Результат интеллектуальной деятельности: ИМПУЛЬСНЫЙ ДВУХРЕЖИМНЫЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР

Изобретение относится к импульсным твердотельным лазерам, работающим в режиме активной модуляции добротности с возможностью генерации на двух фиксированных длинах волн, в том числе в безопасном для человеческого глаза диапазоне. Изобретение может быть применено в лазерных дальномерах, излучающих в безопасном для глаз диапазоне, в лазерных целеуказателях, для накачки параметрических генераторов.

Наибольший практический интерес представляет генерация безопасного для глаз излучения в интервале λ=1,53…1,55 мкм с возможностью генерации и на основной длине λн=1,064 мкм. Длина волны безопасного диапазона получается как первая стоксовая компонента излучения 1,32-1,35 мкм лазеров на кристаллических активных элементах, например ИАГ:Nd³⁺, КГВ:Nd³⁺.

Известен импульсный твердотельный лазер с преобразованием длины волны излучения на вынужденном комбинационном рассеянии (см. 1. Патент на изобретение РФ №2115983, М.кл. H01S 3/30, опубл. 20.07.1998 г.), содержащий в резонаторе, образованном глухим зеркалом, полностью отражающим излучение с длиной волны первой стоксовой компоненты и максимально пропускающим излучение с длинами волн, соответствующими нерабочим переходам активного элемента, и выходным зеркалом, полностью отражающим излучение, генерируемое на длине волны рабочего перехода активного элемента, частично пропускающим излучение на длине волны первой стоксовой компоненты и максимально пропускающим излучение с длинами волн, соответствующими нерабочим переходам активного элемента и второй стоксовой компоненты, модулятор добротности, выполненный на основе электрооптического элемента и поляризатора или на основе насыщающегося фильтра со временем релаксации, превышающим более чем на порядок время обхода резонатора, и максимально пропускающий излучение с длиной волны первой стоксовой компоненты, и кристаллический активный элемент из калий-гадолиниевого вольфрамата (КГВ), активированный ионами неодима, преобразующий генерируемую на рабочем переходе длину волны излучения λг=1,351 мкм в стоксовые компоненты (ВКР-преобразование), в том числе первую стоксовую компоненту λс=1,54 мкм.

Однако в данном лазере сложно изготовить селективные зеркала резонатора, имеющие минимальный (менее 1%) коэффициент отражения для основной длины волны излучения λн=1,067 мкм и максимальный (более 99%) коэффициент отражения для длин волн λ=1,351 мкм и λс=1,54 мкм. Кроме того, лазер не может генерировать на основной длине волны с более высокой энергией излучения.

Известен импульсный твердотельный двухчастотный лазер (см.2. патент на изобретение РФ №2227950, M.кл. H01S 3/107, опубл. 27.04.2004 г.), содержащий в двух резонаторах с общим выходным зеркалом активный элемент с ВКР-преобразованием (в конкретном случае КГВ:Nd³⁺), затвор на эффекте нарушения полного внутреннего отражения, по пути прямого и отраженного луча которого расположены поляризатор, электрооптический элемент, два «глухих» для длины волны излучения λс и прозрачных для излучения с длиной λн зеркала, концевой элемент резонатора для длины волны излучения λн.

Данный лазер позволяет работать с высокой эффективностью как на основной длине волны излучения λн, так и на безопасной для глаз длине волны λс=1,54 мкм.

Однако конструкция лазера сложна и его резонаторы недостаточно устойчивы к разъюстировкам из-за климатических и механических воздействий.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является выбранный в качестве прототипа твердотельный лазер (см. 3. Патент на изобретение РФ №2187868, М.кл. H01S 3/08, опубл. 20.08.2002 г.), содержащий поворотную двухгранную прямоугольную призму для излома оси резонатора, активный элемент, лампу накачки, клиновый компенсатор, вторую двухгранную прямоугольную призму, составляющую с выходным зеркалом единый концевой элемент резонатора с изломом оси резонатора, причем ребра призм при двухгранных преломляющих углах взаимно перпендикулярны, а ребро второй призмы, выполняющей роль глухого зеркала, перпендикулярно плоскости, проходящей через оси лампы накачки и активного элемента.

Известное устройство, обеспечивая высокую устойчивость к температурным и механическим воздействиям при работе на длине волны излучения λн, не имеет возможности генерации на безопасной для глаз длине волны излучения λс.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей лазера путем обеспечения его работы как в безопасном для глаз диапазоне волн, так и на длине волны излучения основного перехода λн в широком диапазоне температурных и механических воздействий.

