Способ генерации импульсного лазерного излучения

 

Изобретение относится к лазерной технике, более конкретно к работе лазерных систем генератор - усилитель на основе лазеров на самоограниченных переходах, и может найти применение при создании мощных лазерных систем с усилительным каскадом на парах меди. В формирующем каскаде лазерной системы генерируют импульсы излучения с длиной волны, совпадающей с длиной волны лазерного перехода атомов активной среды усилительного каскада, и с длительностью, меньшей времени существования в этой среде инверсной заселенности. Затем направляют сформированные импульсы излучения на вход многопроходного усилительного каскада. Синхронизуют момент первого входа переднего фронта каждого импульса излучения в активную среду усилительного каскада с началом возникновения инверсной заселенности в ней. Число проходов и время прохождения переднего фронта каждого импульса излучения через активную среду усилительного каскада, время задержки переднего фронта импульса блоками возврата на входе и выходе усилительного каскада суммарное за все проходы, а также время существования инверсной заселенности атомов активной среды усилительного каскада связаны определенным соотношением. Технический результат изобретения: повышение амплитуды импульсов и качества выходного излучения лазерной системы генератор - усилитель с активной средой на самоограниченных переходах. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к лазерной технике, более конкретно к лазерным системам генератор - усилитель на основе лазеров на самоограниченных переходах, и может найти применение при создании мощных лазерных систем с усилительным каскадом на парах меди.

Известен способ усиления лазерных импульсов в двухпроходных однокаскадных усилителях с задающим генератором и усилителем на твердотельной активной среде при полном временном перекрытии импульсов и неперекрывающихся импульсов для усилителей со встречными проходами и кольцевого типа с поляризационной развязкой (см. Квантовая электроника, 19, 9, 1992, с.865).

Недостатком такого способа является сравнительно низкий (до 20%) выигрыш в коэффициенте усиления при малых входных сигналах в отсутствии перекрытия импульсов излучения в рабочей среде усилительного каскада, а также техническая сложность осуществления способа на высоких частотах следования импульсов в десятки килогерц в видимом диапазоне излучения.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является способ генерации импульсного лазерного излучения, включающий генерацию импульсов лазерного излучения задающим генератором формирующего каскада и их последующее усиление в активной среде однопроходного усилительного каскада на самоограниченных переходах (см. Квантовая электроника, 13, 12, 1986, с.2431, прототип).

Известный способ работы лазерной системы генератор - усилитель, созданной на основе лазеров на парах меди, позволил получить мощность излучения в пучке с расходимостью, близкой к дифракционной, равную 30-35 Вт с рабочего объема в 250 см³, что в 3-4 раза превышает мощность дифракционной компоненты излучения отдельного генератора того же объема с неустойчивым резонатором.

К недостаткам известного способа можно отнести, во первых, сравнительно низкие амплитуды импульсов выходного лазерного излучения, недостаточные для эффективного применения в ряде лазерных технологий. Вторым недостатком являются технические трудности, связанные с очисткой импульса задающего генератора от его суперлюминесцентного фона. Для очистки в известном способе работы применяют пространственный фильтр или задерживают момент входа импульса задающего генератора в усилитель по отношению к моменту начала возникновения инверсной заселенности в нем. Однако эти приемы приводят к сокращению рабочего участка длительности задающего импульса до величины меньшей длительности инверсной заселенности активной среды усилительного каскада, что снижает энергосъем и кпд лазерной системы при однопроходном усилении и увеличивает собственный суперлюминесцентный фон усилительного каскада.

Решаемой задачей заявленного способа является повышение амплитуды импульса и качества выходного излучения лазерной системы генератор - усилитель с активной средой на самоограниченных переходах при частичном и полном временном перекрытии импульсов излучения в активной среде многопроходных усилителей со встречными проходами и кольцевого типа.

