RU2478242C2

RU2478242C2 - Q-switched and mode-coupled laser

Info

Publication number: RU2478242C2
Application number: RU2011123043/28A
Authority: RU
Inventors: Валерий Ильич Донин; Дмитрий Васильевич Яковин; Алексей Валерьевич Грибанов
Original assignee: Учреждение Российской академии наук Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН
Priority date: 2011-06-07
Filing date: 2011-06-07
Publication date: 2013-03-27
Also published as: RU2011123043A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: Q-switched laser consists of two end mirrors and two auxiliary mirrors. Between the first end mirror of the cavity and the active element there is an acoustooptical modulator, and in front of the second end mirror there is one or more nonlinear crystals or any transparent material having Kerr-type nonlinearity. The first end mirror, modulator, active element and one of the auxiliary mirrors lie in one arm of the optical cavity and the other auxiliary mirror, one or more nonlinear crystals or any transparent material having Kerr-type nonlinearity and the second end mirror lie in the other arm of the cavity. The first end mirror is in form of a concave sphere of radius R1; the centre of the modulator lies at a distance equal to the radius R1 from the reflecting surface of the first end mirror, and a diaphragm is further placed between the second end mirror and the one or more nonlinear crystal or transparent material having Kerr-type nonlinearity. The operating frequency f of the modulator is equal to (or is a multiple of) half the intermode interval 2f of the laser (2f=c/2L, where c is the speed of light, L is the length of the cavity), and the modulator switching frequency determines the pulse repetition frequency Q-switch (for example, selected in a range from 1 to 100 kHz).

EFFECT: improved output characteristics.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области оптических квантовых генераторов (лазеров), более конкретно к лазерам, в которых с целью увеличения пиковой мощности используется модуляция добротности резонатора (режим Q-switch) и синхронизация мод.The invention relates to the field of optical quantum generators (lasers), and more particularly to lasers in which, in order to increase peak power, the Q-switch of the resonator (Q-switch mode) and mode synchronization are used.

Известные решения на основе акустооптических модуляторов (АОМ) в резонаторе лазера используют для этой цели два отдельных модулятора - для модуляции добротности на основе бегущей акустической волны и для активной синхронизации мод на основе стоячей акустической волны [1. Мустель Е.Р., Парыгин В.Н. Методы модуляции и сканирования света. М.: Наука, 1970. 2. Магдич Л.Н., Молчанов В.Я. Акустооптические устройства и их применение. М.: Советское радио, 1978], что приводит к дополнительным потерям в резонаторе лазера, громоздкости и удорожанию лазера. Известны и лазеры с пассивной синхронизацией мод, достигаемой размещением нелинейных поглощающих элементов в резонаторе [3. Херман Й., Вильгельми Б. Лазеры сверхкоротких световых импульсов. М.: Мир, 1986], которые обеспечивают генерацию в виде цугов импульсов. Однако они имеют низкую воспроизводимость и стационарность импульсов излучения (импульсы хаотичны), а также более низкие значения выходной мощности по сравнению со случаем активной синхронизации.Known solutions based on acousto-optical modulators (AOM) in a laser cavity use two separate modulators for this purpose - for Q-switching based on a traveling acoustic wave and for active mode locking based on a standing acoustic wave [1. Mustel E.R., Parygin V.N. Methods of modulation and scanning of light. M .: Nauka, 1970. 2. Magdich L.N., Molchanov V.Ya. Acousto-optical devices and their application. M .: Soviet radio, 1978], which leads to additional losses in the laser cavity, bulkiness and higher cost of the laser. Lasers with passive mode locking achieved by placing nonlinear absorbing elements in the cavity are also known [3. Herman J., Wilhelmi B. Lasers of ultrashort light pulses. M .: Mir, 1986], which provide generation in the form of train of pulses. However, they have low reproducibility and stationarity of radiation pulses (pulses are chaotic), as well as lower values of the output power compared to the case of active synchronization.

