RU2751445C1 - Acousto-optical laser shutter with thermal energy extraction from laser resonator - Google Patents

Acousto-optical laser shutter with thermal energy extraction from laser resonator Download PDF

Info

Publication number
RU2751445C1
RU2751445C1 RU2020143638A RU2020143638A RU2751445C1 RU 2751445 C1 RU2751445 C1 RU 2751445C1 RU 2020143638 A RU2020143638 A RU 2020143638A RU 2020143638 A RU2020143638 A RU 2020143638A RU 2751445 C1 RU2751445 C1 RU 2751445C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
acousto
input
laser
output
light
Prior art date
Application number
RU2020143638A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Яковлевич Молчанов
Константин Борисович Юшков
Александр Николаевич Даринский
Наталья Федоровна Науменко
Александр Ильич Чижиков
Василий Викторович Гуров
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
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 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Priority to RU2020143638A priority Critical patent/RU2751445C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2751445C1 publication Critical patent/RU2751445C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/11—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on acousto-optical elements, e.g. using variable diffraction by sound or like mechanical waves
    • 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
    • H01S3/117—Q-switching using intracavity acousto-optic devices

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

FIELD: quantum electronics, laser technology and acousto-optics.
SUBSTANCE: invention relates to quantum electronics, laser technology and acousto-optics, in particular, it can be attributed to acousto-optic (AO) devices for Q-switching of laser resonators in the visible, near and mid-infrared (MI) wavelength ranges (from 0.4 to 5.0 microns). The claimed acousto-optic shutter consists of a light and sound conductor placed in a laser resonator and made of acousto-optic material, having input and output optical edges with antireflection coatings and parallel to each other first and second acoustic edges, to which, respectively, a piezoelectric transducer and a piezoelectric absorber, made in the form of single crystal plates based on lithium niobate and having identical linear dimensions, thickness and orientation, are connected with an identical technology, and also from the first electrical matching system, the input of which is connected to the output resistance of the driver, and the output to the input of the piezoelectric transducer and from the second electrical matching system, the input of which is connected to the output of the piezoelectric absorber, and the output is connected by means of a coaxial HF cable to the input of the electrical load removed from resonator and installed on the heat sink.
EFFECT: invention lowers the temperature of the AO-shutter to the permissible temperature under conditions of operation with a given diffraction efficiency, reduces the control HF power, increases the reliability and expands the areas of application of AO-devices in laser systems towards the long-wavelength part of the MI wavelength range (from 3 to 5 microns).
5 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к квантовой электронике, лазерной технике и акустооптике, в частности, оно может быть отнесено к акустооптическим (АО) устройствам модуляции добротности резонаторов лазеров видимого, ближнего и среднего инфракрасного (ИК) диапазонов длин волн (от 0,4 до 5,0 мкм).The invention relates to quantum electronics, laser technology and acousto-optics, in particular, it can be attributed to acousto-optic (AO) devices for Q-switching of laser resonators in the visible, near and mid-infrared (IR) wavelength ranges (from 0.4 to 5.0 μm ).

АО-модуляторы добротности или АО-лазерные затворы широко используются для внутрирезонаторной модуляции потерь в резонаторах лазеров с целью генерации лазерных импульсов с высокой энергией. Когда АО-затвор включен, он вносит потери в резонатор, превышающие усиление за проход. Уровень вносимых затвором потерь для твердотельных импульсных лазеров, работающих в ближнем ИК-диапазоне длин волн, определяется системными параметрами лазера и обычно составляет от 60 до 80%. Когда АО-затвор выключается, потери в резонаторе уменьшаются до статических. В лазере развивается генерация гигантского импульса.AO Q-switches or AO laser gates are widely used for intracavity modulation of losses in laser cavities in order to generate high-energy laser pulses. When the AO shutter is turned on, it introduces losses in the cavity in excess of the gain per pass. The gate insertion loss for solid-state pulsed lasers operating in the near-IR wavelength range is determined by the system parameters of the laser and is usually 60 to 80%. When the AO shutter is turned off, the resonator losses are reduced to static losses. The generation of a giant pulse develops in the laser.

В качестве материала, из которого изготавливаются светозвукопроводы АО-устройств, в модуляторах добротности мощных лазеров в основном применяется плавленый кварц и кристаллический кварц. Эти материалы обладают высокой стойкостью к лазерному излучению, но низким АО-качеством.Fused quartz and crystalline quartz are mainly used in Q-switches of high-power lasers as the material from which the light and sound guides of AO devices are made. These materials are highly resistant to laser radiation, but low AO quality.

