Импульсный твердотельный лазер с преобразованием частоты излучения в высшие гармоники

 

Изобретение относится к квантовой электротехнике, в частности к твердотельным лазерам, и может быть и использовано в нелинейной оптике, медицине и в лазерных системах мониторинга загрязнений атмосферы и акваторий. Лазер содержит входной и выходной поляризаторы, пропускающие излучение, поляризованное в горизонтальной плоскости, активный элемент между поляризаторами и внерезонаторную оптическую систему, расширяющую сечение луча, поворачивающую плоскость поляризации на 90^o и направляющую луч в активный элемент через входной поляризатор. Между входным поляризатором и частично прозрачным зеркалом установлен электрооптический элемент, а между выходным поляризатором и глухим зеркалом установлены два клина с углом при вершине, равным arcctg n, расположенных так, что ближние к глухому зеркалу грани составляют с оптической осью резонатора угол Брюстера, а для дальних граней ось резонатора является нормалью, причем один из клиньев перекрывает большую часть сечения активного элемента, а внерезонаторная оптическая система содержит клиновые элементы и поворотное зеркало, увеличивающие размер сечения луча в горизонтальной плоскости в Dd^-1 раз, а также четвертьволновую фазовую пластину, перестраиваемый объектив на основе телескопа, усилительный активный элемент и нелинейные элементы, где n - показатель преломления материала клиньев, D - размер поперечного сечения активного элемента в горизонтальной плоскости, d - удвоенное расстояние между вершиной клина и оптической осью резонатора. Изобретение позволяет эффективно и надежно работать в импульсно-периодическом режиме с преобразованием частоты излучения в высшие гармоники. 1 ил.

Изобретение относится к импульсным твердотельным лазерам с электрооптической модуляцией добротности резонатора и может быть использовано для получения мощных импульсов лазерного излучения в наносекундном диапазоне длительностей импульсов с частотами повторения до 50 Гц в ближнем ИК-, видимом, УФ-спектральных диапазонах для целей нелинейной оптики, лазерной дальнометрии, оптической локации и экологического мониторинга окружающей среды.

С появлением новых нелинейных кристаллов, таких как KTP, BBO, LBO и других, в настоящее время наблюдается повышенный интерес к каскадной генерации высших гармоник как к способу получения излучения в УФ-диапазоне длин волн. Этот интерес связан с тем, что именно с появлением вышеуказанных кристаллов, обладающих высокой нелинейностью и высокой лучевой прочностью, техническая реализация способа стала весьма эффективной.

В качестве лазеров ПК-диапазона обычно применяются импульсные лазеры на неодимсодержащих кристаллах. Так, например, известны многомодовые импульсные лазеры на АИГ: Nd с электрооптической модуляцией добротности резонатора, способные генерировать излучение с длиной волны 1064 нм и 1320 нм с последующим преобразованием частоты во вторую и третью гармоники в сине-зеленой области спектра в нелинейных элементах из KTP /1/.

Однако в УФ-части спектра элементы из KTP обладают сильным поглощением и не имеют направлений синхронизма для генерации третьей и четвертой гармоник.

Прозрачные в УФ-области и имеющие нужные направления синхронизма элементы из BBO обладают существенным недостатком - угловая ширина кривой синхронизма составляет величину не более 0,5 мрд.

Многомодовое излучение лазеров, как правило, имеет расходимость 3...5 мрд.

Применение же одномодовых лазеров с дифракционной угловой расходимостью излучения, но с более низким КПД, может быть эффективно в случае использования нескольких дополнительных каскадов усиления импульсов излучения.

Один из способов повышения КПД одномодового лазера, который трансформируется из многомодового лазера с помощью диафрагмы в резонаторе с диаметром отверстия, соответствующим сечению моды нулевого порядка, заключается в более полном использовании объема активного элемента лазера /2/.

