RU162310U1

RU162310U1 - PULSE SOLID LASER

Info

Publication number: RU162310U1
Application number: RU2015150311/28U
Authority: RU
Inventors: Алексей Андреевич Барышников; Александр Иванович Ляшенко
Priority date: 2015-11-25
Filing date: 2015-11-25
Publication date: 2016-06-10

Abstract

Импульсный твердотельный лазер, содержащий резонатор, образованный глухим и частично отражающим зеркалами, между которыми в направлении оптической оси резонатора от глухого зеркала к частично отражающему последовательно установлены электрооптический элемент с рабочими гранями под углом Брюстера, пластина-поляризатор, задающая линейную поляризацию излучения в резонаторе в горизонтальной плоскости, активный элемент из оптически изотропного лазерного кристалла, отличающийся тем, что в резонаторе между активным элементом и частично отражающим зеркалом дополнительно последовательно установлены вращатель плоскости поляризации на 90°, вторая пластина-поляризатор, поворотное зеркало, разворачивающее оптическую ось резонатора в обратном направлении по нормали к частично отражающему зеркалу, за которым установлено второе поворотное зеркало, направляющее излучение на первую пластину-поляризатор, отражающую излучение в активный элемент.A pulsed solid-state laser containing a resonator formed by a blind and partially reflecting mirrors, between which in the direction of the optical axis of the resonator from a blind mirror to a partially reflecting one, an electro-optical element with working faces at a Brewster angle, a polarizer plate, which sets the linear polarization of radiation in the cavity in horizontal plane, an active element from an optically isotropic laser crystal, characterized in that in the cavity between the active element and partially an additional rotational plane of polarization by 90 °, a second polarizing plate, a rotary mirror turning the optical axis of the resonator in the opposite direction normal to the partially reflecting mirror, behind which a second rotary mirror is installed, directing radiation to the first polarizing plate, which reflects radiation into the active element.

Description

Полезная модель относится к лазерной технике, в частности к твердотельным импульсным лазерам, работающим в режиме модуляции добротности резонатора.The utility model relates to laser technology, in particular to solid-state pulsed lasers operating in the modulation mode of the quality factor of the resonator.

Импульсные твердотельные лазеры с модуляцией добротности резонатора, как генераторы мощных импульсов узконаправленного излучения в наносекундном диапазоне длительностей импульсов в ИК спектральном диапазоне, широко применяются в научно-прикладных исследованиях, в медицине, в системах экологического мониторинга окружающей среды, в технологических установках и т.д.Pulsed solid-state lasers with Q-switching of the resonator, as generators of powerful pulses of narrow radiation in the nanosecond range of pulse durations in the IR spectral range, are widely used in scientific and applied research, in medicine, in environmental monitoring systems, in technological installations, etc.

В настоящее время в качестве лазеров ИК диапазона часто используются лазеры на оптически изотропных кристаллах, содержащих ионы неодима (АИГ:Nd, ГСГГ:Cr, Nd, ИСГГ:Cr, Nd и т.д.).Currently, lasers based on optically isotropic crystals containing neodymium ions are often used as IR lasers (AIG: Nd, GHGH: Cr, Nd, YHGH: Cr, Nd, etc.).

Для модуляции добротности резонатора используются затворы на основе электрооптических элементов из кристаллов DKDP, LiNbO₃, RTP, КТР или пассивные затворы из кристаллов АИГ:Cr, ГСГГ:Cr.To modulate the Q-factor of the resonator, gates based on electro-optical elements from DKDP, LiNbO ₃ , RTP, KTP crystals or passive gates from AIG: Cr, GHAH: Cr crystals are used.

Известен импульсный твердотельный лазер, содержащий резонатор, образованный частично отражающим и глухим зеркалами, внутри которого установлены активный элемент из АИГ:Nd, поляризатор и электрооптический элемент [1].Known pulsed solid-state laser containing a resonator formed by partially reflecting and dull mirrors, inside which are installed an active element from AIG: Nd, a polarizer and an electro-optical element [1].