Известно (US 6563844 В1, опубл. 13.05.2003 г.), что типичный АО-затвор на основе кварца, работающего на длине волны 1,06 мкм создает в резонаторе типичного лазера уровень потерь 75% при управляющей мощности высокочастотного (ВЧ) сигнала порядка 30 Вт. Стандартным техническим решением уменьшения температуры затвора является либо водяное охлаждение, либо термоэлектрическое с применением элементов Пельтье.It is known (US 6563844 B1, publ. 13.05.2003) that a typical AO-gate based on quartz operating at a wavelength of 1.06 μm creates a loss level of 75% in the cavity of a typical laser at a control power of a high-frequency (RF) signal of the order of 30 watts The standard technical solution for reducing the gate temperature is either water cooling or thermoelectric using Peltier elements.

Принудительное охлаждение эффективно работает до значений ВЧ-мощности порядка 60 Вт. При большей мощности перегрев АО-затвора приводит к развитию температурных градиентов, изменению оптических, акустических и фотоупругих свойств АО-кристалла вплоть до его разрушения.Forced cooling works efficiently up to HF power values in the order of 60 W. At a higher power, overheating of the AO-gate leads to the development of temperature gradients, changes in the optical, acoustic, and photoelastic properties of the AO-crystal up to its destruction.

Известен пьезоэлектрический акустический демпфер (RU 187662 U1, опубл. 14.03.2019), который применяют для создания режима акустооптического взаимодействия на бегущей акустической волне в АО устройствах, в том числе, в АО затворах. Акустический пучок после АО-взаимодействия со световым пучком улавливается пьезоэлектрическим демпфером. В результате прямого пьезоэффекта возникает разность потенциалов между электродами демпфера и электрический ток, проходящий через электрическую нагрузку.Known piezoelectric acoustic damper (RU 187662 U1, publ. 03/14/2019), which is used to create an acousto-optic interaction mode on a traveling acoustic wave in AO devices, including AO gates. The acoustic beam after the AO interaction with the light beam is captured by a piezoelectric damper. As a result of the direct piezoelectric effect, a potential difference arises between the damper electrodes and an electric current passing through the electrical load.

Недостатком демпфера является отсутствие согласования линейных апертур и диаграмм направленности акустического излучателя и акустического приемника, что приводит к существенному снижению эффективности акустического поглощения демпфером. Недостатком также является отсутствие технического решения по электрическому согласованию демпфера, что уменьшает эффективность и диапазон частот поглощения.The disadvantage of the damper is the lack of matching of the linear apertures and directional patterns of the acoustic emitter and the acoustic receiver, which leads to a significant decrease in the efficiency of acoustic absorption by the damper. The disadvantage is also the lack of a technical solution for the electrical matching of the damper, which reduces the efficiency and frequency range of absorption.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) заявляемому устройству является устройство для модуляции лазерного излучения (RU 2699947 С1, опубл. 11.09.2019), представляющее собой высокоэффективный и стойкий к лазерному излучению лазерный затвор на основе квазисдвиговой акустической моды в кристалле группы калий-редкоземельных вольфраматов KRE(WO4)2, где RE=Y, Yb, Gd, Lu. Предложенное техническое решение эффективно для диапазона длин волн до 2 мкм (K.В. Yushkov, et al. KYW crystal as a new material for acousto-optical Q-switches // Proc. SPIE. - 2019. - V. 10899. - P. 1089913).The closest in technical essence (prototype) to the claimed device is a device for modulating laser radiation (RU 2699947 C1, publ. 09/11/2019), which is a highly efficient and resistant to laser radiation laser shutter based on a quasi-shear acoustic mode in a crystal of the group of potassium-rare earth tungstates KRE (WO 4 ) 2 , where RE = Y, Yb, Gd, Lu. The proposed technical solution is effective for the wavelength range up to 2 μm (K.V. Yushkov, et al. KYW crystal as a new material for acousto-optical Q-switches // Proc. SPIE. - 2019. - V. 10899. - P . 1089913).

Недостатком прототипа является перегрев лазерного затвора в случае работы в 3-5 мкм области среднего ИК-диапазона. Так управляющая ВЧ-мощность при работе затвора, например, на 4 мкм, превышает его управляющую мощность на 2 мкм в 4 раза. Недостатком прототипа также является применение стандартного акустического поглотителя, выполненного в виде наклонной акустической грани и расположенного непосредственно на АО-кристалле. В результате, вся выделяемая в поглотителе энергия приводит к нагреву светозвукопровода.The disadvantage of the prototype is the overheating of the laser shutter in the case of operation in the 3-5 micron region of the mid-IR range. Thus, the control RF power during the operation of the shutter, for example, by 4 µm, exceeds its control power by 2 µm by a factor of 4. The disadvantage of the prototype is also the use of a standard acoustic absorber, made in the form of an inclined acoustic face and located directly on the AO crystal. As a result, all the energy released in the absorber leads to heating of the light-sound conductor.