Дифракционную расходимость излучения и полное использование объема активного элемента удается получить в лазерах с неустойчивым резонатором, однако наведенная термическая линза в активном элементе значительно ограничивает возможные диапазоны работы таких лазеров по частоте повторения импульсов и температуре охлаждающей жидкости.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является лазерная система, обеспечивающая на выходе мощное излучение с малой расходимостью, включающая твердотельный активный элемент, внутрирезонаторную диафрагму, позволяющую получить на выходе излучение в виде узкого пучка за счет использования только центральной области объема активного элемента, внерезонаторную оптическую систему, обеспечивающую расширение пучка с последующим прохождением лазерного излучения через весь объем активного элемента для усиления с использованием поляризатора для эффективного вывода излучения за пределы резонатора /2/.

Однако, как следует из энергетического расчета такого лазера, для реализации режима усиления с высокой эффективностью и, следовательно, получения высокого общего КПД, необходимо обеспечить большую энергию импульсов одномодового излучения (~ 50 мДж), что при малом диаметре диафрагмы (1,2...1,5 мм) приближает плотность энергии импульсов к опасному значению, близкому к лучевой прочности материала активного элемента или других элементов резонатора.

Более того, для устранения дифракционных колец Френеля в одномодовом луче необходимо применять "мягкую" диафрагму с плавным изменением коэффициента пропускания на границе отверстия. Такие "мягкие" диафрагмы представляют собой сложные и дорогостоящие оптические элементы.

Таким образом, все известные устройства либо не позволяют реализовать эффективную генерацию в УФ-части спектра, либо связаны с целым рядом дополнительных условий (большое количество каскадов усиления, "мягкая" диафрагма, конечная лучевая прочность компонентов лазера, стабилизация температуры активного элемента).

В то же время существует потребность в эффективных УФ-лазерах на основе наиболее практичного однокаскадного или двухкаскадного лазера.

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности импульсного твердотельного лазера с преобразованием частоты излучения в высшие гармоники и повышение его надежности в процессе эксплуатации.

В соответствии с поставленной задачей в импульсном твердотельном лазере с преобразованием частоты излучения в высшие гармоники с резонатором, образованном глухим и частично прозрачным зеркалами, содержащим входной и выходной поляризаторы, пропускающие излучение, поляризованное в горизонтальной плоскости, активный элемент между поляризаторами и внерезонаторную оптическую систему, расширяющую сечение луча, вышедшего из частично прозрачного зеркала, поворачивающую плоскость поляризации на 90 градусов и направляющую луч в активный элемент через входной поляризатор, между входным поляризатором и частично прозрачным зеркалом установлен электрооптический элемент, а между выходным поляризатором и глухим зеркалом установлены два клина с углом при вершине, равным arcctg n, расположенных так, что ближние к глухому зеркалу грани составляют с оптической осью резонатора угол Брюстера, а для дальних граней ось резонатора является нормалью, причем один из клиньев перекрывает большую часть сечения активного элемента, а внерезонаторная оптическая система содержит клиновые элементы и поворотное зеркало, увеличивающие размер сечения луча в горизонтальной плоскости в Dd^-1 раз, а также четвертьволновую фазовую пластину, перестраиваемый объектив, усилительный активный элемент и нелинейные элементы, где n - показатель преломления материала клиньев, D - размер поперечного сечения активного элемента в горизонтальной плоскости, d - удвоенное расстояние между вершиной клина и оптической осью резонатора.

Существенным отличительным признаком настоящего предложения от прототипа является установка в резонатор анаморфотной системы, состоящей из двух клиньев, один из которых лишь частично перекрывает апертуру активного элемента. При этом одновременно достигаются качественно новые свойства резонатора: - в резонаторе образуется эквивалентная щелевая диафрагма с переменной шириной "щели", равной d; - поперечный размер в горизонтальной плоскости моды нулевого порядка расширяется в n² раз; - плотность энергии импульсов излучения в "щели", которая необходима для получения высокого КПД лазера, снижается в Dd^-1n² раз.

Эквивалентная щелевая диафрагма, которая образуется при внесении больших дифракционных потерь лишь с одного края симметричной многомодовой каустики, приводит к селекции поперечных типов колебаний резонатора в направлении внесения потерь без каких-либо дифракционных полос в выходном луче, что характерно при применении "мягких" диафрагм.

