Импульсный твердотельный лазер

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к импульсным твердотельным лазерам. Техническим результатом заявленного изобретения является создание импульсного твердотельного лазера на основе микрочип-элемента АИГ:Nd3+/АИГ:Cr4+, генерирующего линейно поляризованное излучение с субнаносекундной длительностью импульса и неизменной плоскостью поляризации. Импульсный твердотельный лазер содержит источник накачки и расположенный внутри резонатора микрочип-элемент, состоящий из соединенных диффузионной сваркой кристаллов АИГ:Nd3+ и АИГ:Cr4+, в котором выходное зеркало резонатора образовано диэлектрическим покрытием, нанесенным на подложку из двулучепреломляющего кристалла, главная кристаллографическая ось которого лежит в плоскости отражающей поверхности выходного зеркала. 1 ил.

 

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

Ряд современных импульсных твердотельных лазеров [1], [2] на основе кристалла АИГ:Nd3+, решающих различные задачи из областей нелинейной оптики, микрохирургии, оптической локации, обработки материалов и т.д., используют пассивную модуляцию добротности резонатора фототропным затвором одновременно с внутрирезонаторным нелинейным преобразованием длины волны излучения, что позволяет получать лазерные импульсы с требуемой длиной волны и длительностью несколько наносекунд за счет малой длины резонатора. Но в связи с постоянным ростом требований к точности и импульсной мощности лазерных систем, необходима длительность импульса менее 1 нс. Однако в лазерах с внутрирезонаторным преобразованием длины волны внутри резонатора кроме активной среды и фототропного затвора должен также располагаться нелинейный элемент, из-за чего минимально возможная длина резонатора равна нескольким сантиметрам, а это определяет предельно малую длительность импульса более 1 нс.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является импульсный твердотельный лазер [3] с длиной волны генерации 1064 нм, включающий активную среду из кристалла АИГ:Nd3+, соединенного с пассивным затвором из кристалла АИГ:Cr4+ высокотемпературной диффузионной сваркой в монолитный микрочип-элемент. Ориентация пассивного затвора такова, что направление кристаллографической оси [100] кристалла АИГ:Cr4+ совпадает с направлением распространения излучения. Резонатор образован диэлектрическими отражающими покрытиями, нанесенными на торцы микрочип-элемента АИГ:Nd3+/АИГ:Cr4+. Плотная упаковка активной среды, пассивного затвора и зеркал резонатора позволяет уменьшить длину резонатора до нескольких миллиметров и получить длительность лазерного импульса от ста до тысячи пикосекунд, что при энергии импульса порядка 1 мДж соответствует импульсной мощности от одного до десяти мегаватт. При такой длительности и пиковой мощности лазерного излучения возможен, в частности, отказ от внутрирезонаторного преобразования длины волны в пользу высокоэффективного внерезонаторного преобразования. Полученные таким образом энергия и длительность лазерного импульса, кроме прочих возможных применений, оптимальны для создания оптического локатора дальнего действия с разрешающей способностью порядка 10 см.

Но из-за отсутствия у такого лазера в резонаторе каких-либо анизотропных элементов кроме кристалла АИГ:Cr4+ поляризация выходного излучения определяется внутренней структурой этого кристалла и может иметь одно из двух различных направлений, совпадающих с кристаллографическими осями [010] и [001] АИГ:Cr4+. В силу специфики расположения ионов Cr4+ в кристаллической решетке АИГ, вероятность генерации излучения, поляризованного по направлению любой из этих осей, одинакова и равна, соответственно, 50% [4]. Следовательно, выходная поляризация данного лазера может неконтролируемым образом скачкообразно изменяться от импульса к импульсу между этими двумя ортогональными направлениями. Для большинства практических применений, требующих строго определенной линейной поляризации лазерного излучения, это недопустимо.

Задачей настоящего изобретения является создание импульсного твердотельного лазера на основе микрочип-элемента АИГ:Nd3+/АИГ:Cr4+, генерирующего линейно поляризованное излучение с субнаносекундной длительностью импульса и неизменной плоскостью поляризации.