Технической задачей изобретения является создание нового термостабильного АО-лазерного затвора, оптимизированного для работы в резонаторах мощных лазеров диапазона длин волн от 3 до 5 мкм.The technical objective of the invention is to create a new thermostable AO laser shutter, optimized for operation in the resonators of high-power lasers in the wavelength range from 3 to 5 μm.

Техническим результатом изобретения является снижение температуры АО-затвора до допустимой в условиях работы с заданной дифракционной эффективностью, снижение управляющей ВЧ-мощности, повышение надежности и расширение областей применения АО-приборов в лазерных системах в сторону длинноволновой части среднего ИК-диапазона длин волн (от 3 до 5 мкм).The technical result of the invention is to reduce the temperature of the AO-gate to the permissible under operating conditions with a given diffraction efficiency, decrease the control RF power, increase the reliability and expand the areas of application of AO-devices in laser systems towards the long-wavelength part of the mid-IR wavelength range (from 3 up to 5 microns).

Указанный технический результат изобретения достигается следующим образом.The specified technical result of the invention is achieved as follows.

Акустооптический затвор состоит из размещенного в лазерном резонаторе и изготовленного из акустооптического материала светозвукопровода, имеющего входную и выходную оптические грани с антиотражающими покрытиями и параллельные друг другу первую и вторую акустические грани, к которым идентичной технологией присоединены соответственно пьезопреобразователь и пьезопоглотитель, выполненные в виде пластин монокристаллов на основе ниобата лития и имеющие идентичные линейные размеры, толщину и ориентацию, а также из первой электрической согласующей системы, вход которой соединен с выходным сопротивлением драйвера, а выход со входом пьезопреобразователя, и из второй электрической согласующей системы, вход которой соединен с выходом пьезопоглотителя, а выход посредством коаксиального ВЧ-кабеля соединен со входом электрической нагрузки, удаленной из резонатора и установленной на теплоотводе.The acousto-optic shutter consists of a light and sound conductor placed in a laser resonator and made of acousto-optic material, having input and output optical faces with antireflection coatings and parallel to each other first and second acoustic faces, to which, respectively, a piezoelectric transducer and a piezo absorber, made in the form of single crystal plates on based on lithium niobate and having identical linear dimensions, thickness and orientation, as well as from the first electrical matching system, the input of which is connected to the output resistance of the driver, and the output to the input of the piezoelectric transducer, and from the second electrical matching system, the input of which is connected to the output of the piezo absorber, and the output by means of a coaxial HF cable is connected to the input of an electrical load removed from the resonator and installed on the heat sink.

Кроме того светозвукопровод выполнен из монокристалла калий-гадолиниевого вольфрамата KGd(WO4)2 или кристалла калий-иттриевого вольфрамата KY(WO4)2 или кристалла калий-лютециевого вольфрамата KLu(WO4)2 или кристалла калий-иттербиевого вольфрамата KYb(WO4)2.In addition, the light and sound guide is made of a single crystal of potassium-gadolinium tungstate KGd (WO 4 ) 2 or a crystal of potassium-yttrium tungstate KY (WO 4 ) 2 or a crystal of potassium-lutetium tungstate KLu (WO 4 ) 2 or a crystal of potassium-ytterbium tungstate (WO 4 KYb ) 2 .

Также светозвукопровод выполнен из монокристалла парателлурита ТеО2.Also, the light and sound guide is made of a monocrystal of paratellurite TeO 2 .

При этом светозвукопровод выполнен из монокристалла кварца α-SiO2.In this case, the light and sound guide is made of a single crystal of quartz α-SiO 2 .

Кроме того, светозвукопровод выполнен из аморфного плавленого кварца SiO2.In addition, the light and sound guide is made of amorphous fused silica SiO 2 .

Также пьезопреобразователь и пьезопоглотитель присоединены к светозвукопро-воду путем склейки или прямой сварки диэлектриков или вакуумной диффузионной сварки с образованием двойных сплавов или атомной диффузионной сварки одноименных металлов.Also, a piezo transducer and a piezo absorber are attached to the light and sound guide by gluing or direct welding of dielectrics or vacuum diffusion welding to form double alloys or atomic diffusion welding of metals of the same name.

В изобретении входной лазерный пучок дифрагирует на бегущей акустической волне, генерируемой пьезопреобразователем, при этом пучок нулевого порядка дифракции является рабочим, пучок минус первого порядка отклоняется и не используется. Бегущая акустическая волна после дифракции улавливается пьезопоглотителем и преобразуется в электрические колебания, которые распространяются по коаксиальному кабелю и диссипируются в удаленной электрической нагрузке, установленной на теплоотводе, который расположен вне резонатора лазера в конструктивно приемлемой зоне лазерной системы.In the invention, the input laser beam is diffracted by a traveling acoustic wave generated by the piezoelectric transducer, while the zero-order diffraction beam is working, the minus-first-order beam is deflected and not used. After diffraction, a traveling acoustic wave is captured by a piezo absorber and converted into electrical vibrations that propagate along a coaxial cable and dissipate in a remote electrical load installed on a heat sink located outside the laser resonator in a structurally acceptable zone of the laser system.

