RU2657345C2 - Мощный импульсный со2-лазер с самоинжекцией излучения - Google Patents

Мощный импульсный со2-лазер с самоинжекцией излучения Download PDF

Info

Publication number
RU2657345C2
RU2657345C2 RU2015132844A RU2015132844A RU2657345C2 RU 2657345 C2 RU2657345 C2 RU 2657345C2 RU 2015132844 A RU2015132844 A RU 2015132844A RU 2015132844 A RU2015132844 A RU 2015132844A RU 2657345 C2 RU2657345 C2 RU 2657345C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
laser
resonator
optical
cavity
mirror
Prior art date
Application number
RU2015132844A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2015132844A (ru
Inventor
Вадим КИЙКО
Original Assignee
Гипермемо Ой
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Гипермемо Ой filed Critical Гипермемо Ой
Publication of RU2015132844A publication Critical patent/RU2015132844A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2657345C2 publication Critical patent/RU2657345C2/ru

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/081—Construction or shape of optical resonators or components thereof comprising three or more reflectors
    • H01S3/0818—Unstable resonators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
    • H01S3/22—Gases
    • H01S3/223—Gases the active gas being polyatomic, i.e. containing two or more atoms
    • H01S3/2232—Carbon dioxide (CO2) or monoxide [CO]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/08059—Constructional details of the reflector, e.g. shape
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/08059—Constructional details of the reflector, e.g. shape
    • H01S3/08068—Holes; Stepped surface; Special cross-section
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/08081—Unstable resonators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/081—Construction or shape of optical resonators or components thereof comprising three or more reflectors
    • H01S3/0813—Configuration of resonator
    • H01S3/0817—Configuration of resonator having 5 reflectors, e.g. W-shaped resonators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/081—Construction or shape of optical resonators or components thereof comprising three or more reflectors
    • H01S3/082—Construction or shape of optical resonators or components thereof comprising three or more reflectors defining a plurality of resonators, e.g. for mode selection or suppression
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/102—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling the active medium, e.g. by controlling the processes or apparatus for excitation
    • H01S3/104—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling the active medium, e.g. by controlling the processes or apparatus for excitation in gas lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H01S3/1123—Q-switching
    • H01S3/121—Q-switching using intracavity mechanical devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/097—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping by gas discharge of a gas laser
    • H01S3/09702—Details of the driver electronics and electric discharge circuits

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Lasers (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)

