RU2625623C1

RU2625623C1 - Multi-channel electro-optical modulator (versions)

Info

Publication number: RU2625623C1
Application number: RU2016130126A
Authority: RU
Inventors: Наталия Александровна Коледенкова; Матвей Александрович Конященко; Никита Владимирович Диденко; Павел Владимирович Кострюков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Альбедо" (ООО "Альбедо")
Priority date: 2016-07-22
Filing date: 2016-07-22
Publication date: 2017-07-17

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: multi-channel electro-optical modulator consists of a Pockels cell and several independent high-voltage generators connected to it, forming bell-shaped high-voltage pulses with a controlled amplitude up to a quarter-wave voltage and lasting less than the period of the bypass of the regenerative amplifier resonator. The Pockels cell is located in the cavity of the regenerative amplifier between the polarizer and one of the end mirrors of the resonator. The application of each high-voltage pulse to the Pockels cell leads to the fact that as the amplified laser pulse passes through the Pockels cell, its linear polarization is transformed into an elliptical one, the linear polarization component of which, perpendicular to the original, is derived from the resonator through the polarizer and thus releases some of the laser pulse energy from the resonator, and the remaining part is stored in the resonator.

EFFECT: ensuring the possibility of a laser energy phased release from the resonator and the formation of a group of pulses with arbitrary shape envelopes spaced apart from each other for a time equal to or a multiple of the period of the resonator bypass at the output of the regenerative amplifier.

4 cl, 3 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Данное изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в усилителях ультракоротких лазерных импульсов, в т.ч. в лазерных комплексах для технологий лазерного обработки материалов ультракороткими лазерными импульсами.This invention relates to laser technology and can be used in amplifiers of ultrashort laser pulses, including in laser systems for laser processing of materials with ultrashort laser pulses.

Уровень техникиState of the art

Пико- и фемтосекундные лазеры в настоящее время широко применяются в задачах лазерной микрообработки материалов, в частности в технологии лазерного микромашининга. При микрообработке материалов ультракороткими лазерными импульсами энергия импульсов типично должна лежать в диапазоне нескольких микроджоулей до сотен микроджоулей. Получение фемтосекундных импульсов таких энергий возможно с применением технологии усиления чирпированных импульсов. Для получения усиленных импульсов, следующих с типичными для задач технологической обработки частотами следования (от нескольких сотен герц до сотен килогерц и единиц мегагерц), обычно применяются регенеративные усилители, имеющие линейный резонатор внутри которого располагаются собственно активная среда и вспомогательные элементы, управляющие работой усилителя. В частности, впрыск низкоэнергетичных лазерных импульсов в резонатор усилителя и выброс усиленных импульсов из него осуществляется с помощью ячеек Поккельса - электрооптических модуляторов.Pico- and femtosecond lasers are currently widely used in laser micro-processing of materials, in particular in laser micro-machining technology. When microprocessing materials with ultrashort laser pulses, the pulse energy should typically lie in the range of several microjoules to hundreds of microjoules. Obtaining femtosecond pulses of such energies is possible using the amplification technology of chirped pulses. To obtain amplified pulses that follow repetition frequencies typical of technological processing tasks (from several hundred hertz to hundreds of kilohertz and units of megahertz), regenerative amplifiers are usually used, having a linear resonator inside which the active medium itself and auxiliary elements that control the operation of the amplifier are located. In particular, the injection of low-energy laser pulses into the cavity of the amplifier and the emission of amplified pulses from it is carried out using Pockels cells - electro-optical modulators.

Некоторые технологические задачи микрообработки материалов могут быть решены путем выбора особых режимов обработки, в частности за счет пачечного режима обработки, при котором на обрабатываемый образец вместо одиночного лазерного импульса подается группа из нескольких импульсов, следующих друг за другом с небольшим интервалом. Эта задача - формирование групп лазерных импульсов - может быть решена различными средствами.Some technological problems of microprocessing of materials can be solved by choosing special processing modes, in particular, due to the burst processing mode, in which instead of a single laser pulse, a group of several pulses following each other with a small interval is fed to the sample being processed. This task - the formation of groups of laser pulses - can be solved by various means.

Так, в патенте США 20100246611 А1 от 2010.03.27 предлагается метод для получения групп лазерных импульсов, заключающийся в вырезании групп импульсов из цуга с помощью электрооптического или акустооптического селектора импульсов, последующем формировании огибающей группы импульсов, и дальнейшем усилении всей группы с помощью усилителей мощности. При использовании данного подхода возможности усиления лазерных импульсов оказываются существенно ограничены. Большие коэффициенты усиления могут быть реализованы в регенеративных усилителях. Однако при работе с группой импульсов, инжекция такой группы импульсов в резонатор регенеративного усилителя может быть реализована при длине резонатора, превышающей суммарную длительность группы умноженную скорость света. Что при большой суммарной длительности группы требует резонаторов очень больших длин.So, in US patent 20100246611 A1 dated 03/03/2012, a method for obtaining laser pulse groups is proposed, which consists in cutting out pulse groups from a train using an electro-optical or acousto-optical pulse selector, then forming the envelope of the pulse group, and further amplifying the entire group using power amplifiers. Using this approach, the possibilities of amplifying laser pulses are significantly limited. Large gain factors can be realized in regenerative amplifiers. However, when working with a group of pulses, injection of such a group of pulses into the cavity of a regenerative amplifier can be realized with a cavity length exceeding the total group duration and the speed of light. What with a large total group duration requires resonators of very large lengths.

Принципиально другой подход к получению групп усиленных импульсов может быть реализован следующим образом. С помощью регенеративного усилителя одиночный лазерный импульс усиливается до необходимой энергии, а затем этот усиленный импульс расщепляется на насколько импульсов, задержанных относительно друг друга во времени.A fundamentally different approach to obtaining groups of amplified pulses can be implemented as follows. Using a regenerative amplifier, a single laser pulse is amplified to the required energy, and then this amplified pulse is split into how many pulses are delayed relative to each other in time.

