способ неоднородного вывода энергии свободной генерации высших поперечных типов колебаний из лазера и лазер

Формула изобретения

1. Способ неоднородного вывода энергии свободной генерации высших поперечных типов колебаний из лазера, содержащего активный элемент и резонатор, включающий второе плоское зеркало и первое глухое зеркало, заключающийся в том, что для вывода энергии выделяют область, приходящуюся против одного из сегментов поля высшей поперечной моды лазерного излучения и характеризующуюся коэффициентом пропускания энергии, который превышает коэффициенты пропускания энергии в области других сегментов указанного поля, отличающийся тем, что указанную область выделяют путем частичного перекрытия апертуры активного элемента, при этом используют лазер, в котором второе зеркало выполнено глухим, а первое плоским.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что апертуру активного элемента перекрывают на выходе из резонатора лазера путем поперечного смещения края второго глухого плоского зеркала относительно оптической оси резонатора.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что апертуру активного элемента перекрывают путем поперечного смещения полностью поглощающей диафрагмы, которую размещают перпендикулярно оптической оси резонатора ближе ко второму зеркалу.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в качестве второго зеркала используют полированное металлическое зеркало.

5. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в качестве второго зеркала используют полированные пластины из кристаллического полупроводникового материала.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что в качестве кристаллического полупроводникового материала используют германий.

7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что второе зеркало имеет прямоугольную форму.

8. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что второе зеркало имеет кольцеобразную форму.

9. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что второе зеркало имеет круглую форму.

10. Лазер со свободной генерацией высших поперечных типов колебаний, содержащий активный элемент и резонатор, включающий второе плоское зеркало и первое глухое зеркало, при этом для вывода энергии выделена область, приходящаяся против одного из сегментов поля высшей поперечной моды лазерного излучения и характеризующаяся коэффициентом пропускания энергии, который превышает коэффициенты пропускания энергии в области других сегментов указанного поля, отличающийся тем, что указанную область выделяют путем частичного перекрытия апертуры активного элемента, при этом второе зеркало выполнено глухим, а первое плоским.

11. Лазер по п.10, отличающийся тем, что апертура активного элемента перекрыта на выходе из резонатора лазера путем поперечного смещения края второго глухого плоского зеркала относительно оптической оси резонатора.

12. Лазер по п.10, отличающийся тем, что апертура активного элемента перекрыта путем введения в резонатор полностью поглощающей диафрагмы, которая размещена перпендикулярно оптической оси резонатора ближе ко второму зеркалу.

13. Лазер по любому из пп.10-12, отличающийся тем, что второе зеркало выполнено полированным металлическим.

14. Лазер по любому из пп.10-12, отличающийся тем, что второе зеркало выполнено из полированной пластины из кристаллического полупроводникового материала.

15. Лазер по п.14, отличающийся тем, что в качестве кристаллического полупроводникового материала используют германий.

16. Лазер по любому из пп.10-12, отличающийся тем, что второе зеркало имеет прямоугольную форму.

17. Лазер по любому из пп.10-12, отличающийся тем, что второе зеркало имеет кольцеобразную форму.

18. Лазер по любому из пп.10-12, отличающийся тем, что второе зеркало имеет круглую форму.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемый способ относится к многомодовой свободной генерации импульсных твердотельных лазеров, когда наибольшая выходная мощность может быть получена при использовании поперечных типов колебаний высокого порядка, поле которых заполняет весь объем активной среды. Предлагаемый способ может использоваться при создании мощных импульсных твердотельных лазеров с высокой яркостью излучения, работающих в модифицированном пичковом режиме с повышенной выходной пиковой мощностью.

В заявляемом изобретении в качестве прототипа взят способ неоднородного вывода энергии высших поперечных типов колебаний из гелий-неонового лазера с длиной волны излучения =633 нм (Троицкий Ю.В. Неоднородный вывод энергии высших поперечных типов колебаний в газовом оптическом квантовом генераторе // Квантовая электроника, т.1, № 1, 1974, с.124-128). Суть известного способа заключается в том, что на выходе из резонатора лазера для вывода энергии выделяют область, приходящуюся против одного из сегментов поля высшей поперечной моды лазерного излучения и характеризующуюся коэффициентом пропускания энергии, который отличается по величине от коэффициентов пропускания энергии в области других сегментов поля. Трубка лазера имеет активную длину 90 см, диаметр 0,5 см. Резонатор длиной 142 см образован сферическим глухим зеркалом 2/R=2м/ и плоским зеркалом. Для предотвращения конкурирующей инфракрасной генерации в резонатор введен стеклянный светофильтр под углом Брюстера. Перед плоским зеркалом располагается маска из двух перпендикулярных друг к другу проволочек диаметром 12 мкм.

