RU22590U1 - Устройство для нелинейного преобразования частот лазерного импульсного излучения - Google Patents

Description

Устройство для нелинейного преобразовання частот лазерного

нмнульсного нзлучення.

Полезная модель относится к лазерной технике, более конкретно к лазерам на самоограниченных переходах с нелинейным преобразователем частот лазерного излучения и может найти применение при создании мощных источников ультрафиолетового излучения на базе лазерных систем с усилительным каскадом на парах меди или источников излучения другого диапазона длин волн , при использовании иных лазеров на самоограниченных переходах.

Известно устройство для преобразования частот излучения двух линий генерации импульсов на базе лазера на парах меди, снабженное неустойчивым резонатором, фокусирующей системой и нелинейным кристаллом (D.W, Courts, M.D. Ainsworth , J.A. Piper. Enhanced Efficiency of UV Second Harmonic and Smn Frequency Generation from Copper Vapor Laser // ШЕЕ J. of Quantum Electronics, v. 26, N 9, (1990) p. 1555. ). Преобразованные частоты излучения в этом устройстве приходятся на ультрафиолетовую область спектра.

Недостатком такого устройства является сравнительно низкие (не более 10 % ) кпд преобразования выходного излучения лазера на парах меди во вторую гармонику и кпд генерации кристаллом суммарной частоты двух линий излучения лазера на парах меди. Кроме того, недостатком является низМКин0183/00

кое качество ультрафиолетового излучения по расходимости и структуре на выходе устройства из-за того, что исходный импульс излучения лазера на парах меди с неустойчивым резонатором имеет сложную структуру, в которой имеются с большой расходимостью и большой долей энергии в них.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является устройство для преобразования частот лазерного импульсного излучения, включающее расположенные последовательно формирующий каскад с лазерным задающим генератором и однопроходный усилительный каскад на самоограниченных переходах атомов меди, фокусирующую оптическую систему и преобразователь частоты лазерного излучения на основе нелинейного кристалла, ( В.О. Троицкий Об особенностях генерации гармоник излучения лазера на парах меди в нелинейных кристаллах // Оптика атмосферы и океана, Т.6, № 6, (1993), стр.666. - прототип). ). В этом устройстве преобразованные частоты излучения приходятся на ультрафиолетовую область спектра.

К недостаткам известного устройства можно отнести, во первых, сравнительно низкую амплитуду импульсов выходного лазерного излучения усилительного каскада, недостаточную для эффективного преобразовгшия частоты излучения в нелинейном кристалле при использовании усилительного каскада небольшой средней мощности порядка 10 Вт. Кпд преобразования видимого лазерного излучения в УФ излучение в известном устройстве не превьппает 20 %.

Следующим недостатком являются проблемы, связанные с наличием в импульсе задающего генератора суперлюминесцентного фона и компонент с большой расходимостью. Для очистки от них импульса обычно применяют пространственный фильтр и задерживают момент входа импульса задающего генератора в усилитель по отношению к моменту начала возникновения инверсной заселенности в нём. Однако это приводит к сокращению рабочего участка длительности задающего импульса до величины меньшей длительности инверсной заселенности активной среды усилительного каскада , что

снижает энергосъём и кдц лазерной системы при однопроходном усилении и З еличивает собственный суперлюминесцентный фон усилительного каскада, что в конечном счёте отрицательно влияет на качество ультрафиолетового излучения.

Решаемой задачей заявленного устройства является существенное повьппение кпд нелинейного преобразования частот импульсного излучения лазеров на самоограниченных переходах атомов паров металлов и улучшение качества преобразованного .

