RU2162265C1 - Solid-state pulsed laser incorporating provision for radiation-frequency-to-higher-harmonics conversion - Google Patents
Solid-state pulsed laser incorporating provision for radiation-frequency-to-higher-harmonics conversion Download PDFInfo
- Publication number
- RU2162265C1 RU2162265C1 RU99112055A RU99112055A RU2162265C1 RU 2162265 C1 RU2162265 C1 RU 2162265C1 RU 99112055 A RU99112055 A RU 99112055A RU 99112055 A RU99112055 A RU 99112055A RU 2162265 C1 RU2162265 C1 RU 2162265C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- active element
- radiation
- resonator
- mirror
- laser
- Prior art date
Links
Landscapes
- Lasers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к импульсным твердотельным лазерам с электрооптической модуляцией добротности резонатора и может быть использовано для получения мощных импульсов лазерного излучения в наносекундном диапазоне длительностей импульсов с частотами повторения до 50 Гц в ближнем ИК-, видимом, УФ-спектральных диапазонах для целей нелинейной оптики, лазерной дальнометрии, оптической локации и экологического мониторинга окружающей среды. The invention relates to pulsed solid-state lasers with electro-optical modulation of the quality factor of the resonator and can be used to obtain powerful pulses of laser radiation in the nanosecond range of pulse durations with repetition frequencies up to 50 Hz in the near IR, visible, UV spectral ranges for nonlinear optics, laser ranging , optical location and environmental monitoring.
С появлением новых нелинейных кристаллов, таких как KTP, BBO, LBO и других, в настоящее время наблюдается повышенный интерес к каскадной генерации высших гармоник как к способу получения излучения в УФ-диапазоне длин волн. Этот интерес связан с тем, что именно с появлением вышеуказанных кристаллов, обладающих высокой нелинейностью и высокой лучевой прочностью, техническая реализация способа стала весьма эффективной. With the advent of new nonlinear crystals, such as KTP, BBO, LBO, and others, there is now an increased interest in the cascade generation of higher harmonics as a way of generating radiation in the UV wavelength range. This interest is due to the fact that it was with the appearance of the above crystals having high nonlinearity and high radiation resistance that the technical implementation of the method became very effective.
В качестве лазеров ПК-диапазона обычно применяются импульсные лазеры на неодимсодержащих кристаллах. Так, например, известны многомодовые импульсные лазеры на АИГ: Nd с электрооптической модуляцией добротности резонатора, способные генерировать излучение с длиной волны 1064 нм и 1320 нм с последующим преобразованием частоты во вторую и третью гармоники в сине-зеленой области спектра в нелинейных элементах из KTP /1/. As PC lasers, pulsed lasers based on neodymium-containing crystals are usually used. So, for example, multimode pulsed AIG: Nd lasers with electro-optical Q-switching of the cavity resonator, capable of generating radiation with a wavelength of 1064 nm and 1320 nm, followed by frequency conversion to the second and third harmonics in the blue-green region of the spectrum in nonlinear elements from KTP / 1/.
Однако в УФ-части спектра элементы из KTP обладают сильным поглощением и не имеют направлений синхронизма для генерации третьей и четвертой гармоник. However, in the UV part of the spectrum, elements from KTP have strong absorption and do not have synchronism directions for the generation of the third and fourth harmonics.
Прозрачные в УФ-области и имеющие нужные направления синхронизма элементы из BBO обладают существенным недостатком - угловая ширина кривой синхронизма составляет величину не более 0,5 мрд. Transparent in the UV region and having the necessary directions of synchronism, BBO elements have a significant drawback - the angular width of the synchronism curve is no more than 0.5 mrd.
Многомодовое излучение лазеров, как правило, имеет расходимость 3...5 мрд. Multimode laser radiation, as a rule, has a divergence of 3 ... 5 mrd.
Применение же одномодовых лазеров с дифракционной угловой расходимостью излучения, но с более низким КПД, может быть эффективно в случае использования нескольких дополнительных каскадов усиления импульсов излучения. The use of single-mode lasers with diffraction angular divergence of radiation, but with lower efficiency, can be effective in the case of using several additional stages of amplification of radiation pulses.
Один из способов повышения КПД одномодового лазера, который трансформируется из многомодового лазера с помощью диафрагмы в резонаторе с диаметром отверстия, соответствующим сечению моды нулевого порядка, заключается в более полном использовании объема активного элемента лазера /2/. One way to increase the efficiency of a single-mode laser, which is transformed from a multimode laser using a diaphragm in a cavity with a hole diameter corresponding to the cross section of the zero-order mode, is to make fuller use of the volume of the active laser element / 2 /.
