RU2231879C1 - Multiway amplifier of laser radiation - Google Patents
Multiway amplifier of laser radiation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2231879C1 RU2231879C1 RU2002127171/28A RU2002127171A RU2231879C1 RU 2231879 C1 RU2231879 C1 RU 2231879C1 RU 2002127171/28 A RU2002127171/28 A RU 2002127171/28A RU 2002127171 A RU2002127171 A RU 2002127171A RU 2231879 C1 RU2231879 C1 RU 2231879C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- active element
- radiation
- master oscillator
- optical
- mirror
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Lasers (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к области квантовой электроники, в частности к приборам квантовой электроники и лазерной техники, преимущественно к импульсным лазерным системам с управляемыми параметрами и повышенной мощностью излучения, основная доля излучения которых приобретается в усилителе с активными элементами (активной средой), а именно: к конструкции многопроходных лазерных усилителей с активными элементами (активной средой), совмещенных с генераторами с устойчивыми оптическими резонаторами, и может быть использовано при создании и эксплуатации лазеров со сравнительно высоким коэффициентом усиления и с активными элементами (активными средами), обеспечивающими возможность генерации и усиления электромагнитного излучения, в качестве усилителя лазерного излучения в любом диапазоне длин волн, где возможно создание отражательных элементов, не поглощающих излучение, а также использующих полное внутреннее отражение, для систем связи, в научных исследованиях других областей.The present invention relates to the field of quantum electronics, in particular to devices of quantum electronics and laser technology, mainly to pulsed laser systems with controlled parameters and increased radiation power, the bulk of the radiation of which is acquired in an amplifier with active elements (active medium), namely: designs of multipass laser amplifiers with active elements (active medium) combined with generators with stable optical resonators, and can be used by and the creation and operation of lasers with a relatively high gain and with active elements (active media) that enable the generation and amplification of electromagnetic radiation, as an amplifier for laser radiation in any wavelength range, where it is possible to create reflective elements that do not absorb radiation, and using full internal reflection, for communication systems, in scientific research of other areas.
Проблема необходимости создания многопроходных лазерных усилителей с активными элементами (активной средой) и устойчивыми оптическими резонаторами для лазеров со сравнительно высоким коэффициентом усиления в настоящее время встала достаточно остро.The problem of the need to create multi-pass laser amplifiers with active elements (active medium) and stable optical resonators for lasers with a relatively high gain has now become quite acute.
Связано это с тем, что многие задачи дистанционного зондирования и мониторинга окружающей среды в натурных условиях любых климатических зон могут быть выполнены только с помощью лазеров. При этом изменяющиеся погодные условия и ограничение весовых и энергетических параметров устройств требуют минимизации габаритно-массовых показателей, высокой эффективности, а также повышенной надежности лазерных систем.This is due to the fact that many tasks of remote sensing and environmental monitoring in natural conditions of any climatic zones can be performed only with the help of lasers. At the same time, changing weather conditions and the limitation of the weight and energy parameters of the devices require minimizing the overall mass indicators, high efficiency, as well as increased reliability of the laser systems.
Известен лазер с управлением параметрами излучения путем изменения коэффициента пропускания резонатора лазера с помощью внутрирезонаторного электронно-оптического затвора-модулятора и опто-электронной цепи отрицательной обратной связи, использующей в качестве задающего сигнала часть излучения самого лазера, который затем преобразуется в электрический сигнал управления модулятором по цепи обратной связи [1].A known laser with control of radiation parameters by changing the transmittance of the laser resonator using an intracavity electron-optical shutter-modulator and an optoelectronic negative feedback circuit that uses part of the laser radiation as a reference signal, which is then converted into an electric signal to control the modulator through the circuit feedback [1].
В таком лазере в предположении малого изменения энергии лазерного излучения при развитии генерации на каждом проходе по резонатору энергия (n+1)-го прохода En+1 связана с En следующим рекурентным соотношениемIn such a laser, under the assumption of a small change in the laser radiation energy during the development of generation at each pass through the cavity, the energy of the (n + 1) th pass E n + 1 is related to E n by the following recurrence relation
где R - коэффициент неселективных потерь в резонаторе, в основном коэффициент отражения зеркал; α - коэффициент усиления активного элемента; β - коэффициент пропускания насыщающего поглотителя пассивного затвора модуляции добротности, зависящий от энергии импульса Еn; T - коэффициент пропускания электронно-оптического модулятора.where R is the coefficient of non-selective losses in the cavity, mainly the reflection coefficient of the mirrors; α is the gain of the active element; β is the transmittance of the saturable absorber of the passive Q-switch of the Q-switch, depending on the pulse energy E n ; T is the transmittance of the electron-optical modulator.
Закон отрицательной обратной связи через управление пропусканием затвора-модулятора в линейном приближении будет иметь вид:The law of negative feedback through the transmission control of the gate-modulator in the linear approximation will have the form:
где Т0 - начальное пропускание электронно-оптического затвора, σ - коэффициент обратной связи. Знак минус в уравнении (2) означает отрицательную обратную связь в этой цепи управления.where T 0 is the initial transmission of the electron-optical shutter, σ is the feedback coefficient. The minus sign in equation (2) means negative feedback in this control circuit.
Недостатком такого лазера являются высоковольтные цепи управления, имеющие конечное время задержки формирования управляющего сигнала в электронных цепях, например, в [1] это не менее 9 нс, а также наличие внутрирезонаторных потерь, вносимых большим количеством оптических элементов, а также регулируемых затвором-модулятором, что приводит к безвозвратной потере энергии лазера и, таким образом, к снижению его эффективности, основным ограничением которой в простейшем лазере, состоящем из активного элемента и зеркал резонатора, является наличие отражающего покрытия зеркал, уменьшающего долю выхода энергии излучения, запасенной внутри резонатора лазера.The disadvantage of such a laser is high-voltage control circuits having a finite delay time for generating a control signal in electronic circuits, for example, in [1] it is not less than 9 ns, as well as the presence of intracavity losses introduced by a large number of optical elements, as well as controlled by a gate modulator, which leads to an irretrievable loss of laser energy and, thus, to a decrease in its efficiency, the main limitation of which in a simple laser consisting of an active element and resonator mirrors is the reflective coating of mirrors, which reduces the fraction of the output of the radiation energy stored inside the laser cavity.
Известен лазер, в одном активном элементе которого одновременно совмещены функции задающего лазера, формирующего пучок излучения с расходимостью, близкой к дифракционной, и двухпроходного усилителя с расширением диаметра пучка до апертуры активного элемента и управлением расходимостью пучка с помощью дополнительного сферического вогнутого зеркала путем коррекции действия тепловой линзы, наводимой в активном элементе [2].A laser is known, in one active element of which the functions of a master laser, forming a radiation beam with a divergence close to diffraction, and a two-pass amplifier with the expansion of the beam diameter to the aperture of the active element and controlling the beam divergence using an additional spherical concave mirror by correcting the action of a thermal lens are combined induced in the active element [2].
Недостатками такого лазера являются следующие:The disadvantages of such a laser are as follows:
1. Совмещение оптической оси резонатора задающего лазера с геометрической осью активного элемента, имеющего форму цилиндра, на которой достигается наибольшее значение оптической силы наведенной термической линзы, флуктуации которой будут приводить к неустойчивости параметров задающего лазера.1. The combination of the optical axis of the resonator of the master laser with the geometric axis of the active element having the shape of a cylinder, on which the greatest value of the optical power of the induced thermal lens is achieved, fluctuations of which will lead to instability of the parameters of the master laser.
2. Диаметр пучка задающего лазера не может быть меньше конечного размера диаметра отверстия связи в выходном зеркале, и, тем самым, приосевая часть пучка на усилительном проходе, ограниченная диаметром отражающего покрытия на выходном зеркале, будет отражаться обратно внутрь резонатора лазера и ограничивать выходную энергию излучения.2. The diameter of the beam of the master laser cannot be less than the final size of the diameter of the communication hole in the output mirror, and, therefore, the near-axis part of the beam in the amplification passage, limited by the diameter of the reflective coating on the output mirror, will be reflected back into the laser cavity and limit the output radiation energy .
3. Установка модулятора добротности лазера предполагается между активным элементом и “глухим” 100% зеркалом задающего лазера, где диаметр пучка излучения достигает максимального значения, ограниченного диаметром активного элемента, поэтому модулятор добротности должен иметь большую апертуру, не менее диаметра активного элемента, и быть высокого оптического качества, чтобы не искажать волновой фронт пучка, а также высокой оптической стойкости к оптическому пробою в области высокой интенсивности пучка внутри резонатора лазера.3. The installation of a laser Q-factor modulator is supposed to be between the active element and a “dead” 100% mirror of the master laser, where the diameter of the radiation beam reaches a maximum value limited by the diameter of the active element; therefore, the Q-factor should have a large aperture, not less than the diameter of the active element, and be high optical quality so as not to distort the wavefront of the beam, as well as high optical resistance to optical breakdown in the region of high beam intensity inside the laser cavity.