Поставленная задача решается за счет того, что в импульсном твердотельном лазере, включающем источник накачки и расположенный внутри резонатора микрочип-элемент, состоящий из соединенных диффузионной сваркой кристаллов АИГ:Nd3+ и АИГ:Cr4+, выходное зеркало резонатора образовано диэлектрическим покрытием, нанесенным на подложку из двулучепреломляющего кристалла, главная кристаллографическая ось которого лежит в плоскости отражающей поверхности выходного зеркала.

На чертеже представлена принципиальная схема предлагаемого устройства.

Источник накачки 1 осуществляет торцевую накачку лазера сквозь глухое зеркало 2, представляющее собой диэлектрическое покрытие, отражающее излучение лазерной генерации и пропускающее излучение накачки, нанесенное на торец активного кристалла 3, соединенного диффузионной сваркой с пассивным затвором 4. Выходное зеркало 5 образовано диэлектрическим покрытием, нанесенным на двулучепреломляющую подложку 6, главная кристаллографическая ось которой лежит в плоскости отражающей поверхности выходного зеркала.

Предлагаемый лазер работает следующим образом:

Источник накачки 1 создает инверсную населенность в активном кристалле 3. Когда из-за спонтанного излучения в инверсно населенной активной среде просветляется пассивный затвор 4, между зеркалами 2 и 5 резонатора начинается развитие лазерного импульса. Коэффициент отражения диэлектрического выходного зеркала 5 на двулучепреломляющей подложке 6 зависит от угла между плоскостью поляризации излучения и главной кристаллографической осью кристалла, из которого сделана подложка. А именно, он минимален (максимален, в зависимости от толщины и величин показателей преломления слоев диэлектрического покрытия) для излучения, вектор напряженности электрического поля которого параллелен главной кристаллографической оси, и максимален (минимален) для ортогонального вектора напряженности. Максимально отражаемые поперечные моды резонатора имеют минимальный порог генерации и начинают раньше развиваться в активной среде, а все прочие моды оказываются подавленными. Таким образом происходит селекция поперечных мод по направлению плоскости поляризации, то есть лазер генерирует импульсы выходного излучения с одинаковым направлением вектора напряженности электрического поля. Субнаносекундная длительность лазерного импульса при этом сохраняется, поскольку двулучепреломляющая подложка 6 располагается за пределами резонатора 2, 5 и не увеличивает его длину.

При изготовлении макетного образца были проведены расчеты, которые показывают, что для получения наибольшей возможной разницы (3-4%) между коэффициентами отражения для обыкновенной и необыкновенной поляризации излучения на длине волны 1064 нм необходимо использовать двулучепреломляющий материал подложки со значениями показателей преломления no и ne в диапазоне 1.4…1.7. В таблице приведены коэффициенты отражения обыкновенной Ro и необыкновенной Re волн и их разница Re - Ro для зеркал, образованных покрытием из различного числа чередующихся четвертьволновых слоев из Al2O3 (n=1.63) и SiO2 (n=1.45), нанесенных на подложку из СаСО3 (no=1.64, ne=1.48). Из таблицы видно, что для данных материалов оптимальное число слоев, соответствующее максимальной разнице Re-Ro, равно 7.

Число слоев 5 7 9 11 13
Re, % 23.3 32.2 41.1 49.7 57.7
Ro, % 19.6 28.3 37.2 46.0 54.3
Re-Ro, % 3.7 3.9 3.9 3.7 3.4

Предлагаемый лазер может применяться в лазерных системах промышленного, медицинского, технического и научного назначения, требующих длительности лазерного импульса менее 1 нс с неизменной плоскостью линейной поляризации для управления излучением или для его технологического применения. Кроме того, энергия импульса субнаносекундного лазера с неизменной плоскостью поляризации на основе диффузионно сваренного АИГ:Nd3+/АИГ:Cr4+ элемента может быть многократно увеличена в системе поляризационно развязанных усилительных каскадов, что позволяет наиболее простым способом из известных получать импульсы с пиковой мощностью порядка гигаватта и осуществлять внерезонаторное нелинейное преобразование длины волны с эффективностью до 70%.