Abstract

Изобретение относится к лазерной технике. СО2-лазер включает неустойчивый лазерный резонатор в виде первого оптического резонатора, имеющего полупрозрачное выходное зеркало, лазерную среду в неустойчивом резонаторе лазера, и средство для возбуждения лазерной среды. Также лазер содержит второй оптический резонатор, оптически связанный с неустойчивым лазерным резонатором за пределами световой апертуры выходного зеркала, где второй резонатор содержит фокусирующий элемент и где оптическая длина второго оптического резонатора равна или кратна длине первого оптического резонатора. Кроме того, лазер содержит модулятор добротности, который расположен в фокальной плоскости упомянутого фокусирующего элемента, и устройство для синхронизации работы устройства для возбуждения лазерной среды с работой модулятора добротности. Технический результат заключается в обеспечении возможности повышения мощности излучения. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к лазерной технике и особенно к мощным импульсным лазерным системам.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Основной проблемой создания лазерных систем является получение высокой выходной мощностью излучения с низкой расходимостью.
Расходимость выходного излучения лазера определяется в основном свойствами его резонатора. Для получения лазерных пучков с малой расходимостью обычно используют неустойчивые резонаторы. В таких резонаторах фотоны, испущенные активной средой даже под незначительными углами к оптической оси, через несколько проходов по резонатору достигают края его апертуры. Вследствие этого оптические неоднородности, существующие в лазерной среде и на зеркалах резонатора, не оказывают значительного влияния на качество выходного излучения.
Неустойчивые резонаторы характеризуются коэффициентом увеличения поля M, который равен отношению линейных размеров светового пучка внутри резонатора на двух последующих друг другу проходах по нему.
Лазеры на основе неустойчивых резонаторов могут иметь выходное зеркало с высоким коэффициентов отражения. В таких лазерах вывод излучения из резонатора обеспечивается за пределами апертуры выходного зеркала в виде кольца. Такая форма светового пучка может быть неудобна для приложений требующих использования световых пучков с максимальной интенсивностью на оси (с пространственным распределением интенсивности либо гауссовым, либо близким к однородному).
Как альтернативу, лазеры на основе неустойчивых резонаторов могут также использовать полупрозрачное выходное зеркало. В таких лазерах достигается компромисс между пространственной расходимостью выходного пучка и удобством его практического использования.
Лазерные импульсы с высокой пиковой мощностью могут быть получены при помощи метода модуляция добротности резонатора, также известного как формирование гигантского импульса. Этот режим работы лазера состоит в изменении уровня потерь от высокого значения до минимального во время возбуждения активной среды внутри лазерного резонатора.
Суть метода заключается в следующем. При высоком значении коэффициента потерь в резонаторе порог генерации поддерживается на уровне, препятствующем развитию генерации. На этом этапе работы активная среда лазера получает энергию возбуждения от источника накачки и накапливает ее. После достижения необходимой величины накопленной энергии потери в резонаторе уменьшают с максимально возможной скоростью до минимального значения. В результате этого порог генерации резко понижается, и лазер начинает генерировать вынужденное излучение в условиях значительного превышения усиления над потерями.
Результатом такого процесса является появление на выходе лазера мощного светового импульса, энергия которого примерно равна энергии, запасенной в активной среде к моменту снижения резонаторных потерь. Длительность импульса составляет нескольких периодов обхода излучения в резонаторе.
Модуляция добротности может быть осуществлена различными способами наиболее простым из которых является так называемый оптико-механический. При этом подходе высокий уровень потерь в резонаторе обеспечивают путем размещения внутри резонатора механического прерывателя распространения излучения. Низкий уровень потерь обеспечивают путем вывода прерывателя из канала распространения излучения.
При использовании оптико-механических модуляторов добротности время переключения резонатора из состояния с максимальными потерями в состояние минимальных потерь может быть уменьшено путем максимального уменьшения размера пучка в плоскости расположения механического прерывателя.
Для минимизации размера лазерного пучка в плоскости механического прерывателя могут быть использованы дополнительные внутрирезонаторные фокусирующие компоненты или фокусирующие свойства самих отражателей, образующих резонатор (см. «Scaling of a Q-switch CO2 laser for pulsed laser deposition», Proc. SPIE, Vol. 3343, 1998, pp. 759-768).
Для лазеров с малой энергией генерации в импульсе внутрирезонаторная фокусировка излучения вполне допустима, однако, в мощных лазерных системах это может приводить к нежелательным эффектам таким, как оптический пробой. Длительность импульса генерации в лазере с модуляцией добротности может составлять от единиц до несколько сотен наносекунд. Она может оказаться существенно меньше, чем время, за которое механическими средствами можно уменьшить внутрирезонаторные потери (единицы микросекунд). При этом излучение может достичь пикового значения мощности в тот момент, когда механический прерыватель все еще находится в зоне действия излучения, как результат это может привести к его разрушению.
Модуляцию добротности резонатора можно осуществлять также, например, электро-оптическим устройством, разместив внутри резонатора оптические элементы, пропускание которых зависит от величины прикладываемого электрического напряжения.
