импульсный твердотельный лазер

Формула изобретения

Импульсный твердотельный лазер, содержащий два глухих зеркала, четвертьволновую фазовую пластинку, осветитель с активным элементом цилиндрической формы, лампой накачки и отражателем, поляризатор и электрооптический элемент, отличающийся тем, что между зеркалом и электрооптическим элементом введены второй идентичный электрооптический элемент и 90-градусный вращатель плоскости поляризации излучения, причем оптическая ось введенного электрооптического элемента образует с осью резонатора угол в пределах первого кольца коноскопической картины в плоскости, составляющей угол 45^o с плоскостью пропускания поляризатора, а осветитель расположен так, что плоскость сечения, проходящая через ось активного элемента, в которой усредненное по диаметру и длине элемента значение коэффициента усиления максимально, совпадает с плоскостью пропускания поляризатора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к импульсным твердотельным лазерам электрооптической модуляцией добротноти резонатора и может быть использовано для получения мощных импульсов излучения частотами повторения импульсов излучения с частотами повторения импульсов сотни герц в наносекундном диапазоне длительностей импульсов для целей нелинейной оптики, оптической локации, батиметрии и т.д.

При частотах повторения импульсов сотни герц наведенное излучением лампы накачки двулучепреломление в электрооптическом элементе приводят к появлению дополнительных потерь резонатора, неоднородных по его поперечному сечению. При этом КПД лазера снижается, а распределение плотности энергии моноимпульсов излучения в сечении луча становится неоднородным, что выражается в крестообразной форме пространственной структуры излучения.

Известен импульсный лазер на алюмоиттриевом гранате с неодимом (АИГ:Nd) с управляемым электрооптическим зеркалом, в котором обеспечивается взаимная компенсация термооптических эффектов в активном и электрооптических элементах при частоте повторения импульсов 300 Гц [1] В известном лазере при необходимости увеличить (уменьшить) частоту повторения импульсов с одновременным уменьшением (увеличением) энергии импульсов накачки (в соответствии с ограничением по средней мощности на импульсную лампу накачки), приходится подстраивать амплитуду импульсов управляющего напряжения на электродах электрооптического элемента.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является импульсный твердотельный лазер, содержащий два глухих зеркала, четвертьволновую фазовую пластинку, осветитель с активным элементом цилиндрической формы, лампой накачки и отражателем, поляризатор и электрооптический элемент [2]

В данном импульсном твердотельном лазере с поляризационным выводом излучения из резонатора оптическая ось электрооптического элемента совпадает с осью резонатора, а одна из главных осей четвертьволновой фазовой пластинки ориентирована под углом к плоскости пропускания поляризатора. Однако наведенное в активном элементе двулучепреломление приводит к неоднородности коэффициента отражения "поляризационного" выходного зеркала, а наведенное двулучепреломление в электрооптическом элементе приводит к снижению контрастности электрооптического затвора. Вследствие этого пространственная структура моноимпульсного излучения становится более неоднородной и КПД лазера снижается, что особенно сказывается при больших частотах; при более высоких энергиях импульсов накачки приходится применять полуволновой электрооптический затвор с повышенной амплитудой импульса управляющего напряжения U/2 [2]

Техническая задача изобретения расширение рабочего диапазона частот повторения импульсов излучения лазера, улучшение однородности пространственной структуры излучения, повышение КПД лазера и снижение амплитуды импульсов управляющего напряжения на электрооптическом затворе.

Задача решается с помощью импульсного твердотельного лазера, в котором между зеркалом и электрооптическим элементом введены второй идентичный электрооптический элемент и 90-градусный вращатель плоскости поляризации излучения, причем оптическая ось введенного второго элемента образует с осью резонатора угол в пределах первого кольца коноскопической картины в плоскости, составляющей угол 45^o с плоскостью пропускания поляризатора, а осветитель расположен так, что плоскость сечения, проходящая через ось активного элемента, в которой усредненное по диаметру и длине элемента значение коэффициента усиления максимально, совпадает с плоскостью пропускания поляризатора.

Существенным отличием предлагаемого устройства является использование составного электрооптического затвора, состоящего из зеркала, двух идентичных электрооптических элементов с 90-градусным вращателем плоскости поляризации между ними и поляризатора, причем "запирание" резонатора осуществляется разъюстировкой оптической оси одного из элементов относительно оси резонатора на небольшой угол в определенном направлении, что позволяет работать без подачи постоянного напряжения смещения. Другим отличием является фиксированная ориентация осветителя относительно плоскости пропускания поляризатора. Необходимо отметить, что только вся совокупность указанных признаков позволила решить поставленную техническую задачу.

На чертеже представлена схема предлагаемого импульсного твердотельного лазере.

Резонатор образован двумя глухими зеркалами 1 и 2. Вывод излучения из резонатора осуществляется с помощью поляризатора 3 (пластина с диэлектрическим покрытием). Между активным элементом цилиндрической формы 4 из АИГ:Nd и зеркалом 1 установлена четвертьволновая фазовая пластина 5 из кристаллического кварца. Между поляризатором 3 и зеркалом 2 установлены идентичные электрооптические элементы 6, 7 с 90-градусным вращателем плоскости поляризации излучения из оптически активного кристаллического кварца 8. Активный элемент 4 помещен в осветитель, содержащий лампу накачки 9 и цилиндрический зеркальный отражатель 10.

