RU2176839C1

RU2176839C1 - Method for intracavity parametric light maser

Info

Publication number: RU2176839C1
Application number: RU2001100687A
Authority: RU
Inventors: М.В. Алампиев; А.И. Ляшенко; Е.М. Швом
Priority date: 2001-01-12
Filing date: 2001-01-12
Publication date: 2001-12-10

Abstract

FIELD: laser engineering; nonlinear optics, environment monitoring, medicine, and the like. SUBSTANCE: method involves insertion of loss in cavity of solid-state laser incorporating light maser pumped with its pulses at origin of pumping pulse. Cavity Q is included as soon as definite inverted population is attained in active element of laser. Level of inserted loss set in the process is sufficient to produce spike oscillation pulse. Cavity Q is inserted after last spike in time interval exceeding length of this spike by at least order of magnitude. Proposed method provides for stabilizing basic parameters of maser radiation pulses. EFFECT: increased maximum permissible values of radiation energy pulses.

Description

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к параметрическим генераторам света с накачкой импульсными твердотельными лазерами, и может быть использовано для получения мощных импульсов излучения в наносекундном диапазоне длительностей с частотами повторения до сотен герц в ближнем инфракрасном диапазоне для целей нелинейной оптики, экологического мониторинга окружающей среды, медицины. The invention relates to laser technology, in particular to parametric light generators pumped by pulsed solid-state lasers, and can be used to produce high-power radiation pulses in the nanosecond duration range with repetition frequencies up to hundreds of hertz in the near infrared range for nonlinear optics, environmental monitoring of the environment , medicine.

С появлением новых нелинейных кристаллов, таких как КТР, КТА, ВВО и других, в настоящее время возрастает интерес к параметрической генерации света [1] , как к весьма эффективному способу получения перестраиваемого по длине волны лазерного излучения. Благодаря высокой лучевой прочности и высокой нелинейности вышеуказанных кристаллов техническая реализация способа стала возможной на более высоком энергетическом уровне. With the advent of new nonlinear crystals, such as KTP, KTA, VVO and others, interest in parametric generation of light [1], as a very effective way to obtain laser radiation tunable along the wavelength, is currently growing. Due to the high radiation strength and high nonlinearity of the above crystals, the technical implementation of the method has become possible at a higher energy level.

Для накачки параметрических генераторов света (ПГС) применяются, в частности, импульсные лазеры на неодимсодержащих кристаллических активных средах. При этом излучение лазера направляется на ПГС, состоящий из нелинейного элемента, помещенного между входным параметрическим зеркалом, прозрачным для излучения накачки с длиной волны λ_н и полностью отражающим излучение рабочей (сигнальной) волны ПГС λ_c, и выходным параметрическим зеркалом, частично пропускающим излучение с длиной волны λ_c. Общая эффективность такого способа параметрической генерации света является недостаточно высокой из-за необходимости устанавливать зеркала ПГС под углом по отношению к направлению распространения луча накачки для предотвращения оптической обратной связи между лазером и ПГС, причем этот угол возрастает при уменьшении габаритов системы в приборном исполнении.For pumping parametric light generators (ASG), in particular, pulsed lasers based on neodymium-containing crystalline active media are used. In this case, the laser radiation is directed to the CBC, consisting of a nonlinear element placed between the input parametric mirror, transparent for pump radiation with a wavelength of λ _n and completely reflecting the radiation of the working (signal) wave of the CBC λ _c , and the output parametric mirror, partially transmitting radiation with wavelength λ _c . The overall efficiency of this method of parametric light generation is not high enough due to the need to install ASG mirrors at an angle with respect to the direction of propagation of the pump beam to prevent optical feedback between the laser and ASG, and this angle increases with decreasing dimensions of the instrument-mounted system.

