твердотельный моноимпульсный лазер и двухволновый лазерный генератор

Формула изобретения

1. Твердотельный моноимпульсный лазер, содержащий неустойчивый телескопический оптический резонатор, включающий выходное зеркало, коэффициент отражения которого уменьшается в направлении от центра к краю, активный элемент цилиндрической формы, помещенный в указанный оптический резонатор, систему накачки для боковой подачи оптического излучения накачки на активный элемент и модулятор, помещенный в оптический резонатор для управляемого формирования импульсов лазерного излучения путем модуляции добротности оптического резонатора, отличающийся тем, что система накачки выполнена в виде нефокусирующей системы однородной оптической накачки для создания, по существу, однородного распределения интенсивности накачки по поперечному сечению активного элемента, при этом параметры активного элемента и оптического резонатора удовлетворяют следующим соотношениям:

где R_m - коэффициент отражения выходного зеркала в максимуме;

- коэффициент усиления активного элемента, см ^-1;

- суммарные потери в оптическом резонаторе, отнесенные к удвоенной длине активного элемента, см^-1 ;

d - ширина распределения коэффициента отражения выходного зеркала по уровню 0,5 от максимального значения;

D - диаметр активного элемента;

l - длина активного элемента;

М - увеличение телескопического резонатора.

2. Твердотельный моноимпульсный лазер по п.1, отличающийся тем, что выходное зеркало оптического резонатора имеет гауссово распределение коэффициента отражения.

3. Твердотельный моноимпульсный лазер по п.1 или 2, отличающийся тем, что система накачки содержит лазерные диодные линейки или матрицы, установленные с одной стороны от активного элемента вдоль его цилиндрической образующей.

4. Твердотельный моноимпульсный лазер по п.3, отличающийся тем, что система накачки включает отражатель, направляющий на активный элемент по меньшей мере часть излучения накачки, прошедшего через активный элемент или мимо активного элемента.

5. Твердотельный моноимпульсный лазер по п.4, отличающийся тем, что указанный отражатель выполнен в виде монолитного блока, прозрачного для излучения накачки, у которого по меньшей мере на часть боковой поверхности, не освещаемой снаружи указанными лазерными диодными линейками или матрицами, нанесено отражающее покрытие, и который имеет внутренний продольный канал, в который помещен указанный активный элемент.

6. Твердотельный моноимпульсный лазер по п.5, отличающийся тем, что внешняя боковая поверхность указанного монолитного блока имеет форму прямой призмы, при этом указанные лазерные диодные линейки или матрицы установлены около одной ее боковой грани, а указанное отражающее покрытие нанесено по меньшей мере на одну из остальных боковых граней.

7. Твердотельный моноимпульсный лазер по п.5, отличающийся тем, что он включает кондуктивный теплоотвод, установленный в тепловом контакте по меньшей мере с частью той части внешней боковой поверхности указанного отражателя, которая не освещается снаружи указанными лазерными диодными линейками или матрицами.

8. Двухволновый лазерный генератор, включающий

задающий оптический генератор для генерирования оптического излучения с первой длиной волны,

средства оптической коммутации, имеющие оптический вход, соединенный с выходом задающего оптического генератора, первый выход, соединенный с выходом указанного двухволнового лазерного генератора, второй выход и вход управления для управления средствами оптической коммутации так, чтобы по выбору соединять оптический вход с первым или вторым выходом, и

параметрический генератор света для преобразования оптического излучения с первой длиной волны в оптическое излучение со второй длиной волны, вход которого соединен со вторым выходом средств оптической коммутации, а выход соединен с выходом указанного двухволнового лазерного генератора,

отличающийся тем, что задающий оптический генератор выполнен в виде твердотельного моноимпульсного лазера по одному из пп.1-7.

9. Двухволновый лазерный генератор по п.8, отличающийся тем, что параметрический генератор света содержит кольцевой трехзеркальный резонатор.

10. Двухволновый лазерный генератор по п.9, отличающийся тем, что он включает обратный телескоп для уменьшения диаметра пучка излучения с первой длиной волны, установленный между выходом задающего оптического генератора и входом параметрического генератора света, и прямой телескоп для увеличения диаметра пучка излучения со второй длиной волны, установленный между выходом параметрического генератора света и выходом указанного двухволнового лазерного генератора.

11. Двухволновый лазерный генератор по п.10, отличающийся тем, что увеличение указанного прямого телескопа, по существу, равно увеличению указанного обратного телескопа.

12. Двухволновый лазерный генератор по п.10, отличающийся тем, что на его выходе расходимость пучка излучения с первой длиной волны, по существу, равна расходимости пучка излучения со второй длиной волны.

13. Двухволновый лазерный генератор по п.10, отличающийся тем, что он также включает прямой телескоп для увеличения диаметра пучка излучения с первой длиной волны, установленный между первым выходом средств оптической коммутации и выходом указанного лазерного генератора, а указанный обратный телескоп установлен между выходом задающего оптического генератора и оптическим входом средств оптической коммутации.

14. Двухволновый лазерный генератор по п.13, отличающийся тем, что увеличение указанных прямых телескопов и обратного телескопа таково, что на выходе указанного лазерного генератора диаметр пучка излучения с первой длиной волны, по существу, равен диаметру пучка излучения со второй длиной волны.

15. Двухволновый лазерный генератор по п.13, отличающийся тем, что указанные средства оптической коммутации включают поляризационный электрооптический ключ, установленный между выходом указанного обратного телескопа и указанным кольцевым трехзеркальным резонатором для управляемого поворота плоскости поляризации излучения с первой длиной волны на 90°, а указанный прямой телескоп для увеличения диаметра пучка излучения с первой длиной волны установлен так, что на его вход поступает излучение с первой длиной волны, отраженное из кольцевого трехзеркального резонатора.

16. Двухволновый лазерный генератор по п.8, отличающийся тем, что он дополнительно включает полуволновую фазовую пластину для поворота плоскости поляризации проходящего излучения на 90°, установленную между выходом параметрического генератора света и выходом двухволнового лазерного генератора или между первым выходом средств оптической коммутации и выходом двухволнового лазерного генератора.