Указанная задача, решается тем, что в известном способе генерации импульсного лазерного излучения, включающем генерацию импульсов лазерного излучения задающим генератором формирующего каскада и их последующее усиление в активной среде усилительного каскада на самоограниченных переходах, согласно изобретению в формирующем каскаде лазерной системы генерируют импульсы излучения с длиной волны, совпадающей с длиной волны лазерного перехода атомов активной среды усилительного каскада, и с длительностью, меньшей времени существования в этой среде инверсной заселенности, затем направляют сформированные импульсы излучения на вход многопроходного усилительного каскада, синхронизуя момент первого входа переднего фронта каждого импульса излучения в активную среду усилительного каскада с началом возникновения инверсной заселенности в ней, причем число проходов и время прохождения переднего фронта каждого импульса излучения через активную среду усилительного каскада, время задержки переднего фронта импульса блоками возврата на входе и выходе усилительного каскада суммарное за все проходы, а также время существования инверсной заселенности атомов активной среды усилительного каскада связаны соотношением: где τ_имп - длительность импульса, генерируемого в формирующем каскаде излучения; τ_инв - время существования инверсной заселенности атомов активной среды усилительного каскада в каждом импульсе возбуждения этой среды; L_ус - длина рабочей камеры усилительного каскада, заполненной активной средой; N - число проходов каждого импульса излучения через активную среду усилительного каскада; с_ус - скорость света в активной среде усилительного каскада; τ_зад - суммарное за все проходы время задержки переднего фронта каждого импульса блоками возврата на входе и выходе усилительного каскада.

Кроме того, в задающем генераторе лазерной системы можно сначала генерировать импульсы лазерного излучения с длительностью, равной или большей времени существования инверсной заселенности атомов активной среды усилительного каскада, а затем направлять их на вход усилительного каскада, предварительно пропуская их через оптический затвор формирующего каскада для выделения части каждого импульса с длительностью, меньшей времени существования инверсной заселенности атомов активной среды усилительного каскада.

Кроме того, длительность импульсов лазерного излучения на входе усилительного каскада может быть связана с временами задержек, затрачиваемыми на возвращение переднего фронта каждого импульса излучения в рабочий объем усилительного каскада каждым блоком возврата, дополнительным соотношением для схемы со встречными проходами лучей: а для усилительного каскада с кольцевым ходом лучей - соотношением:

где L_yс - длина рабочей камеры усилительного каскада, заполненного активной средой;
τ₁,τ₂ - времена задержек, затрачиваемых на одно возвращение переднего фронта импульса излучения в рабочую камеру усилителя соответственно входным и выходным блоками возврата многопроходного усилительного каскада;
с_ус - скорость света в активной среде усилительного каскада.

Такое выполнение способа позволяет решить поставленную задачу совершенствования способа генерации импульсного лазерного излучения в системе генератор - усилитель с рабочей средой на самоограниченных переходах путем достижения высоких уровней амплитуды импульсов выходного излучения и его качества при многократном прохождении через активную среду усилителя лазерного импульса с длительностью, более короткой, чем время существования инверсии в активной среде усилительного каскада, с учетом указанных соотношений. В этом случае, короткий импульс задающего генератора отбирает от активной среды усилительного каскада и аккумулирует в себя столько же энергии, что и длинный входной импульс при одном проходе, а следовательно, имеет на выходе более высокую амплитуду. Формирующий каскад согласно предложенному способу может быть снабжен в отличие от прототипа задающим генератором с произвольной длиной волны и дополнен устройством, перестраивающим частоту излучения на выходе для выполнения указанных условий.

Улучшение качества выходного импульса излучения по сравнению с прототипом связано с уменьшением фона суперлюминесценции из рабочей среды усилительного каскада. Достигается это за счет того, что при выполнении указанных дополнительных условий передний фронт импульса при возращении в активную среду усилителя смыкается со своим задним фронтом до того, как задний фронт войдет в рабочую камеру и начнет продвигаться по ней. В результате при выполнении всех указанных условий активная среда усилительного каскада в течение всего времени существования инверсной заселенности находится под воздействием направленного электромагнитного излучения и суперлюминесценция в усилителе не развивается.