Кроме того, известны лазеры с активной синхронизацией мод с помощью АОМ бегущей волны, в котором синхронизация мод осуществлялась возвращением дифрагировавших волн в резонатор с помощью дополнительных зеркал [4. Кравцов Н.В. и др. Письма в ЖТФ. Т.9. В.7. С.440. 1983. 5. Надточеев В.Е., Наний О.Е. Квантовая электроника. Т.16. №11. С.2231. 1989], что значительно (более чем в 10 раз) увеличивало область синхронизации по сравнению с обычно используемым для этих целей АОМ стоячей волны. Однако наличие дополнительных зеркал значительно усложняло конструкцию лазера и увеличивало его размеры. При этом в указанных устройствах отсутствовала модуляция добротности резонатора, что приводило к значительному (10³-10⁴ раз) проигрышу в величине пиковой мощности, что является недостатком этих устройств по сравнению с лазерами, в которых одновременно осуществляется режим Q-switch и синхронизация мод.In addition, lasers with active mode locking using an AOM of a traveling wave are known, in which mode locking was carried out by returning diffracted waves to the resonator using additional mirrors [4. Kravtsov N.V. et al. Letters to the ZhTF. T.9. AT 7. S.440. 1983. 5. Nadtocheev V.E., Naniy O.E. Quantum Electronics. T.16. No. 11. S.2231. 1989], which significantly (more than 10 times) increased the synchronization region compared to the standing wave AOM, which is usually used for these purposes. However, the presence of additional mirrors significantly complicated the design of the laser and increased its size. Moreover, in these devices there was no modulation of the Q factor of the resonator, which led to a significant (10 ³ -10 ⁴ times) loss in the magnitude of the peak power, which is a drawback of these devices compared to lasers in which the Q-switch mode and mode synchronization are simultaneously carried out.

По технической сущности (набору элементов и расположению зеркал резонатора) наиболее близким к предлагаемому решению является лазер, исследованный авторами настоящей заявки в работе [6. Донин В.И., Никонов А.В., Яковин Д.В. Квантовая электроника. Т.34. №10. С.930. 2004]. Резонатор этого лазера состоит из четырех зеркал, из которых два концевых и два вспомогательных зеркала. Между первым концевым зеркалом резонатора и активным элементом размещается акустооптический модулятор, а перед вторым концевым зеркалом устанавливается нелинейный кристалл. При этом первое концевое зеркало, модулятор, активный элемент и одно из вспомогательных зеркал расположены в одном плече оптического резонатора, а другое вспомогательное зеркало, нелинейный кристалл и второе концевое зеркало расположены в другом плече резонатора.According to the technical nature (the set of elements and the arrangement of the resonator mirrors), the laser closest to the proposed solution is the laser investigated by the authors of this application in [6. Donin V.I., Nikonov A.V., Yakovin D.V. Quantum Electronics. T-34. No. 10. S.930. 2004]. The resonator of this laser consists of four mirrors, of which two end and two auxiliary mirrors. An acousto-optic modulator is placed between the first end mirror of the resonator and the active element, and a nonlinear crystal is installed in front of the second end mirror. In this case, the first end mirror, modulator, active element, and one of the auxiliary mirrors are located in one arm of the optical resonator, and the other auxiliary mirror, nonlinear crystal, and the second end mirror are located in the other arm of the resonator.

В предлагаемом лазере достигнут высокий (по сравнению с рассмотренными выше устройствами) уровень пиковой мощности при стабильности и воспроизводимости его выходных характеристик. Технический результат достигается за счет того, что в лазере, резонатор которого состоит из четырех зеркал, из которых два концевых и два вспомогательных зеркала, и между первым концевым зеркалом резонатора и активным элементом размещается акустооптический модулятор, а перед вторым концевым зеркалом устанавливается нелинейный кристалл, при этом первое концевое зеркало, модулятор, активный элемент и одно из вспомогательных зеркал расположены в одном плече оптического резонатора, а другое вспомогательное зеркало, нелинейный кристалл и второе концевое зеркало расположены в другом плече резонатора, первое концевое зеркало выполнено в виде вогнутой сферы радиуса R1, центр модулятора отстоит от отражающей поверхности первого концевого зеркала на расстоянии, равном радиусу R1, а между нелинейным кристаллом и вторым концевым зеркалом дополнительно устанавливается диафрагма, рабочая частота f модулятора задается равной (или кратной) половине межмодового интервала 2f лазера (2f=c/2L, где с - скорость света, L - длина резонатора), а частота переключения модулятора определяет частоту следования Q-switch импульсов (например, выбирается в диапазоне от одного до ста килогерц).The proposed laser achieved a high (compared to the above devices) peak power level with stability and reproducibility of its output characteristics. The technical result is achieved due to the fact that in the laser, the cavity of which consists of four mirrors, of which two end and two auxiliary mirrors, an acousto-optic modulator is placed between the first end mirror of the resonator and the active element, and a nonlinear crystal is installed in front of the second end mirror, this first end mirror, modulator, the active element and one of the auxiliary mirrors are located in one shoulder of the optical resonator, and the other auxiliary mirror, a nonlinear crystal and the end mirror is located in the other arm of the resonator, the first end mirror is made in the form of a concave sphere of radius R1, the center of the modulator is separated from the reflecting surface of the first end mirror by a distance equal to the radius R1, and an aperture, operating frequency are additionally established between the nonlinear crystal and the second end mirror The modulator f is set equal to (or a multiple of) the half-mode interval of the 2f laser (2f = c / 2L, where c is the speed of light, L is the cavity length), and the switching frequency of the modulator determines the frequency c Q-switch pulse studies (for example, selectable in the range from one to one hundred kilohertz).

