Оптическая система лазерного компрессора


 


Владельцы патента RU 2547342:

Федеральное Государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр-Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики-ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" (RU)
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"-Госкорпорация "Росатом" (RU)

Изобретение относится к лазерной технике. Оптическая система лазерного компрессора для лазерных установок с широкой апертурой лазерного пучка основана на паре параллельных дифракционных решеток с одинаковым периодом дополненной, по крайней мере, одной парой параллельных дифракционных решеток с одинаковым периодом. Вдоль оптической оси по направлению распространения лазерного излучения пары параллельных дифракционных решеток расположены таким образом, что лазерное излучение сначала последовательно проходит первые решетки всех пар дифракционных решеток, начиная с первой пары решеток, а затем последовательно вторые решетки всех пар дифракционных решеток, начиная с последней пары решеток, причем различные пары дифракционных решеток ориентированы относительно друг друга под разными углами, выбранными в зависимости от максимального габаритного размера, оптических характеристик применяемых дифракционных решеток и параметров лазерного излучения. Технический результат заключается в обеспечении требуемой групповой дисперсии заданного широкоапертурного пучка светового излучения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области квантовой электроники, а именно к лазерной технике, и может быть использовано для решения технических задач, где требуется обеспечение сжатия (компрессии) высокоэнергетичных чирпированных широкоапертурных лазерных импульсов наносекундной и субнаносекундной длительности до первоначальной длительности, в частности, в современных лазерных установках, предназначенных для исследований в области управляемого термоядерного синтеза и взаимодействия светового излучения с веществом.

В настоящее время практически во всех лазерных системах, генерирующих импульсы сверхмощного излучения, используется метод CPA (chirped-pulse amplification), усиления растянутых до нескольких наносекунд ультракоротких импульсов и последующего их сжатия до исходной длительности [Strickland D., Mourou G. Opt. Commun., 56, 219 (1985)]. В традиционных CPA-системах с прямым усилением, а также в системах, основанных на параметрическом усилении чирпированных импульсов ОРСРА (optical parametric CPA) [Dubietis A., Butkus R., Piskarskas A.P. IEEE J. Sel. Top.Quantum Electron., 12, 163 (2006)], для сжатия чирпированного лазерного импульса применяются лазерные компрессоры на одной паре параллельных дифракционных решеток [Treacy Edmond В. IEEE J. Quantum Electron., 5, 454 (1969)], обеспечивающие отрицательную дисперсию групповой скорости (длинные волны задерживаются относительно коротких), а также для растяжения импульса светового излучения стретчеры на антипараллельных решетках с переворачивающим изображение телескопом [Martinez О.Е. IEEE J. Quantum Electron., 23, 59 (1987)], обеспечивающие положительную групповую дисперсию.

Известна оптическая система лазерного компрессора на одной паре параллельных дифракционных решеток [Treacy Edmond В., «Optical Pulse Compression With Diffraction Gratings», IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.5, pp.454, 1969]. В данной системе для осуществления компрессии импульса светового излучения используется пара параллельных дифракционных решеток, стоящих под углом к лазерному пучку. Угол падения на первую дифракционную решетку относительно нормали выбирается вблизи (~±10°) угла Литрова дифракционной решетки, чтобы обеспечить высокий коэффициент отражения ≈92-95%. Для лазерного излучения с центральной длиной волны 1053 нм угол падения на первую дифракционную решетку составляет ≈55-75°. Использование такой оптической схемы для достижения требуемой групповой дисперсии приводит к необходимости увеличения размеров дифракционных решеток вследствие увеличения размеров светового пучка и большого угла падения, что технологически осложнено. В настоящее время габаритный размер доступных дифракционных решеток составляет ≈500×400 мм (Ш×В).

Техническим результатом изобретения является обеспечение требуемой групповой дисперсии заданного широкоапертурного пучка светового излучения в технологически приемлемых габаритах дифракционных решеток лазерного компрессора.