17. Двухволновый лазерный генератор по п.8, отличающийся тем, что он включает выходное дихроичное зеркало, а также дополнительные отражающие и/или преломляющие оптические элементы для направления пучка излучения с первой длиной волны и пучка излучения со второй длиной волны на выходное дихроичное зеркало так, что один из этих пучков проходит через выходное дихроичное зеркало, а другой - отражается от него, и указанные пучки выходят из лазерного генератора по существу в одном направлении.

18. Двухволновый лазерный генератор по одному из пп.8-17, отличающийся тем, что первая длина волны лежит в диапазоне около 1 мкм, а вторая длина волны - в диапазоне около 1,5 мкм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано, в частности, в оптической локации, дальнометрии, оптическом зондировании атмосферы.

Двухволновые лазерные генераторы используются в оптических устройствах, обеспечивающих возможность работы по выбору на одной из двух длин волн поочередно. Такие генераторы целесообразно конструировать так, чтобы генерируемые ими пучки излучения обеих длин волн совпадали по поляризации, направлению, диаметру и угловой расходимости, поскольку это позволяет использовать единый оптический тракт для дальнейшей обработки пучков излучения обеих длин волн.

Известны двухволновые лазерные генераторы, включающие задающий оптический генератор для генерирования оптического излучения с первой длиной волны, средства оптической коммутации, имеющие оптический вход, соединенный с выходом задающего оптического генератора, первый выход, соединенный с выходом двухволнового лазерного генератора, второй выход, и вход управления для управления средствами оптической коммутации так, чтобы по выбору соединять оптический вход с первым или вторым выходом, и параметрический генератор света (ПГС) для преобразования оптического излучения с первой длиной волны в оптическое излучение со второй длиной волны, при этом вход ПГС соединен со вторым выходом средств оптической коммутации, а выход соединен с выходом двухволнового лазерного генератора (см., например, патент США №6785040).

Одним из основных требований к пучкам лазерного излучения, формируемым задающими лазерными генераторами в таких устройствах, является минимальная расходимость излучения с первой длиной волны, определяющая дальность действия и разрешающую способность лазерных устройств, а также существенно влияющая на эффективность преобразования оптического излучения в параметрическом генераторе света. Другим важным требованием является равномерное распределение плотности мощности излучения по сечению лазерного пучка, позволяющее выровнять нагрузку на оптические элементы устройства и в результате увеличить его выходную мощность и срок службы.

В лазерах с оптическими резонаторами, образованными плоскопараллельными зеркалами, однородность распределения плотности мощности по сечению выходного пучка может быть достигнута путем однородной накачки активного элемента лазера. Под однородной накачкой понимается подача мощности накачки так, чтобы в результате обеспечить, по существу, равномерное распределение коэффициента усиления активного элемента по его поперечному сечению. Однородная оптическая накачка может быть достаточно просто обеспечена посредством одностороннего бокового освещения активного элемента лазерными диодными линейками (см., например, патент США №5572541) без использования промежуточной фокусирующей оптики. Такие лазерные устройства с односторонней боковой накачкой активного элемента лазерными диодными линейками имеют достаточно компактную конструкцию. Кроме того, одностороннее размещение средств накачки относительно активного элемента позволяет обеспечить эффективный отвод тепла благодаря возможности установки средств теплоотвода по всей периферии активного элемента, не занятой средствами накачки. Возможность обеспечения хорошего теплоотвода, в свою очередь, способствует увеличению максимальной выходной мощности лазера и позволяет выровнять распределение плотности выходной мощности по сечению активного элемента благодаря осесимметричному характеру термооптической линзы в активном элементе при равномерном охлаждении.

Однако существенным недостатком лазера с плоскопараллельным оптическим резонатором является крайне высокая чувствительность к качеству изготовления активного элемента и элементов резонатора. Малейшие неоднородности активного элемента и резонатора приводят к деформации мод, и в результате в распределении мощности по сечению образуются «горячие» точки с повышенной плотностью мощности, на которых при высокой выходной мощности происходит разрушение элементов лазера. Кроме того, лазеры с оптическими резонаторами, образованными плоскими зеркалами, не позволяют обеспечить достаточно малой расходимости излучения, близкой к дифракционному пределу.

Менее чувствительны к неоднородностям лазеры с неустойчивыми резонаторами, в частности с неустойчивым телескопическим резонатором. В таком лазере генерируемый пучок лазерного излучения, расширяясь при каждом проходе через резонатор, выходит из резонатора около края выходного зеркала резонатора. Вследствие уменьшения чувствительности к качеству изготовления использование неустойчивого резонатора позволяет улучшить направленность излучения лазера (уменьшить его расходимость) по сравнению с плоскопараллельным резонатором.

Недостатком такого лазера с неустойчивым телескопическим резонатором является неравномерное распределение интенсивности выходного излучения по сечению пучка, которое имеет вид бублика с провалом в центре до нуля, обусловленным тенью от выходного зеркала резонатора. Кроме того, спад толщины интерференционного покрытия выходного зеркала на его краю приводит к тому, что этот участок зеркала действует как кольцевая линза, фокусирующая излучение лазера на различных элементах конструкции и выходной оптической системы, что может приводить к их повреждению.

Для преодоления этих недостатков в качестве выходного зеркала телескопического резонатора часто используют полупрозрачное зеркало, коэффициент отражения которого уменьшается в направлении от центра к краю, с максимальным коэффициентом отражения в центре меньше 100%. Обычно используют выходное зеркало с гауссовым распределением, коэффициент отражения R(r) которого задается как

где R_M - коэффициент отражения в максимуме (в центре зеркала), r - расстояние от центра зеркала, r₀ - постоянный коэффициент. Использование в телескопическом резонаторе гауссова выходного зеркала позволяет устранить глубокий провал в центре кривой распределения плотности мощности выходного пучка, а также предотвращает возможность повреждения элементов лазера излучением, фокусируемым краевой кольцевой линзой. Расходимость излучения, обеспечиваемая в лазере с неустойчивым телескопическим резонатором и гауссовым выходным зеркалом, может быть близка к дифракционному пределу.

