лазерная система одномодового излучения с динамическим резонатором

Формула изобретения

Лазерная система одномодового одночастотного излучения с динамическим резонатором, содержащая один или более активных элементов, пассивный лазерный затвор, концевой отражатель и поворотные зеркала, установленные с возможностью создания внутрирезонаторной петли излучения, в перекрестии которой размещен пассивный лазерный затвор, отличающаяся тем, что лазерная система дополнительно снабжена поворотными зеркалами, установленными с возможностью создания по меньшей мере еще одной внутрирезонаторной петли излучения, в перекрестии которой размещен активный элемент, а концевой отражатель включает светоделитель и систему из двух зеркал, расположенных с возможностью образования плеч интерферометра Саньяка.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к твердотельным технологическим лазерам на неодимосодержащих средах 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.

Известна лазерная система (Лазер с адаптивным петлевым резонатором / Г. А. Буфетова, И. В. Климов, Д.А. Николаев и др. // Квантовая электроника. - 1994. - 22, N 4. - С. 791-792), содержащая один или несколько активных элементов, один или два пассивных лазерных затвора (ПЛЗ), апертурную диафрагму, концевые и поворотные зеркала. Причем поворотные зеркала установлены так, что создают внутрирезонаторную петлю пучков излучения. Внутри петли расположен активный элемент, а в пересечении пучков - пассивный лазерный затвор. Реализация одномодового одночастотного режима генерации достигается путем обращения волнового фронта (ОВФ) с помощью ПЛЗ, установленного в пересечении пучков, и селекции мод с помощью диафрагмы и дополнительного ПЛЗ.

Недостатком данного устройства является ограничение длины когерентности лазерного излучения. Это обусловлено применением резонатора, образованного концевыми и поворотными зеркалами, со стационарной обратной связью, что создает благоприятные условия для существования большого количества мод.

Другим недостатком устройства являются незначительные мощность одномодового излучения и его пространственная яркость вследствие низкой эффективности ОВФ и больших потерь излучения в селектирующих элементах.

Известна также лазерная система (Обращение волнового фронта в кристаллах LiF и NaF с центрами окраски / Т.Т. Басиев, П.Г. Зверев, С.Б. Миров, С. Пак // Материалы II Всесоюзной конференции "Обращение волнового фронта лазерного излучения в нелинейных средах", Минск, ИФ АН СССР. - 1990. - С. 21), содержащая один или несколько активных элементов, пассивный лазерный затвор, концевое и поворотные зеркала. Поворотные зеркала установлены так, что создают внутрирезонаторную петлю пучков излучения, в пересечении которых расположен пассивный лазерный затвор. Это позволяет реализовать одномодовый одночастотный режим генерации путем обращения волнового фронта излучения при четырехволновом взаимодействии в среде ПЛЗ и включении динамического ОВФ-резонатора, образованного поворотными зеркалами и ОВФ-зеркалом.

Недостатком этой лазерной системы является невозможность получения одномодового одночастотного излучения с большой энергией и высокой пространственной яркостью. Этот недостаток обусловлен низкими эффективностью обращения волнового фронта и селективностью резонатора лазера.

Цель изобретения - расширение технологических возможностей устройства путем увеличения энергетических параметров излучения, его пространственной яркости при дифракционной расходимости и большой длине когерентности.

Поставленная цель достигается тем, что устройство, содержащее один или более активных элементов, пассивный лазерный затвор, концевой отражатель и поворотные зеркала, установленные с возможностью создания внутрирезонаторной петли излучения, в перекрестии которой размещен пассивный лазерный затвор, дополнительно снабжено поворотными зеркалами, установленными с возможностью создания по меньшей мере еще одной внутрирезонаторной петли излучения. В перекрестии этой петли размещен активный элемент. Концевой отражатель включает светоделитель и систему из двух зеркал, которые расположены с образованием плеч интерферометра Саньяка.

Применение дополнительных поворотных зеркал позволяет с помощью пересекающихся пучков света возбуждать в инвертированной среде активных элементов динамические решетки показателя преломления, то есть создавать добавочные ОВФ-зеркала непосредственно в активных элементах. Если в статическом резонаторе, образованном поворотными зеркалами, концевым отражателем, в местах пересечения пучков установлены два активных элемента, то эти ОВФ-зеркала образуют встроенный динамический резонатор лазера. При этом ПЛЗ также располагают в пересечении пучков излучения между активными элементами. Поэтому он одновременно служит ОВФ-зеркалом и модулятором добротности динамического резонатора. Таким образом, в отличие от прототипа, где обращение волнового фронта осуществляется на одном ОВФ-зеркале, в предлагаемом устройстве происходит включение ОВФ-генератора, содержащего три ОВФ-зеркала. Причем пассивная модуляция добротности динамического резонатора позволяет за счет увеличения на два и более порядков интенсивности энергии волны накачки существенным образом повысить интенсивность в максимумах интерференции при взаимодействии световых волн в среде активных элементов. При этом дифракционная эффективность фазовых решеток в активных элементах

= th²(D/(cos)),

(D - амплитуда модуляции оптической плотности в голограмме; - коэффициент, определяемый по теории Декстера; - длина волны; - угол схождения интерферирующих пучков) значительно возрастает при росте параметра D как за счет увеличения интенсивности, так и общей видности интерференционного поля, близкой к 1, при длине когерентности излучения, значительно превышающей длину активных элементов и ПЛЗ. Так, в предлагаемом устройстве энергия импульса составляет 220 мДж, а длина когерентности превышает 15 м, в то время как в прототипе энергия импульса - до 10 мДж, а длина когерентности в 5-10 раз меньше. Иными словами, в предлагаемом устройстве эффективность обращения волнового фронта на порядок и более превышает эффективность обращения в прототипе.

