Лазер

(12) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ(71) Заявитель Институт электроники Академии наук Беларуси(73) Патентообладатель Институт электроники Академии наук Беларуси(57) Лазер, содержащий основной резонатор, образованный глухим и выходным зеркалами, с расположенными на его оптической оси первым активным элементом, диафрагмой, эталоном Фабри-Перо, дополнительный резонатор, образованный ВРМБ-зеркалом, с расположенными на его оптической оси вторым и третьим активными элементами, четвертьволновой пластинкой, поляризатором, удвоителем частоты излучения, спектральным фильтром, и элемент связи основного и дополнительного резонаторов в виде двухпроходовой ячейки Поккельса с блоком управления, отличающийся тем, что в него введены второй элемент связи основного и дополнительного резонаторов в виде двух ортогонально ориентированных диэлектрических поляризаторов, расположенных за выходным зеркалом основного рзонатора, поворотное зеркало и полуволновая пластинка, последовательно расположенные между двухпроходовой ячейкой Поккельса и првым диэлектрическим поляризатором, и согласующий телескоп, расположенный между первым и вторым поляризаторами второго элемента связи, при этом первый диэлектрический поляризатор оптически связан с основным резонатором лазера, а второй - с поляризатором и четвертьволновой пластинкой на входе дополнительного резонатора лазера. Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в голографии, двухэкспозиционной голографической интерферометрии и других областях, где необходимы импульсные твердотельные лазеры, обеспечивающие получение моноимпульсного излучения, последовательности двух гигантских импульсов (ГИ), парных импульсов наносекундной длительности с идентичными волновыми фронтами (ВФ),воспроизводимой частотой излучения и регулируемым временным интервалом следования. Из известных устройств наиболее близким является 1, в котором обеспечено получение парных импульсов наносекундной длительности с воспроизводимой частотой излучения и идентичными волновыми фронтами излучения. Лазер включает в себя основной резонатор, образованный глухим и выходным зеркалами, с расположенными на его оптической оси первым активным элементом, диафрагмой, эталоном Фабри-Перо, дополнительный резонатор, образованный ВРМБ-зеркалом, с расположенными на его оптической оси вторым и третьим активными элементами, чет 2442 1 вертьволновой кварцевой пластинкой (/4-пластинка), поляризатором, удвоителем частоты излучения, спектральным фильтром, а также элемент связи основного и дополнительного резонаторов в виде двухпроходовой ячейки Поккельса. В данном лазере обеспечено воспроизведение частоты излучения первого и второго импульсов наносекундной длительности и воспроизведение ВФ излучения. Однако, в данном устройстве не решена задача получения моноимпульсов с воспроизводимой частотой излучения и идентичными ВФ, а также последовательности двух ГИ с воспроизводимой частотой и идентичными ВФ при регулировании интервала следования в миллисекундном диапазоне времен. Технической задачей изобретения является получение моноимпульсов излучения, а также последовательности двух ГИ с воспроизводимой частотой излучения, идентичными ВФ и регулируемым в миллисекундном диапазоне интервалом следования. Поставленная техническая задача решается тем, что в лазер, содержащий основной резонатор, образованный глухим и выходным зеркалами, с расположенными на его оптической оси первым активным элементом, диафрагмой, эталоном Фабри-Перо, дополнительный резонатор, образованный ВРМБ-зеркалом, с расположенными на его оптической оси вторым и третьим активными элементами, /4-пластинкой, поляризатором, удвоителем частоты излучения, спектральным фильтром, и элемент связи основного и дополнительного резонаторов в виде двухпроходовой ячейки Поккельса дополнительно введены второй элемент связи основного и дополнительного резонаторов в виде двух ортогонально ориентированных диэлектрических поляризаторов, расположенных за выходным зеркалом основного резонатора, поворотное зеркало