RU2325021C1

RU2325021C1 - Pulsed solid-state laser generating higher harmonics of radiation

Info

Publication number: RU2325021C1
Application number: RU2006131825/28A
Authority: RU
Inventors: Александр Александрович Казаков (RU); Александр Александрович Казаков; шенко Александр Иванович Л (RU); Александр Иванович Ляшенко; Валентина Васильевна Струкова (RU); Валентина Васильевна Струкова
Original assignee: Александр Александрович Казаков; Александр Иванович Ляшенко; Валентина Васильевна Струкова
Priority date: 2006-09-06
Filing date: 2006-09-06
Publication date: 2008-05-20

Abstract

FIELD: laser engineering.

SUBSTANCE: optical scheme of laser head contains partially transparent parallel-plate mirror, two end reflectors, active and electro-optical elements, polarizer and nonlinear components. End reflectors are 90°-angled reflecting prisms. First reflecting prism is placed on the one side of active element and its vertex edge lies in vertical plane. Second reflecting prism is placed with polarizer, electro-optical element on the other side of active element. Its vertex edge lies in horizontal plane, and nonfunctional end surface lies in vertical plane passing through geometrical axis of active element.

EFFECT: production of laser with stable output parameters in case of laser head deformations and thermal wedge in active element.

2 dwg

Description

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к твердотельным импульсным лазерам.The invention relates to laser technology, in particular to solid-state pulsed lasers.

Импульсные лазеры с модуляцией добротности резонатора, как генераторы мощных импульсов излучения в наносекундном диапазоне длительностей импульсов в ближнем ИК, видимом и УФ спектральных диапазонах, широко применяются в научно-прикладных исследованиях, в медицине, в системах для экологического мониторинга окружающей среды.Pulsed lasers with Q-switching of the resonator, as generators of powerful radiation pulses in the nanosecond range of pulse durations in the near IR, visible and UV spectral ranges, are widely used in scientific and applied research, in medicine, and in systems for environmental environmental monitoring.

В качестве лазеров ИК диапазона часто используются лазеры на кристаллах, содержащих ионы неодима (АИГ: Nd, АИ: Nd, ИЛФ: Nd, ГСГГ: Cr, Nd и т.д.).Lasers based on crystals containing neodymium ions (AIG: Nd, AI: Nd, ILF: Nd, GHA: Cr, Nd, etc.) are often used as IR lasers.

Для генерации в видимом и УФ диапазонах используется каскадное преобразование частоты излучения ИК лазеров в высшие гармоники в нелинейных кристаллах КТР, ВВО, LBO, обладающих высокой нелинейностью и высокой лучевой прочностью.For generation in the visible and UV ranges, a cascade conversion of the radiation frequency of IR lasers to higher harmonics is used in nonlinear KTP, BBO, LBO crystals with high nonlinearity and high radiation strength.

Так, например, для генерации в УФ диапазоне наиболее эффективны элементы из ВВО (третья 355 нм и четвертая 266 нм гармоники) и из LBO (третья гармоника). Для получения высоких коэффициентов преобразования по отношению к энергии импульсов излучения первой гармоники (>20%) необходимы высокие уровни плотности энергии излучения ИК лазера. При использовании нелинейных элементов из ВВО дополнительными требованиями к излучению ИК лазера являются низкая расходимость (≤0,5 мрд) и угловая стабильность диаграммы направленности (по крайней мере в плоскости критичного синхронизма) как следствие узкой угловой ширины синхронизма элементов.So, for example, for generation in the UV range, elements from the BBO (third 355 nm and fourth 266 nm harmonic) and from LBO (third harmonic) are most effective. To obtain high conversion coefficients with respect to the energy of the first harmonic radiation pulses (> 20%), high levels of the radiation energy density of the IR laser are required. When using nonlinear elements from BBO, additional requirements for IR laser radiation are low divergence (≤0.5 mrd) and angular stability of the radiation pattern (at least in the plane of critical synchronism) as a result of the narrow angular width of synchronism of elements.

