Способ получения импульсно-периодического режима работы лазера

 

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в мощных лазерных системах. Способ направлен на решение задачи модуляции выходного излучения лазера с высоким уровнем средней выходной мощности. Способ заключается в ответвлении части выходного излучения лазера в дополнительный резонатор, в котором осуществляют его периодическую модуляцию и согласуют излучение по фазовой характеристике с основным резонатором. Излучение из дополнительного резонатора возвращают в периферийную область основного резонатора. Технический результат изобретения: устройство позволяет модулировать излучение лазеров с высокой средней выходной мощностью. 1 табл., 3 ил.

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано в мощных лазерных системах.

Известен способ получения импульсно-периодического режима, заключающийся модуляции интенсивности путем изменения потерь в оптическом резонаторе за счет поляризационного вывода части излучения из резонатора с помощью электрооптического модулятора, установленного внутри оптического резонатора лазера [1].

Недостатком данного способа является невозможность модуляции мощных лазерных систем с выходной мощностью несколько десятков киловатт, так как при этом происходит оптический пробой на поверхности модулятора и его разрушение.

Этот недостаток отсутствует в способе изменения (повышения) выходной мощности лазера при помощи регулирующей дополнительной обратной связи [2] Однако данный способ не обеспечивает высокочастотное изменение выходной мощности лазера (модуляции добротности) с сокращением длительности импульса лазерного излучения.

Известен также способ, заключающийся в формировании внутри резонатора лазера перетяжки пучка и модуляции интенсивности излучения вращающимся диском с прорезями, пересекающим плоскость перетяжки [3].

Недостатком данного способа является невозможность модуляции мощных лазерных систем с выходной мощностью более пяти киловатт, так как при высокой энергии лазерных импульсов происходит оптический пробой на поверхности модулятора и его разрушение.

Данный способ наиболее близок к заявляемому и выбран в качестве прототипа.

Целью изобретения является решение задачи модуляции мощных лазерных систем со средней выходной мощностью на уровне десятков и сотен киловатт.

Заявляемый способ заключается в периодическом изменении коэффициента потерь неустойчивого резонатора путем ответвления части выходного излучения лазера в дополнительный резонатор, согласования амплитудно-фазовой характеристики выходящего из него излучения с параметрами неустойчивого резонатора лазера, периодической модуляции ответвленного излучения во вспомогательном резонаторе и возвращении промодулированного излучения в периферийную область основного резонатора.

Технический результат от применения предлагаемого способа состоит в увеличении допустимой средней мощности импульсного лазерного излучения. При использовании способа в лазерных системах достигается повышение эффективности лазера на порядки, при этом существенно расширяется область применения.

Эффективность применения данного способа существенно выше, чем у способа, выбранного в качестве прототипа, что связано с возможностью модуляции только части излучения лазера, величина которой может быть меньше мощности выходного излучения на порядок.

Использование в лазерах заявляемого способа позволяет существенно повысить среднюю выходную мощность лазерного излучения в импульсном режиме работы. Заявляемый способ является универсальным, так как позволяет оптимизировать параметры лазера без изменения его конструктивных параметров путем добавления к нему дополнительной внешней системы и позволяет, тем самым, модернизировать уже существующие лазеры, широко используемые в промышленности и науке.

Преимущества заявляемого способа в сравнении с прототипом обусловлены следующим существенным признаком - модуляцией только части выходного излучения лазера и возвращением промодулированного излучения в периферийную область лазерного резонатора.

Среди известных из научной и технической литературы решений авторами изобретения не обнаружены способы получения импульсно-периодического режима работы лазера за счет обеспечения модуляции потерь части выходного излучения лазера, ответвляемого в дополнительный резонатор, согласования амплитудно-фазовой характеристики выходящего из него излучения с параметрами неустойчивого резонатора лазера, периодической модуляции его во вспомогательном резонаторе и возвращения в периферийную область основного резонатора. Работоспособность заявляемого способа исследована теоретически и экспериментально. В рамках проведенных исследований обоснована достаточность существенных признаков для достижения технической цели, решаемой заявляемым способом.

При оценке значимости изобретения для промышленного применения необходимо отметить следующие факторы: а) заявляемый способ может использоваться не только в разрабатываемых лазерах, но и в уже существующих; в последнем случае не требуется модернизация системы в целом - положительный эффект достигается путем установки дополнительного блока в имеющуюся систему; Сущность изобретения поясняется с помощью чертежей: Фиг. 1. Оптическая схема установки, реализующей способ.

Фиг. 2. Прозрачность резонатора в зависимости от относительной мощности возвращаемого в резонатор пучка.

Фиг. 3а, 3б. Интенсивность выходного сигнала при модуляции 20% выходного излучения с частотами 1 и 11 кГц.

Рассмотрим сущность изобретения. На фиг. 1 схематично показана реализация предлагаемого способа.

