RO125487B1 - Sistem laser compact in pulsuri de sute de picosecunde - Google Patents

Description

Invenția se referă la un sistem laser compact, care emite pulsuri scurte de mare energie (milijouli - zeci de milijouli), cu durata de sute de picosecunde și frecvența de repetiție maximă de zeci de hertzi, la lungimea de undă infraroșie de 1064 nm și, prin conversie neliniară, la lungimile de undă de 532 nm (verde) și 266 nm (ultraviolet).

Astfel de laseri se folosesc pentru aplicații în microprocesarea materialelor, telemetrie, LIDAR, monitorizarea perimetrelor și a mediului ambiant.

Sunt cunoscute sisteme laser în regim de blocare a modurilor (mode-locking) sau în regim de comutare a factorului de calitate (Q-switch) cu compresie temporală SBS (stimulated Brillouin scattering), care emit pulsuri de picosecunde, cu energie pe puls cuprinsă în gama zeci-sute milijouli. Dezavantajul acestor laseri constă în faptul că sunt sisteme sofisticate, costisitoare, de dimensiuni mari, inadecvate pentru aplicațiile de teren sau pentru încorporarea acestora în instalații folosite la microprocesări. [http://www.ekspla.eom/en/main/products/17/19/?PID=459],

Se cunoaște, de asemenea, un sistem și o metodă pentru generarea unor pulsuri laser ultrascurte, <100 ps, cu rata de repetiție 1 kHz... 10 MHz, a căror putere poate ajunge la 5 mJ. Sistemul cuprinde un oscilator laser cu semiconductori, urmat de șase etaje de amplificatoare laser cu organizare serială, realizate cu cristale de tip Nd:YVO₄. între oscilatorul laser și intrarea etajelor amplificatoare, se interpune un modulator acusto-optic, pentru selectarea impulsurilor dintr-o secvență generată de oscilator. între oscilatorul laser și etajele amplificatoarelor, se interpune și un izolator de tip Faraday, iar raza de la oscilator trece prin cele șase cristale laser secvențial, pe o cale în zig-zag, după ce a fost colimată în plan tangențial, având o focalizare puternic eliptică. Amplificarea totală realizată de cele șase etaje este mai mare de 100 (US 2005254533 A1, Holleman Guenter, 2005).

Problema tehnică, pe care o rezolvă invenția, este realizarea unui sistem laser cu emisie în pulsuri cu durata de sute de picosecunde, cu energie maximă pe puls de zeci de milijouli, simplu, compact, la un preț de cost relativ scăzut.

Sistemul laser în pulsuri de sute de picosecunde, alcătuit dintr-un laser miniatural (microlaser) cu oscilator laser microchip în regim Q-switch pasiv pompat axial, cu diodă laser și cuplat cu un amplificator cu mediu activ Nd:YAG cu treceri multiple, pompat cu lampă flash, conform invenției, înlătură dezavantajele de mai sus, prin aceea că pulsul laser de picosecunde și energie mică pe puls (microjouli) emis de microlaser este amplificat într-un amplificator Nd:YAG compact, cu câștig mare în energie pe puls, fiind astfel simplu, ieftin, de dimensiuni reduse, foarte indicat pentru aplicațiile menționate.

Sistemul laser în pulsuri de sute de picosecunde, conform invenției, prezintă următoarele avantaje:

- utilizează un oscilator-pilot miniatural sau microlaser, realizatîn tehnologie microcip, care emite pulsuri de sute de picosecunde de mică energie, cu distribuție de intensitate transversală Gaussiană, cu caracteristici de propagare și focalizare apropiate de limita de difracție.

- realizează pompajul optic al mediului amplificator cu o lampă flash, care furnizează un puls de pompaj foarte intens, necesar obținerii unui câștig mare în etajul amplificator.

- sursa electrică de alimentare a lămpii flash este simplă ca structură și foarte compactă.

Se dă, în continuare, un exemplu de realizare a invenției, în legătură cu:

- fig. 1, configurația sistemului laser cu emisie în U V, la lungimea de undă de 266 nm;

- fig. 2 diagrama temporală, ilustrând o metodă de sincronizare a pulsului laser emis de microlaser, cu pulsul de curent prin lampa flash a etajului amplificator.