Электро-оптическая модуляция добротности резонатора в мощных лазерных системах также представляет большую проблему, т.к. лучевая прочность электрооптических кристаллов, входящих в состав таких модуляторов, как правило, существенно уступает лучевой прочностью других некристаллических внутрирезонаторных компонентов. Например, патент US 4498179 сообщает об импульсном лазере состоящем из лазерной среды, расположенной в основном резонаторе с полупрозрачным выходным зеркалом, добавочным отражателем в указанном основном резонаторе, электрооптическом модуляторе добротности внутри дополнительного резонатора и устройства управления электрооптическим модулятором. Лазер имеет невысокую выходную мощность вследствие использования электро-оптического модулятора.
Одним из возможных вариантов решения задачи построения лазерных систем генерирующих мощное импульсное излучение является комбинация маломощного импульсного лазера и усилителя установленных последовательно выходу лазера («Generation of CO2 laser pulses by Q-switching and cavity dumping and their amplification by a microwave excited CO2 laser», J. Phys. D: Appl. Phys. 29, 1996, pp. 57-67). В таких системах лазер с модулированной добротностью генерирует короткий импульс с незначительной энергией, который поступает на вход усилителя. В результате одного или нескольких проходов через усиливающую среду усилителя излучение достигает требуемого уровня энергии. На практике лазерные системы с усилителями являются существенно более сложными и громоздкими, требуют использования дополнительных систем синхронизации, что обуславливает их высокую стоимость и снижение эффективности.
Эффективная модуляция излучения в основном резонаторе лазера может быть получена либо размещением модулятора внутри резонатора, либо использованием внешнего источника модулированного излучения для последующей инжекции излучения в основной резонатор, который при этом начинает играть роль многопроходного усилителя.
В случае размещения модулятора внутри резонатора требования к модуляции добротности могут быть определены соотношением глубины модуляции и временем жизни фотона в резонаторе. Так в лазерах, где используются модуляторы с малой глубиной модуляции, генерация импульсов с высоким контрастом достигается только в лазерах с малыми внутрирезонаторными потерями за проход. Если же внутрирезонаторные потери велики (и активная среда лазера обладает высоким усилением), то глубину модуляции следует увеличивать так как фотон может до выхода из резонатора совершить лишь несколько полных обходов. Из-за низкого порога оптического разрушения внутрирезонаторного модулятора достаточно затруднительно одновременное достижение высоких значений пиковой и средней мощности генерации лазера.
В случае внешнего источника излучения вышеупомянутое ограничение может быть преодолено, но получение высокого контраста модуляции излучения в основном резонаторе может быть под вопросом. Действительно если эффективной модуляции подвергается лишь инжектируемое в основной резонатор излучение, в котором уже выполнены условия вынужденного излучения, и генерация может развиваться независимо от излучения затравки, то глубина модуляции излучения основного резонатора зависит от соотношения мощности затравочного излучения и мощности собственного вынужденного излучения внутри основного резонатора. Таким образом, если мощность излучения затравки окажется недостаточной, то это излучение не сможет «навязать» свою модуляцию излучению основного резонатора. С другой стороны, если же мощность затравочного излучения будет значительно увеличена, то при осуществлении ее глубокой модуляции возникнут проблемы, описанные выше.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предметом настоящего изобретения являются метод и устройство для его осуществления позволяющие преодолеть вышеуказанные недостатки. Цель изобретения достигается путем использования методов и устройств, описанных в независимых пунктах формулы изобретения. Предпочтительные варианты реализации раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
CO2-лазер с самоинжекцией основан на новой конструкции оптического тракта включающего лазерную среду помещенную в основной резонатор, выходное зеркало которого выполнено полупрозрачным, устройство возбуждения лазерной среды, дополнительный резонатор, оптически сопряженный с лазерным резонатором.
Резонатор лазера имеет неустойчивую конфигурацию. Выходной отражатель может иметь апертуру меньше диаметра выходного лазерного пучка и резонатор может быть оптически связан с неустойчивым резонатором лазера за пределами апертуры выходного отражателя.
Второй резонатор может состоять как минимум из двух зеркальных отражателей и может включать в себя как минимум один фокусирующий элемент. Оптическая длина резонатора может быть равна или кратна оптической длине вышеупомянутого резонатора.
Лазер дополнительно содержит модулятор добротности. Модулятор добротности может быть представлен механическим прерывателем, расположенным в фокальной плоскости фокусирующего элемента резонатора, а блок управления модулятором добротности может быть электрически соединен с устройством накачки лазерной среды. Управление может быть синхронизировано с накачкой лазерной среды и модулятором добротности.
Использование описанной конструкции и оптического тракта делает возможным получение высококонтрастных лазерных импульсов с высокой пиковой мощностью и высокой средней выходной мощностью излучения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Сущность изобретения более подробно описывается для предпочтительных вариантов осуществления в прилагаемых рисунках.
На фиг. 1 представлен вариант схемы заявляемого лазера с использованием стигматических фокусирующих элементов в дополнительном резонаторе.
На фиг. 2 и 3 показаны оптические схемы заявляемого лазера с использованием астигматических фокусирующих элементов в дополнительном резонаторе.