В работе "L.R.Marshall, A.Kaz, О.Aytur. Multimode Pumping of Optical Parametric Oscillators, IEEE Journal of Quantum Electronics, v.32, No.2, 1996" описан твердотельный моноимпульсный лазер, содержащий

неустойчивый телескопический оптический резонатор, включающий выходное зеркало, коэффициент отражения которого уменьшается в направлении от центра к краю,

активный элемент цилиндрической формы, помещенный в указанный оптический резонатор,

генератор накачки для боковой подачи оптического излучения накачки на активный элемент и

модулятор, помещенный в оптический резонатор для управляемого формирования импульсов лазерного излучения путем модуляции добротности оптического резонатора.

Выходное зеркало неустойчивого телескопического резонатора в вышеописанном устройстве имеет гауссово распределение коэффициента отражения. Система накачки этого лазера выполнена так, чтобы обеспечить осесимметричное распределение коэффициента усиления по сечению активного элемента в виде гауссовой кривой с максимумом в центре активного элемента. Использование гауссова выходного зеркала с максимумом коэффициента отражения в центре (на оси резонатора) и гауссова распределения излучения накачки также с максимумом в центре позволяет сформировать выходной пучок с относительно равномерным распределением мощности по сечению пучка.

Однако система оптической накачки, необходимая для создания в активном элементе гауссова распределения коэффициента усиления с максимумом в центре, является весьма громоздкой, поскольку должна обеспечивать освещение активного элемента одновременно со всех сторон для фокусировки излучения накачки в окрестности оси активного элемента. В известном устройстве в качестве системы накачки используется множество лазерных диодных линеек, расположенных осесимметрично по всей периферии активного элемента. Помимо того, что это увеличивает габариты устройства, необходимость размещения средств накачки по всей периферии активного элемента затрудняет отвод тепла от активного элемента, что ограничивает мощность лазера и вместе с тем не позволяет выровнять распределение плотности выходной мощности по сечению активного элемента вследствие его недостаточно равномерного охлаждения.

Целью изобретения является создание твердотельного моноимпульсного лазера с неустойчивым телескопическим резонатором, в котором уменьшена неоднородность распределения плотности мощности по сечению выходящего лазерного пучка и повышена выходная мощность путем улучшения теплоотвода от активного элемента, при одновременном упрощении конструкции системы накачки и уменьшении габаритов лазера, а также создание двухволнового лазерного генератора с одинаковой и достаточно низкой расходимостью излучения на обеих генерируемых длинах волн на базе предложенного твердотельного моноимпульсного лазера.

Поставленная цель достигается тем, что в твердотельном моноимпульсном лазере, содержащем

неустойчивый телескопический оптический резонатор, включающий выходное зеркало, коэффициент отражения которого уменьшается в направлении от центра к краю,

активный элемент цилиндрической формы, помещенный в указанный оптический резонатор,

систему накачки для боковой подачи оптического излучения накачки на активный элемент и

модулятор, помещенный в оптический резонатор для управляемого формирования импульсов лазерного излучения путем модуляции добротности оптического резонатора,

согласно изобретению система накачки выполнена в виде нефокусирующей системы однородной оптической накачки для создания, по существу, однородного распределения интенсивности накачки по поперечному сечению активного элемента, при этом параметры активного элемента и оптического резонатора удовлетворяют следующим соотношениям:

где R_m - коэффициент отражения выходного зеркала в максимуме,

- коэффициент усиления активного элемента (без учета собственных потерь активного элемента),

- суммарные потери в оптическом резонаторе (включающие потери во всех элементах самого оптического резонатора, т.е. в образующих его зеркалах, и потери на двойной проход во всех элементах, помещенных внутрь этого резонатора, включая собственные потери активного элемента), отнесенные к удвоенной длине активного элемента, см^-1,

d - ширина распределения коэффициента отражения выходного зеркала по уровню 0,5 от максимального значения,

D - диаметр активного элемента,

l - длина активного элемента, см,

М - увеличение телескопического резонатора.

До настоящего времени специалисты в данной области техники считали очевидным, что для достижения равномерного распределения плотности мощности по сечению выходящего лазерного пучка в лазерных генераторах с неустойчивым телескопическим резонатором и гауссовым выходным зеркалом в активном элементе лазера обязательно должно быть создано распределение коэффициента усиления с максимумом в центре активного элемента. Авторы изобретения в результате анализа процесса съема запасенной в активном элементе энергии во время развития моноимпульса установили, что в таком лазере, если он работает в моноимпульсном режиме, использование нефокусированной однородной накачки активного элемента, при которой в центре его поперечного сечения отсутствует выраженный максимум коэффициента усиления, также дает возможность обеспечить равномерное распределение мощности по сечению выходящего лазерного пучка, если выполнены вышеуказанные условия (1)-(3). Возможность получения равномерного распределения мощности обусловлена нелинейным процессом изменения основной моды в течении моноимпульса, определяемым съемом инверсной населенности при возбуждении этой моды. В начальный период нарастания моноимпульса, когда съем инверсной населенности несущественен, распределение плотности генерируемой мощности в резонаторе имеет максимум на оси активного элемента, совпадающей с осью резонатора. На этом этапе съем инверсной населенности происходит преимущественно вблизи оси резонатора, что приводит к снижению усиления вблизи оси резонатора и замедлению нарастания пика импульса. В то же время на периферии активного элемента, где плотность мощности значительно ниже, съем инверсной населенности существенно запаздывает и усиление практически сохраняется, что приводит к выравниванию усредненной во времени плотности мощности по сечению лазерного пучка.

Более детальное описание этого процесса возможно только путем выполнения численных расчетов. Численное моделирование, выполненное авторами, позволило определить границы диапазонов параметров активного элемента и оптического резонатора (вышеуказанные условия (1)-(3)), в которых при использовании однородной оптической накачки обеспечивается равномерное распределение плотности мощности по сечению выходящего лазерного пучка при незначительном снижении общей энергии генерируемого импульса лазера.