Например, в патенте US 6067311 от 2000.05.23 описано устройство эксимерного лазера с системой размножения оптического импульса, которая в предпочтительном варианте исполняется в виде отдельного модуля. Система размножения способна преобразовывать один входной лазерный импульс в четыре лазерных импульса на выходе, разделенных во времени. Входной линейно-поляризованный лазерный импульс проходит через четвертьволновую пластинку, где его поляризация преобразуется в круговую. Р- и S-компоненты лазерного импульса разделяются с помощью поляризационного делителя. Р-компонента проходит через делитель, a S-компонента направляется в схему задержки, содержащую пару зеркал и четвертьволновых пластинок. Пройдя через схему задержки, S-компонента следует по тому же пути, что Р-компонента, но оказывается запаздывающей относительно нее во времени. Далее, два разнесенных во времени импульса проходят через еще одну схему задержки с установленной перед ней четвертьволновой пластинкой. В результате этого каждый из двух лазерных импульсов оказывается разделенным еще на два, в результате на выходе формируется группа из четырех импульсов. На выходе такого устройства лазерные импульсы имеют неодинаковые энергии и поляризации, что может оказаться критичным для некоторых применений. Приведение импульсов к одинаковой поляризации возможно, но это либо требует применения дополнительной ячейки Поккельса (с наложением соответствующего ограничения на минимальное расстояние между соседними импульсами из-за технических возможностей высоковольтных генераторов доступных текущему уровню техники) либо, при использовании пассивных поляризационных устройств, сопровождается существенными потерями лазерной мощности.For example, in the patent US 6067311 from 2000.05.23 describes an excimer laser device with an optical pulse propagation system, which in the preferred embodiment is implemented as a separate module. The breeding system is capable of converting one input laser pulse into four laser pulses at the output, separated in time. An input linearly polarized laser pulse passes through a quarter-wave plate, where its polarization is converted into a circular one. The P and S components of the laser pulse are separated using a polarization divider. The p-component passes through the divider, and the S-component is sent to a delay circuit containing a pair of mirrors and quarter-wave plates. After passing through the delay circuit, the S-component follows the same path as the P-component, but it turns out to be delayed relative to it in time. Further, two time-spaced pulses pass through another delay circuit with a quarter-wave plate installed in front of it. As a result of this, each of the two laser pulses is divided into two more, as a result, a group of four pulses is formed at the output. At the output of such a device, laser pulses have different energies and polarizations, which may be critical for some applications. Reducing the pulses to the same polarization is possible, but this either requires the use of an additional Pockels cell (with the appropriate restrictions on the minimum distance between adjacent pulses due to the technical capabilities of high-voltage generators available to the current level of technology) or, when passive polarizing devices are used, it is accompanied by significant laser losses power.

Такого недостатка лишено устройство, представленное в патенте US 2007/0047601 А1 от 2007.03.01. Это устройство использует закольцованную петлю оптической линии задержки в блочном исполнении содержащую ячейки Поккельса и усиливающий активный элемент. Петля линии задержки связана со входным оптическим сигналом через входной и выходной делители. Выходной делитель ориентирован таким образом, что он обеспечивает частичное пропускание s-поляризованной волны. Первая ячейка Поккельса осуществляет инжекцию входного импульса в линию задержки. Далее, при каждом обходе линии задержки часть лазерного импульса покидает ее через выходной делитель и таким образом формирует лазерный импульс в выходном сигнале. Усиливающий элемент компенсирует потери в линии задержки для того, чтобы выходные импульсы имели одинаковую энергию. После некоторого количества обходов линии обратной связи, лазерный импульс, циркулирующий по ней, выбрасывается с помощью второй ячейки Поккельса в холостой выход. Такая схема обеспечивает на выходе последовательность импульсов с одинаковыми энергиями и поляризациями. Тем не менее, техническая сложность такой схемы (из-за наличия в ней усиливающего активного элемента и двух ячеек Поккельса) сопоставима со сложностью самого регенеративного усилителя.Such a disadvantage is deprived of the device presented in patent US 2007/0047601 A1 from 2007.03.01. This device uses a loop loop of an optical delay line in block design containing Pockels cells and a reinforcing active element. The delay line loop is connected to the input optical signal through the input and output dividers. The output divider is oriented in such a way that it provides partial transmission of the s-polarized wave. The first Pockels cell injects an input pulse into the delay line. Further, with each bypass of the delay line, a part of the laser pulse leaves it through the output divider and thus forms a laser pulse in the output signal. The amplifying element compensates for losses in the delay line so that the output pulses have the same energy. After a certain number of rounds of the feedback line, the laser pulse circulating along it is ejected using the second Pockels cell into the idle output. Such a circuit provides an output sequence of pulses with the same energies and polarizations. Nevertheless, the technical complexity of such a circuit (due to the presence of a reinforcing active element and two Pockels cells in it) is comparable with the complexity of the regenerative amplifier itself.

Первоначальная задача может быть решена путем разработки устройства для получения группы усиленных импульсов сразу же на выходе резонатора регенеративного усилителя за счет постепенной разгрузки резонатора. При использовании обычного электрооптического модулятора, представляющего собой ячейку Поккельса с подключенным к ней генератором высоковольтных импульсов, реализация такой идеи оказывается невозможной, поскольку при современном уровне высоковольтной техники сформировать два и более высоковольтных импульсов, отстоящих друг от друга во времени на период обхода резонатора (типично один-два десятка наносекунд) и синхронизованных с моментами прохода через электрооптическую ячейку лазерного импульса невозможно. Таким образом поставленная задача требует нахождения нового технического решения.The initial problem can be solved by developing a device for obtaining a group of amplified pulses immediately at the output of the cavity of the regenerative amplifier due to the gradual unloading of the resonator. When using a conventional electro-optical modulator, which is a Pockels cell with a high-voltage pulse generator connected to it, the realization of this idea is impossible, since at the current level of high-voltage technology, it is possible to generate two or more high-voltage pulses that are separated from each other in time by the round-trip period of the resonator (typically one two tens of nanoseconds) and synchronized with the moments of passage through the electro-optical cell of the laser pulse is impossible. Thus, the task requires finding a new technical solution.

