ЛАЗЕР СО СКАНИРОВАНИЕМ ПУЧКА

Изобретение относится к области квантовой электроники, в частности к лазерной технике, и может быть использовано в системах лазерной локации, связи, а также в лазерных установках, предназначенных для облучения материалов мощными лазерными пучками.

Актуальной задачей современных лазерных систем со сканированием пучка, т.е. систем, изменяющих с течением времени направление следования лазерных пучков, является повышение мощности, контраста и частоты следования пучков. Такие системы находят все большее применение в радиолокации, метрологии, а также в устройствах формирования мощного электромагнитного излучения, инициируемого последовательностью импульсов лазерного излучения.

Известен лазер со сканированием пучка, включающий источник лазерного излучения, усилитель лазерного излучения, несколько резонаторов с общим активным/элементом усилителя, расположенные внутри резонаторов оптические модуляторы и поляризационные делители (R.V.Pole, R.A.Myers, J.Nunez., "Bidirectional electrically switched laser". Applied optics, January 1965, Vol.4, № 1. [1]). Лазер формирует несколько разделенных по углу и регулируемых по времени возникновения лазерных пучков.

Недостатками данного лазера являются прямая зависимость диапазона сканирования пучка от числа резонаторов, что при большом количестве направлений сканирования делает конструкцию лазера габаритной, сложной в управлении и дорогостоящей, а также сканируемый лазерный пучок обладает малой мощностью.

Известен лазер со сканированием пучка, выбранный в качестве прототипа, включающий источник лазерного излучения, резонатор, через один из оптических элементов которого осуществляется вывод сканируемого пучка, расположенные внутри резонатора усилитель лазерного излучения, модуляторы света, фазовые пластинки, поляризационные делители, а также оптические системы, возвращающие в резонатор лазерное излучение, отраженное от поляризационных делителей (С.А.Вицинский, В.Н.Алексеев, И.Л.Ловчий, В.Д.Дивин, "Сканирующий лазер", заявка на изобретение 94028977, RU, дата публикации 20.06.1996 г. [2]). Лазер формирует пучки с регулируемой мощностью, следующие друг за другом с определенной частотой и по заданным угловым направлениям. Недостатками лазера являются малые мощность и частота следования пучков.

Техническим результатом изобретения является повышение мощности и частоты следования лазерных пучков.

Этот технический результат в предлагаемом решении достигается тем, что лазер со сканированием пучка содержит источник лазерного излучения, резонатор, через один из оптических элементов которого осуществляется вывод сканируемого пучка, расположенные внутри резонатора усилитель лазерного излучения, модуляторы света, фазовые пластинки, поляризационные делители, а также, по меньшей мере, одна оптическая система, возвращающая в резонатор лазерное излучение, отраженное от одного из поляризационных делителей. Причем новым в лазере является то, что источник лазерного излучения расположен вне резонатора, резонатор выполнен по кольцевой схеме, в которой ввод излучения от источника излучения и вывод сканируемого пучка обеспечен посредством поляризационных делителей, выполняющих также функцию зеркал резонатора, при этом оптическая система задает угловое смещение возвращаемого в резонатор лазерного излучения, отраженного от одного из внутрирезонаторных поляризационных делителей.

Данная новизна обеспечит достижение технического результата при однокоординатном сканировании.

Кроме того, в резонатор введена, по крайней мере, одна дополнительная оптическая система, задающая угловое смещение возвращаемого в резонатор лазерного излучения, отраженного от другого внутрирезонаторного поляризационного делителя по независимой относительно исходной оптической системы угловой координате, что обеспечит возможность сканирования лазерного пучка с достижением технического результата при двухкоординатном сканировании.

Помимо вышеназванного лазер может отличаться тем, что перед оптическим элементом резонатора, через который выводится сканируемый пучок, установлен преобразователь поляризации пучка, что позволит обеспечить регулировку мощности сканируемого пучка.

Устройство может отличаться тем, что оптические модуляторы содержат одну переключаемую ячейку.

Покажем, каким образом достигается указанный выше технический результат.