Указанная задача, решается тем, что в известном устройстве для нелинейного преобразования частот лазерного импульсного излучения , содержащем расположенные последовательно формирующий каскад с задающим генератором лазерных импульсов, усилительный каскад с активной рабочей средой на самоограниченных переходах, оптическую систему для преобразования геометрии лазерного луча и нелинейный преобразователь частоты лазерного излучения, согласно полезной модели задаюпщй генератор лазерных импульсов вьшолнен на длину волны излучения, совпадающую с длиной волны лазерного перехода атомов активной среды усилительного каскада и с длительностью импульсов излучения , меньшей времени существования инверсной заселенности в активной среде усилительного каскада, причём, последний вьшолнен по многопроходной схеме с поляризационной развязкой лучей для повышения амплитуды импульсов излучения и их качества при сохранении средней мощности лазерного излучения; оптическая система для преобразования геометрии лазерного луча вьшолнена в виде блока с возможностью формирования луча близкого к параллельному, с уменьшенным по площади поперечным сечением произвольной геометрии, при сохранении полной мопщости импульсов излучения.

Кроме того, на выходе оптической системы поперечное сечение параллельного луча может иметь форму .

Кроме того, нелинейный преобразователь частоты лазерного импульсного излучения может быть вьшолнен на основе нелинейного кристалла.

Кроме того, активной средой усилительного каскада может являться активная среда импульсно-периодического лазера на парах меди , а длина волны излучения на выходе нелинейного преобразователя частоты лазерного излучения может лежать в ультрафиолетовой области спектра.

Это позволяет решить поставленную задачу совершенствования устройства для преобразования частот лазерного импульсного излучения в системе генератор-усилитель - нелинейный преобразователь с усилительным каскадом на самоограниченных переходах путём достижения более высокого , по сравнению с прототипом кпд, качества и уровня амплитуды импульсов выходного излучения усилительного каскада при одинаковых средних (по частоте следования импульсов) мощностях лазерного излучения на входе в нелинейный преобразователь.

Эффективность преобразования частот излучения в нелинейном кристалле сушественно повышается с ростом импульсной плотности мощности излучения на входе в кристалл и с уменьшением его расходимости. При этом, с ростом амплитуды импульса излучения усилительного каскада средняя мопщость излучения на входе в кристалл не должна существенно возрастать, так как это может привести к нагреву кристалла и снижению кпд преобразования. Использование той или иной оптической системы , создающей параллельный пучок в кристалле, вместо системы, фокусирующей луч в середину кристалла, способствует более равномерному нагреву кристалла, уменьшению его деформаций, дефектов и повьппению срока службы. Кроме того, параллельный пучок обладает рядом преимуществ, так как его дифракционная расходимость может быть меньше расходимости сфокусированного пучка в перетяжке, меньше становится диафрагменный апертурный эффект. Все это

и приводит к решению поставлеиной задачи - увеличению кнд преобразования частот лазерного излучения, повьппению его качества.

На фиг. 1 представлена схема заявляемого устройства.

Устройство содержит формирующий каскад 1, многопроходный усилительный каскад 2, оптическую систему - телескопический коллиматор 3 для формирования параллельного луча малого диаметра, нелинейный преобразователь частоты лазерного излучения 4. Формирующий каскад 1 включает в себя задающий генератор (лазер) 5; дополнительно, он может содержать пространственный фильтр 6 и оптический затвор 7 для уменьшения расходимости, длительности импульса излучения и улучшения его качества на выходе формирующего каскада. Оптический затвор должен быть выполнен так, чтобы он вырезал качественнзгю часть импульса задающего генератора, формируя крутые фронты.

Усилительный каскад 2 состоит из лазерной рабочей разрядной камеры 8 с активной средой на самоограниченных переходах, например на парах меди и из оптических блоков возврата луча 9, 10 на входе и выходе усилительного каскада. Эти блоки должны обеспечивать многократное прохождение лазерного импульса задающего генератора 5 через активную среду в камере 8 и их поляризационную развязку. Формирующий каскад 1 и усилительный каскад 2 должны быть вьшолнены в соответствии с ниже изложенньп 1, с тем , чтобы обеспечить существенное увеличение амплитуды импульсов и качества излучения усилительного каскада. Преобразователь частоты лазерного излучения 4 включает в себя нелинейный кристалл 11, сориентированный на угол синхронизма. Дополнительными элементами преобразователя могут быть термостат 12 для стабилизации температуры кристалла и оптический блок 13 для разделения ультрафиолетового луча и остаточных лучей усилительного каскада.