Ближайшим аналогом к настоящему изобретению является устройство, раскрытое в патенте США 2006/0018349 А1 от 2006.01.26, где представлена лазерная система, формирующая последовательности пакетов усиленных лазерных импульсов на выходе регенеративного усилителя. Система использует принцип усиления чирпированных импульсов с усилением в регенеративном усилителе с линейным резонатором, что позволяет ей работать с импульсами пико- и фемтосекундной длительности. Для получения пакета лазерных импульсов на выходе регенеративного усилителя используется поэтапная разгрузка резонатора управление за счет квази-ступенчатого изменения напряжения на ячейке Поккельса. Ступенчатый ход напряжения реализуется за счет электрической схемы коммутации, через которую электрооптический кристалл соединен с источниками питания. Существенным недостатком этой системы можно считать, то, что возможность формирования различных огибающих группы выходных импульсов оказывается существенно ограниченной. Монотонность хода управляющего напряжения на ячейке Поккельса не позволяет, например, «пропускать» отдельные обходы резонатора и формировать «сложные» огибающие. Принципиальное отличие настоящего изобретения от представленного в патенте 2006/0018349 А1 заключается в многоканальности электрооптического модулятора, заключающейся в генерации нескольких отдельных коротких высоковольтных импульсов, а не одного квази-ступенчатого заднего фронта. Использование такого многоканального электрооптического модулятора позволяет осуществлять поэтапную разгрузку резонатора в произвольном режиме, т.е. в котором доля высвобождаемой из резонатора энергии на некотором очередном обходе резонатора не зависит от того какая часть энергии была высвобождена из резонатора на предыдущих обходах.The closest analogue to the present invention is the device disclosed in US patent 2006/0018349 A1 of 2006.01.26, which presents a laser system that generates sequences of packets of amplified laser pulses at the output of a regenerative amplifier. The system uses the principle of amplification of chirped pulses with amplification in a regenerative amplifier with a linear resonator, which allows it to work with pulses of picosecond and femtosecond duration. To obtain a packet of laser pulses at the output of the regenerative amplifier, stage-by-stage unloading of the resonator control is used due to a quasi-step change in voltage at the Pockels cell. The stepwise voltage path is realized due to the electrical switching circuit through which the electro-optical crystal is connected to power sources. A significant drawback of this system can be considered that the possibility of forming various envelopes of the group of output pulses is significantly limited. The monotonicity of the path of the control voltage on the Pockels cell does not allow, for example, to “skip” individual bypasses of the resonator and to form “complex” envelopes. The fundamental difference between the present invention and the one presented in patent 2006/0018349 A1 is the multichannel electro-optical modulator, which consists in the generation of several separate short high-voltage pulses, rather than one quasi-step trailing edge. The use of such a multi-channel electro-optical modulator allows phased unloading of the resonator in an arbitrary mode, i.e. in which the fraction of the energy released from the resonator at a certain next round of the resonator does not depend on what part of the energy was released from the resonator at the previous rounds.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Таким образом актуальным является поиск решения, которое позволит формировать группы лазерных импульсов с произвольными огибающими непосредственно на выходе регенеративного усилителя. Такие импульсы должны иметь энергию от десятка до нескольких сотен микроджоулей. Регенеративные усилители используют электрооптические модуляторы для как для инжекции низкоэнергиетичного лазерного импульса в резонатор, так и для высвобождения усиленного до необходимой энергии лазерного импульса из резонатора. В настоящем изобретении энергия усиленного импульса выбрасывается из резонатора не единовременно, а поэтапно, т.е. за несколько раз, в результате чего на выходе регенеративного усилителя образуется группа из нескольких лазерных импульсов, причем суммарная энергия всей группы импульсов с точностью до транспортных потерь равна энергии, до которой был усилен одиночный лазерный импульс в регенеративном усилителя, а расстояние между лазерными импульсами в группе совпадает с периодом обхода резонатора усилителя (или кратно ему). Эта задача с достижением указанного технического результата решается в настоящем изобретении за счет применения многоканального электрооптического модулятора, осуществляющего поэтапную разгрузку резонатора. Многоканальность здесь означает, что модулятор реализует приложение нескольких высоковольтных импульсов к ячейке Поккельса, каждый из которых приводит к частичному высвобождению лазерной энергии из резонатора, причем действие каждого канала независимо.Thus, the search for a solution that will allow the formation of groups of laser pulses with arbitrary envelopes directly at the output of the regenerative amplifier is relevant. Such pulses should have an energy of from a dozen to several hundred microjoules. Regenerative amplifiers use electro-optical modulators for both injecting a low-energy laser pulse into the resonator and for releasing the laser pulse amplified to the required energy from the resonator. In the present invention, the energy of the amplified pulse is ejected from the resonator not at a time, but in stages, i.e. several times, as a result of which a group of several laser pulses is formed at the output of the regenerative amplifier, and the total energy of the entire group of pulses, up to transport losses, is equal to the energy to which a single laser pulse was amplified in the regenerative amplifier, and the distance between the laser pulses in the group coincides with the period bypassing the cavity of the amplifier (or a multiple of it). This problem with the achievement of the specified technical result is solved in the present invention through the use of a multi-channel electro-optical modulator, which performs phased unloading of the resonator. Multichannel here means that the modulator implements the application of several high-voltage pulses to the Pockels cell, each of which leads to a partial release of laser energy from the resonator, and the action of each channel is independent.