Дифракционную расходимость излучения и полное использование объема активного элемента удается получить в лазерах с неустойчивым резонатором, однако наведенная термическая линза в активном элементе значительно ограничивает возможные диапазоны работы таких лазеров по частоте повторения импульсов и температуре охлаждающей жидкости. The diffraction divergence of radiation and the full use of the volume of the active element can be obtained in lasers with an unstable resonator, however, the induced thermal lens in the active element significantly limits the possible ranges of operation of such lasers in terms of pulse repetition rate and coolant temperature.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является лазерная система, обеспечивающая на выходе мощное излучение с малой расходимостью, включающая твердотельный активный элемент, внутрирезонаторную диафрагму, позволяющую получить на выходе излучение в виде узкого пучка за счет использования только центральной области объема активного элемента, внерезонаторную оптическую систему, обеспечивающую расширение пучка с последующим прохождением лазерного излучения через весь объем активного элемента для усиления с использованием поляризатора для эффективного вывода излучения за пределы резонатора /2/. The closest in technical essence to the proposed device is a laser system that provides powerful radiation with low divergence at the output, including a solid-state active element, an intracavity diaphragm, which allows one to receive radiation in the form of a narrow beam by using only the central region of the active element volume, an non-resonant optical a system that ensures beam expansion with subsequent passage of laser radiation through the entire volume of the active element to enhance using a polarizer to effectively output radiation outside the cavity / 2 /.
Однако, как следует из энергетического расчета такого лазера, для реализации режима усиления с высокой эффективностью и, следовательно, получения высокого общего КПД, необходимо обеспечить большую энергию импульсов одномодового излучения (~ 50 мДж), что при малом диаметре диафрагмы (1,2...1,5 мм) приближает плотность энергии импульсов к опасному значению, близкому к лучевой прочности материала активного элемента или других элементов резонатора. However, as follows from the energy calculation of such a laser, in order to realize the amplification mode with high efficiency and, therefore, to obtain a high overall efficiency, it is necessary to provide a high energy of single-mode radiation pulses (~ 50 mJ), which with a small aperture diameter (1.2 .. .1.5 mm) approximates the pulse energy density to a dangerous value close to the radiation strength of the material of the active element or other elements of the resonator.
Более того, для устранения дифракционных колец Френеля в одномодовом луче необходимо применять "мягкую" диафрагму с плавным изменением коэффициента пропускания на границе отверстия. Такие "мягкие" диафрагмы представляют собой сложные и дорогостоящие оптические элементы. Moreover, to eliminate Fresnel diffraction rings in a single-mode beam, it is necessary to use a “soft” diaphragm with a smooth change in the transmittance at the hole boundary. Such “soft” apertures are complex and expensive optical elements.
Таким образом, все известные устройства либо не позволяют реализовать эффективную генерацию в УФ-части спектра, либо связаны с целым рядом дополнительных условий (большое количество каскадов усиления, "мягкая" диафрагма, конечная лучевая прочность компонентов лазера, стабилизация температуры активного элемента). Thus, all known devices either do not allow for efficient generation in the UV part of the spectrum, or are associated with a number of additional conditions (a large number of amplification stages, a “soft” aperture, final radiation strength of the laser components, stabilization of the temperature of the active element).
В то же время существует потребность в эффективных УФ-лазерах на основе наиболее практичного однокаскадного или двухкаскадного лазера. At the same time, there is a need for efficient UV lasers based on the most practical single-stage or two-stage laser.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности импульсного твердотельного лазера с преобразованием частоты излучения в высшие гармоники и повышение его надежности в процессе эксплуатации. The objective of the present invention is to increase the efficiency of a pulsed solid-state laser with the conversion of the radiation frequency to higher harmonics and to increase its reliability during operation.