и/2-пластинка, последовательно расположенные между двухпроходовой ячейкой Поккельса и первым диэлектрическим поляризатором, и согласующий телескоп, расположенный между первым и вторым диэлектрическими поляризаторами второго элемента связи, при этом первый диэлектрический поляризатор оптически связан с основным резонатором лазера, а второй-с поляризатором и /4-пластинкой на входе дополнительного резонатора лазера. Потребность во втором элементе связи обусловлена необходимостью обеспечить прохождение моноимпульсов излучения, а также последовательности двух ГИ , вышедших из основного резонатора через выходное зеркало, в дополнительный резонатор с ВРМБ-зеркалом. В предлагаемом устройстве базовая концепция, заложенная в Патенте ВУ 1094 С 1 (прототип), реализуется для моноимпульсного режима работы лазера и режима последовательности двух ГИ с воспроизводимыми спектром и волновыми фронтами. Моноимпульсы излучения и последовательность двух ГИ формируются из базового уровня излучения квазистационарной генерации. Этим обеспечивается воспроизводимость частоты излучения и идентичность ВФ импульсов. Лазер может работать также и в режиме парных импульсов наносекундной длительности (как в прототипе). С помощью пластинки /2 поляризация излучения, вышедшего через выходную грань ячейки Поккельса, изменяется на 90. Это позволяет излучению наносекундных импульсов проходить через второй элемент связи в дополнительный резонатор с ВРМБ-зеркалом. Так как моноимпульсы излучения и последовательность двух ГИ имеют более высокую плотность мощности, чем импульсы наносекундной длительности, для разгрузки активных элементов усилителей используется согласующий телескоп. Использование в схеме лазера дополнительного резонатора с ВРМБ-зеркалом позволяет осуществлять усиление без внесения искажений в структуру излучения, обеспечивает воспроизводимость ВФ импульсов. Из тракта дополнительного резонатора с усилителями излучение направляется к удвоителю частоты и спектральному фильтру. На выходе лазера излучение имеет длину волны 0,53 мкм и представляет собой моноимпульсы, интервал следования которых регулируется в миллисекундном интервале времени, либо последовательность двух ГИ с воспроизводимой частотой и идентичными ВФ. При этом в последовательности двух ГИ интервал следования импульсов также регулируется в миллисекундном интервале в пределах импульса квазистационарной генерации. Оптическая схема лазера представлена на фигуре. Лазер содержит 1,2 - глухое и выходное зеркала основного резонатора 3 - двухпроходовая ячейка Поккельса с гипотенузной гранью полного внутреннего отражения 4 - блок управления 5 - моноблочный эталон ФабриПеро 6 - диафрагма 7 - активный элемент 8 - поворотное зеркало 9 - полуволновая (/2) пластинка 10-12 - второй элемент связи основного и дополнительного резонаторов 11 - согласующий телескоп (5 х) 13 - диэлектрический поляризатор 14 - четвертьволновая (/4) пластинка 15,16 - активные элементы усилителей 17 - линза 18 - кювета с оптически активным веществом 19 - удвоитель частоты лазерного излучения 2 2442 1 20 - спектральный фильтр 21 - выход лазера. Устройство включает в себя глухое диэлектрическое зеркало 1 и выходное зеркало 2 в виде резонансного отражателя с коэффициентами отражения, соответственно, 0,99 и 0,4, стандартную моноблочную ячейку Поккельса 3 из кристалла ДКДР типа ЛЭЗ-1 с гипотенузной гранью полного внутреннего отражения, электрически связанную с блоком управления 4, представляющим собой два модифицированных блока МГИН-5,моноблочный эталон Фабри-Перо 5, диафрагму 6, активный элемент 7 из 3 размерами 5 х 65 мм, последовательно расположенные на оптической оси основного резонатора 1-2, поворотное зеркало 8, /2 пластинку 9, интерференционные диэлектрические поляризаторы 10,12, согласующий телескоп 11 (х 5), и диэлектрический поляризатор 13, кварцевую /4- пластинку 14, активные элементы 15,16 усилителей из 3 размерами 6,3 х 100 мм, ВРМБ-зеркало, включающее положительную линзу 17 с фокусным расстоянием 6 см и кювету 18 с оптически активным веществом (ацетон, СС 4 и др.), последовательно расположенные в канале 13-18 усиления, а также удвоитель частоты лазерного излучения 19 из кристалла ,оптически связанный через поляризатор 13 с каналом усиления, спектральный фильтр 20 типа СЗС-22, расположенный на выходе 21 лазера. Лазер работает следующим образом. В первоначальный период времени после включения системы накачки в основном резонаторе лазера 1-2 возникает излучение свободной генерации. Оно падает на входную грань ячейки Поккельса 3 и после отражения от гипотенузной грани из неполяризованного излучения выделяется ркомпанента, которая отражается в направлении зеркала 1 и затем обратно. Селекция спектра генерации осуществляется с помощью диафрагмы 6 и эталона Фабри-Перо 5. Модовый состав излучения формируется в течение всего начального периода развития импульса свободной генерации, за большое число проходов излучения по резонатору. Это обеспечивает эффективное сужение спектра излучения. Таким образом в резонаторе, имеющем полуконфокальную конфигурацию, устанавливается режим квазистационарной генерации. В заданный момент времени 1 по сигналу запуска осуществляется полное включение добротности резонатора 1-2. Происходит генерация моноимпульса излучения, возникающего из базового уровня излучения квазистационарной генерации. Моноимпульс излучения выходит через полупрозрачное зеркало 2 основного резонатора, проходит без отражения поляризатор 10 (пропускание р-поляризованого излучения составляет 95) расширяется согласующим телескопом 11 (х 5) и поляризатором 12 отражается в направлении поляризатора 13, расположенного на входе дополнительного резонатора с усилителями 15,16. В отличие от прототипа поляризатор 13 установлен в положение, обеспечивающее отражение падающего излучения. Моноимпульс излучения попадает в дополнительный резонатор с усилителями 15,16 и ВРМБ-зеркалом 17,18. Он проходит четвертьволновую кварцевую пластинку 14, идет по каналу усиления 15-16 и достигает порогового значения мощности излучения, обеспечивающего включение ВРМБ-зеркала. На этом этапе усиления(т.е. до включения ВРМБ-зеркала) в пучок, естественно, вносятся искажения, влияющие на структуру ВФ. Усиленное излучение фокусируется линзой 17 (6 см) внутрь кюветы 18 с оптически активным веществом, в котором возбуждается ВРМБ-зеркало, образующее отраженную назад волну. При обратном прохождении отраженной назад волны компенсируются те искажения, которые были внесены в пучок во время его прохождения в прямом направлении через усилители 15-16 к ВРМБ-зеркалу 17-18. Когда фазовосопряженный пучок проходит через усилители в обратном направлении 16-15, его движение, обращающее движение исходного пучка, зануляет искажающее воздействие активной среды усилителей. Отраженный ВРМБ-зеркалом и усиленный на обратном проходе 16-15 импульс излучения имеет перед поляризатором 13 отличную от исходной на 90 поляризацию. Он проходит практически без потерь (пропускание составляет более 95) поляризатор 13 и через удвоитель частоты 19 и спектральный фильтр 20 идет на выход 21 лазера. После удвоения частоты излучения на выходе АИГ-лазера появляется импульс излучения с длиной волны 0,532 мкм. Момент появления моноимпульса излучения 1 регулируется в пределах длительности импульса (4 мс) квазистационарной генерации. Этим обеспечивается воспроизводимость параметров моноимпульсного излучения при варьировании времени включения в пределах базового импульса. Использование в схеме двухпроходовых усилителей с ВРМБ- зеркалом обеспечивает устранение искажений ВФ импульсов на стадии усиления. Получение последовательности двух ГИ осуществляется методом ступенчатого 2442 1 включения добротности основного резонатора 1-2 лазера. Блок управления 4 обеспечивает подачу на ячейку Поккельса 3 двух уровней напряжения 1 и 2 (12). В момент времени 1 по сигналу запуска происходит сброс напряжения 1. Электрическое поле в управляемом промежутке электрооптического кристалла ячейки Поккельса уменьшается до значений, определяемых напряжением 2.