Известно, что расположение источника и усилителя лазерного излучения внутри резонатора не позволяет формировать одновременно большую мощность и высокое качество пространственных, временных, спектральных параметров формируемого пучка. Связано это с тем, что формирование пучка высокого качества сопряжено с необходимостью создания в резонаторе условий для генерации малого числа, а в идеале одной моды. Одними из таких условий являются угловое ограничение пучка в резонаторе, а также большое число обходов пучка по резонатору. Потери излучения, возникающие при таких условиях формирования пучка, приводят к сильному ограничению мощности пучка. Применение активной среды с коротким временем существования инверсии и резонатора с малым числом обходов пучка, как описано в прототипе, также не решают проблемы формирования мощного сканируемого пучка, т.к. согласно описанию мощность излучения реализованного прототипа не превышает нескольких ватт. Описанные проблемы формирования мощного сканируемого пучка решаются в заявляемом устройстве вынесением источника лазерного излучения из оптической схемы резонатора. В этом случае в качестве источника излучения можно рассматривать любую лазерную систему, формирующую один или несколько мощных лазерных пучков с требуемыми параметрами. Следует также отметить, что прототип не может быть использован как лазер со сканированием пучка высокой мощности с внешним источником лазерного излучения, так как, во-первых, внутри резонатора прототипа осуществляется фокусировка излучения на оптические элементы (зеркало резонатора и расположенный вблизи него модулятор света), лучевая прочность которых сильно ограничивает предельную мощность излучения, и, во-вторых, заведенный в схему резонатора лазерный пучок не сможет менять свое угловое направление, т.е. сканироваться, так как схема сканирования в прототипе предполагает для каждого нового направления распространения пучка в резонаторе возникновение новой генерации пучка внутри резонатора.

Внешнее по отношению к оптической схеме резонатора положение источника лазерного излучения, обеспечивающее возможность повышения мощности сканируемого пучка, создает предпосылки к уменьшению потерь излучения и сохранению его контраста при соответствующем выборе типа резонатора. Известно, что резонаторы, выполненные по кольцевой схеме, обладают рядом преимуществ перед линейными резонаторами, а именно позволяют обеспечить более высокий контраст излучения, оптическую изоляцию и более гибко менять геометрию резонатора. Данные преимущества описаны, например, в работе (V.Yanovsky, C.Felix, G.Mourou, "Why ring regenerative amplification (regen)?", Applied Physics B74 - Lasers and Optics, S181-S183, (2002)). В связи с этим резонатор предлагаемого лазера со сканированием пучка выполнен по кольцевой схеме, предполагающей в самом общем случае наличие трех и более отражающих элементов, между которыми излучение распространяется всегда в одном направлении. Ввод излучения от источника излучения и вывод сканируемого пучка в кольцевом резонаторе проводится через поляризационные делители. Применение поляризационных делителей вместо зеркал с частичным пропусканием (прототип) позволяет уменьшить потери при вводе пучка "в схему резонатора, а также создать высокий контраст сканируемого пучка без включения в схему резонатора дополнительных поляризаторов, которые применяются, например, в схеме резонатора прототипа и приводят к потерям излучения внутри резонатора, т.е. снижению мощности пучков. Регулировать мощность сканируемого пучка при выводе его из кольцевого резонатора через поляризационный делитель можно посредством изменения состояния поляризации пучка, поэтому перед выходным поляризационным делителем резонатора может быть установлен либо пассивный (например, двулучепреломляющая пластинка), либо активный (например, вращатель Фарадея, ячейка Поккельса) преобразователь поляризации пучка.

Вышеназванные существенные признаки заявляемого устройства напрямую связаны с возможностью увеличения частоты следования лазерных пучков в процессе сканирования лазерного пучка. Из теории оптических резонаторов известно, что посредством некоторой оптической системы, расположенной внутри резонатора и задающей угловое смещение проходящего через нее пучка, можно сформировать на выходе резонатора последовательность лазерных импульсов, следующих друг за другом с определенной частотой, каждый по своему угловому направлению, причем угловые направления эквидистантно разделены некоторым угловым шагом вдоль одной угловой координаты. Частота следования импульсов в данном случае определяется временем одного полного обхода излучения по резонатору и оптической системе.