Данный технический результат достигается тем, что в отличие от известной оптической системы лазерного компрессора, основанной на паре параллельных дифракционных решеток с одинаковым периодом, в предложенной системе вышеназванная пара дифракционных решеток дополнена, по крайней мере, одной парой параллельных дифракционных решеток с одинаковым периодом, причем вдоль оптической оси по направлению распространения лазерного излучения пары параллельных дифракционных решеток расположены таким образом, что лазерное излучение сначала последовательно проходит первые решетки всех пар дифракционных решеток, начиная с первой по ходу луча пары решеток, а затем последовательно вторые решетки всех пар дифракционных решеток, начиная с последней пары решеток, причем различные пары дифракционных решеток ориентированы относительно друг друга под разными углами, выбранными в зависимости от характеристик лазерного излучения, максимального габаритного размера применяемых дифракционных решеток, их периода и оптических характеристик и от требуемой дисперсии групповой скорости лазерного излучения на выходе оптической системы.

Оптическая система лазерного компрессора может отличаться тем, что период дифракционных решеток в разных парах одинаковый или различный.

Принцип действия лазерного компрессора на двух параллельных дифракционных решетках впервые описан в статье «Optical Pulse Compression With Diffraction Gratings» Treacy Edmond В., IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.5, pp.454, 1969, базовые положения которой лежат в основе реализации заявляемой системы. Расчет спектральной фазы, дисперсии второго порядка и дисперсии более высоких порядков описывается в обзорной статье «High power ultrafast lasers», S.Backus, C.G.Durfee, M.M.Murnane and H.C.Kapteyn, Review of Scientific Instruments, Vol.69, No.3, 1998, pp.1207-1223. В статье показано, что групповая задержка, она же дисперсия групповой скорости, она же дисперсия второго порядка, равна τ=P/с, где P - разность оптических путей длинноволновых и коротковолновых компонент импульса, с - скорость света. Параметр P зависит от разности двух длин волн (ширина спектра импульса), от количества штрихов на мм дифракционной решетки, от угла падения пучка относительно нормали на первую решетку и от расстояния между дифракционными решетками по нормали.

Из формулы дисперсии групповой скорости видно, что она не зависит от диаметра падающего на первую решетку пучка. Из геометрии схемы прототипа видно, что размер первой дифракционной решетки зависит прямо пропорционально от диаметра падающего пучка и обратно пропорционально косинусу угла падения относительно нормали. При обеспечении требуемой дисперсии в прототипе размер дифракционной решетки возрастает как с увеличением диаметра падающего пучка, так и с увеличением угла падения.

В предлагаемой системе в результате использования заявляемых признаков разница оптических путей Р накапливается на каждой дифракционной решетке, которых в предлагаемой оптической схеме больше, чем в прототипе. И из-за того, что они специфично расположены по ходу прохождения луча, появляется возможность более гибко получать требуемую дисперсию групповой скорости в отличие от прототипа, т.к. она накапливается на каждой дифракционной решетке. В результате размещения пар дифракционных решеток относительно друг друга под различными углами можно уменьшить углы падения лазерного излучения на дифракционные решетки с сохранением требуемой дисперсии групповой скорости на выходе из предлагаемой оптической системы лазерного компрессора, тем самым уменьшив размер используемых дифракционных решеток. В прототипе значительно уменьшить угол падения нельзя, так как сильно уменьшится дисперсия групповой скорости, и ее не хватит до требуемого значения. Для обеспечения требуемой дисперсии групповой скорости в прототипе рабочий угол падения составляет ≈60-70°, а в предлагаемой системе ≈30-40°.

Выбор периодов дифракционных решеток в разных парах (одинаковый или различный) дополнительно позволит влиять (увеличивать или уменьшать) на достижение заданной дисперсии.

Предлагаемая оптическая система при увеличении количества решеток позволяет, на лазерных установках с широкой апертурой лазерного пучка, использовать дифракционные решетки меньшего размера по сравнению со схемой на двух параллельных дифракционных решетках при одной и той же требуемой дисперсии групповой скорости лазерного излучения на выходе из соответствующей оптической системы.

На чертеже изображена принципиальная схема предлагаемой оптической системы, где 1-1', 2-2', 3-3' - три пары параллельных дифракционных решеток, α - угол между 1-й и 2-й парой решеток, β - угол между 2-й и 3-й парой решеток, М - отражающее возвратное зеркало.

