Способ внутрирезонаторной параметрической генерации света

 

Изобретение относится к области лазерной техники, в частности к параметрическим генераторам света (ПГС) с накачкой импульсными твердотельными лазерами, и используется в нелинейной оптике, экологическом мониторинге окружающей среды, медицине и т.д. Способ внутрирезонаторной параметрической генерации света осуществляется путем внесения потерь в резонатор твердотельного лазера, содержащего параметрический генератор света, в начале импульса накачки. Добротность резонатора включается в момент достижения определенной инверсной населенности в активном элементе лазера. Устанавливают такой уровень вносимых потерь, который обеспечивает возникновение импульса пичковой генерации. Включение добротности резонатора осуществляют после последнего пичка через отрезок времени, превышающий длительность этого пичка не менее чем на порядок. Технический результат изобретения: стабилизация основных параметров импульсов излучения ПГС при одновременном увеличении предельно допустимых значений импульсов энергии излучения.

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к параметрическим генераторам света с накачкой импульсными твердотельными лазерами, и может быть использовано для получения мощных импульсов излучения в наносекундном диапазоне длительностей с частотами повторения до сотен герц в ближнем инфракрасном диапазоне для целей нелинейной оптики, экологического мониторинга окружающей среды, медицины.

С появлением новых нелинейных кристаллов, таких как КТР, КТА, ВВО и других, в настоящее время возрастает интерес к параметрической генерации света [1] , как к весьма эффективному способу получения перестраиваемого по длине волны лазерного излучения. Благодаря высокой лучевой прочности и высокой нелинейности вышеуказанных кристаллов техническая реализация способа стала возможной на более высоком энергетическом уровне.

Для накачки параметрических генераторов света (ПГС) применяются, в частности, импульсные лазеры на неодимсодержащих кристаллических активных средах. При этом излучение лазера направляется на ПГС, состоящий из нелинейного элемента, помещенного между входным параметрическим зеркалом, прозрачным для излучения накачки с длиной волны λ_н и полностью отражающим излучение рабочей (сигнальной) волны ПГС λ_c, и выходным параметрическим зеркалом, частично пропускающим излучение с длиной волны λ_c. Общая эффективность такого способа параметрической генерации света является недостаточно высокой из-за необходимости устанавливать зеркала ПГС под углом по отношению к направлению распространения луча накачки для предотвращения оптической обратной связи между лазером и ПГС, причем этот угол возрастает при уменьшении габаритов системы в приборном исполнении.

Одним из способов повышения эффективности ПГС является способ внутрирезонаторной параметрической генерации света (ВРПГС). Этот способ заключается в помещении ПГС внутрь резонатора лазера или даже в совмещении выходного зеркала резонатора лазера и выходного зеркала ПГС.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ ВРПГС, реализованный в устройстве твердотельного лазера на кристалле ИЛФ: Nd с резонатором, образованным глухим зеркалом для излучения лазера с длиной волны λ_н и выходным параметрическим зеркалом, частично отражающим излучение с длиной волны λ_c, содержащим электрооптический элемент, поляризатор, активный элемент, нелинейный параметрический элемент из кристалла КТР и возвратное параметрическое зеркало, полностью отражающее излучение с λ_c и прозрачное для излучения с λ_н [2]. Этот способ ВРПГС основан на внесении потерь в резонатор лазера, содержащий ПГС, в начале импульса накачки путем подачи запирающего напряжения на электроды электрооптического элемента и удалении потерь (включении добротности резонатора) путем подачи импульса отпирающего напряжения в момент достижения максимума инверсной населенности в активном элементе.

Однако при увеличении длины волны λ_c в ИК диапазоне до значений ~ 2000 нм, например для применения в медицине в качестве хирургического лазера, лучевая стойкость диэлектрических покрытий резко падает. Это обстоятельство существенно сужает диапазон допустимых значений энергии импульсов лампы накачки лазера, заключенный между значениями, при которых достигается порог генерации ВРПГС, и порогом разрушения покрытий элементов лазера. Снижается также абсолютное значение предельной энергии импульсов излучения с λ_c и увеличивается нестабильность основных параметров импульсов излучения (энергии, пиковой мощности и длительности).

Задачей настоящего изобретения является стабилизация основных параметров импульсов излучения ПГС при одновременном увеличении предельно допустимых значений энергии импульсов излучения. Эта задача может быть решена за счет того, что в известном способе внутрирезонаторной параметрической генерации света, осуществляемом путем внесения потерь в резонатор твердотельного лазера, содержащего параметрический генератор света, в начале импульса накачки и включения добротности резонатора в момент достижения определенной инверсной населенности в активном элементе лазера, устанавливают уровень вносимых потерь, обеспечивающий возникновение импульса пичковой генерации, и включают добротность резонатора после последнего пичка через отрезок времени, превышающий длительность этого пичка не менее чем на порядок.

Внесение более низкого уровня потерь в резонатор, которые не полностью "запирают" резонатор, приводит к возникновению импульса пичковой (свободной) генерации, состоящего из хаотических пичков микросекундной длительности. Полное включение добротности резонатора (удаление начальных потерь резонатора) осуществляют после окончания импульса пичковой генерации через определенный отрезок времени.

