Импульсный лазер с преобразованием длины волны излучения на вынужденном комбинационном рассеянии

(51)01 3/30 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ИМПУЛЬСНЫЙ ЛАЗЕР С ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ДЛИНЫ ВОЛНЫ ИЗЛУЧЕНИЯ НА ВЫНУЖДЕННОМ КОМБИНАЦИОННОМ РАССЕЯНИИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Грабчиков Александр Степанович Демидович Александр Анатольевич Кузьмин Олег Викторович Кузьмин Андрей Николаевич Лисинецкий Виктор Александрович Орлович Валентин Антонович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Импульсный лазер с преобразованием длины волны излучения на вынужденном комбинационном рассеянии (ВКР), содержащий источник накачки и лазерный резонатор,образованный входным зеркалом, выполненным с максимальным отражением на длине волны лазерной генерации, и выходным зеркалом, между которыми размещены модулятор добротности и твердотельные лазерный активный элемент и активный ВКР-элемент,помещенный в резонатор ВКР, отличающийся тем, что коэффициенты отражения зеркал и длина резонатора ВКР выполнены оптимальными для достижения порога ВКРгенерации и достижения времени жизни фотона ВКР-излучения в нем не более одной наносекунды, источник накачки расположен соосно лазерному резонатору со стороны входного зеркала, выполненного с максимальным пропусканием на длине волны накачки, а выходное зеркало лазерного резонатора выполнено с оптимальным отражением на длине волны лазерной генерации для достижения длительности переднего фронта импульса ВКР-излучения, обеспечивающей длительность указанного импульса не более одной наносекунды. 8017 1 2006.04.30 2. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что резонатор ВКР образован дополнительными входным и выходным зеркалами, первое из которых выполнено с максимальным пропусканием на длине волны лазерной генерации и максимальным отражением на длине волны ВКР-излучения, а второе - с максимальным пропусканием на длине волны лазерной генерации и оптимальным отражением на длине волны ВКР-излучения, причем выходное зеркало лазерного резонатора выполнено с минимальным отражением на длине волны ВКРизлучения. 3. Лазер по п. 2, отличающийся тем, что входное и выходное зеркала резонатора ВКР размещены непосредственно на торцах активного ВКР-элемента. 4. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что резонатор ВКР образован дополнительным входным зеркалом и выходным зеркалом лазерного резонатора, первое из которых выполнено с максимальным пропусканием на длине волны лазерной генерации и максимальным отражением на длине волны ВКР-излучения, а второе выполнено с оптимальным отражением на длине волны ВКР-излучения. 5. Лазер по п. 4, отличающийся тем, что входное зеркало резонатора ВКР и выходное зеркало лазерного резонатора размещены непосредственно на торцах активного ВКРэлемента. 6. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что резонатор ВКР образован входным и выходным зеркалами лазерного резонатора, первое из которых выполнено с максимальным отражением на длине волны ВКР-излучения, а второе - с оптимальным отражением на длине волны ВКР-излучения. 7. Лазер по 6, отличающийся тем, что входное зеркало лазерного резонатора размещено непосредственно на входном торце лазерного активного элемента, а выходное зеркало лазерного резонатора - непосредственно на выходном торце активного ВКРэлемента. 8. Лазер по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что источник накачки выполнен в виде лазерного диода. 9. Лазер по п. 8, отличающийся тем, что содержит фокусирующую оптическую систему, установленную между источником накачки и входным зеркалом лазерного резонатора. 10. Лазер по п. 8, отличающийся тем, что содержит оптическое волокно, размещенное между источником накачки и входным зеркалом лазерного резонатора. 