Лазер с преобразованием частоты излучения

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Петухов Владимир Олегович Горобец Вадим Анатольевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Лазер с преобразованием частоты излучения, содержащий нелинейный кристаллпреобразователь и излучатель основной частоты, содержащий активный элемент и резонатор, образованный полностью отражающим и выходным зеркалом, отличающийся тем,что кристалл-преобразователь выполнен в виде эталона Фабри-Перо и служит выходным зеркалом резонатора. Фиг. 1 Изобретение относится к области лазерной физики и может быть использовано при разработке лазеров среднего ИК диапазона. Известно, что для ряда практических целей необходимы когерентные источники монохроматического излучения, получение которого прямым путем затруднено и которое получают путем преобразования исходного излучения с большей длиной волны с использованием нелинейной оптики. В последнее время в среднем ИК диапазоне получено нелинейное преобразование излучения СО 2 лазера во вторую гармонику в ряде кристаллов Те,2, , , 2 и в некоторых других 1. Известно устройство для преобразования частоты, содержащее лазер, излучающий основную волну, и нелинейный кристалл в качестве генератора второй гармоники (ГВГ) 2. Недостатком известного устройства является невысокое качество световых пучков. При 11144 1 2008.10.30 удвоении, как правило, лазерное излучение с помощью линзовой или зеркальной оптики фокусируется на кристалл, тем самым достигается увеличение плотности накачки, а соответственно и КПД преобразования. Однако использование фокусирующей оптики заметно усложняет лазерную систему и существенно искажает волновой фронт удвоенной и несущей волны, что нежелательно для некоторых приложений, например для лидарных исследований. Наиболее близким к заявляемому изобретению по своей технической сущности и достигаемому результату является лазер с преобразованием частоты излучения 3, в котором применена внутрирезонаторная схема нелинейного преобразования. Лазер содержит нелинейный кристалл-преобразователь и излучатель основной частоты, включающий активный элемент и резонатор, образованный полностью отражающим и выходным зеркалом. Кристалл-преобразователь помещается в резонатор лазера между активным элементом и выходным зеркалом. В этом случае можно частично избежать трудности, присущей устройствам, подобным 2, т.е. не обязательно использовать фокусирующую оптику. Однако такой подход к нелинейному преобразованию выдвигает особые требования к лазерной системе и кристаллу-удвоителю. Например, для эффективного удвоения необходимо исключить оптические потери на кристалле, в том числе и Френелевские на передней и задней гранях, решить проблему вывода излучения 2-ой гармоники из резонатора и т.д. Задачей настоящего изобретения является повышение коэффициента преобразования излучения во вторую гармонику, упрощение конструкции лазера и (уменьшение требований к используемому кристаллу. Указанная задача решается за счет того, что в лазере с преобразованием частоты, содержащем нелинейный кристалл-преобразователь и излучатель основной частоты, включающий активный элемент и резонатор, образованный полностью отражающим и выходным зеркалом, кристалл-преобразователь выполнен в виде эталона Фабри-Перо и служит выходным зеркалом резонатора. Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 приведена оптическая схема лазера. Основными элементами лазера являются активный элемент 1 с окном Брюстера 2, полностью отражающее зеркало 3 и выходное зеркало 4, в качестве которого служит кристалл-преобразователь, выполненный в виде эталона Фабри-Перо. В предложенной схеме нелинейное (преобразование излучения СО 2 лазера во вторую гармонику происходит непосредственно в выходном зеркале 4. Кристаллические преобразователи в среднем ИК диапазоне имеют достаточно высокий показатель преломления. Поэтому эталон Фабри-Перо, выполненный из таких кристаллов, может использоваться в качестве выходного зеркала. Отражение такого зеркала,даже без дополнительных покрытий, достигает 50 , что близко к оптимальному коэффициенту отражения выходных зеркал сравнительно мощных СО 2-лазеров, излучение которых обычно используется для нелинейного преобразования. Используемые в данном спектральном диапазоне кристаллы-преобразователи также обладают и другим важным свойством материала, пригодного для изготовления выходных зеркал, - низким поглощением. В частном случае реализация предложенного лазера и его экспериментальная апробация проводилась наСО 2-лазере с УФ предыонизацией 3. Ключевой элемент резонатора - выходное зеркало, в котором также преобразовывалось излучение во 2-ую гармонику, было изготовлено в виде эталона Фабри-Перо из нелинейного кристалла высокого оптического качества 2. Кристалл имел форму правильного прямоугольника с сечением 1010 мм и длиной 19 мм. Коэффициент поглощения для преобразуемого и преобразованного излучения не превышал 10 см-1. Кристалл был вырезан под углом 47 к оптической оси (угол фазового синхронизма при нормальном падении соответствовал длине волны 9,18 мкм - 9(38. 