RU203208U1

RU203208U1 - Моноимпульсный твердотельный лазер

Info

Publication number: RU203208U1
Application number: RU2020127841U
Authority: RU
Inventors: Екатерина Максимовна Володина; Александр Иванович Ляшенко
Priority date: 2020-08-20
Filing date: 2020-08-20
Publication date: 2021-03-25

Abstract

Полезная модель относится к лазерной технике, в частности к твердотельным импульсным лазерам в режиме электрооптической модуляции добротности резонатора, и может быть использована в нелинейной оптике, медицине, в лидарных системах мониторинга загрязнений атмосферы и акваторий. Технический результат заявленного решения, заключающийся в увеличении выходной энергии моноимпульсов лазерного излучения при допустимой лучевой нагрузке на электрооптический элемент, что обеспечивает долговременный ресурс всего устройства, достигается за счет того что моноимпульсный твердотельный лазер с резонатором содержит два глухих зеркала, одно из которых имеет прямоугольный край, электрооптический элемент, пластину-поляризатор, расположенные рядом четвертьволновую и дополнительную четвертьволновую пластины, оптически изотропный активный элемент, призму-крышу; прямоугольный край глухого зеркала и параллельное ему ребро призмы-крыши лежат в плоскости симметрии активного элемента. Кристаллографические оси дополнительной четвертьволновой пластины ориентированы параллельно и ортогонально ребру призмы-крыши. 1 ил.

Description

Моноимпульсные лазеры на кристаллических средах с ионами Nd³⁺ широко применяются в различных областях науки и техники. Для генерации мощных импульсов излучения с длительностью в наносекундном диапазоне (моноимпульсов) наиболее часто используются лазеры на алюмоиттриевом гранате, активированном ионами Nd³⁺(АИГ:Nd³⁺), в режиме модуляции добротности резонатора электрооптическим затвором по схеме λ/А, где λ - длина волны излучения лазера [1].

В качестве электрооптических элементов в затворах используются элементы из кристаллов DKDP, LiNbO₃, RTP, КТР и др.

Среди других оптических компонентов резонатора электрооптические элементы обладают более низкой лучевой прочностью к лазерному излучению.

Поэтому при необходимости увеличить выходную энергию моноимпульсов лазерного излучения предпринимаются различные меры, снижающие лучевую нагрузку на электрооптический элемент.

К таким мерам относятся: замена выходного зеркала резонатора с оптимальным коэффициентом отражения на более прозрачное, что приводит к снижению КПД лазера, или замена оптической схемы резонатора из [1] на схему с поляризационным выводом излучения из резонатора [2]. В последней схеме четвертьволновая пластина с соответствующей азимутальной ориентацией позволяет сформировать оптимальный коэффициент отражения «поляризационного» зеркала при допустимой лучевой нагрузке на электрооптический элемент. Активный элемент при этом должен одинаково усиливать излучение с любым состоянием поляризации, т.е. быть оптически изотропным.

В конструкциях излучателей лазеров, в квантронах которых активный элемент охлаждается кондуктивным образом через односторонний теплопровод, применяется зеркально-призменные резонаторы. Призма-крыша с 90° углом при вершине компенсирует влияние термического клина в поперечном сечении активного элемента, что позволяет сохранить оптимальную юстировку резонатора, а, следовательно, выходные энергетические параметры лазера.

В таких резонаторах формированию более прозрачного «поляризационного» зеркала (зеркала с более низким коэффициентом отражения), которое требуется при необходимости увеличить выходную энергию моноимпульсов излучения и при этом обеспечить длительный ресурс работы лазера, препятствуют поляризационные свойства призмы-крыши. Тем не менее, применение схемы с поляризационным выводом излучения из зеркально-призменного резонатора с четвертьволновой пластиной позволяет повысить плотность выходной энергии моноимпульсов и эффективность лазера при небольшой выходной энергии моноимпульсов излучения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является моноимпульсный твердотельный лазер с резонатором [2], содержащим глухое зеркало, электрооптический элемент, пластину-поляризатор, оптически изотропный активный элемент, четвертьволновую пластину, призму-крышу, глухое зеркало с прямоугольным краем, параллельным ребру при вершине призмы-крыши и лежащим вместе с этим ребром в плоскости симметрии активного элемента.

Однако в этом лазере деполяризующее свойство призмы-крыши, связанное с разностью в скачках фаз для волн с ортогональными поляризациями при полном внутреннем отражении от граней призмы-крыши [3], не позволяет изменением азимутальной ориентации четвертьволновой пластины сформировать более прозрачное «поляризационное» зеркало.

В этом случае повышение энергии импульсов накачки с целью увеличить выходную энергию моноимпульсов излучения лазера приведет к возрастанию лучевой нагрузки на электрооптический элемент и к его разрушению.

Задачей настоящей полезной модели является увеличение выходной энергии моноимпульсов излучения твердотельного лазера при сохранении допустимой лучевой нагрузки на электрооптический элемент, что обеспечивает долговременный ресурс всего устройства.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном моноимпульсном твердотельном лазере с резонатором, содержащим глухое зеркало, электрооптический элемент, пластину-поляризатор, оптически изотропный активный элемент, четвертьволновую пластину, призму-крышу, глухое зеркало с прямоугольным краем, параллельным ребру при вершине призмы-крыши и лежащим вместе с этим ребром в плоскости симметрии активного элемента, четвертьволновая пластина установлена рядом с пластиной-поляризатором, дополнительная четвертьволновая пластина установлена рядом с четвертьволновой пластиной, причем кристаллографические оси дополнительной четвертьволновой пластины ориентированы параллельно и ортогонально ребру призмы-крыши.