Использование однородной оптической накачки дает возможность сформировать компактное лазерное устройство, поскольку такая накачка может быть обеспечена путем одностороннего бокового освещения активного элемента без необходимости размещения средств накачки по всей его окружности. Одностороннее размещение средств накачки дает возможность обеспечить эффективный отвод тепла от активного элемента благодаря возможности размещения средств теплоотвода по всей периферии активного элемента, не занятой средствами накачки. Обеспечение эффективного однородного отвода тепла от активного элемента дополнительно способствует увеличению максимальной выходной мощности лазера и равномерности распределения плотности мощности по сечению выходящего лазерного пучка. В то же время по сравнению с известными лазерами с однородной накачкой, содержащими плоскопараллельные резонаторы, предложенный моноимпульсный лазер обладает пониженной чувствительностью к неточностям изготовления и малой расходимостью излучения, близкой к дифракционному пределу.

В предпочтительном варианте выполнения выходное зеркало оптического резонатора имеет гауссово или близкое к гауссову распределение коэффициента отражения.

Система накачки моноимпульсного лазера предпочтительно содержит лазерные диодные линейки или матрицы, установленные с одной стороны от активного элемента, что обеспечивает минимальные габариты лазера и дает возможность эффективно охлаждать активный элемент со всех остальных сторон.

Система накачки может дополнительно включать отражатель, направляющий на активный элемент по меньшей мере часть излучения накачки, прошедшего через активный элемент или мимо активного элемента. Использование отражателя позволяет улучшить однородность накачки активного элемента и более полно использовать излучение накачки, создаваемое лазерными диодными линейками или матрицами.

Отражатель может быть выполнен в виде монолитного блока, прозрачного для излучения накачки, у которого по меньшей мере на часть боковой поверхности, не освещаемой снаружи указанными лазерными диодными линейками или матрицами, нанесено отражающее покрытие и который имеет внутренний продольный канал, в который помещен активный элемент. Внешняя боковая поверхность монолитного блока может иметь форму прямой призмы, при этом указанные лазерные диодные линейки или матрицы могут быть установлены около одной ее боковой грани, а указанное отражающее покрытие нанесено по меньшей мере на одну из остальных боковых граней призмы. В тепловом контакте по меньшей мере с частью боковой поверхности отражателя, не освещаемой снаружи лазерными диодными линейками или матрицами, может быть установлен кондуктивный теплоотвод.

Поставленная цель достигается также тем, что в двухволновом лазерном генераторе, содержащем

задающий оптический генератор для генерирования оптического излучения с первой длиной волны,

средства оптической коммутации, имеющие оптический вход, соединенный с выходом задающего оптического генератора, первый выход, соединенный с выходом указанного двухволнового лазерного генератора, второй выход и вход управления для управления средствами оптической коммутации так, чтобы по выбору соединять оптический вход с первым или вторым выходом, и

параметрический генератор света для преобразования оптического излучения с первой длиной волны в оптическое излучение со второй длиной волны, вход которого соединен со вторым выходом средств оптической коммутации, а выход соединен с указанным выходом двухволнового лазерного генератора,

согласно изобретению задающий генератор выполнен в виде описанного выше твердотельного моноимпульсного лазера с однородной оптической накачкой, выполненного согласно изобретению.

Использование предложенного твердотельного моноимпульсного лазера с однородной оптической накачкой в двухволновом лазерном генераторе, включающем параметрический генератор света, позволяет повысить эффективность преобразования излучения и выходную мощность в параметрическом генераторе света благодаря малой расходимости излучения и высокой равномерности распределения плотности мощности по сечению лазерного пучка, подаваемого на вход ПГС.

Параметрический генератор света предпочтительно содержит кольцевой трехзеркальный резонатор, обеспечивающий меньшую расходимость генерируемого параметрического излучения по сравнению с линейными резонаторами.

В предпочтительном случае двухволновый лазерный генератор также включает

обратный телескоп для уменьшения диаметра пучка излучения с первой длиной волны, установленный между выходом задающего оптического генератора и входом параметрического генератора света, и

прямой телескоп для увеличения диаметра пучка излучения со второй длиной волны, установленный между выходом параметрического генератора света и выходом указанного двухволнового лазерного генератора. Увеличение указанного прямого телескопа в предпочтительном случае, по существу, равно увеличению указанного обратного телескопа.

Поскольку расходимость излучения на выходе параметрического генератора света уменьшается при уменьшении диаметра пучка излучения, подаваемого на его вход, использование обратного и прямого телескопов дает возможность сформировать излучение с одинаковой и небольшой по величине расходимостью на первой и второй длинах волн генерации при одинаковом диаметре выходного пучка излучения на этих длинах волн.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения указанный обратный телескоп установлен между выходом задающего оптического генератора и оптическим входом средств оптической коммутации, а двухволновый лазерный генератор включает еще один прямой телескоп для увеличения диаметра пучка излучения с первой длиной волны, установленный между первым выходом средств оптической коммутации и выходом указанного лазерного генератора. В этом случае увеличение указанных прямых и обратного телескопов предпочтительно выбирают таким, чтобы на выходе указанного лазерного генератора диаметр пучка излучения с первой длиной волны был, по существу, равен диаметру пучка излучения со второй длиной волны.

В предпочтительном варианте выполнения двухволнового лазерного генератора указанные средства оптической коммутации включают поляризационный электрооптический ключ, установленный между выходом указанного обратного телескопа и указанным кольцевым трехзеркальным резонатором для управляемого поворота плоскости поляризации излучения с первой длиной волны на 90°, а указанный прямой телескоп для увеличения диаметра пучка излучения с первой длиной волны установлен так, что на его вход поступает излучение с первой длиной волны, отраженное из кольцевого трехзеркального резонатора. Такая оптическая схема позволяет использовать кольцевой трехзеркальный резонатор в качестве одного из элементов средств оптической коммутации, что упрощает конструкцию лазерного генератора.