На фиг. 4 и 5 приведены формы механических прерывателей модулятора добротности.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее описание описывает метод для CO2-лазера содержащего неустойчивый лазерный резонатор, лазерную среду, представляющую собой объем заполненный содержащей CO2 лазерной газовой смесью, внутри лазерного резонатора и устройство для возбуждения лазерной среды. Неустойчивый лазерный резонатор может быть сформирован из основного оптического резонатора имеющего полупрозрачное выходное зеркало. Неустойчивый резонатор может быть выполнен, например, в телескопической конфигурации. В лазерном резонаторе лазерный пучок может быть получен путем возбуждения лазерной среды.
Диаметр апертуры выходного отражателя может быть меньше, чем диаметр пучка выходного излучения лазера на выходе неустойчивого резонатора. Выходной отражатель может быть сконфигурирован таким образом, чтобы делить выходной пучок лазерного излучения на первую часть, которая проходит через апертуру выходного отражателя и вторую часть, которая проходит вне апертуры выходного отражателя.
Для того чтобы промодулировать пучок генерируемого лазерного излучения, второй резонатор должен быть оптически связан с первым оптическим резонатором вне световой апертуры выходного отражателя. Другими словами часть лазерного пучка распространяющаяся вне световой апертуры выходного отражателя, то есть вторая часть лазерного пучка может быть направлена во второй резонатор. Второй резонатор используется для модуляции той части, которая отправлена в него. Промодулированная часть выходного излучения инжектируется обратно в неустойчивый резонатор лазера.
Эффективная (100%) модуляция мощного излучения возможна при величине мощности инжектируемого в первый оптический резонатор излучения не менее 20% от полной выходной мощности лазера. Учитывая это, минимально возможное значение коэффициента увеличения поля должно удовлетворять условию
Figure 00000001
.
Второй оптический резонатор должен состоять, по крайней мере, из двух зеркал. Второй оптический резонатор может быть связан с неустойчивым лазерным резонатором при помощи своего первого зеркала имеющего отверстие в апертуре. Первое зеркало может быть сконфигурировано для отражения второй части, то есть части следующей по пути, проходящему мимо апертуры лазерного пучка.
Условия фазового сопряжения между излучением затравки и внутрирезонаторной волной является важным для описываемого лазера. Если условия фазового сопряжения не могут быть получены, оптическое качество выходного лазерного излучения может ухудшиться и порог генерации возрастет. Для того чтобы обеспечить представленное условие оптическая длина второго резонатора должна быть равна или кратна оптической длине первого резонатора.
Второй резонатор может содержать, по меньшей мере, один фокусирующий элемент. Фокусирующий элемент может быть стигматическим или астигматическим. Часть лазерного пучка, проходящая через фокальную плоскость фокусирующего элемента, может быть промодулирована при помощи модулятора добротности таким образом, чтобы возбуждение лазерной среды было синхронизировано с работой модулятора добротности. Модулятор добротности может быть установлен в фокальной плоскости упомянутого фокусирующего элемента внутри второго резонатора. Модулятор добротности может быть, например, механическим прерывателем.
Лазер может содержать устройство для синхронизации работы устройства возбуждения активной среды с модулятором добротности. Эти устройства могут быть электрически соединены с устройством для возбуждения лазерной среды.
На фиг. 1 схематически показано устройство CO2-лазера содержащего стигматический фокусирующий элемент во втором резонаторе. На фигуре 1 лазер содержит основной резонатор в форме первого оптического резонатора из полупрозрачного выходного зеркала 3 и заднего зеркала с высоким коэффициентом отражения 4. На фиг. 1 лазерная среда 2 расположена в основном лазерном резонаторе. Устройство накачки 1 предназначено для возбуждения лазерной среды 2.
Основной резонатор имеет неустойчивую конфигурацию. Диаметр апертуры выходного зеркала 3 меньше, чем диаметр лазерного пучка в основном лазерном резонаторе как результат одна часть лазерного пучка проходит через апертуру выходного зеркала 3, тогда как вторая часть пучка проходит мимо апертуры выходного зеркала 3.
На фиг. 1 фокальные точки зеркал 3 и 4 совпадают, а коэффициент увеличения поля при этом можно рассчитать из соотношения:
Figure 00000002
где R3 - радиус кривизны выходного зеркала 3, а R4 - радиус кривизны зеркала 4.
Лазер на фиг. 1 включает также зеркала 5, 6 и 7, которые формируют дополнительный резонатор. Второй оптический резонатор оптически связан с основным лазерным резонатором вне световой апертуры зеркала 3. Оптическая длина второго резонатора равна или кратна оптической длине основного резонатора.
На фиг. 1 зеркало 5 установлено на оптической оси основного резонатора и выполнено таким образом, что в центре его апертуры имеется отверстие. Форма отверстия совпадает с формой апертуры выходного зеркала 3 в направлении оптической оси основного резонатора. Зеркало 5 расположено под углом к ней таким образом, что отражает часть светового пучка, который проходит мимо апертуры выходного зеркала 3 и направляет его на зеркала 6 и 7.
На фиг. 1 сферические зеркала 6 и 7 являются фокусирующими элементами. Зеркала 6 и 7 расположены таким образом, что фокус зеркала 6 совпадает с центром кривизны зеркала 7.
Во втором оптическом резонаторе на фиг. 1 расположен модулятор добротности 8, сопряженный с фокальной плоскостью зеркала 6. Модулятор добротности 8 выполнен в форме механического прерывателя показанного на фиг. 4. Механический прерыватель на фиг. 4 представляет собой дисковый прерыватель 41 с круглыми сквозными отверстиями 42. Во время работы диск 41 вращается вокруг оси 43, которая перпендикулярна плоскости диска 41.