Применение концевого отражателя на основе интерферометра Саньяка позволяет создавать практически унифазный волновой фронт затравочного импульса по всей апертуре активного элемента. Это обусловлено высокой угловой селективностью интерферометра при отражении пучка излучения в обратном направлении. Во-первых, известно, что интерферометр Саньяка эквивалентен интерферометру Тваймана-Грина с нулевой разностью хода. Поэтому характер интерференции пучков, распространяющихся от светоделительного зеркала в направлении, обратном к падающему, и в направлении выхода из интерферометра, определяется только их разностью фаз. Пучки лучей, соединяющиеся в плоскости светоделителя и распространяющиеся в обратном направлении, имеют нулевую разность фаз. Пучки лучей, соединяющиеся в плоскости светоделителя и распространяющиеся в направлении выхода из интерферометра, имеют сдвиг фаз на . Поскольку светоделительное зеркало обеспечивает равное деление излучения, то вся его энергия отражается в обратном направлении.

Во-вторых, если расстояние между оптическими центрами глухих зеркал интерферометра равно d, то длина плеча интерферометра (периметр треугольника) для осевой части пучка равен

l = d(1+1/sin),

где - угол отклонения луча, падающего на оптический центр светоделительного зеркала. При его малых отклонениях изменение плеча интерферометра составляет

l = dcos/sin².

Разность фаз между двумя пучками, распространяющимися под углами, отличающимися на величину от идеальной юстировки, равна

= 2l/ = 2dcos/(sin²).

Величина определяет как значение угла эквивалентного воздушного клина при интерференции пучков с плоскими волновыми фронтами, так и полную расходимость лазерного излучения при идеальной юстировке интерферометра Саньяка. В предельном случае угол воздушного клина равен нулю (идеальная настройка) и первый интерференционный минимум для пучков, распространяющихся в обратном направлении, имеет место при = , что соответствует половинной расходимости лазерного излучения по уровню 1/e²



Так, при = 45^o, = 1,064 мкм, d = 200 мм величина расходимости излучения = 3.810^-3 мрад. Тогда ширина полосы равной толщины центрального максимума интерференции (период интерференционной решетки) составляет b = 280 мм, то есть на порядок и более превышает характерный размер поперечного сечения активного элемента. Иными словами, в пределах апертуры активного элемента фронт волны, отраженной от концевого отражателя на основе интерферометра Саньяка, практически плоский, а фаза практически постоянна.

Таким образом, концевой отражатель на основе интерферометра Саньяка обеспечивает 100%-ное отражение и в отличие от глухого зеркала, примененного в прототипе, создает затравочный импульс с высокой степенью когерентности. Это позволяет создавать в среде активных элементов и пассивного затвора полноапертурное поле интерференции с видностью, близкой к 1, и тем самым увеличивать дифракционную эффективность наведенных зеркал динамического ОВФ-резонатора. В результате энергия и пространственная яркость излучения предлагаемого устройства на порядок и более, а длина когерентности в 5-10 раз выше соответственных параметров прототипа. При этом расходимость излучения не превышает дифракционного предела, что невозможно реализовать в прототипе без применения дополнительных селектирующих элементов и дальнейшего снижения энергетических характеристик излучения.

Оптическая схема предлагаемой лазерной системы приведена на чертеже.

Устройство содержит закрепленные неподвижно на основании по ходу светового пучка концевой отражатель, включающий светоделительное зеркало 1 и глухие плоские зеркала 2 и 3, которые установлены так, что образуют интерферометр Саньяка, систему глухих плоских поворотных зеркал 4, 5, 6 и 7, установленных таким образом, что создают внутрирезонаторные петли, в пересечении которых размещены активные элементы 8, 9 и пассивный лазерный затвор 10.

Устройство работает следующим образом.

Процесс генерации лазерного излучения начинается с шумового излучения, возникающего в активном элементе 8 под действием света ламп накачки. Поскольку пассивный затвор 10 в начальный момент времени находится в закрытом состоянии, то затравочное излучение распространяется преимущественно в направлении концевого отражателя, образованного зеркалами 1, 2 и 3. Так как зеркала концевого отражателя установлены по схеме интерферометра Саньяка, то концевой отражатель осуществляет пространственно-угловую селекцию и полное отражение в обратном направлении затравочного излучения. Когда энергия этого излучения, усиленная при повторном проходе активного элемента 8, достигнет порогового уровня, в активном элементе 9, самом пассивном затворе 10 и активном элементе 8 последовательно с помощью пар поворотных зеркал 6, 7 и 4, 5 записываются динамические голографические решетки, основанные на четырехволновом взаимодействии пересекающихся пучков излучения. Слабые в момент начала просветления пассивного затвора 10 решетки показателя преломления, возбужденные в активных элементах 8 и 9, заметно усиливаются по мере развития гигантского импульса модулированного излучения за счет эффективного съема инверсии населенности в максимумах интерференции световых волн. В результате возникает параметрическая обратная связь, включающая взаимный рост решеток в активных элементах 8, 9 и пассивном затворе 10 и полей излучения. Это приводит к образованию динамического лазерного генератора 8-9 с пассивным затвором 10 внутри него. Лазерное излучение, перерассеянное на динамических решетках в активных элементах 8, 9 и пассивном затворе 10, усиливается после многократного обхода динамического резонатора и выводится через активный элемент 8.

Одномодовый одночастотный режим генерации достигается путем угловой селекции продольных и поперечных мод в интерферометре Саньяка 1-2-3 и самообращения волнового фронта излучения в инвертированных лазерных кристаллах 8, 9 и пассивном затворе 10 при включении динамического ОВФ-резонатора с параметрической обратной связью.