Двухволновый лазерный генератор также может содержать полуволновую фазовую пластину для поворота плоскости поляризации проходящего излучения на 90°, установленную между выходом параметрического генератора света и выходом двухволнового лазерного генератора или между первым выходом средств оптической коммутации и выходом двухволнового лазерного генератора. Это обеспечивает одинаковую поляризацию пучков излучения с первой и второй длиной волны на выходе двухволнового лазерного генератора.

Кроме того, двухволновый лазерный генератор может содержать выходное дихроичное зеркало, а также дополнительные отражающие и/или преломляющие оптические элементы для направления пучка излучения с первой длиной волны и пучка излучения со второй длиной волны на выходное дихроичное зеркало так, что один из этих пучков проходит через дихроичное зеркало, а другой отражается от него, и оба пучка выходят из лазерного генератора, по существу, в одном направлении.

Первая длина волны может лежать в диапазоне около 1 мкм. Под этим обычно подразумевается диапазон от 1 до 1,1 мкм, предпочтительно от 1,03 до 1,07 мкм. В данном диапазоне длин волн легко обеспечить эффективную генерацию лазерного излучения. Вторая длина волны предпочтительно находится в диапазоне около 1,5 мкм, т.е. в диапазоне от 1,5 мкм до 1,6 мкм, предпочтительно от 1,53 до 1,58 мкм. Излучение диапазона 1,5 мкм безопасно для глаза человека в отличие от излучения диапазона 1 мкм, что существенно для многих применений оптических локаторов и дальномеров.

На фиг.1 показана оптическая схема двухволнового лазерного генератора, включающего твердотельный моноимпульсный лазер.

На фиг.2 схематично показан поперечный разрез твердотельного моноимпульсного лазера, показанного на фиг.1.

Фиг.3 и 4 поясняют формирование поперечной структуры пучка выходного излучения в твердотельном моноимпульсном лазере, выполненном согласно изобретению.

Как показано на фиг.1, предложенный твердотельный моноимпульсный лазер 1 содержит неустойчивый телескопический оптический резонатор, образованный глухим вогнутым зеркалом 2 и выпуклым полупрозрачным выходным зеркалом 3, коэффициент отражения которого уменьшается в направлении от центра к краю, предпочтительно по гауссову или близкому к нему закону. Активный элемент 4 цилиндрической формы помещен в указанный оптический резонатор так, что его ось совпадает с осью резонатора (показана штрих-пунктирной линией). Активный элемент 4 может быть выполнен, например, из кристаллов, активированных ионами неодима, например алюмоиттриевого граната или иттрийлитиевого фторида. Система 5 оптической накачки установлена вдоль активного элемента 4 с одной стороны от него. Система 5 оптической накачки включает ряд диодных лазерных линеек или двумерных диодных лазерных матриц 6, расположенных по одну сторону от активного элемента 4 вдоль его цилиндрической образующей, без использования фокусирующей оптики между ними и активным элементом 4. Диодные лазерные линейки 6 вытянуты в направлении, поперечном продольной оси активного элемента 4 (т.е. перпендикулярно плоскости чертежа). Длина волны накачки для лазера на неодимсодержащих средах может лежать, например, в области от 790 нм до 810 нм.

Параметры активного элемента 4 и оптического резонатора удовлетворяют приведенным выше соотношениям (1)-(3). Выбор параметров активного элемента и оптического резонатора так, чтобы они удовлетворяли этим соотношениям и требованиям к энергии генерации лазера, может быть осуществлен, например, в следующей последовательности.

Известно, что энергия генерации лазера определяется энергией, запасенной в активном элементе (Е_зап), равной

где E_s - энергия насыщения активной среды, составляющая, например, 0,6 Дж/см ² для алюмоиттриевого граната, активированного неодимом ИАГ:Nd³⁺. Диаметр D активного элемента выбирается, обычно экспериментальным путем, так, чтобы иметь возможность обеспечить достаточно близкое к однородному распределение интенсивности накачки по поперечному сечению активного элемента с использованием односторонней системы оптической накачки. Для активного элемента из алюмоиттриевого граната допустимый диаметр D может составлять, например, до 6-10 мм. Коэффициент усиления активного элемента k определяется расчетным или экспериментальным путем для выбранного типа активного элемента и выбранной системы накачки. После этого с использованием соотношения (4) определяют длину l активного элемента, исходя из требуемой мощности генерации.

На основе величины (k- ) (полное усиление k в активном элементе за вычетом потерь в лазерном резонаторе) с помощью уравнения (1) определяют величину , характеризующую потери запасенной энергии на выход из резонатора.

На основе величины из уравнения (2) отдельно вычисляют величину , определяющую потери на выход из резонатора на его оси без разбегания лучей, и величину lnM², определяющую потери на выход из резонатора за счет разбегания лучей от оси резонатора.

Наконец, с помощью уравнения (3) на основе установленной величины М и диаметра D активного элемента определяют требуемую ширину d распределения коэффициента отражения выходного зеркала 3. Выходное зеркало 3 с заданным распределением коэффициента отражения может быть изготовлено известным способом, например, путем нанесения многослойного покрытия на его поверхность.

Как показано на фиг.2, система 5 оптической накачки лазера 1 включает также отражатель 7, установленный вдоль излучающих поверхностей диодных лазерных линеек или матриц 6. Отражатель 7 выполнен в виде монолитного блока 8 из оптически прозрачного материала с высокой теплопроводностью, например кристаллического кварца, на внешнюю боковую поверхность которого нанесено отражающее покрытие 9.

Монолитный блок 8 имеет внутренний продольный канал, в который помещен активный элемент 4. Для обеспечения хорошего теплового контакта между блоком 8 и активным элементом 4 промежуток между ними в указанном продольном канале заполнен иммерсионной прозрачной средой 10 с высокой теплопроводностью.