Предельная выходная энергия импульсного излучения данного лазера зависит как от площади поперечного сечения активного элемента, так и от предельной плотности энергии в поперечном сечении пучка излучения, которая ограничивается величиной лучевой прочности самого нестойкого к излучению компонента оптической схемы резонатора лазера. Наиболее подверженным оптическому пробою лазерным излучением в резонаторе является электрооптический элемент в форме прямоугольного параллелепипеда. Для уменьшения лучевой нагрузки на электрооптический элемент ниже порога его разрушения в качестве выходного зеркала применяют более прозрачное (по сравнению с оптимальным) зеркало, что снижает предельную выходную энергию импульса лазерного излучения.The limiting output energy of the pulsed radiation of a given laser depends both on the cross-sectional area of the active element and on the limiting energy density in the cross section of the radiation beam, which is limited by the radiation strength of the most unstable component of the optical structure of the laser cavity. The most prone to optical breakdown by laser radiation in the cavity is an electro-optical element in the form of a rectangular parallelepiped. To reduce the radiation load on the electro-optical element below the threshold of its destruction, a more transparent (as compared to the optimal) mirror is used as the output mirror, which reduces the ultimate output energy of the laser pulse.

Эффективным способом уменьшения лучевой нагрузки является применение электрооптического элемента из более стойкого к излучению нелинейного кристалла или элемента со скошенными под углом Брюстера рабочими гранями.An effective way to reduce radiation exposure is to use an electro-optical element made of a more radiation-resistant nonlinear crystal or an element with working faces slanted at the Brewster angle.

Наиболее близкими к предлагаемому лазеру является импульсный твердотельный лазер, содержащий резонатор, образованный глухим и частично отражающим зеркалами, между которыми в направлении оптической оси резонатора от глухого зеркала к частично отражающему последовательно установлены электрооптический элемент с рабочими гранями под углом Брюстера, пластина-поляризатор, задающая линейную поляризацию в горизонтальной плоскости, активный элемент из оптически изотропного лазерного кристалла [2].The closest to the proposed laser is a pulsed solid-state laser containing a resonator formed by a deaf and partially reflecting mirrors, between which in the direction of the optical axis of the resonator from a deaf mirror to a partially reflecting one, an electro-optical element with working faces at an angle of Brewster, a polarizing plate defining a linear polarization in the horizontal plane, an active element from an optically isotropic laser crystal [2].

В этом лазере размер поперечного сечения пучка излучения в плоскости падения на рабочую грань электрооптического элемента увеличивается в n раз, где n - показатель преломления кристалла, из которого изготовлен элемент. Во столько же раз может быть увеличена предельная энергия импульсов излучения лазера, что практически исчерпывает возможности данной оптической схемы лазера.In this laser, the cross-sectional size of the radiation beam in the plane of incidence on the working face of the electro-optical element increases n times, where n is the refractive index of the crystal from which the element is made. The limit energy of laser radiation pulses can be increased by the same amount of times, which practically exhausts the possibilities of this optical laser circuit.

Задачей настоящей полезной модели лазера является увеличение предельной выходной энергии импульса излучения лазера с выбранной элементной базой компонентов резонатора за счет новой оптической схемы лазера.The objective of this useful laser model is to increase the limiting output energy of a laser pulse with a selected element base of the cavity components due to a new laser optical scheme.

Поставленная задача решается за счет того, что в импульсном твердотельном лазере, содержащем резонатор, образованный глухим и частично отражающим зеркалом, между которыми в направлении оптической оси резонатора от глухого зеркала к частично отражающему последовательно установлены электрооптический элемент с рабочими гранями под углом Брюстера, пластина-поляризатор, задающая линейную поляризацию излучения в резонаторе в горизонтальной плоскости, активный элемент из оптически изотропного лазерного кристалла, в резонатор между активным элементом и частично отражающим зеркалом дополнительно последовательно установлены вращатель плоскости поляризации на 90 градусов, вторая пластина-поляризатор, поворотное зеркало, разворачивающее оптическую ось резонатора в обратном направлении по нормали к частично отражающему зеркалу, за которым установлено второе поворотное зеркало, направляющее излучение на первую пластину-поляризатор, отражающую излучение в активный элемент.The problem is solved due to the fact that in a pulsed solid-state laser containing a resonator formed by a deaf and partially reflecting mirror, between which in the direction of the optical axis of the resonator from the deaf mirror to the partially reflecting one there is an electro-optical element with working faces at an angle of Brewster, a polarizing plate , which sets the linear polarization of radiation in the cavity in the horizontal plane, an active element from an optically isotropic laser crystal, into the cavity between the active an additional element and a partially reflecting mirror are additionally sequentially mounted with a rotator of the plane of polarization by 90 degrees, a second polarizing plate, a rotary mirror, which reverses the optical axis of the resonator in the normal direction to the partially reflecting mirror, behind which a second rotary mirror is installed, directing radiation to the first plate -polarizer, reflecting radiation into the active element.