Для осуществления неоднородного вывода энергии высших поперечных типов колебаний из резонатора лазера использовались два вида выходных зеркал.

В первом варианте в качестве зеркала использовалось многослойное диэлектрическое зеркало, имеющее по всей поверхности коэффициент пропускания по энергии Т_мин=0,001 за исключением круглого пятна диаметром 0,45 мм, где Т_макс=0,016. Это зеркало наносилось на высококачественную подложку из плавленого кварца и представляло собой однородное покрытие из 15 слоев криолита и сернистого цинка, поверх которого через маску 0,45 мм было нанесено трехслойное просветляющее покрытие.

Во втором варианте в качестве зеркала было использовано однородное зеркало с коэффициентом пропускания 0,015, за которым на расстоянии 3 мм параллельно ему располагалось еще одно зеркало. Оно было закреплено на пьезокерамическом элементе и имело коэффициент пропускания 0,2. Зеркала образуют интерферометр Фабри-Перо, коэффициент пропускания которого зависит от напряжения на пьезокерамическом элементе и который позволяет плавно менять нагрузку лазера. Между зеркалами введен экран, который может закрывать часть поля моды. Для сегментов поля, закрытых экраном, выводимая из лазера энергия определяется только коэффициентом пропускания /0,015/ зеркала и не зависит от положения зеркала, закрепленного на пьезокерамическом элементе. В то же время коэффициент пропускания сегмента, не закрытого экраном, например сегмента моды ТЕМ_11g, зависит от настройки интерферометра и может регулироваться в больших пределах.

Неоднородный вывод энергии гелий-неонового лазера, работающего в непрерывном режиме, не приводит к уменьшению полной мощности излучения лазера и к каким-либо изменениям распределения интенсивности в пучке, излучаемом через однородное сферическое глухое зеркало. Использование зеркал с неоднородным пропусканием позволяет от лазера, генерирующего моды с большими поперечными индексами, получать высококачественный световой пучок с эквифазным фронтом и плавным распределением амплитуды, практически не отличающийся по свойствам от гауссова пучка низшего порядка. Можно получить также и негауссов пучок заданной формы, например, с однородным распределением интенсивности по сечению.

Недостатком известного способа является то, что он может быть использован в лазерах с небольшим коэффициентом усиления активной среды, у которых эффективный коэффициент отражения зеркал должен быть близок к единице и добротность резонатора достаточно велика, что содействует стабильности поля моды внутри резонатора. Одновременно с этим высокая добротность резонатора облегчает выделение чистой моды необходимого порядка. Это не позволяет распространить данный способ на другие типы лазеров, включая импульсные твердотельные лазеры на неодимовом стекле, рубине, кристалле иттрий-алюминиевого граната (YAG) и т.д., которые имеют большой коэффициент усиления активной среды за один проход. Небольшой коэффициент усиления активной среды также сильно ограничивает диапазон регулирования оптической нагрузки резонатора лазера (диапазон потерь за один проход) и не позволяет, в частности, получать генерацию при отсутствии в определенной части поперечного сечения многомодового лазерного пучка выходного зеркала.

Другим существенным недостатком является то, что гелий-неоновый лазер работает в непрерывном режиме, мощность которого, как правило, не превышает 100 мВт. Это резко ограничивает область применения таких лазеров.

