Лазер с внутрирезонаторной генерацией второй гармоники

 

Использование: изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано при разработке импульсных лазеров, с электрооптической модуляцией добротности и нелинейно-оптическим преобразованием частоты излучения. Сущность изобретения: изобретение позволяет устранить потери лазерного излучения, вызванные деполяризацией основного излучения в нелинейном элементе с взаимодействием II типа, за счет того, что поляризатор выполнен расщепляющим, угол ϕ между плоскостью собственных поляризацией поляризатора и осью Z нелинейного кристалла удовлетворяет соотношению 0<ϕ<90° ,, а лазер дополнительно содержит поворотные зеркала, замыкающие расщепленную поляризатором оптическую ось резонатора. 1 ил.

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано при разработке импульсных источников лазерного излучения с нелинейно-оптическим преобразователем частоты.

Известны лазеры с внутрирезонаторной генерацией второй гармоники, работающие в режиме модуляции добротности резонатора [1] Недостатком известного устройства является низкая энергия импульсов лазерного излучения, поскольку оно работает при непрерывной накачке.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранный в качестве прототипа импульсный лазер, содержащий последовательно расположенные на оптической оси резонатора нелинейный элемент, активный элемент, поляризатор и электрооптический модулятор [2] Недостатком известного устройства является снижение энергии импульсов лазерного излучения в случае использования нелинейных элементов с взаимодействием II типа. Для эффективного преобразования во вторую гармонику при взаимодействии II типа необходимо обеспечить на входе нелинейного кристалла равные составляющие основного излучения с ортогональными поляризациями, одна из которых совпадает с поляризацией излучения второй гармоники. Поэтому нелинейный элемент ориентируется таким образом, чтобы угол ϕ между кристаллографической осью Z нелинейного кристалла и плоскостью собственных поляризаций поляризатора, задающей плоскость поляризации основного излучения, составлял 45^o. Но при этом нелинейный элемент деполяризует основное излучение, что при наличии поляризатора в резонаторе приводит к возрастанию генерационных потерь и соответствующему снижению энергии импульсов выходного излучения.

Изобретение направлено на увеличение энергии импульсов излучения второй гармоники. Сущность изобретения заключается в том, что в известном лазере поляризатор выполнен расщепляющим падающее излучения на два пучка, поляризованных линейно во взаимно перпендикулярных плоскостях; угол v между плоскостью собственных поляризаций поляризатора и осью Z нелинейного кристалла удовлетворяет соотношению 0<ϕ<90° ,, а лазер дополнительно содержит поворотные зеркала, замыкающие расщепленную поляризатором оптическую ось резонатора.

Ни в одном из известных устройств совокупности признаков, перечисленных в отличительной части предлагаемого изобретения, не обнаружено. Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию "существенные отличия".

На чертеже представлен один из вариантов оптической схемы предложенного устройства. Устройство включает в себя выходное зеркало 1, пропускающее излучение на частоте второй гармоники и отражающее основное излучение, нелинейный элемент 2, активный элемент 3, расщепляющий поляризатор 4, электрооптический модулятор 5 и поворотные зеркала 6.

Устройство работает следующим образом. В активном элементе 3 генерируется основное излучение, распространяющееся вдоль оптической оси резонатора. Пройдя поляризатор 4, излучение расщепляется на два пучка, поляризованных линейно во взаимно перпендикулярных плоскостях. С помощью поворотных зеркал 6 оба световых пучка совмещаются, замыкая при этом расщепленную поляризатором оптическую ось резонатора. Луч, вышедший из поляризатора с вертикальной поляризацией, возвращается к поляризатору по пути следования горизонтально поляризованного луча и наоборот. Таким образом резонатор оказывается "запертым". При подаче полуволнового управляющего напряжения на электрический модулятор 5 поляризация проходящего через него излучения поворачивается на 90^o и резонатор "отпирается". Расщепленные световые пучки, пройдя в обратном направлении поляризатор 4, складываются и через активный элемент 3 переходят в левое плечо резонатора. При этом, если слева на поляризатор 4 падает линейно поляризованное излучение, плоскость поляризации которого составляет угол β с плоскостью собственных поляризаций поляризатора, то после обхода петлеобразного участка резонатора и выхода из поляризатора излучение будет поляризовано в плоскости, составляющей угол 90°-β с рассмотренной плоскостью собственных поляризаций. Следовательно, плоскость поляризации излучения, входящего в правое плечо резонатора, при каждом обходе будет поворачиваться на угол α= 90°-2β..

В левом плече резонатора основное излучение преобразуется в нелинейном элементе 2 во вторую гармонику, излучение которой покидает резонатор через выходное зеркало 1. Эффективность преобразования максимальна, если основное излучение поляризовано в плоскости, составляющей угол 45^o с осью Z нелинейного кристалла, и равна нулю если угол составляет 0^o или 90^o. Поскольку выход лазерного излучения из резонатора осуществляется только на частоте второй гармоники, основное излучение, поляризованное под углом 0^o или 90^o к оси Z, обладает минимальными генерационными потерями. Следовательно, при ориентации оси Z нелинейного кристалла под углом ϕ равным 0^o или 90^o в резонаторе возможна генерация только двух состояний линейно поляризованного основного излучения, плоскости поляризации которых или направлены оси Z или перпендикулярны ей. Плоскость поляризации основного излучения в правом плече резонатора при указанных значениях угла v будет поворачиваться на угол α = 90°-2ϕ = ± 90°,, то есть направления поляризации генерируемого в этом случае основного излучения не изменяется.

В случае, когда 0<ϕ<90° при каждом обходе правого плеча резонатора направление плоскости поляризации основного излучения изменяется. Это позволяет на обратном проходе левого плеча преобразователь во вторую гармонику высокодобротное основное излучение, которое первоначально было поляризовано не оптимальным для генерации второй гармоники образом. Таким образом, в предлагаемом лазере основное излучение в процессе его циркуляции в резонаторе эффективно преобразуется во вторую гармонику независимо от начального направления плоскости поляризации.

Использование предлагаемого лазера с внутрирезонаторной генерацией второй гармоники обеспечивает по сравнению с известными устройствами устранение потерь лазерного излучения, связанных с деполяризацией основного излучения, возникающей в нелинейных элементах с взаимодействием II типа, поскольку в заявляемой оптической схеме деполяризованная часть основного излучения не выходит из резонатора при прохождении поляризатора. Расчеты, проведенные при помощи балансных уравнений, показывают, что при типичных для твердотельных импульсных лазеров с генерацией второй гармоники параметрах (коэффициент усиления 0,1 0,3 см^-1, коэффициент потерь 0,01 0,03 см^-1, коэффициент пропускания выходного зеркала 90% для излучения второй гармоники и 1% для основного излучения) уменьшение потерь в резонаторе на 5% увеличивает энергию излучения на 20 60%

Формула изобретения

Лазер с внутрирезонаторной генерацией второй гармоники, содержащий последовательно расположенные на оптической оси резонатора нелинейный кристалл с взаимодействием n типа, активный элемент, поляризатор и электрооптический модулятор, отличающийся тем, что поляризатор выполнен расщепляющим, угол ϕ между плоскостью собственных поляризаций поляризатора и осью Z нелинейного кристалла удовлетворяет соотношению 0<ϕ<90°, а лазер дополнительно содержит поворотные зеркала, замыкающие расщепленную поляризатором оптическую ось резонатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1