Пассивный затвор для модуляции добротности резонатора лазера

 

Область применения: в квантовой электронике для формирования гигантских импульсов излучения в твердотельных, газовых лазерах и лазерах на красителях. Сущность: для увеличения энергии и пиковой мощности лазерного излучения в моноимпульсном режиме генерации в резонатор лазера, содержащий телескоп и насыщающийся фильтр, расположенный в области резонатора с максимальной апертурой пучка и обеспечивающий генерацию серии импульсов излучения при накачке активного элемента, помещен изготовленный из материала первого фильтра второй насыщающийся фильтр, закрепленный в держателе с возможностью параллельного перемещения вдоль оси резонатора относительно начального положения, причем второй фильтр помещен в область резонатора с расширяющейся апертурой пучка таким образом, что площадь апертуры пучка на поверхности фильтра и толщина фильтра связаны приведенным в формуле изобретения. 1 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано для формирования гигантских импульсов излучения в твердотельных, газовых лазерах и лазерах на красителях.

Известен пассивный затвор для модуляции добротности резонатора рубинового лазера на основе растворов просветляющихся веществ, содержащий расположенную в резонаторе лазера кювету с раствором просветляющегося вещества, оптимальная концентрация которого подбирается экспериментально путем измерения энергии излучения лазера после каждого изменения концентрации. Концентрация просветляющегося вещества, параметры резонатора и накачки подобраны таким образом, чтобы насыщающийся фильтр просветлялся в момент достижения максимальной инверсии в активном элементе. Быстрое включение добротности резонатора позволяет формировать гигантский импульс излучения [1] .

Недостатки устройства состоят в трудности подбора концентрации просветляющихся веществ для достижения максимальной энергии гигантского импульса, необходимость изменения концентрации просветляющихся веществ либо параметров резонатора при изменении условий накачки, в том числе связанных с деградацией ламп-вспышек или активного элемента в процессе эксплуатации.

Известно также устройство для модуляции добротности резонатора рубинового лазера с помощью фильтров на основе стекла КС-19. В резонатор лазера, образованный плоскими зеркалами, помещен насыщающийся фильтр, изготовленный в виде плоскопараллельной пластины из стекла КС-19. Для достижения максимальной энергии излучения толщина насыщающегося фильтра, параметры резонатора и накачки подобраны таким образом, чтобы включение добротности резонатора происходило при максимальной инверсии в активном элементе. Толщина фильтра подбирается путем последовательного введения в резонатор фильтров разной толщины и измерения энергии лазерного излучения [2] .

Недостатки устройства состоят в том, что необходимо иметь большой набор фильтров разной толщины; в необходимости выполнения повторного подбора параметров фильтра при изменении условий накачки активного элемента.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является пассивный затвор, содержащий расположенные в резонаторе лазера телескоп, образованный отрицательной и положительной линзами, и насыщающийся фильтр, расположенный в области резонатора с максимальной апертурой пучка. Для достижения максимальной энергии излучения в режиме пассивной модуляции добротности экспериментально подбирается толщина фильтра при фиксированном увеличении телескопа либо увеличение телескопа при фиксированной толщине фильтра [3] .

Недостатки описанного устройства состоят в трудности подбора параметров фильтра либо элементов резонатора; необходимости осуществлять замену фильтра либо изменять оптическую схему резонатора при изменении условий накачки активного элемента. Следует отметить, что в ряде случаев изменение условий накачки происходит неконтролируемо, что связано с деградацией элементов лазера, изменением температуры активного элемента и т. п.

Цель изобретения - увеличение энергии и пиковой мощности лазерного излучения, повышение воспроизводимости выходных характеристик лазера.