11. Лазер по любому из пп. 1-10, отличающийся тем, что торцы лазерного активного элемента, модулятора добротности и ВКР-элемента выполнены просветленными на длинах волн излучения лазерной генерации и ВКР-излучения. 12. Лазер по любому из пп. 1-11, отличающийся тем, что модулятор добротности выполнен в виде пассивного затвора. 13. Лазер по п. 12, отличающийся тем, что модулятор добротности выполнен с оптимальным начальным пропусканием на длине волны излучения лазерной генерации. 14. Лазер по любому из пп. 1-13, отличающийся тем, что за выходным зеркалом лазерного резонатора установлен нелинейный преобразователь. 15. Лазер по п. 14, отличающийся тем, что выходное зеркало лазерного резонатора выполнено с оптимальным коэффициентом отражения на длине волны излучения лазерной генерации и ВКР-излучения для обеспечения их максимального преобразования в нелинейном преобразователе. Изобретение относится к области лазерной техники, в частности к минилазерам с преобразованием частоты излучения на основе вынужденного комбинационного рассеяния(ВКР), генерирующим импульсное излучение, на различных длинах волн от ультрафиолета до ближнего ИК-диапазона спектра и может быть применено в лазерной дальнометрии,2 8017 1 2006.04.30 телекоммуникации, экологии, нелинейной оптике, спектроскопии с временным разрешением и т.д. ВКР является широко распространенным методом преобразования частоты лазерного излучения в новые спектральные диапазоны. В настоящее время с помощью ВКР генерации перекрыт лазерным излучением спектральный диапазон от УФ до ИК области. Одновременно ВКР используется как эффективный метод сокращения лазерных импульсов. Проблемой является создание импульсных компактных, твердотельных, эффективных лазерных источников излучения в нужных спектральных интервалах, обладающих длительностями импульсов в области от наносекунды до единиц пикосекунд, что позволяло бы производить измерения с соответствующим временным разрешением, и мощностью импульсов в десятки киловатт, открывающей возможности их использования при нелинейном взаимодействии лазерного излучения с веществом, такие как нелинейная спектроскопия и нелинейное преобразование частот. Известно устройство, генерирующее импульсное излучение с внутрирезонаторным ВКР, описанное в 1. Это устройство содержит рубиновый лазер с ламповой накачкой и электрооптическим модулятором добротности. Внутри резонатора лазера размещен дополнительный резонатор, содержащий газовую ВКР среду, что позволяет осуществить генерацию ВКР импульсов, длительностью несколько наносекунд, в несколько раз короче длительности импульсов рубинового лазера. Однако устройство имеет размер порядка нескольких метров и для газовой ВКР среды использует сосуды высокого давления, а ламповая накачка характеризуется низкой эффективностью. Наиболее близким к заявляемому является твердотельный лазер, возбуждаемый полупроводниковым лазером с пассивной модуляцией добротности и преобразованием длины волны излучения на ВКР, генерирующий импульсное лазерное излучение, описанный в 2. Это устройство содержит источник поперечной накачки и резонатор, образованный сферическим входным зеркалом, выполненным с максимальным отражением на длине волны лазерной генерации, и выходным зеркалом, выполненным с максимальным отражением на длине волны лазерной генерации, между которыми размещены твердотельный лазерный активный элемент в виде призмы, модулятор добротности и второй резонатор,образованный дополнительным зеркалом, помещенным в резонатор лазера, содержащий твердотельный ВКР активный элемент. Известный способ включает возбуждение лазерной активной среды, лазерную генерацию излучения в режиме модуляции добротности резонатора и преобразование этого излучения в излучение компонент ВКР. Однако резонатор такого лазера имел длину 26 см, обусловленную использованием поперечной схемы накачки и размерами других