретение относится к лазерной технике. Способ увеличения частоты следования ультракоротких высокомощных лазерных импульсов в ограниченной последовательности включает введение ограниченной первоначальной последовательности импульсов в оптический резонатор, время полного обхода которого отличается от временного интервала между импульсами первоначальной последовательности, одновременное накопление импульсов с большей частотой следования за счет изменения одного и того же параметра каждого входящего импульса первоначальной последовательности, формирование из них новой последовательности, и дальнейшее выведение из оптического резонатора полученной новой последовательности импульсов через оптический затвор. При этом в оптическом резонаторе размещают нелинейный оптический элемент, с помощью которого преобразуют длину волны лазерного излучения, используемую в качестве изменяемого параметра каждого входящего импульса первоначальной последовательности, а лазерное излучение с длиной волны первоначальной последовательности вводят в оптический резонатор и выводят из него, используя дихроичные зеркала. Технический результат заключается в обеспечении возможности формирования последовательностей коротких лазерных импульсов с высокой частотой следования и высокой мощностью, не зависящей от порога пробоя оптического элемента. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для формирования последовательностей коротких высокомощных лазерных импульсов с очень высокой частотой следования (более 1 ТГц). Такие последовательности представляют большой интерес для многих приложений, включая лазерные источники вторичного излучения терагерцового и рентгеновского диапазонов, лазерные ускорители частиц, устройства лазерной микрообработки материалов и др.

Частота последовательности импульсов может совпадать с высокочастотными резонансами облучаемых сред (плазменная частота, частота терагерцового поля и т.д.), что приводит к эффективному взаимодействию. Для многих приложений режим резонансной последовательности импульсов не уступает одноимпульсному режиму по эффективности взаимодействия со средой. При этом максимальная энергия, которая может быть получена в последовательности импульсов, значительно превышает энергию одиночного лазерного импульса, которая, как правило, ограничивается нелинейными эффектами и эффектом оптического пробоя в элементах лазерной схемы. В твердотельных лазерах эффекту оптического пробоя наиболее подвержен активный элемент лазера. В наибольшей степени это проявляется в активных средах (таких как иттербиевые среды) с высокой плотностью энергии насыщения, которая может превышать порог пробоя, что не позволит эффективно извлекать энергию, запасенную в среде. Еще острее эта проблема проявляется в лазерах с тонкими активными элементами, например, с волокнами [М. Kienel, Optics Letters 41(14), pp. 3343-3346, 2016], с тонкими стержнями [X. et. al., Optics Letters 38 (2), pp. 109-111, 2013] или с тонкими слэбами [P. Russbueldt et. al., Optics Letters 35 (24), pp. 4169-4171, 2010]. Такие активные элементы часто используются в лазерах высокой средней мощности. Благодаря малой толщине элемент эффективно охлаждается, что важно при высокой средней мощности, однако это ограничивает апертуру активного элемента и энергию выходных импульсов.

Существуют способы формирования последовательностей коротких лазерных импульсов с очень высокой частотой следования. Последовательности можно получить на выходе лазерного генератора, работающего в режиме синхронизации мод. Частота следования таких последовательностей определяется длиной резонатора генератора. Максимальная частота, полученная таким образом, составляет чуть меньше 5 ГГц [S. Pekarek et. al., Optics Express 20(4), pp. 4248-4253, 2012]. Известны способы формирования последовательности импульсов из одиночного импульса. В одном способе для разделения импульса используется набор лазерных интерферометров Майкельсона [С.W. Siders et. al., Applied Optics 37 (22), pp. 5302-5305, 1998]. В другом способе применяется интерференция двух реплик чирпированного импульса, смещенных друг относительно друга [R.J. Shalloo et. al., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 829, pp. 383-385, 2016]. В третьем способе одиночный импульс пропускается через последовательность ориентированных анизотропных кристаллов различных длин и расщепляется на несколько реплик за счет эффекта двулучепреломления [Т. Robinson et. al., Journal of the Optical Society of America В 27(4), pp. 763-772, 2010]. Частота следования импульсов в данных схемах ограничивается лишь их длительностью, однако недостатком является то, что энергия последовательности импульсов не может превышать энергию одиночного импульса, из которого эта последовательность получена.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является взятый за прототип способ увеличения частоты следования ультракоротких высокомощных лазерных импульсов в ограниченной последовательности [Т. et. al., Laser Congress 2017 (ASSL, LAC), OSA Technical Digest, paper JM5A.33, 2017], в котором конечную по времени последовательность импульсов вводят в оптический резонатор, время полного обхода которого немного отличается от временного интервала между входящими импульсами, а затем выводят из резонатора сформированную новую последовательность импульсов с большей частотой следования. Резонатор содержит лазерный усилитель и оптический затвор, состоящий из ячейки Поккельса, четвертьволновой пластинки и поляризатора.