Многоканальный электрооптический модулятор состоит из ячейки Поккельса и подключенных к ней параллельно нескольких высоковольтных генераторов, формирующих колоколообразные высоковольтные импульсы с регулируемой амплитудой до четвертьволнового напряжения и длительностью менее периода обхода резонатора регенеративного усилителя. Ячейка Поккельса располагается на участке резонатора усилителя между поляризатором и одним из концевых зеркал. Каждый высоковольтный импульс, поданный на ячейку Поккельса приводит к тому, что при распространении лазерного импульса через ячейку Поккельса его линейная поляризация преобразуется в эллиптическую. Линейная компонента этой эллиптической поляризации перпендикулярная первоначальной линейной выводится из резонатора с помощью поляризатора, а компонента параллельная первоначальной остается в резонаторе. Таким образом осуществляется частичная разгрузка резонатора. Тот высоковольтный генератор, который срабатывает последним, формирует высоковольтный импульс с амплитудой равной четвертьволновому напряжению и при приложении такого импульса к ячейке Поккельса линейная поляризация лазерного импульса после его прохождения через ячейку в прямом и обратном направлениях преобразуется в линейную перпендикулярную первоначальной и в результате этого оставшийся лазерный импульс выводится из резонатора регенеративного усилителя полностью.A multi-channel electro-optical modulator consists of a Pockels cell and several high-voltage generators connected in parallel to it, generating bell-shaped high-voltage pulses with adjustable amplitude up to a quarter-wave voltage and with a duration shorter than the period bypassing the cavity of the regenerative amplifier. The Pockels cell is located in the section of the amplifier cavity between the polarizer and one of the end mirrors. Each high-voltage pulse applied to the Pockels cell leads to the fact that when a laser pulse propagates through the Pockels cell, its linear polarization is converted to elliptical. The linear component of this elliptical polarization perpendicular to the initial linear is derived from the resonator using a polarizer, and the component parallel to the original remains in the resonator. Thus, partial unloading of the resonator is achieved. The last-voltage high-voltage generator generates a high-voltage pulse with an amplitude equal to a quarter-wave voltage, and when such a pulse is applied to the Pockels cell, the linear polarization of the laser pulse after it passes through the cell in the forward and reverse directions is converted to a linear perpendicular to the original and, as a result, the remaining laser pulse is derived from the cavity of the regenerative amplifier completely.

Высоковольтные генераторы подключаются к ячейке Поккельса параллельно с защитой от обратного напряжения при срабатывании других генераторов с помощью высоковольтных диодов.High-voltage generators are connected to the Pockels cell in parallel with reverse voltage protection when other generators are triggered using high-voltage diodes.

Использование нескольких одинаковых высоковольтных генераторов, управляющих одиночными актами частичной разгрузки резонатора, позволяет регулировать порции высвобождаемой из резонатора лазерной энергии произвольным образом.The use of several identical high-voltage generators that control single acts of partial unloading of the resonator allows you to adjust the portion of the laser energy released from the resonator in an arbitrary way.

Рассмотрено два варианта исполнения. Первый - в котором один многоканальный электрооптический модулятор осуществляет и инжекцию низкоэнергетичного лазерного импульса в резонатор, и поэтапный выброс из него усиленного излучения. Во втором исполнении, актуальном для усилителей с непрерывной накачкой или накачкой длинными импульсами, в резонаторе имеется четвертьволновая пластинка, которая препятствует развитию свободной генерации. Кроме многоканального электрооптического модулятора, который осуществляет только поэтапную разгрузку резонатора, в резонаторе также имеется еще одна ячейка Поккельса, которая обеспечивает впрыск низкоэнергетичного лазерного импульса и под держание высокой добротности резонатора в течение фазы усиления за счет приложения квазипрямоугольного четвертьволнового высоковольтного импульса с резким передним фронтом.Two options are considered. The first is in which one multichannel electro-optical modulator injects a low-energy laser pulse into the cavity and phased emission of amplified radiation from it. In the second version, relevant for amplifiers with continuous pumping or pumping with long pulses, there is a quarter-wave plate in the resonator that prevents the development of free generation. In addition to the multichannel electro-optical modulator, which performs only stage-by-stage unloading of the resonator, the resonator also has another Pockels cell, which provides injection of a low-energy laser pulse and maintains the high Q factor of the resonator during the amplification phase due to the application of a quasi-rectangular quarter-wave high-voltage pulse with a sharp leading edge.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Настоящее изобретение иллюстрируется чертежами, на которых одинаковые или сходные элементы помечены одними и теми же ссылочными позициями.The present invention is illustrated by drawings in which the same or similar elements are marked with the same reference numerals.

На Фиг. 1 показана общая схема оптической части резонатора регенеративного усилителя с ячейкой Поккельса многоканального электрооптического модулятора.In FIG. 1 shows a general diagram of the optical part of a resonator of a regenerative amplifier with a Pockels cell of a multi-channel electro-optical modulator.

На Фиг. 2 показан вариант исполнения схемы оптической части резонатора регенеративного усилителя с ячейкой Поккельса многоканального электрооптического модулятора.In FIG. Figure 2 shows an embodiment of the optical part of the cavity of a regenerative amplifier with a Pockels cell of a multi-channel electro-optical modulator.

На Фиг. 3 показана схема совместного подключения высоковольтных генераторов к ячейке Поккельса.In FIG. Figure 3 shows a diagram of the joint connection of high-voltage generators to a Pockels cell.

Подробное описание вариантов осуществленияDetailed Description of Embodiments

Настоящее изобретение далее описывается со ссылками на прилагаемые чертежи посредством примеров его осуществления, которые являются иллюстративными, но не ограничивающими объем притязаний по настоящему изобретению, определяемый только нижеследующей формулой изобретения.The present invention is further described with reference to the accompanying drawings by way of examples of its implementation, which are illustrative, but not limiting the scope of the claims of the present invention, defined only by the following claims.