элементов, а ВКР резонатор - длину 5 см,вследствие использования ВКР кристалла длиной 33 мм, что не позволяло достичь компактности устройства и генерировать ВКР импульсы короче 3 наносекунд. Можно утверждать, что задача создания компактных твердотельных лазеров с ВКР преобразованием и генерацией ВКР излучения короче одной наносекунды не ставилась. Задачей настоящего изобретения является создание компактного, эффективного и полностью твердотельного лазера, с возможностью генерирования импульсов ВКР излучения длительностью от нескольких пикосекунд до одной наносекунды. Поставленная задача в лазере с преобразованием длины волны излучения на вынужденном комбинационном рассеянии (ВКР), содержащем источник накачки и резонатор,образованный входным зеркалом, выполненным с максимальным отражением на длине волны лазерной генерации, и выходным зеркалом, между которыми размещены твердотельный лазерный активный элемент, модулятор добротности и твердотельный ВКРактивный элемент, имеющий соответствующий резонатор, решена за счет того, что коэффициенты отражения зеркал, образующих резонатор ВКР, и его длина выполнены такими,чтобы время жизни фотона в этом резонаторе не превышало одной наносекунды, причем источник накачки расположен соосно лазерному резонатору со стороны входного зеркала,3 8017 1 2006.04.30 которое выполнено с максимальным пропусканием на длине волны накачки, а выходное зеркало лазерного резонатора выполнено с оптимальным отражением на длине волны лазерной генерации. Резонатор ВКР образован дополнительным входным и дополнительным выходным зеркалами, первое из которых выполнено с максимальным пропусканием на длине волны лазерной генерации и максимальным отражением на длине волны ВКР излучения, а второе - с максимальным пропусканием на длине волны лазерной генерации и оптимальным отражением на длине волны ВКР излучения, причем выходное зеркало лазерного резонатора выполнено с минимальным отражением на длине волны ВКР излучения. В этом случае входное и выходное зеркала резонатора ВКР могут быть размещены непосредственно на торцах активного элемента ВКР. Предпочтительно резонатор ВКР может быть образован дополнительным входным зеркалом и выходным зеркалом лазерного резонатора, первое из которых выполнено с максимальным пропусканием на длине волны лазерной генерации и максимальным отражением на длине волны ВКР излучения, а второе дополнительно снабжено оптимальным отражением на длине волны ВКР излучения. Входное зеркало резонатора ВКР и описанное выходное зеркало лазерного резонатора предпочтительно выполнены непосредственно на торцах активного элемента ВКР. Резонатор ВКР может быть образован входным и выходным зеркалами лазерного резонатора, первое из которых дополнительно снабжено максимальным отражением на длине волны ВКР излучения, а второе - оптимальным отражением на длине волны ВКР излучения. В этом случае возможно выполнение входного зеркала лазерного резонатора размещенным непосредственно на входном торце лазерного активного элемента, а выходного зеркала лазерного резонатора - непосредственно на выходном торце активного элемента ВКР. Источник накачки предпочтительно является диодным лазером. Лазер может быть дополнительно снабжен фокусирующей оптической системой, размещенной между источником накачки и входным зеркалом лазерного резонатора или оптическим волокном, размещенным между источником накачки и входным зеркалом лазерного резонатора. Торцы лазерного активного элемента, модулятора добротности и ВКР активного элемента выполнены просветленными на длинах волн излучения лазерной генерации и излучения ВКР. Модулятор добротности предпочтительно выполнен в виде пассивного затвора, с оптимальным начальным пропусканием на длине волны излучения лазерной генерации. На фиг. 1 показана схема одной из реализаций лазера. На фиг 2 - схема другой реализации