Перечисленным требованиям в полной мере отвечает лазер, работающий в режиме генерации моды резонатора низкого порядка TEM_onq. Однако параметры импульсов и направленность излучения низкомодового лазера существенно зависят от разъюстировки зеркал резонатора, возникающей вследствие неизбежных деформаций корпуса излучателя лазера в процессе эксплуатации. Указанный недостаток присущ, конечно, и лазеру, работающему в многомодовом режиме. Для устранения влияния деформации корпуса на энергетические параметры импульсов излучения в многомодовом лазере используется резонатор с двумя 90°-ными призмами-крышами или триппель-призмами [1]. Однако, в первом случае (две развернутые на 90° призмы-крыши и вывод излучения через поляризатор) не обеспечивается угловая стабильность диаграммы направленности, а во втором случае (два зеркала на одной стороне резонатора и триппель-призма на другой) не компенсируется термический клин в активном элементе, который изменяется при изменении энергии импульсов накачки или в процессе установления стационарного теплового режима.The listed requirements are fully met by a laser operating in the mode mode generation of a low-order resonator TEM _onq . However, the parameters of the pulses and the directivity of the radiation of the low-mode laser substantially depend on the misalignment of the cavity mirrors, which arises as a result of the inevitable deformation of the laser emitter body during operation. The indicated drawback is, of course, also inherent in a laser operating in a multimode mode. To eliminate the influence of housing deformation on the energy parameters of radiation pulses in a multimode laser, a resonator with two 90 ° roof prisms or triple prisms is used [1]. However, in the first case (two roof prisms rotated through 90 ° and the radiation output through the polarizer), the angular stability of the radiation pattern is not ensured, and in the second case (two mirrors on one side of the resonator and a triple prism on the other), the thermal wedge in active element, which changes when the energy of the pump pulses changes or in the process of establishing a stationary thermal regime.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является импульсный твердотельный лазер с каскадным преобразованием частоты излучения в высшие гармоники с резонатором, образованным двумя глухими и одним частично прозрачным зеркалами, содержащим активный и электрооптический элементы, обеспечивающий на выходе мощное излучение с низкой расходимостью в горизонтальной плоскости [2]. Благодаря тому, что «сломанная» на глухом зеркале на две полуоси ось резонатора образует римскую цифру пять, а активный элемент расположен симметрично относительно этих полуосей, длина активного элемента эквивалентно возрастает в 2 раза, а сечение уменьшается в 2 раза, что приводит к увеличению плотности энергии импульсов и снижению расходимости излучения.The closest in technical essence to the present invention is a pulsed solid-state laser with a cascade conversion of the radiation frequency into higher harmonics with a resonator formed by two dull and one partially transparent mirrors containing active and electro-optical elements, providing powerful radiation with low divergence in the horizontal plane [ 2]. Due to the fact that the axis of the resonator “broken” on a half mirror on two half-axes forms a Roman numeral five, and the active element is located symmetrically relative to these half-axes, the length of the active element is equivalently increased by 2 times, and the cross section is reduced by 2 times, which leads to an increase in density pulse energy and reduce the divergence of radiation.

Однако влияние разъюстировки зеркал на снижение выходных параметров лазера остается существенным фактором.However, the effect of mirror misalignment on the decrease in the laser output parameters remains a significant factor.

Задачей настоящего изобретения является повышение устойчивости энергетических параметров импульсов излучения твердотельного лазера с генерацией высших гармоник излучения при деформациях корпуса излучателя лазера и появлении термического клина в активном элементе.The objective of the present invention is to increase the stability of the energy parameters of the radiation pulses of a solid-state laser with the generation of higher harmonics of radiation during deformation of the laser emitter body and the appearance of a thermal wedge in the active element.