../-///

Линейно поляризованный импульс излучения задающего генератора 5 (см. фигЛ), пройдя пространственный фильтр 6 и оптический затвор 7, поступает в усилительный каскад и входит в активную среду через сечение А камеры 8. Если блоки 9, 10 организуют четное число N встречных проходов (J, J ), то усиленный импульс излучения JBMX выйдет наружу через блок 9, а при нечетном числе N через блок 10, как показано условно на фигЛ. Если

блоки 9, 10 оргавшзуют кольцевой ход лучей JT и J , то при любом N излучение выйдет из усилителя через блок 10; в этом под N будем подразумевать только проходы по активной среде усилительного каскада J.

Поскольку лазеры на самоограниченных переходах обладают очень большими коэффициентами усиления , то в отсутствии внешнего направленного электромагнитного излучения развивается суперлюминесценция, что приводит к потере энергии импульса на выходе усилителя. Для того, чтобы избежать этих потерь, нужно полностью использовать для усиления излучения весь интервал времени существования инверсной заселенности Тннв во всём объёме камеры в каждом импу.пьсе возбз ждения активной среды. Для этого потребуем, чтобы приблизительно в момент начала инверсной заселенности передний фронт импульса излучения задающего генератора вошёл через сечение А в активную среду, а после N проходов задний фронт этого импульса вьппел из усилителя в момент времени окончания инверсной заселенности через сечение А, или . Это условие приводит к соотношению:

L « N

« (1)

где 1фоме предьщущих обозначений:

Тимп - длительность импульса излучения, генерируемого в формирз ющем

каскаде;

Lye - длина рабочей камеры усилительного каскада с активной средой; Сус - скорость света в активной среде усилительного каскада;

Тзад - сз лмарное за все проходы время задержки переднего фронта каждого импульса излучения в блоках возврата луча и вне камеры с активной средой. При этом, для Тзад получается выражение в случае использования схем

со встречными лучами:

(T,+T,) + (-ir-llil -l(-ir+llbа для схем

TI и t2 - времена задержек, затрачиваемых на одно возвращение переднего фронта импульса излучения в рабочую камеру усилителя, соответственно, входным и выходным блоком возврата.

Для того чтобы нолностью исключить развитие суперлюминесценции необходимо ещё одно дополнительное условие, а именно - передний фронт импульса при возврате в активную среду усилителя блоком 10 (или 9) должен смыкаться со своим задним фронтом до того момента, как задний фронт войдет в рабочую камеру через сечение А (или В) и начнёт продвигаться по ней. Легко показать, что этому условию соответствует вьфажение для схем со встречными проходами лучей:

большему из

и для схемы с кольцевым ходом лучей:

(2)

(4)

2.L.

+ Т,

2.L. блоков, создающих кольцевой ход лучей в усилительном каскаде: Сзад(-1)- С1+Т2 +

Соотношения (l)-(5), устанавлнвают взаимосвязь параметров Тимп Тинв L ус, N, TI , TZ и определяют таким образом реализацию формирующего и усилительного каскадов в предлагаемом устройстве, их конструктивные параметры и исполнение. При выполнении соотношений ( для ) величина Симп будет меньше Ттв в заданное число раз при соответствующем выборе параметров, что и приведёт, в конечном итоге, к увеличению амплитуды импульса излучения примерно в такое же число раз (при одинаковом с однопроходной схемой энергосъёме за импульс).

