лазерное генерационное устройство одномодового излучения

Формула изобретения

ЛАЗЕРНОЕ ГЕНЕРАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ОДНОМОДОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащее один или более активных элементов и пассивный лазерный затвор на кристалле LiF:F^-₂, расположенные в линейном трехзеркальном неустойчивом резонаторе, отличающееся тем, что пассивный лазерный затвор расположен между глухим и концевым зеркалами резонатора, а активные элементы расположены последовательно по ходу светового пучка между концевым и выходным пропускающими зеркалами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к неодимсодержащим твердотельным технологическим лазерам с пассивной модуляцией добротности резонатора, и может быть использовано для получения одномодового импульсно-периодического режима генерации с высокой пространственной яркостью излучения, обладающего большой длиной когерентности и малой расходимостью.

Известен трехкаскадный усилитель одномодового излучения ИАГ Nd-лазера, задающий генератор которого состоит из активного элемента (АЭ) и пассивного лазерного затвора (ПЛЗ) на кристалле LiF F₂^-, расположенных в линейном неустойчивом резонаторе между глухим и пропускающим выходным зеркалами [1] Реализация одномодового режима генерации с гауссовым профилем распределения интенсивности достигается тем, что радиус кривизны глухого зеркала и его расположение в резонаторе выбраны из условия соответствия диаметра пятна нулевой моды и диаметра активного элемента.

Недостатками данного устройства являются ограничение мощности выходного излучения и его пространственной яркости вследствие низкой эффективности модуляции ПЛЗ.

Известно также лазерное генерационное устройство одномодового излучения [2] в котором установлены дополнительные пропускающие зеркала после конечного каскада усилителя и между промежуточными каскадами. При этом задающий генератор состоит из последовательно расположенных выпуклого глухого зеркала, АЭ, ПЛЗ на кристалле LiF F₂^- и плоского выходного зеркала. Связанный с задающим генератором резонатор образован выходным зеркалом задающего генератора и выпуклым полупрозрачным зеркалом, между которыми последовательно установлены три квантрона.

Недостатком этого устройства является малый ресурс работы ПЛЗ при высокой мощности накачки активных элементов, что обусловлено чрезмерными оптическими и тепловыми нагрузками на ПЛЗ.

Другой недостаток состоит в невозможности использования данного устройства при импульсно-периодической накачке АЭ с высокой средней мощностью излучения. Этот недостаток обусловлен ограниченной тепловой и оптической стойкостью ПЛЗ с высокой средней мощностью излучения. Этот недостаток обусловлен ограниченной тепловой и оптической стойкостью ПЛЗ на кристалле LiF F₂^-.

Техническая задача изобретения увеличение мощности одномодового модулированного излучения и ресурса работы ПЛЗ на кристалле LiF F₂^-как при непреpывной, так и импульсно-периодической накачке АЭ.

Техническая задача достигается тем, что пассивный лазерный затвор на кристалле LiF F₂^- расположен между глухим и концевым зеркалами, а активные элементы расположены последовательно по ходу светового пучка между концевым и выходным пропускающими зеркалами.

Отличие предлагаемого устройства от прототипа является то, что ПЛЗ расположен не между АЭ и выходным зеркалом задающего генератора, а между глухим и концевым зеркалами, при этом активные элементы расположены последовательно по ходу светового пучка между концевым и выходным пропускающими зеркалами.

Предлагаемое лазерное устройство одномодового излучения может быть изготовлено на базе серийно выпускаемых технологических твердотельных лазеров с непрерывной накачкой типа ЛТН-103, ЛТН-120 или лазеров типа ЛИТ-100, ЛИТ-500, ЛТИ-130 с импульсно-периодической накачкой.

Основные преимущества предлагаемого устройства по сравнению с прототипом наиболее отчетливо проявляются при использовании импульсно-периодической накачки с высокими пиковой и средней мощностями.

Например, при использовании в предлагаемом устройстве двух квантронов типа К301В с АЭ из ИАГ Nd размером 6,3х100 мм, криптоновых ламп накачки ДНП-6/90, блока питания от лазера ЛТИ-130, позволяющего изменять частоту накачки от 1 до 30 Гц, генерируются цуги импульсов, следующие с частотой накачки. Цуги состоят из эквидистантных импульсов, длительность которых и частоту следования можно изменять в широких пределах путем изменения начального пропускания ПЛЗ, коэффициента отражения пропускающих зеркал и мощности накачки.