В соответствии с поставленной задачей в импульсном твердотельном лазере с преобразованием частоты излучения в высшие гармоники с резонатором, образованном глухим и частично прозрачным зеркалами, содержащим входной и выходной поляризаторы, пропускающие излучение, поляризованное в горизонтальной плоскости, активный элемент между поляризаторами и внерезонаторную оптическую систему, расширяющую сечение луча, вышедшего из частично прозрачного зеркала, поворачивающую плоскость поляризации на 90 градусов и направляющую луч в активный элемент через входной поляризатор, между входным поляризатором и частично прозрачным зеркалом установлен электрооптический элемент, а между выходным поляризатором и глухим зеркалом установлены два клина с углом при вершине, равным arcctg n, расположенных так, что ближние к глухому зеркалу грани составляют с оптической осью резонатора угол Брюстера, а для дальних граней ось резонатора является нормалью, причем один из клиньев перекрывает большую часть сечения активного элемента, а внерезонаторная оптическая система содержит клиновые элементы и поворотное зеркало, увеличивающие размер сечения луча в горизонтальной плоскости в Dd-1 раз, а также четвертьволновую фазовую пластину, перестраиваемый объектив, усилительный активный элемент и нелинейные элементы, где n - показатель преломления материала клиньев, D - размер поперечного сечения активного элемента в горизонтальной плоскости, d - удвоенное расстояние между вершиной клина и оптической осью резонатора.In accordance with the task, in a pulsed solid-state laser with the conversion of the radiation frequency to higher harmonics with a resonator formed by blind and partially transparent mirrors containing input and output polarizers that transmit radiation polarized in the horizontal plane, an active element between polarizers and an extra-resonant optical system that expands section of a beam emerging from a partially transparent mirror, turning the plane of polarization by 90 degrees and directing the beam into the active element an electro-optical element is installed between the input polarizer and a partially transparent mirror, and two wedges are installed between the output polarizer and the blank mirror with an angle at the apex equal to arcctg n, so that the faces closest to the blank mirror make an angle with the optical axis of the resonator Brewster, and for distant faces the resonator axis is normal, moreover, one of the wedges covers most of the cross section of the active element, and the non-resonant optical system contains wedge elements and a rotating mirror, increasing the size of the beam cross-section in a horizontal plane in time Dd -1, and a quarter-wave phase plate tunable lens amplifying active element and nonlinear elements, where n - refraction index of the material of the wedges, D - cross-sectional dimension of the active element in a horizontal plane, d is the doubled distance between the apex of the wedge and the optical axis of the resonator.
Существенным отличительным признаком настоящего предложения от прототипа является установка в резонатор анаморфотной системы, состоящей из двух клиньев, один из которых лишь частично перекрывает апертуру активного элемента. При этом одновременно достигаются качественно новые свойства резонатора:
- в резонаторе образуется эквивалентная щелевая диафрагма с переменной шириной "щели", равной d;
- поперечный размер в горизонтальной плоскости моды нулевого порядка расширяется в n2 раз;
- плотность энергии импульсов излучения в "щели", которая необходима для получения высокого КПД лазера, снижается в Dd-1n2 раз.An essential distinguishing feature of this proposal from the prototype is the installation in the resonator of an anamorphic system consisting of two wedges, one of which only partially overlaps the aperture of the active element. In this case, qualitatively new resonator properties are simultaneously achieved:
- an equivalent slit diaphragm is formed in the resonator with a variable "slit" width equal to d;
- the transverse dimension in the horizontal plane of the zero-order mode expands n 2 times;
- the energy density of the radiation pulses in the "gap", which is necessary to obtain a high laser efficiency, decreases in Dd -1 n 2 times.
Эквивалентная щелевая диафрагма, которая образуется при внесении больших дифракционных потерь лишь с одного края симметричной многомодовой каустики, приводит к селекции поперечных типов колебаний резонатора в направлении внесения потерь без каких-либо дифракционных полос в выходном луче, что характерно при применении "мягких" диафрагм. The equivalent slit diaphragm, which is formed when large diffraction losses are introduced from only one edge of the symmetric multimode caustic, leads to the selection of the transverse oscillation modes of the resonator in the direction of introducing losses without any diffraction bands in the output beam, which is typical when using soft diaphragms.
Более того, указанная селекция и последующая компенсация кривизны фазового фронта с помощью перестраиваемого объектива на основе телескопа приводят к уменьшению расходимости излучения в одном из главных направлений, ортогональных оси распространения луча. Это обстоятельство является необходимым условием эффективной генерации третьей или четвертой гармоники излучения, так как угловая ширина кривой синхронизма для процессов преобразования частоты является малой (~ 0,5 мрд) только в одном, т.н. критичном направлении. Moreover, the indicated selection and subsequent compensation of the phase front curvature using a tunable telescope-based lens reduce the divergence of radiation in one of the main directions, orthogonal to the beam propagation axis. This circumstance is a necessary condition for the efficient generation of the third or fourth harmonic of radiation, since the angular width of the phase-matching curve for frequency conversion processes is small (~ 0.5 mrd) in only one, the so-called critical direction.