-З_1,2 - зеркала неустойчивого резонатора, вывод излучения из резонатора осуществляется за краями зеркала З₂; -З₃ - зеркало-ответвитель, направляющее часть выходного пучка в систему формирования инжектируемого пучка (СФИП); с помощью этого же зеркала пучок, обработанный СФИП, возвращается в резонатор; -Мо - модулятор; - СФИП - оптическая система формирования инжектируемого пучка (СФИП); в СФИП лазерный пучок модулируется по мощности и приобретает требуемое фазовое распределение; Происходящие явления удобно описывать в терминах изменения прозрачности резонатора. Оценим эффективность модуляции прозрачности самоинжекционного лазера с неустойчивым резонатором.

Резонансное поле можно представить как суперпозицию обычной расходящейся волны и сходящейся, трансформирующейся в расходящуюся волну при некогерентном сложении в околоосевой области резонатора. Прозрачность δ резонатора с самоинжекцией лазерного излучения определяется соотношением: где - модуль собственного значения;
M - геометрический коэффициент увеличения;
s = S/πa² - S - площадь инжектируемого пучка; а - радиус выходной апертуры резонатора;
- число проходов инжектируемого пучка через резонатор;
λ - длина волны излучения;
L_r - длина резонатора.

На фиг. 2. представлены результаты расчета прозрачности резонатора в зависимости от относительной мощности возвращаемого в резонатор пучка.

Из анализа результатов расчетов следует, что амплитуда модуляции потерь резонатора достигает 30% - при мощности возвращаемого в резонатор пучка равной 10% от мощности выходного пучка.

Таким образом, резонатор с самоинжекцией обеспечивает высокоэффективное управление прозрачностью резонатора.

Для получения количественных оценок режимов работы лазера с самоинжекцией и периодической модуляцией прозрачности осуществлялся с использованием следующей системы уравнений:

где K₀ = 2 L_a g₀ - усредненное ненасыщенное усиление на полный обход резонатора;
K = 2L_ag - усредненное насыщенное усиление на полный обход резонатора;
I= J/J_s, J - интенсивность усредненная по объему, J_s - интенсивность насыщения;
t - текущее время;
- потери на полный проход;
η - доля мощности спонтанного излучения, остающаяся в резонаторе после прохода туда-обратно.

Первое из уравнений в системе (2) - уравнение колебательной кинетики для заранее возбужденной однокомпонентной (нижний рабочий уровень не заселен) активной CO₂ среды. Второе уравнение - резонаторное - описывает формирование излучения при проходе через резонатор. Характеристики активной среды и излучения усреднены по объему, поэтому уравнения не содержат пространственных производных и зависят только от времени.

Система уравнений (2) была исследована чиcленно методом Рунге-Кутта. Расчеты проводились для параметров реального газодинамического лазера, на котором были проведены экспериментальные исследования. Параметры, использованные при расчетах, приведены в таблице.

На фиг. 3а, 3б представлены временные зависимости мощности выходного излучения для частот синусной модуляции в 1 и 11 кГц при коэффициенте увеличения резонатора M=2. С увеличением частоты модуляции происходит увеличение пиковой интенсивности.

При частотах модуляции до 10 кГц импульсы мощности выходного излучения повторяют импульсы модуляции по форме и длительности. При более высоких частотах в пределах длительности импульса модуляции появляются отдельные пики мощности, их общее число составляет 4-10, минимальная интенсивность пиков достигает нуля. Переход в режим пичковой генерации с пиковой интенсивностью, превышающей стационарную в 10 и более раз, происходит при частотах модуляции ν>2/τ_p . Дальнейшее увеличение частоты модуляции приводит к уменьшению числа пиков и переводит лазер в режим, близкий к однопичковому режиму модуляции добротности.

Проведенная экспериментальная проверка показала, что при использовании предлагаемого способа при частоте модуляции около 12 кГц, величине инжектируемого сигнала 20% от полной выходной мощности (15 кВт), генерация лазера осуществлялась в пичковом режиме с превышением мощности в пичке более чем на порядок по сравнению со стационарным режимом. При этом средняя мощность излучения осталась без изменений, что подтвердило реализуемость и эффективность предлагаемого способа.

ЛИТЕРАТУРА
1. Патент США N 4498179 от 5 февраля 1985 г.

2. Ю.С. Вагин. Исследования активной среды и оптических резонаторов газодинамических лазеров. - Труды ордена Ленина Физического института им. П.Н. Лебедева. Колебательная релаксация молекул и газодинамические лазеры, том. 113, с. 115-149.

3. A. Husmaim, M. Niesen, F. Grumbel, E.F. Kreutz, R. Poprawe Scaling of a Q-switch CO₂-laser for pulsed laser deposition. - SPIE Conference on High-Power Laser Ablation, Santa Fe, NM, USA, April 1998, Proc. Vol. 3343, August 1998.

Формула изобретения

Способ получения импульсно-периодического режима работы лазера с неустойчивым резонатором, заключающийся в периодическом изменении коэффициента потерь неустойчивого резонатора, отличающийся тем, что для обеспечения модуляции потерь часть выходного излучения лазера ответвляют в дополнительный резонатор, согласуют амплитудно-фазовую характеристику выходящего из него излучения с параметрами неустойчивого резонатора лазера, причем ответвленное излучение периодически модулируют во вспомогательном резонаторе и возвращают в периферийную область основного резонатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4