Моноимпульсный параметрический лазер

 

МОНОИМПУЛЬСНЫЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР, содержащий резонатор с расположенным внутри него нелинейным кристаллом, лазер накачки и зеркало, отличающийся тем, что, с целью повышения квантового коэффициента преобразования при сохранении высокой степени когерентности выходного излучения, в него дополнительно введен отражательный элемент установленный по лучу накачки после нелинейного кристалла на расстоянии, по крайней мере на порядок меньшем пространственной длины моноимпульса накачки и оптически связанный по лучу накачки с зеркалом, расположенным по другую сторону нелинейного кристалла, на расстоянии от центра кристалла, равном половине пространственной длины моноимпульса накачки.

2. Моноимпульсный параметрический лазер по п.1, отличающийся тем, что в него введен усилитель, установленный между нелинейным кристаллом и зеркалом по лучу накачки.

3. Моноимпульсный параметрический лазер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что зеркало выполнено в виде схемы обращения волнового фронта, при этом между лазером накачки и нелинейным кристаллом установлена оптическая развязка. Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к моноимпульсным параметрическим лазерам с плавной перестройкой частоты, которые представляют интерес в технике освоения видимого и инфракрасного диапазонов и могут быть использованы в различных областях оптики, спектроскопии и фотохимии. Известен моноимпульсный параметрический лазер, содержащий резонатор с расположенным внутри него нелинейным кристаллом и лазер накачки. В этой конструкции лазера увеличение квантового коэффициента преобразования достигается за счет увеличения мощности излучения накачки. Однако при увеличении мощности излучения накачки происходит уменьшение времени развития генерации τ_o (время от момента выполнения условий самовозбуждения t_порог до t_н начала нелинейного режима), что приводит к ухудшению когерентности выходного излучения. Это связано с тем, что в течение времени развития генерации τ_o формируются угловой и частотный спектры выходного излучения ла- зера, и их ширина пропорциональна где Т время пробега импульса по резонатору лазера. Более высоким квантовым коэффициентом преобразования обладает моноимпульсный параметрический лазер, содержащий резонатор с расположенным внутри него нелинейным кристаллом, лазер накачки и зеркало. Зеркало установлено перпендикулярно падающему на него лучу накачки вблизи нелинейного кристалла на расстоянии, много меньшем пространственной длины τ_и С импульса накачки, где τ_и длительность импульса накачки, С скорость света. Этот лазер, наиболее близкий к предлагаемому по конструктивным признакам, выбран в качестве прототипа. Повышение квантового коэффициента преобразования в нем происходит благодаря увеличению эффективности преобразования за счет того, что взаимодействие резонансного излучения с накачкой происходит как при прямом, так и при обратном прохождении моноимпульса накачки через нелинейный кристалл. Недостатком этого лазера, как и вышеуказанного, является то, что увеличение квантового коэффициента преобразования в нем сопровождается уменьшением времени развития параметрической генерации, что приводит к ухудшению когерентности выходного излучения. К числу основных недостатков этого лазера, как и других моноимпульсных параметрических лазеров, относится то, что значительная часть энергии моноимпульса накачки не преобразуется в резонансное излучение. Это связано с тем, что время развития параметрической генерации τ_o в нем сравнимо с длительностью моноимпульса накачки τ_и в результате чего нелинейный режим генерации, в течение которого происходит эффективный энергообмен между излучением накачки и резонансным излучением, продолжается в течение небольшой части длительности моноимпульса накачки. Кроме того, вследствие плавной зависимости от времени мощности импульсов излучения лазеров, используемых в качестве источников накачки, мгновенное значение квантового коэффициента преобразования меньше максимального в течение большей части длительности моноимпульса накачки. Все это обуславливает сравнительно низкий (порядка 15-20%) квантовый коэффициент преобразования лазера. Целью предлагаемого изобретения является повышение квантового коэффициента преобразования при сохранении высокой степени когерентности выходного излучения. Поставленная цель достигается тем, что в моноимпульсный параметрический лазер, содержащий резонатор с расположенным внутри него нелинейным кристаллом, лазер накачки и зеркало, дополнительно введен отражательный элемент, установленный по лучу накачки после нелинейного кристалла на расстоянии, по крайней мере на порядок меньшем пространственной длины моноимпульса накачки и оптически связанный по лучу накачки с зеркалом, расположенным по другую сторону нелинейного кристалла, на расстоянии от центра кристалла, равном половине пространственной длины моноимпульса накачки. Целесообразно по лучу накачки между нелинейным кристаллом и зеркалом ввести усилитель. Зеркало может быть выполнено в виде схемы обращения волнового фронта, при этом между лазером накачки и нелинейным кристаллом необходимо установить оптическую развязку. На фиг. 1 представлена схема одного из возможных вариантов описываемого лазера; на фиг. 2 зависимость мощности W импульса накачки от времени t в лазере (фиг.2а лазер без усилителя; фиг.2б лазер с усилителем; фиг.2в известный лазер-прототип). Лазер содержит резонатор, образованный зеркалами 1 и 2. Зеркало 1 является отражающим для генерируемого излучения, а зеркало 2 (выходное) полупрозрачным. В резонаторе расположен нелинейный кристалл 3. По разные стороны от кристалла 3 установлены отражательный элемент 4 и зеркало 5. Между кристаллом 3 и зеркалом 5 расположен усилитель 6 излучения накачки. Отражательный элемент 4 выполнен так, что при отражении от него луч накачки меняет направление распространения на угол α ≅ α_кс, где α_кс угол раствора конуса синхронизма по накачке. В частном случае элемент 4 может быть выполнен в виде трехгранной призмы, у которой угол, образованный отражающими гранями, отличен от 90^о на величину, однозначно связанную