На чертеже представлен конкретный пример выполнения лазерной системы, работающей по предлагаемому способу. Лазерная система содержит формирующий каскад 1, включающий задающий генератор 2 и оптический пространственный фильтр 3, и усилительный каскад 4, включающий рабочую камеру 5 с блоками 6, 7 возврата луча на входе и выходе камеры. Задающий генератор 2 выполнен на базе лазера на парах меди LT1-CU, который доработан таким образом, что излучает поляризованные импульсы длительностью 10-12 нс с длинами волн 0,51 мкм и 0,57 мкм с частотой следования импульсов 10 кГц, при средней мощности ~ 1 Вт. Диаметр луча на выходе 7 мм. Пространственный фильтр 3 содержит две линзы с фокусными расстояниями в 1 м и 2 м и диафрагму в фокусе первой линзы диаметром 0,3 мм. Диаметр луча на выходе фильтра 20 мм. Пространственный фильтр частично задерживает суперлюминесцентный фон задающего генератора и уменьшает длительность профильтрованных импульсов излучения τ_имп до 10 нс.

Усилительный каскад 4 выполнен на базе серийной лазерной разрядной трубки ГЛ-201 на парах меди с длиной рабочей камеры L_yс=80 см, диаметром 20 мм. Время существования инверсной заселенности τ_инв в каждом импульсе возбуждения рабочей среды ГЛ-201 при типовой средней мощности накачки в 3-3,5 кВт составляет τ_имп≈40 нс.

Конкретное исполнение оптических блоков 6, 7 может базироваться на самых различных элементах (четвертьволновые пластинки, призмы Глана, вращатели Фарадея и т.п.) и будет конструктивно зависеть от числа проходов N. В нашем примере выбрана схема (см. чертеж) встречных проходов лучей J⁺ и J^- для N=4 (луч J^-' на чертеже используется для кольцевой схемы проходов). Величина суммарной задержки в блоках разворота τ_зад определяется указанным соотношением, что при выбранных выше параметрах дает величину τ_зад≈19,3 нс. Необходимо иметь в виду, что при N=4 луч два раза отражается от блока 7 и один раз от блока 6, поэтому τ_зад = τ₁+2τ₂, где τ₁ и τ₂ - времена задержек, затрачиваемых на одно возращение луча соответственно в блоках 6 и 7. При равенстве этих задержек получаем τ₁ = τ₂≈6,4 нс. Эти задержки обеспечиваются путем подбора оптических длин блоков и материалов оптических элементов, входящих в блоки. Блок 6 на входе в рабочую камеру содержит две призмы Глана и одну четвертьволновую пластинку, блок 7 на выходе рабочей камеры содержит четвертьволновую пластинку и плоское зеркало.

Выполнение предложенного способа и работа конкретной лазерной системы осуществляется следующим образом. Задающий генератор 2 формирующего каскада 1 генерирует импульсы лазерного излучения с указанными выше параметрами. Затем импульсы излучения проходят пространственный фильтр 3 и поступают на вход усилительного каскада 4, рабочая среда которого возбуждается электрическими импульсами синхронно и с такой же частотой следования, как и рабочая среда задающего генератора 2.

За счет специального исполнения задающего генератора 2 и использования пространственного фильтра обеспечено условие τ_имп<τ_инв (в другом примере выполнения способа по п.2 формулы это условие можно было бы выполнить за счет установки оптического затвора на выходе обычного задающего генератора). Затем импульс излучения (τ_имп≈10 нс) с выхода формирующего каскада 1 подается на вход рабочей камеры 5 (в сечение "А" на чертеже) через блок 6, причем синхронизация работы задающего генератора 2 и усилительного каскада 4 осуществляется так, что передний фронт задающего импульса излучения входит в рабочую камеру 5 усилителя в момент времени, соответствующий началу возникновения инверсной заселенности в ее среде в каждом импульсе возбуждения. Далее импульс излучения проходит четыре раза через камеру 5, дважды разворачиваясь в обратном направлении блоком 7 и один раз блоком 6. Выходит усиленный импульс J_вых наружу после четырех проходов опять через блок 6, как показано на чертеже (при нечетном числе встречных проходов луч вышел бы через блок 7).

