Акустооптический лазерный затвор с выводом тепловой энергии из резонатора лазера
Владельцы патента RU 2751445:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" (RU)
Изобретение относится к квантовой электронике, лазерной технике и акустооптике, в частности, оно может быть отнесено к акустооптическим (АО) устройствам модуляции добротности резонаторов лазеров видимого, ближнего и среднего инфракрасного (ИК) диапазонов длин волн (от 0,4 до 5,0 мкм). Заявленный акустооптический затвор состоит из размещенного в лазерном резонаторе и изготовленного из акустооптического материала светозвукопровода, имеющего входную и выходную оптические грани с антиотражающими покрытиями и параллельные друг другу первую и вторую акустические грани, к которым идентичной технологией присоединены соответственно пьезопреобразователь и пьезопоглотитель, выполненные в виде пластин монокристаллов на основе ниобата лития и имеющие идентичные линейные размеры, толщину и ориентацию, а также из первой электрической согласующей системы, вход которой соединен с выходным сопротивлением драйвера, а выход со входом пьезопреобразователя и из второй электрической согласующей системы, вход которой соединен с выходом пьезопоглотителя, а выход посредством коаксиального ВЧ-кабеля соединен со входом электрической нагрузки, удаленной из резонатора и установленной на теплоотводе. Технический результат - снижение температуры АО-затвора до допустимой в условиях работы с заданной дифракционной эффективностью, снижение управляющей ВЧ-мощности, повышение надежности и расширение областей применения АО-приборов в лазерных системах в сторону длинноволновой части среднего ИК-диапазона длин волн (от 3 до 5 мкм). 5 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к квантовой электронике, лазерной технике и акустооптике, в частности, оно может быть отнесено к акустооптическим (АО) устройствам модуляции добротности резонаторов лазеров видимого, ближнего и среднего инфракрасного (ИК) диапазонов длин волн (от 0,4 до 5,0 мкм).
АО-модуляторы добротности или АО-лазерные затворы широко используются для внутрирезонаторной модуляции потерь в резонаторах лазеров с целью генерации лазерных импульсов с высокой энергией. Когда АО-затвор включен, он вносит потери в резонатор, превышающие усиление за проход. Уровень вносимых затвором потерь для твердотельных импульсных лазеров, работающих в ближнем ИК-диапазоне длин волн, определяется системными параметрами лазера и обычно составляет от 60 до 80%. Когда АО-затвор выключается, потери в резонаторе уменьшаются до статических. В лазере развивается генерация гигантского импульса.
В качестве материала, из которого изготавливаются светозвукопроводы АО-устройств, в модуляторах добротности мощных лазеров в основном применяется плавленый кварц и кристаллический кварц. Эти материалы обладают высокой стойкостью к лазерному излучению, но низким АО-качеством.
Известно (US 6563844 В1, опубл. 13.05.2003 г.), что типичный АО-затвор на основе кварца, работающего на длине волны 1,06 мкм создает в резонаторе типичного лазера уровень потерь 75% при управляющей мощности высокочастотного (ВЧ) сигнала порядка 30 Вт. Стандартным техническим решением уменьшения температуры затвора является либо водяное охлаждение, либо термоэлектрическое с применением элементов Пельтье.
Принудительное охлаждение эффективно работает до значений ВЧ-мощности порядка 60 Вт. При большей мощности перегрев АО-затвора приводит к развитию температурных градиентов, изменению оптических, акустических и фотоупругих свойств АО-кристалла вплоть до его разрушения.
Известен пьезоэлектрический акустический демпфер (RU 187662 U1, опубл. 14.03.2019), который применяют для создания режима акустооптического взаимодействия на бегущей акустической волне в АО устройствах, в том числе, в АО затворах. Акустический пучок после АО-взаимодействия со световым пучком улавливается пьезоэлектрическим демпфером. В результате прямого пьезоэффекта возникает разность потенциалов между электродами демпфера и электрический ток, проходящий через электрическую нагрузку.
Недостатком демпфера является отсутствие согласования линейных апертур и диаграмм направленности акустического излучателя и акустического приемника, что приводит к существенному снижению эффективности акустического поглощения демпфером. Недостатком также является отсутствие технического решения по электрическому согласованию демпфера, что уменьшает эффективность и диапазон частот поглощения.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) заявляемому устройству является устройство для модуляции лазерного излучения (RU 2699947 С1, опубл. 11.09.2019), представляющее собой высокоэффективный и стойкий к лазерному излучению лазерный затвор на основе квазисдвиговой акустической моды в кристалле группы калий-редкоземельных вольфраматов KRE(WO4)2, где RE=Y, Yb, Gd, Lu. Предложенное техническое решение эффективно для диапазона длин волн до 2 мкм (K.В. Yushkov, et al. KYW crystal as a new material for acousto-optical Q-switches // Proc. SPIE. - 2019. - V. 10899. - P. 1089913).