Лазер на фиг. 1 содержит также устройство для синхронизации устройства возбуждения лазерной среды 2 с работой модулятора добротности 8. Блок управления 9 предназначен для синхронизации (фиг. 1) Модулятор добротности, электрически соединен с блоком управления 9, которое в свою очередь электрически соединено с устройством накачки 1 лазерной среды 2. Блок управления 9 управляет устройством накачки 1 основываясь на угловом положении модулятора добротности 8.
Лазер на фиг. 1 работает следующим образом. Лазерное излучение генерируется основным лазерным резонатором путем возбуждения лазерной среды 2. Устройство накачки 1 обеспечивает создание инверсной населенности в лазерной среде 2. Спонтанное излучение, возникающее в лазерной среде 2 под действием накачки, усиливается в результате вынужденных переходов и приобретает когерентность, отражаясь от зеркал 3 и 4.
В силу того, что основной резонатор неустойчив, и лазерный пучок в основном резонаторе от прохода к проходу расширяется в М раз, его периферийная часть распространяется вне световой апертуры выходного зеркала 3. Эта часть пучка достигает отклоняющего зеркала 5 и отражается от него. Таким образом первая часть пучка направляется во второй резонатор.
В то же время, вторая часть пучка, то есть его приосевая часть, распространяющаяся в основном резонаторе в пределах световой апертуры полупрозрачного выходного зеркала 3, частично отражается от него. Отраженная часть начинает, тем самым очередной проход по основному резонатору. Оставшаяся часть проходит через зеркало 3, проходит отклоняющее зеркало 5 через сквозное отверстие, диаметр которого совпадает с диаметром световой апертуры выходного зеркала 3.
Излучение, отведенное из основного резонатора зеркалом 5, имеет форму кольца. Это излучение направляют на стигматический фокусирующий элемент в виде сферического зеркала 6. В фокальной плоскости сферического зеркала 6 поперечный размер пучка излучения становится минимальным по обеим поперечным координатам.
В фокальной плоскости сферического зеркала 6 расположен механический прерыватель модулятора добротности 8, модулирующий часть лазерного пучка проходящую через фокальную плоскость. Блок управления 9 управляет возбуждением лазерной среды 2 синхронно с работой модулятора добротности 8. Блок управления может, например, управлять работой блока накачки 1 на основе сигнала вращения механического прерывателя.
После прохождения механического прерывателя излучение достигает крайнего сферического зеркала 7 дополнительного резонатора. Отразившись от крайнего сферического зеркала 7, излучение проходит модулятор добротности 8, сферическое зеркало 6 в обратном порядке. Излучение направляется назад в основной резонатор отклоняющим зеркалом 5 мимо световой апертуры выходного зеркала 3. При этом поперечный размер инжектированного пучка в основном резонаторе от прохода к проходу уменьшается, а его интенсивность увеличивается.
Условие равенства или кратности оптических длин основного и дополнительного резонаторов обеспечивает фазовое сопряжение инжектированного излучения и излучения, формируемого в основном резонаторе. Соответственно инжектируемое модулированное излучение эффективно «навязывает» модуляцию излучению основного резонатора, обеспечивая, тем самым, генерацию высококонтрастных импульсов высокой пиковой мощности при высокой средней мощности выходного излучения.
Описанный метод может также быть реализован другими способами. На фиг. 2 и 3 показаны примеры реализации, где вторичный резонатор содержит астигматический фокусирующий элемент.
На фиг. 2 зеркало 21 отражающее первую часть лазерного пучка проходящего мимо выходного зеркала 22 расположено вне основного резонатора. На фиг. 2 соотношение между оптической длиной основного резонатора L и суммой оптических расстояний между элементами дополнительного резонатора L1, L2 и L3 удовлетворяет условию
Figure 00000003
где k - целое число.
Подобно изображенному на фиг. 1, первая часть пучка то есть периферийная часть распространяется вне апертуры выходного зеркала 2. Первая часть отражается от поворотного зеркала 21 и направляется во второй резонатор на фиг. 2.
На фиг. 2 астигматические фокусирующий элемент второго резонатора сформирован цилиндрическими зеркалами 23 и 24. Поперечный размер пучка при этом становится минимальным только по одной поперечной координате в фокальной плоскости.
В фокальной плоскости зеркала 23 установлен модулятор добротности 25, который может быть, например, механическим прерывателем, изображенным на фиг. 5. Экземпляр механического прерывателя на фиг. 5 представляет диск 51 со сквозными щелями 52. Диск 51 вращается вокруг оси 53, которая перпендикулярна плоскости диска 51.
На фиг. 2 после прохождения через механический прерыватель, пучок попадает на цилиндрическое зеркало 24 второго резонатора. Подобно описанному для фиг. 1 пучок отражается от заднего зеркала 24 проходит модулятор добротности 25 и цилиндрическое зеркало 23. Пучок направляется обратно в основной резонатор лазера при помощи зеркала 21.
На фиг. 3 зеркало 31 отражает первую часть лазерного пучка, проходящую мимо выходного зеркала 32 расположенного внутри основного резонатора. Как и в предыдущем примере, отношение между оптическими длинами основного резонатора L и суммой оптических длин L1, L2 и L3 между элементами второго резонатора на фиг. 3 удовлетворяет условиям выражения (2). Также как и на фиг. 2, астигматический фокусирующий элемент второго резонатора на фиг. 3 сформирован цилиндрическими вогнутыми зеркалами 33 и 34 на фиг. 3. Модулирующее устройство 35 может, например, представлять собой механический прерыватель, как это показано на фиг. 5.
Для специалиста в данной области техники очевидно, что концепция изобретения может быть реализована различными способами. Изобретение и его варианты не ограничиваются примерами, описанными выше, но могут изменяться в пределах объема формулы изобретения.