Регенеративный усилитель имеет линейный резонатор, оканчивающийся зеркалами 1 и 2. Между этими зеркалами может быть установлено любое конечное число поворотных зеркал, поворачивающих ось резонатора. На Фиг. 1. К таким зеркалам относятся 3 и 4. Резонатор также содержит пару поляризаторов 5 и 6. Ось резонатора проходит между зеркалами и состоит из отрезков 7, 8, 9, 10, 11. Принципиальной является особенность резонатора, заключающаяся в следующем. Участки оси резонатора 7, 8, 9, лежат в одной плоскости, назовем ее горизонтальной. Участки оси резонатора 9, 10, 11 также лежат в одной плоскости, причем эта плоскость перпендикулярна предыдущей, т.е. вертикальна. На участке 7 в резонаторе размещается активный элемент (на Фиг. 1 не показан) и дополнительная пассивная оптика (зеркала, линзы), формирующая моду резонатора (на Фиг. 1. также не показаны). Поляризаторы 5 и 6 имеют высокий коэффициент отражения для S-поляризации (в данном случае горизонтальной) и высокий коэффициент пропускания для Р-поляризации (в данном случае вертикальной). Таким образом, в резонатор является высокодобротным для горизонтальной поляризации, на этой поляризации происходит усиление лазерного импульса. Вертикальная часть поляризации же выходит из резонатора через поляризаторы 5 или 6. Между поляризатором 6 и концевым зеркалом 1 на участке резонатора 11 размещается ячейка Поккельса 12. К ячейке Поккельса через контакты 13 параллельно подключаются восемь (или другое количество не меньшее трех) высоковольтных генераторов, формирующих высоковольтные колоколообразные импульсы с регулируемой амплитудой, длительность которых меньше периода полного обхода резонатора. Усилитель функционирует следующим образом. В активную среду поступает импульс накачки, создающий в ней запас энергии в виде инверсии населенностей. Низкоэнергетичный лазерный импульс инжекции вводится в резонатор вдоль направления 14. Этот импульс имеет вертикальную поляризацию и поэтому проходит через поляризатор 6 и попадает на участок резонатора 11. В момент прохождения лазерного импульса инжекции через ячейку Поккельса 12, на ее электроды 13 подается импульс высокого напряжения с амплитудой, равной четвертьволновому напряжению для данного электрооптического кристалла. Таким образом электрооптический кристалл ячейки Поккельса 12 действует на лазерное излучение как четвертьволновая пластинка. В результате двойного прохода лазерного импульса инжекции через ячейку 12 (в прямом направлении от поляризатора 6 к концевому зеркалу 2 и обратно от зеркала 2 к поляризатору 6) его поляризация преобразуется с вертикальной на горизонтальную и этот лазерный импульс отражается от поляризатора 6, а затем от поляризатора 5 в направлении зеркала 3 и распространяется по резонатору до другого концевого зеркала 2 и обратно к поляризаторам 5, 6 и к ячейке 12. К этому моменту действие высоковольтного импульса на ячейке 12 заканчивается, и она больше не преобразует поляризацию (за исключением малого собственного паразитного двулучепреломления). В результате этого поляризация лазерного импульса сохраняется горизонтальной, он оказывается таким образом инжектированным в резонатор и циркулирует по резонатору туда-обратно. После необходимого количества полных обходов резонатора (в зависимости коэффициента активной среды оно может быть от десятка до нескольких сотен) энергия усиливаемого импульса достигает необходимого значения и должна быть высвобождена из резонатора. Для этого на ячейку 12 прикладывают импульсы высокого напряжения. Максимум каждого высоковольтного импульса соответствует во времени моменту отражения лазерного импульса от зеркала 2 на очередном обходе резонатора. Амплитуды приложенного напряжения не превышают значения четвертьволнового напряжения, в результате чего поляризация циркулирующего импульса из линейной горизонтальной преобразуется в эллиптическую. Вертикально поляризованная компонента при распространении по участку «зеркало 2 - поляризатор 6» покидает резонатор через поляризатор 6 и следует по пути 14 в следующую часть схемы. Горизонтально поляризованная компонента отражается от поляризаторов 6 и 5 и остается в резонаторе. Таким образом энергия усиленного лазерного импульса высвобождается из резонатора не однократно, а за семь срабатываний ячейки Поккельса, в результате чего на выходе регенеративного усилителя получается группа из семи лазерных импульсов межимпульсным расстоянием равным периоду обхода резонатора усилителя. Поскольку амплитуды высоковольтных импульсов регулируются независимо друг от друга, на выходе можно сформировать группу импульсов с произвольной огибающей. Пропуск срабатывания одного или нескольких высоковольтных генераторов может обеспечить отсутствие данного лазерного импульса в выходной группе. Очевидно, что суммарная энергия группы лазерных импульсов на выходе равна (с точностью до малых паразитных потерь) энергии лазерного импульса, циркулировавшего по резонатору.The regenerative amplifier has a linear resonator ending in mirrors 1 and 2. Any finite number of rotary mirrors that rotate the axis of the resonator can be installed between these mirrors. In FIG. 1. These mirrors include 3 and 4. The resonator also contains a pair of polarizers 5 and 6. The axis of the cavity passes between the mirrors and consists of segments 7, 8, 9, 10, 11. The fundamental feature of the resonator is as follows. Parts of the axis of the resonator 7, 8, 9, lie in the same plane, we call it horizontal. The sections of the axis of the resonator 9, 10, 11 also lie in one plane, and this plane is perpendicular to the previous one, i.e. vertical. At section 7, an active element is placed in the cavity (not shown in FIG. 1) and additional passive optics (mirrors, lenses) forming the cavity mode (also not shown in FIG. 1.). Polarizers 5 and 6 have a high reflection coefficient for S-polarization (in this case, horizontal) and a high transmittance for P-polarization (in this case, vertical). Thus, the resonator is high Q for horizontal polarization; amplification of the laser pulse occurs at this polarization. The vertical part of the polarization, however, leaves the resonator through polarizers 5 or 6. Between the polarizer 6 and the end mirror 1, a Pockels cell 12 is placed in the section of the resonator 11. Eight (or another number of at least three) high-voltage generators are connected in parallel to the Pockels cell through contacts 13, forming high-voltage bell-shaped pulses with adjustable amplitude, the duration of which is less than the period of a full round-trip of the resonator. The amplifier operates as follows. The pumping pulse enters the active medium, creating an energy reserve in it in the form of population inversion. A low-energy laser injection pulse is introduced into the resonator along direction 14. This pulse has vertical polarization and therefore passes through the polarizer 6 and enters the section of the resonator 11. At the time of the passage of the laser injection pulse through the Pockels cell 12, a high voltage pulse with amplitude is applied to its electrodes 13 equal to the quarter-wave voltage for a given electro-optical crystal. Thus, the electro-optical crystal of the Pockels cell 12 acts on the laser radiation as a quarter-wave plate. As a result of the double passage of the injection laser pulse through cell 12 (in the forward direction from the polarizer 6 to the end mirror 2 and back from the mirror 2 to the polarizer 6), its polarization is converted from vertical to horizontal and this laser pulse is reflected from the polarizer 6, and then from the polarizer 5 in the direction of the mirror 3 and propagates through the resonator to the other end mirror 2 and back to the polarizers 5, 6 and cell 12. At this point, the action of the high-voltage pulse on the cell 12 ends, and it no longer prevails azuet polarization (except for a small own parasitic birefringence). As a result of this, the polarization of the laser pulse remains horizontal, it is thus injected into the cavity and circulates back and forth through the cavity. After the required number of complete rounds of the resonator (depending on the coefficient of the active medium, it can be from tens to several hundreds), the energy of the amplified pulse reaches the required value and must be released from the resonator. For this, high voltage pulses are applied to cell 12. The maximum of each high-voltage pulse corresponds in time to the moment of reflection of the laser pulse from mirror 2 at the next round-trip of the resonator. The amplitudes of the applied voltage do not exceed the value of the quarter-wave voltage, as a result of which the polarization of the circulating pulse is converted from linear to horizontal to elliptical. The vertically polarized component propagates through the “mirror 2 - polarizer 6” section and leaves the cavity through the polarizer 6 and follows path 14 to the next part of the circuit. The horizontally polarized component is reflected from the polarizers 6 and 5 and remains in the resonator. Thus, the energy of the amplified laser pulse is released from the resonator not once, but in seven Pokels cell operations, resulting in a group of seven laser pulses at the output of the regenerative amplifier with an inter-pulse distance equal to the round-trip period of the amplifier cavity. Since the amplitudes of the high-voltage pulses are regulated independently of each other, a group of pulses with an arbitrary envelope can be formed at the output. Missing the operation of one or more high-voltage generators can ensure the absence of this laser pulse in the output group. Obviously, the total energy of the group of laser pulses at the output is equal (up to small spurious losses) to the energy of the laser pulse circulating through the resonator.