Ниже будем использовать следующие обозначения:

1 - первая решетка первой пары параллельных дифракционных решеток, 1' - вторая решетка первой пары параллельных дифракционных решеток, 2 - первая решетка второй пары параллельных дифракционных решеток, 2' - вторая решетка второй пары параллельных дифракционных решеток, 3 - первая решетка третьей пары параллельных дифракционных решеток, 3' - вторая решетка третьей пары параллельных дифракционных решеток.

Покажем, каким образом достигается указанный выше технический результат.

Лазерный компрессор, реализованный в предлагаемой оптической системе (чертеж), построен на основе трех пар параллельных дифракционных решеток 1-1', 2-2', 3-3'. Причем расположение решеток в реальной системе таково, что последовательное прохождение луча в системе соответствует следующему порядку прохождения дифракционных решеток 1-2-3-3'-2'-1'. Для компенсации поперечного сдвига частот также, как и в прототипе, применен возвратный отражатель М. Отражатель М направляет излучение обратно через дифракционные решетки в горизонтальной плоскости, а в вертикальной немного смещает его относительно первоначального направления распространения излучения для того, чтобы на выходе оптического компрессора можно было разделить входное и выходное лазерное излучение. Таким образом, использование отражателя М позволяет использовать дифракционные решетки два раза, если позволяет их габаритная высота. Вместо отражателя М можно использовать идентичную оптическую систему лазерного компрессора, но зеркально отраженную. Тогда дифракционные решетки используются один раз, что позволяет пропускать через систему лазерный пучок большего размера.

В оптической системе, изображенной на чертеже, более длинноволновые компоненты λ1 лазерного импульса проходят более длинные пути, чем короткие λ2, и, следовательно, одни относительно других приобретают задержку во времени.

Лазерный компрессор, реализованный в предлагаемой оптической системе (чертеж), имеет следующие параметры:

- дисперсия групповой скорости на выходе τ=1,59×10-9 cек;

- одинаковые периоды дифракционных решеток во всех парах, d=0,833×10-6 м;

- центральная длина волны лазерного излучения λ=1053×10-9 м;

- спектральная ширина Δλ=2×10-9 м;

- угол падения на первую решетку α=30°;

- диаметр падающего пучка светового (лазерного) излучения пучка D=0,4 м.

Лазерный компрессор, реализованный по оптической системе прототипа, имеет параметры:

- дисперсия групповой скорости на выходе τ=1,58×10-9 сек;

- периоды обеих параллельных дифракционных решеток одинаковые d=0,575×10-6 м;

- центральная длина волны лазерного излучения λ=1053×10-9 м;

- спектральная ширина Δλ=2×10-9 м;

- угол падения на первую решетку α=60°;

- диаметр падающего лазерного пучка D=0,4 м.

Если применить предлагаемую оптическую систему, можно использовать дифракционные решетки с максимальной шириной 55 см, вместо 93 см, используемых в схеме прототипа, и тем самым уменьшить габариты применяемых дифракционных решеток в системе на 40%, как заявлено в результате.

1. Оптическая система лазерного компрессора для лазерных установок с широкой апертурой лазерного пучка, основанная на паре параллельных дифракционных решеток с одинаковым периодом, отличающаяся тем, что вышеназванная пара дифракционных решеток дополнена, по крайней мере, одной парой параллельных дифракционных решеток с одинаковым периодом, причем вдоль оптической оси по направлению распространения лазерного излучения, пары параллельных дифракционных решеток расположены таким образом, что лазерное излучение сначала последовательно проходит первые решетки всех пар дифракционных решеток, начиная с первой пары решеток, а затем последовательно вторые решетки всех пар дифракционных решеток, начиная с последней пары решеток, причем различные пары дифракционных решеток ориентированы друг относительно друга под разными углами, выбранными в зависимости от максимального габаритного размера, оптических характеристик применяемых дифракционных решеток и параметров лазерного излучения

