Импульсный твердотельный лазер с генерацией высших гармоник излучения

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к импульсным твердотельным лазерам с генерацией высших гармоник излучения, работающим в наносекундном диапазоне. Оптическая схема излучателя лазера содержит частично прозрачное плоскопараллельное зеркало, два концевых отражателя, активный и электрооптический элементы, поляризатор и нелинейные элементы. Концевые отражатели выполнены в виде 90°-ных призм-крыш. Первая призма-крыша расположена по одну сторону активного элемента, и ее ребро при вершине лежит в вертикальной плоскости. Вторая призма-крыша расположена вместе с поляризатором, электрооптическим элементом и зеркалом по другую сторону активного элемента. Ее ребро при вершине лежит в горизонтальной плоскости, а нерабочая торцевая поверхность лежит в вертикальной плоскости, проходящей через геометрическую ось активного элемента. Технический результат - создание лазера, выходные параметры которого обладают устойчивостью при деформациях корпуса излучателя лазера и появления термического клина в активном элементе. 2 ил.

 

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к твердотельным импульсным лазерам.

Импульсные лазеры с модуляцией добротности резонатора, как генераторы мощных импульсов излучения в наносекундном диапазоне длительностей импульсов в ближнем ИК, видимом и УФ спектральных диапазонах, широко применяются в научно-прикладных исследованиях, в медицине, в системах для экологического мониторинга окружающей среды.

В качестве лазеров ИК диапазона часто используются лазеры на кристаллах, содержащих ионы неодима (АИГ: Nd, АИ: Nd, ИЛФ: Nd, ГСГГ: Cr, Nd и т.д.).

Для генерации в видимом и УФ диапазонах используется каскадное преобразование частоты излучения ИК лазеров в высшие гармоники в нелинейных кристаллах КТР, ВВО, LBO, обладающих высокой нелинейностью и высокой лучевой прочностью.

Так, например, для генерации в УФ диапазоне наиболее эффективны элементы из ВВО (третья 355 нм и четвертая 266 нм гармоники) и из LBO (третья гармоника). Для получения высоких коэффициентов преобразования по отношению к энергии импульсов излучения первой гармоники (>20%) необходимы высокие уровни плотности энергии излучения ИК лазера. При использовании нелинейных элементов из ВВО дополнительными требованиями к излучению ИК лазера являются низкая расходимость (≤0,5 мрд) и угловая стабильность диаграммы направленности (по крайней мере в плоскости критичного синхронизма) как следствие узкой угловой ширины синхронизма элементов.

Перечисленным требованиям в полной мере отвечает лазер, работающий в режиме генерации моды резонатора низкого порядка TEM_onq. Однако параметры импульсов и направленность излучения низкомодового лазера существенно зависят от разъюстировки зеркал резонатора, возникающей вследствие неизбежных деформаций корпуса излучателя лазера в процессе эксплуатации. Указанный недостаток присущ, конечно, и лазеру, работающему в многомодовом режиме. Для устранения влияния деформации корпуса на энергетические параметры импульсов излучения в многомодовом лазере используется резонатор с двумя 90°-ными призмами-крышами или триппель-призмами [1]. Однако, в первом случае (две развернутые на 90° призмы-крыши и вывод излучения через поляризатор) не обеспечивается угловая стабильность диаграммы направленности, а во втором случае (два зеркала на одной стороне резонатора и триппель-призма на другой) не компенсируется термический клин в активном элементе, который изменяется при изменении энергии импульсов накачки или в процессе установления стационарного теплового режима.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является импульсный твердотельный лазер с каскадным преобразованием частоты излучения в высшие гармоники с резонатором, образованным двумя глухими и одним частично прозрачным зеркалами, содержащим активный и электрооптический элементы, обеспечивающий на выходе мощное излучение с низкой расходимостью в горизонтальной плоскости [2]. Благодаря тому, что «сломанная» на глухом зеркале на две полуоси ось резонатора образует римскую цифру пять, а активный элемент расположен симметрично относительно этих полуосей, длина активного элемента эквивалентно возрастает в 2 раза, а сечение уменьшается в 2 раза, что приводит к увеличению плотности энергии импульсов и снижению расходимости излучения.

Однако влияние разъюстировки зеркал на снижение выходных параметров лазера остается существенным фактором.

Задачей настоящего изобретения является повышение устойчивости энергетических параметров импульсов излучения твердотельного лазера с генерацией высших гармоник излучения при деформациях корпуса излучателя лазера и появлении термического клина в активном элементе.

Для решения поставленной задачи в импульсном твердотельном лазере с генерацией высших гармоник излучения в нелинейных элементах с резонатором, образованным частично прозрачным плоскопараллельным зеркалом и двумя концевыми отражателями, содержащим активный, электрооптический элементы и поляризатор, концевые отражатели выполнены в виде 90°-ных призм-крыш, причем первая призма-крыша расположена по одну сторону активного элемента таким образом, что ее ребро при вершине перпендикулярно геометрической оси активного элемента и лежит в вертикальной плоскости, проходящей через эту ось, вторая призма-крыша расположена по другую сторону активного элемента таким образом, что ее ребро при вершине перпендикулярно геометрической оси активного элемента и лежит в горизонтальной плоскости, проходящей через эту ось, а нерабочая торцевая плоскость лежит в вертикальной плоскости, проходящей через геометрическую ось активного элемента, при этом частично прозрачное плоскопараллельное зеркало, рядом с которым расположены электрооптический элемент и поляризатор, находится по ту же сторону от активного элемента, что и вторая призма-крыша, и ориентировано рабочими гранями перпендикулярно геометрической оси активного элемента.

