RU178699U1 - OPTICAL PARAMETRIC LIGHT GENERATOR WITH EXTENDED GENERATION PULSE - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к квантовой электронике. Оптический параметрический генератор света содержит многоплечевой резонатор с несколькими нелинейными кристаллами одинакового типа и схему формирования задержанных импульсов накачек отдельных кристаллов, расположенных в различных плечах резонатора. Технический результат заключается в обеспечении возможности получения е удлиненного импульса генерации. 3 ил.The utility model relates to quantum electronics. An optical parametric light generator contains a multi-arm resonator with several nonlinear crystals of the same type and a circuit for generating delayed pump pulses of individual crystals located in different cavity arms. The technical result consists in providing the possibility of obtaining an e extended generation pulse. 3 ill.

Description

Полезная модель относится к квантовой электронике, в частности к параметрическим резонаторным генераторам коротких (наносекундных и короче) импульсов оптического излучения и представляет интерес для техники освоения видимого, ближнего и среднего инфракрасных диапазонов, а также может быть использована в различных областях оптики и спектроскопии, лазерном зондировании атмосферы, медицине и фотохимии.The utility model relates to quantum electronics, in particular to parametric resonator generators of short (nanosecond and shorter) pulses of optical radiation and is of interest for the technique of developing visible, near and medium infrared ranges, and can also be used in various fields of optics and spectroscopy, laser sensing atmosphere, medicine and photochemistry.

Предлагаемая полезная модель в настоящее время актуальна, прежде всего, в области построения мощных и эффективных импульсных перестраиваемых лазеров среднего ИК диапазона (2-12 мкм). Наиболее перспективное направление в этой области основано на параметрическом преобразовании частоты излучения твердотельных лазеров, в частности, излучения распространенных и коммерчески доступных ~1 мкм неодимовых импульсных лазеров. Одним из решений при построении мощного наносекундного параметрического преобразователя с дифракционным качеством пучка является схема «параметрический задающий генератор - мощный параметрический усилитель». Чтобы избежать сложностей при временном согласовании импульсов сигнала, поступающего от задающего параметрического генератора (ПГС) и накачки в параметрическом усилителе (ПУ), целесообразно использовать общий источник накачки. Генерация в задающем параметрическом генераторе развивается из шумов, и в случае наносекундной длительности накачки генерация на выходе появляется после значительного числа обходов резонатора, что, в свою очередь, приводит к существенному укорочению длительности выходного импульса генерации по сравнению с длительностью импульса накачки. Таким образом, в усилителе импульс входного усиливаемого сигнала оказывается короче импульса накачки, что выявляет резерв в части эффективности параметрического преобразования, поскольку часть импульса накачки параметрического усилителя не участвует в процессе усиления. Данный недостаток сказывается многократно в случае использования многоступенчатых параметрических преобразователей, например, когда выходное излучение параметрического генератора-усилителя производит накачку следующей ступени параметрического генератора-усилителя для получения излучения в диапазоне 3-12 мкм [1]. В частности, использование нескольких ступеней параметрического преобразования при построении лазерного источника, излучающего в среднем ИК-диапазоне, обусловлено отсутствием эффективной нелинейной среды, осуществляющей преобразование в длинноволновую область и обладающей необходимой прозрачностью в коротковолновой области (1 мкм).The proposed utility model is currently relevant, primarily in the field of constructing high-power and efficient pulsed tunable lasers of the mid-IR range (2-12 μm). The most promising direction in this area is based on the parametric conversion of the radiation frequency of solid-state lasers, in particular, radiation from common and commercially available ~ 1 μm neodymium pulsed lasers. One of the solutions in constructing a powerful nanosecond parametric converter with diffraction beam quality is the “parametric master oscillator - powerful parametric amplifier” circuit. In order to avoid difficulties in temporarily matching the pulses of a signal from a master parametric oscillator (ASG) and pumping in a parametric amplifier (PU), it is advisable to use a common pump source. The generation in a parametric master oscillator develops from noise, and in the case of a nanosecond pump duration, the output appears after a significant number of rounds of the resonator, which, in turn, leads to a significant shortening of the duration of the output pulse in comparison with the duration of the pump pulse. Thus, in the amplifier, the pulse of the input amplified signal is shorter than the pump pulse, which reveals a reserve in terms of the efficiency of the parametric conversion, since part of the pump pulse of the parametric amplifier is not involved in the amplification process. This disadvantage manifests itself repeatedly in the case of using multi-stage parametric converters, for example, when the output radiation of a parametric generator-amplifier pumps the next stage of a parametric generator-amplifier to obtain radiation in the range of 3-12 μm [1]. In particular, the use of several stages of parametric conversion in constructing a laser source emitting in the mid-IR range is due to the absence of an effective nonlinear medium that converts to the long-wavelength region and has the necessary transparency in the short-wavelength region (1 μm).