Claims (15)

1. СО2-лазер, включающий неустойчивый лазерный резонатор в виде первого оптического резонатора, имеющего полупрозрачное выходное зеркало, лазерную среду в неустойчивом резонаторе лазера, и средство для возбуждения лазерной среды, отличающийся тем, что лазер дополнительно содержит:
второй оптический резонатор, оптически связанный с неустойчивым лазерным резонатором за пределами световой апертуры выходного зеркала, где второй резонатор содержит, по меньшей мере, один фокусирующий элемент, и где оптическая длина второго оптического резонатора равна или кратна длине первого оптического резонатора,
модулятор добротности расположен в фокальной плоскости упомянутого фокусирующего элемента,
устройство для синхронизации работы устройства для возбуждения лазерной среды с работой модулятора добротности.
2. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что диаметр апертуры выходного зеркала меньше, чем диаметр лазерного луча, генерируемого в неустойчивом резонаторе лазера, в котором выходное зеркало выполнено с возможностью разделить сгенерированный лазерный луч на первую часть, которая следует по пути, проходящему через апертуру выходного зеркала и вторую часть, которая следует по пути, проходящему мимо апертуры выходного зеркала,
и второй резонатор оптически связан с неустойчивым лазерным резонатором с помощью первого зеркала, имеющего отверстие в его апертуре, в котором первое зеркало второго резонатора выполнено с возможностью отражения второй части генерируемого лазерного пучка.
3. Лазер по любому из пп. 1, 2, в котором коэффициент увеличения лазерного резонатора неустойчивого больше чем 1,1.
4. Лазер по любому из пп. 1, 2, отличающийся тем, что фокусирующий элемент выполнен астигматичным.
5. Лазер по п. 4, отличающийся тем, что фокусирующий элемент представляет собой цилиндрическое вогнутое зеркало.
6. Лазер по любому из пп. 1, и 2, и 5, отличающийся тем, что модулятор добротности выполнен в виде механического прерывателя.
7. Лазер по любому из пп. 1, и 2, и 5, отличающийся тем, что резонатор имеет телескопическую компоновку.
8. Лазер по любому из пп. 1, и 2, и 5, отличающийся тем, что имеет устройство управления синхронизацией устройства возбуждения лазерной среды на основе состояния модулятора добротности.
9. Способ для управления CO2-лазера, заключающийся в генерировании лазерного луча в резонаторе лазера при возбуждении лазерной среды в неустойчивом резонаторе лазера в виде первого оптического резонатора, имеющего полупрозрачное выходное зеркало, отличающийся тем, что способ, кроме того, включает:
ответвление части лазерного пучка, распространяющегося вне световой апертуры выходного зеркала во второй резонатор, второй резонатор, который содержит, по меньшей мере, один фокусирующий элемент, а оптическая длина второго резонатора равна или кратна оптической длине первого оптического резонатора,
модуляцию части лазерного пучка, проходящей через фокальную плоскость фокусирующего элемента с использованием модулятора добротности таким образом, что возбуждение лазерной среды осуществляется синхронно с работой модулятора добротности.
RU2015132844A 2013-01-16 2014-01-16 Мощный импульсный со2-лазер с самоинжекцией излучения RU2657345C2 (ru)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20135052 2013-01-16
FI20135052A FI125097B (fi) 2013-01-16 2013-01-16 Tehokas pulssitettu itseherätteinen CO2-laser
PCT/FI2014/050035 WO2014111626A1 (en) 2013-01-16 2014-01-16 Powerful pulsed self-seeding co2 laser