Более того, указанная селекция и последующая компенсация кривизны фазового фронта с помощью перестраиваемого объектива на основе телескопа приводят к уменьшению расходимости излучения в одном из главных направлений, ортогональных оси распространения луча. Это обстоятельство является необходимым условием эффективной генерации третьей или четвертой гармоники излучения, так как угловая ширина кривой синхронизма для процессов преобразования частоты является малой (~ 0,5 мрд) только в одном, т.н. критичном направлении.

Вторым необходимым условием эффективной генерации высших гармоник является получение достаточно высокой плотности мощности импульсов излучения на входных гранях нелинейных элементов преобразователей частоты, что достигается за счет усиления в активном элементе усилителя.

На чертеже представлена принципиальная схема предлагаемого устройства. Резонатор лазера образован глухим 1 и частично прозрачным 2 зеркалами. Входной и выходной поляризаторы 3 и 4 соответственно, представляющие собой пластины с многослойными диэлектрическими покрытиями, поляризуют излучение в плоскости чертежа.

Активный элемент цилиндрической формы 5 из кристалла, активированного ионами Nd и имеющего кубическую кристаллическую решетку (АИГ:Nd, ГСГТ:Cr, Nd, ИСГГ:Cr, Nd и т.д.), выращенного в направлении /001/, ориентирован так, что кристаллографические оси X и Y составляют углы ±45^o с плоскостью пропускания поляризаторов. Между поляризатором 3 и зеркалом 2 установлен электрооптический элемент 6 из кристалла DKDP или LiNbO₃.

Между зеркалом 1 и поляризатором 4 установлены два одинаковых оптических клина 7, 8 с углом при вершине, равным arcctg n, расположенные так, что ближние к зеркалу 1 грани составляют с осью резонатора угол Брюстера, а дальние ортогональны оси резонатора.

При этом клин 7 перекрывает большую часть сечения активного элемента. Расстояние между вершиной клина и осью резонатора d/2 может быть изменено при перемещении клина 7 перпендикулярно оси резонатора в плоскости чертежа.

Внешняя по отношению к резонатору оптическая система содержит клиновые элементы 9, 10, входные грани которых составляют с осью луча, вышедшего из зеркала 2, угол Брюстера, 90-градусный вращатель плоскости поляризации 11, поворотные зеркала 12, 13, четвертьволновая фазовая пластина 14, перестраиваемый объектив 15 на основе телескопа, усилительный активный элемент 16, нелинейный элемент из кристалла KTP 17 и нелинейный элемент из кристалла BBO 18.

На все грани элементов, на которые луч лазера падает нормально, нанесены просветляющие диэлектрические покрытия. Материал, форма и ориентация осей усилительного элемента 16 такие же, как и для активного элемента 5.

Оптические оси пластины 14 ориентированы под углами, близкими к значениям ±45^o к плоскости чертежа, и устанавливаются окончательно при азимутальном вращении пластины по максимуму мощности излучения второй, третьей или четвертой гармоник.

Нелинейный элемент 17 вырезан так, что оптическая ось кристалла KTP ортогональна к плоскости чертежа, а направление синхронизма, соответствующее максимуму мощности второй гармоники излучения, может быть установлено при вращении элемента в плоскости, ортогональной плоскости чертежа и содержащей направление луча. При этом направление вектора поляризации второй гармоники излучения ортогонально плоскости чертежа.

Нелинейный элемент 18 вырезан так, что оптическая ось кристалла BBO лежит в плоскости чертежа, а направление синхронизма, соответствующее максимуму третьей или максимуму четвертой гармоники излучения, может быть установлено при вращении элемента в плоскости чертежа. При этом направление вектора поляризации третьей или четвертой гармоники излучения лежит в плоскости чертежа.

Предлагаемый лазер работает следующим образом. В импульсно-периодическом режиме за время каждого импульса накачки при закрытом электрооптическим затворе, который образуют поляризатор 3, элемент 6 и зеркало 2, происходит накопление инверсной населенности в активном элементе 5.