Внешняя боковая поверхность монолитного блока 8 имеет форму прямой призмы, при этом излучающие поверхности диодных лазерных линеек или матриц 6 находятся около одной ее боковой грани, а отражающее покрытие 9 нанесено на остальные боковые грани. В примере выполнения отражателя, показанном на фиг.2, основание (поперечное сечение) указанной призмы имеет, по существу, форму равнобочной трапеции, при этом линейки или матрицы 6 установлены около боковой грани призмы, опирающейся на большее основание трапеции, а отражающее покрытие нанесено на остальные боковые грани. Внутренние углы отражателя, удаленные от системы 5 накачки, могут быть слегка скошены, как показано на фиг.2. В целом форма отражателя 7 подбирается расчетным и/или экспериментальным путем так, чтобы обеспечить максимально возможную однородность накачки активного элемента 4.

Отражающее покрытие 9 может быть металлическим покрытием, нанесенным путем вакуумного серебрения или золочения или интерференционным широкополосным диэлектрическим покрытием. Отражающее покрытие 9 может быть нанесено на все боковые грани монолитного блока 8, кроме той, которая обращена к излучающей поверхности диодных линеек или матриц 6 и на которую нанесено просветляющее интерференционное покрытие 11 с окном прозрачности на длине волны накачки диодных линеек.

Металлический корпус 12, выполненный, например, из меди, находится в тепловом контакте с отражателем 7. Корпус 12 может контактировать со всеми боковыми сторонами отражателя 7, кроме той, которая обращена к излучающей поверхности диодных линеек или матриц 6, или, например, только с двумя противолежащими боковыми сторонами. Для обеспечения хорошего теплового контакта между отражателем 7 и корпусом 12 промежуток между ними заполняется теплопроводным составом 13. Корпус 12 может быть соединен с внешней системой охлаждения (не показана).

Твердотельный моноимпульсный лазер 1 содержит также электрооптический модулятор 14, помещенный в оптический резонатор между активным элементом 4 и одним из зеркал резонатора, в данном случае зеркалом 2. Модулятор 14 может быть выполнен, например, на основе кристаллов типа ниобата лития, тантала лития или кристаллов КТР, RTP, ВВО. В оптический резонатор лазера 1 также помещен поляризатор 15, установленный в данном примере осуществления изобретения между модулятором 14 и активным элементом 4.

Твердотельный моноимпульсный лазер 1 образует задающий генератор двухволнового лазерного генератора, оптическая схема которого показана на фиг.1. Помимо лазера 1, этот двухволновый лазерный генератор включает параметрический генератор 16 света, обратный телескоп 17, образованный сферическими линзами 18 и 19 и оптически подключенный к выходу лазера 1, зеркала 20 и 21, электрооптический ключ 22, прямые телескопы 23 и 24, образованные сферическими линзами 25, 26 и 27, 28 соответственно, полуволновую фазовую пластину 29, поляризатор 30, глухие зеркала 31 и 32 и дихроичное зеркало 33. Увеличение прямых телескопов 23 и 24 может быть равным увеличению обратного телескопа 17. Дихроичное зеркало 33 выполнено так, чтобы отражать излучение на одной волне генерации двухволнового лазерного генератора и пропускать излучение на другой длине волны генерации. Например, зеркало 33 может отражать излучение с первой длиной волны, лежащей в диапазоне 1 мкм, и пропускать излучение со второй длиной волны в диапазоне 1,5 мкм.

Параметрический генератор 16 света выполнен по известной трехзеркальной кольцевой схеме и включает три нелинейных кристалла 34 КТР и дихроичные зеркала 35 и 36, а также полностью отражающее зеркало 37, установленные под углом 120° друг к другу. Дихроичное зеркало 35 пропускает излучение с первой длиной волны, лежащей в диапазоне 1 мкм, и не пропускает излучение со второй длиной волны в диапазоне 1,5 мкм. Дихроичное зеркало 36 пропускает излучение со второй длиной волны, но не пропускает излучение с первой длиной волны.

Электрооптический ключ 22 может быть образован электрооптическим модулятором на основе кристаллов типа ниобата лития, тантала лития или кристаллов КТР, RTP, ВВО.

При работе устройства диодные лазерные линейки или матрицы 6 системы 5 оптической накачки освещают активный элемент 4 с одной стороны без использования промежуточной фокусирующей оптики. Излучение накачки (на фиг.2 условно показано стрелками) через просветляющее покрытие 11, прозрачный монолитный блок 8 и прозрачную иммерсионную среду 10, заполняющую узкий зазор между монолитным блоком 8 и активным элементом 4, поступает в активный элемент 4.

Излучение накачки поглощается активными ионами в активном элементе 4, обеспечивая создание инверсии населенности энергетических уровней. Вынужденное испускание света возбужденными ионами обеспечивает коэффициент усиления оптического излучения, пропорциональный поглощаемой мощности накачки, в активном элементе 4. Одностороннее расположение системы накачки относительно активного элемента 4 и отсутствие фокусирующих оптических элементов между системой накачки и активным элементом 4 дает возможность создать достаточно близкое к однородному распределение интенсивности накачки по поперечному сечению активного элемента 4. Кроме того, излучение накачки, прошедшее через активный элемент 4 или рядом с ним (сверху и снизу от него на фиг.2) и не поглощенное в нем, отражается покрытием 9 и повторно направляется на активный элемент 4 с разных сторон, что обеспечивает еще более равномерное распределение интенсивности накачки, а следовательно, и коэффициента усиления по поперечному сечению активного элемента 4. В результате может быть достигнута неравномерность коэффициента усиления по поперечному сечению активного элемента 4, не превышающая 10%, предпочтительно 5%.

Первоначально на модулятор 14 подано такое управляющее напряжение, при котором он вносит в лазерный резонатор большие оптические потери, что препятствует развитию генерации. Для формирования импульса лазерного излучения управляющее напряжение на модуляторе 14 изменяют до такого значения, при котором в резонаторе создаются условия для генерации импульса лазерного излучения, поляризация которого определяется поляризатором 15. Длина волны генерируемого излучения (первая длина волны ₁) может находиться, например, в диапазоне около 1 мкм.