4. Необходимость перемещения двух зеркал, сферического и “глухого”, для коррекции действия тепловой линзы. Такое перемещение зеркал в процессе изменения тепловой нагрузки на активный элемент, например, при повышении частоты повторения импульсов, может приводить к разъюстировке резонатора, снижению выходной энергии излучения и снижению ее стабильности.4. The need to move two mirrors, spherical and “blind”, to correct the action of a thermal lens. Such a movement of mirrors in the process of changing the thermal load on the active element, for example, with an increase in the pulse repetition rate, can lead to an alignment of the resonator, a decrease in the output radiation energy, and a decrease in its stability.
Известен усилитель, в котором активный элемент расположен между двумя сферическими зеркалами, обеспечивающими многократное прохождение усиливаемого излучения по активному элементу. Вход излучения в усилитель осуществляется через отверстие в центре одного из зеркал. Вывод излучения производится за счет изменения расходимости и за счет меньших размеров второго зеркала [3].An amplifier is known in which the active element is located between two spherical mirrors, providing multiple passage of amplified radiation through the active element. The input of radiation into the amplifier is through a hole in the center of one of the mirrors. The output of radiation is due to changes in divergence and due to the smaller dimensions of the second mirror [3].
Недостатки такого технического решения заключаются в том, что усиленное излучение повторяет неоднородности коэффициента усиления среды активного элемента, поскольку для большинства сред активных элементов практически невозможно избежать вариаций инверсной заселенности в направлении, перпендикулярном направлению распространения излучения (оси-системы). Выходящее излучение по направлению совпадает с направлением распространения излучения на предшествующих последнему проходах, что приводит за счет дифракции на меньшем зеркале к попаданию этого излучения в выходное. Может происходить также и обратное - доля выходного излучения попадает в излучение предыдущих проходов, что делает усилитель склонным к самовозбуждению. Дифракция на выходном зеркале приводит также к появлению неоднородностей в распределении выходного пучка. Направление выходного пучка весьма чувствительно к нестабильности положения зеркал.The disadvantages of this technical solution are that the amplified radiation repeats the inhomogeneities of the gain of the medium of the active element, since for most media of active elements it is almost impossible to avoid variations in the inverse population in the direction perpendicular to the direction of radiation propagation (system axis). The outgoing radiation in the direction coincides with the direction of radiation propagation in the previous previous passes, which, due to diffraction by a smaller mirror, causes this radiation to enter the output. The opposite can also happen - the proportion of the output radiation falls into the radiation of the previous passes, which makes the amplifier prone to self-excitation. Diffraction at the output mirror also leads to the appearance of inhomogeneities in the distribution of the output beam. The direction of the output beam is very sensitive to the instability of the position of the mirrors.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является многопроходный усилитель лазерного излучения, содержащий устройство накачки, активный элемент, выполненный цилиндрическим и установленный таким образом, что его ось совпадает с осью усилителя, и систему отражателей лазерного излучения, выполненную в виде двух блоков, состоящих, по крайней мере, из трех одинаковых симметричных призм с двумя гранями полного внутреннего отражения, угол θ между отражающими гранями призм, ширина a и высота h грани призмы, противолежащей этому углу, расстояние L между отражателями призм (база усилителя) и угол наклона γ оси пучка к оси усилителя связаны соотношениями: a=2r0; h=H+2r0;The closest technical solution (prototype) is a multi-pass laser radiation amplifier containing a pump device, an active element made cylindrical and mounted so that its axis coincides with the axis of the amplifier, and a laser radiation reflector system made in the form of two blocks consisting of of at least three identical symmetrical prisms with two faces of total internal reflection, the angle θ between the reflecting faces of the prisms, the width a and the height h of the face of the prism opposite this angle, p the distance L between the prism reflectors (amplifier base) and the angle of inclination γ of the beam axis to the axis of the amplifier are related by the relations: a = 2r 0 ; h = H + 2r 0 ;
где La, R0, n - соответственно длина, радиус и показатель преломления материала цилиндрического активного элемента; r0 - радиус кругового сечения лазерного пучка; H - максимальное удаление оси пучка от оси усилителя (расстояние между центрами пучка на гипотенузной грани призм); 2 γ - угол между осью пучка на входе и на выходе призмы, и установленных таким образом, что в любом сечении активного элемента, перпендикулярном оси усилителя, ось пучка при последовательных проходах образует правильную шестиугольную структуру, вырождающуюся в точку в сечении, проходящем через геометрический центр системы [4].where L a , R 0 , n, respectively, the length, radius and refractive index of the material of the cylindrical active element; r 0 is the radius of the circular section of the laser beam; H is the maximum distance of the beam axis from the axis of the amplifier (the distance between the centers of the beam on the hypotenuse face of the prisms); 2 γ is the angle between the beam axis at the input and output of the prism, and set in such a way that in any section of the active element perpendicular to the axis of the amplifier, the beam axis during successive passes forms a regular hexagonal structure that degenerates into a point in the section passing through the geometric center systems [4].
Недостатки известного технического решения заключаются в необходимости использования входного излучения, производимого задающим генератором, собранного на отдельном активном элементе с отдельной системой накачки и элементами управления, что приводит к усложнению лазерной системы, увеличению габаритов и массы как оптической, так и электрической (блоки питания и охлаждения) части системы и к снижению ее надежности и эффективности.The disadvantages of the known technical solution are the need to use the input radiation produced by the master oscillator, assembled on a separate active element with a separate pump system and control elements, which leads to a complication of the laser system, an increase in the size and weight of both optical and electrical (power and cooling units) ) parts of the system and to reduce its reliability and efficiency.
Новым достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности и эффективности лазерной системы “генератор-усилитель(и)” посредством повышения однородности усиления по сечению пучка, стабильности направления выходного излучения, его энергии и мощности, минимальной расходимости, частотного и временного состава излучения, повышения быстродействия петли обратной связи до физического предела, повышения скорости изменения величины управляемого параметра задающего лазера/генератора и порога самовозбуждения.A new achievable technical result of the present invention is to increase the reliability and efficiency of the laser system “generator-amplifier (s)” by increasing the uniformity of amplification over the beam cross section, the stability of the direction of the output radiation, its energy and power, the minimum divergence, the frequency and time composition of the radiation, and increasing the speed feedback loops to the physical limit, increasing the rate of change of the controlled parameter of the master laser / generator and the threshold itself excitations.
Новый технический результат достигается тем, что в многопроходном усилителе лазерного излучения, содержащем устройство накачки, задающий генератор, активный элемент и систему отражателей лазерного излучения, при этом ось излучения задающего генератора проходит через первый торец активного элемента под уголом к продольной оси симметрии активного элемента, в отличие от прототипа, система отражателей лазерного излучения выполнена в виде поворотных оптических отражающих элементов, первого глухого зеркала, установленного для обеспечения возможности по крайней мере одного дополнительного усилительного прохода излучения задающего генератора, и устойчивого оптического резонатора, включающего второе глухое и выходное полупрозрачное плоское зеркала, при этом оптическая ось оптического резонатора задающего генератора и ось пучка излучения задающего генератора образуют с продольной осью симметрии активного элемента угол γ , удовлетворяющий условиюA new technical result is achieved in that in a multi-pass laser radiation amplifier containing a pump device, a master oscillator, an active element and a system of laser radiation reflectors, the radiation axis of the master oscillator passes through the first end of the active element at an angle to the longitudinal axis of symmetry of the active element, in unlike the prototype, the system of laser reflectors is made in the form of rotary optical reflective elements, the first deaf mirror installed to provide I am capable of at least one additional amplifying passage of the radiation of the master oscillator, and a stable optical resonator including a second blind and output translucent flat mirror, while the optical axis of the optical resonator of the master oscillator and the axis of the beam of the master oscillator form an angle γ with the longitudinal axis of symmetry of the active element satisfying the condition
γ ≈ arctg(2(R0-r0)/Lа),γ ≈ arctg (2 (R 0 -r 0 ) / L a ),
где 2R0 - апертура активного элемента, Lа - длина активного элемента, r0 - радиус пучка излучения задающего генератора,where 2R 0 is the aperture of the active element, L a is the length of the active element, r 0 is the radius of the radiation beam of the master oscillator,
причем выходное полупрозрачное плоское зеркало установлено с возможностью последовательного оптического сопряжения посредством поворотных оптических отражающих элементов через второй торец активного элемента с первым глухим зеркалом для обеспечения возможности первого усилительного прохода излучения задающего генератора, пересекающего оптическую ось оптического резонатора задающего генератора под углом δ , удовлетворяющим условиюmoreover, the output translucent flat mirror is installed with the possibility of sequential optical conjugation by means of rotary optical reflective elements through the second end of the active element with the first blind mirror to enable the first amplification passage of the radiation of the master oscillator crossing the optical axis of the optical resonator of the master oscillator at an angle δ satisfying the condition
аrctg(2(R0-3r0)/La)≤ δ ≤ 2arctg(2(R0-r0)/La).arctg (2 (R 0 -r 0 ) / L a ) ≤ δ ≤ 2 arctg (2 (R 0 -r 0 ) / L a ).