Недостатком прототипа является перегрев лазерного затвора в случае работы в 3-5 мкм области среднего ИК-диапазона. Так управляющая ВЧ-мощность при работе затвора, например, на 4 мкм, превышает его управляющую мощность на 2 мкм в 4 раза. Недостатком прототипа также является применение стандартного акустического поглотителя, выполненного в виде наклонной акустической грани и расположенного непосредственно на АО-кристалле. В результате, вся выделяемая в поглотителе энергия приводит к нагреву светозвукопровода.
Технической задачей изобретения является создание нового термостабильного АО-лазерного затвора, оптимизированного для работы в резонаторах мощных лазеров диапазона длин волн от 3 до 5 мкм.
Техническим результатом изобретения является снижение температуры АО-затвора до допустимой в условиях работы с заданной дифракционной эффективностью, снижение управляющей ВЧ-мощности, повышение надежности и расширение областей применения АО-приборов в лазерных системах в сторону длинноволновой части среднего ИК-диапазона длин волн (от 3 до 5 мкм).
Указанный технический результат изобретения достигается следующим образом.
Акустооптический затвор состоит из размещенного в лазерном резонаторе и изготовленного из акустооптического материала светозвукопровода, имеющего входную и выходную оптические грани с антиотражающими покрытиями и параллельные друг другу первую и вторую акустические грани, к которым идентичной технологией присоединены соответственно пьезопреобразователь и пьезопоглотитель, выполненные в виде пластин монокристаллов на основе ниобата лития и имеющие идентичные линейные размеры, толщину и ориентацию, а также из первой электрической согласующей системы, вход которой соединен с выходным сопротивлением драйвера, а выход со входом пьезопреобразователя, и из второй электрической согласующей системы, вход которой соединен с выходом пьезопоглотителя, а выход посредством коаксиального ВЧ-кабеля соединен со входом электрической нагрузки, удаленной из резонатора и установленной на теплоотводе.
Кроме того светозвукопровод выполнен из монокристалла калий-гадолиниевого вольфрамата KGd(WO4)2 или кристалла калий-иттриевого вольфрамата KY(WO4)2 или кристалла калий-лютециевого вольфрамата KLu(WO4)2 или кристалла калий-иттербиевого вольфрамата KYb(WO4)2.
Также светозвукопровод выполнен из монокристалла парателлурита ТеО2.
При этом светозвукопровод выполнен из монокристалла кварца α-SiO2.
Кроме того, светозвукопровод выполнен из аморфного плавленого кварца SiO2.
Также пьезопреобразователь и пьезопоглотитель присоединены к светозвукопро-воду путем склейки или прямой сварки диэлектриков или вакуумной диффузионной сварки с образованием двойных сплавов или атомной диффузионной сварки одноименных металлов.
В изобретении входной лазерный пучок дифрагирует на бегущей акустической волне, генерируемой пьезопреобразователем, при этом пучок нулевого порядка дифракции является рабочим, пучок минус первого порядка отклоняется и не используется. Бегущая акустическая волна после дифракции улавливается пьезопоглотителем и преобразуется в электрические колебания, которые распространяются по коаксиальному кабелю и диссипируются в удаленной электрической нагрузке, установленной на теплоотводе, который расположен вне резонатора лазера в конструктивно приемлемой зоне лазерной системы.
Тем самым достигается технический результат изобретения: обеспечивается вывод части тепловой энергии из акустооптического затвора, изготовленного из АО материала с высоким АО качеством М2, в конструктивно приемлемую зону вне резонатора лазера, уменьшается управляющая ВЧ-мощность, обеспечивается понижение температуры затвора, повышается стабильность работы лазера, и, как следствие, возникает возможность применять АО затворы в среднем ИК диапазоне 3-5 мкм.