Указанный технический результат достигается тем, что в лазере, содержащем первую двухгранную прямоугольную призму для излома оси резонатора, активный элемент (АЭ), клиновый компенсатор, вторую двухгранную прямоугольную призму, составляющую с выходным зеркалом единый концевой элемент резонатора, причем ребра призм при двухгранных преломляющих углах взаимно перпендикулярны, согласно изобретению между АЭ, который выполнен с ВКР-преобразованием, и второй двухгранной прямоугольной призмой дополнительно установлены две плоскопараллельные пластины (ПП), размещенные под углом 90° относительно друг друга, и пассивный лазерный затвор (ПЛЗ₁), установленный между первой двухгранной прямоугольной призмой и АЭ с возможностью их ввода/вывода из оптической оси резонатора, на входные поверхности ПП и ПЛ31 нанесено оптическое покрытие, минимально отражающее излучение для рабочих длин волн и максимально отражающее излучение для нерабочих длин волн, при этом ПЛЗ₁ наклонен относительно торца АЭ на угол α>d/L, где L - расстояние от АЭ до ПЛЗ₁, d - диаметр АЭ, а плоскопараллельные пластины и первый пассивный лазерный затвор (ПЛЗ₁) выполнены с возможностью вывода из резонатора с одновременным вводом в резонатор второго пассивного лазерного резонатора (ПЛЗ₂).

Для обеспечения возможности ввода/вывода ПП, ПЛЗ₁ и ПЛЗ₂ предлагаемый лазер снабжен исполнительными механизмами.

Введение между АЭ, который выполнен с ВКР-преобразованием, и второй двухгранной прямоугольной призмой двух плоскопараллельных пластин, установленных под углом 90° относительно друг друга, с нанесенным на входные грани оптическим покрытием, минимально (не более 0,5%) отражающим излучение для рабочих длин волн и отражающим (не менее 70%) излучение для нерабочих длин волн, а также введение между АЭ и первой двухгранной прямоугольной призмой пассивного лазерного затвора ПЛЗ₁, наклоненного относительно торца АЭ на угол α>d/L с нанесенным на входные грани оптическим покрытием, минимально (не более 0,5%) отражающим излучение для рабочих длин волн и максимально (не менее 90%) отражающим излучение для нерабочих длин волн, позволяет реализовать в лазере режим генерации на безопасной для глаз длине волны излучения.

Предлагаемое место установки плоскопараллельных пластин и первого пассивного лазерного затвора относительно активного элемента и наличие на их рабочих гранях оптического покрытия, отражающего излучение на нерабочей длине (в данном случае для АЭ из КГВ λн=1,067 мкм), исключает повторное попадание паразитного излучения на длине λн на АЭ, позволяя тем самым накапливать инверсную населенность, необходимую для развития генерации на безопасной для глаз длине волны.

Расположение двух плоскопараллельных пластин под углом 90° друг к другу исключает смещение осевого пучка относительно ребра второй двухгранной прямоугольной призмы в случае вывода плоскопараллельных пластин из резонатора для обеспечения работы в режиме генерации на длине волны λн при вводе второго пассивного лазерного затвора ПЛЗ₂. Таким образом, положение ребра А (см.чертеж) всегда остается по центру АЭ, обеспечивая при этом правильную форму пучка излучения и равномерность прокачки АЭ.

На чертеже приведена оптическая схема устройства.

Согласно чертежу предлагаемый импульсный двухрежимный твердотельный лазер состоит из последовательно установленных концевого элемента, представляющего собой оптическую склейку второй двухгранной прямоугольной призмы 1(БР-180°), выполняющей роль «глухого» зеркала и выходного зеркала 2, двух плоскопараллельных пластин 3, установленных под углом 90° друг к другу, активного элемента (АЭ) 4 с ВКР-преобразованием, лампы накачки 5, клинового компенсатора 6, первого пассивного лазерного затвора (ПЛЗ₁) 7 для длины волны λс=1,54 мкм, второго пассивного лазерного затвора (ПЛЗ₂) 8 для длины волны λн=1,067 мкм и первой прямоугольной призмы 9 (БР-180°) для излома оси резонатора.

Работа устройства происходит следующим образом.