Пичковая генерация возникает в точках максимального усиления (максимальной инверсной населенности) в поперечном сечении активного элемента лазера, где порог (равенство коэффициента усиления коэффициенту потерь резонатора) достигается в первую очередь, причем коэффициент усиления в этих точках не меняется за время импульса свободной генерации, оставаясь равным пороговому коэффициенту усиления. За это время в резонаторе ПГС не возникает параметрическая генерация света, так как для достижения порога этого процесса необходимо излучение с длиной волны λ_н значительно большей мощности.

При увеличении энергии импульса накачки лазера (имеется ввиду ламповая или диодная накачка активного элемента) пространственная область, где коэффициент усиления равен пороговому, расширяется, и распределение коэффициента усиления по сечению активного элемента после окончания импульса свободной генерации становится равномернее.

Длительность одного пичка, как правило, составляет порядка одной микросекунды. Поэтому если добротность резонатора включить после окончания последнего пичка через отрезок времени, превышающий длительность этого пичка не менее чем на порядок (т.е. через ~ 10 мкс), то можно считать, что излучение последнего пичка генерации в этот момент отсутствует и гигантский импульс (моноимпульс) начинает развиваться из шумовой затравки. Распределение же коэффициента усиления и его абсолютное максимальное значение практически не изменяются за 10 мкс, так как время жизни метастабильного уровня, например для ионов Nd, измеряется сотнями микросекунд (~ 230 мкс). Поэтому роль импульса свободной генерации заключается в создании более равномерного пространственного распределения и стабилизации максимального значения начального коэффициента усиления для генерации моноимпульса, причем это значение и, следовательно, степень равномерности можно менять регулировкой уровня начальных потерь резонатора.

Процесс внутрирезонаторной параметрической генерации света сильно зависит от начальных условий генерации моноимпульса, в том числе от распределения коэффициента усиления по сечению активного элемента. Данный способ позволяет обеспечить однородность распределения коэффициента усиления в области, через которую прошло излучение пичковой генерации, поэтому и основные параметры (плотность энергии и длительность) импульса излучения с длиной волны λ_c также будут более однородны.

Начальные условия генерации в указанной области не изменяются с ростом энергия импульсов накачки лазера, а увеличивается только размер этой области, поэтому основные параметры моноимпульсов с длинами волн λ_н и λ_c (плотность энергии и длительность), отвечающие за разрушение диэлектрических покрытий компонентов резонатора, остаются стабильными.

С ростом энергии накачки без риска необратимой деградации лазера будет наблюдаться насыщающийся рост общей энергии моноимпульсов. Насыщение связано с тем, что область однородных начальных условий ограничена полным сечением активного элемента.

Предлагаемый способ внутрирезонаторной параметрической генерации света реализован в лазере с ПГС для хирургической установки.

В качестве источника накачки был использован лазер на АИГ:Nd с длиной волны λ_н = 1,064 мкм. ПГС на нелинейном кристалле КТР помещался внутри резонатора лазера накачки. Излучение лазера передавалось к операционному полю по оптоволокну. Для модуляции добротности резонатора лазера был использован электрооптический затвор, состоящий из пленочного поляризатора и электрооптического элемента из кристалла ниобата лития LiNbO₃. При помощи затвора в резонаторе лазера устанавливался уровень потерь, обеспечивающий возникновение импульса пичковой генерации, и добротность резонатора включалась полностью через 10 мкс после окончания импульса свободной генерации. Необходимый уровень вносимых потерь устанавливался либо разворотом электрооптического элемента на небольшой угол относительно оптической оси лазера, либо подачей на элемент напряжения, меньшего, чем напряжение запирания.

Предлагаемый способ модуляции добротности для лазера с ВРПГС позволил стабилизировать энергию импульса хирургического лазера на требуемом уровне при нестабильности накачки (в т. ч. из-за колебаний напряжения в сети) и стабилизировать пространственное распределение интенсивности излучения. Это позволило повысить на 25% энергию импульсов лазера без разрушения элементов лазера с ВРПГС. Улучшение однородности излучения на выходе лазера с ВРПГС позволило повысить энергию лазера, проходящую через оптоволокно без разрушения на 20%. Общая наработка лазера составила 10⁷ импульсов без деградации элементов лазера, ПГС и оптоволокна.

Источники информации 1. В.Г.Дмитриев, Л.В.Тарасов "Прикладная нелинейная оптика", М., "Радио и Связь", 1982.

2. G.A.Rines, D.M.Rines, P.F.Moulton, "Efficient high-energy KTP optical parametric oscillators pumped with I-micron Nd lasers", CLEO (May 2-7, 1993) post deadline paper CPD 16-1/33.

Формула изобретения

Способ внутрирезонаторной параметрической генерации света, осуществляемый путем внесения потерь в резонатор твердотельного лазера, содержащего параметрический генератор света, в начале импульса накачки и включения добротности резонатора в момент достижения определенной инверсной населенности в активном элементе лазера, отличающийся тем, что устанавливают уровень вносимых потерь, обеспечивающий возникновение импульса пичковой генерации, и включают добротность резонатора после последнего пичка через отрезок времени, превышающий длительность этого пичка не менее чем на порядок.