Так, при начальном пропускании ПЛЗ Т_о 40% частоте накачки f_н 30 Гц, мощности накачки Р_н 5 кВт, пропускании концевого и выходного зеркал ₁ 20% ₂ 47% средняя мощность лазерного излучения составила Р_с 53 Вт, энергия цуга W_ц 1,8 Дж, длительность цуга t_ц 200 мкс, число импульсов в цуге N 143, средняя энергия импульса W_и 12 мДж, длительность t_и 50 нс, период их следования Т_и 1,4 мкс, максимальная пиковая мощность излучения достигала Р_п 250 кВт. Среднюю мощность лазерного излучения измеряли с помощью калориметрического прибора ТПИ-2М и цифрового вольтметра Ф-283 с погрешностью 5% Импульсы излучения регистрировали с помощью лавинного фотодиода ЛФД-2А на запоминающем осциллографе С8-14. Длина когерентности модулированного лазерного излучения, измеренная с помощью интерферометра Майкельсона, составила 14 см, что соответствует ширине спектра генерации 7 пм. Расходимость лазерного излучения по уровню 0,5 составила 1 мрад, т.е. в 15 раз меньше, чем у базового лазера ЛТИ-130.

Применение предлагаемого устройства позволяет в 1,5-2 раза увеличить среднюю и пиковую мощности лазерного излучения и в 2-3 раза ресурс работы ПЛЗ по сравнению с прототипом при одинаковом числе используемых квантронов. Это обусловлено тем, что в предлагаемом устройстве, в отличие от прототипа, через ПЛЗ проходит незначительная часть лазерного излучения, необходимая только для его периодического самопросветления, что сопровождается малыми потерями энергии в первом плече резонатора с ПЛЗ. В то же время в другом плече резонатора, где расположены активные элементы, развивается высокая мощность генерации, что определяет более высокий КПД лазера.

Одномодовый режим генерации в предлагаемом устройстве обеспечивается за счет неустойчивого линейного резонатора с выпуклым концевым и выходным пропускающими зеркалами, что позволяет выделить основную поперечную моду и уменьшить расходимость лазерного излучения. Использование дополнительного пропускающего концевого зеркала в резонаторе лазера позволяет проводить эффективную селекцию продольных мод, что сопровождается увеличением длины когерентности лазерного излучения в 1,5 и более раз по сравнению с пpототипом.

На чертеже приведена оптическая схема предлагаемого лазерного генерационного устройства одномодового излучения.

Устройство содержит закрепленные неподвижно на основании по ходу светового пучка глухое зеркало 1, пассивный лазерный затвор 2 на кристалле LiF F₂^-, пропускающее концевое зеркало 3, активные элементы 4 и 5, выходное пропускающее зеркало 6.

Устройство работает следующим образом.

Лазерное излучение, возникающее при оптической накачке активных элементов 4, 5 лампами накачки, частично проходит через пропускающее концевое зеркало 3, ПЛЗ 2 и отражается от глухого зеркала 1. Вследствие периодического самопросветления кристалла LiF F₂^- возникает затpавочный импульс излучения, длительность которого определяется временем релаксации возбужденного состояния рабочих F₂^- центров. Этот импульс проходит через пропускающее зеркало 3 и активные элементы 4, 5, усиливаясь после многократного отражения между зеркалами 3 и 6. Возникающее таким образом мощное модулированное лазерное излучение выводится через пропускающее выходное зеркало 6.

Выделение основной поперечной моды осуществляется путем перемещения зеркал 3 и 6 вдоль оптической оси резонатора так, чтобы диаметр пятна нулевой моды равнялся диаметру активного элемента, что обуславливает лучшее заполнение активных элементов и, как результат, большой энергосъем и КПД лазера. При этом на люминесцентном экране, расположенном на выходе лазерного устройства, наблюдают с помощью объектива одномодовую структуру излучения с гауссовым профилем распределения интенсивности.