В конкретном примере выполнения устройства (фиг.1). задающий генератор 5 вьшолнен на базе лазера на парах меди LT1-CU, который доработан таким образом, что излучает линейно поляризованные импульсы длительностью 15 НС. с длинами волн 0,51 мкм и 0,57 мкм с частотой следования импульсов 8 кГц , при средней мощности 1 Вт. Диаметр луча на выходе 7 мм.

Пространственный фильтр 6 содержит две линзы с фокусными расстояниями в 1 м и 3 м и диафрагму в фокусе первой линзы диаметром 0,2 мм. Диаметр луча на выходе фильтра 20 мм. Пространственный фильтр задерживает суперлюминесцентный фон задающего генератора, вьщеляет ядро импульса излучения с расходимостью порядка трёх дифракционных. Оптический затвор 7 вырезает во времени часть этого ядра и формирует импульс с меньшей длительностью, примерно Тн1ип Ю не и с крутыми фронтами.

Усилительиый каскад 2 вьшолнен на базе серийной лазерной разрядной трубки ГЛ-201 на парах меди с длиной рабочей камеры Lye 80 см., диаметром 20 мм. Время существования инверсной заселённости Тинв в каждом импульсе возбуждения рабочей среды ГЛ-201, при типовой средней мощности накачки в 3-3,5 кВт, составляет Тиив 35 не .

В нашем примере (фиг.1) выбрана схема встречных проходов лучей Л и J с ортогональной поляризацией и число проходов N 4. В этом случае ,

гласно (2), величина суммарной задержки луча в блоках возврата у i +2 TI , где TI и Т2 - задержки во входном 9 и в выходном 10 блоках возврата нри одном возврате луча. В соответствии с вышенриведенным условием (1), при выбранных параметрах, величина Тзад «14,3 не. При равенстве задержек в блоках , получаем TI TI 4,78 не. Расчётные величины задержек TI и тг обеспечиваются путём подбора оптических длин блоков и материалов оптических элементов, входящих в блоки. Блок 9 на входе в рабочую камеру, содержит две призмы Глана и одну четвертьволнов)то пластинку, блок 10 на выходе рабочей камеры содержит четвертьволновую пластинку и плоское зеркало.

Телескопический коллиматор 3 содержит две линзы с фокусным расстоянием 550 мм и 28 мм, что позволяет уменьшить диаметр луча с 20 мм на входе в коллиматор до 1 мм на выходе из коллиматора.

Нелинейный кристалл 11 из DKDP, размещен в термостате 12 с электронной стабилизацией температуры под углом синхронизма 78°, что позволяет преобразовывать две линии излучения 0,51 мкм и 0,578 мкм усилительного каскада на парах меди в ультрафиолетовую линию излучения 0,273 мкм (генерация суммарной частоты). Оптический блок 13 для разделения этих лучей в пространстве состоит из кварцевой призмы и плоских зеркал.

Работа предложенного устройства осуществляется следующим образом.

Задающий генератор 5 формирующего каскада 1 генерирует импульсы лазерного изл)ения с указанными выше параметрами. Затем импульсы излучения проходят пространственный фильтр 6, оптический затвор 7 и поступают на вход усилительного каскада 2, рабочая среда которого возбуждается электрическими импульсами синхронно и с такой же частотой следования, как и рабочая среда задающего генератора 5.

За счет специального исполнения задающего генератора 5, использования пространственного фильтра и оптического затвора обеспечено условие

ими Синв. Затем, импульс излучения (Тнмп-Ю ис) с выхода формирующего каскада 1 подаётся на вход рабочей камеры 8 (в сечение А на фиг.1.) через блок 9., причём синхронизация работы задающего генератора 5 и усилительного каскада 2 осуществляется так, что передний фронт задающего импульса излучения входит в рабочую камеру 8 усилителя в момент времени, соответствующий началу возникновения инверсной заселенности в её среде в каждом импульсе возбз ждения. Далее, импульс проходит четыре раза () через камеру 8, дважды разворачиваясь в обратном направлении блоком 10 и один раз блоком 9. Выходит усиленный импульс JBUX наружу после четырёх проходов опять через блок 9 как показано на фнт1.