Для решения поставленной задачи в импульсном твердотельном лазере с генерацией высших гармоник излучения в нелинейных элементах с резонатором, образованным частично прозрачным плоскопараллельным зеркалом и двумя концевыми отражателями, содержащим активный, электрооптический элементы и поляризатор, концевые отражатели выполнены в виде 90°-ных призм-крыш, причем первая призма-крыша расположена по одну сторону активного элемента таким образом, что ее ребро при вершине перпендикулярно геометрической оси активного элемента и лежит в вертикальной плоскости, проходящей через эту ось, вторая призма-крыша расположена по другую сторону активного элемента таким образом, что ее ребро при вершине перпендикулярно геометрической оси активного элемента и лежит в горизонтальной плоскости, проходящей через эту ось, а нерабочая торцевая плоскость лежит в вертикальной плоскости, проходящей через геометрическую ось активного элемента, при этом частично прозрачное плоскопараллельное зеркало, рядом с которым расположены электрооптический элемент и поляризатор, находится по ту же сторону от активного элемента, что и вторая призма-крыша, и ориентировано рабочими гранями перпендикулярно геометрической оси активного элемента.To solve the problem in a pulsed solid-state laser with the generation of higher harmonics in nonlinear elements with a resonator formed by a partially transparent plane-parallel mirror and two end reflectors containing an active, electro-optical elements and polarizer, end reflectors are made in the form of 90 ° prism-roofs, moreover, the first prism-roof is located on one side of the active element in such a way that its edge at the apex is perpendicular to the geometric axis of the active element and lies in vertical to the vertical plane passing through this axis, the second prism-roof is located on the other side of the active element so that its edge at the vertex is perpendicular to the geometric axis of the active element and lies in the horizontal plane passing through this axis, and the non-working end plane lies in the vertical plane passing through the geometric axis of the active element, while a partially transparent plane-parallel mirror, next to which there are an electro-optical element and a polarizer, is located at the same to the active element, as the second prism-roof, and is oriented by the working faces perpendicular to the geometric axis of the active element.

Применение в качестве двух концевых отражателей 90°-ных призм-крыш, развернутых друг относительно друга на 90° вместе с плоскопараллельным зеркалом, и расположение поляризатора с электрооптическим элементом рядом с зеркалом позволяют обеспечить угловую стабильность направления луча, идущего внутри резонатора к выходному зеркалу, при разъюстировке первой призмы-крыши и появлении термического клина в активном элементе в горизонтальной плоскости, так как первая призма-крыша в этой плоскости является уголковым отражателем, а также обеспечить угловую стабильность направления луча, идущего к выходному зеркалу, при разъюстировке первой призмы-крыши и появлению термического клина в активном элементе в вертикальной плоскости, так как вторая призма-крыша в этой плоскости является уголковым отражателем.The use of 90 ° prism-roofs as two end reflectors, 90 ° rotated relative to each other together with a plane-parallel mirror, and the location of a polarizer with an electro-optical element near the mirror can provide angular stability of the direction of the beam going inside the resonator to the output mirror, the alignment of the first prism-roof and the appearance of a thermal wedge in the active element in the horizontal plane, since the first prism-roof in this plane is an angular reflector, as well as it stable angular direction of the beam coming to the output mirror, when the first misalignment-roof prism and occurrence of thermal wedge in the active element in a vertical plane, since the second-roof prism in this plane is angled reflector.

Таким образом, в предлагаемом лазере обеспечена стабильность направления излучения заданной ориентации при высокой плотности энергии импульсов и низкой расходимости излучения в горизонтальной плоскости.Thus, the proposed laser provides stability of the radiation direction of a given orientation with a high pulse energy density and low radiation divergence in the horizontal plane.

На фиг.1 представлена оптическая схема предлагаемого устройства в горизонтальной плоскости. На фиг.2 представлена оптическая схема резонатора лазера в вертикальной плоскости.Figure 1 presents the optical diagram of the proposed device in the horizontal plane. Figure 2 presents the optical diagram of the laser cavity in the vertical plane.