В усилитель может быть дополнительно введена диафрагма с диаметром d<<2R0 для селекции поперечных мод, установленная между активным элементом и выходным полупрозрачным плоским зеркалом с возможностью последовательного оптического сопряжения диафрагмы и выходного полупрозрачного плоского зеркала.An aperture with a diameter d << 2R 0 can be additionally introduced into the amplifier for the selection of transverse modes, mounted between the active element and the output translucent flat mirror with the possibility of sequential optical conjugation of the diaphragm and the output translucent flat mirror.
В усилитель может быть дополнительно введен по крайней мере один активный элемент, при этом все активные элементы установлены с образованием двухпроходного каскада усилителей, при этом выходной торец предыдущего активного элемента оптически сопряжен с входным торцом последующего активного элемента, причем первое глухое зеркало установлено со стороны последнего при первом усилительном проходе выходного торца последнего в каскаде усилителей активного элемента на его продольной оси симметрии и оптически сопряжено с выходным торцом последнего в каскаде усилителей активного элемента с возможностью отражения излучения задающего генератора внутрь последнего в каскаде усилителей активного элемента через его выходной для случая первого усилительного прохода излучения задающего генератора торец для обеспечения возможности по крайней мере одного дополнительного усилительного прохода излучения задающего генератора.At least one active element can be additionally introduced into the amplifier, while all active elements are installed with the formation of a two-pass amplifier cascade, while the output end of the previous active element is optically coupled to the input end of the subsequent active element, the first blind mirror being installed from the side of the last the first amplifying passage of the output end of the last in the cascade of amplifiers of the active element on its longitudinal axis of symmetry and is optically coupled to the output end along the last in the cascade of amplifiers of the active element with the possibility of reflection of the radiation of the master oscillator inside the last in the cascade of amplifiers of the active element through its output for the case of the first amplification pass of the radiation of the master oscillator end to enable at least one additional amplification pass of the radiation of the master oscillator.
Все активные элементы могут быть установлены последовательно вдоль продольной оси симметрии усилителя в обратном ходу первичного входного излучения задающего генератора направлении.All active elements can be installed sequentially along the longitudinal axis of symmetry of the amplifier in the reverse direction of the primary input radiation of the master oscillator direction.
Все активные элементы могут быть установлены параллельно друг другу, при этом выходной торец предыдущего активного элемента оптически сопряжен с входным торцом последующего активного элемента посредством вновь введенных дополнительных поворотных оптических отражающих элементов.All active elements can be installed parallel to each other, while the output end of the previous active element is optically coupled to the input end of the subsequent active element by means of newly introduced additional rotary optical reflective elements.
Все активные элементы могут быть установлены параллельно относительно устройства накачки с возможностью генерации и усиления по крайней мере в двух из активных элементов от одного устройства накачки для создания инверсной заселенности.All active elements can be installed parallel to the pumping device with the possibility of generation and amplification in at least two of the active elements from one pumping device to create an inverse population.
Первое глухое зеркало может быть выполнено плоским.The first blind mirror can be made flat.
Поворотный оптический отражающий элемент для обеспечения возможности первого усилительного прохода излучения задающего генератора непосредственно во второй торец первого активного элемента и первое глухое зеркало могут быть выполнены в виде телескопической пары из сферического выпуклого и глухого вогнутого зеркал, при этом сферическое выпуклое зеркало выполнено на прозрачной, просветленной с обеих сторон выпукло-вогнутой подложке с радиусом кривизны R1 рабочей поверхности, обеспечивающим полное заполнение апертуры 2R0 активного элемента через второй торец первого активного элемента при первом усилительном проходе излучения задающего генератора, и отражающим покрытием на центральном участке диаметром d1, удовлетворяющим условию d≤ d1≤ 2R0, и установлено на продольной оси симметрии первого активного элемента с возможностью отражения излучения задающего генератора через второй торец внутрь первого активного элемента вдоль этой оси, а глухое вогнутое зеркало выполнено с радиусом кривизны R2 рабочей поверхности, обеспечивающим полное заполнение апертуры активного элемента через входной торец при начале второго усилительного прохода излучения задающего генератора последнего в каскаде усилителей активного элемента, и установлено на продольной оптической оси симметрии последнего в каскаде усилителей активного элемента с возможностью перемещения вдоль этой продольной оптической оси и отражения излучения через входной торец при начале второго усилительного прохода излучения задающего генератора внутрь последнего в каскаде усилителей активного элемента вдоль этой продольной оси, причем разность между радиусами кривизны сферического выпуклого и глухого вогнутого зеркал выражается соотношениемA rotary optical reflective element to enable the first amplifying passage of the radiation of the master oscillator directly to the second end of the first active element and the first deaf mirror can be made in the form of a telescopic pair of spherical convex and deaf concave mirrors, while the spherical convex mirror is made on a transparent, illuminated with both sides of the convex-concave substrate having a radius of curvature R 1 of the working surface, ensuring complete filling aperture 2R active e 0 ementa through the second end of the first active element in the first amplifying pass master oscillator radiation, and a reflective coating on the central portion of diameter d 1 satisfying condition d≤ d 1 ≤ 2R 0, and is set on the longitudinal axis of symmetry of the first active element, with a master oscillator radiation reflection through the second end into the first active element along this axis, and a blind concave mirror is made with a radius of curvature R 2 of the working surface, which ensures full filling of the aperture element through the input end at the beginning of the second amplification passage of the radiation of the master oscillator of the last in the cascade of amplifiers of the active element, and is installed on the longitudinal optical axis of symmetry of the last in the cascade of amplifiers of the active element with the ability to move along this longitudinal optical axis and reflect radiation through the input end at the beginning of the second amplifier pass radiation of the master oscillator into the last in the cascade of amplifiers of the active element along this longitudinal axis, and different the difference between the radii of curvature of a spherical convex and blind concave mirrors is expressed by the ratio
(R2-R1)≥ L1,... , n,(R 2 -R 1 ) ≥ L 1 , ..., n ,
где L1,... , n - длина активных элементов в каскаде усилителей.where L 1 , ..., n is the length of the active elements in the cascade of amplifiers.
Второе глухое зеркало оптического резонатора может быть выполнено в форме плоского круга с диаметром d2≥ d и гауссовым профилем распределения коэффициента отражения, установленное на поверхности среза в виде фаски входного торца первого активного элемента, при этом отражающая поверхность второго глухого зеркала в форме плоского круга находится на оптической оси оптического резонатора задающего генератора и перпендикулярна ей.The second blind mirror of the optical resonator can be made in the form of a flat circle with a diameter of d 2 ≥ d and a Gaussian profile of the distribution of the reflection coefficient, mounted on the cut surface in the form of a chamfer of the input end of the first active element, while the reflecting surface of the second blind mirror in the form of a flat circle is on the optical axis of the optical resonator of the master oscillator and perpendicular to it.
Выходное полупрозрачное плоское зеркало оптического резонатора может быть выполнено в форме плоского круга с диаметром d2≥ d и гауссовым профилем распределения коэффициента отражения, установленное на поверхности среза в виде фаски второго торца первого активного элемента, при этом отражающая поверхность выходного полупрозрачного зеркала в форме плоского круга находится на оптической оси оптического резонатора задающего генератора и перпендикулярна ей.The output translucent flat mirror of the optical resonator can be made in the form of a flat circle with a diameter d 2 ≥ d and a Gaussian profile of the reflection coefficient distribution, mounted on the cut surface in the form of a chamfer of the second end face of the first active element, while the reflecting surface of the output translucent mirror in the form of a flat circle located on the optical axis of the optical resonator of the master oscillator and perpendicular to it.
В усилитель может быть дополнительно введен модулятор добротности резонатора, установленный на оптической оси оптического резонатора задающего генератора между активным элементом и выходным полупрозрачным плоским зеркалом и оптически сопряженный с выходным плоским полупрозрачным зеркалом.A resonator Q-factor modulator mounted on the optical axis of the optical resonator of the master oscillator between the active element and the output translucent flat mirror and optically coupled to the output flat translucent mirror can be additionally introduced into the amplifier.
В усилитель может быть дополнительно введен модулятор добротности резонатора, установленный на оптической оси оптического резонатора задающего генератора между активным элементом и диафрагмой и оптически сопряженный с диафрагмой.A resonator Q-factor modulator mounted on the optical axis of the optical resonator of the master oscillator between the active element and the diaphragm and optically coupled to the diaphragm can be additionally introduced into the amplifier.
На фиг.1-5 представлены принципиальные схемы выполнения усилителя лазерного излучения.Figure 1-5 presents a schematic diagram of a laser amplifier.