Целью предлагаемого изобретения является увеличение пиковой мощности лазера при стабильности и воспроизводимости его выходных характеристик за счет использования одного АОМ бегущей волны как для модуляции добротности, так и для синхронизации мод лазера без использования дополнительных зеркал. При этом помещенный в резонаторе лазера нелинейный кристалл (кристаллы) одновременно используется как для генерации гармоник излучения, так и для дальнейшего уменьшения длительности импульсов за счет образования в нем (в них) керровской линзы.The aim of the invention is to increase the peak laser power with stability and reproducibility of its output characteristics due to the use of one traveling wave AOM both for Q-switching and for laser mode synchronization without using additional mirrors. In this case, a nonlinear crystal (crystals) placed in the laser cavity is simultaneously used both for generating harmonic radiation and for further reducing the pulse duration due to the formation of a Kerr lens in it (in them).

Описание предлагаемого решения поясняется графическим материалом:The description of the proposed solution is illustrated by graphic material:

Фиг.1. Схема лазера. 1, 4, 5, 8 - зеркала резонатора, 2 - акустооптический модулятор, 3 - активный элемент, 6 - керровский элемент (один или более нелинейных кристаллов в случае генерации гармоник, либо пластинка в случае основной частоты), 7 - диафрагма.Figure 1. Laser circuit. 1, 4, 5, 8 — resonator mirrors, 2 — acousto-optic modulator, 3 — active element, 6 — Kerr element (one or more nonlinear crystals in the case of harmonics generation, or a plate in the case of the fundamental frequency), 7 — diaphragm.

Фиг.2. Осциллограмма импульса генерации Nd:YAG лазера (на переходе λ=1,064 мкм) в режиме Q-switch с синхронизацией мод. Цена деления по оси абсцисс 50 нс. Средняя мощность лазера 2 Вт, частота повторения 2 кГц.Figure 2. Oscillogram of a generation pulse of an Nd: YAG laser (at the transition λ = 1.064 μm) in the Q-switch mode with mode locking. The division value along the abscissa is 50 ns. The average laser power is 2 W, the repetition rate is 2 kHz.