В частном случае, светозвукопровод может быть монокристаллом калий-редкоземельного вольфрамата, парателлурита, кварца, или призмой из аморфного плавленого кварца, а пьезопреобразователь и пьезопоглотитель могут быть выполнены на основе монокристалла ниобата лития Х-среза или 163°Y-среза, обеспечивающих эффективное возбуждение сдвиговых акустических волн, а возбуждаемая пьезопреобразователем в светозвукопроводе акустическая волна является чистой сдвиговой или квазисдвиговой модой или 36°Y-среза, обеспечивающего эффективное возбуждение продольных акустических волн в светозвукопроводе, а возбуждаемая пьезопреобразователем в светозвукопроводе акустическая волна является чистой продольной или квазипродольной модой.
В частном случае также для уменьшения управляющей ВЧ-мощности пьезопреобразователь и пьезопоглотитель могут быть присоединены к светозвукопроводу по оригинальной вакуумной технологии с образованием двойных сплавов (патент RU 2461097 С1, опубл. 10.02.2019). Пьезопреобразователь и пьезопоглотитель также могут быть присоединены к светозвукопроводу склейкой, методом атомной диффузионной сварки одноименных металлов (Т. Shimatsu, М. Uomoto, Atomic diffusion bonding of wafers with thin nanocrystalline metal films // J. Vac. Sci. Technol. В. - 2010. - V. 28 - P. 706), или методом прямой сварки (K. Eda et al. Direct Bonding of Piezoelectric Materials and Its Applications // Proc. 2000 IEEE Ultrasonics Symposium. – 2000. - P. 299), обеспечивающими акустический контакт соединяемых поверхностей. Идентичность технологии присоединения пьезопреобразователя и пьезопоглотителя обеспечивает идентичность акустических свойств соединительных слоев.
Изобретение поясняется чертежом, где приведено схематическое изображение акустооптического лазерного затвора на основе кристалла группы калий-редкоземельного вольфрамата KRE(WO4)2.
На фигуре обозначены: светозвукопровод 1; первая акустическая грань 2; вторая акустическая грань 3; пьезопреобразователь 4; пьезопоглотитель 5; входная оптическая грань 6 с антиотражающим покрытием; выходная оптическая грань 7 с антиотражающим покрытием; входной лазерный пучок 8; направление 9 поляризации лазерного пучка; нулевой порядок 10 дифракции; минус первый порядок 11 дифракции; первая электрическая согласующая система 12 пьезопреобразователя; вторая электрическая согласующая система 13 пьезопоглотителя; управляющий ВЧ-сигнал 14; коаксиальный кабель 15; электрическая нагрузка 16; теплоотвод 17; волновой вектор 18 акустической волны; вектор 19 потока энергии акустической волны; собственные диэлектрические оси 20, 21 и 22 кристаллов Np, Nm и Ng соответственно
Изобретение реализуется следующим образом.
АО-затвор состоит из светозвукопровода 1, изготовленного из монокристалла группы KRE(WO4)2 с высоким АО качеством М2, имеющего две параллельные акустические грани 2 и 3 с присоединенными к ним пьезопреобразователем 4 и пьезопоглотителем 5. Грани 2 и 3 параллельны собственной диэлектрической оси 20 кристалла светозвукопровода 1 и нормаль к ним составляет угол от 0 до минус 40 градусов с собственной диэлектрической осью 21 монокристалла, что позволяет реализовать максимум акустооптического качества. Входная оптическая грань 6 и выходная оптическая грань 7 ортогональны собственной диэлектрической оси 20 кристалла и имеют антиотражающие покрытия. Пьезопреобразователь 4 на основе сдвиговой пластинки ниобата лития возбуждает в светозвукопроводе 1 квазисдвиговую акустическую волну с волновым вектором 18, поляризованную ортогонально собственной диэлектрической оси 20 кристалла, которая падает на пьезопоглотитель 5, причем вследствие акустической анизотропии вектор 19 потока акустической энергии не совпадает с волновым вектором 18. Пьезопоглотитель 5 на основе сдвиговой пластинки ниобата лития расположен на грани 3 светозвукопровода 1, в области проекции пьезопреобразователя 4 вдоль вектора 19 и имеет одинаковые с ним геометрические размеры, что обеспечивает режим согласования диаграмм направленности пьезопреобразователя 4 и поглотителя 5 и максимальную эффективность преобразования упругой волны в электрические колебания. Входной лазерный пучок 8 имеет вертикальную линейную поляризацию 9, параллельную собственной диэлектрической оси 22 светозвукопровода 1. Пучок нулевого порядка 10 дифракции является рабочим лазерным пучком; пучок минус первого порядка 11 отклоняется и не используется. Управляющий ВЧ-сигнал 14 от драйвера поступает на электрическую согласующую систему 12 пьезопреобразователя 4, необходимую для электрического согласования комплексного импеданса пьезопреобразователя 4 в рабочем диапазоне частот лазерного затвора с выходным сопротивлением драйвера. Электрический ВЧ-сигнал от пьезопоглотителя 5 поступает на электрическую согласующую систему 13 для электрического согласования комплексного импеданса пьезопоглотителя в рабочем диапазоне частот затвора с электрической нагрузкой 16, имеющей активное сопротивление 50 Ом и присоединенной к согласующей системе 13 коаксиальным ВЧ-кабелем 15 с волновым сопротивление 50 Ом. Энергия бегущей акустической волны в пьезопоглотителе 5 преобразуется в ВЧ-электрическую энергию и по ВЧ-кабелю 15 передается в электрическую нагрузку 16, в которой происходит диссипация ВЧ-энергии и которая установлена на теплоотводе 17, удаленном из резонатора лазера в конструктивно приемлемое место лазерной системы.