Поскольку конструктивным исполнением блоков разворота 6, 7 и подбором числа проходов с учетом упомянутых параметров разрядной трубки ГЛ-201 удовлетворяется указанное выше соотношение, то задний фронт усиливаемого импульса задающего генератора выходит после четырех проходов (в момент времени, соответствующий окончанию инверсной заселенности в рабочей среде усилителя в каждом импульсе возбуждения), то есть импульс формирующего каскада длительностью ~10 нс находится в рабочей камере усилителя все время (~40 нс), пока там существует инверсная заселенность среды, иными словами в четыре раза дольше своей длительности. Поскольку с активной среды снимается примерно такая же энергия, что и при прохождении через однопроходный усилитель длинного импульса (~ 40 нс), то амплитуда выходного импульса в приведенном варианте исполнения способа возрастет примерно в четыре раза, что решает поставленную задачу.

Реализация конкретного варианта предложенного способа генерации импульсного лазерного излучения в системе генератор - усилитель на парах меди позволит эффективно использовать маломощные и поэтому более дешевые лазеры со средней мощностью излучения на уровне 10 Вт вместо более дорогих лазеров с мощностью в десятки - сотни ватт в технологических системах удвоения частоты излучения с помощью нелинейных кристаллов там, где требуется высокая амплитуда импульсов излучения при низкой средней мощности.

Формула изобретения

1. Способ генерации импульсного лазерного излучения, включающий генерацию импульсов лазерного излучения задающим генератором формирующего каскада и их последующее усиление в активной среде усилительного каскада на самоограниченных переходах, отличающийся тем, что в формирующем каскаде лазерной системы генерируют импульсы излучения с длиной волны, совпадающей с длиной волны лазерного перехода атомов активной среды усилительного каскада, и с длительностью, меньшей времени существования в этой среде инверсной заселенности, затем направляют сформированные импульсы излучения на вход многопроходного усилительного каскада, синхронизуя момент первого входа переднего фронта каждого импульса излучения в активную среду усилительного каскада с началом возникновения инверсной заселенности в ней, причем число проходов и время прохождения переднего фронта каждого импульса излучения через активную среду усилительного каскада, время задержки переднего фронта импульса блоками возврата на входе и выходе усилительного каскада суммарное за все проходы, а также время существования инверсной заселенности атомов активной среды усилительного каскада связаны соотношением

где τ_имп - длительность импульса генерируемого в формирующем каскаде излучения;
τ_инв - время существования инверсной заселенности атомов активной среды усилительного каскада в каждом импульсе возбуждения этой среды;
L_ус - длина рабочей камеры усилительного каскада, заполненной активной средой;
N - число проходов каждого импульса излучения через активную среду усилительного каскада;
с_ус - скорость света в активной среде усилительного каскада;
τ_зад - суммарное за все проходы время задержки переднего фронта импульса блоками возврата на входе и выходе усилительного каскада.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в задающем генераторе лазерной системы сначала генерируют импульсы лазерного излучения с длительностью, равной или большей времени существования инверсной заселенности атомов активной среды усилительного каскада, а затем направляют их на вход усилительного каскада, предварительно пропуская через оптический затвор формирующего каскада для выделения части каждого импульса с длительностью, меньшей времени существования инверсной заселенности атомов активной среды усилительного каскада.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что длительность импульсов лазерного излучения на входе усилительного каскада связана с временами задержек, затрачиваемыми на возвращение переднего фронта каждого импульса излучения в рабочую камеру усилительного каскада каждым блоком возврата, дополнительным соотношением для схем со встречными проходами лучей

а для усилительного каскада с кольцевым ходом лучей - соотношением

где L_ус - длина рабочей камеры усилительного каскада, заполненной активной средой;
τ₁, τ₂ - времена задержек, затрачиваемых на одно возвращение переднего фронта импульса излучения в рабочую камеру усилителя соответственно входным и выходным блоками возврата многопроходного усилительного каскада;
с_ус - скорость света в активной среде усилительного каскада.

РИСУНКИ

Рисунок 1