а) Режим генерации излучения на длине волны λс

Во время действия импульса накачки в активном элементе 4 с ВКР-преобразованием создается инверсная населенность. Спонтанное излучение, выходящее из торцов активного элемента 4 с ВКР-преобразованием (например, КГВ:Nd³⁺) на наиболее эффективной длине волны излучения λн=1,067 мкм, попадая на плоскопараллельные пластины 3 и на пассивный лазерный затвор 6, наклоненный относительно торца АЭ на угол α>d/L, за счет большого коэффициента отражения выводится из резонатора и не попадает на АЭ. В результате в резонаторе создаются условия для развития генерации на длине волны λг=1,351 мкм. При достижении плотности излучения, необходимой для просветления (открытия) пассивного лазерного затвора 6, в резонаторе возникает моноимпульсное излучение с длиной волны λг=1,351 мкм. Частотный сдвиг в активном элементе 4 с ВКР-преобразованием, равный Δ(λ)^-1=901 см^-1, приводит к возникновению в резонаторе излучения на первой стоксовой компоненте λс=1,54 мкм, которое через частично прозрачное для данной длины волны излучения выходное зеркало 2 выводится из резонатора лазера.

б) Режим генерации излучения на длине волны λн

При подаче команды на переход в режим генерации на длине волны генерации λн исполнительный механизм (например, шаговый двигатель, не показанный на чертеже) выводит плоскопараллельные пластины 3 и пассивный лазерный затвор ПЛЗ₁₆ с одновременным вводом в резонатор ПЛЗ₂ 8. Так как установленные под углом 90° друг к другу плоскопараллельные пластины 3 не смещают лучи относительно оптической оси резонатора, резонатор не разъюстируется и его добротность не изменяется из-за ввода-вывода пластин и ПЛЗ.

При воздействии импульса накачки в активном элементе 4 с ВКР-преобразованием создается инверсная населенность. Излучение, выходящее из торцов активного элемента, отразившись от призмы 1 (БР-180), повторно проходя активный элемент 4 и усилившись, начинает просветлять ПЛЗ₂ 8. Энергия генерации импульса излучения будет расти с ростом начального пропускания пассивного лазерного затвора 8 (ПЛЗ₂). Ограничение на время релаксации ПЛЗ обеспечивает генерацию моноимпульса длительностью в наносекундном диапазоне на длине волны λн.

Одной из важнейших особенностей предлагаемого лазера является то, что без существенного изменения оптической схемы может осуществляться генерация лазерного излучения с различными длинами волн на одном и том же активном элементе с высоким КПД как на основной длине волны излучения, так и в безопасном для глаз диапазоне длин волн λc=1,53…1,55 мкм.

В конкретном варианте выполнения твердотельного лазера использовался активный элемент из КГВ:Nd³⁺ диаметром 3,5 мм и длиной 50 мм, установленный в лейкосапфировую трубку для обеспечения оптимального режима термостабилизации при предельно допустимом режиме работы с частотами следования импульсов излучения до 10 Гц. В качестве пассивного лазерного затвора 6 для длины волны λс использовался кристалл YAG:V³⁺ с начальным пропусканием Т₀>50%, для длины волны λн в качестве пассивного лазерного затвора 8 использовался кристалл YAG:Cr⁴⁺ с начальным пропусканием Т₀>20%. Клиновый компенсатор выполнен в виде оптического клина с углом при вершине 5 угл. мин. В качестве исполнительного механизма применен шаговый двигатель AM1524-2R-A-0,25-12,5-55+16/7 фирмы Fauihaber.

Коэффициент отражения выходного зеркала 2 для длины волны излучения λc=1,54 мкм соответствовал R=50%, для длины волны излучения λн=1,067 мкм R=15% и R=99,5% для λ=1,35 мкм (переход ⁴F_3/2-⁴I_13/2). Коэффициенты отражения оптического покрытия для длины волны λ=1,067 мкм, нанесенного на плоскопараллельные пластины, - R>70%. Коэффициенты отражения оптического покрытия на ПЛЗ₁ из кристалла YAG:V³⁺ для длины волны λ=1,067 мкм - R≥90%, коэффициент поглощения оптического покрытия, нанесенного на торцы активного элемента и рабочие поверхности призм БР-180, соответствовал ρ<0,5% для длин волн λг=1,35 мкм и λс=1,54 мкм.

При энергии накачки 6 Дж с помощью лампы ИНП2-35А в режиме основной генерации на длине волны λн=1,067 мкм получена энергия моноимпульса 25 мДж, а на безопасной для глаз длине волны λс=1,54 мкм - энергия генерации 10 мДж.