Резонатор лазера образован первой 90°-ной призмой-крышей 1, второй 90°-ной призмой-крышей 2 и выходным частично-прозрачным зеркалом 3.The laser cavity is formed by the first 90 ° prism-roof 1, the second 90 ° prism-roof 2 and the output partially transparent mirror 3.

Как показано на фиг.1, 2, призмы развернуты относительно друг друга на 90°, причем ребро при вершине призмы-крыши 1 перпендикулярно плоскости фигуры, а ребро призмы-крыши 2 лежит в плоскости фигуры. При этом призма-крыша 2 смещена относительно геометрической оси активного элемента 4, так что ее нерабочая торцевая плоскость лежит в вертикальной плоскости, проходящей через геометрическую ось элемента 4. Поляризатор 5 и электрооптический элемент 6 вместе с зеркалом 3 образуют электрооптический затвор, способный модулировать добротность резонатора.As shown in figures 1, 2, the prisms are rotated relative to each other by 90 °, and the edge at the top of the prism-roof 1 is perpendicular to the plane of the figure, and the edge of the prism-roof 2 lies in the plane of the figure. In this case, the prism-roof 2 is displaced relative to the geometric axis of the active element 4, so that its non-working end plane lies in a vertical plane passing through the geometric axis of element 4. The polarizer 5 and electro-optical element 6 together with mirror 3 form an electro-optical shutter capable of modulating the quality factor of the resonator .

В качестве активного элемента 4 могут быть использованы цилиндрической формы элементы из кристаллов АИГ: Nd, АИ: Nd, ИЛФ: Nd, ГСГТ: Cr, Nd и др. В качестве электрооптического элемента могут быть использованы элементы из кристаллов LiNbO₃, DKDP, RTP и др. Выходящее из зеркала 3 линейно поляризованное ИК излучение направляется призмой 7 в элемент 8, преобразующий линейную поляризацию в круговую или эллиптическую. Элемент 8 может быть выполнен в виде пластины λ/4 или оптически-активного вращателя поляризации из кристаллического кварца. И в том и другом случае угловая ориентация элемента выбирается по максимуму второй гармоники, генерируемой в нелинейном элементе 9 или третьей гармоники, генерируемой в нелинейном элементе 10.As an active element 4, cylindrical-shaped elements from AIG crystals: Nd, AI: Nd, ILF: Nd, HSGT: Cr, Nd, and others can be used. Elements from crystals of LiNbO ₃ , DKDP, RTP and etc. The linearly polarized IR radiation emerging from the mirror 3 is directed by the prism 7 to element 8, which converts the linear polarization to circular or elliptical. Element 8 can be made in the form of a λ / 4 plate or an optically active polarization crystal rotator made of crystalline quartz. In both cases, the angular orientation of the element is selected according to the maximum of the second harmonic generated in the nonlinear element 9 or the third harmonic generated in the nonlinear element 10.

Для генерации второй гармоники предпочтительнее использовать элемент 9 из КТР (II тип взаимодействия), для третьей - элемент 10 из ВВО (I тип) или LBO (II тип), для четвертой - элемент 10 из ВВО (I тип).To generate the second harmonic, it is preferable to use element 9 from KTP (II type of interaction), for the third - element 10 from BBO (type I) or LBO (II type), for the fourth - element 10 from BBO (type I).

Предлагаемый лазер работает следующим образом. В импульсно-периодическом режиме за время каждого импульса накачки при закрытом электрооптическом затворе происходит накопление инверсной населенности в активном элементе 4. При подаче отпирающего импульса высоковольтного напряжения на электроды элемента 6 электрооптический затвор открывается и в резонаторе генерируется моноимпульс излучения.The proposed laser operates as follows. In the pulse-periodic mode, during the time of each pump pulse when the electro-optical shutter is closed, the inverse population accumulates in the active element 4. When a high-voltage voltage trigger pulse is applied to the electrodes of element 6, the electro-optical shutter opens and a single pulse of radiation is generated in the resonator.