Вторым необходимым условием эффективной генерации высших гармоник является получение достаточно высокой плотности мощности импульсов излучения на входных гранях нелинейных элементов преобразователей частоты, что достигается за счет усиления в активном элементе усилителя. The second necessary condition for the efficient generation of higher harmonics is to obtain a sufficiently high power density of the radiation pulses at the input faces of the nonlinear elements of the frequency converters, which is achieved by amplification in the active element of the amplifier.
На чертеже представлена принципиальная схема предлагаемого устройства. Резонатор лазера образован глухим 1 и частично прозрачным 2 зеркалами. Входной и выходной поляризаторы 3 и 4 соответственно, представляющие собой пластины с многослойными диэлектрическими покрытиями, поляризуют излучение в плоскости чертежа. The drawing shows a schematic diagram of the proposed device. The laser cavity is formed by a blind 1 and partially transparent 2 mirrors. The input and output polarizers 3 and 4, respectively, which are plates with multilayer dielectric coatings, polarize the radiation in the plane of the drawing.
Активный элемент цилиндрической формы 5 из кристалла, активированного ионами Nd и имеющего кубическую кристаллическую решетку (АИГ:Nd, ГСГТ:Cr, Nd, ИСГГ:Cr, Nd и т.д.), выращенного в направлении /001/, ориентирован так, что кристаллографические оси X и Y составляют углы ±45o с плоскостью пропускания поляризаторов. Между поляризатором 3 и зеркалом 2 установлен электрооптический элемент 6 из кристалла DKDP или LiNbO3.The active element is a cylindrical shape 5 of a crystal activated by Nd ions and having a cubic crystal lattice (AIG: Nd, HHGT: Cr, Nd, YHHG: Cr, Nd, etc.) grown in the / 001 / direction, oriented so that the crystallographic axes of X and Y are angles of ± 45 o with the transmission plane of the polarizers. An electro-optical element 6 made of a DKDP or LiNbO 3 crystal is installed between the polarizer 3 and mirror 2.
Между зеркалом 1 и поляризатором 4 установлены два одинаковых оптических клина 7, 8 с углом при вершине, равным arcctg n, расположенные так, что ближние к зеркалу 1 грани составляют с осью резонатора угол Брюстера, а дальние ортогональны оси резонатора. Between mirror 1 and polarizer 4, two identical optical wedges 7, 8 are installed with an apex angle equal to arcctg n, so that the faces closest to mirror 1 make up the Brewster angle with the axis of the resonator, and the far ones are orthogonal to the axis of the resonator.
При этом клин 7 перекрывает большую часть сечения активного элемента. Расстояние между вершиной клина и осью резонатора d/2 может быть изменено при перемещении клина 7 перпендикулярно оси резонатора в плоскости чертежа. In this case, the wedge 7 covers most of the cross section of the active element. The distance between the apex of the wedge and the axis of the resonator d / 2 can be changed by moving the wedge 7 perpendicular to the axis of the resonator in the plane of the drawing.
Внешняя по отношению к резонатору оптическая система содержит клиновые элементы 9, 10, входные грани которых составляют с осью луча, вышедшего из зеркала 2, угол Брюстера, 90-градусный вращатель плоскости поляризации 11, поворотные зеркала 12, 13, четвертьволновая фазовая пластина 14, перестраиваемый объектив 15 на основе телескопа, усилительный активный элемент 16, нелинейный элемент из кристалла KTP 17 и нелинейный элемент из кристалла BBO 18. The optical system external to the resonator contains wedge elements 9, 10, the input faces of which make up the Brewster angle, 90-degree rotator of the plane of polarization 11, rotary mirrors 12, 13, quarter-wave phase plate 14, tunable with the axis of the beam emerging from mirror 2 a telescope-based lens 15, an amplifying active element 16, a non-linear element from a KTP crystal 17, and a non-linear element from a BBO 18 crystal.
На все грани элементов, на которые луч лазера падает нормально, нанесены просветляющие диэлектрические покрытия. Материал, форма и ориентация осей усилительного элемента 16 такие же, как и для активного элемента 5. On all facets of the elements on which the laser beam is incident normally, antireflective dielectric coatings are applied. The material, shape and orientation of the axes of the amplifying element 16 are the same as for the active element 5.
Оптические оси пластины 14 ориентированы под углами, близкими к значениям ±45o к плоскости чертежа, и устанавливаются окончательно при азимутальном вращении пластины по максимуму мощности излучения второй, третьей или четвертой гармоник.The optical axes of the plate 14 are oriented at angles close to ± 45 ° to the plane of the drawing, and are finally installed with azimuthal rotation of the plate to the maximum radiation power of the second, third or fourth harmonics.