Многопроходный усилитель лазерного излучения (фиг.1) содержит устройство накачки 1, задающий генератор 2, активный элемент 3, выполненный цилиндрическим с апертурой 2R0 и длиной Lа, систему отражателей лазерного излучения, выполненную в виде поворотных оптических отражающих элементов 4, 5, первого глухого плоского зеркала 6, установленного для обеспечения возможности по крайней мере одного дополнительного усилительного прохода излучения 7 задающего генератора 2, и устойчивого оптического резонатора, включающего второе глухое 8, выходное полупрозрачное плоское 9 зеркала и диафрагму 10 диаметром d<<2R0 для селекции поперечных мод, при этом оптическая ось О’’-О’’’ оптического резонатора задающего генератора 2 и пучок излучения 7 диметром 2r0 задающего генератора 2 проходят через первый торец 11 активного элемента 3 под уголом к продольной оси O-O’ симметрии активного элемента 3 под углом γ , удовлетворяющим условиюThe multi-pass laser radiation amplifier (Fig. 1) comprises a
γ ≈ arctg(2(R0-r0)/La),γ ≈ arctg (2 (R 0 -r 0 ) / L a ),
диафрагма 10 установлена между активным элементом 3 и выходным полупрозрачным плоским зеркалом 9 с возможностью последовательного оптического сопряжения диафрагмы 10 и выходного полупрозрачного плоского зеркала 9 посредством поворотных оптических отражающих элементов 4, 5 через второй торец 12 активного элемента 3 с первым глухим плоским зеркалом 6 для обеспечения возможности первого усилительного прохода излучения 7 задающего генератора 2, и пересекающего оптическую ось O’’-O’’’ оптического резонатора задающего генератора 2 под углом δ , удовлетворяющим условиюthe
arctg(2(R0-3r0)/La)≤ δ ≤ 2arctg(2(R0-r0)/La).arctg (2 (R 0 -r 0 ) / L a ) ≤ δ ≤ 2 arctg (2 (R 0 -r 0 ) / L a ).
В случае наличия нескольких активных элементов 3, 3’,... , 3n все они могут быть установлены последовательно вдоль продольной оси симметрии O-O’ усилителя в обратном ходу первичного входного излучения 7 задающего генератора 2 направлении с образованием двухпроходного каскада усилителей, при этом выходной торец предыдущего активного элемента 3n-1 оптически сопряжен с входным торцом последующего активного элемента 3n, причем первое глухое плоское зеркало 6 установлено со стороны последнего при первом усилительном проходе излучения 7 задающего генератора 2 выходного торца 13 последнего в каскаде усилителей активного элемента 3n на его продольной оси симметрии O-O’ и оптически сопряжено с выходным торцом 13 последнего в каскаде усилителей активного элемента 3n с возможностью отражения излучения 7 задающего генератора 2 внутрь последнего в каскаде усилителей активного элемента 3n через его выходной для случая первого усилительного прохода излучения 7 задающего генератора 2 торец 13 для обеспечения возможности по крайней мере одного дополнительного усилительного прохода излучения 7 задающего генератора 2 (фиг.2).If there are several
Все активные элементы 3, 3’,... , 3n могут быть установлены параллельно друг другу, при этом выходной торец предыдущего активного элемента 3n-1 оптически сопряжен с входным торцом последующего активного элемента 3n посредством дополнительных поворотных оптических отражающих элементов 14, 15 (фиг.3).All
Поворотный оптический отражающий элемент 5 для обеспечения возможности первого усилительного прохода излучения 7 задающего генератора 2 непосредственно во второй торец 12 первого активного элемента 3 и первое глухое зеркало 6 могут быть выполнены в виде телескопической пары из сферического выпуклого 16 и глухого вогнутого 17 зеркал, при этом сферическое выпуклое зеркало 16 выполнено на прозрачной, просветленной с обеих сторон выпукло-вогнутой подложке с радиусом кривизны R1 рабочей поверхности, обеспечивающим полное заполнение апертуры 2R0 активного элемента через второй торец первого активного элемента при первом усилительном проходе излучения задающего генератора, и отражающим покрытием 16 на центральном участке диаметром d1, удовлетворяющим условию d≤ d1≤ 2R0, и установлено на продольной оси симметрии O-O’ первого активного элемента 3 с возможностью отражения излучения 7 задающего генератора 2 через второй торец 12 внутрь первого активного элемента 3 вдоль этой оси O-O’, а глухое вогнутое зеркало 17 выполнено с радиусом кривизны R2 рабочей поверхности, обеспечивающим полное заполнение апертуры активного элемента 3 через входной торец 13 при начале второго усилительного прохода излучения 7 задающего генератора 2 последнего в каскаде усилителей активного элемента 3n, и установлено на продольной оптической оси симметрии ОIV-OV последнего в каскаде усилителей активного элемента 3n с возможностью перемещения вдоль этой продольной оптической оси симметрии OIV-OV и отражения излучения 7 через входной торец 13 при начале второго усилительного прохода излучения 7 задающего генератора 2 внутрь последнего в каскаде усилителей активного элемента 3n вдоль этой оптической оси симметрии ОIV-OV причем разность между радиусами кривизны сферического выпуклого 16 и глухого вогнутого 17 зеркал выражается соотношениемA rotary optical reflecting
(R2-R1)≥ L1,... , n (R 2 -R 1 ) ≥ L 1 , ..., n
где L1,... , n - длина активных элементов 3 в каскаде усилителей (фиг.4).where L 1 , ..., n is the length of the
Второе глухое зеркало 8 оптического резонатора может быть выполнено в форме плоского круга 19 с диаметром d2 и гауссовым профилем распределения коэффициента отражения, установленное на поверхности среза в виде фаски первого торца 11 первого активного элемента 3, при этом отражающая поверхность второго глухого зеркала в форме плоского круга 19 перпендикулярна оптической оси O’’-O’’’ оптического резонатора задающего генератора 2 (фиг.5).The second
При этом все активные элементы 3, 3’,... , 3n могут быть установлены параллельно относительно устройства накачки 1 с возможностью генерации и усиления по крайней мере в двух из активных элементов 3, 3’,... , 3n от одного устройства накачки 1 для создания инверсной заселенности (фиг.3-5).Moreover, all
В усилитель может быть введен модулятор добротности резонатора 20, установленный на оптической оси O’’-О’’’ оптического резонатора задающего генератора 2 между активным элементом 3 и диафрагмой 10 и оптически сопряженный с диафрагмой 10 (фиг.1-5).A resonator Q-
Выходное полупрозрачное плоское зеркало 9 оптического резонатора может быть выполнено в виде выходного плоского зеркала в форме плоского круга 21 с диаметром d2≥ d и гауссовым профилем распределения коэффициента отражения, установленное на поверхности среза в виде фаски второго торца 12 первого активного элемента 3, при этом отражающая поверхность 22 выходного плоского зеркала в форме плоского круга 21 перпендикулярна оптической оси O’’-O’’’ оптического резонатора задающего генератора 2 (фиг.6).The output translucent
Многопроходный усилитель лазерного излучения может быть выполнен следующим образом.Multipass laser amplifier can be performed as follows.
Задающий генератор 1 предназначен для формирования излучения 7 вдоль оси O’’-O’’’ и последующей генерации в активном элементе 3 под углом γ относительно продольной оси O’’-O’’’ симметрии активного элемента 3, удовлетворяющий условиюThe
0<γ ≤ аrсtg(2(R0-r0)/La),0 <γ ≤ artg (2 (R 0 -r 0 ) / L a ),
например, γ =5° при аrсtg(2(R0-r0)=7 мм/La=80 мм,for example, γ = 5 ° at arstg (2 (R 0 -r 0 ) = 7 mm / L a = 80 mm,
для обеспечения снижения инверсии населенности на оси O’’-О’’’ оптического резонатора задающего генератора 2 при ее пересечении излучением 7 на уже первом усилительном проходе излучения 7 задающего генератора 2, что соответствует действию отрицательной обратной связи, эквивалентно действию устройства медленного включения добротности резонатора, и, как следствие, обеспечивает подавление развития генерации на высших поперечных и продольных модах.to ensure a decrease in population inversion on the O '' - O '' 'axis of the optical resonator of the
В качестве задающего генератора 2 может быть использован серийно выпускаемый неодимовый лазер на алюмо-иттриевом гранате, например, ЛТИ-ПЧ, производимый НПО “Полюс”.As the
Активный элемент 3 предназначен для обеспечения усиления, например, на длине волны генерации 1064 нм.The
В качестве активного элемента 2 используют, например, цилиндрический активный элемент с радиусом R, длиной Lа и показателем преломления n, например, из АИГ:Nd и диаметром 2R=5 или 8 мм и равным размеру апертуры 2R0 (размеру входного окна) активного элемента 3 и длиной Lа=65 мм или 80 мм, соответственно, или другие лазерные активные элементы, например, в виде газовой активной среды с нецилиндрической конфигурацией объема с инверсией населенности, например, прямоугольного сечения. В этом случае, апертура 2R0 (размер входного окна) активного элемента 3 будет характеризоваться размером сторон а и b прямоугольного сечения активного элемента 3.As the
Устойчивый оптический резонатор в виде второго глухого плоского 8 и выходного полупрозрачного плоского 9 зеркал предназначен для генерации излучения 7 лазера.A stable optical resonator in the form of a second
В качестве глухого плоского 8 и выходного полупрозрачного плоского 9 зеркал используют, например, диэлектрические зеркала.As a blank flat 8 and output translucent flat 9 mirrors, for example, dielectric mirrors are used.