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2015132844A RU2015132844A (ru) 2017-02-22
RU2657345C2 true RU2657345C2 (ru) 2018-06-13

Family

ID=51209062

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015132844A RU2657345C2 (ru) 2013-01-16 2014-01-16 Мощный импульсный со2-лазер с самоинжекцией излучения

Country Status (11)

Country Link
US (1) US9407057B2 (ru)
EP (1) EP2984713A4 (ru)
JP (1) JP2016503239A (ru)
KR (1) KR20150106418A (ru)
CN (1) CN105144510B (ru)
BR (1) BR112015016752A2 (ru)
CA (1) CA2897888A1 (ru)
FI (1) FI125097B (ru)
IL (1) IL239820A0 (ru)
RU (1) RU2657345C2 (ru)
WO (1) WO2014111626A1 (ru)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5941112B2 (ja) 2014-09-30 2016-06-29 ファナック株式会社 ビーム品質を向上させるレーザ発振器
RU2713128C1 (ru) * 2018-10-09 2020-02-03 Публичное акционерное общество "ОДК-Уфимское моторостроительное производственное объединение" (ПАО "ОДК-УМПО") Способ формирования размеров светового пятна на динамическом объекте и устройство для его осуществления
US20220013976A1 (en) * 2020-07-13 2022-01-13 Raytheon Company High-energy laser apparatus for thin film temperture sensing

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5157684A (en) * 1991-10-23 1992-10-20 United Technologies Corporation Optically pulsed laser
US5173916A (en) * 1991-10-23 1992-12-22 United Technologies Corporation Optically pulsed laser having coupled adjoint beams
US6292505B1 (en) * 1998-10-12 2001-09-18 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Dual resonator laser apparatus with optical modulation
RU2321118C2 (ru) * 2006-01-10 2008-03-27 Федеральное государственное предприятие "Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова" Кислород-йодный лазер