В известном способе - прототипе используют оптический затвор, работающий в трех режимах: режиме частичного пропускания излучения, режиме нулевого пропускания излучения, режиме полного пропускания излучения. В режиме частичного пропускания излучения осуществляют ввод последовательности импульсов в резонатор и их накопление. При попадании в резонатор импульсам первоначальной последовательности меняют один и тот же параметр - поляризацию за счет ее поворота в оптическом затворе на 45 градусов на каждом обходе резонатора. При этом на каждом обходе происходит потеря половины энергии импульса. Для компенсации данных потерь энергии вводят усилитель, который усиливает импульсы в 2 раза на каждом обходе. Усиление импульсов в новой последовательности осуществляют в режиме нулевого пропускания оптического затвора, при этом импульсы многократно обходят резонатор и усиливаются. И, наконец, переключая оптический затвор в режим полного пропускания, выводят импульсы полученной новой последовательности из резонатора.

Недостаток способа-прототипа заключается в том, что при вводе и дальнейшем накоплении импульсов в оптическом резонаторе большая часть энергии импульсов теряется при прохождении через оптический затвор. Это приводит к необходимости постоянного усиления энергии импульсов накапливаемой новой последовательности в оптическом резонаторе, что требует обязательного наличия лазерного усилителя для реализации способа-прототипа. Энергия импульсов новой последовательности на выходе будет ограничена по величине, так как при достижении энергией импульсов определенного порогового значения в усилителе возникает нежелательный эффект оптического пробоя активного элемента. Таким образом, описанный в прототипе способ увеличения частоты следования ультракоротких высокомощных лазерных импульсов в ограниченной последовательности не позволяет снять ограничение по величине мощности выходных импульсов, связанное с порогом пробоя активного элемента.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка способа увеличения частоты следования ультракоротких высокомощных лазерных импульсов в ограниченной последовательности, который позволяет получить конечную последовательность ультракоротких лазерных импульсов с требуемой высокой мощностью, не зависящей от порога пробоя активного элемента.

Технический результат достигается благодаря тому, что разработанный способ увеличения частоты следования ультракоротких высокомощных лазерных импульсов в ограниченной последовательности так же, как и способ, который является ближайшим аналогом, включает введение ограниченной первоначальной последовательности импульсов в оптический резонатор, время полного обхода которого отличается от временного интервала между импульсами первоначальной последовательности, одновременное накопление импульсов с большей частотой следования за счет изменения одного и того же параметра каждого входящего импульса первоначальной последовательности и формирование из них новой последовательности, и дальнейшее выведение из оптического резонатора полученной новой последовательности импульсов через оптический затвор.

Новым в разработанном способе является то, что в оптическом резонаторе размещают нелинейный оптический элемент, с помощью которого преобразуют длину волны лазерного излучения, используемую в качестве изменяемого параметра каждого входящего импульса первоначальной последовательности, а лазерное излучение с длиной волны первоначальной последовательности вводят в оптический резонатор и выводят из него, используя дихроичные зеркала.