В основу настоящего изобретения положена задача разработать способ неоднородного вывода энергии свободной генерации высших поперечных типов колебаний из лазера, обеспечивающего модифицированный пичковый режим генерации с высокой яркостью излучения и повышенной пиковой мощностью. Основанный на этом способе режим работы лазера является качественно новым и занимает промежуточное положение по пиковой мощности лазерного излучения между "классическим" режимом свободной генерации и режимом с модулированной добротностью. Коэффициент полезного действия остается таким же, как и в случае "классического" режима свободной генерации, и может достигать нескольких процентов при ламповой накачке. При этом конструкция и габариты мощного лазера получаются компактными, допускающими мобильный переносной вариант с общей массой лазерного излучателя ~3 кг и массой автономного источника накачки, поджига и накопительной батареи ~16 кг и ресурсом автономной работы, рассчитанным на тысячи лазерных вспышек. Энергия каждой вспышки ~5-10 Дж. Исключительная простота, надежность, малая чувствительность к разъюстировке, низкая стоимость при серийном производстве характеризуют лазеры данного типа.

Поставленная задача решается тем, что в способе неоднородного вывода энергии свободной генерации высших поперечных типов колебаний из лазера, заключающемся в том, что на выходе из резонатора лазера для вывода энергии выделяют область, приходящуюся против одного из сегментов поля высшей поперечной моды лазерного излучения и характеризующуюся коэффициентом пропускания энергии, который превышает коэффициенты пропускания энергии в области других сегментов указанного поля, согласно изобретению указанную область выделяют путем частичного перекрытия апертуры активного элемента лазера.

Апертуру активного элемента перекрывают, например, путем поперечного смещения края глухого плоского зеркала относительно оптической оси резонатора.

Временная структура излучения при этом зависит в сильной степени от скорости накачки активной среды. В случае "жесткого" режима накачки, когда в разрядной цепи лампы накачки отсутствует дроссель, излучение лазера состоит из одного импульса, фронт которого достаточно короткий ~200 нс, однако спад импульса имеет вид экспоненты и составляет ~10 мкс. В случае "мягкого" режима накачки, когда в разрядной цепи лампы присутствует дроссель, временная структура излучения резко меняется и представляет серию 100-150 импульсов (пичков) с длительностью ~200-300 нс каждый при уровне накачки, десятикратно превышающем пороговый. Полное время излучения составляет при этом 600-700 мкс. Формирование пичковой структуры излучения носит случайный характер с усредненной частотой следования пичков, превышающей 200 кГц. Такой режим назван авторами настоящего изобретения модифицированным пичковым режимом излучения. К преимуществам данного режима относятся: высокая пиковая мощность ~100-500 кВт, большая выходная энергия до 150 Дж/см², малая расходимость излучения, близкая к дифракционной для заданного диаметра выходного пучка, высокий коэффициент полезного действия, высокая средняя частота следования пичков за время излучения.

Апертуру активного элемента перекрывают, например, путем поперечного смещения края полностью поглощающей диафрагмы, которую размещают перпендикулярно оптической оси резонатора ближе к выходному зеркалу.

В этом случае временная структура излучения вывода энергии свободной генерации представляет одиночный импульс длительностью ~50-70 нс. В зависимости от положения края поглощающей диафрагмы по отношению к оптической оси резонатора временная структура излучения меняется и в большинстве случаев представляет собой высококонтрастную пичковую структура из нескольких импульсов генерации с длительностью ~70-100 нс. Общее время излучения составляет ~3-300 мкс. Пиковая мощность излучения зависит от накачки активной среды и достигает нескольких МВт.

В качестве зеркала на выходе из резонатора лазера может быть использовано плоское полированное металлическое зеркало. Временная структура излучения в этом случае определяется нелинейным характером отражения от поверхности металла при высокой пиковой мощности, что приводит к значительному укорочению импульсов в серии вплоть до ~ 100 нс, уменьшению их количества в пачке, увеличению контраста излучения.

В качестве зеркала на выходе из резонатора лазера могут быть использованы также плоские полированные пластины из кристаллических полупроводниковых материалов (например, из германия), непрозрачных в области генерации лазера. В этом случае временная структура излучения определяется нелинейным характером отражения от поверхности полупроводника при высокой пиковой мощности, что приводит к значительному укорочению импульсов в серии вплоть до ~ 50 нс, сокращению их количества в пачке вплоть до режима излучения одиночных импульсов.

Зеркало на выходе из резонатора лазера может иметь либо прямоугольную, либо кольцеобразную, либо круглую форму.