2. Оптическая система лазерного компрессора по п. 1, отличающаяся тем, что система построена на основе трех пар параллельных дифракционных решеток с одинаковыми периодами во всех парах 0.833 мкм, при этом максимальная ширина решеток составляет 55 см при диаметре входящего в систему лазерного пучка 0,4 м с центральной длиной волны 1053 нм и спектральной шириной 2 нм



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области лазерной физики и технике формирования мощных импульсов СО2 лазера. Оно обеспечивает генерацию коротких импульсов большой энергии, имеющих минимальную угловую расходимость, что позволяет получать высокоинтенсивные пучки СО2 лазера, предназначенные, в частности, для создания лазерно-плазменного источника ионов. Устройство состоит из одномодового задающего генератора, работающего на линии Р(20) 10-мкм полосы СО2, оптической системы согласования и трехпроходового СО2-усилителя, образованного широкоапертурной активной средой СО2 лазера и резонансно-поглощающей ячейкой SF6+N2 (воздух) атмосферного давления, которые последовательно размещены внутри и на оси конфокального телескопа, включающего большое вогнутое и малое выпуклое зеркала.

Изобретение относится к области генерирования СВЧ колебаний и может использоваться в системе электропитания, связи, телеметрии. Достигаемый технический результат - повышение качества информации, передаваемой по СВЧ трафику, за счет повышения отношения сигнал/шум, увеличение КПД.

Способ относится к лазерной технике и может быть использован для создания устройства прямого самореферентного определения коэффициента квадратичной фазовой модуляции сверхкороткого оптического импульса.

Изобретение относится к источнику импульсного лазерного излучения, который включает в себя последовательно оптически связанные между собой лазер с непрерывным излучением, оптический коммутатор, блок согласования, средство оптической задержки, оптическое средство суммирования излучения, фокусирующую систему.

Изобретение относится к способу (варианты) и системе (варианты) для лазерной сварки и может быть использовано для соединения различных деталей друг с другом. Система содержит источник (1) лазерного луча, коллиматор (2) лазерного луча и фокусирующее устройство (3).

Изобретение относится к оптической технике. Компенсатор термонаведенной деполяризации γ0 включает в себя расположенный на оптической оси компенсирующий оптический элемент, установленный за поглощающим оптическим элементом.

Изобретение относится к лазерной технике. Способ вывода и регулирования энергии/мощности выходного излучения лазера заключается в установке в резонатор лазера под углом к его оси отражающего элемента на подвижном основании, положение которого определяет уровень выводимой энергии/мощности после запуска лазера и установки требуемого уровня энергии/мощности накачки.

Группа изобретений относится к медицинской технике. Система содержит: источник импульсного лазерного излучения с параметрами излучения, подобранными для выполнения, посредством фотодеструкции, разреза в роговице глаза, сканер для осуществления перемещения лазерного излучения, электронный блок управления, блок модулятора для модулирования лазерных импульсов, испускаемых источником.

Способ и устройства относятся к лазерной технике и могут быть использованы для контроля допустимого уровня инверсии населенности активных сред, используемых в приборах телекоммуникации, хирургии и металлообработки.

Изобретение относится к технике формирования импульсов тока в устройствах оптической накачки лазеров, например в источниках светодиодной накачки или в источниках питания импульсных газонаполненных ламп накачки с разрядом через лампу накопительного конденсатора.

Изобретение относится к области оптоэлектронной техники и касается оптоэлектронного передатчика. Оптоэлектронный передатчик состоит из источника питания, лазера, повернутого полупрозрачного отражательного зеркала, корректирующей линзы, электрического модулятора, малогабаритного фотоприемника и автоматического коммутатора. Оптический выход лазера связан через повернутое полупрозрачное отражательное зеркало с оптическим входом корректирующей линзы. Оптический выход корректирующей линзы связан с оптическим входом малогабаритного фотоприемника, имеющего выход, соединенный через электрический модулятор с первым входом автоматического коммутатора. Автоматический коммутатор имеет второй вход и выход, соответственно соединенные с выходом источника питания и со входом лазера. Технический результат заключается в уменьшении габаритов и энергопотребления устройства. 1 ил.