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3750049A (en) 1970-09-30 1973-07-31 R Rorden Laser trimming tool
US3873942A (en) 1973-08-20 1975-03-25 Avco Everett Res Lab Inc Unstable optical resonator
JPH073896B2 (ja) 1985-04-01 1995-01-18 株式会社東芝 ガスレーザ発振装置
US5046184A (en) * 1990-04-05 1991-09-03 University Of California Method and apparatus for passive mode locking high power lasers
DE4023571A1 (de) 1990-07-25 1992-02-06 Uranit Gmbh Verfahren zur erzeugung von laserstrahlung mit anteilen verschiedener wellenlaengen synchronisierter und raeumlich ueberlappter strahlenausbreitung und mehrwellenlaengen co(pfeil abwaerts)2(pfeil abwaerts)-laser zur durchfuehrung des verfahrens
US5043998A (en) * 1990-10-16 1991-08-27 United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Narrow-bandwidth unstable resonator laser cavity
JP3766515B2 (ja) * 1997-08-26 2006-04-12 新日本製鐵株式会社 Ｑスイッチｃｏ２レーザ装置
JP2001308427A (ja) * 2000-04-26 2001-11-02 Nippon Steel Corp 高出力パルスレーザ装置
US20050276300A1 (en) * 2004-05-25 2005-12-15 Nat'l Inst Of Info & Comm Tech Inc Admin Agency Laser device using two laser media
US7508850B2 (en) * 2004-09-02 2009-03-24 Coherent, Inc. Apparatus for modifying CO2 slab laser pulses
US8921794B2 (en) * 2010-01-22 2014-12-30 Vrije Universiteit Brussel Evanescent wave absorption based devices
JP2012191171A (ja) * 2011-02-25 2012-10-04 Gigaphoton Inc レーザ装置、それを備える極端紫外光生成装置およびレーザ光出力制御方法
US9176055B2 (en) * 2012-01-04 2015-11-03 Sony Corporation System and method for measuring narrow and wide angle light scatter on a high-speed cell sorting device
US9653298B2 (en) * 2013-01-14 2017-05-16 Ipg Photonics Corporation Thermal processing by transmission of mid infra-red laser light through semiconductor substrate

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5157684A (en) * 1991-10-23 1992-10-20 United Technologies Corporation Optically pulsed laser
US5173916A (en) * 1991-10-23 1992-12-22 United Technologies Corporation Optically pulsed laser having coupled adjoint beams
US6292505B1 (en) * 1998-10-12 2001-09-18 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Dual resonator laser apparatus with optical modulation
RU2321118C2 (ru) * 2006-01-10 2008-03-27 Федеральное государственное предприятие "Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова" Кислород-йодный лазер

Also Published As

Publication number Publication date
CN105144510A (zh) 2015-12-09
CN105144510B (zh) 2018-09-28
EP2984713A1 (en) 2016-02-17
FI125097B (fi) 2015-05-29
JP2016503239A (ja) 2016-02-01
RU2015132844A (ru) 2017-02-22
KR20150106418A (ko) 2015-09-21
EP2984713A4 (en) 2016-07-13
BR112015016752A2 (pt) 2017-07-11
US9407057B2 (en) 2016-08-02
US20150349483A1 (en) 2015-12-03
FI20135052A (fi) 2014-07-17
WO2014111626A1 (en) 2014-07-24
IL239820A0 (en) 2015-08-31
CA2897888A1 (en) 2014-07-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5022033A (en) Ring laser having an output at a single frequency
CA2531353C (en) Pulsed laser light source
JP4040601B2 (ja) セルフシード単一周波数固体リングレーザ、単一周波数レーザピーニング法、及び、そのシステム
US20180309258A1 (en) Pulse laser system that is temporally variable in terms of rhythm and/or amplitude
US20040190563A1 (en) Suppression of mode-beating noise in a q-switched pulsed laser using novel q-switch device
JPH0533837B2 (ru)
JP2007129174A (ja) 高反復率のフェムト秒再生増幅装置
US20130016422A1 (en) Q-switching-induced Gain-switched Erbium Pulse Laser System
US6807198B1 (en) Laser device
RU2657345C2 (ru) Мощный импульсный со2-лазер с самоинжекцией излучения
WO1991015885A1 (en) Method and apparatus for passive mode locking high power lasers
KR102235631B1 (ko) 다중 펄스폭을 출력하는 레이저 장치
CN110582902A (zh) 二极管泵浦激光器的无源q开关
JP2009518829A (ja) Ｑスイッチレーザ
KR102230744B1 (ko) 레이저 발생 장치
US4461005A (en) High peak power, high PRF laser system
US5173918A (en) High power laser having staged laser adjoint pulsed feedback
US20100034222A1 (en) Laser source for lidar application
WO2015116240A1 (en) High-power ultra-short pulse fiber laser-illuminated projector
JP7416721B2 (ja) 不安定光共振器レイアウト内の出力ビームの成形された強度プロフィールを提供するレーザーシステム及びその方法
RU189457U1 (ru) Оптическая схема фемтосекундного резонатора на основе конусного световода
Kiyko et al. Powerful pulsed self-seeding CO 2 laser
CN112490836B (zh) 一种基于环形非稳腔的气体拉曼激光器
US20150117477A1 (en) Laser apparatus and method for generating optical pulses based on q-switching modulated with a 2-d spatial light modulator
Ackemann et al. Self-pulsing dynamics in a cavity soliton laser