Поскольку конструктивным исполпением блоков разворота 9, 10 и подбором числа проходов , с упомянутых геометрических параметров разрядиой трубки ГЛ-201, удовлетворяется вышеприведенные условия (1), то задний фронт усиливаемого импульса задающего генератора выходит после четырех проходов в момент времени соответствующий окончанию инверсной заселённости в рабочей среде усилителя в каждом импульсе возбуждения. Другими словами, импульс формирзгющего каскада длительностью 10 НС. находится в рабочей камере усилителя все время (-35 не), пока там существует инверсная заселенность среды. Поскольку с активной среды снимается примерно такая же энергия, что и при прохождении через однопроходный усилитель длинного импульса (40 не.), а длительность выходного импульса в 3,5 раза меньше, то его амшштуда, в приведенном варианте исполнения устройства, возрастёт примерио в 3,5 раза.

Далее луч проходит через телескопический коллиматор 3, уменьшается в диаметре и в виде параллельного пучка (со своей дифракционной расходимостью) поступает в 1фисталл 11, где преобразуется (частично) в ультрафиолетовый луч. Блок 13 отделяет ультрафиолетовое излучение от остатков излучения усилительного каскада, после чего ультрафиолетовое излучение вьтодится из предлагаемого устройства.

г.€ у/Уу 5 /

Благодаря повышенной амшштуде излучения на выходе усилительного каскада 2 на парах меди по сравнению с прототипом , высокому качеству изл)ения и применению телескопического коллиматора 3 (параллельный луч), кпд преобразования частоты излучения в рассмотренном варианте предлагаемого устройства существенно повышается (до 50-70 %), что и решает поставленную задачу.

Реализация конкретного варианта предложенного устройства для генерации импульсного ультрафиолетового излучения в системе генераторусилитель - нелинейный преобразователь позволит эффективно использовать маломощные и поэтому более дешёвые лазеры на самоограниченных переходах со средней мощностью излучения на уровне 10 Вт вместо более дорогих лазеров с мощностью в десятки - сотни ватт в технологических системах преобразования частоты излучения с помощью нелинейных кристаллов , которым требуется высокая амплитуда импульсов излучения при низкой средней мощности.

Claims (4)

1. Устройство для нелинейного преобразования частот лазерного импульсного излучения, содержащее расположенные последовательно формирующий каскад с задающим генератором лазерных импульсов, усилительный каскад с активной рабочей средой на самоограниченных переходах, оптическую систему для преобразования геометрии лазерного луча и нелинейный преобразователь частоты лазерного излучения, отличающееся тем, что задающий генератор лазерных импульсов выполнен на длину волны излучения, совпадающую с длиной волны лазерного перехода атомов активной среды усилительного каскада и с длительностью импульсов излучения, меньшей времени существования инверсной заселенности в активной среде усилительного каскада, причем последний выполнен по многопроходной схеме с поляризационной развязкой лучей для повышения амплитуды импульсов излучения и их качества при сохранении средней мощности лазерного излучения, оптическая система для преобразования геометрии лазерного луча выполнена в виде блока с возможностью формирования луча, близкого к параллельному, с уменьшенным по площади поперечным сечением произвольной геометрии при сохранении полной мощности импульсов излучения.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на выходе оптической системы поперечное сечение параллельного луча имеет форму круга.

3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что нелинейный преобразователь частоты лазерного импульсного излучения выполнен на основе нелинейного кристалла.

4. Устройство по пп.1-3, отличающееся тем, что активной средой усилительного каскада является активная среда импульсно-периодического лазера на парах меди, а длина волны излучения на выходе нелинейного преобразователя частоты лазерного излучения лежит в ультрафиолетовой области спектра.