Так, в работе [1] продемонстрировано двухступенчатое параметрическое преобразование импульсного излучения Nd:YAG лазера с высокой энергией в диапазон 3-5 мкм. Первая ступень представляет собой систему «параметрический задающий генератор - мощный параметрический усилитель» на кристаллах КТР, накачиваемую одним лазерным источником с длительностью импульса 6 нс. При этом оптический путь от источника накачки до параметрического усилителя сделан на 80 см длиннее, чем до задающего генератора, для компенсации времени развития генерации в ПГС с целью оптимизации временного согласования импульсов в параметрическом усилителе.So, in [1], a two-stage parametric conversion of pulsed radiation from a high-energy Nd: YAG laser to a range of 3-5 μm was demonstrated. The first stage is a “parametric master oscillator - powerful parametric amplifier” system based on KTP crystals, pumped by a single laser source with a pulse duration of 6 ns. In this case, the optical path from the pump source to the parametric amplifier is made 80 cm longer than to the master oscillator to compensate for the development time of the generation in the CBC in order to optimize the temporal matching of pulses in the parametric amplifier.

Целью предлагаемой полезной модели является увеличение длительности выходного импульса параметрического генератора и улучшение эффективности параметрического преобразования системы «параметрический генератор - мощный параметрический усилитель» с общим источником накачки. Поставленная цель достигается тем, что резонатор ПГС содержит два (или несколько) плеча с нелинейными кристаллами, импульсы накачки которых задержаны во времени относительно друг друга на величину порядка длительности импульса. Задержка импульсов накачки достигается путем свободного прогона пучков излучения в пространстве. При этом импульс накачки ПУ также задерживается на величину, обеспечивающую полное перекрытие импульса накачки импульсом генерации увеличенной длительности, обеспечивая тем самым эффективное преобразование в ПУ.The purpose of the proposed utility model is to increase the duration of the output pulse of the parametric generator and improve the efficiency of the parametric conversion of the system “parametric generator - powerful parametric amplifier” with a common pump source. This goal is achieved by the fact that the ASG resonator contains two (or several) arms with nonlinear crystals, the pump pulses of which are delayed in time relative to each other by an amount of the order of the pulse duration. The delay of the pump pulses is achieved by free run of the radiation beams in space. In this case, the pumping pulse of the PU is also delayed by an amount that provides complete overlap of the pumping pulse with a generation pulse of increased duration, thereby ensuring efficient conversion to PU.

ПРИМЕРEXAMPLE

Приведен пример системы «параметрический генератор - параметрический усилитель» на кристаллах KTiOPO₄ (KTP) с общим источником накачки - Nd:YAG лазером (1064 нм), фиг. 1. Оптическая схема (согласующие телескопы и линзы на схеме не показаны) параметрического генератора-усилителя с удлиненным импульсом генерации, где 1-3 - кристаллы КТР, 4 - излучение 1064 мкм накачки системы ПГС-ПУ, 5 - частично прозрачные зеркала, 6 - линии пространственных задержек импульсов накачек, 7 - поворотные зеркала, 8 - дихроичные зеркала, 9 - выходное зеркало ПГС, 10 - остаточные накачки, 11 - усиленное излучение ~2 мкм генерации.An example of a “parametric generator - parametric amplifier” system based on KTiOPO ₄ (KTP) crystals with a common pump source — an Nd: YAG laser (1064 nm), is shown, FIG. 1. Optical design (matching telescopes and lenses not shown in the design) of a parametric generator-amplifier with an extended generation pulse, where 1-3 are KTP crystals, 4 is the 1064 micron pump radiation of the PGS-PU system, 5 are partially transparent mirrors, 6 are spatial delay lines for pump pulses, 7 — rotary mirrors, 8 — dichroic mirrors, 9 — PGS output mirror, 10 — residual pump, 11 — amplified emission of ~ 2 μm generation.