Изобретение относится к лазерной технике. Импульсный двухрежимный твердотельный лазер содержит поворотную двухгранную прямоугольную призму для излома оси резонатора, активный элемент (АЭ), выполненный с ВКР-преобразованием, клиновый компенсатор, вторую двухгранную прямоугольную призму, составляющую с выходным зеркалом единый концевой элемент резонатора и лампу накачки. Дополнительно установлены с возможностью ввода/вывода из зоны лучей между АЭ и второй двухгранной призмой две размещенные под углом 90 град. относительно друг друга плоскопараллельные пластины (ПП) и между первой прямоугольной призмой и АЭ - пассивный лазерный затвор (ПЛЗ1). На входные поверхности плоскопараллельных пластин (ПП) и ПЛЗ1 нанесено светоделительное покрытие, минимально отражающее излучение для рабочих длин волн и максимально отражающее излучение для нерабочей длины волны. Пассивный лазерный затвор ПЛЗ1 наклонен относительно торца АЭ на угол α>d/L, где L - расстояние от АЭ до ПЛЗ1, d - диаметр АЭ. Плоскопараллельные пластины и первый пассивный лазерный затвор (ПЛЗ1) выполнены с возможностью вывода из резонатора с одновременным вводом в резонатор второго пассивного лазерного затвора (ПЛЗ2). Технический результат заключается в обеспечении возможности работы лазера как в безопасном для глаз диапазоне волн, так и на длине волны излучения основного перехода. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах электропитания, связи, управления, телеметрии. Технический результат состоит в увеличении энергии взаимодействия электронов в пучке, а следовательно, мощности СВЧ-генерации и кпд системы электропитания. Способ генерации СВЧ квантов заключается в формировании электронного пучка при помощи электронной пушки с одновременной модуляцией его анодным полем электронной пушки на рабочей частоте системы электропитания, последующем сжатии электрическим полем, например, двойного электрического слоя для повышения энергии пучка и плотности заряда и дальнейшей остановки электронов при помощи барьера, состоящего из диэлектрического и электропроводящего слоев, во время которой электроны отдают энергию в виде электромагнитных квантов с параметрами, зависящими от значения корректирующего напряжения поля рабочей частоты, которым воздействуют на сжатый электронный пучок до остановки электронов. Затем электроны направляют в систему электропитания для получения электрической мощности рабочей частоты. 1 ил.

Изобретение относится к лазерной технике для распределения или переключения произвольно поляризованного излучения от одного лазерного источника по ряду оптических направлений с контролируемой поляризацией и мощностью. Преобразуют исходный пучок лазерного излучения со случайной поляризацией во множество плоско-поляризованных пучков. Деполяризуют исходный лазерный пучок и разделяют его поляризационным делителем на пару плоско-поляризованных пучков равной мощности излучения и по крайней мере один пучок после преобразования его поляризации делят на следующую пару с заданным соотношением мощностей. Пучок из любой пары конвертируют частотным конвертером. Достигают требуемое перераспределение исходной лазерной мощности с преобразованием поляризации и частоты излучения. 4 н. и 15 з.п. ф-лы, 9 ил., 1 табл.

Изобретение относится к волоконному одночастотному лазеру со сканированием частоты. Указанное устройство содержит схему волоконного лазерного источника с пассивным сканированием частоты, в котором временная динамика состоит из периодической группы импульсов. При этом каждый импульс является одночастотным лазерным излучением, а частота генерации изменяется от импульса к импульсу. Также выходное лазерное излучение полностью поляризовано, а состояния поляризации импульсов внутри принимают одно из двух значений. По этой причине импульсы легко пространственно разделяются с помощью поляризационного фильтра. В таком случае выходное лазерное излучение лазерного источника состоит из периодических одночастотных импульсов с одним поляризационным состоянием. Технический результат заключается в улучшении амплитудной стабильности интенсивности выходного лазерного излучения, в регуляризации временной динамики интенсивности лазерного излучения, в улучшении поляризационных и спектральных качеств выходного лазерного излучения и в обеспечении возможности сохранения стабильной поляризации лазерного излучения на выходе, а также в расширении области применения и ассортимента устройств данного назначения. 3 н. и 56 з.п. ф-лы, 7 ил.