лазера. На фиг. 3 представлены зависимости энергии и мощности ВКР излучения от мощности диодного лазера накачки. На фиг. 4. показана временная диаграмма ВКР излучения, генерируемого в одной из реализаций лазера. На фиг. 5 показана схема реализации заявляемого лазера с дополнительным нелинейным кристаллом. На фиг. 6 показана схема реализации заявляемого лазера с двумя дополнительными нелинейными кристаллами. Заявляемый лазер (фиг. 1) содержит возбуждающий лазерный диод 1 в качестве источника накачки, оптическую систему 2, лазерную активную среду в виде твердотельного активного элемента 3 и модулятор добротности в виде просветляющегося затвора 4, помещенных в резонатор, образованный зеркалами 5 и 6, и твердотельную комбинационно активную среду 7 и зеркала 8 и 9, образующие резонатор ВКР, который в данном примере помещен внутрь лазерного резонатора, образованного зеркалами 5 и 6. Зеркала 8 и 9 вы 4 8017 1 2006.04.30 полнены в виде отдельных элементов. Все зеркала выполнены плоскими. Необходимо,чтобы входное зеркало 5 имело максимальное отражение, а выходное зеркало 6 - оптимальное отражение на длине волны лазерной генерации. Входное зеркало 5 выполнено с максимальным пропусканием на длине волны накачки. Входное зеркало 8 ВКР резонатора должно иметь максимальное отражение, а выходное зеркало 9 - оптимальное отражение на длине волны излучения ВКР. Также оба зеркала должны иметь максимальное пропускание на длине волны лазерной генерации. Желательно, чтобы торцы лазерной активной среды 3, модулятора добротности 4, комбинационно активной среды 7 и обратные стороны зеркал 8 и 9 были просветлены на длинах волн лазерной генерации и излучения ВКР. Оптическая система 2 может быть заменена или дополнена оптическим волокном (на чертежах не показано). Заявляемый лазер функционирует следующим образом. Излучение возбуждающего лазера 1 фокусируют оптической системой 2 на лазерный твердотельный активный элемент 3, помещенный в резонатор, образованный зеркалами 5 и 6. Генерируемое на рабочем переходе активной среды 3 в режиме модуляции добротности резонатора при помощи пассивного затвора 4 излучение преобразуется в ВКР резонаторе в ВКР излучение, которое выводится через частично отражающее на длине волны ВКР излучения зеркало 9. В предложенном устройстве используется эффект внутрирезонаторного ВКР преобразования частоты излучения лазерной генерации, при этом возбуждение лазерной генерации в активной среде производится излучением полупроводникового лазера с длиной волны, попадающей в полосу поглощения активной среды. Наличие пассивного затвора в резонаторе лазера позволяет получить импульсное лазерное излучение, распространяющееся в лазерном резонаторе, внутри которого дополнительно размещен ВКР-резонатор. Как только интенсивность импульса лазерного излучения, генерируемого на рабочем переходе активной среды внутри резонатора, достигает некоторого порогового значения,происходит преобразование лазерного излучения в ВКР излучение в ВКР резонаторе. При этом интенсивность ВКР излучения растет, а интенсивность лазерного излучения падает,причем скорость нарастания интенсивности ВКР излучения тем выше, чем выше пороговая интенсивность лазерного излучения. Это происходит до тех пор, пока интенсивность лазерного излучения не упадет до нуля и прекратится ВКР преобразование в ВКР-резонаторе. После прекращения ВКР преобразования происходит экспоненциальное затухание ВКР излучения в течение времени, определяемом временем жизни фотона в резонаторе. Таким образом, длительность переднего фронта генерируемого импульса ВКР излучения зависит от интенсивности лазерного излучения (а также таких параметров ВКР активной среды,как коэффициент ВКР-усиления и время поперечной релаксации), а длительность заднего фронта определяется временем жизни фотона в ВКР резонаторе. Значение для времени