Предлагаемый лазер (фиг.1) выполнен на основе простой и эффективной схемы удвоения частоты генерации одномодового твердотельного лазера (например, Nd:YAG) с накачкой лазерными диодами [6]. Длина резонатора (с учетом показателей преломления в расположенных в резонаторе элементов) L=1,5 м. Акустооптический модулятор бегущей волны 2 расположен под углом Брэгга (θ_Б) к оптической оси резонатора между первым концевым сферическим зеркалом 1 и активным элементом 3. Центр модулятора отстоит от отражающей поверхности зеркала 1 на расстоянии R1, равном радиусу кривизны этого зеркала. При подаче рабочей частоты f=50 МГц, равной половине межмодового интервала 2f лазера на пьезопреобразователь АОМа в светозвукопроводе образуется бегущая звуковая волна (показана маленькой "жирной" стрелкой), на которой происходит брэгговская дифракция лазерного излучения. В результате при прохождении луча со стороны активного элемента 3 на зеркало 1 падает два луча: первый - проходящий по оси резонатора лазера (обозначен буквой "а") - отражается от зеркала назад по тому же пути без изменения частоты v₀ лазера; второй (обозначен буквой "б") - испытывающий брэгговскую дифракцию - падает на зеркало 1 с частотой (ν₀+f) и, отражаясь от сферической поверхности зеркала, попадает обратно в АОМ, где распадается на луч без изменения частоты (ν₀+f), выходящий из резонатора в обратном направлении под углом 2θ_Б, и на луч после повторной дифракции в светозвукопроводе модулятора. Последний луч с частотой (ν₀+2f) распространяется в обратном направлении по оси резонатора. За счет этого достигается эффект синхронизации мод, как и в упоминавшихся выше работах [4, 5]. Выходящий под углом 2θ_Б из резонатора луч с частотой (ν₀+f) обеспечивает модулирующие добротность резонатора потери, и лазер работает в режиме модуляции добротности с частотой следования импульсов, задаваемой частотой переключения модулятора (~1÷100 кГц). При этом, после отключения рабочей частоты, звуковая волна в светозвукопроводе АОМа отключается за время τ=d/V_ЗВ=0,2 см/5·l0⁵ см/c≈0,4 мкс (где d - диаметр лазерного луча в светозвукопроводе, V_зв - скорость звука). Длительность импульса генерации лазера в режиме Q-switch составляет ~100 нc, т.е. за время τ за счет луча повторной дифракции с частотой (ν₀+2f) в импульсе генерации одновременно происходит синхронизация мод (Q-switch импульс с синхронизацией мод показан на фиг.2). Измеренная оптическим коррелятором длительность отдельного импульса (внутри огибающей импульса Q-switch) составила 50 пс (т.е. пиковая мощность отдельного импульса в условиях фиг.2 составляет ~ 2 МВт). Длительность импульса и соответствующая пиковая мощность 2 МВт получена без формирования (настройки) керровской линзы.The proposed laser (Fig. 1) is based on a simple and effective scheme for doubling the generation frequency of a single-mode solid-state laser (for example, Nd: YAG) pumped by laser diodes [6]. The length of the resonator (taking into account the refractive indices in the elements located in the resonator) L = 1.5 m. The acousto-optic traveling wave modulator 2 is located at a Bragg angle (θ _B ) to the optical axis of the resonator between the first end spherical mirror 1 and the active element 3. Center of the modulator spaced from the reflecting surface of the mirror 1 at a distance R1 equal to the radius of curvature of this mirror. When the operating frequency f = 50 MHz, equal to half the intermode interval 2f of the laser, is supplied to the AOM piezoelectric transducer, a traveling sound wave (shown by a small "bold" arrow) forms on which the Bragg diffraction of laser radiation occurs. As a result, when a beam passes from the side of the active element 3, two beams fall onto mirror 1: the first — passing along the axis of the laser cavity (indicated by the letter “a”) —is reflected back from the mirror along the same path without changing the laser frequency v ₀ ; the second (indicated by the letter "b") - experiencing Bragg diffraction - falls on mirror 1 with a frequency (ν ₀ + f) and, reflected from the spherical surface of the mirror, falls back into the AOM, where it splits into a beam without changing the frequency (ν ₀ + f ), coming out of the resonator in the opposite direction at an angle of 2θ _B , and onto the beam after repeated diffraction in the light and sound duct of the modulator. The last beam with a frequency of (ν ₀ + 2f) propagates in the opposite direction along the axis of the resonator. Due to this, the effect of mode locking is achieved, as in the works mentioned above [4, 5]. A beam emerging at an angle of 2θ _B from the resonator with a frequency (ν ₀ + f) provides losses modulating the Q factor of the resonator, and the laser operates in the Q-switching mode with a pulse repetition rate specified by the switching frequency of the modulator (~ 1 ÷ 100 kHz). In this case, after switching off the operating frequency, the sound wave in the AOM optical fiber is switched off during the time τ = d / V _CB = 0.2 cm / 5 · l0 ⁵ cm / s ≈ 0.4 μs (where d is the diameter of the laser beam in the optical fiber, V _sv is the speed of sound). The laser pulse duration in the Q-switch mode is ~ 100 ns, i.e. during time τ, due to the re-diffraction beam with a frequency (ν ₀ + 2f) in the generation pulse, mode synchronization occurs simultaneously (Q-switch pulse with mode synchronization is shown in Fig. 2). The duration of a single pulse measured by the optical correlator (inside the Q-switch envelope) was 50 ps (i.e., the peak power of a single pulse in the conditions of FIG. 2 is ~ 2 MW). The pulse duration and the corresponding peak power of 2 MW were obtained without forming (tuning) the Kerr lens.