Происходит модуляция добротности резонатора и в результате высвечивание первого ГИ. Спустя заданный интервал времени 2-1 происходит снятие напряжения 2 с ячейки Поккельса. Это вызывает полное включение добротности резонатора лазера и высвечивание второго ГИ. Таким образом реализуется режим генерации последовательности двух ГИ. Импульсы выходят через полупрозрачное зеркало 2, пропускаются первым поляризатором 10 (его ориентация не изменилась) во второй элемент связи, где апертура пучка увеличивается с помощью согласующего телескопа 11, и отражаются вторым поляризатором 12 элемента связи (его ориентация ортогональна ориентации поляризатора 10) в оптический тракт дополнительного резонатора с ВРМБ-зеркалом 17,18. Также как и ранее происходит усиление излучения, отражение ВРМБ-зеркалом, коррекция внесенных на первом проходе неоднородностей, выход через поляризатор развязки 13 в конечный узел, где происходит удвоение частоты излучения 19 и фильтрация 20. На выходе 21 лазера излучение имеет вид последовательности двух ГИ с длиной волны 0,532 мкм, узким и воспроизводимым в обоих импульсах спектром (300-400 МГц) и идентичными ВФ. Лазер может работать также в режиме генерации парных импульсов наносекундной длительности с идентичными ВФ, воспроизводимым узким спектром и регулируемым интервалом следования ( как в прототипе). Импульсы наносекундной длительности выходят через боковую грань ячейки Поккельса в направлении поворотного зеркала 8, отражаются им в направлении полуволновой пластинки 9, после изменения поляризации на 90 отражаются поляризатором 10, введенного элемента связи в направлении телескопа 11 и далее идут по тому же пути, что и моноимпульсы излучения. В данной схеме реализация того или иного из описанных выше режимов зависит от управляющих напряжений, подаваемых на двухпроходовую ячейку Поккельса 3 от блока управления 4. При этом никаких существенных изменений в оптической схеме производить не требуется. При переходе от режимов одиночных моноимпульсов и последовательности двух ГИ к режиму парных импульсов наносекундной длительности необходимо только изменить ориентацию поляризатора 10 на ортогональную. Это осуществляется простым поворотом поляризатора 10 на 90 в вертикальной плоскости. Следует отметить однако, что при этом существенно изменяется функция, выполняемая ячейкой Поккельса. В первом случае (режимы получения моноимпульсов, а также последовательности двух ГИ) она выполняет функцию модулятора добротности основного резонатора лазера, во втором (режим получения парных импульсов наносекундной длительности)- является элементом связи основного и дополнительного резонаторов, осуществляющим инжекцию излучения из основного резонатора в дополнительный. Благодаря введению второго элемента связи основного и дополнительного резонаторов, вывод излучения из основного резонатора возможен как в режиме модуляции добротности при получении моноимпульсов и последовательности двух гигантских импульсов, так и при работе ячейки Поккельса в режиме инжектирования парных импульсов наносекундной длительности в определенные моменты времени 12 на фронтах высоковольтного импульса управления (как в прототипе). Один лазер функционально заменяет собой систему из трех автономных частей задающий генератор-лазер с электрооптической модуляцией добротности -блок двухпроходовых усилителей с ВРМБ-зеркалом. За счет формирования импульсов из базового излучения квазистационарной генерации (и 4 мс) со стабильными параметрами в лазере обеспечена воспроизводимость узкого спектра и идентичность ВФ импульсов при регулировании интервала следования в пределах длительности базового импульса и. При этом расходимость излучения не превышает 10-3 рад. Возможность получения моноимпульсов излучения, а также последовательности двух гигантских импульсов расширяет функциональные возможности лазера и обеспечивает ему широкое применение в голографии, двухэкспозиционной голографической интерферометрии и других областях. оставитель В.А. Тукбаев Редактор В.Н. Позняк Корректор Т.Н. Никитина Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.