жизни фотона в резонаторе выражается формулой где- оптическая длина ВКР резонатора,с - скорость света в вакууме, - потери внутри резонатора при полном его обходе, - коэффициент отражения выходного зеркала 9. Из формулы видно, что укорочение времени жизни фотона в резонаторе и соответственно длительности импульса ВКР излучения достигается сокращением его длины и уменьшением отражения выходного зеркала. Так, при оптической длине ВКР-резонатора 6,2 мм, потерях 2,6 и коэффициенте отражения 75 , длительность заднего фронта ВКР излучения(2)91 пс. Уменьшение коэффициента отражениядо 60 и уменьшение оптической длины резонатора до 1 мм приводит к сокращению длительности заднего фронта до 8,6 пс. 5 8017 1 2006.04.30 При этом возникает противоречие, разрешенное только в настоящем изобретении сокращение длины ВКР резонатора приводит к сокращению длины ВКР активной среды,которая может быть использована в этом резонаторе, что, как и уменьшение коэффициента отражения выходного зеркала, приводит к повышению порога ВКР генерации. Таким образом, при выборе слишком короткой длины резонатора (и как результат - короткой ВКР-активной среды) и/или слишком малого коэффициента отражения выходного зеркала,порог ВКР генерации не достигается. Поэтому значение коэффициента отражения выходного зеркала и длина ВКР резонатора должны быть выбраны оптимальными, чтобы обеспечить одновременное достижение порога ВКР и генерацию необходимой длительности импульсов ВКР излучения. При этом коэффициенты отражения зеркал лазерного резонатора должны быть выбраны таким образом, чтобы достичь высокой интенсивности лазерного излучения внутри резонатора, что обеспечивает более короткую длительность переднего фронта ВКР импульса и позволяет использовать ВКР резонатор с меньшим коэффициентом отражения выходного зеркала, то есть с меньшим временем жизни фотона в резонаторе. Выходящее из резонатора лазерное и ВКР излучения могут быть затем преобразованы с помощью нелинейного преобразователя. Желательно, чтобы выходное зеркало 6 имело оптимальное отражение на длине волны лазерного излучения для обеспечения энергии лазерного импульса достаточной для дальнейшего нелинейного преобразования. Можно привести следующие неограничивающие примеры реализации настоящего изобретения. В первом примере (фиг. 2) предлагаемый лазер реализован по схеме, в которой в качестве твердотельного активного элемента 3 (лазерной активной среды) использован кристалл 3 с концентрацией ионов 3 10 и длиной 1,24 мм, возбуждаемый излучением диодного лазера 1 с длиной волны 0,808 мкм и мощностью 2 Вт. Лазерная генерация осуществлялась в режиме пассивной модуляции добротности на длине волны 1,063 мкм, с последующим преобразованием в ВКР излучение (1,196 мкм). В качестве ВКР среды 7 был выбран кристалл нитрата бария длиной 2,0 мм. Затвор 4 был выполнен на кристаллеи имел длину 0,35 мм, начальное пропускание на длине волны 1,063 мкм равное 90 , и ненасыщающиеся потери - 2,5 . Оптическая система 2 представляла собой объектив с фокусным расстоянием 10 мм и фокусировала пучок накачки в эллиптическое пятно размерами 20 мкм 80 мкм. Зеркалам 5 и 6 лазерного резонатора были приданы свойства зеркал ВКР резонатора. Входное зеркало 5 было размещено на входном торце элемента 3 и имело пропускание на длине волны 0,808 мкм, равное 95 , и отражение на длинах волн 1,063 мкм и 1,196 мкм равное 99,8 . Выходное 6 зеркало имело коэффициенты отражения на длине волны 1,063 мкм 99,9 и на длине волны 1,196 мкм - 99 . Торцы ВКР среды 7, затвора 4 и выходной торец активного элемента 3 были просветлены на длинах волн 1,063 мкм и 1,196 мкм (остаточное отражение было не более чем 0,4 ). Все элементы лазера были расположены максимально близко друг к другу так,что геометрическая длина резонатора составляла 3,9 мм, а оптическая длина составляла 6,2 мм. Время жизни