RU204719U1 - Monopulse solid state laser - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к лазерной технике, в частности к твердотельным импульсным лазерам, в т.ч. к лазерам с диодной накачкой в режиме электрооптической модуляции добротности резонатора, и может быть использована в нелинейной оптике, в оптической локации, в лидарных системах мониторинга атмосферы и акваторий. Резонатор содержит глухое и частично прозрачное зеркало, электрооптический элемент, пластину-поляризатор, две четвертьволновые пластины, поворотную призму и призму-крышу. Резонатор выполнен на основе оптической схемы двухпроходного усилителя с четвертьволновой пластиной с промежуточным отражателем в виде призмы-крыши, которая компенсирует эффект термического клина в активном элементе при односторонней боковой накачке решетками лазерных диодов. Технический результат: повышение эффективности моноимпульсного твердотельного лазера при сохранении выходной энергии моноимпульсов излучения и допустимой лучевой нагрузки на электрооптический элемент.The utility model relates to laser technology, in particular to solid-state pulsed lasers, incl. to diode-pumped lasers in the mode of electro-optical Q-switching of the cavity, and can be used in nonlinear optics, in optical ranging, in lidar systems for monitoring the atmosphere and water areas. The resonator contains a deaf and partially transparent mirror, an electro-optical element, a polarizer plate, two quarter-wave plates, a rotating prism and a roof prism. The resonator is made on the basis of the optical scheme of a two-pass amplifier with a quarter-wave plate with an intermediate reflector in the form of a prism-roof, which compensates for the effect of a thermal wedge in the active element with one-sided lateral pumping with laser diode arrays. EFFECT: increased efficiency of a monopulse solid-state laser while maintaining the output energy of monopulses of radiation and permissible radiation load on the electro-optical element.

Description

Моноимпульсные лазеры на кристаллических средах с ионами Nd³⁺ как с ламповой накачкой, так и с диодной накачкой активных элементов широко применяются в различных областях науки и техники. Для генерации мощных импульсов излучения с длительностью в наносекундом диапазоне (моноимпульсов) наиболее часто используются лазеры на алюмоиттриевом гранате, активированном ионами Nd³⁺ (АИГ : Nd³⁺), в режиме модуляции добротности резонатора электрооптическим затвором по схеме λ/4, где λ - длина волны излучения лазера [1]. В качестве электрооптических элементов в затворах используются элементы из кристаллов DKDP, LiNbO₃, RTP, KTP. Среди других оптических компонентов резонатора электрооптические элементы обладают наиболее низкой лучевой прочностью к лазерному излучению. Чтобы снизить лучевую нагрузку на электрооптический элемент, в резонаторе лазера из [1] выходное зеркало с оптимальным (по выходной энергии моноимпульсов) коэффициентом отражения заменяют на более прозрачное зеркало. Этот шаг, однако, приводит к снижению эффективности лазера, так как приходится повышать энергию импульсов накачки. Повышение эффективности лазера с более прозрачным выходным зеркалом достигается при использовании резонатора на основе оптической схемы двухпроходного усилителя с четвертьволновой пластиной [2]. Так, при начальном превышении над порогом N₀=l,5 в лазере из [1] энергию импульсов накачки можно снизить в лазере из [2] на 30% при сохранении выходной энергии моноимпульсов и допустимой лучевой нагрузки на электрооптической элемент. Активный элемент при этом должен усиливать излучение независимо от состояния поляризации излучения, т.е. быть оптически изотропным. Этому требованию удовлетворяют элементы из семейства гранатов, в т.ч. элементы из АИГ.Monopulse lasers based on crystalline media with Nd ³⁺ ions both with lamp pumping and with diode pumping of active elements are widely used in various fields of science and technology. To generate high-power radiation pulses with a duration in the nanosecond range (monopulses), lasers based on yttrium aluminum garnet doped with Nd ³⁺ ions (YAG: Nd ³⁺ ) are most often used in the mode of Q-switching of the cavity with an electro-optical shutter according to the λ / 4 scheme, where λ is laser radiation wavelength [1]. _{Elements made of DKDP, LiNbO 3} , RTP, KTP crystals are used as electro-optical elements in the gates. Among other optical components of the cavity, electro-optical elements have the lowest radiation resistance to laser radiation. To reduce the radiation load on the electro-optical element, in the laser cavity from [1], the output mirror with the optimal (in terms of the output energy of monopulses) reflection coefficient is replaced with a more transparent mirror. This step, however, leads to a decrease in the laser efficiency, since it is necessary to increase the pump pulse energy. An increase in the efficiency of a laser with a more transparent output mirror is achieved by using a cavity based on the optical scheme of a two-pass amplifier with a quarter-wave plate [2]. So, with an initial excess over the threshold N ₀ = l.5 in the laser from [1], the pump pulse energy can be reduced in the laser from [2] by 30% while maintaining the output energy of monopulses and the permissible radiation load on the electro-optical element. In this case, the active element must amplify the radiation regardless of the state of polarization of the radiation, i.e. be optically isotropic. This requirement is met by elements from the pomegranate family, incl. elements from AIG.