Источники информации

1. Bradley W. Schilling, Stephen R. Chinn, A.D. Hays, Lew Goldberg and Ward Trussell, "End-pumped 1.5 µm monoblock laser for broad temperature operation", Applied Optics, Vol. 45, No. 25, 6607-6615 (2006).

2. Yuri Yashkir and Henry M. van Driel, "Passively Q-switched 1.57-µm intracavity optical parametric oscillator", Applied Optics, Vol. 38, No. 12, 6607-6615 (1999).

3. Патент США №5394413 - прототип.

4. A.G.Okhrimchuk, A.V.Shestakov, "Absorption saturation mechanism for YAG:Cr+4 crystals", Physical Reviews B, Vol. 61, No. 2, 988-995 (2000).

Импульсный твердотельный лазер, включающий источник накачки и расположенный внутри резонатора микрочип-элемент, состоящий из соединенных диффузионной сваркой кристаллов АИГ:Nd3+ и АИГ:Cr4+, отличающийся тем, что выходное зеркало резонатора образовано диэлектрическим покрытием, нанесенным на подложку из двулучепреломляющего кристалла, главная кристаллографическая ось которого лежит в плоскости отражающей поверхности выходного зеркала.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технологии выращивания кристаллов для пассивных лазерных затворов, используемых в современных лазерах, работающих в ИК-области спектра. .
Изобретение относится к технологии выращивания кристаллов для пассивных лазерных затворов, используемых в современных лазерах, работающих в ИК-области спектра. .

Изобретение относится к лазерной технике и может быть применено в нелинейных поглощающих элементах, используемых в качестве пассивных лазерных затворов и оптических развязок.

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

Лазер // 2164724
Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к технологическим лазерам с активной модуляцией добротности резонатора. .

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к неодимосодержащим твердотельным технологическим лазерам с пассивной модуляцией добротности резонатора.

Лазер // 2124791
Изобретение относится к лазерной технике, в частности к импульсным твердотельным лазерам с электрооптической модуляцией добротности, и может быть использовано при разработке импульсных источников лазерного излучения.

Изобретение относится к области лазерной физики и может быть использовано при получении импульсов лазерного излучения длительностью 0,01-1нс

Изобретение относится к импульсным твердотельным лазерам с электрооптической модуляцией добротности резонатора и может быть использовано для стабилизации энергии моноимпульсов лазерного излучения и получения импульсов излучения длительностью в десятки микросекунд

Изобретение относится к импульсным твердотельным лазерам с электрооптической модуляцией добротности резонатора и может быть использовано для стабилизации энергии моноимпульсов лазерного излучения и получения импульсов излучения длительностью в десятки микросекунд