Тем самым достигается технический результат изобретения: обеспечивается вывод части тепловой энергии из акустооптического затвора, изготовленного из АО материала с высоким АО качеством М2, в конструктивно приемлемую зону вне резонатора лазера, уменьшается управляющая ВЧ-мощность, обеспечивается понижение температуры затвора, повышается стабильность работы лазера, и, как следствие, возникает возможность применять АО затворы в среднем ИК диапазоне 3-5 мкм.Thus, the technical result of the invention is achieved: part of the thermal energy is removed from the acousto-optic shutter made of AO material with high AO quality M 2 to a structurally acceptable zone outside the laser cavity, the control RF power is reduced, the shutter temperature is lowered, and the stability of the laser operation is increased , and, as a consequence, it becomes possible to use AO gates in the mid-IR range of 3-5 μm.

В частном случае, светозвукопровод может быть монокристаллом калий-редкоземельного вольфрамата, парателлурита, кварца, или призмой из аморфного плавленого кварца, а пьезопреобразователь и пьезопоглотитель могут быть выполнены на основе монокристалла ниобата лития Х-среза или 163°Y-среза, обеспечивающих эффективное возбуждение сдвиговых акустических волн, а возбуждаемая пьезопреобразователем в светозвукопроводе акустическая волна является чистой сдвиговой или квазисдвиговой модой или 36°Y-среза, обеспечивающего эффективное возбуждение продольных акустических волн в светозвукопроводе, а возбуждаемая пьезопреобразователем в светозвукопроводе акустическая волна является чистой продольной или квазипродольной модой.In a particular case, the light and sound guide can be a single crystal of potassium-rare-earth tungstate, paratellurite, quartz, or a prism of amorphous fused quartz, and the piezoelectric transducer and piezoelectric absorber can be made on the basis of a single crystal of lithium niobate X-cut or 163 ° Y-shear excitation, providing effective acoustic waves, and the acoustic wave excited by the piezoelectric transducer in the light and sound guide is a pure shear or quasi-shear mode or 36 ° Y-cut, which provides effective excitation of longitudinal acoustic waves in the light and sound guide, and the acoustic wave excited by the piezoelectric transducer in the light and sound guide is a pure longitudinal or quasi-longitudinal mode.

В частном случае также для уменьшения управляющей ВЧ-мощности пьезопреобразователь и пьезопоглотитель могут быть присоединены к светозвукопроводу по оригинальной вакуумной технологии с образованием двойных сплавов (патент RU 2461097 С1, опубл. 10.02.2019). Пьезопреобразователь и пьезопоглотитель также могут быть присоединены к светозвукопроводу склейкой, методом атомной диффузионной сварки одноименных металлов (Т. Shimatsu, М. Uomoto, Atomic diffusion bonding of wafers with thin nanocrystalline metal films // J. Vac. Sci. Technol. В. - 2010. - V. 28 - P. 706), или методом прямой сварки (K. Eda et al. Direct Bonding of Piezoelectric Materials and Its Applications // Proc. 2000 IEEE Ultrasonics Symposium. – 2000. - P. 299), обеспечивающими акустический контакт соединяемых поверхностей. Идентичность технологии присоединения пьезопреобразователя и пьезопоглотителя обеспечивает идентичность акустических свойств соединительных слоев.In a particular case, also to reduce the control RF power, the piezoelectric transducer and the piezoelectric absorber can be connected to the light and sound conductor according to the original vacuum technology with the formation of double alloys (patent RU 2461097 C1, publ. 10.02.2019). A piezo transducer and a piezo absorber can also be attached to the light and sound conductor by gluing, by atomic diffusion bonding of metals of the same name (T. Shimatsu, M. Uomoto, Atomic diffusion bonding of wafers with thin nanocrystalline metal films // J. Vac. Sci. Technol. V. - 2010 - V. 28 - P. 706), or by direct welding (K. Eda et al. Direct Bonding of Piezoelectric Materials and Its Applications // Proc. 2000 IEEE Ultrasonics Symposium. - 2000. - P. 299), providing acoustic contact of the surfaces to be joined. The identity of the technology for connecting the piezo transducer and the piezo absorber ensures the identity of the acoustic properties of the connecting layers.