Первое глухое плоское зеркало 6 предназначено для отражения излучения 7 задающего генератора 2 внутрь активного элемента 3 для обеспечения второго усилительного прохода излучения 7 задающего генератора 2.The first blind
Диафрагма 10 диаметром d<<2R0 предназначена для селекции поперечных мод с целью генерации излучения 7 задающего генератора 2 на основной поперечной моде.
В качестве диафрагмы 10 используют, например, ирисовую диафрагму от фотообъектива “Гелиос-44” производства “Красногорский оптико-механический завод”.As the
Поворотные оптические отражающие элементы 4, 5 предназначены для оптического сопряжения со вторым торцом 12 активного элемента 3 и первым глухим плоским зеркалом 6 излучения 7 задающего генератора 2 через диафрагму 10 и выходное полупрозрачное плоское зеркало 9 и для обеспечения первого усилительного прохода излучения 7 задающего генератора 2 через активный элемент 3.Rotary optical
В качестве поворотных оптических отражающих элементов 4, 5 используют, например, призмы-крыши или диэлектрические зеркала с максимальным коэффициентом отражения под углом 40-50° .As rotary optical
Двухпроходный каскад усилителей из установленных последовательно активных элементов 3, 3’,... , 3n предназначен для увеличения энергии излучения 7, когда необходимо получить пучок излучения 7 на выходе усилителя с большим диаметром, чем, например, в техническом решении по прототипу, а также когда многопроходная схема усиления, принятая, например, в техническом решении по прототипу, не реализуема по конструктивным показаниям или когда длина первого активного элемента 3 не может быть неограниченной по технологическим причинам его производства, например, длина активных элементов 3 из алюмо-иттриевого граната с неодимом значительно меньше длины элементов из неодимового стекла, изготавливаемых на Лыткаринском заводе оптического стекла.The two-pass cascade of amplifiers from successively installed
Двухпроходный каскад усилителей из установленных параллельно друг другу активных элементов 3, 3’,... , 3n предназначен для повышения эффективности и компактности компоновки при сокращении общей длины многопроходного усилителя лазерного излучения, когда для создания инверсии населенности в активных элементах, установленных параллельно в виде револьверного барабана вокруг одной оси, достаточно, по крайней мере, одной лампы вспышки, тогда расходы энергопитания уменьшаются пропорционально уменьшению количества ламп-вспышек, а эффективность усилителя, в целом, увеличивается.A two-pass cascade of amplifiers from
Дополнительные поворотные оптические отражающие элементы 14, 15 предназначены для оптического сопряжения предыдущего активного элемента 3n-1 и последующего активного элемента 3n в двухпроходном каскаде усилителей из установленных параллельно друг другу активных элементов 3, 3’,... , 3n.Additional rotary optical
В качестве поворотных оптических отражающих элементов 14, 15 используют, например, зеркала, аналогичные поворотным оптическим отражающим элементам 4, 5.As rotary optical
Телескопическая пара из сферического выпуклого 14 и глухого вогнутого 15 зеркал предназначена для обеспечения соответственно первого и второго усилительного проходов излучения через активные элементы 3, 3’,... , 3n и обеспечения полного заполнения апертуры активных элементов 3, 3’,... , 3n при втором усилительном проходе, а также для обеспечения возможности получения максимального диаметра пучка излучения 7 задающего генератора 2 и, соответственно, снижения до минимальной дифракционной, а также и управляемой, расходимости пучка излучения на выходе усилителя до значения 2θ ≤ λ /2R0.The telescopic pair of spherical convex 14 and blind concave 15 mirrors is designed to provide, respectively, the first and second amplification radiation passages through the
В качестве сферического выпуклого зеркала 16 используют, например, зеркало на прозрачной, просветленной с обеих сторон выпукло-вогнутой подложке с нейтральным мениском (с одинаковыми радиусами кривизны поверхностей) с радиусом кривизны R1 рабочей поверхности, например, R1=12 мм, обеспечивающим постепенное полное заполнение апертуры 2R0 с диафрагмой диаметром d внутри резонатора, например, при 2R0=8 мм, d=1 мм и длины Lа=80 мм, первого активного элемента 3 при первом усилительном проходе излучения 7 задающего генератора 2, и отражающим покрытием 18 на центральном участке диаметром d1, удовлетворяющим условию d1≥ d, например, при d1=1, 2 мм при d=1 мм.As a spherical
Глухое вогнутое зеркало 17 предназначено для управления расходимостью излучения на выходе из усилителя и для корректировки влияния наведенной термической линзы при разных уровнях тепловой нагрузки на активные элементы 3, 3’,... , 3n посредством своего перемещения вдоль продольной оптической оси ОIV-OV симметрии последнего в каскаде усилителей активного элемента 3.The blind
В качестве глухого вогнутого зеркала 17 используют, например, зеркало, выполненное с возможностью перемещения вдоль продольной оптической оси и с радиусом кривизны R2 рабочей поверхности, например, R2=110-120 мм при длине активного элемента La=80 мм, обеспечивающим полное заполнение апертуры активного элемента 3n через входной торец 13 при начале второго усилительного прохода излучения 7 задающего генератора 2 последнего в каскаде усилителей активного элемента 3n. Разность между радиусами кривизны сферического выпуклого 16 и глухого вогнутого 17 зеркал выражается соотношениемAs a deaf
(R2-R1)≥ L1,... , n,(R 2 -R 1 ) ≥ L 1 , ..., n ,
где, например, L1,... , n=80 мм или 2× 80=160 мм и т.д. и представляет собой длину активного элемента 3, например одного или двух активных элементов 3 и 3’ в каскаде усилителей.where, for example, L 1 , ..., n = 80 mm or 2 × 80 = 160 mm, etc. and represents the length of the
Второе глухое зеркало в форме плоского круга 19 предназначено для осуществления селекции поперечных мод генерации, при этом диафрагму 10 можно изъять из оптического резонатора (фиг.5).The second blind mirror in the form of a
В качестве второго глухого зеркала используют, например, зеркало в форме плоского круга 19 с диаметром d2≥ d, например, при d2=1 мм, и гауссовым профилем распределения коэффициента отражения, например, от 50% на полувысоте до 100% в центральной части второго глухого зеркала в форме плоского круга 19.As the second blind mirror, for example, a mirror in the form of a
Многопроходный усилитель лазерного излучения работает следующим образом.Multipass laser amplifier operates as follows.