В дальнейшем предлагаемое изобретение поясняется конкретными примерами его выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых:

фиг.1 изображает установку для реализации предлагаемого способа;

фиг.2 - зеркала на выходе из резонатора лазера различной формы;

фиг.3 - схему вывода энергии из резонатора лазера с плоским круглым зеркалом;

фиг.4 - то же, но с плоским квадратным зеркалом;

фиг.5 - то же, но с кольцевым зеркалом.

Предлагаемый способ неоднородного вывода энергии свободной генерации высших поперечных типов колебаний из резонатора твердотельного импульсного лазера осуществляют следующим образом.

На выходе из резонатора лазера для вывода энергии выделяют область, приходящуюся против одного из сегментов поля высшей поперечной моды лазерного излучения и характеризующуюся коэффициентом пропускания энергии, который превышает коэффициенты пропускания энергии в области других сегментов указанного поля. Данную область выделяют путем частичного перекрытия апертуры активного элемента путем поперечного смещения края глухого плоского зеркала на выходе из резонатора лазера относительно оптической оси резонатора или путем поперечного смещения края полностью поглощающей диафрагмы, которую размещают перпендикулярно оси резонатора ближе к глухому плоскому зеркалу.

На фиг.1 представлена лазерная установка с длиной волны излучения 1054 нм, позволяющая реализовать способ неоднородного вывода энергии свободной генерации высших поперечных типов колебаний из резонатора с плоскими глухими зеркалами при работе твердотельного лазера на фосфатном стекле в однократном режиме или в режиме редко повторяющихся импульсов с частотой, не превышающей нескольких Гц. Резонатор лазера (оптическая длина 70-140 см) образован двумя плоскими глухими зеркалами 1 и 2, имеющими по всей поверхности коэффициент пропускания по энергии Т0,002 (для зеркал с диэлектрическим покрытием) и Т=0 (для металлических зеркал и зеркала в виде прямоугольной призмы полного отражения из стекла К-8). В зависимости от варианта вывода энергии из резонатора лазера зеркало 2 на выходе лазера может иметь различную форму: плоского круглого зеркала (фиг.2а) с диаметром, превышающим диаметр активного элемента 3, плоского квадратного зеркала (фиг.2б) со стороной, превышающей диаметр активного элемента 3, плоского кольцевого зеркала (фиг.2в) с диаметром, превышающим диаметр активного элемента 3, имеющего по центру круглое сквозное отверстие, диаметр которого равен или незначительно превосходит диаметр активного элемента 3. Активный элемент 3 выполнен из фосфатного стекла (марки ГЛС-23П, ЛФС5-3.5, КГСС2037) 7×140 мм² или 8×150 мм² с плоскопараллельными торцами, скошенными под углом 5° к нормали. Он накачивается в осветителе с водяным охлаждением двумя импульсными лампами 4 (ИФП-1200). Апертурная диафрагма и какие-либо другие оптические элементы в резонаторе лазера отсутствуют.

Система питания ламп накачки состоит из двух каналов, каждый из которых подключен к одной лампе ИФП-1200. Емкость С конденсаторной батареи в каждом канале равна 300 мкФ, которая через зарядное сопротивление R=240 Ом заряжается до напряжения U3 кВ. В "мягком" режиме питания в разрядную цепь лампы накачки последовательно включается дроссель L=210 мкГ. При внешнем поджиге ламп накачки осуществляется разряд конденсаторной батареи через разрядный дроссель и лампу. Следует отметить, что в режиме внешнего поджига ламп накачки корпус осветителя лазера электрически изолирован от Земли.

Неоднородный вывод энергии свободной генерации высших поперечных типов колебаний из резонатора с плоскими глухими зеркалами 1 и 2 при импульсной накачке лазера осуществляется двумя способами.