Одним из способов повышения эффективности ПГС является способ внутрирезонаторной параметрической генерации света (ВРПГС). Этот способ заключается в помещении ПГС внутрь резонатора лазера или даже в совмещении выходного зеркала резонатора лазера и выходного зеркала ПГС. One of the ways to increase the efficiency of ASG is the method of intracavity parametric light generation (ARGS). This method consists in placing the ASG inside the laser cavity or even in combining the output mirror of the laser cavity and the ASG output mirror.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ ВРПГС, реализованный в устройстве твердотельного лазера на кристалле ИЛФ: Nd с резонатором, образованным глухим зеркалом для излучения лазера с длиной волны λ_н и выходным параметрическим зеркалом, частично отражающим излучение с длиной волны λ_c, содержащим электрооптический элемент, поляризатор, активный элемент, нелинейный параметрический элемент из кристалла КТР и возвратное параметрическое зеркало, полностью отражающее излучение с λ_c и прозрачное для излучения с λ_н [2]. Этот способ ВРПГС основан на внесении потерь в резонатор лазера, содержащий ПГС, в начале импульса накачки путем подачи запирающего напряжения на электроды электрооптического элемента и удалении потерь (включении добротности резонатора) путем подачи импульса отпирающего напряжения в момент достижения максимума инверсной населенности в активном элементе.Closest to the technical nature of the present invention is the method of SRPGS implemented in the device of a solid-state laser on an ILF: Nd crystal with a resonator formed by a dull mirror for laser radiation with a wavelength of λ _n and an output parametric mirror partially reflecting radiation with a wavelength of λ _c , containing an electro-optical element, a polarizer, an active element, a nonlinear parametric element made of a KTP crystal, and a return parametric mirror that fully reflects radiation with λ _c and is transparent f for radiation with λ _n [2]. This VRPGS method is based on introducing losses into the laser cavity containing the ASG at the beginning of the pump pulse by applying a blocking voltage to the electrodes of the electro-optical element and removing losses (by switching on the Q factor of the resonator) by applying a blocking voltage pulse at the moment when the maximum inverse population in the active element is reached.

Однако при увеличении длины волны λ_c в ИК диапазоне до значений ~ 2000 нм, например для применения в медицине в качестве хирургического лазера, лучевая стойкость диэлектрических покрытий резко падает. Это обстоятельство существенно сужает диапазон допустимых значений энергии импульсов лампы накачки лазера, заключенный между значениями, при которых достигается порог генерации ВРПГС, и порогом разрушения покрытий элементов лазера. Снижается также абсолютное значение предельной энергии импульсов излучения с λ_c и увеличивается нестабильность основных параметров импульсов излучения (энергии, пиковой мощности и длительности).However, with an increase in the wavelength λ _c in the IR range to ~ 2000 nm, for example, for use in medicine as a surgical laser, the radiation resistance of dielectric coatings drops sharply. This circumstance significantly narrows the range of acceptable values of the energy of the pulses of the laser pump lamp, concluded between the values at which the generation threshold of the stimulated laser beam generation is reached and the threshold for the destruction of the coatings of laser elements. The absolute value of the limiting energy of radiation pulses with λ _c also decreases and the instability of the main parameters of radiation pulses (energy, peak power, and duration) increases.

Задачей настоящего изобретения является стабилизация основных параметров импульсов излучения ПГС при одновременном увеличении предельно допустимых значений энергии импульсов излучения. Эта задача может быть решена за счет того, что в известном способе внутрирезонаторной параметрической генерации света, осуществляемом путем внесения потерь в резонатор твердотельного лазера, содержащего параметрический генератор света, в начале импульса накачки и включения добротности резонатора в момент достижения определенной инверсной населенности в активном элементе лазера, устанавливают уровень вносимых потерь, обеспечивающий возникновение импульса пичковой генерации, и включают добротность резонатора после последнего пичка через отрезок времени, превышающий длительность этого пичка не менее чем на порядок. The present invention is the stabilization of the main parameters of the pulses of the ASG radiation while increasing the maximum permissible values of the energy of the radiation pulses. This problem can be solved due to the fact that in the known method of intracavity parametric generation of light, carried out by introducing losses into the resonator of a solid-state laser containing a parametric light generator, at the beginning of the pump pulse and turning on the quality factor of the resonator at the moment of reaching a certain inverse population in the active element of the laser , establish the level of insertion loss, providing the occurrence of a pulse pulse generation, and include the quality factor of the resonator after the last peak after a period of time exceeding the duration of this spike by at least an order of magnitude.

Внесение более низкого уровня потерь в резонатор, которые не полностью "запирают" резонатор, приводит к возникновению импульса пичковой (свободной) генерации, состоящего из хаотических пичков микросекундной длительности. Полное включение добротности резонатора (удаление начальных потерь резонатора) осуществляют после окончания импульса пичковой генерации через определенный отрезок времени. The introduction of a lower level of losses into the resonator, which do not completely “lock” the resonator, leads to the appearance of a spike (free) generation pulse consisting of chaotic spikes of microsecond duration. The full inclusion of the Q factor of the resonator (removal of the initial losses of the resonator) is carried out after the end of the spike generation pulse after a certain period of time.