При подаче отпирающего импульса высокого напряжения на электроды элемента 6 электрооптический затвор открывается и в резонаторе развивается моноимпульс излучения.

Пространственная структура излучения определяется размерами разрешенной для генерации области поперечного сечения активного элемента 5: диаметром сечения D в направлении, ортогональном плоскости чертежа, и шириной, эквивалентной "щели" d в направлении в плоскости чертежа.

Расходимость излучения, выходящего из зеркала 2, для направления в плоскости чертежа Θ_d определяется шириной "щели" d и начальной расходимостью в плоскости чертежа Θ₀, имеющей место, когда клин 7 полностью перекрывает сечение активного элемента (d = D) Θ_d = dD^-1Θ₀. (I) Расходимость излучения лазера - усилителя Θ_D, выходящего из поляризатора 4, уменьшится за счет увеличения поперечного сечения луча внешней оптической системой Θ_D = d²D^-2Θ₀. (2) Расходимость излучения в плоскости чертежа после прохождения объектива 15, согласующего сечение луча с сечением усилительного активного элемента и компенсирующего кривизну фазового фронта, и прохождения самого усилителя 16 уменьшается при использовании усилительного элемента с большим радиусом поперечного сечения G в GD^-1 раз.

Энергия моноимпульсов излучения лазера-усилителя складывается из энергии, излучающейся из центральной части поперечного сечения активного элемента, ограниченного размерами "щели", и энергии из периферийной части сечения элемента.

Можно показать, что при расчете энергии моноимпульсов в области "щели" справедливы обычные формулы для энергии моноимпульсов лазера с эквивалентным резонатором со следующими коэффициентами пропускания T₁ и T₂: T₁=I-[I+T₀(I-T₀)^-1dD^-1]^-1, (3) T₂=T₀(I-dD^-1), (4)
где T₀ - коэффициент пропускания зеркала 2, T₁ - коэффициент пропускания "поляризационного" зеркала (т.е. выход на поляризаторе 4), T₂ - коэффициент пропускания эквивалентного зеркала, образованного за счет ухода части излучения из области "щели" в область периферии элемента 5.

Из выражений (3) и (4) следует, что коэффициент полезных потерь эквивалентного резонатора (2l)^-1ln(I-T₁)(I-T₂) равен коэффициенту полезных потерь лазера со "щелью" (лазера, в котором внешняя оптическая система отсутствует)
(2l)^-1 ln(I-T₀),
где l - длина активного элемента 5.

Поэтому, если коэффициент T₀ выбран оптимальным по энергии моноимпульсов излучения для лазера со "щелью", то и суммарная излучаемая энергия для лазера с эквивалентным резонатором будет максимальной.

Эта энергия в конечном результате выводится на поляризаторе 4 из лазера-усилителя, причем часть энергии, вышедшей из эквивалентного зеркала с коэффициентом пропускания T₂, на обратном проходе усиливается в периферийной части сечения активного элемента, при этом прирост энергии может быть рассчитан по обычным формулам для однопроходового усилителя.

Из расчета по указанному алгоритму следует, что энергия моноимпульсов излучения лазера-усилителя, выходящая на поляризаторе 4 из резонатора, будет всегда меньше энергии моноимпульсов излучения лазера со "щелью", раздвинутой на всю апертуру активного элемента (d=D), но всегда больше энергии моноимпульсов излучения лазера со "щелью" d.

Причем разница, которая непосредственно связана с падением КПД лазера, будет тем меньше, чем больше ширина "щели", и на практике составляет ~20%.

Из рассмотренного режима работы предлагаемого лазера следуют основные принципы его создания и настройки.

Сначала из значений требуемой энергии моноимпульсов излучения и необходимой для эффективного преобразования в высшие гормоники плотности мощности моноимпульсов излучения определяются размер поперечного сечения активного элемента усилителя G и энергия импульсов его накачки.

Затем по формуле (2) из требования к расходимости излучения ≈0,5 мрд определяется необходимый размер "щели" d.

Установка определенного размера "щели" d удобно проводить по измерению расходимости лазера со "щелью" в соответствии с формулой (1).