Как следует из энергетического расчета предлагаемой модели лазера на основе балансных уравнений, использование дополнительных элементов: 90-градусного вращателя плоскости поляризации, второй пластины-поляризатора, двух поворотных зеркал, обеспечивающих дополнительный проход излучением активного элемента, минуя электрооптический элемент, позволяет в

раз снизить лучевую нагрузку на электрооптический элемент. При коэффициенте отражения частично отражающего зеркала R=0.25, который для мощных лазеров на АИГ:Nd близок оптимальному, снижение нагрузи на электрооптический элемент происходит в 2 раза, что позволит в 2 раза увеличить предельную выходную энергию импульса излучения предлагаемого лазера в сравнении с лазером-прототипом [2] без разрушения (оптического пробоя) электрооптического элемента.As follows from the energy calculation of the proposed laser model on the basis of balance equations, the use of additional elements: a 90-degree polarization plane rotator, a second polarizing plate, two rotary mirrors that provide an additional pass through the radiation of the active element, bypassing the electro-optical element, allows

times reduce the radiation load on the electro-optical element. When the reflection coefficient of the partially reflecting mirror is R = 0.25, which is close to optimal for high-power AIG: Nd lasers, the load on the electro-optical element is reduced by a factor of 2, which will allow a 2-fold increase in the ultimate output pulse energy of the proposed laser compared to the prototype laser [2] without destruction (optical breakdown) of the electro-optical element.

Оптическая схема резонатора предлагаемого лазера представлена на чертеже.The optical resonator circuit of the proposed laser is presented in the drawing.

Резонатор образован глухим зеркалом 1 и частично отражающим 2, содержит электрооптический элемент с рабочими гранями под углом Брюстера 3, пластину-поляризатор 4, активный элемент 5 из оптически изотропного кристалла, вращатель плоскости поляризации на 90 градусов 6, вторую пластину-поляризатор 7, поворотное зеркало 8 и второе поворотное зеркало 9.The resonator is formed by a blind mirror 1 and partially reflecting 2, contains an electro-optical element with working faces at a Brewster angle 3, a polarizing plate 4, an active element 5 made of an optically isotropic crystal, a polarization plane rotator 90 degrees 6, a second polarizing plate 7, a rotary mirror 8 and the second rotary mirror 9.

В качестве электрооптического элемента могут быть использованы элементы с рабочими гранями под улом Брюстера из кристаллов DKDP или LiNbO₃.As an electro-optical element, elements with working faces under the Brewster angle of DKDP or LiNbO ₃ crystals can be used.

В качестве пластин-поляризаторов 4, 7 могут использоваться стеклянные пластины с многослойными диэлектрическими покрытиями на одной стороне при углах падения излучения 56…59 градусов.As the polarizing plates 4, 7, glass plates with multilayer dielectric coatings on one side can be used at angles of incidence of radiation of 56 ... 59 degrees.

В качестве активного элемента могут быть использованы элементы из оптически изотропных кристаллов АИГ:Nd, ГСГГ:Cr, Nd, ИСГГ:Cr, Nd и другие.As an active element, elements from optically isotropic crystals of AIG: Nd, GHA: Cr, Nd, ISGG: Cr, Nd, and others can be used.

В качестве 90-градусного вращателя может использоваться элемент из оптически активного кристаллического кварца.An element of optically active crystalline quartz can be used as a 90-degree rotator.