При создании инверсной населенности в активном элементе 3 управление параметрами излучения 7 в предлагаемом многопроходном усилителе лазерного излучения реализуется посредством использования излучения 7 самого задающего генератора 2 для обеспечения обратной связи в цепи управления, устойчивый оптический резонатор которого, например, размещен на оси O’’-О’’’ входного пучка многопроходного усилителя.When creating an inverse population in the
При этом генерация усиливаемого излучения 7, управление параметрами оптического резонатора и усиление излучения 7 производятся в одной и той же активной среде усилителя лазерного излучения в его активном элементе 3 или в каскаде усилителей из активных элементов 3, 3’,... , 3n, причем отрицательная обратная связь осуществляется посредством модуляции коэффициента усиления (α n)2 (во вторую степень) среды активного элемента 3 в канале генерации задающего генератора 2 (см. уравнение (1)) в отличие от модуляции коэффициента пропускания Тn в первой степени (1).In this case, the amplified
Излучение 7 от задающего генератора 2 направляется в среду активного элемента 3 усилителя лазерного излучения и, после выхода из среды активного элемента 3, излучение 7 задающего генератора с малой расходимостью, соответствующей гауссовой моде оптического резонатора с глухим плоским 8 и выходным полупрозрачным плоским 9 зеркалами, вторично направляется в среду активного элемента 3 через модулятор добротности резонатора 20 (при его наличии), диафрагму 10 и выходное полупрозрачное плоское зеркало 9 посредством поворотных оптических отражающих элементов 4, 5, например, в виде призм или зеркал, на второй торец 12 активного элемента 3, где пересекает оптическую ось O’’-O’’’ оптического резонатора задающего генератора 2 для обеспечения первого (по крайней мере из двух усилительных проходов) усилительного прохода излучения 7 задающего генератора 2 через активный элемент 3 или каскад усилителей из дополнительных активных элементов 3, 3’,... , 3n.The
При пересечении излучением 7 оптической оси О’’-O’’’ оптического резонатора задающего генератора 2 лазерного излучения, происходит модуляция коэффициента усиления среды активного элемента 3 на оптической оси O’’-O’’’ оптического резонатора задающего генератора 2 лазерного излучения, уменьшая его в момент пересечения этой оси О’’-О’’’ и, тем самым, осуществляя отрицательную обратную связь и, одновременно, усиливая выходное излучение 7 усилителя лазерного излучения при его проходе по среде активного элемента 3 или каскада усилителей из активных элементов 3, 3’,... , 3n, аккумулируя часть энергии из канала генерации усилителя лазерного излучения.When
Суть происходящего при этом физического явления заключается в том, что при создании инверсной населенности в активном элементе 3 задающий генератор 2, устойчивый оптический резонатор которого включает глухое плоское 8 и выходное полупрозрачное плоское 9 зеркала, излучает когерентный световой пучок излучения 7 на основной низшей поперечной моде с гауссовым распределением интенсивности по поперечному сечению. Причем оптическая ось оптического резонатора задающего генератора 2 совпадает с диаганалью продольного сечения активного элемента 3, что уменьшает влияние изменения наведенной термической линзы при изменении уровня накачки активного элемента 3. Этот фактор повышает стабильность излучения задающего генератора 2 по направлению, поперечному сечению пучка, расходимости и энергии излучения 7. Большая часть активного элемента 3 вне оптической оси O’’-O’’’ излучения 7 задающего генератора 2 не принимает участия в генерации, так как торцы 12, 13 активного элемента 3 просветлены и не параллельны.The essence of the physical phenomenon occurring in this case is that when creating an inverse population in the
При этом каждое пересечение оптической оси O’’-О’’’ оптического резонатора задающего генератора устройства при очередном усилительном проходе излучения 7 задающего генератора 2 через активный элемент 3 или каскад усилителей из активных элементах 3, 3’,... , 3n снижает инверсию населенности и повышает порог самовозбуждения, т.е. осуществляет отрицательную обратную связь и увеличивает время развития генерации на модах с меньшими потерями, что подавляет развитие генерации на высших поперечных и продольных модах, имеющих большие потери, чем основная поперечная мода с гауссовым профилем распределения интенсивности и центральная частота (одна продольная мода) в спектральном профиле коэффициента усиления.Moreover, each intersection of the optical axis O``-O '''of the optical resonator of the master oscillator of the device with the next amplification pass of the
Величиной или коэффициентом и временной формой модуляции коэффициента усиления в усилителе лазерного излучения управляют посредством вариации только оптической отрицательной обратной связи без использования электронных цепей путем изменения уровня превышения накачки среды активного элемента 3 или каскада усилителей из активных элементов 3, 3’,... , 3n усилителя лазерного излучения выше порогового уровня генерации, изменения добротности оптического резонатора задающего генератора 2, например, вариацией коэффициента отражения выходного полупрозрачного плоского зеркала 9 оптического резонатора, длины области пересечения пучка излучения 7 с оптической осью O’’-O’’’ оптического резонатора задающего генератора 2 внутри среды активного элемента 3 на соответствующих усилительных проходах, которая может меняться как изменением угла их пересечения с оптической осью О’’-O’’’ оптического резонатора задающего генератора от минимального значения δ ≥ arctg(2(R0-3r0)/La), при этом достигается максимальное значение коэффициента обратной связи до максимального угла δ ≤ 2arctg(2(R0-r0)/La), при этом достигается минимальное значение коэффициента обратной связи так и диаметром пучка излучения 7, а также посредством изменения длины оптического резонатора задающего генератора 2 и величиной разницы длины оптического пути вне и внутри оптического резонатора задающего генератора 2 от выходного полупрозрачного плоского зеркала 9 до места пересечения пучков излучения 7 в активном элементе 3 с оптической осью О’’-О’’’ оптического резонатора задающего генератора 2. Так, при минимальном значении угла пересечения пучков: δ =arctg(2(R0-3r0)/La), эта разница длин оптического пути может быть менее 0,5 см, тогда время запаздывания включения/влияния оптической отрицательной обратной связи будет не более t=0,5 см/(3,10Е10 см/с)≈ 15,10Е-12 с или 15 пс, что значительно (в 600 раз быстрее) меньше, чем в электронных цепях управления [1] и представляет физический предел, определяемый скоростью света с=3,10Е10 см/с.The magnitude or coefficient and time form of modulation of the gain in the laser amplifier is controlled by varying only the optical negative feedback without using electronic circuits by changing the excess level of the pump medium of the active element 3 or the cascade of amplifiers from the active elements 3, 3 ', ..., 3 n laser amplifier above the threshold lasing level changes in the quality factor of the optical resonator of the master oscillator 2, for example, variation of reflectance vyhodnog of a translucent flat mirror 9 of the optical resonator, the length of the region of intersection of the radiation beam 7 with the optical axis O '' - O '''of the optical resonator of the master oscillator 2 inside the medium of the active element 3 at the respective amplification passages, which can vary as the angle of intersection with the optical axis O '' - O '''of the optical resonator of the master oscillator from the minimum value δ ≥ arctan (2 (R 0 -3r 0 ) / L a ), while the maximum value of the feedback coefficient to the maximum angle δ ≤ 2arctg (2 (R 0 -r 0 ) / L a ), while m, the minimum value of the feedback coefficient and the diameter of the radiation beam 7 is achieved, as well as by changing the length of the optical resonator of the master oscillator 2 and the difference in the length of the optical path outside and inside the optical resonator of the master oscillator 2 from the output translucent plane mirror 9 to the intersection of the radiation beams 7 in the active element 3 with the optical axis O``-O '''of the optical resonator of the master oscillator 2. So, with the minimum value of the angle of intersection of the beams: δ = arctg (2 (R 0 -3r 0 ) / L a ), this time the optical path length can be less than 0.5 cm, then the turn-on / influence delay time of the optical negative feedback will be no more than t = 0.5 cm / (3.10E10 cm / s) ≈ 15.10E-12 s or 15 ps , which is significantly (600 times faster) less than in electronic control circuits [1] and represents a physical limit determined by the speed of light c = 3.10E10 cm / s.
При необходимости увеличение динамического диапазона управления величиной оптической отрицательной обратной связи и глубиной модуляции коэффициента усиления среды активного элемента 3 в многопроходном усилителе лазерного излучения, например, от подавления генерации лазера до ее возобновления, достигается независимой вариацией уровня накачки одного двухпроходного каскада усилителей из активных элементов 3,3’,... , 3n или, даже, нескольких двухпроходных каскадов усилителей, все активные элементы 3, 3’,... , 3n которых установлены последовательно вдоль оси O-O’ усилителя в обратном ходу первичного излучения 7 задающего генератора 2 направлении, причем после выхода излучения 7 первого прохода усиления из последнего активного элемента 3n последнего усилительного каскада излучение 7 отражают в среду активного элемента 3n усилительного каскада для второго прохода усиления.If necessary, an increase in the dynamic range for controlling the magnitude of the optical negative feedback and the depth of modulation of the gain of the medium of the
Для получения минимальной и управляемой расходимости пучка излучение 7 задающего генератора 2 направляют на сферическое выпуклое зеркало 16, выполненное на прозрачной, просветленной с обеих сторон выпукло-вогнутой подложке с радиусом кривизны R1 рабочей поверхности, обеспечивающим полное заполнение апертуры 2R0 активного элемента 3 через второй торец 12 первого активного элемента 3 при первом усилительном проходе, и отражающим покрытием 18 на центральном участке диаметром d1, удовлетворяющим условию d≤ d1≤ 2R0, и установлено на продольной оси O-O’ симметрии первого активного элемента 3 с возможностью отражения излучения 7 задающего генератора 2 через второй торец 12 внутрь первого активного элемента 3 вдоль оси O-O’.To obtain minimum and controlled beam divergence, the
Управление расходимостью излучения 7 и корректировку влияния наведенной термической линзы при разных уровнях тепловой нагрузки на активные элементы 3, 3’,... , 3n усилителя лазерного излучения осуществляют посредством перемещения вдоль продольной оптической оси OIV-OV симметрии последнего в каскаде усилителей активного элемента 3 глухого вогнутого зеркала 17, выполненного с радиусом кривизны R2 рабочей поверхности, обеспечивающим полное заполнение апертуры активного элемента 3n через входной торец 13 при начале второго усилительного прохода последнего в каскаде усилителей активного элемента 3n, и установлено на оси симметрии последнего в каскаде усилителей активного элемента 3n с возможностью перемещения вдоль этой продольной оптической оси ОIV-OV и отражения излучения 7 через входной торец 13 при начале второго усилительного прохода внутрь последнего в каскаде усилителей активного элемента 3n вдоль этой продольной оси ОIV-OV, причем разность между радиусами кривизны сферического выпуклого 16 и глухого вогнутого 17 зеркал выражается соотношениемControl of the