Это достигается тем, что в резонатор лазера, содержащий телескоп и насыщающийся фильтр, расположенный в области резонатора с максимальной апертурой пучка и обеспечивающий генерацию серии импульсов излучения при накачке активного элемента, помещен изготовленный из того же материала второй насыщающийся фильтр; причем второй фильтр закреплен в держателе, с помощью которого осуществляется перемещение фильтра вдоль оси резонатора, и помещен в область резонатора с расширяющейся апертурой пучка, таким образом, что при условии, что τ_нак < < τ _, площадь апертуры пучка на поверхности второго фильтра (S_ф2) и толщина второго фильтра (t_ф2) связаны следующим соотношением: St= (n-1)tS₀k1+ где n - число импульсов излучения в серии, генерируемых с первым фильтром в резонаторе; t_ф1 - толщина первого фильтра; T_ф1 - пропускание первого фильтра на рабочей длине волны при отсутствии насыщения; R - коэффициент отражения выходного зеркала резонатора; S_о - площадь апертуры активного элемента; k - увеличение телескопа; χ - коэффициент заполнения резонатора; τ_нак - длительность импульса накачки; τ - эффективное время релаксации верхнего лазерного уровня в отсутствии внешнего поля. Сущность изобретения заключается в том, что предлагаемый пассивный затвор позволяет варьировать величину инверсии в активном элементе, накопленной к моменту срабатывания затвора, путем перемещения вдоль оси резонатора насыщающегося фильтра, расположенного в области резонатора с расширяющейся апертурой пучка, причем апертура этого фильтра рассчитывается по предлагаемой формуле. Другое отличие состоит в том, что в предлагаемом устройстве имеется возможность корректировки величины инверсии в активном элементе, при которой срабатывает затвор, в соответствии с изменившимися в процессе эксплуатации лазера условиями накачки, причем указанная корректировка не требует дополнительной юстировки оптической схемы резонатора лазера.

В случае применения одного насыщающегося фильтра в схеме, описанной в прототипе, инверсную населенность в активном элементе N_о, при которой начинается процесс генерации можно определить следующим образом:
N_o = N_пор. + μ χ k² n_ф1 t_ф1 / L_аэ , (1) где N_пор. - пороговая инверсия при просветленном фильтре;
μ- отношение сечений индуцированного излучения фильтра и активной среды;
χ - коэффициент заполнения резонатора;
k - увеличение телескопа;
t_ф1 - толщина первого фильтра;
n_ф1 - концентрация активных молекул фильтра;
L_аэ - длина активного элемента.

Для достижения максимальной энергии излучения в импульсе параметры фильтра и резонатора подбираются таким образом, чтобы фильтр просветлялся при максимальной инверсии в активном элементе, т. е. должно выполняться следующее равенство:
N_o = N_макс. (2), где N_макс. - максимальная инверсия в активном элементе, достигаемая при оптимальной накачке.

Величину N_о при этом можно варьировать путем изменения увеличения телескопа либо путем изменения толщины фильтра.

При уменьшении эффективности накачки, связанном, например, с увеличением температуры активного элемента в процессе работы происходит уменьшение N_макс. Поскольку величина N_о не зависит от накачки при уменьшении N_макс, может иметь место соотношение:
N_o > N_макс. (3), при выполнении которого пассивный затвор не сработает.

При введении в резонатор лазера второго насыщающегося фильтра величину инверсной населенности в активном элементе, при которой начинается процесс генерации (N_o^*), можно оценить следующим образом, если пренебречь изменением N_пор, связанным с введением второго фильтра:
N_o* = N_пор. + μ χk² n_ф1 (t_ф1 + t_ф2 ) /L_аэ (4)
Если при введении второго фильтра достигается моноимпульсный режим генерации, то при условии, что длительность импульса накачки ( τ_нак) много меньше эффективного времени релаксации верхнего лазерного уровня в отсутствии внешнего поля (τ ), имеем следующее соотношение: N_o^* ≈ nN_о,
(5) где n - число импульсов излучения в серии, генерируемой при аналогичных условиях накачки с первым фильтром.

Величина N_пор рассчитывается следующим образом:
N_пор = ( 2 βL_аэ - ln R ) / 2σ₂₁ L_аэ (6) где S_о - площадь сечения активного элемента;
R - коэффициент отражения выходного зеркала;
β- потери в активном элементе;
σ₂₁- сечение индуцированного излучения лазерного перехода.

Предполагая, что основными потерями в резонаторе являются потери на излучение из формул (1), (4)-(6) получаем выражение для расчета площади апертуры второго фильтра:
St= (n-1)tS₀k1+ (7)
Реализация изобретения для модуляции добротности резонатора рубинового лазера позволила в 1,6 раза увеличить энергию и примерно в 3 раза пиковую мощность генерации по сравнению с лазером с аналогичными параметрами, для модуляции добротности резонатора которого используется известный пассивный затвор. Сравнение характеристик лазеров с пассивной модуляцией добротности, осуществляемой известным и предлагаемым способом, показало, что использование предлагаемого способа позволяет улучшить воспроизводимость выходных характеристик лазера.

Таким образом, указанные отличия позволяют увеличить энергию и мощность лазерного излучения, увеличить воспроизводимость характеристик лазера, упростить подбор оптимальных параметров затвора.