Тем самым достигается технический результат изобретения: часть тепловой энергии акустооптического затвора с пониженной управляющей ВЧ-мощностью выводится в зону, расположенную вне резонатора лазера, вследствие чего понижается температура затвора, повышается термостабильность резонатора и реализуется возможность работать в среднем ИК диапазоне 3-5 мкм.
В других АО-материалах, например в парателлурите или кристаллическом кварце используются иные, чем в кристаллах группы KRE(WO4)2, ориентации светозвукопровода относительно кристаллографических осей. Например, в АО-модуляторах и затворах на основе парателлурита используется чистая сдвиговая акустическая волна, распространяющаяся вдоль оси [001] с параллельными векторами 18 и 19, а лазерный пучок распространяется вдоль оси [100] или вдоль оси [110]. В плавленом кварце, являющимся изотропным материалом, любая поляризация света является собственной, но максимальное акустооптическое качество достигается для продольной акустической волны при поляризации пучка, параллельной вектору акустического смещения.
Моноклинные кристаллы группы KRE(WO4)2 обладают высоким АО-качеством M2 для изотропной дифракции, максимальные значения которого в оптимальных направлениях близки по величине к акустооптическому качеству парателлурита для продольной волны, распространяющейся вдоль оси Z, и более чем на порядок, превосходящим АО-качество кристаллического и плавленого кварца. При этом лазерная стойкость монокристаллов группы KRE(WO4)2 значительно выше, чем в парателлурите. Совокупность этих двух факторов позволяет создавать на основе этих монокристаллов внутрирезонаторные затворы для мощных импульсных лазеров с существенно сниженными по сравнению с кварцем потребляемой мощностью и температурой затвора.
1. Акустооптический затвор, состоящий из размещенного в лазерном резонаторе и изготовленного из акустооптического материала светозвукопровода, имеющего входную и выходную оптические грани с антиотражающими покрытиями и параллельные друг другу первую и вторую акустические грани, к которым идентичной технологией присоединены соответственно пьезопреобразователь и пьезопоглотитель, выполненные в виде пластин монокристаллов на основе ниобата лития и имеющие идентичные линейные размеры, толщину и ориентацию, а также из первой электрической согласующей системы, вход которой соединен с выходным сопротивлением драйвера, а выход - со входом пьезопреобразователя, и из второй электрической согласующей системы, вход которой соединен с выходом пьезопоглотителя, а выход посредством коаксиального ВЧ-кабеля соединен со входом электрической нагрузки, удаленной из резонатора и установленной на теплоотводе.
2. Акустооптический затвор по п. 1, в котором светозвукопровод выполнен из монокристалла калий-гадолиниевого вольфрамата KGd(WO4)2, или кристалла калий-иттриевого вольфрамата KY(WO4)2, или кристалла калий-лютециевого вольфрамата KLu(WO4)2, или кристалла калий-иттербиевого вольфрамата KYb(WO4)2.
3. Акустооптический затвор по п. 1, в котором светозвукопровод выполнен из монокристалла парателлурита ТеО2.
4. Акустооптический затвор по п. 1, в котором светозвукопровод выполнен из монокристалла кварца α-SiO2.
5. Акустооптический затвор по п. 1, в котором светозвукопровод выполнен из аморфного плавленого кварца SiO2.
6. Акустооптический затвор по п. 1, в котором пьезопреобразователь и пьезопоглотитель присоединены к светозвукопроводу путем склейки или прямой сварки диэлектриков или вакуумной диффузионной сварки с образованием двойных сплавов или атомной диффузионной сварки одноименных металлов.