Нелинейный элемент 17 вырезан так, что оптическая ось кристалла KTP ортогональна к плоскости чертежа, а направление синхронизма, соответствующее максимуму мощности второй гармоники излучения, может быть установлено при вращении элемента в плоскости, ортогональной плоскости чертежа и содержащей направление луча. При этом направление вектора поляризации второй гармоники излучения ортогонально плоскости чертежа. The nonlinear element 17 is cut out so that the optical axis of the KTP crystal is orthogonal to the plane of the drawing, and the synchronism direction corresponding to the maximum power of the second harmonic of radiation can be established by rotating the element in a plane orthogonal to the plane of the drawing and containing the beam direction. The direction of the polarization vector of the second harmonic of the radiation is orthogonal to the plane of the drawing.
Нелинейный элемент 18 вырезан так, что оптическая ось кристалла BBO лежит в плоскости чертежа, а направление синхронизма, соответствующее максимуму третьей или максимуму четвертой гармоники излучения, может быть установлено при вращении элемента в плоскости чертежа. При этом направление вектора поляризации третьей или четвертой гармоники излучения лежит в плоскости чертежа. The nonlinear element 18 is cut out so that the optical axis of the BBO crystal lies in the plane of the drawing, and the synchronism direction corresponding to the maximum of the third or maximum of the fourth harmonic of radiation can be established by rotating the element in the plane of the drawing. In this case, the direction of the polarization vector of the third or fourth harmonic of radiation lies in the plane of the drawing.
Предлагаемый лазер работает следующим образом. В импульсно-периодическом режиме за время каждого импульса накачки при закрытом электрооптическим затворе, который образуют поляризатор 3, элемент 6 и зеркало 2, происходит накопление инверсной населенности в активном элементе 5. The proposed laser operates as follows. In the pulse-periodic mode, during each pump pulse with a closed electro-optical shutter, which is formed by the polarizer 3, element 6 and mirror 2, the inverse population accumulates in the active element 5.
При подаче отпирающего импульса высокого напряжения на электроды элемента 6 электрооптический затвор открывается и в резонаторе развивается моноимпульс излучения. When a high-voltage trigger pulse is applied to the electrodes of element 6, the electro-optical shutter opens and a single pulse of radiation develops in the resonator.
Пространственная структура излучения определяется размерами разрешенной для генерации области поперечного сечения активного элемента 5: диаметром сечения D в направлении, ортогональном плоскости чертежа, и шириной, эквивалентной "щели" d в направлении в плоскости чертежа. The spatial structure of the radiation is determined by the dimensions of the cross-sectional area allowed for the active element 5 to be generated: the cross-sectional diameter D in the direction orthogonal to the drawing plane and the width equivalent to the “gap” d in the direction in the drawing plane.
Расходимость излучения, выходящего из зеркала 2, для направления в плоскости чертежа Θd определяется шириной "щели" d и начальной расходимостью в плоскости чертежа Θ0, имеющей место, когда клин 7 полностью перекрывает сечение активного элемента (d = D)
Θd = dD-1Θ0. (I)
Расходимость излучения лазера - усилителя ΘD, выходящего из поляризатора 4, уменьшится за счет увеличения поперечного сечения луча внешней оптической системой
ΘD = d2D-2Θ0. (2)
Расходимость излучения в плоскости чертежа после прохождения объектива 15, согласующего сечение луча с сечением усилительного активного элемента и компенсирующего кривизну фазового фронта, и прохождения самого усилителя 16 уменьшается при использовании усилительного элемента с большим радиусом поперечного сечения G в GD-1 раз.The divergence of the radiation emerging from mirror 2 for the direction in the drawing plane Θ d is determined by the width of the “gap” d and the initial divergence in the plane of the drawing Θ 0 , which occurs when the wedge 7 completely covers the cross section of the active element (d = D)
Θ d = dD -1 Θ 0 . (I)
The divergence of the laser-amplifier radiation Θ D emerging from the polarizer 4 will decrease due to an increase in the beam cross section by an external optical system
Θ D = d 2 D -2 Θ 0 . (2)
The divergence of radiation in the plane of the drawing after the passage of the lens 15, matching the beam cross section with the cross section of the amplifying active element and compensating for the curvature of the phase front, and the passage of the amplifier 16 itself is reduced when using the amplifying element with a large cross-section radius G by GD -1 times.