Активный элемент 4 из АИГ:Nd, вырезанный вдоль направления 091, ориентирован так, что кристаллографические оси Х и Y составляют углы 45^o относительно плоскости пропускания поляризатора 3. Во время импульса накачки в активном элементе создается инверсная населенность.

Коэффициент усиления К, усредненный по длине активного элемента, пропорционален величине инверсной населенности. Коэффициент К достигает своего максимального значения в момент , причем его распределение по сечению элемента неоднородно и может быть описано средним по диаметру сечения коэффициентом усиления в любой плоскости, проходящей через ось активного элемента. В конкретном случае использования зеркального отражателя коэффициент достигает своего наибольшего значения в плоскости, перпендикулярной плоскости, проходящей через оси лампы и активного элемента. Осветитель ориентирован так, что указанная плоскость наибольшего значения совпадает с плоскостью пропускания поляризатора. Четвертьволновая фазовая пластинка 5 также как и в прототипе ориентирована так, что одна из ее главных осей составляет угол с плоскостью пропускания поляризатора.

Коэффициент отражения эквивалентного "поляризационного" зеркала в двух ортогональных плоскостях, одна из которых совпадает с плоскостью пропускания поляризатора равен

R = cos²2 (1)

Угол g установлен экспериментально, по максимуму энергии импульса излучения при максимальном значении энергии импульса накачки в режиме свободной генерации.

Коэффициент отражения R в двух ортогональных плоскостях, составляющих угол 45^o с плоскостью пропускания поляризатора, с учетом наведенного в активном элементе двулучепреломления равен

R = R+(I-R)sin²(2Gr^-₀²r²), (2)

где G коэффициент, пропорциональный средней мощности накачки (для выбранной ориентации активного элемента коэффициента G минимален); r₀ - радиус активного элемента; r радиальная координата.

Оптическая ось электрооптического элемента 6 из кристалла ДКДР совпадает с осью резонатора. Оптическая ось электрооптического элемента 7 разъюстирована на угол 1 2^o (в пределах первого кольца коноскопической картины) относительно оси резонатора в плоскости, составляющей угол 45^oC с плоскостью пропускания поляризатора.

Угол q определяет уровень начальных потерь резонатора и установлен экспериментально по "запиранию" резонатора при максимальном значении энергии импульса накачки.

Электроды электрооптических элементов соединены параллельно, причем фазировка обеспечивает взаимоортогональную ориентацию главных осей эквивалентных фазовых пластинок, возникающих в элементах при подаче напряжения.

Предлагаемый лазер работает следующим образом.

В импульсно-периодическом режиме в начале каждого импульса накачки осуществляется накопление инверсной населенности в активном элементе. По достижении максимума коэффициента усиления во времени на электроды электрооптических элементов подается импульс напряжения с амплитудой , где U/4 четвертьволновое напряжение.

При этом в электрооптических элементах создаются эквивалентные фазовые пластинки с одинаковой разностью фаз и ортогональной ориентацией "быстрых" осей, составляющих углы 45^o с плоскостью пропускания поляризатора.

Так как между элементами находится 90-градусный вращатель плоскости поляризации, фазовые пластинки взаимно компенсируются и составной электрооптический затвор оказывается полностью открытым, что приводит к генерации мощного моноимпульса излучения.

Точное значение U₀ выбрано по максимуму энергии моноимпульсов излучения и не зависит от частоты повторения импульсов.

Роль 90-градусного вращателя заключается также во взаимной компенсации наведенных в электрооптических элементах лазерным излучением эквивалентных фазовых пластинок, расположенных вне крестообразной зоны в поперечном сечении луча и ориентированных под углом 45^o к плоскости пропускания поляризатора. В результате устраняются дополнительные неоднородные по сечению потери резонатора, что приводит к увеличению КПД лазера и повышению однородности пространственной структуры излучения.

Указанная ориентация осветителя обеспечивает совмещение области максимального усиления в поперечном сечении активного элемента с областью, в которой деполяризация излучения активным элементом отсутствует. Более того, указанная ориентация кристаллографических осей Х и Y активного элемента и возрастание коэффициента отражения эквивалентного "поляризационного" зеркала в направлениях под углами 45^o к плоскости пропускания поляризатора 2 способствует расширению области генерации и, следовательно, увеличению КПД лазера и повышению однородности пространственной структуры излучения.

Результаты испытаний лазера с активным элементом из АИГ:Nd размером 675 мм и составным электрооптическим затвором на основе элементов из ДКДР подтверждают эффективность предложенного устройства, решение поставленной задачи всей совокупностью признаков, заявленных в формуле изобретения. Частота повторения импульсов изменялась от 170 до 415 Гц. Во всем диапазоне частот выходная средняя мощность моноимпульсов излучения составила 151,5 Вт, а амплитуда импульса управляющего напряжения 3 кВ. Средняя мощность импульсов накачки не превышала 2,1 кВт.

Таким образом, предлагаемый лазер позволяет получать моноимпульсы излучения в широком диапазоне частот повторения с сохранением средней мощности излучения с КПД 0,65 1 причем амплитуда импульса управляющего напряжения значительно снижена и остается неизменной во всем диапазоне частот.