На чертеже показана оптическая схема предлагаемого пассивного затвора.

Устройство содержит размещенный в резонаторе лазера телескоп, образованный отрицательной Л₁ и положительной Л₂ линзами. В резонатор лазера помещен фильтр Ф₁, толщина которого выбрана таким образом, что лазер генерирует серию из n импульсов. В область резонатора с расширяющейся апертурой луча помещен изготовленный из того же материала второй фильтр Ф₂, так, что толщина фильтра и апертура лазерного пучка на его поверхности связаны соотношением (7). Второй фильтр Ф₂ закреплен в держателе, позволяющем перемещать его вдоль оси резонатора в направлениях, указанных на чертеже стрелками. АЭ - активный элемент лазера.

Пассивный затвор работает следующим образом. Выполнение условия (7) путем установки фильтра Ф₂ в соответствующем месте резонатора позволяет реализовать условие (1), при котором пассивный затвор срабатывает в момент достижения максимальной инверсии в активном элементе. При изменении условий накачки следует найти новое положение фильтра Ф₂ в резонаторе, такое, чтобы выполнялось условие (7). Это может быть сделано без дополнительной юстировки или замены оптических элементов резонатора.

Пассивный затвор использовался для модуляции добротности резонатора рубинового лазера. Длина и диаметр активного элемента составляли 100 и 10 мм соответственно. Резонатор лазера длиной 650 мм был образован плоским "глухим" зеркалом и выходным зеркалом с коэффициентом отражения 32% . В резонаторе был размещен телескоп с увеличением ≈ 2,2, образованный отрицательной линзой с фокусным расстоянием -120 мм и положительной линзой с фокусным расстоянием 265 мм, расположенными на расстоянии 145 мм друг от друга.

В область резонатора с максимальной апертурой луча был помещен насыщающийся фильтр, изготовленный из стекла КС-19 в виде плоскопараллельной пластины. При накачке активного элемента, осуществляемой с помощью блока питания "Накачка-3000" и двух ламп-вспышек ИСП-5000, лазер генерировал серию из восьми импульсов. Суммарная энергия излучения составляла 2,5 Дж при энергии, запасаемой в батарее конденсаторов, ≈ 3,2 кДж. В резонатор лазера в область между отрицательной и положительной линзами помещался второй насыщающийся фильтр из стекла КС-19 толщина 5 мм. Положение фильтра в резонаторе рассчитывалось из соотношения (7). Апертура фильтра, рассчитанная по формуле (8), составила величину ≈ 2 см², этой апертуре соответствует максимальная энергия излучения.

Полученные в эксперименте при использовании предлагаемого пассивного затвора выходные характеристики лазера выше по сравнению с характеристиками, реализованными в прототипе. Так при длине и диаметре активного элемента, равных 120 и 8 мм соответственно, максимальная энергия излучения лазера составляла 0,5 Дж при максимальной пиковой мощности 10⁷ Вт. В таком же лазере с предлагаемым пассивным затвором достигнута энергия излучения 0,8 Дж и пиковая мощность 2,5˙ 10⁷ Вт.

Формула изобретения

ПАССИВНЫЙ ЗАТВОР ДЛЯ МОДУЛЯЦИИ ДОБРОТНОСТИ РЕЗОНАТОРА ЛАЗЕРА, содержащий расположенные в резонаторе лазера телескоп и первый насыщающийся фильтр, размещенный в области резонатора с максимальной апертурой пучка и обеспечивающий генерацию серии импульсов излучения при накачке активного элемента лазера, отличающийся тем, что, с целью увеличения энергии и пиковой мощности лазерного излучения в моноимпульсном режиме генерации, в резонатор помещен изготовленный из материала первого фильтра второй насыщающийся фильтр, закрепленный в держателе с возможностью параллельного перемещения вдоль оси резонатора относительно начального положения, причем второй фильтр помещен в область резонатора с расширяющейся апертурой лазерного пучка, в которой площадь S_ф2 апертуры пучка на поверхности второго фильтра и толщина t_ф2второго фильтра связаны следующим соотношением:
St= (n-1)tS₀k1+ , ,
где n - число импульсов излучения в серии, генерируемых с первым фильтром в резонаторе;
t_ф1 - толщина первого фильтра;
T_ф1 - пропускание первого фильтра на рабочей длине волны при отсутствии насыщения;
R - коэффициент отражения выходного зеркала резонатора;
S₀ - площадь апертуры активного элемента;
k - увеличение телескопа;
χ - коэффициент заполнения резонатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1