Энергия моноимпульсов излучения лазера-усилителя складывается из энергии, излучающейся из центральной части поперечного сечения активного элемента, ограниченного размерами "щели", и энергии из периферийной части сечения элемента. The energy of the monopulses of the radiation from the laser amplifier is the sum of the energy emitted from the central part of the cross section of the active element, limited by the size of the "gap", and the energy from the peripheral part of the section of the element.
Можно показать, что при расчете энергии моноимпульсов в области "щели" справедливы обычные формулы для энергии моноимпульсов лазера с эквивалентным резонатором со следующими коэффициентами пропускания T1 и T2:
T1=I-[I+T0(I-T0)-1dD-1]-1, (3)
T2=T0(I-dD-1), (4)
где T0 - коэффициент пропускания зеркала 2, T1 - коэффициент пропускания "поляризационного" зеркала (т.е. выход на поляризаторе 4), T2 - коэффициент пропускания эквивалентного зеркала, образованного за счет ухода части излучения из области "щели" в область периферии элемента 5.It can be shown that when calculating the monopulse energy in the “gap” region, the usual formulas are valid for the monopulse energy of a laser with an equivalent cavity with the following transmittances T 1 and T 2 :
T 1 = I- [I + T 0 (IT 0 ) -1 dD -1 ] -1 , (3)
T 2 = T 0 (I-dD -1 ), (4)
where T 0 is the transmittance of the mirror 2, T 1 is the transmittance of the "polarizing" mirror (i.e., output on the polarizer 4), T 2 is the transmittance of the equivalent mirror formed due to the departure of part of the radiation from the region of the "gap" in the region the periphery of element 5.
Из выражений (3) и (4) следует, что коэффициент полезных потерь эквивалентного резонатора (2l)-1ln(I-T1)(I-T2) равен коэффициенту полезных потерь лазера со "щелью" (лазера, в котором внешняя оптическая система отсутствует)
(2l)-1 ln(I-T0),
где l - длина активного элемента 5.It follows from expressions (3) and (4) that the effective loss factor of the equivalent resonator (2l) -1 ln (IT 1 ) (IT 2 ) is equal to the effective loss coefficient of a laser with a “slit” (a laser in which there is no external optical system)
(2l) -1 ln (IT 0 ),
where l is the length of the active element 5.
Поэтому, если коэффициент T0 выбран оптимальным по энергии моноимпульсов излучения для лазера со "щелью", то и суммарная излучаемая энергия для лазера с эквивалентным резонатором будет максимальной.Therefore, if the coefficient T 0 is chosen optimal for the energy of single-pulse radiation for a laser with a “slit”, then the total radiated energy for a laser with an equivalent cavity will be maximum.
Эта энергия в конечном результате выводится на поляризаторе 4 из лазера-усилителя, причем часть энергии, вышедшей из эквивалентного зеркала с коэффициентом пропускания T2, на обратном проходе усиливается в периферийной части сечения активного элемента, при этом прирост энергии может быть рассчитан по обычным формулам для однопроходового усилителя.This energy is ultimately output to the polarizer 4 from the laser amplifier, and the part of the energy that comes out of the equivalent mirror with the transmittance T 2 is amplified in the peripheral part of the cross section of the active element in the return pass, while the energy gain can be calculated using the usual formulas for single pass amplifier.
Из расчета по указанному алгоритму следует, что энергия моноимпульсов излучения лазера-усилителя, выходящая на поляризаторе 4 из резонатора, будет всегда меньше энергии моноимпульсов излучения лазера со "щелью", раздвинутой на всю апертуру активного элемента (d=D), но всегда больше энергии моноимпульсов излучения лазера со "щелью" d. From the calculation according to the indicated algorithm, it follows that the energy of the monopulses of the laser radiation emitting from the resonator on the polarizer 4 will always be less than the energy of the monopulses of the laser radiation with a "gap" spread across the entire aperture of the active element (d = D), but always more single pulses of laser radiation with a "gap" d.
Причем разница, которая непосредственно связана с падением КПД лазера, будет тем меньше, чем больше ширина "щели", и на практике составляет ~20%. Moreover, the difference, which is directly related to the decrease in the laser efficiency, will be the smaller, the greater the width of the "gap", and in practice is ~ 20%.
Из рассмотренного режима работы предлагаемого лазера следуют основные принципы его создания и настройки. From the considered operation mode of the proposed laser, the basic principles of its creation and tuning follow.
Сначала из значений требуемой энергии моноимпульсов излучения и необходимой для эффективного преобразования в высшие гормоники плотности мощности моноимпульсов излучения определяются размер поперечного сечения активного элемента усилителя G и энергия импульсов его накачки. First, the size of the cross section of the active element of the amplifier G and the energy of its pump pulses are determined from the values of the required energy of the monopulses of radiation and the power density of monopulses of radiation necessary for effective conversion into higher hormones.