Изобретение поясняется чертежом, где приведено схематическое изображение акустооптического лазерного затвора на основе кристалла группы калий-редкоземельного вольфрамата KRE(WO4)2.The invention is illustrated by a drawing, which shows a schematic representation of an acousto-optical laser shutter based on a crystal of the group of potassium-rare earth tungstate KRE (WO 4 ) 2 .

На фигуре обозначены: светозвукопровод 1; первая акустическая грань 2; вторая акустическая грань 3; пьезопреобразователь 4; пьезопоглотитель 5; входная оптическая грань 6 с антиотражающим покрытием; выходная оптическая грань 7 с антиотражающим покрытием; входной лазерный пучок 8; направление 9 поляризации лазерного пучка; нулевой порядок 10 дифракции; минус первый порядок 11 дифракции; первая электрическая согласующая система 12 пьезопреобразователя; вторая электрическая согласующая система 13 пьезопоглотителя; управляющий ВЧ-сигнал 14; коаксиальный кабель 15; электрическая нагрузка 16; теплоотвод 17; волновой вектор 18 акустической волны; вектор 19 потока энергии акустической волны; собственные диэлектрические оси 20, 21 и 22 кристаллов Np, Nm и Ng соответственноThe figure shows: light and sound guide 1; first acoustic facet 2; second acoustic facet 3; piezo transducer 4; piezo absorber 5; entrance optical edge 6 with antireflection coating; output optical edge 7 with antireflection coating; input laser beam 8; direction 9 of the polarization of the laser beam; zero order 10 diffraction; minus the first order of 11 diffraction; the first electrical matching system 12 of the piezoelectric transducer; a second electrical matching system 13 of the piezo absorber; RF control signal 14; coaxial cable 15; electrical load 16; heat sink 17; wave vector 18 of the acoustic wave; vector 19 of the energy flux of the acoustic wave; intrinsic dielectric axes 20, 21 and 22 of crystals Np, Nm and Ng, respectively

Изобретение реализуется следующим образом.The invention is implemented as follows.

АО-затвор состоит из светозвукопровода 1, изготовленного из монокристалла группы KRE(WO4)2 с высоким АО качеством М2, имеющего две параллельные акустические грани 2 и 3 с присоединенными к ним пьезопреобразователем 4 и пьезопоглотителем 5. Грани 2 и 3 параллельны собственной диэлектрической оси 20 кристалла светозвукопровода 1 и нормаль к ним составляет угол от 0 до минус 40 градусов с собственной диэлектрической осью 21 монокристалла, что позволяет реализовать максимум акустооптического качества. Входная оптическая грань 6 и выходная оптическая грань 7 ортогональны собственной диэлектрической оси 20 кристалла и имеют антиотражающие покрытия. Пьезопреобразователь 4 на основе сдвиговой пластинки ниобата лития возбуждает в светозвукопроводе 1 квазисдвиговую акустическую волну с волновым вектором 18, поляризованную ортогонально собственной диэлектрической оси 20 кристалла, которая падает на пьезопоглотитель 5, причем вследствие акустической анизотропии вектор 19 потока акустической энергии не совпадает с волновым вектором 18. Пьезопоглотитель 5 на основе сдвиговой пластинки ниобата лития расположен на грани 3 светозвукопровода 1, в области проекции пьезопреобразователя 4 вдоль вектора 19 и имеет одинаковые с ним геометрические размеры, что обеспечивает режим согласования диаграмм направленности пьезопреобразователя 4 и поглотителя 5 и максимальную эффективность преобразования упругой волны в электрические колебания. Входной лазерный пучок 8 имеет вертикальную линейную поляризацию 9, параллельную собственной диэлектрической оси 22 светозвукопровода 1. Пучок нулевого порядка 10 дифракции является рабочим лазерным пучком; пучок минус первого порядка 11 отклоняется и не используется. Управляющий ВЧ-сигнал 14 от драйвера поступает на электрическую согласующую систему 12 пьезопреобразователя 4, необходимую для электрического согласования комплексного импеданса пьезопреобразователя 4 в рабочем диапазоне частот лазерного затвора с выходным сопротивлением драйвера. Электрический ВЧ-сигнал от пьезопоглотителя 5 поступает на электрическую согласующую систему 13 для электрического согласования комплексного импеданса пьезопоглотителя в рабочем диапазоне частот затвора с электрической нагрузкой 16, имеющей активное сопротивление 50 Ом и присоединенной к согласующей системе 13 коаксиальным ВЧ-кабелем 15 с волновым сопротивление 50 Ом. Энергия бегущей акустической волны в пьезопоглотителе 5 преобразуется в ВЧ-электрическую энергию и по ВЧ-кабелю 15 передается в электрическую нагрузку 16, в которой происходит диссипация ВЧ-энергии и которая установлена на теплоотводе 17, удаленном из резонатора лазера в конструктивно приемлемое место лазерной системы.The AO shutter consists of a light and sound conductor 1 made of a single crystal of the KRE (WO 4 ) 2 group with high AO quality M 2 , which has two parallel acoustic faces 2 and 3 with piezoelectric transducer 4 and piezo absorber 5 attached to them. Faces 2 and 3 are parallel to their own dielectric the axis 20 of the crystal of the light-sound duct 1 and the normal to them makes an angle from 0 to minus 40 degrees with the intrinsic dielectric axis 21 of the single crystal, which allows to realize the maximum acousto-optical quality. The input optical face 6 and the output optical face 7 are orthogonal to the intrinsic dielectric axis 20 of the crystal and have antireflection coatings. The piezoelectric transducer 4 based on a shear plate of lithium niobate excites a quasi-shear acoustic wave with a wave vector 18 in the light and sound guide 1, polarized orthogonally to the intrinsic dielectric axis 20 of the crystal, which falls on the piezo absorber 5, and due to the acoustic anisotropy, the vector 19 of the acoustic energy flux by the wave vector 18 does not coincide with. A piezo absorber 5 based on a shear plate of lithium niobate is located on the edge 3 of the light and sound conductor 1, in the projection area of the piezoelectric transducer 4 along vector 19 and has the same geometric dimensions, which provides a mode of matching the directional diagrams of the piezoelectric transducer 4 and the absorber 5 and the maximum efficiency of converting an elastic wave into electrical fluctuations. The input laser beam 8 has a vertical linear polarization 9 parallel to its own dielectric axis 22 of the light-sound conductor 1. The zero-order diffraction beam 10 is a working laser beam; the minus first order beam 11 is deflected and not used. The RF control signal 14 from the driver is fed to the electrical matching system 12 of the piezoelectric transducer 4, which is necessary for electrical matching of the complex impedance of the piezoelectric transducer 4 in the operating frequency range of the laser gate with the output impedance of the driver. The electrical RF signal from the piezo absorber 5 is fed to the electrical matching system 13 for electrical matching of the complex impedance of the piezo absorber in the operating frequency range of the gate with an electrical load 16 having an active resistance of 50 Ohm and connected to the matching system 13 by a coaxial RF cable 15 with a characteristic impedance of 50 Ohm ... The energy of the traveling acoustic wave in the piezoelectric absorber 5 is converted into high-frequency electrical energy and is transmitted through the high-frequency cable 15 to the electrical load 16, in which the high-frequency energy dissipates and which is installed on the heat sink 17 removed from the laser resonator in a constructively acceptable place of the laser system.