Если использовать несколько оптических систем, расположенных внутри резонатора и задающих угловое смещение проходящего через них пучка, причем каждая по своей угловой координате, тогда, управляя последовательностью заведения пучка в данные оптические системы, можно на каждом обходе пучка по резонатору изменять его направление распространения на выходе резонатора по различным угловым координатам. В связи с этим в предлагаемом устройстве изменение углового направления распространения пучка, т.е. его сканирование, осуществляется посредством оптических систем, расположенных внутри резонатора и задающих угловое смещение возвращаемого в резонатор лазерного излучения, отраженного от внутрирезонаторных поляризационных делителей. Такая схема сканирования обладает очень высокой частотой изменения углового направления распространения пучка, которая определяется временем одного полного обхода пучка по резонатору и соответствующей оптической системе. Роль оптических элементов, отвечающих за изменение углового направления распространения пучка, могут играть, например, повернутые на заданный угол зеркала или клиновидные пластинки.

Известно, что управлять заведением пучка в оптические системы, расположенные по ходу следования лазерного пучка, отраженного от поляризационных делителей, можно посредством оптических модуляторов и фазовых пластинок, которые совместно изменяют состояние поляризации пучка. Оптические модуляторы, применяемые для заведения пучка в оптические системы в схеме резонатора прототипа, содержат большое количество переключаемых ячеек, так как в первую очередь отвечают за изменение углового направления распространения пучка в резонаторе. Управление подачей напряжения на ячейки таких оптических модуляторов осуществляется с помощью программируемого устройства, поэтому применяемые оптические модуляторы обладают сравнительно малой частотой переключения ячеек. Например, частота сканирования лазерного пучка на выходе резонатора прототипа ограничена десятками килогерц.

В заявленном устройстве изменение углового направления распространения пучка осуществляется посредством оптических систем, задающих угловое смещение возвращаемого в резонатор лазерного излучения, отраженного от внутрирезонаторных поляризационных делителей, поэтому оптические модуляторы используются только для заведения пучка в соответствующие оптические системы и могут содержать одну переключаемую ячейку. Под переключением ячейки подразумевается формирование электрического, магнитного полей либо других факторов, под действием которых оптический модулятор изменяет состояние поляризации проходящего через него пучка. Применение оптических модуляторов с одной переключаемой ячейкой позволяет работать с пучками значительно большей апертуры, а значит, с большей мощностью и позволяет применять упрощенную, одноканальную схему управления.

На фиг.1 изображена принципиальная схема предлагаемого лазера со сканированием пучка. На фиг.2 показан порядок формирования пучков в угловой матрице посредством варианта реализации устройства.

Принципиальная схема предлагаемого лазера со сканированием пучка показана на фиг.1, где 1 - источник лазерного излучения, 2 - поляризационный делитель, через который осуществляется ввод пучка в кольцевой резонатор от источника излучения, 3, 6 - блок, включающий оптические модуляторы и фазовые пластинки, посредством которых управляют заведением пучка в оптические системы, 4, 7 - внутрирезонаторные поляризационные делители, 5, 8 - оптические системы, возвращающие в резонатор лазерное излучение, 9 - усилитель лазерного излучения, 10 - преобразователь поляризации пучка, 11 - поляризационный делитель, осуществляющий вывод сканируемого пучка из кольцевого резонатора, 12, 13 - зеркала. Кольцевой резонатор образован поляризационными делителями 2 и 11, а также зеркалами 12 и 13.