Существенное повышение эффективности лазера достигается при замене ламповой накачки активного элемента на диодную, в частности на одностороннюю боковую накачку активного элемента решетками лазерных диодов. При этом становится возможным применить кондуктивный отвод тепла от активного элемента и корпусов решеток лазерных диодов на радиатор, через который может прокачиваться морозостойкая жидкость. В этом случае применяются резонаторы с призмой-крышей, которая компенсирует влияние термического клина активного элемента на стабильность резонатора [3]. Однако деполяризующие свойства призмы-крыши затрудняет ее использование в оптической схеме из [2] вместо глухого зеркала, стоящего рядом с четвертьволновой пластиной из-за возрастания лучевой нагрузки на электрооптический элемент.A significant increase in the laser efficiency is achieved by replacing the lamp pumping of the active element with a diode pump, in particular, with one-sided lateral pumping of the active element with laser diode arrays. In this case, it becomes possible to apply conductive heat removal from the active element and casings of laser diode arrays to a radiator through which a frost-resistant liquid can be pumped. In this case, resonators with a prism-roof are used, which compensates for the effect of the thermal wedge of the active element on the stability of the resonator [3]. However, the depolarizing properties of the roof prism makes it difficult to use it in the optical scheme from [2] instead of a reflective mirror standing next to the quarter-wave plate due to an increase in the radiation load on the electro-optical element.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является моноимпульсный твердотельный лазер с резонатором, содержащим глухое зеркало, электрооптический элемент, пластину-поляризатор, оптически изотропный активный элемент, четвертьволновую пластину с кристаллографическим осями под углом 45 градусов к плоскости пропускания пластины-поляризатора, промежуточный отражатель, выходное частично прозрачное зеркало [2] (прототип).The closest in technical essence to the proposed utility model is a monopulse solid-state laser with a resonator containing a deaf mirror, an electro-optical element, a polarizer plate, an optically isotropic active element, a quarter-wave plate with crystallographic axes at an angle of 45 degrees to the transmission plane of the polarizer plate, an intermediate reflector , output partially transparent mirror [2] (prototype).

Задачей настоящей полезной модели является повышение эффективности моноимпульсного лазера при сохранении выходной энергии моноимпульсов излучения и допустимой лучевой нагрузки на электрооптический элемент.The objective of this utility model is to increase the efficiency of a monopulse laser while maintaining the output energy of monopulses of radiation and the permissible radiation load on the electro-optical element.