Существенными отличиями полезной модели от лазера-прототипа являются: изменение положения в резонаторе четвертьволновой пластины и дополнительная установка второй четвертьволновой пластины, что обеспечивает возможность формирования «поляризационного» зеркала с низким коэффициентом отражения вследствие компенсации деполяризующего свойства призмы дополнительной четвертьволновой пластиной.

Оптическая схема предлагаемого устройства представлена на чертеже. Резонатор моноимпульсного твердотельного лазера образован глухим зеркалом 1 и глухим зеркалом с прямоугольным краем 2. На оптической оси резонатора по ходу от зеркала 1 расположены электрооптический элемент 3, пластина-поляризатор 4, четвертьволновая пластина 5, дополнительная четвертьволновая пластина 6, причем кристаллографические оси этой пластины ориентированы параллельно и ортогонально ребру призмы-крыши, оптически изотропный активный элемент 7, призма-крыша 8.

Деполяризация излучения в призме-крыше происходит из-за разности в скачках фаз 8 для волн с ортогональными поляризациями при полном внутреннем отражении от граней призмы-крыши [3]:

где n - показатель преломления материала призмы-крыши, θ - угол падения излучения на отражающие грани призмы-крыши.

Так, для стекла с n=1,55 и θ=45°, δ=90°. С учетом второго прохода излучением призмы-крыши после отражения от глухого зеркала 2 сдвиг фаз составляет 2δ=180°. С учетом сдвига фаз после двойного прохода четвертьволновой пластины 6 в ±180°, дополнительный суммарный сдвиг фаз между ортогональными поляризациями излучения, падающего на четвертьволновую пластину 5 со стороны пластины 6, составляет 0° или 360° и не учитывается.

Моноимпульсный твердотельный лазер работает следующим образом. В момент времени, в который под воздействием импульса излучения накачки инверсная населенность (коэффициент усиления) в активном элементе достигает своего максимального значения, на электроды электрооптического элемента 3 подается импульс высоковольтного напряжения, «открывающий» электрооптический затвор, образованный элементом 3, зеркалом 1 и пластиной-поляризатором 4.

После «открытия» электрооптического затвора в резонаторе генерируется короткий моноимпульс излучения, которое после прохода пластины-поляризатора 4 линейно поляризовано в плоскости максимального пропускания пластины поляризатора, после прохода четвертьволновой пластины 5 эллиптически поляризовано, после двойного прохода четвертьволновой пластины 6 и призмы-крыши 8 излучение сохраняет прежнее состояние поляризации, а после повторного прохода четвертьволновой пластины 5 состояние поляризации излучения определяет коэффициент отражения «поляризационного» зеркала R=cos²2θ, где θ - угол между кристаллографическими осями пластины 5 и плоскостью максимального пропускания пластины поляризатора.

При этом коэффициент отражения R может быть установлен достаточно низким, чтобы быть оптимальным по выходной энергии моноимпульсов излучения при более высокой энергии импульсов накачки.

Экспериментальная проверка показала возможность увеличения выходной энергии моноимпульсов излучения предлагаемого лазера по сравнению с лазером-прототипом в 1,2 раза при сохранении допустимой лучевой нагрузки на электрооптический элемент.

Таким образом, поставленную перед полезной моделью задачу по увеличению выходной энергии моноимпульсов излучения при допустимой лучевой нагрузке на электрооптический элемент, что обеспечивает долговременный ресурс всего устройства, можно считать решенной.

Источник информации:

1. Г.М. Зверев, Ю.Д. Голяев. Лазеры на кристаллах и их применение. М. «Радио и связь», «Рикел», 1994, с. 227.

2. Гармаш В.М., Володина Е.М., Ляшенко А.И., Сапожников С.М., Подкопаев А.В. Особенности разработки моноимпульсных лазеров на АИГ:Nd³⁺ с поперечной диодной накачкой активного элемента. Труды Российского научно-технологического общества радиотехники, электроники и связи имени А.С. Попова. Серия: Акустооптических и радиолокационных методов измерений и обработки информации. Выпуск 12 Москва, 2019, с. 95-97 - прототип

3. Г.С. Ландсберг. Оптика, «Наука», М., 1976, с. 485.

Claims

Моноимпульсный твердотельный лазер с резонатором, содержащим глухое зеркало, электрооптический элемент, пластину-поляризатор, оптически изотропный активный элемент, четвертьволновую пластину, призму-крышу, глухое зеркало с прямоугольным краем, параллельным ребру при вершине призмы-крыши и лежащим вместе с этим ребром в плоскости симметрии активного элемента, отличающийся тем, что четвертьволновая пластина установлена рядом с пластиной-поляризатором, дополнительная четвертьволновая пластина установлена рядом с четвертьволновой пластиной, причем кристаллографические оси дополнительной четвертьволновой пластины ориентированы параллельно и ортогонально ребру призмы-крыши.