Лазер работает следующим образом. Лазерный пучок с заданными параметрами, сформированный источником лазерного излучения 1, заводится в кольцевой резонатор через поляризационный делитель 2. После совершения пучком одного полного обхода по резонатору, отражаясь от поляризационного делителя 11, зеркал 12, 13 и поляризационного делителя 2, оптический модулятор блока 3 переключает свою ячейку и совместно с фазовыми пластинками блока 3 меняет поляризацию пучка на ортогональную. Пучок после изменения поляризации отражается от внутрирезонаторного поляризационного делителя 4 и заводится в оптическую систему 5, которая возвращает пучок в резонатор и задает его угловое смещение по одной угловой координате. При всех последующих обходах по резонатору пучок поступает в одну и ту же оптическую систему 5, которая, каждый раз возвращая пучок в резонатор, меняет его направление распространения на заданный угол, тем самым на выходе резонатора обеспечивается сканирование пучка по одной угловой координате. Следует отметить, что схема кольцевого резонатора может быть организована так, что пучок будет заводиться в оптическую систему 5, начиная с первого обхода резонатора, без переключения ячейки оптического модулятора 3. На каждом обходе резонатора, включая первый, пучок проходит преобразователь поляризации пучка 10 и, меняя свою поляризацию, частично выводится из кольцевого резонатора через поляризационный делитель 11. Посредством настройки преобразователя поляризации излучения 10, а также подобрав режим работы усилителя 9, можно формировать пучки либо с увеличивающейся, либо с уменьшающейся, либо с постоянной энергией.

При двухкоординатном сканировании после совершения заданного числа обходов по резонатору, включая оптическую систему 5 и сформировав на выходе резонатора требуемое количество пучков вдоль одной угловой координаты, оптический модулятор блока 3 возвращает состояние своей ячейки в исходное, и пучок проходит через внутрирезонаторный поляризационный делитель 4, не отражаясь в оптическую схему 5. К моменту прохода излучения через внутрирезонаторный поляризационный делитель 4 оптический модулятор блока 6 переключает свою ячейку и совместно с фазовыми пластинками блока 6 изменяет состояние поляризации пучка на ортогональную, что приводит к отражению пучка внутрирезонаторным поляризационным делителем 7 в следующую (дополнительную) оптическую систему 8, задающую угловое смещение возвращаемого в резонатор пучка по другой угловой координате. Таким образом, посредством предлагаемого лазера можно сформировать, например, угловую матрицу пучков размером m×n, где m и n - число пучков в матрице вдоль двух угловых координат, пучки вдоль одной из координат чередуются с определенным угловым шагом, а вдоль другой координаты - с другим угловым шагом. Минимальный временной интервал следования пучков вдоль одной из угловых координат определяется временем одного полного обхода излучения по резонатору, включая время прохода по соответствующей оптической системе, т.е. при общей длине резонатора и оптической системы ≈3 м временной интервал между следованием пучков на выходе резонатора ≈10 нс, следовательно, пучок будет сканироваться с частотой ≈100 МГц.

Следует также отметить, что посредством третьей, четвертой и т.д. оптических систем можно, например, сформировать несколько угловых матриц пучков, разделенных между собой по определенному угловому закону.

Представленный на фиг.2 порядок формирования пучков в угловой матрице показывает возможность формирования угловых матриц пучков.

Создан лазерный стенд, на котором экспериментально подтверждена работоспособность данного устройства как при однокоординатном, так и при двухкоординатном сканировании лазерного пучка. Оптические системы, задающие угловое смещение возвращаемого в резонатор лазерного излучения, отраженного от внутрирезонаторных поляризационных делителей, представляли собой совокупность зеркал, посредством изменения наклона которых задавалось угловое смещение возвращаемого в резонатор излучения по заданной угловой координате. Длина кольцевого резонатора, включая каждую оптическую систему, составляет 3 м, временной интервал следования пучков в угловой матрице - 10 нс, т.е. частота сканирования пучка 100 МГц, что в 5000 раз превосходит заявленные возможности прототипа. Длительность каждого импульса составляет 30 пс, энергия - 0,5 Дж, т.е. мощность сканируемого пучка ≈17 ГВт при апертуре пучка ⌀15 мм.

Изобретение найдет применение в системах радиолокации, метрологии, а также в устройствах формирования мощного электромагнитного излучения, инициируемого последовательностью импульсов лазерного излучения.