После этого определяется энергия накачки активного элемента 5 для достижения энергии моноимпульсов излучения лазера-усилителя (после поляризатора 4), необходимой для эффективного усиления в усилителе 16.

Максимальная частота повторения импульсов излучения предлагаемого лазера определяется уровнем наведенных потерь на двулучепреломление в активном элементе 5.

Для активного элемента из АИГ:Nd наведенными потерями на двулучепреломление можно пренебречь при частотах повторения импульсов до 50 Гц. При частотах, близких к 50 Гц, следует также поворотное зеркало 12 изготавливать со сферической отражающей поверхностью, чтобы предотвратить фокусировку луча на зеркале 13 наведенной в активном элементе 5 термической линзой.

Важнейшими особенностями предлагаемого лазера являются:
- снижение лучевой нагрузки на компоненты резонатора лазера за счет щелевой формы диафрагмы и увеличения ширины "щели";
- дополнительное снижение лучевой нагрузки на электрооптический элемент за счет обратного хода луча по другому пути;
- возможность управления расходимостью излучения в одной плоскости за счет смещения оптического клина;
- сокращение длительности моноимпульса излучения за счет формирования его в центральной части сечения активного элемента.

Таким образом, предлагаемый лазер может эффективно и надежно работать в импульсно-периодическом режиме с модуляцией добротности резонатора с преобразованием частоты излучения в высшие гармоники.

Результаты испытаний лазера на АИГ:Nd (элемент размером диаметром 5х100 мм) с электрооптическим элементом из LiNbO₃, усилителем на АИГ:Nd (элемент размером диаметром 6,3 х 65 мм) и нелинейными элементами из KTP (размером 8х8х7 мм) и из BBO (8х8х7 мм) подтверждают эффективность предложенной схемы. С частотой повторения импульсов 25 Гц, при суммарной энергии накачки на две лампы 37 Дж были получены моноимпульсы излучения с энергией E_ω = 220 мДж, E_2ω = 100 мДж, E_3ω = 50 мДж и E_4ω = 40 мДж.

ЛИТЕРАТУРА
1. Lin J.T. Multiwavelength solid state laser using frequency conversion techniques. U.S. Patent, H 01 S 3/10, N 5144630, filed 29.07.1991.

2. Nicholson P. Narrow beam oscillator and large volume utilizing same gain medium. U.S. Patent, МКИ⁵ H 01 S 3/08, N 5230004, filed 27.01.1992.

Формула изобретения

Импульсный твердотельный лазер с преобразованием частоты излучения в высшие гармоники с резонатором, образованным глухим и частично прозрачным зеркалами, содержащий входной и выходной поляризаторы, пропускающие излучение, поляризованное в горизонтальной плоскости, активный элемент между поляризаторами и внерезонаторную оптическую систему, расширяющую сечение луча, поворачивающую плоскость поляризации на 90^oC и направляющую луч в активный элемент через входной поляризатор, отличающийся тем, что между входным поляризатором и частично прозрачным зеркалом установлен электрооптический элемент, а между выходным поляризатором и глухим зеркалом установлены два клина с углом при вершине, равном arcctg n, расположенных так, что ближние к глухому зеркалу грани составляют с оптической осью резонатора угол Брюстера, а для дальних граней ось резонатора является нормалью, причем один из клиньев перекрывает большую часть сечения активного элемента, а внерезонаторная система содержит клиновые элементы, входные грани которых составляют с осью луча, вышедшего из частично прозрачного зеркала, угол Брюстера, 90-градусный вращатель плоскости поляризации и поворотное зеркало, увеличивающие размер сечения луча в горизонтальной плоскости в Dd^-1 раз, а также в систему введены поворотное зеркало, четвертьволновая фазовая пластина, перестраиваемый объектив на основе телескопа, усилительный активный элемент и нелинейные элементы, где n - показатель преломления материала клиньев, D - размер поперечного сечения активного элемента в горизонтальной плоскости, d - удвоенное расстояние между вершиной клина и оптической осью резонатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1