Затем по формуле (2) из требования к расходимости излучения 
Установка определенного размера "щели" d удобно проводить по измерению расходимости лазера со "щелью" в соответствии с формулой (1). The installation of a certain size of the “gap” d is conveniently carried out by measuring the divergence of the laser with the “gap” in accordance with formula (1).
После этого определяется энергия накачки активного элемента 5 для достижения энергии моноимпульсов излучения лазера-усилителя (после поляризатора 4), необходимой для эффективного усиления в усилителе 16. After that, the pump energy of the active element 5 is determined to achieve the energy of single-pulse radiation of the laser amplifier (after polarizer 4), which is necessary for effective amplification in amplifier 16.
Максимальная частота повторения импульсов излучения предлагаемого лазера определяется уровнем наведенных потерь на двулучепреломление в активном элементе 5. The maximum pulse repetition rate of the proposed laser radiation is determined by the level of induced birefringence losses in the active element 5.
Для активного элемента из АИГ:Nd наведенными потерями на двулучепреломление можно пренебречь при частотах повторения импульсов до 50 Гц. При частотах, близких к 50 Гц, следует также поворотное зеркало 12 изготавливать со сферической отражающей поверхностью, чтобы предотвратить фокусировку луча на зеркале 13 наведенной в активном элементе 5 термической линзой. For an active element from AIG: Nd, the induced birefringence losses can be neglected at pulse repetition frequencies up to 50 Hz. At frequencies close to 50 Hz, a rotary mirror 12 should also be made with a spherical reflective surface to prevent the beam from focusing on the mirror 13 with a thermal lens induced in the active element 5.
Важнейшими особенностями предлагаемого лазера являются:
- снижение лучевой нагрузки на компоненты резонатора лазера за счет щелевой формы диафрагмы и увеличения ширины "щели";
- дополнительное снижение лучевой нагрузки на электрооптический элемент за счет обратного хода луча по другому пути;
- возможность управления расходимостью излучения в одной плоскости за счет смещения оптического клина;
- сокращение длительности моноимпульса излучения за счет формирования его в центральной части сечения активного элемента.The most important features of the proposed laser are:
- reduction of radiation load on the components of the laser cavity due to the slotted shape of the diaphragm and increase the width of the "gap";
- additional reduction of radiation load on the electro-optical element due to the reverse beam along a different path;
- the ability to control the divergence of radiation in one plane due to the displacement of the optical wedge;
- reducing the duration of a single pulse of radiation due to its formation in the central part of the cross section of the active element.
Таким образом, предлагаемый лазер может эффективно и надежно работать в импульсно-периодическом режиме с модуляцией добротности резонатора с преобразованием частоты излучения в высшие гармоники. Thus, the proposed laser can efficiently and reliably operate in a pulse-periodic mode with modulation of the Q factor of the resonator with conversion of the radiation frequency to higher harmonics.
Результаты испытаний лазера на АИГ:Nd (элемент размером диаметром 5х100 мм) с электрооптическим элементом из LiNbO3, усилителем на АИГ:Nd (элемент размером диаметром 6,3 х 65 мм) и нелинейными элементами из KTP (размером 8х8х7 мм) и из BBO (8х8х7 мм) подтверждают эффективность предложенной схемы. С частотой повторения импульсов 25 Гц, при суммарной энергии накачки на две лампы 37 Дж были получены моноимпульсы излучения с энергией Eω = 220 мДж, E2ω = 100 мДж, E3ω = 50 мДж и E4ω = 40 мДж.Test results for a YAG laser: Nd (element with a diameter of 5x100 mm) with an electro-optical element of LiNbO 3 , an amplifier for AIG: Nd (element with a diameter of 6.3 x 65 mm) and nonlinear elements from KTP (size 8x8x7 mm) and BBO (8x8x7 mm) confirm the effectiveness of the proposed scheme. With a pulse repetition rate of 25 Hz, with a total pump energy of two lamps 37 J, mono-pulses of radiation with energy E ω = 220 mJ, E 2ω = 100 mJ, E 3ω = 50 mJ and E 4ω = 40 mJ were obtained.
ЛИТЕРАТУРА
1. Lin J.T. Multiwavelength solid state laser using frequency conversion techniques. U.S. Patent, H 01 S 3/10, N 5144630, filed 29.07.1991.LITERATURE
1. Lin JT Multiwavelength solid state laser using frequency conversion techniques. US Patent, H 01 S 3/10, N 5144630, filed 07/29/1991.