Тем самым достигается технический результат изобретения: часть тепловой энергии акустооптического затвора с пониженной управляющей ВЧ-мощностью выводится в зону, расположенную вне резонатора лазера, вследствие чего понижается температура затвора, повышается термостабильность резонатора и реализуется возможность работать в среднем ИК диапазоне 3-5 мкм.Thus, the technical result of the invention is achieved: a part of the thermal energy of the acousto-optic shutter with a reduced control RF power is output to the zone located outside the laser cavity, as a result of which the shutter temperature decreases, the cavity thermal stability increases and the ability to operate in the middle IR range of 3-5 μm is realized.

В других АО-материалах, например в парателлурите или кристаллическом кварце используются иные, чем в кристаллах группы KRE(WO4)2, ориентации светозвукопровода относительно кристаллографических осей. Например, в АО-модуляторах и затворах на основе парателлурита используется чистая сдвиговая акустическая волна, распространяющаяся вдоль оси [001] с параллельными векторами 18 и 19, а лазерный пучок распространяется вдоль оси [100] или вдоль оси [110]. В плавленом кварце, являющимся изотропным материалом, любая поляризация света является собственной, но максимальное акустооптическое качество достигается для продольной акустической волны при поляризации пучка, параллельной вектору акустического смещения.In other AO materials, for example, in paratellurite or crystalline quartz, orientations of the light- acoustic duct with respect to the crystallographic axes are used other than in crystals of the KRE (WO 4 ) 2 group. For example, in paratellurite-based AO modulators and gates, a pure shear acoustic wave propagating along the [001] axis with parallel vectors 18 and 19 is used, while the laser beam propagates along the [100] axis or along the [110] axis. In fused silica, which is an isotropic material, any polarization of light is intrinsic, but the maximum acousto-optical quality is achieved for a longitudinal acoustic wave when the beam is polarized parallel to the acoustic displacement vector.