2 11144 1 2008.10.30 Глухим зеркалом резонатора являлась дифракционная решетка 100 штр/мм. База резонатора составляла 1 м. Перед кристаллом в резонатор помещалась ирисовая диафрагма диаметром 9 мм. Измерение выходной энергии проводилось приемниками калориметрического типа ИМО-2 Н. Форма импульса и пиковая мощность регистрировались фотоприемниками, охлаждаемыми жидким азотом, на основе(ФСГ-22- 3 А). Выходные параметры лазера исследовались на линиях -ветви 9 мкм полосы (9,199,35 мкм) и на удвоенных частотах. Для 9 мкм излучения выходная энергия в импульсе на сильных линиях превышала 200 мДж, а пиковая мощность - 350 кВт, при сечении выходного пятна 0,4 см 2. Отметим, что отражение 2 эталона 55 , что близко к оптимальной расчетной развязке выходного зеркала для данного лазера. При замене выходного зеркала на германиевый эталон, которое обычно используется в этих системах,были получены сравнимые энергетические параметры. Максимальная энергия 5,3 мДж в импульсе на удвоенной частоте была получена для линии 9(32) при выходной энергии 159 мДж (внешний КПД преобразования составил 3,3 ) и пиковой мощности 250 кВт (КПД -20 ). На 9-ти других линиях с (22) п(38) КПД по энергии достигал 1 , а по пиковой мощности 6 . На фиг. 2 показана зависимость КПД преобразования по энергии от длины волныв диапазоне перестройки лазера от 9(6) до 9(38), приведенная к линии 9(32), на которой была достигнута максимальная эффективность преобразования по абсолютной величине. Экспериментальные значения КПД для других линий нормировались на плотность выходной энергии 159 мДж/0,4 см 2, полученную для линии 9(32). При этом учитывалась линейная зависимость КПД преобразования от плотности энергии 9 мкм излучения. Для используемого кристалла можно без существенной потери КПД отстраиваться отна величину 0,07 мкм. У кристалла, вырезанного св центре ветви, возможна перестройка без значительной потери эффективности по всем сильным линиям данной ветви. Существенное различие в КПД для энергии и пиковой мощности обусловлено неоптимальной с точки зрения нелинейного преобразования формой 9 мкм импульса, характерного для исследуемого спектрального диапазона и используемогоСО 2-лазера. Импульс состоит из интенсивного пичка длительностью 80 нс и неэффективно преобразуемого во 2-ую гармонику хвоста длительностью 5 мкс, в котором содержится около 90 энергии. По оценочным расчетам, на основании осциллограмм импульсов накачки(линия 9(32 и второй гармоники, приведенных на фиг. 3 и 4 соответственно КПД преобразования по энергии для переднего пичка превышает 17 . С целью сравнения были проведены исследования с кристаллом не в виде выходного зеркала, а по обычным оптическим схемам (использовалось выходное зеркало из ). В этом случае для аналогичных энергетических параметров 9 мкм выходного излучения КПД преобразования по энергии на линии 9(32) не превышал 0,7(по пиковой мощности 4 ). Следует отметить, что для внерезонаторной схемы близкие значения эффективности преобразования были достигнуты только при жесткой фокусировке 9 мкм излучения на кристалл с помощью длиннофокусной линзы до плотностей энергии 2 Дж/см( 2 Мвт/см), что всего лишь в полтора раза меньше порога разрушения по энергии. На фиг. 5 приведена экспериментальная зависимость выходной энергии в импульсе для 2-ой гармоники на линии 9(32) от энергии 9 мкм излучения. Варьирование плотности 9 мкм излучения осуществлялось только изменением напряжения на накопительной емкости ТЕА-модуля в диапазоне 15-22 кВ. При этом другие параметры лазера, могущие изменить характеристики излучения, например модовый состав,строго фиксировались и контролировались в процессе измерения. Экспериментальные точки хорошо (с точностью до ошибки измерения) соответствуют параболе, описывающей, как и для обычных оптических схем нелинейного удвоения частоты, квадратичную зависимость энергии 2-ой гармоники от энергии накачки. На основании этой зависимости несложно оценить потенциальные возможности предложенного лазера. Оценки показы 3 11144 1 2008.10.30 вают, что для используемой лазерной системы при более высоких энергетических параметрах и генерации импульсов, более оптимальных по форме для нелинейного преобразования, что достигается на сильных переходах 10 мкм-полосы вСО 2-лазере,КПД по энергии зеркала-удвоителя, специально вырезанного для 10 мкм диапазона, может составить 20 . Таким образом, использование в предложенном устройстве нелинейного кристалла в качестве выходного зеркала резонатора при сопоставимых энергетических параметрах преобразуемого излучения позволило получить эффективность удвоения частоты генерации в этом случае в несколько раз выше, чем у традиционных лазеров с преобразованием частоты. Важной характеристикой предлагаемого лазера является возможность эффективного нелинейного преобразования в достаточно широком спектральном диапазоне. Источники информации 1. Горобец В.А., Петухов В.О., Точицкий С.Я., Чураков В.В. Исследование нелинейнооптических характеристик ИК кристаллов для преобразования частоты излученияСО 2-лазера // Оптический журнал. - Т. 66. -1 (1999). - С. 62-67. 2. Патент РФ 2107369, МПК 01 3/109, 1998. 3. Патент РФ 1429881, МПК Н 01 3/10, 1995. 4. Горобец В.А., Петухов В.О., Точицкий С.Я., Чураков В.В. Перестраиваемый по линиям обычных и нетрадиционных полос ТЕА СО 2-лазер для лидарных систем // Квантовая электроника. - Т. 22. -5. - 1995. - С. 514-518. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5