В первом способе используют глухое зеркало с диэлектрическим покрытием, изображенное на фиг.2а. В промежутке между глухими зеркалами 1 и 2, ближе к зеркалу 2 (фиг.3) внутрь резонатора вводится поглощающая диафрагма 5 из черной плотной бумаги (в некоторых случаях использовалась засвеченная фотобумага). Поглощающая диафрагма 5, имеющая ровный плоский край, вводится перпендикулярно оптической оси резонатора и почти наполовину перекрывает апертуру активного элемента 3 (фиг.3). При накачке активной среды лазера, на порядок превышающей пороговую, вся запасенная лазером энергия выделяется на поглощающей диафрагме 5 в виде факельной плазмы 6, образующейся на поверхности диафрагмы, которая является выходом (поглотителем) канала свободной генерации лазерного излучения. Временная структура излучения представляет одиночный импульс генерации с длительностью ~50-70 нс. В зависимости от положения края поглощающей диафрагмы 5 по отношению к оптической оси резонатора временная структура излучения меняется и в большинстве случаев представляет высококонтрастную пичковую структуру из нескольких импульсов генерации с длительностью ~70-100 нс. Общее время излучения составляет ~ 3-300 мкс. Пиковая мощность излучения зависит от накачки активной среды и достигает нескольких МВт.

При реализации предлагаемого способа неоднородного вывода энергии свободной генерации может быть использована схема, изображенная на фиг.4 и 5. В этом случае на выходе из резонатора лазера использовались глухие зеркала с диэлектрическим покрытием, изображенные на фиг.2б,в. Особенность использования каждого из данных зеркал в резонаторе лазера заключается в том, что ровный плоский край зеркала 2 в случае, изображенном на фиг.2б, вводят перпендикулярно оптической оси резонатора, при этом он почти наполовину перекрывает апертуру активного элемента 3 (фиг.4). В случае использования зеркала, изображенного на фиг.2в, центр круглого отверстия смещают в направлении, перпендикулярном оптической оси резонатора, приблизительно на одну четвертую часть диаметра активного элемента 3. Диаметр отверстия в зеркале равен диаметру активного элемента 3 (фиг.5). Следует отметить, что при соосном их положении (без поперечного смещения) обратная связь в резонаторе лазера (фиг.5) практически отсутствует (определяется только дифракционным рассеянием на краю отверстия в зеркале) и генерация в лазере не возникает даже при максимальной накачке активной среды.

Способ неоднородного вывода энергии свободной генерации высших поперечных типов колебаний из резонатора с плоскими глухими зеркалами в данной конфигурации определяется наличием резкой границы инверсии населенностей активной среды по поперечному сечению активного элемента 3.

Механизм формирования излучения и его вывод из резонатора лазера сводится к следующему. По мере осуществления накачки активной среды в области пороговой инверсии, соответствующей большой добротности резонатора, в которой присутствует область перекрытия зеркал 1 и 2 лазера, начинает формироваться из шума первоначальная пичковая структура свободной генерации твердотельного лазера, которая по мере роста интенсивности пичков путем дифракционного расширения в перпендикулярном к оси резонатора направлении (А.Ф.Сучков “Влияние неоднородностей на режимы работы квантовых генераторов на твердом теле” // Журнал экспериментальной и теоретической физики, том 49, выпуск 5(11), 1965 г., с.1495-1503) захватывает область большой инверсии, соответствующей малой добротности резонатора, в которой область перекрытия зеркал 1 и 2 лазера отсутствует. На выходе лазера, минуя зеркало 2, образуется свободно выходящий из резонатора лазерный луч, диаметр которого почти равен (или несколько меньше) диаметру активного элемента 3 (фиг.4 и 5). Нагрузкой лазера в этом случае служат потери частично выходящего излучения из резонатора лазера мимо зеркала 2. В случае использования зеркала 2, изображенного на фиг.2б, излучение в процессе генерации лазера выходит за его край, где зеркало 2 отсутствует. В случае использования зеркала 2, изображенного на фиг.2в, излучение в процессе генерации лазера выходит в отверстие в зеркале, где зеркало также отсутствует.