Изобретение относится к лазерной технике

Устройство относится к области квантовой электроники. Полностью волоконный лазер со сверхкороткой длительностью импульса содержит лазер накачки, модуль ввода излучения лазера накачки в волокно, легированное редкоземельным элементом волокно, разветвитель, контроллеры поляризации, волоконные поляризаторы с взаимно перпендикулярными направлениями поляризации, акустооптический модулятор, установленный непосредственно на оптическое волокно между волоконными поляризаторами, частота акустооптического модулятора равна собственной частоте кольцевого волоконного резонатора. Технический результат заключается в обеспечении возможности повышения эффективности синхронизации мод. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к управляемым импульсным лазерным системам для генерации лазерного излучения на двух оптических частотах. В системе используют два вложенных один в другой волоконных лазера с пассивной модуляцией добротности при внешней накачке излучением лазерного диода, питаемым электрическим током. В качестве просветляемого поглощающего элемента используется активное волокно одного из лазеров. Управление частотой следования импульсов достигается наличием обратной оптоэлектронной связи по частоте следования импульсов и мощности излучения диода. Согласование автогенерации импульсного излучения обеспечивается за счет синхронизации частоты модуляции и мощности тока накачки с частотой следования лазерных импульсов системы. Выходное излучение усиливается оптическим усилителем мощности. Технический результат: стабилизация импульсного излучения с двумя разными оптическими частотами, повышение точности и эффективности преобразования энергии. 3 н., 17 з.п. ф-лы, 5 ил.,2 табл.
Изобретение относится к технологии выращивания кристаллов для пассивных лазерных затворов, используемых в современных лазерах и лидарах, работающих в области 1,2-1,55 мкм. Кристаллы выращивают методом Чохральского из расплава исходной шихты, в котором в качестве шихты используют полученный методом твердофазного синтеза гадолиний-скандий-алюминиевый гранат состава Gd2,88Sc1,89Al3V0,03O12, причем ванадий вводят в виде оксида V2O5, а процесс выращивания кристалла ведут в среде аргона при давлении в камере 1,2-1,8 атм, затем кристалл отжигают в вакууме 3-5·10-4 мм рт. ст. при температуре 1600°C в течение 3-6 часов. Изобретение позволяет выращивать совершенные кристаллы гадолиний-скандий-алюминиевого граната, легированные катионами ванадия, с коэффициентом поглощения 1,2-2,5 см-1 на длинах волн 1,20-1,55 мкм, обеспечивающие на пассивных лазерных затворах необходимый режим модуляции добротности в импульсном режиме работы. 2 пр.

В гольмиевом лазере для накачки параметрического генератора света, включающем источник накачки и размещенные в двухпроходном оптическом резонаторе активный элемент, модулятор добротности, выполненный из материала с кристаллической структурой, новым является то, что модулятор добротности совмещает в себе функции поляризатора и спектрального селектора и представляет собой акустооптический фильтр на основе кристалла парателлурита, с формой, обеспечивающей совпадение оси дифрагированного луча на выходе кристалла с осью оптического резонатора. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности накачки параметрического генератора света и точности спектральных исследований, а также упрощается оптическая схема и уменьшается энергопотребление лазера. 1 ил.

Изобретение относится к лазерной технике. Лазер с модуляцией добротности и синхронизацией мод содержит в первом плече оптического резонатора последовательно расположенные первое концевое зеркало, акустооптический модулятор, активный элемент и первое вспомогательное зеркало, а в другом плече вторые вспомогательное и концевое зеркала, между которыми устанавливается нелинейный элемент. При этом модулятор в разные моменты времени работает на двух звуковых частотах, подаваемых через дополнительно введенный сумматор электрических сигналов от двух дополнительно введенных генераторов модулированных колебаний, синхронизируемых третьим генератором, задающим частоту следования импульсов лазера, выбираемую в диапазоне от (0,1-100) кГц. Величина первой звуковой частоты определяется параметрами оптического резонатора для выполнения условия синхронизации мод лазера, а вторая звуковая частота, обеспечивающая модуляцию добротности резонатора, выбирается в полтора раза выше первой. Выходящий из модулятора световой пучок после дифракции на второй частоте перекрывается дополнительно введенной диафрагмой. Технический результат заключается в обеспечении возможности повышения уровня модуляции. 5 ил.

Группа изобретений относится к лазерной технике. Лазер для генерации импульсного светового пучка содержит выходное зеркало, выполненное с возможностью отражения отраженной части импульсного светового луча обратно в лазер и для добавления к выходящей из лазера части импульсного светового пучка. Также лазер содержит концевой отражатель, выполненный с возможностью возврата импульсного светового пучка в лазер; усиливающий материал, расположенный вдоль оптического пути между выходным зеркалом и концевым отражателем, выполненный с возможностью усиления импульсного светового пучка. Кроме того, лазер содержит самозапускающийся насыщаемый поглотитель, выполненный с возможностью самозапуска импульсного режима работы лазера с синхронизацией мод и насыщаемый поглотитель для генерации импульсов, выполненный с возможностью генерации импульсов импульсного светового пучка в лазерные импульсы с длительности импульса менее 1000 фемтосекунд. Технический результат заключается в обеспечении возможности обеспечения устойчивости лазера к внешним воздействиям. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к импульсным твердотельным лазерам

Наверх