В частном случае реализации разработанного способа длину волны лазерного излучения, используемую в качестве изменяемого параметра каждого входящего импульса первоначальной последовательности, уменьшают в 2 раза.

На фиг. 1 представлена схема возможной технической реализации разработанного способа в соответствии с п. 1 или п. 2 формулы.

Первоначальная последовательность 1 импульсов подается в оптический резонатор, состоящий из двух дихроичных зеркал 2 и 3. Внутри резонатора размещают нелинейный оптический элемент 4 и оптический затвор 5, состоящий из ячейки Поккельса, четвертьволновой пластинки и поляризатора. С помощью оптического затвора 5 осуществляют вывод новой последовательности 6 импульсов из резонатора.

Способ осуществляют следующим образом.

Через первое дихроичное зеркало 2 первоначальную последовательность 1 коротких лазерных импульсов с равными интервалами между импульсами ΔT1 вводят в оптический резонатор, время полного обхода которого составляет ΔT2 и отличается от временного интервала ΔT1 между импульсами первоначальной последовательности 1.

При прохождении первоначальной последовательности 1 через нелинейный оптический элемент 4 изменяют параметр каждого входящего импульса этой последовательности 1. В качестве изменяемого параметра каждого входящего импульса первоначальной последовательности 1 выбирают длину волны лазерного излучения. Таким образом, длину волны λ1 лазерного излучения первоначальной последовательности 1 изменяют на λ2 - длину волны лазерного излучения получаемой новой последовательности 6. Дихроичные зеркала 2 и 3 выбирают таким образом, чтобы на длине волны λ1 они обладали большим коэффициентом пропускания, а на длине волны λ2 - большим коэффициентом отражения. Тогда излучение с длиной волны λ1 проходит через второе дихроичное зеркало 3 и выводится из резонатора, а излучение с длиной волны λ2 отражается как от второго дихроичного зеркала 3, так и от первого дихроичного зеркала 2 и остается внутри оптического резонатора.

Так как время полного обхода резонатора ΔT2 выбирают отличающимся от временного интервала ΔT1 между импульсами первоначальной последовательности 1, то на каждом обходе резонатора между соседними импульсами новой последовательности 6 возникает временной интервал, равный , который определяет частоту следования импульсов полученной новой последовательности 6.

Когда все импульсы первоначальной последовательности 1 преобразуют в импульсы новой последовательности 6 с длиной волны λ2, переключают оптический затвор 5 и выводят импульсы новой последовательности 6 из резонатора.

В конкретной реализации заявленного способа первоначальная последовательность состояла из 8 импульсов с временными интервалами между импульсами ΔT1=5 нс, что соответствует частоте следования 0,2 ГГц, длина волны первоначальной последовательности λ1=1030 нм. Полученная новая последовательность имела длину волны λ2=515 нм, а временной интервал между импульсами составлял 5 пс, что соответствует частоте следования импульсов 0,2 ТГц. В качестве нелинейного оптического элемента использовался кристалл бета-бората бария (ВВО).

Выходные параметры новой последовательности импульсов, которые могут быть достигнуты с применением заявленного способа, ограничиваются только световой апертурой и тепловыми эффектами в ячейке Поккельса. Современные ячейки Поккельса способны выдерживать среднюю мощность более 1 кВт и пиковую мощность более 100 ГВт. В способе - прототипе более строгие ограничения, по сравнению с ячейкой Поккельса, на выходные параметры новой последовательности импульсов накладывают световая апертура и тепловые эффекты в лазерном усилителе. В зависимости от геометрии активного элемента усилителя его предельные средняя и пиковая мощности в 2-10 раз ниже, чем в ячейке Поккельса. Следовательно, средняя и пиковая мощности новой последовательности импульсов в способе - прототипе в 2-10 раз ниже, чем в разработанном способе увеличения частоты следования ультракоротких высокомощных лазерных импульсов в ограниченной последовательности.