с углом α Призма установлена вблизи кристалла 3 на расстоянии, много меньшем пространственной длины τ_и С моноимпульса накачки (где τ_и длительность моноимпульса накачки, С скорость света) и ориентирована так, что луч при падении на призму и отражении от нее распространяется по образующим конуса синхронизма по накачке. Для автоматической настройки луча накачки при отражении от зеркала 5 в качестве последнего использована схема обращения волнового фронта (ОВФ), например, на основе вынужденного рассеяния Мандельштамма-Бриллюэна, которая позволяет также в случае применения усилителя 6 компенсировать влияние неоднородностей усилителя. Зеркало 5 удалено от центра кристалла 3 на такое расстояние, что оптический путь l луча накачки от центра кристалла до него равен половине пространственной длины импульса накачки. Накачка осуществляется лазером накачки 7, например неодимовым лазером, работающим в режиме модуляции добротности. Режим работы лазера 7 устанавливается таким, что τ_o ≈ τ_и где τ_o время развития параметрической генерации. Для предотвращения попадания мощного излучения накачки при использовании схемы ОВФ обратно в лазер накачки между ним и нелинейным кристаллом 3 установлена оптическая развязка 8, например ячейка Фарадея. Плавная перестройка частоты лазера в оптическом диапазоне выполняется путем поворота кристалла 3 вокруг оси, проходящей через центр кристалла 3 перпендикулярно плоскости чертежа. Лазер работает следующим образом. Лазер накачки 7 излучает моноимпульс длительностью τ_и. Передний фронт этого импульса по образующей конуса синхронизма проходит через нелинейный кристалл 3, затем отражается от призмы и вновь проходит через кристалл 3 по другой образующей конуса синхронизма. При этом в резонаторе параметрического лазера возбуждается резонансное излучение. Поскольку длительность импульса накачки τ_и >> Т (Т время пробега импульса резонансного излучения по резонатору лазера), а время τ_o развития генерации практически равно τ_и то угловой и частотный спектры резонансного излучения успевают сформироваться до минимально возможного значения в течение времени τ_и, предшествующего началу нелинейного режима. Прошедшая через нелинейный кристалл 3 часть импульса накачки усиливается в усилителе 6 и попадает на зеркало 5 ОВФ, которое отражает падающее на него излучение накачки и направляет его через усилитель 6 опять в кристалл 3. Поскольку оптический путь луча накачки от центра нелинейного кристалла 3 до зеркала 5 и обратно равен пространственной длине τ_и С импульса накачки (2l τ_и C), то передний фронт усиленного импульса накачки попадает в кристалл 3 одновременно с приходом заднего, еще не усиленного фронта того же моноимпульса. К этому же моменту времени вследствие того, что τ_o ≈ τ_и заканчивается первый этап развития генерации от момента t_порог выполнения условий самовозбуждения до t_н начала нелинейного режима. В течение этого этапа формируются угловой и частотный спектры резонансного излучения. Интенсивность резонансного излучения становится достаточной для того, чтобы начался второй этап развития генерации нелинейный режим, для которого характерен эффективный энергообмен между накачкой и резонансным излучением. Даже без применения усилителя 6 нелинейный режим в предлагаемом лазере продолжается в течение всей длительности τ_и моноимпульса накачки, поскольку к началу нелинейного режима генерации на кристалл 3 поступает отраженный зеркалом 5 передний фронт того же моноимпульса, который вызвал генерацию, и нелинейный режим продолжается до тех пор, пока отраженный от зеркала 5 моноимпульс накачки полностью не пройдет через кристалл 3. В течение этого времени происходит преобразование практически всей энергии импульса накачки (заштрихованная часть импульса накачки на фиг.2а) в энергию резонансного излучения, что и обеспечивает получение высокого квантового коэффициента преобразования (в то время как в известном лазере (прототипе) в энергию резонансного излучения преобразуется лишь незначительная часть энергии импульса накачки заштрихованная часть импульса на фиг.2в). При использовании усилителя 6 происходит усиление отраженного зеркалом 5 импульса накачки, что обуславливает более эффективное преобразование энергии усиленного импульса накачки (заштрихованная часть импульса накачки на фиг. 2б) в энергию резонансного излучения и, следовательно, большее увеличение квантового коэффициента преобразования. В течение нелинейного режима когерентность резонансного излучения сохраняется высокой, т.к. она определяется в основном временем развития генерации τ_o, которое в заявляемой схеме лазера практически равно длительности τ_и импульса накачки, т. е. увеличение квантового коэффициента преобразования не приводит к уменьшению времени развития генерации. Таким образом, предлагаемая схема моноимпульсного параметрического лазера позволяет получить высокий квантовый коэффициент преобразования при сохранении высокой степени когерентности выходного излучения.

Формула изобретения

1. МОНОИМПУЛЬСНЫЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР, содержащий резонатор с расположенным внутри него нелинейным кристаллом, лазер накачки и зеркало, отличающийся тем, что, с целью повышения квантового коэффициента преобразования при сохранении высокой степени когерентности выходного излучения, в него дополнительно введен отражательный элемент установленный по лучу накачки после нелинейного кристалла на расстоянии, по крайней мере на порядок меньшем пространственной длины моноимпульса накачки и оптически связанный по лучу накачки с зеркалом, расположенным по другую сторону нелинейного кристалла, на расстоянии от центра кристалла, равном половине пространственной длины моноимпульса накачки. 2. Моноимпульсный параметрический лазер по п.1, отличающийся тем, что в него введен усилитель, установленный между нелинейным кристаллом и зеркалом по лучу накачки. 3. Моноимпульсный параметрический лазер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что зеркало выполнено в виде схемы обращения волнового фронта, при этом между лазером накачки и нелинейным кристаллом установлена оптическая развязка.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2