фотона в таком резонаторе при просветленном затворе составляло 650 пс. Импульс ВКР-излучения имел длительность 790 пс и энергию 0,7 мкДж, что давало пиковую мощность 0,9 кВт. Эффективность преобразования излучения лазера накачки в ВКР излучение составила 4 . Зависимости энергии и мощности ВКР излучения от мощности диодного лазера представлена на фиг. 3. Второй пример аналогичен первому, отличаясь тем, что в качестве твердотельного активного элемента 3 (лазерной активной среды) выбран кристалл 3 длиной 1,2 мм с концентрацией ионов 3 4 . Были получены импульсы ВКР излучения с энергией 0,5 мкДж и длительностью 1,5 нс, что составляло пиковую мощность 0,3 кВт. Эффективность генерации ВКР излучения составила 2,3 . 8017 1 2006.04.30 Третий пример аналогичен первому, отличаясь тем, что выходное зеркало 6 имело коэффициенты отражения на длине волны 1,063 мкм 98 и на длине волны 1,196 мкм 75 . Время жизни фотона в таком резонаторе равнялось 89 пс. Временная диаграмма полученного в этом примере ВКР излучения показана на фиг. 4. Длительность генерируемого ВКР импульса составляла 100 пс, энергия - 1,2 мкДж, что дает пиковую мощность,равную 12 кВт. Эффективность преобразования в ВКР излучение - 8 . Четвертый пример (фиг. 5) аналогичен третьему, отличаясь тем, что после выходного зеркала 6 установлен нелинейный преобразователь в виде нелинейного кристалла 10, для осуществления генерации второй гармоники ВКР излучения (598 нм). Эффективность генерации второй гармоники составила 20 . Пятый пример аналогичен четвертому, отличаясь тем, что в нелинейном кристалле 10 осуществлена генерация излучения на суммарной частоте ВКР излучения и лазерного излучения. Длина волны получаемого излучения составляла 563 нм. Шестой пример аналогичен первому, отличаясь тем, что начальное пропускание затвора 4 на длине волны 1,063 мкм было 78 , а коэффициент отражения выходного зеркала 6 равнялся 97 на длине волны 1,063 мкм и 57 на длине волны 1,196 мкм. Длительность импульса ВКР-излучения в этом случае составила 48 пс, энергия 2,3 мкДж, пиковая мощность - 48 кВт. Седьмой пример аналогичен первому, отличаясь тем, что в качестве комбинационно активной среды 7 выбран кристалл 4 длиной 2 мм. Начальное пропускание затвора 4 на длине волны 1,063 мкм равнялось 78 . Коэффициент отражения выходного зеркала 6 на длине волны стоксовой компоненты равнялся 44 . Длительность стоксовых импульсов в этом случае составила 61 , энергия - 1,6 мкДж. Восьмой пример аналогичен первому, отличаясь тем, что в качестве комбинационно активной среды 7 выбран кристалл (4)2 длиной 2 мм. Начальное пропускание затвора 4 на длине волны 1,063 мкм составляло 86 , коэффициент отражения выходного зеркала 6 на длине волны стоксовой компоненты равнялся 83 . Длительность стоксовых импульсов в этом случае составила 368 пс с энергией 0,7 мкДж. Девятый пример (фиг. 5) аналогичен шестому и отличается тем, что после выходного зеркала 6 установлен нелинейный преобразователь в виде нелинейного кристалла 10, для осуществления генерации второй гармоники от ВКР-излучения, генерации второй гармоники от лазерного излучения и генерации излучения на суммарной частоте ВКР излучения и лазерного излучения. Десятый пример (фиг. 6) аналогичен девятому, отличаясь тем, что нелинейный преобразователь выполнен в виде нелинейного кристалла 10 и нелинейного кристалла 11, установленных последовательно по излучению, для осуществления генерации излучения на суммарной частоте ВКР-излучения и второй гармоники от ВКР-излучения, генерации суммарной частоты лазерного излучения и второй гармоники от ВКР-излучения, генерации четвертой гармоники ВКР-излучения, генерации второй гармоники от излучения на суммарной частоте лазерного излучения и ВКР-излучения, генерации четвертой гармоники от лазерного излучения. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.