(R2-R1)≥ L1,... , n,(R 2 -R 1 ) ≥ L 1 , ..., n ,
где L1,... , n - длина активных элементов 3, 3’,... , 3n в каскаде усилителей.where L 1 , ..., n is the length of the
Для осуществления селекции поперечных мод генерации без диафрагмы 10 второе глухое зеркало 8 оптического резонатора выполняют в виде глухого зеркала в форме плоского круга 19 с диаметром d2≥ d и гауссовым профилем распределения коэффициента отражения и устанавливают на поверхности среза в виде фаски первого 11 торца, а выходное полупрозрачное плоское зеркало 9 - в виде выходного полупрозрачного зеркала в форме плоского круга 21 с гауссовым профилем распределения коэффициента отражения с диаметром d2≥ d, которое, например, напыляют на фаску, выполненную на втором торце 12 первого активного элемента 3, при этом отражающие поверхности глухого зеркала в форме плоского круга 19 и выходного полупрозрачного зеркала в форме плоского круга 21 находятся на оптической оси O’’-O’’’ оптического резонатора задающего генератора 2 и перпендикулярны ей.To select the transverse generation modes without a
Предлагаемый усилитель лазерного излучения может работать как в режиме свободной генерации, так и в режиме модулированной добротности или режиме синхронизации мод для генерации пикосекундных импульсов. При работе в режиме модулированной добротности или режиме синхронизации мод модулятор добротности резонатора 20 устанавливается между активным элементом 3 и любым зеркалом оптического резонатора, причем малая энергия тепловыделения в модуляторе добротности резонатора 200 при малом диаметре пучка d в оптическом резонаторе задающего генератора 2, определяемого диафрагмой 10, и эффективный теплосъем этой энергии при малых поперечных размерах модулятора добротности резонатора 20 позволяют повышать среднюю мощность излучения задающего генератора 2.The proposed laser radiation amplifier can operate both in free-lasing mode, and in a Q-switched mode or mode synchronization mode for generating picosecond pulses. When operating in the Q-switched mode or in the synchronized mode, the Q-factor of the
При генерации излучения без модуля добротности резонатора 20 (без модуляции добротности излучения 7 задающего генератора 2) выходное полупрозрачное плоское зеркало 9 также выполняют в виде выходного полупрозрачного зеркала в форме плоского круга 21 с гауссовым профилем распределения коэффициента отражения с диаметром d2≥ d, которое, например, напыляют на фаску, выполненную на втором торце 12 первого активного элемента 3, при этом отражающая поверхность выходного полупрозрачного зеркала в форме плоского круга 21 находится на оптической оси O’’-O’’’ оптического резонатора задающего генератора 2 и перпендикулярна ей (фиг.6).When generating radiation without a Q-factor of the resonator 20 (without modulating the Q-factor of
Такой многопроходный усилитель лазерного излучения был реализован на активном элементе из АИГ:Nd и габаритами 8× 80 мм и 5× 60 мм. Лазер устойчиво работал в режиме свободной генерации, в режиме модуляции добротности на пассивном элементе на флюориде лития с центрами окраски и в режиме синхронизации мод с пассивным просвеляющим красителем как в растворе, так и в полимерной пленке. При этом, в режиме модуляции добротности была осуществлена устойчивая генерация 15 нс импульсов на одной поперечной и одной продольной моде при пятикратном изменении средней мощности накачки посредством увеличения частоты повторения импульсов с 1 до 5 Гц.Such a multi-pass laser radiation amplifier was implemented on an active element from AIG: Nd and with dimensions of 8 × 80 mm and 5 × 60 mm. The laser worked stably in the free generation mode, in the Q-switching mode on a passive element on lithium fluoride with color centers and in the mode synchronization mode with a passive bleaching dye both in solution and in a polymer film. At the same time, in the Q-switching mode, 15 ns pulses were stably generated in one transverse and one longitudinal mode with a fivefold change in the average pump power by increasing the pulse repetition rate from 1 to 5 Hz.
На основании вышеизложенного новым достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является:Based on the foregoing, a new achievable technical result of the invention is:
1. Повышение компактности, надежности и эффективности генератора и усилителя лазерного излучения не менее чем на 50% посредством совмещения в одном активном элементе и использования одной (вместо как минимум двух) системы накачки генератора и усилителя, повышения однородности усиления по сечению пучка, стабильности направления выходного излучения, его энергии и мощности, минимальной расходимости, частотного и временного состава излучения, повышения быстродействия петли обратной связи до физического предела, повышения скорости изменения величины управляемого параметра излучения лазера и порога самовозбуждения.1. Increasing the compactness, reliability and efficiency of the generator and laser amplifier by at least 50% by combining in one active element and using one (instead of at least two) pump systems of the generator and amplifier, increasing the uniformity of amplification over the beam cross section, and stability of the output direction radiation, its energy and power, minimum divergence, frequency and time composition of radiation, increase the speed of the feedback loop to the physical limit, increase the rate of change I values of the controlled parameter of the laser radiation and the threshold of self-excitation.
2. Обеспечение возможности управления параметрами задающего генератора посредством уменьшения коэффициента усиления активного элемента в канале генерации лазерного излучения излучением самого задающего генератора на усилительных проходах при их пересечении с осью резонатора без дополнительных внутрирезонаторных элементов с внешним управлением электронными цепями.2. Providing the ability to control the parameters of the master oscillator by reducing the gain of the active element in the channel for generating laser radiation by radiation of the master oscillator itself at amplification passages when they intersect the cavity axis without additional intracavity elements with external electronic circuit control.
3. Обеспечение возможности прямого управления именно коэффициентом усиления активного элемента усилителя лазерного излучения, а не коэффициентом пропускания резонатора, за счет увеличения крутизны функции управления как фактора 2 степенной функции, его первой производной по времени, так как выходная энергия от задающего генератора линейно зависит от коэффициента пропускания и квадратично от коэффициента усиления.3. Providing the possibility of direct control of the gain of the active element of the laser radiation amplifier, rather than the transmittance of the resonator, by increasing the steepness of the control function as a
4. Обеспечение возможности использования только оптической отрицательной обратной связи управления без электронных цепей и коммутирующих элементов увеличивает быстродействие такой петли обратной связи до физического предела.4. Providing the possibility of using only optical negative feedback control without electronic circuits and switching elements increases the speed of such a feedback loop to a physical limit.
5. Обеспечение возможности увеличения выходной энергии усилителя лазерного излучения на усилительном проходе через активный элемент за счет перераспределения запасенной в активном элементе энергии - из канала генерации лазера в канал усилителя, а не в тепло. Именно использование такой оптической отрицательной обратной связи приводит к недиссипативным внутри резонаторным потерям энергии в оптическом резонаторе задающего генератора, в частности к уменьшению коэффициента усиления внутри резонатора задающего лазера генератора.5. Providing the possibility of increasing the output energy of the laser radiation amplifier at the amplifier passage through the active element by redistributing the energy stored in the active element from the laser generation channel to the amplifier channel, and not to heat. It is the use of such optical negative feedback that leads to non-dissipative internal resonator energy losses in the optical resonator of the master oscillator, in particular, to a decrease in the gain inside the resonator of the master laser oscillator.
6. Обеспечение возможности уменьшения тепловыделения в активном элементе, внутрирезонаторных элементах при малом диаметре пучка задающего генератора и, как следствие, повышение средней мощности излучения лазера или частоты повторения следования импульсов за счет уменьшения диссипативных безизлучательных потерь внутри оптического резонатора лазерного излучения.6. Providing the possibility of reducing heat generation in the active element, intracavity elements with a small diameter of the master oscillator beam and, as a result, increasing the average laser radiation power or pulse repetition rate by reducing dissipative non-radiative losses inside the laser optical resonator.
7. Обеспечение возможности более полного использования всего объема активного элемента при усилительных проходах по ней и, соответственно, меньшей части объема активного элемента для генерации излучения задающим генератором, в котором всегда остается часть запасенной внутрирезонаторной энергии, повышает в целом эффективность использования энергии накачки лазера и многопроходного усилителя лазерного излучения и, как следствие, КПД лазера.7. The possibility of making fuller use of the entire volume of the active element during amplification passages along it and, correspondingly, a smaller part of the volume of the active element for generating radiation by a master oscillator, in which a part of the stored intracavity energy always remains, increases the overall efficiency of using laser pump energy and multipass laser radiation amplifier and, as a result, laser efficiency.
8. Обеспечение возможности достижения самосогласованного режима генерации задающего генератора с автостабилизацией выходных параметров излучения, имеющих минимальные потери и максимальную добротность в резонаторе заданной конфигурации, а именно: энергию, мощность и направление излучения, генерацию и поддержку генерации одной поперечной основной (гауссовской) моды и одной продольной (одной частоты) моды оптического резонатора задающего генератора, за счет наличия глубокой оптической отрицательной обратной связи с быстрым управлением по коэффициенту усиления активного элемента.8. Ensuring the possibility of achieving a self-consistent mode of generation of the master oscillator with auto-stabilization of the output radiation parameters having minimal losses and maximum quality factor in the cavity of a given configuration, namely: energy, power and direction of radiation, generation and support of generation of one transverse main (Gaussian) mode and one longitudinal (single frequency) mode of the optical resonator of the master oscillator, due to the presence of deep optical negative feedback with fast control m by the gain of the active element.