Моноклинные кристаллы группы KRE(WO4)2 обладают высоким АО-качеством M2 для изотропной дифракции, максимальные значения которого в оптимальных направлениях близки по величине к акустооптическому качеству парателлурита для продольной волны, распространяющейся вдоль оси Z, и более чем на порядок, превосходящим АО-качество кристаллического и плавленого кварца. При этом лазерная стойкость монокристаллов группы KRE(WO4)2 значительно выше, чем в парателлурите. Совокупность этих двух факторов позволяет создавать на основе этих монокристаллов внутрирезонаторные затворы для мощных импульсных лазеров с существенно сниженными по сравнению с кварцем потребляемой мощностью и температурой затвора.Monoclinic crystals of the KRE (WO 4 ) 2 group have a high AO quality M 2 for isotropic diffraction, the maximum values of which in optimal directions are close in magnitude to the acousto-optic quality of paratellurite for a longitudinal wave propagating along the Z axis, and is more than an order of magnitude higher than AO -quality of crystalline and fused quartz. In this case, the laser resistance of single crystals of the KRE (WO 4 ) 2 group is significantly higher than in paratellurite. The combination of these two factors makes it possible to create, on the basis of these single crystals, intracavity gates for high-power pulsed lasers with significantly reduced power consumption and gate temperature compared to quartz.

Claims (6)

1. Акустооптический затвор, состоящий из размещенного в лазерном резонаторе и изготовленного из акустооптического материала светозвукопровода, имеющего входную и выходную оптические грани с антиотражающими покрытиями и параллельные друг другу первую и вторую акустические грани, к которым идентичной технологией присоединены соответственно пьезопреобразователь и пьезопоглотитель, выполненные в виде пластин монокристаллов на основе ниобата лития и имеющие идентичные линейные размеры, толщину и ориентацию, а также из первой электрической согласующей системы, вход которой соединен с выходным сопротивлением драйвера, а выход - со входом пьезопреобразователя, и из второй электрической согласующей системы, вход которой соединен с выходом пьезопоглотителя, а выход посредством коаксиального ВЧ-кабеля соединен со входом электрической нагрузки, удаленной из резонатора и установленной на теплоотводе.1. Acousto-optic shutter, consisting of a light-sound conductor placed in a laser resonator and made of acousto-optic material, having input and output optical edges with antireflection coatings and parallel to each other first and second acoustic edges, to which a piezoelectric transducer and a piezo absorber, respectively, are connected by an identical technology, respectively, made in the form single crystal plates based on lithium niobate and having identical linear dimensions, thickness and orientation, as well as from the first electrical matching system, the input of which is connected to the output resistance of the driver, and the output to the input of the piezoelectric transducer, and from the second electrical matching system, the input of which is connected to the output of the piezo absorber, and the output is connected by means of a coaxial HF cable to the input of the electrical load removed from the resonator and installed on the heat sink. 2. Акустооптический затвор по п. 1, в котором светозвукопровод выполнен из монокристалла калий-гадолиниевого вольфрамата KGd(WO4)2, или кристалла калий-иттриевого вольфрамата KY(WO4)2, или кристалла калий-лютециевого вольфрамата KLu(WO4)2, или кристалла калий-иттербиевого вольфрамата KYb(WO4)2.2. An acousto-optical shutter according to claim 1, in which the light and sound guide is made of a single crystal of potassium-gadolinium tungstate KGd (WO 4 ) 2 , or a crystal of potassium-yttrium tungstate KY (WO 4 ) 2 , or a crystal of potassium-lutetium tungstate KLu (WO 4 ) 2 , or a crystal of potassium-ytterbium tungstate KYb (WO 4 ) 2 . 3. Акустооптический затвор по п. 1, в котором светозвукопровод выполнен из монокристалла парателлурита ТеО2.3. The acousto-optic shutter according to claim 1, in which the light and sound guide is made of a single crystal of TeO 2 paratellurite. 4. Акустооптический затвор по п. 1, в котором светозвукопровод выполнен из монокристалла кварца α-SiO2.4. The acousto-optic shutter according to claim. 1, in which the light and sound guide is made of a single crystal of quartz α-SiO 2 . 5. Акустооптический затвор по п. 1, в котором светозвукопровод выполнен из аморфного плавленого кварца SiO2.5. The acousto-optic shutter according to claim 1, wherein the light and sound guide is made of amorphous fused silica SiO 2 . 6. Акустооптический затвор по п. 1, в котором пьезопреобразователь и пьезопоглотитель присоединены к светозвукопроводу путем склейки или прямой сварки диэлектриков или вакуумной диффузионной сварки с образованием двойных сплавов или атомной диффузионной сварки одноименных металлов.6. The acousto-optic shutter according to claim 1, in which the piezoelectric transducer and the piezoelectric absorber are connected to the light and sound guide by gluing or direct welding of dielectrics or vacuum diffusion welding to form double alloys or atomic diffusion welding of metals of the same name.
RU2020143638A 2020-12-29 2020-12-29 Acousto-optical laser shutter with thermal energy extraction from laser resonator RU2751445C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020143638A RU2751445C1 (en) 2020-12-29 2020-12-29 Acousto-optical laser shutter with thermal energy extraction from laser resonator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020143638A RU2751445C1 (en) 2020-12-29 2020-12-29 Acousto-optical laser shutter with thermal energy extraction from laser resonator