Для решения поставленной задачи в известном моноимпульсном твердотельном лазере с резонатором, содержащим глухое зеркало, электрооптический элемент, пластину-поляризатор, оптически изотропный активный элемент, четвертьволновую пластину с кристаллографическими осями под углом 45 градусов к плоскости пропускания пластины-поляризатора, промежуточный отражатель, частично прозрачное зеркало, четвертьволновая пластина установлена рядом с пластиной-поляризатором, между четвертьволновой пластиной и активным элементом установлена дополнительно вторая четвертьволновая пластина с кристаллографическими осями под углами 0 и 90 градусов к плоскости пропускания пластины-поляризатора, между активным элементом и промежуточным отражателем дополнительно установлена поворотная призма, поворачивающая оптическую ось резонатора на 90 градусов в плоскости пропускания пластины-поляризатора, а в качестве промежуточного отражателя установлена призма-крыша с ребром при вершине, лежащем в той же плоскости и ортогональным повернутой оси резонатора.To solve this problem in a well-known monopulse solid-state laser with a cavity containing a reflective mirror, an electro-optical element, a polarizer plate, an optically isotropic active element, a quarter-wave plate with crystallographic axes at an angle of 45 degrees to the transmission plane of the polarizer plate, an intermediate reflector, a partially transparent mirror , a quarter-wave plate is installed next to the polarizer plate, between the quarter-wave plate and the active element, a second quarter-wave plate is additionally installed with crystallographic axes at angles of 0 and 90 degrees to the transmission plane of the polarizer plate, a rotary prism is additionally installed between the active element and the intermediate reflector, which rotates the optical the resonator axis is 90 degrees in the transmission plane of the polarizer plate, and a roof prism with an edge at the vertex lying in the same plane and orthogonal is installed as an intermediate reflector the rotated axis of the resonator.

Существенными отличиями предлагаемой полезной модели от прототипа являются:The essential differences between the proposed utility model and the prototype are:

- введение в резонатор второй четвертьволновой пластины и поворотной призмы позволяет компенсировать деполяризующие свойства призмы-крыши;- introduction of a second quarter-wave plate and a rotary prism into the resonator makes it possible to compensate for the depolarizing properties of the roof prism;

- применение в качестве промежуточного отражателя призмы-крыши вместо глухого зеркала устраняет влияние термического клина в активном элементе на стабильность резонатора, что позволяет использовать эффективную одностороннюю боковую накачку активного элемента решетками лазерных диодов.- the use of a roof-prism as an intermediate reflector instead of a solid mirror eliminates the effect of a thermal wedge in the active element on the stability of the cavity, which makes it possible to use an efficient one-sided lateral pumping of the active element with laser diode arrays.

Оптическая схема полезной модели лазера представлена на чертеже.The optical scheme of the laser utility model is shown in the drawing.

Резонатор моноимпульсного лазера образован глухим зеркалом 1 и выходным частично прозрачным зеркалом 2. На оптической оси резонатора по ходу от глухого зеркала 1 расположены электрооптический элемент 3, пластина-поляризатор 4 с максимальным пропусканием линейно поляризованного в плоскости чертежа излучения, первая четвертьволновая пластина 5 с кристаллографическими осями под углами 45 градусов к плоскости чертежа, дополнительная четвертьволновая пластина 6 с одной из двух кристаллографических осей, лежащей в плоскости чертежа, оптически изотропный активный элемент 7, дополнительно установленная поворотная призма 8, призма-крыша 9 в качестве промежуточного отражателя. Лазер работает следующим образом.The resonator of a monopulse laser is formed by a reflective mirror 1 and an output partially transparent mirror 2. On the optical axis of the resonator along the direction of the reflective mirror 1, there is an electro-optical element 3, a polarizer plate 4 with a maximum transmission of radiation linearly polarized in the plane of the drawing, the first quarter-wave plate 5 with crystallographic axes at angles of 45 degrees to the plane of the drawing, an additional quarter-wave plate 6 with one of the two crystallographic axes lying in the plane of the drawing, an optically isotropic active element 7, an additionally installed rotary prism 8, a roof prism 9 as an intermediate reflector. The laser works as follows.