Следует отметить, что данная схема может работать и в «обычном» режиме однократной разгрузки резонатора. Для этого амплитуда первого разгружающего резонатор высоковольтного импульса устанавливается равной четвертьволновому напряжению, в результате чего вся усиленная энергия выходит из резонатора усилителя в виде одиночного импульса.It should be noted that this circuit can also work in the “normal” mode of a single discharge of the resonator. For this, the amplitude of the first high-voltage pulse unloading the resonator is set equal to a quarter-wave voltage, as a result of which all amplified energy leaves the amplifier cavity in the form of a single pulse.

В данном исполнении для формирования группы импульсов из N на выходе необходимо N+1 высоковольтных генераторов. При современном уровне развития техники высоковольтные генераторы, даже имеющие оригинальные специализированные решения, имеют мертвое время (задержка между запускающим низковольтным импульсом и выходным высоковольтным импульсом) от сотни наносекунд, что на порядок превышает время обхода типичных резонаторов (от десятка наносекунд).In this version, to form a group of pulses from N at the output, N + 1 high-voltage generators are needed. At the current level of technological development, high-voltage generators, even with original specialized solutions, have a dead time (delay between the starting low-voltage pulse and the output high-voltage pulse) of hundreds of nanoseconds, which is an order of magnitude longer than the bypass time of typical resonators (tens of nanoseconds).