Пичковая генерация возникает в точках максимального усиления (максимальной инверсной населенности) в поперечном сечении активного элемента лазера, где порог (равенство коэффициента усиления коэффициенту потерь резонатора) достигается в первую очередь, причем коэффициент усиления в этих точках не меняется за время импульса свободной генерации, оставаясь равным пороговому коэффициенту усиления. За это время в резонаторе ПГС не возникает параметрическая генерация света, так как для достижения порога этого процесса необходимо излучение с длиной волны λ_н значительно большей мощности.Spike generation occurs at the points of maximum gain (maximum inverse population) in the cross section of the active element of the laser, where the threshold (equality of the gain to the cavity loss coefficient) is achieved first, and the gain at these points does not change during the time of the free-running pulse, remaining equal threshold gain. During this time, parametric light generation does not occur in the CBC cavity, since radiation with a wavelength λ _{n of} significantly greater power is required to reach the threshold of this process.

При увеличении энергии импульса накачки лазера (имеется ввиду ламповая или диодная накачка активного элемента) пространственная область, где коэффициент усиления равен пороговому, расширяется, и распределение коэффициента усиления по сечению активного элемента после окончания импульса свободной генерации становится равномернее. With an increase in the energy of the laser pump pulse (meaning lamp or diode pumping of the active element), the spatial region, where the gain is equal to the threshold, expands, and the distribution of the gain over the cross section of the active element after the end of the free-generation pulse becomes more uniform.

Длительность одного пичка, как правило, составляет порядка одной микросекунды. Поэтому если добротность резонатора включить после окончания последнего пичка через отрезок времени, превышающий длительность этого пичка не менее чем на порядок (т.е. через ~ 10 мкс), то можно считать, что излучение последнего пичка генерации в этот момент отсутствует и гигантский импульс (моноимпульс) начинает развиваться из шумовой затравки. Распределение же коэффициента усиления и его абсолютное максимальное значение практически не изменяются за 10 мкс, так как время жизни метастабильного уровня, например для ионов Nd, измеряется сотнями микросекунд (~ 230 мкс). Поэтому роль импульса свободной генерации заключается в создании более равномерного пространственного распределения и стабилизации максимального значения начального коэффициента усиления для генерации моноимпульса, причем это значение и, следовательно, степень равномерности можно менять регулировкой уровня начальных потерь резонатора. The duration of one spike, as a rule, is about one microsecond. Therefore, if the Q-factor of the resonator is turned on after the last peak after a period of time exceeding the duration of this peak by no less than an order of magnitude (i.e., through ~ 10 μs), then we can assume that the radiation of the last generation peak at this moment is absent and a giant pulse ( monopulse) begins to develop from a noise seed. The distribution of the gain and its absolute maximum value practically do not change in 10 μs, since the lifetime of a metastable level, for example, for Nd ions, is measured in hundreds of microseconds (~ 230 μs). Therefore, the role of the free generation pulse is to create a more uniform spatial distribution and stabilize the maximum value of the initial gain for generating a single pulse, and this value and, therefore, the degree of uniformity can be changed by adjusting the level of the initial cavity losses.

Процесс внутрирезонаторной параметрической генерации света сильно зависит от начальных условий генерации моноимпульса, в том числе от распределения коэффициента усиления по сечению активного элемента. Данный способ позволяет обеспечить однородность распределения коэффициента усиления в области, через которую прошло излучение пичковой генерации, поэтому и основные параметры (плотность энергии и длительность) импульса излучения с длиной волны λ_c также будут более однородны.The process of intracavity parametric light generation strongly depends on the initial conditions for the generation of a single pulse, including the distribution of the gain over the cross section of the active element. This method allows to ensure uniformity of the distribution of the gain in the region through which the emission of the peak generation has passed, therefore, the main parameters (energy density and duration) of the radiation pulse with a wavelength λ _c will also be more uniform.

Начальные условия генерации в указанной области не изменяются с ростом энергия импульсов накачки лазера, а увеличивается только размер этой области, поэтому основные параметры моноимпульсов с длинами волн λ_н и λ_c (плотность энергии и длительность), отвечающие за разрушение диэлектрических покрытий компонентов резонатора, остаются стабильными.The initial lasing conditions in this region do not change with increasing energy of the laser pump pulses, and only the size of this region increases, therefore, the main parameters of monopulses with wavelengths λ _n and λ _c (energy density and duration), which are responsible for the destruction of the dielectric coatings of the resonator components, remain stable.