Временная структура излучения в этом способе вывода энергии свободной генерации зависит в сильной степени от скорости накачки активной среды. В случае "жесткого" режима накачки, когда в разрядной цепи лампы накачки отсутствует дроссель, излучение лазера состоит из одного импульса, фронт которого достаточно короткий ~200 нс, однако спад импульса имеет вид экспоненты и составляет ~10 мкс. В режиме свободной генерации в твердотельном лазере импульс такой формы получен впервые и данный режим излучения представляет значительный научный и прикладной интерес. Энергия такого импульса в лазере достигает нескольких джоулей и зависит от энергии накачки активной среды. В случае "мягкого" режима накачки, когда в разрядной цепи лампы присутствует дроссель L=210 мкГ, временная структура излучения резко меняется и представляет серию 100-150 импульсов (пичков) с длительностью ~200-300 нс каждый, при уровне накачки, десятикратно превышающем пороговый. Полное время излучения лазера составляет при этом 600-700 мкс. Формирование пичковой структуры излучения носит случайный характер с усредненной частотой следования пичков, превышающей 200 кГц. Такой режим назван авторами настоящего изобретения модифицированным пичковым режимом излучения. К преимуществам данного режима относятся: высокая пиковая мощность ~100-500 кВт, большая выходная энергия до 150 Дж/см², малая расходимость излучения, близкая к дифракционной для заданного диаметра выходного пучка, высокий коэффициент полезного действия, высокая средняя частота следования пичков за время излучения.

Следует отметить, что в данном режиме количество пичков за время излучения, средняя частота их следования и контраст излучения целиком определяются уровнем превышения накачки над порогом. При небольшом превышении уровня накачки над порогом за время излучения ~80 мкс наблюдается не более десяти импульсов с длительностью каждого импульса ~200 нс. Контраст излучения в серии при этом превышает четыре порядка.

К преимуществу данного режима относится также особый характер распределения интенсивности по сечению лазерного пучка. При использовании в качестве глухого зеркала 1 (фиг.1) призмы полного внутреннего отражения из стекла марки К-8, а в качестве глухого плоского зеркала 2 с диэлектрическим покрытием, изображенного на фиг.2в, на выходе лазера в средней зоне (~6 м от лазера) было получено почти равномерное распределение интенсивности по сечению лазерного пучка, при этом форма пятна в средней зоне имеет вид прямоугольника. Распределение интенсивности по сечению пучка в дальней зоне (на расстоянии - 70 м) мало отличается по свойствам от гауссова пучка низшего порядка.

Следует отметить, что к преимуществам предлагаемого способа неоднородного вывода энергии свободной генерации высших поперечных типов колебаний из резонатора с плоскими глухими зеркалами относится возможность использования на выходе из резонатора лазера (фиг.2б, в) глухих плоских зеркал из металлов с оптически полированными поверхностями и плоскопараллельных полированных пластинок из германия. Однако режим генерации импульсов в серии при этом нельзя считать свободным, так как отражение от поверхностей металлов и полупроводников при высокой пиковой мощности носит нелинейный характер, что приводит к значительному укорочению импульсов в серии вплоть до ~ 50 нс и уменьшения их количества в пачке вплоть до режима излучения одиночных импульсов.

Область применения твердотельного лазера на фосфатном стекле, в котором используется патентуемый принцип неоднородного вывода энергии свободной генерации высших поперечных типов колебаний из резонатора с плоскими глухими зеркалами, чрезвычайно широка и охватывает использование данного лазера в военной технике, создания высококачественных отверстий (с отношением длины к диаметру ~50) в тугоплавких и трудно обрабатываемых материалах, очистку поверхностей от защитных и декоративных покрытий различного класса стойкости, очистку поверхностей полупроводниковых материалов, обработка титановой фольги, инициирования химических реакций горения в больших объемах горючей смеси (зажигание ракетных двигателей), создание больших объемов факельной плазмы, в импульсных корректирующих лазерных ракетных двигателях, в медицинской технике (лазерная хирургия), эффективный ввод и передача энергии лазерного излучения по оптическому волокну в технологических лазерных установках. Следует отметить также высокий коэффициент преобразования данного вида лазерного излучения во вторую гармонику с длиной волны излучения 527 нм (с использованием, например, кристалла КДР). Коэффициент преобразования может достигать при этом десятков процентов. Данный тип лазера может использоваться также при создании различного вида параметрических генераторов оптического излучения. На основе данного типа лазера возможно создание стационарного малогабаритного источника лазерного излучения с предельно высокой энергией излучения, достигающей сотен Дж в одной лазерной вспышке.