Другой вариант исполнения приведен на Фиг. 2. Данный вариант исполнения может быть использован в регенеративных усилителях с непрерывной накачкой. На участке резонатора размещается четвертьволновая пластинка 15 и две ячейки Поккельса 12 и 16. Между фазами усиления резонатор регенеративного усилителя оказывается низкодобротным за счет потерь, вносимых четвертьволновной пластинкой с поляризатором, это препятствует возникновению свободной генерации в резонаторе при непрерывной накачке. Для впрыска лазерного импульса инжекции используется ячейка Поккельса 16, на которую подается высоковольтный импульс. Этот импульс имеет передний фронт продолжительностью меньшей чем период обхода резонатора, длинную полку постоянного четвертьволнового напряжения, длительность которой превышает продолжительность фазы усиления и задний фронт. Передний фронт осуществляет впрыск одиночного лазерного импульса инжекции в резонатор. Длинная полка четвертьволнового напряжения обеспечивает высокую добротность резонатора в течение фазы усиления. Разгрузка резонатора осуществляется с помощью ячейки Поккельса 12 многоканального электрооптического модулятора. К этой ячейке подключаются параллельно восемь высоковольтных генераторов, формирующих короткие колоколообразные высоковольтные импульсы. Разгрузка резонатора так же как и в первом варианте исполнения осуществляется путем приложения высоковольтных импульсов при последовательных обходах резонатора. В данном варианте исполнения все восемь высоковольтных генераторов, подключенных к ячейке 12 реализуют разгрузку резонатора, потому что на впрыск осуществляется другой ячейкой Поккельса 16 со своим высоковольтным генератором.Another embodiment is shown in FIG. 2. This embodiment can be used in regenerative amplifiers with continuous pumping. A quarter-wave plate 15 and two Pockels cells 12 and 16 are located on the resonator section. Between the amplification phases, the cavity of the regenerative amplifier turns out to be low-Q due to the losses introduced by the quarter-wave plate with the polarizer, this prevents free oscillation in the cavity during continuous pumping. For injection of a laser injection pulse, a Pockels cell 16 is used, to which a high voltage pulse is supplied. This pulse has a leading edge shorter than the cavity bypass period, a long shelf of constant quarter-wave voltage, the duration of which exceeds the duration of the amplification phase and the trailing edge. The leading edge injects a single laser injection pulse into the cavity. A long quarter-wave voltage shelf provides high Q-factor of the resonator during the amplification phase. The resonator is unloaded using a Pockels cell 12 of a multi-channel electro-optical modulator. Eight high-voltage generators are connected to this cell in parallel, forming short bell-shaped high-voltage pulses. The cavity unloading, as in the first embodiment, is carried out by applying high-voltage pulses during successive rounds of the cavity. In this embodiment, all eight high-voltage generators connected to the cell 12 realize the discharge of the resonator, because the injection is carried out by another Pockels cell 16 with its own high-voltage generator.

В качестве высоковольтных генераторов используются схемы формирования высоковольтных импульсов на основе дрейфовых диодов с быстрым восстановлением. Высоковольтные генераторы подключаются к ячейке Поккельса параллельно. Для защиты схем формирования от обратного напряжения в выходных цепях применяются быстродействующие высоковольтные диоды с малой проходной емкостью. Данное схемное решение позволяет нескольким высоковольтным генераторам с одной нагрузкой без существенного изменения формы выходных высоковольтных импульсов.As high-voltage generators, high-voltage pulse generation circuits based on drift diodes with fast recovery are used. High-voltage generators are connected to the Pockels cell in parallel. To protect the formation circuits from reverse voltage in the output circuits, high-speed high-voltage diodes with a small passage capacity are used. This circuit solution allows several high-voltage generators with a single load without significantly changing the shape of the output high-voltage pulses.

Claims

1. Устройство для формирования групп усиленных ультракоротких лазерных импульсов на выходе лазерного регенеративного усилителя, содержащее:1. A device for forming groups of amplified ultrashort laser pulses at the output of a laser regenerative amplifier, containing:

- регенеративный усилитель с линейным резонатором, содержащий один или несколько поляризаторов;- a regenerative amplifier with a linear resonator containing one or more polarizers;

- ячейку Поккельса, располагающуюся в упомянутом резонаторе на участке между одним из поляризаторов и одним из концевых зеркал упомянутого резонатора, к которой подключены параллельно высоковольтные генераторы в количестве трех, формирующие колоколообразные высоковольтные импульсы с регулируемой амплитудой до четвертьволнового напряжения и длительностью менее периода обхода резонатора регенеративного усилителя;- a Pockels cell located in the said resonator in the region between one of the polarizers and one of the end mirrors of the said resonator, to which three high-voltage generators are connected in parallel, forming bell-shaped high-voltage pulses with adjustable amplitude up to a quarter-wave voltage and with a duration shorter than the period of going around the cavity of the regenerative amplifier ;

принцип функционирования которого заключается в следующем:The principle of operation of which is as follows:

- инжекция линейно поляризованного лазерного импульса низкой энергии в резонатор регенеративного усилителя осуществляется за счет срабатывания первого высоковольтного генератора, который прикладывает к ячейке Поккельса короткий колоколообразный высоковольтный импульс с амплитудой, равной четвертьволновому напряжению, в результате чего после прохода упомянутого лазерного импульса по ячейке в прямом и обратном направлении его поляризация преобразуется на перпендикулярную и этот импульс оказывается «пойманным» в резонаторе, где он усиливается за достаточное количество обходов резонатора до необходимой энергии;- the linearly polarized low-energy laser pulse is injected into the cavity of the regenerative amplifier due to the operation of the first high-voltage generator, which applies a short bell-shaped high-voltage pulse with an amplitude equal to a quarter-wave voltage to the Pockels cell, as a result of which, after the said laser pulse passes through the cell in the forward and reverse in its direction, the polarization is converted to perpendicular and this pulse is “caught” in the resonator, where it amplified for a sufficient number of rounds of the resonator to the required energy;

- частичное высвобождение энергии усиленного в резонаторе регенеративного усилителя лазерного импульса из резонатора происходит при приложении к ячейке Поккельса импульса высокого напряжения с амплитудой менее четвертьволнового напряжения от второго высоковольтного генератора, в результате чего линейная поляризация усиленного лазерного импульса преобразуется в эллиптическую, чья линейная поляризационная компонента, перпендикулярная первоначальной, выводится из резонатора через поляризатор и таким образом часть энергии лазерного импульса высвобождает из резонатора, а оставшаяся часть сохраняется в резонаторе;- the partial energy release of the laser pulse amplified in the resonator of the regenerative amplifier from the resonator occurs when a high voltage pulse with an amplitude of less than a quarter-wave voltage is applied to the Pockels cell from the second high-voltage generator, as a result of which the linear polarization of the amplified laser pulse is converted into an elliptical one whose linear polarization component is perpendicular initial, is removed from the resonator through the polarizer and thus part of the laser energy a pulse release of the resonator, and the remainder is stored in the cavity;