Таким образом, разработанный способ увеличения частоты следования ультракоротких высокомощных лазерных импульсов в ограниченной последовательности позволяет получить конечную последовательность ультракоротких лазерных импульсов с требуемой высокой мощностью, не зависящей от порога пробоя активного элемента.

1. Способ увеличения частоты следования ультракоротких высокомощных лазерных импульсов в ограниченной последовательности, включающий введение ограниченной первоначальной последовательности импульсов в оптический резонатор, время полного обхода которого отличается от временного интервала между импульсами первоначальной последовательности, одновременное накопление импульсов с большей частотой следования за счет изменения одного и того же параметра каждого входящего импульса первоначальной последовательности и формирование из них новой последовательности, и дальнейшее выведение из оптического резонатора полученной новой последовательности импульсов через оптический затвор, отличающийся тем, что в оптическом резонаторе размещают нелинейный оптический элемент, с помощью которого преобразуют длину волны лазерного излучения, используемую в качестве изменяемого параметра каждого входящего импульса первоначальной последовательности, а лазерное излучение с длиной волны первоначальной последовательности вводят в оптический резонатор и выводят из него, используя дихроичные зеркала.

2. Способ увеличения частоты следования ультракоротких высокомощных лазерных импульсов в ограниченной последовательности по п. 1, отличающийся тем, что длину волны лазерного излучения, используемую в качестве изменяемого параметра каждого входящего импульса первоначальной последовательности, уменьшают в 2 раза.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к лазерной технике. Параметрический генератор света содержит положительный нелинейный оптический кристалл, установленный с возможностью вращения относительно направления накачки в держателе из теплопроводного материала и связанный со средством его термостабилизации.

Изобретение относится к лазерной технике. Параметрический генератор света содержит положительный нелинейный оптический кристалл, установленный с возможностью вращения относительно направления накачки в держателе из теплопроводного материала и связанный со средством его термостабилизации.

Группа изобретений относится к лазерной технике. Способ генерирования фемтосекундных ультрафиолетовых лазерных импульсов, реализуемый соответствующей системой, включает направление на нелинейный оптический кристалл первого лазерного импульса, имеющего основную длину волны в ближней инфракрасной области электромагнитного спектра, при этом первый лазерный импульс имеет длительность импульса менее 1000 фемтосекунд.

Изобретение относится к лазерной технике. .

Изобретение относится к методам и средствам магнитной активации жидких, коллоидных и газообразных сред. Магнитный активатор содержит встраиваемую в рабочий трубопровод неферромагнитную плоскую расширительную емкость, размеры которой обеспечивают заданное снижение скорости течения активируемого рабочего тела и увеличение времени его пребывания в переменном магнитном поле, размещенную в сквозном проеме неферромагнитного корпуса, состоящего из двух жестко соединенных параллельных кассет с выполненными в них продольными параллельными каналами цилиндрической формы, в каждом из которых размещено равное количество постоянных магнитов, соединенных внутри канала одноименными полюсами, ориентированными напротив полюсов другой полярности магнитов, размещенных в каналах противоположной кассеты, при этом длина магнита не менее чем в два раза превышает расстояние между продольными осями магнитов, расположенных в ближайших каналах противоположных кассет.

Изобретение относится к автостереоскопическим видеосистемам. Стереоскопическая видеосистема отличается использованием в дистанционном бинокулярном фильтре сегнетоэлектрической жидкокристаллической структуры с компенсированным геликоидом и поверхностной стабилизацией, оптические характеристики которой описываются одноосным эллипсоидом показателя преломления, ориентация оптической оси которого для двух возможных энергетических состояний сегнетоэлектрической структуры выбрана с учетом ориентации поляризатора жидкокристаллического экрана стереоскопического дисплея, являющегося источником световых потоков ракурсных изображений.

Изобретение относится к области оптики, а именно к способам создания линейных оптических устройств, осуществляющих линейные преобразования между большим числом каналов.