2. Nicholson P. Narrow beam oscillator and large volume utilizing same gain medium. U.S. Patent, МКИ5 H 01 S 3/08, N 5230004, filed 27.01.1992.2. Nicholson P. Narrow beam oscillator and large volume utilizing same gain medium. US Patent, MKI 5 H 01 S 3/08, N 5230004, filed 01/27/1992.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99112055A RU2162265C1 (en) | 1999-06-08 | 1999-06-08 | Solid-state pulsed laser incorporating provision for radiation-frequency-to-higher-harmonics conversion |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99112055A RU2162265C1 (en) | 1999-06-08 | 1999-06-08 | Solid-state pulsed laser incorporating provision for radiation-frequency-to-higher-harmonics conversion |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2162265C1 true RU2162265C1 (en) | 2001-01-20 |
Family
ID=20220924
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU99112055A RU2162265C1 (en) | 1999-06-08 | 1999-06-08 | Solid-state pulsed laser incorporating provision for radiation-frequency-to-higher-harmonics conversion |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2162265C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2728491C1 (en) * | 2019-12-30 | 2020-07-29 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method of tuning laser emission frequency converter to third harmonic |
| RU210987U1 (en) * | 2022-01-12 | 2022-05-16 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-технический центр уникального приборостроения Российской академии наук (НТЦ УП РАН) | Multifunctional laser system |
-
1999
- 1999-06-08 RU RU99112055A patent/RU2162265C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2728491C1 (en) * | 2019-12-30 | 2020-07-29 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method of tuning laser emission frequency converter to third harmonic |
| RU210987U1 (en) * | 2022-01-12 | 2022-05-16 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-технический центр уникального приборостроения Российской академии наук (НТЦ УП РАН) | Multifunctional laser system |
| RU2819751C1 (en) * | 2024-02-08 | 2024-05-23 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method of measuring tuning angles of a crystal of a laser radiation frequency converter to a second harmonic to ensure phase synchronism |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5528612A (en) | Laser with multiple gain elements | |
| US5047668A (en) | Optical walkoff compensation in critically phase-matched three-wave frequency conversion systems | |
| US4879722A (en) | Generation of coherent optical radiation by optical mixing | |
| US5291503A (en) | Internally stimulated optical parametric oscillator/laser | |
| US7535938B2 (en) | Low-noise monolithic microchip lasers capable of producing wavelengths ranging from IR to UV based on efficient and cost-effective frequency conversion | |
| JP3909867B2 (en) | Laser equipment | |
| US5276695A (en) | Multifrequency, rapidly sequenced or simultaneous tunable laser | |
| US5408481A (en) | Intracavity sum frequency generation using a tunable laser containing an active mirror | |
| US8094368B2 (en) | Optical parametric oscillator | |
| JP6453844B2 (en) | High-efficiency single-pass harmonic generator for circular output beams | |
| JP3421184B2 (en) | Method of selecting wavelength in tunable laser and laser oscillating device capable of selecting wavelength in tunable laser | |
| US20100290487A1 (en) | Recycling pump-beam method and system for a high-power terahertz parametric source | |
| US5606453A (en) | Optical parametric amplifiers and oscillators pumped by tunable laser sources | |
| US4048515A (en) | Broadband laser with intracavity crystal for generating second harmonic radiation | |
| US5541946A (en) | Laser with multiple gain elements pumped by a single excitation source | |
| JP3465478B2 (en) | Optical parametric oscillator | |
| US5274650A (en) | Solid state laser | |
| Rines et al. | Efficient, high-energy, KTP optical parametric oscillators pumped with 1 micron Nd-lasers | |
| US20070116068A1 (en) | System and components for generating single-longitudinal-mode nanosecond laser beam having a wavelength in the range from 760nm to 790nm | |
| US4233569A (en) | High power laser with tuning and line narrowing capability | |
| RU2162265C1 (en) | Solid-state pulsed laser incorporating provision for radiation-frequency-to-higher-harmonics conversion | |
| Koechner et al. | Q-switching | |
| Ebrahimzadeh et al. | Temperature‐tuned noncritically phase‐matched picosecond LiB3O5 optical parameter oscillator | |
| RU2206162C2 (en) | Solid-state pulsed laser using cascaded conversion of radiation frequency into higher harmonics | |
| RU2325021C1 (en) | Pulsed solid-state laser generating higher harmonics of radiation |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160609 |