RO 125487 Β1

Sistemul laser cu emisie în pulsuri de picosecunde, arătat schematic în fig. 1, include 1 un oscilator laser microchip MC, care emite un puls laser PL (cu durată de sute de picosecunde și lungime de undă 1064 nm), generat prin aplicarea unui puls de pompaj optic 3 FP, furnizat de o diodă laser DL, cuplată prin fibră optică FO, un amplificator laser cu mediu activ MA (cristal Nd:YAG), pompat cu o lampă flash F și cristalele neliniare cu denumirea 5 comercială LBO și BBO, pentru generarea armonicilor pe lungimile de undă de 532 și, respectiv, 266 nm, prin dublarea frecvenței optice (înjumătățirea lungimii de undă). Micro- 7 laserul MC sau oscilatorul pilot miniatural este format dintr-un oscilator microcip în regim Q-switch pasiv, realizat prin sudarea a două cristale, unul de Nd:YAG și altul de Cr:YAG, 9 având oglinzile rezonatorului laser depuse pe capetele structurii microcip, o optică de colimare-focalizare CO, care focalizează pulsul de pompaj FP în cristalul de Nd:YAG, un 11 expandor de fascicul EF cu lentila convergentă, pentru a adapta spațial diametrul de fascicul pe mediul laser amplificator, o lamă semiundă WP, care permite controlul direcției de 13 polarizare a fasciculului emis de microcip, și un izolator optic IO, care protejează etajul oscilator de reflexiile parazite, provenite de la amplificator și etajul de conversie a frecvenței. 15 Pulsul de pompaj FP este generat de un puls de curent ID, furnizat diodei laser DL, de o sursă electrică SDL, care poate fi un driver OEM (Original Equipment Manufacturer) 17 comercial.

Se alege un oscilator laser microcip MC, care emite un fascicul cu durata de sute de 19 picosecunde, la lungimea de undă 1064 nm, care poate fi pompat cu o diodă laser.

După ieșirea din microlaser, fasciculul laser este direcționat, cu ajutorul unor oglinzi 21 M1, M5, M3 și M4, pe un dublu parcurs prin mediul amplificator MA, cuplat optic cu o lampă flash F, într-o incintă de pompaj IP. Lampa flash F este alimentată cu un puls de curent IF, 23 furnizat de o sursă electrică SF, care poate fi o sursă OEM comercială. După ieșirea din amplificator, fasciculul este deflectat de oglinzile M5 și M2 la cristalele neliniare LBO (dublor 25 de frecvență) și BBO (cvadruplor de frecvență), care generează, prin conversie neliniară, lungimile de undă de 532 și 266 nm. în exemplul din fig. 1, este extras doar fasciculul 27 ultraviolet UV, cu lungimea de undă de 266 nm, cu ajutorul a două oglinzi separatoare M6 și M7. Similar se poate extrage fasciculul infraroșu de 1064 nm (înainte de conversie) sau 29 cel verde de 532 nm (după cristalul LBO).

Pentru a maximiza câștigul în energie al amplificatorului cu două treceri, este 31 preferabil ca pulsul laser PL, emis de microlaser, să fie sincron cu frontul posterior al pulsului de curent IF, prin flash, așa cum se arată în diagrama din fig. 2. Sincronizarea sistemului 33 oscilator-amplificator poate fi realizată cu ajutorul a două circuite de întârziere 11 și I2 declanșate sincron cu semnalele logice S, furnizate de un generator de tact GT. Circuitele 35 11 și I2 generează două semnale logice de sincronizare S1, respectiv, S2, având o întârziere reglabilă față de pulsurile de tact S. Pentru un puls S2, aplicat la intrarea trigger a sursei 37 SDL, se inițiază un puls de curent ID, prin dioda laser DL, care emite un puls de pompaj optic FP. Este preferabil ca amplitudinea și durata pulsului de curent ID să fie astfel setate, 39 încât microlaserul să emită un singur puls laser PL, la aplicarea unui puls de pompaj FP. Un puls S1, aplicat pe intrarea trigger a sursei SF, inițiază un puls de curent IF, de descărcare, 41 prin lampa flash. Sincronizarea pulsurilor PL și IF se realizează prin reglarea corespunzătoare a întârzierii semnalelor S1 și S2 față de semnalele de tact S, așa cum se 43 arată în diagrama temporală din fig. 2. Frecvența de repetiție a pulsurilor UV, emise de sistemul laser, limitată principial la zeci de hertzi, pentru laserii pompați cu lămpi flash, este 45 determinată de frecvența de repetiție a semnalelor de tact S.

Claims (5)

1 Revendicare

3 Sistem laser compact, în pulsuri de sute de picosecunde, la lungimea de undă infraroșie de 1064 nm, caracterizat prin aceea că este alcătuit dintr-un microlaser cu

5 oscilator microcip (MC) în regim Q-switched pasiv, pompat axial cu o diodă laser (DL), parametrii optici ai oscilatorului (MC) fiind astfel aleși, încât microlaserul să genereze pulsuri

7 laser având durata de sute de picosecunde și energia de ordinul a 10 pJ, radiația microlaserului fiind cuplată, printr-un izolator optic (IO), cu un amplificator cu treceri multiple

9 cu mediu activ Nd:YAG (MA), pompat cu o lampă flash (F), astfel încât, la ieșirea din etajul amplificator, energia pulsului laser amplificat este de ordinul a zeci de milijouli.