В момент времени, в который под воздействием импульса излучения накачки инверсная населенность в активном элементе достигает своего максимального значения, на электроды электрооптического элемента подается импульс высоковольтного напряжения, «открывающий» электрооптический затвор, образованный глухим зеркалом 1, электрооптическим элементом 3 и пластиной-поляризатором 4. После «открытия» электрооптического затвора в резонаторе генерируется короткий по времени (~10 нс) моноимпульс излучения, которое после прохода от зеркала 1 через электрооптический элемент 3 и пластину-поляризатор 4 линейно поляризовано в плоскости чертежа, после прохода четвертьволновой пластины 5 циркулярно поляризованной, после двукратного прохождения дополнительно установленной второй четвертьволновой пластины 6, активного элемента 7, дополнительно установленной поворотной призмы 8 и призмы-крыши 9, остается циркулярно поляризованным, а после повторного прохода четвертьволновой пластины 5 становится линейно поляризовано в плоскости, ортогональной плоскости чертежа, и, отразившись от пластины-поляризатора 4, частично выходит из зеркала 2. Отразившаяся от зеркала 2 часть излучения возвращается через все элементы резонатора в обратном порядке к глухому зеркалу 1.At the moment at which, under the influence of the pump radiation pulse, the inverse population in the active element reaches its maximum value, a high-voltage pulse is applied to the electrodes of the electro-optical element, which "opens" the electro-optical shutter formed by the deaf mirror 1, the electro-optical element 3 and the polarizer plate 4. After the "opening" of the electro-optical shutter, a short-time (~ 10 ns) monopulse of radiation is generated in the resonator, which, after passing from the mirror 1 through the electro-optical element 3 and the polarizer plate 4, is linearly polarized in the plane of the drawing, after the passage of the quarter-wave plate 5 is circularly polarized, after double passage of the additionally installed second quarter-wave plate 6, the active element 7, the additionally installed rotary prism 8 and the prism-roof 9, remains circularly polarized, and after repeated passage of the quarter-wave plate 5 becomes linearly polarized is shown in a plane orthogonal to the plane of the drawing, and, having reflected from the polarizer plate 4, partially leaves the mirror 2. The part of the radiation reflected from the mirror 2 returns through all the elements of the resonator in the reverse order to the reflective mirror 1.

Как следует из расчета состояний поляризации, проведенного с помощью матриц Джонса, для двукратного прохода четвертьволновой пластины 6, призм 8 и 9 циркулярное состояние поляризации излучения сохраняется при условии, что призмы 8 и 9 выполнены их стекла одной марки. Из энергетического расчета для лазера-прототипа и для предлагаемого лазера следует, что при одинаковых коэффициентах пропускания выходных зеркал и выходной энергии моноимпульсов излучения лучевая нагрузка на электрооптический элемент также одинакова.As follows from the calculation of the polarization states carried out using the Jones matrices, for a double pass of the quarter-wave plate 6, prisms 8 and 9, the circular state of polarization of the radiation is preserved provided that the prisms 8 and 9 are made of glass of the same brand. From the energy calculation for the prototype laser and for the proposed laser, it follows that with the same transmittance of the output mirrors and the output energy of monopulses of radiation, the radiation load on the electro-optical element is also the same.

В то же время применение односторонней боковой накачки, направленность излучения которой ортогональна плоскости чертежа в предлагаемой оптической схемы резонатора, позволяет до 5 раз снизить энергию импульсов накачки.At the same time, the use of one-sided lateral pumping, the radiation direction of which is orthogonal to the plane of the drawing in the proposed optical scheme of the resonator, makes it possible to reduce the pump pulse energy by up to 5 times.