На фиг.3 в качестве примера, иллюстрирующего изобретение, показаны кривые мгновенного распределения плотности мощности в зависимости от расстояния от оси активного элемента для последовательных моментов времени t₁ ÷t₆. В начальный период нарастания моноимпульса, когда съем инверсной населенности несущественен, распределение плотности генерируемой мощности в резонаторе имеет максимум на оси активного элемента, совпадающей с осью резонатора (кривые на фиг.3 для моментов времени t₁ ÷t₃). На этом этапе съем инверсной населенности происходит преимущественно вблизи оси резонатора, что приводит к снижению усиления вблизи оси резонатора и замедлению нарастания пика импульса. В то же время на периферии активного элемента 4, где плотность мощности значительно ниже, съем инверсной населенности существенно запаздывает и усиление практически сохраняется (кривые для моментов времени t₄÷t ₆). Это приводит к выравниванию усредненной во времени плотности мощности по сечению лазерного пучка, как показано на фиг.4. Таким образом, однородная накачка активного элемента в сочетании с выбором основных параметров активного элемента и резонатора в соответствии с соотношениями (1)-(3) дает возможность обеспечить равномерное распределение мощности по сечению выходящего лазерного пучка в моноимпульсном лазере с неустойчивым телескопическим резонатором.

При работе моноимпульсного лазера 1 тепло от активного элемента 4 отводится через отражатель 7 и далее через кондуктивный теплоотвод, образованный металлическим корпусом 12, во внешнюю систему охлаждения. Одностороннее расположение лазерных диодных линеек 6 относительно активного элемента 4 дает возможность эффективно охлаждать активный элемент 4 со всех остальных сторон. Эффективное и однородное охлаждение активного элемента 4 дополнительно способствует увеличению максимальной выходной мощности лазера 1 и равномерности распределения плотности мощности по сечению формируемого им лазерного пучка.

Излучение моноимпульсного лазера 1 направляется на зеркало 20, отклоняющее его на 45°, и поступает в обратный телескоп 17, где диаметр пучка уменьшается, например, от 1,5 до 2 раз. Выходящий из обратного телескопа 17 пучок дополнительно отклоняется на 45° зеркалом 21. Отклонение оптической оси зеркалами 20 и 21 делает устройство, показанное на фиг.1, более компактным.

Далее пучок лазерного излучения поступает на электрооптический ключ 22, который, в зависимости от напряжения, приложенного к его входу управления (не показан), поворачивает плоскость поляризации излучения на 90° или пропускает излучение без изменения его поляризации. Например, при отсутствии напряжения на входе управления электрооптический ключ 22 пропускает лазерное излучение без изменения его поляризации, а при подаче заданного напряжения управления ("полуволнового напряжения") поворачивает плоскость поляризации излучения на 90°.

Дихроичное зеркало 35 пропускает излучение с длиной волны 1 мкм внутрь кольцевого трехзеркального резонатора, где это излучение отражается дихроичным зеркалом 36 и далее зеркалом 37, последовательно проходя через все нелинейные кристаллы 34, и затем выходит из кольцевого трехзеркального резонатора через дихроичное зеркало 35 в направлении зеркала 31.

Взаимодействие излучения с длиной волны 1 мкм с нелинейными кристаллами 34 определяется направлением поляризации этого излучения. Так, в примере, показанном на фиг.1, нелинейные кристаллы установлены в такой ориентации, что излучение с направлением вектора поляризации, перпендикулярным плоскости чертежа, проходит через нелинейные кристаллы 34, по существу, без нелинейного преобразования и с малыми потерями. Таким образом, практически все излучение с таким направлением вектора поляризации, вошедшее в трехзеркальный резонатор через дихроичное зеркало 35, отражается из трехзеркального резонатора через дихроичное зеркало 35 в направлении зеркала 31. Далее это излучение, отраженное от зеркала 31, проходит через прямой телескоп 24, в котором диаметр пучка излучения увеличивается до заданного значения, которое определяется требованиями к двухволновому лазерному генератору, зависящими от конкретной области его применения. Если увеличение прямого телескопа 24 выбрано равным увеличению обратного телескопа 17, то на выходе прямого телескопа 24 будет восстановлен исходный диаметр лазерного пучка, поступающего с выхода моноимпульсного лазера 1. Далее излучение с длиной волны диапазона 1 мкм проходит поляризатор 30, служащий для дополнительной селекции излучения по поляризации, отражается от зеркала 32 и отражается от дихроичного зеркала 33 в направлении вывода лазерного излучения из двухволнового лазерного генератора (показано на фиг.1 стрелкой).

При повороте плоскости поляризации излучения с длиной волны 1 мкм на 90° посредством электрооптического ключа 22 (в примере, показанном на фиг.1 так, что вектор поляризации лежит в плоскости чертежа), излучение, проходящее через нелинейные кристаллы 34, подвергается параметрическому преобразованию, т.е. фактически поступает на вход ПГС 16 в качестве излучения накачки. Остаточная часть этого излучения, не поглощенная кристаллами 34, выходит из кольцевого резонатора через дихроичное зеркало 35, отражается зеркалом 31, проходит телескоп 24 и задерживается поляризатором 30, не поступая на выход двухволнового лазерного генератора.

Таким образом, электрооптический ключ 22 вместе с зеркалами 35-37 и 31-33 и поляризатором 30 образуют средства оптической коммутации, посредством которых излучение с длиной волны диапазона 1 мкм, генерируемое моноимпульсным лазером 1, может быть по выбору направлено или на выход двухволнового лазерного генератора, или на вход ПГС 16 для преобразования длины волны излучения. Очевидно, что в других вариантах осуществления изобретения для этой цели могут быть использованы любые другие подходящие средства оптической коммутации.