9. Обеспечение возможности снижения требований на оптическое качество среды активного элемента и его вариации при изменении уровня накачки или ее средней мощности за счет того, что при усилительных проходах через активный элемент лазера ее оптические начальные или наведенные накачкой неоднородности в меньшей степени искажают поперечное распределение энергии в пучке излучения, чем в канале генерации, гауссовское распределение, задаваемое основной модой генерации, будет сохраняться, несмотря на полное заполнение всей апертуры активного элемента при усилении, при использовании устойчивой конфигурации оптического резонатора задающего генератора с сильным подавлением (селекцией) поперечных мод высших порядков.9. Making it possible to reduce the requirements on the optical quality of the medium of the active element and its variations when the pump level or its average power changes due to the fact that during amplification passes through the active laser element, its optical initial or pump-induced inhomogeneities to a lesser extent distort the transverse energy distribution in To the radiation beam than in the generation channel, the Gaussian distribution specified by the main generation mode will be preserved, despite the full filling of the active aperture about an element during amplification, using a stable configuration of the optical resonator of the master oscillator with strong suppression (selection) of higher-order transverse modes.
10. Обеспечение возможности уменьшения влияния на медовый состав излучения по сравнению с геометрией, когда оптическая ось совпадает с осью симметрии, за счет расположения оптической оси задающего генератора под углом γ ≈ arctg(2(R0-r0)/Lа) к оси симметрии активного элемента, проходящей через область минимального значения термически наведенной оптической линзы.10. Providing the possibility of reducing the effect on the honey composition of radiation in comparison with the geometry, when the optical axis coincides with the axis of symmetry, due to the location of the optical axis of the master oscillator at an angle γ ≈ arctg (2 (R 0 -r 0 ) / L a ) to the axis symmetry of the active element passing through the region of the minimum value of a thermally induced optical lens.
11. Обеспечение возможности работать при большей частоте повторения импульсов за счет размещения модулятора добротности на оптической оси задающего генератора, пучок излучения которого имеет небольшой по сравнению с активным элементом диаметр, и, как следствие, величина энергии излучения, поглощенной в модуляторе (пассивном или активном), будет уменьшаться с уменьшением диаметра пучка, при этом уменьшение поперечного размера модулятора увеличивает скорость теплоотвода от модулятора.11. Making it possible to operate at a higher pulse repetition rate by placing the Q-factor on the optical axis of the master oscillator, the radiation beam of which has a small diameter compared to the active element, and, as a result, the radiation energy absorbed in the modulator (passive or active) will decrease with decreasing beam diameter, while reducing the transverse size of the modulator increases the rate of heat removal from the modulator.
Используемые источникиSources used
1. Баянов И.М., Гордиенко В.М., Зверева М.Г., Магницкий С.А., Тарасович А.П. Высокостабильный пикосекундный лазер ИАГ:Nd с отрицательной обратной связью, Квантовая электроника, т. 16, №8, стр. 1545-1547, 1989.1. Bayanov I.M., Gordienko V.M., Zvereva M.G., Magnitsky S.A., Tarasovich A.P. Highly stable picosecond YAG laser: Nd with negative feedback, Quantum Electronics, vol. 16, No. 8, pp. 1545-1547, 1989.
2. Апанасевич П.А., Квач В.В., Контев В.Г., Орлович В.А., Ставров А.А., Шкадаревич А.П. Мощная лазерная система на базе АИГ:Nd лазера импульсно-периодического действия с неустойчивым телескопическим резонатором и двухкаскадного усилителя, Квантовая электроника, 1987, т.14, № 2, с.265-269.2. Apanasevich P.A., Kvach V.V., Kontev V.G., Orlovich V.A., Stavrov A.A., Shkadarevich A.P. Powerful laser system based on AIG: Nd pulsed-periodic laser with an unstable telescopic cavity and a two-stage amplifier, Quantum Electronics, 1987, v.14, No. 2, p.265-269.
3. МКИ Н 01 S 3/08, авт. свид. SU № 1771026, 1990.3. MKI H 01
4. МКИ Н 01 S 3/08, авт. свид. СССР № 282542, 1970.4. MKI H 01
5. МКИ Н 01 S 3/00, авт. свид. СССР № 913878, 1983.5. MKI H 01
Claims (12)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002127171/28A RU2231879C1 (en) | 2002-10-11 | 2002-10-11 | Multiway amplifier of laser radiation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002127171/28A RU2231879C1 (en) | 2002-10-11 | 2002-10-11 | Multiway amplifier of laser radiation |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2002127171A RU2002127171A (en) | 2004-04-20 |
| RU2231879C1 true RU2231879C1 (en) | 2004-06-27 |
Family
ID=32846211
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2002127171/28A RU2231879C1 (en) | 2002-10-11 | 2002-10-11 | Multiway amplifier of laser radiation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2231879C1 (en) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2474022C2 (en) * | 2011-01-18 | 2013-01-27 | ООО Научно-производственный центр "Лазеры и аппаратура ТМ" | Material laser processing method, and device for its implementation |
| RU2494510C2 (en) * | 2011-12-27 | 2013-09-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" (МАИ) | Chemical pulse-periodic continuously-pumped laser with modulation of cavity q-factor |
| RU2517792C2 (en) * | 2012-07-31 | 2014-05-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"-Госкорпорация "Росатом" | Laser radiation forming optical system for gas laser |
| RU2536101C1 (en) * | 2013-05-06 | 2014-12-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"-Госкорпорация "Росатом" | Multipass pulsed laser device |
| RU2569904C1 (en) * | 2014-06-25 | 2015-12-10 | Владимир Валентинович Павлов | Laser device having laminar optical element |
| RU2583105C2 (en) * | 2014-02-17 | 2016-05-10 | Евгений Владленович Бурый | Multipass laser radiation amplifier with mirror active optical system |
| RU2642892C2 (en) * | 2013-01-04 | 2018-01-29 | Алькон Ленскс, Инк. | Laser with self-start of mod synchronization |
-
2002
- 2002-10-11 RU RU2002127171/28A patent/RU2231879C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2474022C2 (en) * | 2011-01-18 | 2013-01-27 | ООО Научно-производственный центр "Лазеры и аппаратура ТМ" | Material laser processing method, and device for its implementation |
| RU2494510C2 (en) * | 2011-12-27 | 2013-09-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" (МАИ) | Chemical pulse-periodic continuously-pumped laser with modulation of cavity q-factor |
| RU2517792C2 (en) * | 2012-07-31 | 2014-05-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"-Госкорпорация "Росатом" | Laser radiation forming optical system for gas laser |
| RU2642892C2 (en) * | 2013-01-04 | 2018-01-29 | Алькон Ленскс, Инк. | Laser with self-start of mod synchronization |
| RU2642892C9 (en) * | 2013-01-04 | 2018-09-17 | Алькон Ленскс, Инк. | Laser with self-start of mod synchronization |
| RU2536101C1 (en) * | 2013-05-06 | 2014-12-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"-Госкорпорация "Росатом" | Multipass pulsed laser device |
| RU2583105C2 (en) * | 2014-02-17 | 2016-05-10 | Евгений Владленович Бурый | Multipass laser radiation amplifier with mirror active optical system |
| RU2569904C1 (en) * | 2014-06-25 | 2015-12-10 | Владимир Валентинович Павлов | Laser device having laminar optical element |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109950784B (en) | Laser and laser radar | |
| US5394413A (en) | Passively Q-switched picosecond microlaser | |
| US5381431A (en) | Picosecond Q-switched microlasers | |
| US4942582A (en) | Single frequency solid state laser | |
| US3975693A (en) | Dual function laser for space laser communications | |
| US4156209A (en) | Lens free of back focal points for use with high power light beams | |
| US5359622A (en) | Radial polarization laser resonator | |
| US6931047B2 (en) | Laser light source | |
| JP2002503396A (en) | laser | |
| US7558298B2 (en) | Laser device triggered by a photonic fiber | |
| RU2231879C1 (en) | Multiway amplifier of laser radiation | |
| US3577094A (en) | Fresnel zone laser coupling mirror | |
| KR100981974B1 (en) | Short Pulse Laser Device with A Preferably Passive Mode Coupling and A Multiple Reflection Telescope Therefor | |
| ATE284574T1 (en) | OPTICAL RESONATORS WITH DISCONTINUOUS PHASE DEVICES | |
| US3534289A (en) | Laser system with optical discriminator | |
| US3641458A (en) | Mode selective laser with small feedback reflector and diffraction coupled output | |
| US5943358A (en) | Non-confocal unstable laser resonator and outcoupler | |
| CN115473116A (en) | Pulse laser space shaping device and method based on non-uniform saturable absorber | |
| EP3102980B1 (en) | High-power ultra-short pulse fiber laser-illuminated projector | |
| RU2302064C2 (en) | Solid-state laser for active medium pumping | |
| JP7488480B2 (en) | Q-switched resonator and pulse generator | |
| CN219458292U (en) | Direct pumping passive Q-switched fiber laser | |
| CN220066399U (en) | Pulse time sequence adjustable laser generating device | |
| CN107591669B (en) | Using the laser of upside-down trapezoid prismatic reflection | |
| RU183902U1 (en) | COOLED SOLID LASER |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20071012 |