Применение в качестве двух концевых отражателей 90°-ных призм-крыш, развернутых друг относительно друга на 90° вместе с плоскопараллельным зеркалом, и расположение поляризатора с электрооптическим элементом рядом с зеркалом позволяют обеспечить угловую стабильность направления луча, идущего внутри резонатора к выходному зеркалу, при разъюстировке первой призмы-крыши и появлении термического клина в активном элементе в горизонтальной плоскости, так как первая призма-крыша в этой плоскости является уголковым отражателем, а также обеспечить угловую стабильность направления луча, идущего к выходному зеркалу, при разъюстировке первой призмы-крыши и появлению термического клина в активном элементе в вертикальной плоскости, так как вторая призма-крыша в этой плоскости является уголковым отражателем.

Таким образом, в предлагаемом лазере обеспечена стабильность направления излучения заданной ориентации при высокой плотности энергии импульсов и низкой расходимости излучения в горизонтальной плоскости.

На фиг.1 представлена оптическая схема предлагаемого устройства в горизонтальной плоскости. На фиг.2 представлена оптическая схема резонатора лазера в вертикальной плоскости.

Резонатор лазера образован первой 90°-ной призмой-крышей 1, второй 90°-ной призмой-крышей 2 и выходным частично-прозрачным зеркалом 3.

Как показано на фиг.1, 2, призмы развернуты относительно друг друга на 90°, причем ребро при вершине призмы-крыши 1 перпендикулярно плоскости фигуры, а ребро призмы-крыши 2 лежит в плоскости фигуры. При этом призма-крыша 2 смещена относительно геометрической оси активного элемента 4, так что ее нерабочая торцевая плоскость лежит в вертикальной плоскости, проходящей через геометрическую ось элемента 4. Поляризатор 5 и электрооптический элемент 6 вместе с зеркалом 3 образуют электрооптический затвор, способный модулировать добротность резонатора.

В качестве активного элемента 4 могут быть использованы цилиндрической формы элементы из кристаллов АИГ: Nd, АИ: Nd, ИЛФ: Nd, ГСГТ: Cr, Nd и др. В качестве электрооптического элемента могут быть использованы элементы из кристаллов LiNbO₃, DKDP, RTP и др. Выходящее из зеркала 3 линейно поляризованное ИК излучение направляется призмой 7 в элемент 8, преобразующий линейную поляризацию в круговую или эллиптическую. Элемент 8 может быть выполнен в виде пластины λ/4 или оптически-активного вращателя поляризации из кристаллического кварца. И в том и другом случае угловая ориентация элемента выбирается по максимуму второй гармоники, генерируемой в нелинейном элементе 9 или третьей гармоники, генерируемой в нелинейном элементе 10.

Для генерации второй гармоники предпочтительнее использовать элемент 9 из КТР (II тип взаимодействия), для третьей - элемент 10 из ВВО (I тип) или LBO (II тип), для четвертой - элемент 10 из ВВО (I тип).

Предлагаемый лазер работает следующим образом. В импульсно-периодическом режиме за время каждого импульса накачки при закрытом электрооптическом затворе происходит накопление инверсной населенности в активном элементе 4. При подаче отпирающего импульса высоковольтного напряжения на электроды элемента 6 электрооптический затвор открывается и в резонаторе генерируется моноимпульс излучения.

Пространственная структура излучения определяется размерами разрешенной для генерации половиной сечения активного элемента 4, и при соответствующем выборе диаметра элемента 4 и длины резонатора может соответствовать моде резонатора ТЕМ_onq.

Результаты испытаний макета лазера на АИГ: Nd (λ₁=1064 нм) в импульсном режиме с частотой 10 Гц с преобразованием частоты излучения в элементах из КТР (λ₂=532 нм) и ВВО (λ₄=266 нм) подтверждает эффективность предложенного устройства. Данный лазер генерировал импульсы ИК излучении с преобразованием в четвертую гармонику с коэффициентом преобразования η=E₄/E₁˜20%, причем энергия импульсов УФ-излучения практически не изменялась при разъюстировке призмы-крыши 1 в пределах ±30'', что в 3...4 раза превосходит допустимую разъюстировку одного из зеркал в лазере-прототипе.

Таким образом, предлагаемый лазер может эффективно работать в импульсно-периодическом режиме с модуляцией добротности резонатора с преобразованием частоты излучения в высшие гармоники при разъюстировке резонатора, присутствующей на практике вследствие неизбежных деформаций корпуса излучателя лазера в процессе эксплуатации и появления термического клина в активном элементе.

Источники информации

1. Ю.А.Ананьев. Оптические резонаторы и проблема расходимости излучения. М., «Наука», 1979 г., с.136.

2. Патент РФ №2206162 Н01S 3/10, 2001 г. - прототип.

Импульсный твердотельный лазер с генерацией высших гармоник излучения в нелинейных элементах с резонатором, образованным частично прозрачным плоскопараллельным зеркалом и двумя концевыми отражателями, содержащим активный, электрооптический элементы и поляризатор, отличающийся тем, что концевые отражатели выполнены в виде 90-градусных призм-крыш, причем первая призма-крыша расположена по одну сторону активного элемента таким образом, что ее ребро при вершине перпендикулярно геометрической оси активного элемента и лежит в вертикальной плоскости, проходящей через эту ось, вторая призма-крыша расположена по другую сторону активного элемента таким образом, что ее ребро при вершине перпендикулярно геометрической оси активного элемента и лежит в горизонтальной плоскости, проходящей через эту ось, а нерабочая торцевая плоскость лежит в вертикальной плоскости, проходящей через геометрическую ось активного элемента, при этом частично прозрачное плоскопараллельное зеркало, рядом с которым расположены электрооптический элемент и поляризатор, находится по ту же сторону от активного элемента, что и вторая призма-крыша, и ориентировано рабочими гранями перпендикулярно геометрической оси активного элемента.