Изобретение относится к области лазерной техники и касается способа получения последовательности идентичных фемтосекундных импульсов. Способ включает в себя разделение излучения лазера на две части, одна из которых поступает на фотодетектор, где выделяется сигнал с частотой повторения импульсов, который смешивается с сигналом синтезатора опорной частоты повторения импульсов и поступает на блок фазовой привязки частоты повторения импульсов лазера.

Изобретение относится к области оптического приборостроения, многослойных оптических фильтров, элементов квантовой электроники и может быть использовано для защиты от ослепляющего излучения, узкополосной фильтрации оптического излучения, создания зеркальных элементов с регулируемым коэффициентом отражения и пропускания и др.

Изобретение относится к монокристаллам литиевых халькогенидов, предназначенных к применению в нелинейной оптике для реализации перестройки лазерного излучения видимого и ближнего ИК-диапазона в средний ИК-диапазон.

Определенные примерные варианты осуществления изобретения относятся к блоку остекления, включающему первую стеклянную основу (202); экран (204) для защиты от излучения, покрывающий, непосредственно или косвенно, по меньшей мере, часть области наружной кромки первой стеклянной основы (202).

Настоящее изобретение относится к панелям жидкокристаллического дисплея (LCD). Панель содержит: источник подсветки; подложку матрицы, расположенную на источнике подсветки; матрицу светочувствительных устройств, выполненную на подложке матрицы; схему управления, соединенную с матрицей светочувствительных устройств.

Изобретение относится к схемам отображения. Технический результат заключается в расширении арсенала средств того же назначения.

Изобретение относится к дифракционным решеткам, используемым в устройствах дополненной реальности. Согласно способу изготовления жидкокристаллической структуры для дифракционной решетки фотоориентант, расположенный на подложках, облучают поляризованными когерентными волнами, которые интерферируют между собой, где одна из указанных волн имеет сферический волновой фронт, а другая – плоский.

Изобретение относится к монокристаллам литиевых халькогенидов, предназначенных к применению в нелинейной оптике для реализации перестройки лазерного излучения видимого и ближнего ИК-диапазона в средний ИК-диапазон.

Изобретение относится к монокристаллам литиевых халькогенидов, предназначенных к применению в нелинейной оптике для реализации перестройки лазерного излучения видимого и ближнего ИК-диапазона в средний ИК-диапазон.

Изобретение относится к технике связи и может использоваться для RGB дисплеев. Технический результат состоит в повышении качества формирования широкополосного сигнала.

Изобретение относится к области получения кристалла трибората лития LiB3O5 (LBO), являющегося высокоэффективным нелинейно-оптическим материалом, применяющимся для пассивного преобразования частоты лазерного излучения.

Изобретение относится к области получения кристалла трибората лития LiB3O5 (LBO), являющегося высокоэффективным нелинейно-оптическим материалом, применяющимся для пассивного преобразования частоты лазерного излучения.

Изобретение относится к лазерной технике. Способ увеличения частоты следования ультракоротких высокомощных лазерных импульсов в ограниченной последовательности включает введение ограниченной первоначальной последовательности импульсов в оптический резонатор, время полного обхода которого отличается от временного интервала между импульсами первоначальной последовательности, одновременное накопление импульсов с большей частотой следования за счет изменения одного и того же параметра каждого входящего импульса первоначальной последовательности, формирование из них новой последовательности, и дальнейшее выведение из оптического резонатора полученной новой последовательности импульсов через оптический затвор. При этом в оптическом резонаторе размещают нелинейный оптический элемент, с помощью которого преобразуют длину волны лазерного излучения, используемую в качестве изменяемого параметра каждого входящего импульса первоначальной последовательности, а лазерное излучение с длиной волны первоначальной последовательности вводят в оптический резонатор и выводят из него, используя дихроичные зеркала. Технический результат заключается в обеспечении возможности формирования последовательностей коротких лазерных импульсов с высокой частотой следования и высокой мощностью, не зависящей от порога пробоя оптического элемента. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Наверх