С ростом энергии накачки без риска необратимой деградации лазера будет наблюдаться насыщающийся рост общей энергии моноимпульсов. Насыщение связано с тем, что область однородных начальных условий ограничена полным сечением активного элемента. With an increase in the pump energy without the risk of irreversible laser degradation, a saturable increase in the total energy of single pulses will be observed. Saturation is due to the fact that the region of homogeneous initial conditions is limited by the total cross section of the active element.

Предлагаемый способ внутрирезонаторной параметрической генерации света реализован в лазере с ПГС для хирургической установки. The proposed method of intracavity parametric light generation is implemented in a laser with ASG for a surgical unit.

В качестве источника накачки был использован лазер на АИГ:Nd с длиной волны λ_н = 1,064 мкм. ПГС на нелинейном кристалле КТР помещался внутри резонатора лазера накачки. Излучение лазера передавалось к операционному полю по оптоволокну. Для модуляции добротности резонатора лазера был использован электрооптический затвор, состоящий из пленочного поляризатора и электрооптического элемента из кристалла ниобата лития LiNbO₃. При помощи затвора в резонаторе лазера устанавливался уровень потерь, обеспечивающий возникновение импульса пичковой генерации, и добротность резонатора включалась полностью через 10 мкс после окончания импульса свободной генерации. Необходимый уровень вносимых потерь устанавливался либо разворотом электрооптического элемента на небольшой угол относительно оптической оси лазера, либо подачей на элемент напряжения, меньшего, чем напряжение запирания.AIG laser: Nd with a wavelength λ _n = 1.064 μm was used as a pump source. An ASG on a nonlinear KTP crystal was placed inside the cavity of a pump laser. The laser radiation was transmitted to the surgical field via optical fiber. To modulate the quality factor of the laser cavity, an electro-optical shutter was used, consisting of a film polarizer and an electro-optical element made of a lithium niobate crystal LiNbO ₃ . With the help of a shutter, a loss level was established in the laser cavity that ensured the appearance of a spike generation pulse, and the cavity Q factor was turned on completely 10 μs after the end of the free-generation pulse. The required level of insertion loss was established either by turning the electro-optical element through a small angle relative to the optical axis of the laser, or by applying a voltage to the element that is lower than the locking voltage.

Предлагаемый способ модуляции добротности для лазера с ВРПГС позволил стабилизировать энергию импульса хирургического лазера на требуемом уровне при нестабильности накачки (в т. ч. из-за колебаний напряжения в сети) и стабилизировать пространственное распределение интенсивности излучения. Это позволило повысить на 25% энергию импульсов лазера без разрушения элементов лазера с ВРПГС. Улучшение однородности излучения на выходе лазера с ВРПГС позволило повысить энергию лазера, проходящую через оптоволокно без разрушения на 20%. Общая наработка лазера составила 10⁷ импульсов без деградации элементов лазера, ПГС и оптоволокна.The proposed Q-switching method for a laser with high-frequency cascaded laser radiation made it possible to stabilize the pulse energy of a surgical laser at the required level with pump instability (including due to voltage fluctuations in the network) and to stabilize the spatial distribution of radiation intensity. This made it possible to increase by 25% the energy of laser pulses without destroying the elements of a laser with an SRWS. Improving the uniformity of the radiation at the output of the laser with SRWS allowed to increase the laser energy passing through the optical fiber without destruction by 20%. The total laser operating time amounted to 10 ⁷ pulses without degradation of the laser elements, ASG and optical fiber.

Источники информации
1. В.Г.Дмитриев, Л.В.Тарасов "Прикладная нелинейная оптика", М., "Радио и Связь", 1982.Sources of information
1. V. G. Dmitriev, L. V. Tarasov "Applied nonlinear optics", M., "Radio and Communication", 1982.

2. G.A.Rines, D.M.Rines, P.F.Moulton, "Efficient high-energy KTP optical parametric oscillators pumped with I-micron Nd lasers", CLEO (May 2-7, 1993) post deadline paper CPD 16-1/33. 2. G.A. Rines, D.M. Rines, P.F. Moulton, "Efficient high-energy KTP optical parametric oscillators pumped with I-micron Nd lasers", CLEO (May 2-7, 1993) post deadline paper CPD 16-1 / 33.

Claims

The method of intracavity parametric generation of light, carried out by introducing losses into the resonator of a solid-state laser containing a parametric light generator, at the beginning of the pump pulse and turning on the quality factor of the resonator at the moment of reaching a certain inverse population in the active element of the laser, characterized in that they establish the level of insertion loss, which ensures the occurrence pulse of spike generation, and include the quality factor of the resonator after the last spike after a period of time exceeding d the longevity of this spike is no less than an order of magnitude.