Пространственная структура излучения определяется размерами разрешенной для генерации половиной сечения активного элемента 4, и при соответствующем выборе диаметра элемента 4 и длины резонатора может соответствовать моде резонатора ТЕМ_onq.The spatial structure of the radiation is determined by the dimensions allowed for generation by half the cross section of the active element 4, and with an appropriate choice of the diameter of the element 4 and the length of the resonator can correspond to the mode of the TEM resonator _onq .

Результаты испытаний макета лазера на АИГ: Nd (λ₁=1064 нм) в импульсном режиме с частотой 10 Гц с преобразованием частоты излучения в элементах из КТР (λ₂=532 нм) и ВВО (λ₄=266 нм) подтверждает эффективность предложенного устройства. Данный лазер генерировал импульсы ИК излучении с преобразованием в четвертую гармонику с коэффициентом преобразования η=E₄/E₁~20%, причем энергия импульсов УФ-излучения практически не изменялась при разъюстировке призмы-крыши 1 в пределах ±30'', что в 3...4 раза превосходит допустимую разъюстировку одного из зеркал в лазере-прототипе.The test results of the prototype laser on AIG: Nd (λ ₁ = 1064 nm) in a pulsed mode with a frequency of 10 Hz with the conversion of the radiation frequency in the elements of KTP (λ ₂ = 532 nm) and BBO (λ ₄ = 266 nm) confirms the effectiveness of the proposed device . This laser generated pulses of IR radiation with conversion to the fourth harmonic with a conversion coefficient η = E ₄ / E ₁ ~ 20%, and the energy of the UV radiation pulses remained almost unchanged when the prism-roof 1 was misaligned within ± 30 '', which is 3 ... 4 times the allowable misalignment of one of the mirrors in the prototype laser.

Таким образом, предлагаемый лазер может эффективно работать в импульсно-периодическом режиме с модуляцией добротности резонатора с преобразованием частоты излучения в высшие гармоники при разъюстировке резонатора, присутствующей на практике вследствие неизбежных деформаций корпуса излучателя лазера в процессе эксплуатации и появления термического клина в активном элементе.Thus, the proposed laser can efficiently operate in a pulsed-periodic mode with a Q-switched resonator with conversion of the radiation frequency to higher harmonics when the resonator is misaligned, which is present in practice due to inevitable deformation of the laser emitter body during operation and the appearance of a thermal wedge in the active element.

Источники информацииInformation sources

1. Ю.А.Ананьев. Оптические резонаторы и проблема расходимости излучения. М., «Наука», 1979 г., с.136.1. Yu.A. Ananiev. Optical resonators and the problem of radiation divergence. M., "Science", 1979, p.136.

2. Патент РФ №2206162 Н01S 3/10, 2001 г. - прототип.2. RF patent No. 2206162 H01S 3/10, 2001 - prototype.

Claims

A pulsed solid-state laser with the generation of higher harmonics of radiation in nonlinear elements with a resonator formed by a partially transparent plane-parallel mirror and two end reflectors containing an active, electro-optical elements and polarizer, characterized in that the end reflectors are made in the form of 90-degree prism roofs, the first a prism-roof is located on one side of the active element so that its edge at the apex is perpendicular to the geometric axis of the active element and lies vertically of the second plane passing through this axis, the second prism-roof is located on the other side of the active element in such a way that its edge at the apex is perpendicular to the geometric axis of the active element and lies in the horizontal plane passing through this axis, and the non-working end plane lies in the vertical plane passing through the geometrical axis of the active element, with a partially transparent plane-parallel mirror, next to which there are an electro-optical element and a polarizer, is located on the same side from su- element as the second prism-cement, and is oriented perpendicular to the working faces of the geometric axis of the active element.