Излучение с длиной волны диапазона 1 мкм, прошедшее через зеркало 35 и поступившее на вход параметрического генератора 16 света в качестве излучения накачки (т.е. имеющее соответствующую поляризацию, в примере на фиг.1 - в плоскости чертежа), создает в нелинейных кристаллах 34 область усиления, в которой формируются сигнальный и холостой пучки света, имеющие разные длины волн. Сигнальный пучок света с длиной волны диапазона 1,5 мкм (или, в общем случае, со второй длиной волны ₂) выводится из ПГС 16 через дихроичное зеркало 36. Угловая расходимость формируемого в ПГС 16 пучка излучения с длиной волны диапазона 1,5 мкм в первом приближении прямо пропорциональна диаметру области усиления и обратно пропорциональна числу проходов сигнальной волны по кольцевому резонатору. При достаточно высокой плотности поля накачки энергетическая эффективность преобразования выходит на насыщение и практически перестает меняться с изменением плотности накачки, так что число проходов сигнальной волны по резонатору ПГС, достаточное для формирования выходного пучка, мало меняется с изменением плотности накачки. В этих условиях уменьшение диаметра пучка накачки диапазона 1 мкм, подаваемого в ПГС 16 из лазера 1, посредством обратного телескопа 17, расположенного перед ПГС 16, позволяет существенно уменьшить угловую расходимость пучка излучения с длиной волны диапазона 1,5 мкм, выводимого из ПГС 16. Результаты исследований, проведенных авторами, показали, что сжатие обратным телескопом входного пучка накачки ПГС, при условии высокой равномерности распределения мощности по поперечному сечению этого пучка накачки (что обеспечивается использованием моноимпульсного лазера, выполненного согласно изобретению, в качестве генератора накачки), дает возможность уменьшить угловую расходимость выходного излучения диапазона 1,5 мкм до величины, близкой к дифракционному пределу. В двухволновом лазерном генераторе с ПГС это позволяет достигнуть одинаковой низкой расходимости излучения на обеих длинах волн генерации.

Для достижения максимального (в типичном случае не менее 40%) коэффициента преобразования излучения диапазона 1 мкм в излучение диапазона 1,5 мкм параметры лазера 1 и обратного телескопа 17 предпочтительно выбирать такими, чтобы на входе в параметрический генератор 16 средняя плотность излучения находилась в диапазоне 100÷150 МВт/см ² (при длительности импульса в типичном случае порядка 10 нс). При этом равномерное распределение плотности мощности излучения по сечению лазерного пучка, сформированного моноимпульсным лазером 1, позволяет выровнять лучевую нагрузку на поверхности нелинейных кристаллов 34 и избежать их повреждения.

Излучение с длиной волны диапазона 1,5 мкм, выходящее из ПГС 16, проходит через прямой телескоп 23, в котором диаметр пучка излучения увеличивается до заданного значения, определяемого требованиями к двухволновому лазерному генератору, зависящими от конкретной области его применения. В случае если увеличение прямого телескопа 23 выбрано равным увеличению обратного телескопа 17, диаметр пучка излучения на выходе прямого телескопа 23 будет таким же, как диаметр исходного лазерного пучка с длиной волны диапазона 1 мкм, формируемого моноимпульсным лазером 1. Далее пучок излучения с длиной волны диапазона 1,5 мкм проходит через полуволновую фазовую пластину 29, поворачивающую плоскость его поляризации на 90°, что обеспечивает одинаковую поляризацию пучков излучения с длинами волн диапазонов 1 и 1,5 мкм на выходе двухволнового лазерного генератора. Очевидно, что в других вариантах осуществления изобретения аналогичная полуволновая фазовая пластина может быть установлена не на пути пучка диапазона 1,5 мкм, как показано на фиг.1, а на пути пучка диапазона 1 мкм между соответствующим выходом средств оптической коммутации и выходом двухволнового лазерного генератора. Затем через дихроичное зеркало 33 излучение диапазона 1,5 мкм проходит в направлении вывода лазерного излучения из двухволнового лазерного генератора.

Таким образом, путем переключения поляризации ключом 22 излучение с первой длиной волны диапазона 1 мкм, генерируемое лазером 1, может быть по выбору направлено в одну из двух параллельных ветвей, в одной из которых оно преобразуется в излучение со второй длиной волны диапазона 1,5 мкм, подаваемое на выход генератора, а в другой проходит на тот же оптический выход генератора без преобразования длины волны. В результате выполнения двухволнового лазерного генератора согласно изобретению на выходе этого генератора пучки излучения обеих длин волн имеют одинаковое направление вдоль одной оси и одинаковую поляризацию, а также, по существу, одинаковый диаметр и одинаковую угловую расходимость, близкую к дифракционному пределу. Одинаковые или близкие параметры пучков излучения на обеих длинах волн позволяют использовать единый оптический тракт для их дальнейшей обработки, которая может включать их передачу и прием.

Следует отметить, что показанная на фиг.1 оптическая схема двухволнового лазерного генератора, в которой отклонение оптической оси осуществляется посредством зеркал 20, 21, 31 и 32, приведена только в качестве примера. Очевидно, что для формирования компактного устройства и обеспечения вывода пучков излучения с первой и второй длинами волн вдоль одной оси в одном направлении могут быть использованы любые подходящие отражающие и/или преломляющие оптические элементы.

ОБОЗНАЧЕНИЯ

1 - твердотельный моноимпульсный лазер

2 - глухое зеркало оптического резонатора моноимпульсного лазера

3 - выходное зеркало оптического резонатора моноимпульсного лазера

4 - активный элемент

5 - система оптической накачки

6 - лазерные линейки или матрицы

7 - отражатель

8 - прозрачный монолитный блок

9 - отражающее покрытие

10 - иммерсионная среда

11 - просветляющее покрытие

12 - корпус (теплоотвод)

13 - теплопроводный состав

14 - электрооптический модулятор моноимпульсного лазера

15 - поляризатор

16 - параметрический генератор света (ПГС)

17 - обратный телескоп

18, 19 - линзы обратного телескопа

20, 21 - зеркала

22 - электрооптический ключ

23, 24 - прямые телескопы

25, 26, 27, 28 - линзы прямых телескопов

29 - полуволновая пластина

30 - поляризатор

31, 32 - зеркала

33 - дихроичное зеркало

34 - кристаллы КТР

35, 36 - дихроичные зеркала кольцевого резонатора ПГС

37 - глухое зеркало ПГС