Дальнейшее уменьшение длительности отдельного импульса генерации с целью увеличения пиковой мощности производится керровской линзой (т.е. наведенной излучением лазера), формируемой в нелинейном кристалле для генерации гармоники 6 (в нашем эксперименте кристалл LBO с синхронизмом 1-го типа) и диафрагмой 7. Для этого матричным методом рассчитывались области устойчивости резонатора с керровской линзой и без нее. При этом элементы резонатора выбирались в соответствие с расчетом, чтобы в отсутствии керровской линзы лазер работал на границе устойчивости, а при ее появлении переходил в устойчивый режим. Настройка на данный режим генерации осуществлялась точным подбором в соответствии с расчетом расстояний от нелинейного кристалла 6 до зеркал 5 и 8, а также положением и размером диафрагмы 7. Сокращение длительности импульса достигается совместным действием керровской линзы и диафрагмы. Оптическая сила керровской линзы пропорциональна интенсивности проходящего через нее света (более интенсивное излучение фокусируется сильнее) и, таким образом, установкой диафрагмы можно добиться сокращения длительности импульса за счет ослабления его краев и усиления средней части.A further reduction in the duration of an individual generation pulse in order to increase the peak power is performed by the Kerr lens (i.e., induced by laser radiation), which is formed in a nonlinear crystal to generate harmonic 6 (in our experiment, an LBO crystal with type 1 phase matching) and aperture 7. For In this case, the stability regions of the resonator with and without the Kerr lens were calculated using the matrix method. In this case, the resonator elements were selected in accordance with the calculation, so that in the absence of the Kerr lens, the laser would operate at the stability boundary, and upon its appearance, would switch to the stable mode. The adjustment to this generation mode was carried out by exact selection in accordance with the calculation of the distances from the nonlinear crystal 6 to mirrors 5 and 8, as well as the position and size of the diaphragm 7. The reduction in the pulse duration is achieved by the combined action of the Kerr lens and the diaphragm. The optical power of the Kerr lens is proportional to the intensity of the light passing through it (more intense radiation focuses more strongly) and, thus, by setting the diaphragm, it is possible to reduce the pulse duration by weakening its edges and strengthening the middle part.

В случае необходимости работы лазера на основной частоте генерации (без гармоник излучения) вместо нелинейного кристалла помещается обычный оптический материал, обладающий достаточной керровской нелинейностью (например, пластинка из стекла ТФ 5). Измеренная оптическим коррелятором длительность отдельного импульса Nd:YAG лазера составила ≤10 пс (т.е. пиковая мощность отдельного импульса в условиях фиг.2 составляет ≥10 МВт). Эти экспериментальные данные подтверждают, что в предлагаемом лазере обеспечиваются высокие значения пиковой мощности. Решение, при котором с помощью одного акустооптического модулятора одновременно удалось модулировать добротность резонатора и обеспечить синхронизацию мод, является новым.If it is necessary to operate the laser at the main generation frequency (without radiation harmonics), instead of a nonlinear crystal, an ordinary optical material with sufficient Kerr nonlinearity is placed (for example, a TF 5 glass plate). The duration of an individual Nd: YAG laser pulse measured by the optical correlator was ≤10 ps (i.e., the peak power of an individual pulse under the conditions of FIG. 2 is ≥10 MW). These experimental data confirm that the proposed laser provides high values of peak power. The solution in which using one acousto-optical modulator at the same time managed to modulate the Q factor of the resonator and ensure mode synchronization is new.

Предлагаемый лазер не требует дополнительной "стартовки" керровской линзы и обладает высокой кратковременной и долговременной стабильностью выходных характеристик.The proposed laser does not require additional "start" Kerr lens and has a high short-term and long-term stability of the output characteristics.

Claims

1. A laser with Q-switching of the resonator, in which the resonator consists of two end and two auxiliary mirrors, and an acousto-optic modulator is placed between the first end mirror of the resonator and the active element, and one or more non-linear crystals or any transparent material is installed in front of the second end mirror Kerr nonlinearity, with the first end mirror, modulator, active element and one of the auxiliary mirrors located in one arm of the optical resonator, and the other an auxiliary mirror, one or more nonlinear crystals or any transparent material with Kerr nonlinearity, and a second end mirror are located in the other arm of the resonator, characterized in that the first end mirror is made in the form of a concave sphere of radius R1, the center of the modulator is separated from the reflective surface of the first end mirrors at a distance equal to the radius R1, and between the second end mirror and one or more nonlinear crystals or transparent materials with Kerr nonlinearity, an additional but the diaphragm is set, the operating frequency f of the modulator is set equal to (or a multiple) half of the intermode interval 2f of the laser (2f = c / 2L, where c is the speed of light, L is the cavity length), and the switching frequency of the modulator determines the pulse repetition rate Q-switch ( for example, is selected in the range from one to one hundred kilohertz).

2. The laser according to claim 1, characterized in that the Kerr lens in combination with the diaphragm formed in one or more non-linear crystals or transparent materials with Kerr nonlinearity further shortens the mode synchronization pulse.