Предлагаемый лазер работает следующим образом. В импульсно-периодическом режиме за время каждого импульса накачки при «закрытом» электрооптическом затворе, образованным электрооптическим элементом 3, пластиной-поляризатором 4 и глухим зеркалом 1, происходит накопление инверсной населенности ионов Nd в активном элементе 5. При подаче импульса высокого напряжения на электроды электрооптического элемента в момент времени, соответствующий максимуму накопленной инверсной населенности, затвор «открывается» и в резонаторе лазера генерируется короткий (~10 нс) и мощный импульс излучения.The proposed laser operates as follows. In the pulse-periodic mode during each pump pulse with a “closed” electro-optical shutter formed by an electro-optical element 3, a polarizing plate 4 and a blind mirror 1, the inverse population of Nd ions accumulates in the active element 5. When a high voltage pulse is applied to the electro-optical electrodes of an element at a time corresponding to the maximum of the accumulated inverse population, the gate “opens” and a short (~ 10 ns) and powerful radiation pulse is generated in the laser cavity.

Плоскость поляризации излучения, проходящего по нормали к частично отражающему зеркалу 2, ортогональна к плоскости чертежа после поворота на 90 градусов во вращателе 6 и поворота зеркалом 8.The plane of polarization of the radiation passing along the normal to the partially reflecting mirror 2 is orthogonal to the plane of the drawing after turning 90 degrees in the rotator 6 and turning the mirror 8.

Вышедшее из зеркала 2 излучение направляется поворотным зеркалом 9 и пластиной-поляризатором 4 в активный элемент 5 для дополнительного усиления и поворота вертикальной поляризации на горизонтальную во вращателе 6.The radiation emerging from the mirror 2 is directed by the rotary mirror 9 and the polarizing plate 4 into the active element 5 for additional amplification and rotation of the vertical polarization to horizontal in the rotator 6.

В результате поляризованное в горизонтальной плоскости излучение без отражения проходит пластину-поляризатор 7 и выходит из лазера.As a result, radiation polarized in the horizontal plane without reflection passes through the polarizing plate 7 and leaves the laser.

Результаты испытаний макета лазера с активным элементом из АИГ:Nd³⁺ размером ⌀5·100 мм в импульсно-периодическом режиме с частотой повторения 10 Гц с электрооптической модуляцией добротности резонатора затвором на основе элемента из LiNbO₃ с рабочими гранями под углом Брюстера подтверждают эффективность предложенного устройства лазера.The test results of a laser model with an active element from AIG: Nd ^{3+ with a} size of ⌀5 · 100 mm in a pulse-periodic mode with a repetition rate of 10 Hz with electro-optical modulation of the cavity Q factor with a gate based on an element of LiNbO ₃ with working faces at the Brewster angle confirm the effectiveness of the proposed laser devices.

В сравнении с прототипом предлагаемый лазер генерирует импульсы излучения с энергией до 180 мДж, что в 2 раза превышает по энергии предельные параметры прототипа.In comparison with the prototype, the proposed laser generates radiation pulses with an energy of up to 180 mJ, which is 2 times higher than the energy limit parameters of the prototype.

Источники информацииInformation sources

1. Г.М. Зверев, Ю.Д. Голяев. Лазеры на кристаллах и их применение. М. «Радио и связь», «Рикел», 1994, с. 237.1. G.M. Zverev, Yu.D. Golyaev. Crystal lasers and their application. M. "Radio and communications", "Rickel", 1994, p. 237.

2. Д.Г. Калинин, В.Л. Наумов, В.А. Пашков, А.М. Онищенко. Электрооптические затворы из ниобата лития для лазеров на алюмоиттриевом гранате с неодимом. Электронная техника. Серия II. Лазерная техника и оптоэлектроника, 1979, №2 (8), с. 49. - прототип.2. D.G. Kalinin, V.L. Naumov, V.A. Pashkov, A.M. Onishchenko. Electro-optical gates of lithium niobate for neodymium-aluminum yttrium garnet lasers. Electronic equipment. Series II. Laser technology and optoelectronics, 1979, No. 2 (8), p. 49. - prototype.

Claims

A pulsed solid-state laser containing a resonator formed by a blind and partially reflecting mirrors, between which in the direction of the optical axis of the resonator from a blind mirror to a partially reflecting one, an electro-optical element with working faces at a Brewster angle, a polarizer plate, which sets the linear polarization of radiation in the cavity in horizontal plane, an active element from an optically isotropic laser crystal, characterized in that in the cavity between the active element and partially an additional rotational plane of polarization by 90 °, a second polarizing plate, a rotary mirror turning the optical axis of the resonator in the opposite direction normal to the partially reflecting mirror, behind which a second rotary mirror is installed, directing radiation to the first polarizing plate, which reflects radiation into the active element.