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2751445C1 true RU2751445C1 (en) 2021-07-13

Family

ID=77019939

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020143638A RU2751445C1 (en) 2020-12-29 2020-12-29 Acousto-optical laser shutter with thermal energy extraction from laser resonator

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2751445C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2778035C1 (en) * 2021-11-12 2022-08-12 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Laser source with controlled radiation polarization

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5463493A (en) * 1993-01-19 1995-10-31 Mvm Electronics Acousto-optic polychromatic light modulator
JPH1096881A (en) * 1996-09-06 1998-04-14 Korea Advanced Inst Of Sci Technol Multi-channel acoustooptical modulator with opening of each cell connected in one line
UA53370A (en) * 2002-05-08 2003-01-15 Інститут Фізичної Оптики Міністерства Освіти І Науки України Acousto-optical modulator
RU2448353C1 (en) * 2010-10-18 2012-04-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет" (СГТУ) Acoustooptical light modulator
RU2476916C1 (en) * 2011-11-30 2013-02-27 Научно-технологический центр Уникального приборостроения РАН (НТЦ УП РАН) Acousto-optical modulator
RU2699947C1 (en) * 2019-03-06 2019-09-11 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Laser radiation modulation method and device for its implementation

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5463493A (en) * 1993-01-19 1995-10-31 Mvm Electronics Acousto-optic polychromatic light modulator
JPH1096881A (en) * 1996-09-06 1998-04-14 Korea Advanced Inst Of Sci Technol Multi-channel acoustooptical modulator with opening of each cell connected in one line
UA53370A (en) * 2002-05-08 2003-01-15 Інститут Фізичної Оптики Міністерства Освіти І Науки України Acousto-optical modulator
RU2448353C1 (en) * 2010-10-18 2012-04-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет" (СГТУ) Acoustooptical light modulator
RU2476916C1 (en) * 2011-11-30 2013-02-27 Научно-технологический центр Уникального приборостроения РАН (НТЦ УП РАН) Acousto-optical modulator
RU2699947C1 (en) * 2019-03-06 2019-09-11 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Laser radiation modulation method and device for its implementation

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2778035C1 (en) * 2021-11-12 2022-08-12 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Laser source with controlled radiation polarization

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7995628B2 (en) Recycling pump-beam method and system for a high-power terahertz parametric source
US6249371B1 (en) Wavelength converter
US4791631A (en) Wide tolerance, modulated blue laser source
EP0503875A2 (en) Poynting vector walk-off compensation in type II phasematching
KR102176363B1 (en) Mid-ir kerr lens mode locked laser with normal incidence mounting of polycrystalline tm:ii-vi materials and method for controlling parameters of polycrystalline tm:ii-vi kerr lens mode locked laser
US7385749B2 (en) Silicon acousto-optic modulator
US20110243161A1 (en) Frequency conversion of a laser beam using a partially phase-mismatched nonlinear crystal
WO1998010497A1 (en) Laser
WO2007100433A2 (en) Integrated high efficiency multi-stage acousto-optic modulator for q-switched lasers
US3466565A (en) Laser mode selection
JP2005093624A (en) Semiconductor laser pumped solid-state laser
RU2699947C1 (en) Laser radiation modulation method and device for its implementation
US3828276A (en) High efficiency acousto-optical q-switch
RU2751445C1 (en) Acousto-optical laser shutter with thermal energy extraction from laser resonator
US20020181514A1 (en) Electro-optic modulator material
US20050058165A1 (en) Laser having <100>-oriented crystal gain medium
Elston Optically And Acoustically Rotated Slow Shear Bragg Cells In TeO [sub] 2 [/sub]
RU2755255C1 (en) Acousto-optical device for 2d deflection and scanning of unpolarized laser radiation on one crystal
JP2910399B2 (en) Q switch
Molchanov et al. PHONON ENERGY REMOVAL FROM HIGH-POWER ACOUSTO-OPTIC DEVICES
JPH05299751A (en) Laser-diode pumping solid-state laser
CN110829172B (en) Laser output method with repetition frequency 2 times electro-optic Q-switched frequency and laser
RU2778035C1 (en) Laser source with controlled radiation polarization
Molchanov et al. Quasicollinear acoustooptic tunable filters based on KDP single crystal
KR100796100B1 (en) Mode control waveguide laser