Таким образом, поставленную перед полезной моделью задачу по повышению эффективности моноимпульсного лазера при сохранении выходной энергии моноимпульсов излучения и допустимой лучевой нагрузки на электрооптический элемент можно считать решенной.Thus, the problem posed to the utility model of increasing the efficiency of a monopulse laser while maintaining the output energy of monopulses of radiation and the permissible radiation load on the electro-optical element can be considered solved.

Источник информации:Sourse of information:

1. Г.М. Зверев, Ю.Д. Голяев. Лазеры на кристаллах и их применение. М. «Радио и связь», «Рикел», 1994, с. 227.1.G.M. Zverev, Yu.D. Golyaev. Crystal lasers and their applications. M. "Radio and Communication", "Rikel", 1994, p. 227.

2. Гармаш В.М., Исаева Е.А., Ляшенко А.И. Эффективные моноимпульсные лазеры на АИГ : Nd³⁺ с резонаторами на основе оптических схем двухпроходных усилителей. Физические основы приборостроения 2016, т. 5 №3 (20) с. 48-55.2. Garmash V.M., Isaeva E.A., Lyashenko A.I. Efficient monopulse YAG: Nd ³⁺ lasers with cavities based on optical circuits of two-pass amplifiers. Physical foundations of instrumentation 2016, v. 5 No. 3 (20) p. 48-55.

3. Гармаш В.М., Володина Е.М., Ляшенко А.И., Сапожников С.М., Подкопаев А.В. Моноимпульсный лазер на АИГ : Nd³⁺ с поперечной диодной накачкой активного элемента. Труды Российского научно-технологического общества радиотехники, электроники и связи имени А.С. Попова. Серия: Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации. Выпуск 11, Москва-Суздаль, 2018, с. 199-202.3. Garmash V.M., Volodina E.M., Lyashenko A.I., Sapozhnikov S.M., Podkopaev A.V. Monopulse YAG: Nd ³⁺ laser with transverse diode pumping of the active element. Proceedings of the Russian Scientific and Technological Society of Radio Engineering, Electronics and Communications named after A.S. Popov. Series: Acousto-optic and radar methods of measurement and information processing. Issue 11, Moscow-Suzdal, 2018, p. 199-202.

Claims (1)

Импульсный твердотельный лазер с резонатором, содержащим глухое зеркало, электрооптический элемент, пластину-поляризатор, оптически изотропный активный элемент, четвертьволновую пластину с кристаллографическими осями под углом 45 градусов к плоскости пропускания пластины-поляризатора, промежуточный отражатель, частично прозрачное зеркало, отличающийся тем, что четвертьволновая пластина установлена рядом с пластиной-поляризатором, между четвертьволновой пластиной и активным элементом установлена дополнительно вторая четвертьволновая пластина с кристаллографическими осями под углами 0 и 90 градусов к плоскости пропускания пластины-поляризатора, между активным элементом и промежуточным отражателем дополнительно установлена поворотная призма, поворачивающая оптическую ось резонатора на 90 градусов в плоскости пропускания пластины-поляризатора, а в качестве промежуточного отражателя установлена призма-крыша с ребром при вершине, лежащим в той же плоскости и ортогональным повернутой оси резонатора.A pulsed solid-state laser with a resonator containing a reflective mirror, an electro-optical element, a polarizer plate, an optically isotropic active element, a quarter-wave plate with crystallographic axes at an angle of 45 degrees to the transmission plane of the polarizer plate, an intermediate reflector, a partially transparent mirror, characterized in that the quarter-wave the plate is installed next to the polarizer plate, between the quarter-wave plate and the active element, an additional quarter-wave plate is installed with crystallographic axes at angles of 0 and 90 degrees to the transmission plane of the polarizer plate, a rotary prism is additionally installed between the active element and the intermediate reflector, which rotates the optical axis of the resonator 90 degrees in the transmission plane of the polarizer plate, and a roof prism with an edge at the vertex lying in the same plane and orthogonal to the rotated resonance axis is installed as an intermediate reflector nator.

Images