Форма импульса лазера накачки приведена на фиг. 2, длительность импульса по половинному уровню составила ~7 нс. Пучок накачки 4 с помощью частично прозрачных зеркал 5 расщепляется на три пучка, осуществляющих накачку кристаллов 1, 2 параметрического генератора и кристалла(ов) 3 параметрического усилителя. При этом пучки накачки кристаллов 2 и 3 задерживаются в пространстве с помощью линий задержек 6 на величины, соответствующие временным задержкам 6 и 10 не по отношению к моменту поступления импульса накачки в кристалл 1. Дихроичные зеркала 8 пропускают накачку и отражают генерацию (1,9-2,4 мкм). Дихроичное зеркало 9 является выходным зеркалом ПГС, пропускает накачку и отражает ~50% генерации. Усиленное в ПГС ~2 мкм излучение с увеличенной длительностью поступает в кристалл 3 параметрического усилителя, где совмещается с пучком накачки и происходит дальнейшее его усиление.The pulse shape of the pump laser is shown in FIG. 2, the pulse duration at the half level was ~ 7 ns. The pump beam 4, using partially transparent mirrors 5, is split into three beams pumping crystals 1, 2 of the parametric generator and crystal (s) 3 of the parametric amplifier. In this case, the pump beams of crystals 2 and 3 are delayed in space using delay lines 6 by values corresponding to time delays 6 and 10 not with respect to the moment the pump pulse arrives at crystal 1. Dichroic mirrors 8 pass the pump and reflect the generation (1,9- 2.4 μm). The dichroic mirror 9 is the output mirror of the ASG, transmits pumping, and reflects ~ 50% of the generation. The radiation amplified in an ASL of ~ 2 μm with an extended duration enters the crystal 3 of the parametric amplifier, where it is combined with the pump beam and its further amplification occurs.

Были выбраны приблизительно равные энергии накачек кристаллов 1 и 2 с разницей временных задержек ~6 нc. Таким образом, в параметрическом усилителе за счет реализованных временных задержек накачек отдельных кристаллов в течение всего импульса накачки присутствует усиливаемый входной сигнал с высокой интенсивностью. Форма импульса генерации на выходе ПГС представлена на фиг. 3.Approximately equal pump energies of crystals 1 and 2 were selected with a time delay difference of ~ 6 ns. Thus, in the parametric amplifier, due to the realized time delays in the pumping of individual crystals, an amplified input signal with a high intensity is present during the entire pump pulse. The pulse shape of the output at the ASG output is shown in FIG. 3.

Подобное решение дает существенный выигрыш в эффективности параметрического преобразования в системах «параметрический генератор - мощный параметрический усилитель» с общим источником накачки, применяемым в случаях, когда требуется получение генерации с высоким качеством пучка.Such a solution gives a significant gain in the efficiency of parametric conversion in the systems “parametric generator - powerful parametric amplifier” with a common pump source used in cases where it is necessary to obtain lasing with high beam quality.

ЛитератураLiterature

1. G. Rustad, S. Nicolas, ∅. Nordseth, and G. Arisholm, "High pulse energy mid-infrared laser source," Proc. of SPIE 5989, 2005. Article no. 598904.1. G. Rustad, S. Nicolas, ∅. Nordseth, and G. Arisholm, "High pulse energy mid-infrared laser source," Proc. of SPIE 5989, 2005. Article no. 598904.

Claims (1)

Оптический параметрический генератор света с удлиненным импульсом генерации, содержащий многоплечевой резонатор с несколькими нелинейными кристаллами одинакового типа, отличающийся тем, что с целью увеличения длительности выходного импульса генерации и увеличения эффективности параметрического преобразования дополнительно содержит схему формирования задержанных импульсов накачек отдельных кристаллов, расположенных в различных плечах резонатора.An optical parametric light generator with an extended generation pulse, comprising a multi-arm resonator with several nonlinear crystals of the same type, characterized in that in order to increase the duration of the output pulse and increase the efficiency of the parametric conversion, it further comprises a circuit for generating delayed pump pulses of individual crystals located in different cavity arms .

Images