Лазерная система одномодового одночастотного излучения содержит систему поворотных зеркал, установленных с возможностью образования кольцевого резонатора и по меньшей мере одной дополнительной петли излучения в нём. Перекрестье каждой дополнительной петли локализовано в центральной области среды активного элемента. При этом каждая дополнительная N-я петля излучения формируется пучком излучения, проходящим среду активного элемента N+1-й раз. Пучки излучения каждой из петель записывают обращающие волновой фронт зеркала в среде активного элемента - дифракционную решётку усиления, а генерируемые пучки излучения отражаются от них и когерентно складываются между собой, образуя при этом выходное лазерное излучение. Технический результат - уменьшение порогового усиления активного элемента, числа активных элементов в парциальном генераторе при построении многоканальных лазерных систем, габаритных размеров лазерной системы; расширение диапазона активных сред, используемых для генерации лазерного излучения; осуществление генерации лазерного излучения на не основных лазерных переходах для его дальнейшего смещения в среднюю инфракрасную область спектра лазерного излучения. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Аподизатор лазерного пучка включает зубчатую диафрагму и пространственный фильтр, в котором зубчатая диафрагма с радиусом окружности вершин зубцов Rd дополнена корректирующим элементом. Корректирующий элемент выполнен в виде установленного соосно с диафрагмой непрозрачного кольца с внешним радиусом Rout<Rd и внутренним радиусом Rin, причем Rout-Rin<<Rd, Rd-Rout<<Rd. Корректирующий элемент может быть установлен в плоскости зубчатой диафрагмы или на некотором расстоянии от нее. Техническим результатом изобретения является формирование лазерного пучка с высоким коэффициентом заполнения апертуры, распространяющегося без значительных дифракционных искажений профиля интенсивности на расстояния. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к лазерной технике. Способ сканирования с помощью лазерной системы содержит этапы, на которых: генерируют фемтосекундные затравочные импульсы с помощью генератора, увеличивают длительность затравочных импульсов, усиливают растянутые импульсы, компенсируют дисперсию групповой задержки импульсов в диапазоне 5000-20000 фс2 с помощью компенсатора дисперсии между торцевыми зеркалами усилителя, уменьшают длительность импульсов. Лазерные импульсы из усилителя выводят с помощью оптического переключателя. В области мишени фокусируют лазерные импульсы в фокальное пятно, осуществляют сканирование фокальным пятном с некоторой скоростью сканирования, изменяют скорость сканирования на основании электронной информации, принятой от процессора, и регулируют частоту повторения согласно измененной скорости сканирования. Технический результат заключается в обеспечении возможности уменьшения размера устройства и в упрощении изменения частоты повторения импульсов. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к лазерной технике. Лазерное устройство включает в себя генератор, который генерирует и выводит пучок фемтосекундных затравочных импульсов, модуль растяжения-сжатия, который растягивает длительность затравочных импульсов, и усилитель, который принимает растянутые затравочные импульсы, усиливает амплитуду выбранных растянутых затравочных импульсов для создания усиленных растянутых импульсов и выводит лазерный пучок усиленных растянутых импульсов обратно на модуль растяжения-сжатия, который сжимает их длительность и выводит лазерный пучок фемтосекундных импульсов. Усилитель включает в себя регулятор дисперсии, который компенсирует дисперсию усиленных растянутых импульсов, делая частоту повторения лазерных импульсов регулируемой. Технический результат заключается в обеспечении возможности уменьшения размера устройства и в упрощении изменения частоты повторения импульсов. 3 н. и 36 з.п. ф-лы, 8 ил.

Система для усиления светового потока включает в себя первый отражатель, первую апертуру, первый поляризатор, выполненный с возможностью отражать световое излучение, характеризующееся первым состоянием поляризации, набор зеркал и второй поляризатор. Также система включает в себя первый и второй наборы модулей-усилителей. Каждый модуль-усилитель из первого и второго наборов модулей-усилителей включает в себя входное окно, четвертьволновую пластину, пластинки-усилители и выходное окно. Технический результат состоит в повышении эффективности подавления паразитных мод посредством использования многопроходной конфигурации усиления. 8 з.п. ф-лы, 12 ил.
Наверх