- упомянутая оставшаяся в резонаторе часть лазерного импульса совершает один обход резонатора и возвращается к ячейке Поккельса, к которой прикладывается импульс высокого напряжения от третьего генератора с амплитудой, равной четвертьволновому напряжению, в результате чего поляризация оставшегося в резонаторе лазерного импульса преобразуется в перпендикулярную, и получившийся лазерный импульс с поляризацией, перпендикулярной первоначальной, полностью выходит из резонатора через поляризатор.- the aforementioned part of the laser pulse remaining in the resonator makes one round-trip of the resonator and returns to the Pockels cell, to which a high-voltage pulse from the third generator with an amplitude equal to a quarter-wave voltage is applied, as a result of which the polarization of the laser pulse remaining in the resonator is converted to perpendicular, and the resulting laser a pulse with a polarization perpendicular to the initial one completely leaves the resonator through the polarizer.

2. Устройство для формирования групп усиленных ультракоротких лазерных импульсов на выходе лазерного регенеративного усилителя по п. 1, в котором используется не три, а большее количество высоковольтных генераторов, подключенных к одной ячейке Поккельса, причем первый генератор прикладывает импульс четвертьволнового напряжения для инжекции низкоэнергетичного лазерного импульса в резонатор, а остальные генераторы осуществляют частичный либо полный выброс энергии уже усиленного лазерного импульса из резонатора на последующих обходах резонатора.2. A device for forming groups of amplified ultrashort laser pulses at the output of a laser regenerative amplifier according to claim 1, which uses not three, but a larger number of high-voltage generators connected to one Pockels cell, the first generator applying a quarter-wave voltage pulse to inject a low-energy laser pulse into the resonator, and the remaining generators carry out a partial or complete emission of energy from the already amplified laser pulse from the resonator at subsequent rounds resonator.

3. Устройство для формирования групп ультракоротких лазерных импульсов на выходе лазерного регенеративного усилителя по пп. 1 и 2, в котором высоковольтные импульсы, осуществляющие выброс энергии усиленного лазерного импульса из резонатора, прикладываются к ячейке Поккельса не на соседних обходах резонатора регенеративного усилителя.3. A device for forming groups of ultrashort laser pulses at the output of a laser regenerative amplifier according to claims. 1 and 2, in which the high-voltage pulses that emit the energy of the amplified laser pulse from the resonator are applied to the Pockels cell not on adjacent rounds of the cavity of the regenerative amplifier.

4. Устройство для формирования групп усиленных ультракоротких лазерных импульсов на выходе лазерного регенеративного усилителя, содержащее:4. A device for forming groups of amplified ultrashort laser pulses at the output of a laser regenerative amplifier, containing:

- четвертьволновую пластинку и две ячейки Поккельса, располагающиеся в упомянутом резонаторе на участке между одним из поляризаторов и одним из концевых зеркал упомянутого резонатора;- a quarter-wave plate and two Pockels cells located in the said resonator in the region between one of the polarizers and one of the end mirrors of the said resonator;

- имеющаяся в резонаторе четвертьволновая пластинка препятствует возникновению в резонаторе свободной генерации;- a quarter-wave plate in the cavity prevents the appearance of free generation in the cavity;

- на первую ячейку Поккельса подается квазипрямоугольный высоковольтный импульс, имеющий передний фронт короче периода обхода резонатора, полку постоянного четвертьволнового напряжения продолжительностью, равной или превышающей продолжительность фазы усиления, и задний фронт, что обеспечивает инжекцию низкоэнергетичного лазерного импульса в резонатор, переключение и поддержание добротности резонатора для фазы усиления;- a quasi-rectangular high-voltage pulse is supplied to the first Pockels cell, having a leading edge shorter than the round-trip period of the resonator, a constant quarter-wave voltage shelf of duration equal to or greater than the duration of the amplification phase, and a trailing edge, which provides injection of a low-energy laser pulse into the resonator, switching and maintaining the resonator Q factor for amplification phases;

- ко второй ячейке Поккельса подключено параллельно не менее двух высоковольтных генераторов, формирующих колоколообразные высоковольтные импульсы с регулируемой амплитудой до четвертьволнового напряжения и длительностью менее периода обхода резонатора регенеративного усилителя;- at least two high-voltage generators are connected to the second Pockels cell in parallel, forming bell-shaped high-voltage pulses with an adjustable amplitude of up to a quarter-wave voltage and a duration of less than the period bypassing the cavity of the regenerative amplifier;

- поэтапное высвобождение энергии усиленного в резонаторе регенеративного усилителя лазерного импульса из резонатора происходит в результате последовательного приложения на разных обходах резонатора к ячейке Поккельса высоковольтных импульсов с амплитудой, не превышающей четвертьволнового напряжения от подключенных к ней высоковольтных генераторов, при этом каждый приложенный высоковольтный импульс приводит к тому, что при прохождении усиленного лазерного импульса через ячейку Поккельса его линейная поляризация преобразуется в эллиптическую, чья линейная поляризационная компонента, перпендикулярная первоначальной, выводится из резонатора через поляризатор и таким образом часть энергии лазерного импульса высвобождается из резонатора, а оставшаяся часть, при ее наличии, сохраняется в резонаторе.- the phased release of the energy of the laser pulse amplified in the cavity of the regenerative amplifier from the cavity occurs as a result of successive application of high voltage pulses with amplitude not exceeding a quarter wave voltage from the high voltage generators connected to it to different Pokels cells, and each applied high voltage pulse leads to this that when an amplified laser pulse passes through a Pockels cell, its linear polarization is converted to elliptical, whose linear polarization component, perpendicular to the initial one, is removed from the resonator through the polarizer and thus part of the laser pulse energy is released from the resonator, and the remaining part, if any, is stored in the resonator.