Способ модуляции добротности резонатора лазера

СПОСОБ МОДУЛЯЦИИ ДОБРОТНОСТИ РЕЗОНАТОРА ЛАЗЕРА, включающий подачу управляющего напряжения на установленный в резонаторе электрооптический элемент из одноосного кристалла, оптическая ось которого наклонена к оси резонатора под углом, соответствующим экстремуму интенсивности коноскопической картины кристалла, отличающийся тем, что, с целью стабилизации энергии моноимпульсов лазерного излучения при отклонении управляющего напряжения от номинальной величины амплитуды V₀, соответствующей минимальному коэффициенту потерь резонатора, на электрооптический элемент подают импульс напряжения, величина которого по абсолютной величине в начальный момент времени больше V₀ и меньше величины полуволнового напряжения, а затем монотонно уменьшают его значение по абсолютной величине до нуля, проходя величину V₀ через отрезок времени, превышающий временной интервал, который соответствует появлению моноимпульса излучения при подаче импульса напряжения прямоугольной формы с амплитудой V₀, причем начальное превышение величины напряжения над V₀ и скорость ее монотонного уменьшения во времени выбирают так, что время появления моноимпульса равно времени спада величины напряжения до величины V₀.

Изобретение относится к импульсным твердотельным лазерам с электрооптической модуляцией добротности резонатора и может быть использовано для получения мощных импульсов излучения в наносекундном диапазоне длительностей импульса.
Цель изобретения стабилизация энергии моноимпульсов лазерного излучения при отклонении величины управляющего напряжения от номинальной амплитуды величины U_о, соответствующей минимальному коэффициенту потерь резонатора.
Величина напряжения в начале импульса U_макс должна превышать U_о для внесения в резонатор дополнительных потерь, задерживающих появление моноимпульса, и должна быть ограничена полуволновым напряжением U _/2вследствие периодичности функции потерь от напряжения на затворе.
На фиг. 1 приведена блок-схема устройства; на фиг. 2 график зависимости управляющего напряжения от времени; на фиг. 3 график зависимости дополнительных потерь резонатора Р от времени соответственно.
Устройство включает в себя (фиг. 1) полностью отражающее зеркало 1, электрооптический элемент 2, поляризатор 3, активный элемент 4, выходное полупрозрачное зеркало 5, генератор 6 импульсов управляющего напряжения.
На фиг. 2 приняты следующие обозначения: U_о номинальное напряжение; U_o', U_o'' напряжения, отличные от номинального; _р, _р', _р'' время появления моноимпульса при напряжениях U_o, U_o', U_o'' соответственно. На фиг. 3 кривая 7 соответствует потерям резонатора при напряжении U_o; кривые 8, 9 потерям резонатора при напряжениях U_o' и U_o'' соответственно.
Из фиг. 2 и 3 видно, что при уменьшении (увеличении) величины U_омомент времени _р, когда потери резонатора становятся минимальными, наступает позже (раньше), но и моноимпульс появляется позже (раньше) вследствие присутствия больших (меньших) по величине дополнительных потерь в период развития моноимпульса, что приводит к сохранению энергии моноимпульса. Монотонность функции U(t) необходима для того, чтобы условие U( _р)=U_o выполнялось только в единственный момент времени.
Для получения максимально широкого диапазона допустимых относительно изменений величины управляющего напряжения, который является удобной количественной характеристикой стабильности энергии моноимпульсов лазерного излучения, величина и скорость монотонного уменьшения величины напряжения во времени определяются при решении усредненных балансных уравнений на ЭВМ или экспериментальным путем.
В случае линейной зависимости U=U_o- (t- _р), которая является одним из вариантов монотонной зависимости, можно пользоваться следующим аналитическим выражением для основных параметров импульса, напряжения
U_макс= U₀+U _{/2 p}= U _/2 ;
U _/2 1-(K_o-K_пот)^-1l + + + +
+ , где n целое число;
K_o начальный коэффициент усиления;
K_пот коэффициент потерь резонатора при открытом затворе;
( _р)_o время развития моноимпульса для случая импульса управляющего напряжения прямоугольной формы с амплитудой U_o;
A=arccos exp[-(К_о-К_пот)l]
l длина активного элемента,
B_n числа Бернулли.
Увеличение диапазона N относительных допустимых изменений величины управляющего напряжения по отношению к аналогичному параметру прототипа составляет
N .
Для проверки данного способа с генератора импульсов управляющего напряжения на электрооптический элемент подавался импульс (фиг. 2).
Основные параметры импульса U_макс и выбирались в соответствии с расчетом. Для ( _р)_о= 80 нс, К_о-К_пот=0,1 см^-1, l6 см, U_o=3,5 кВ, U _/2=10 кВ; U_макс=6,7 кВ, 18 В нс, N=2,43.
Из сравнения полученных экспериментальных результатов для данного способа и прототипа следует, что при модуляции добротности данным способом энергия моноимпульса (с точностью 5%) стабилизи- руется в существенно (в 2,5 раза) более широком относительном диапазоне изменений величины управляющего напряжения, чем в случае прототипа. Рассмотрение зависимости величины U_o(T) вследствие температурной зависимости электрооптического коэффициента кристалла DКDPr₆₃^-1(T) позволило определить, что диапазон изменений температуры, в котором не требуется подстройка величины управляющего напряжения, составляет 200^оС вместо 75^оС для прототипа.
Таким образом, полезность и эффективность способа модуляции добротности заключается в значительном повышении устойчивости выходных параметров излучения моноимпульсного твердотельного лазера, что обеспечивает следующие преимущества; надежность при эксплуатации в условиях изменений температуры окружающей среды и напряжения питающей сети, а также во время переходных процессов, связанных с изменением теплового режима электрооптического элемента после включения лазера и т.д.
в упрощении схемы генератора импульсов напряжения на электрооптический затвор (т.к. снижаются требования по автоматической подстройке величины управляющего напряжения и снижаются требования к стабильности этой величины);
в более широком использовании в лазерах затворов на основе кристалла DКDP, которые имеют высокую лучевую прочность, технологичны в изготовлении и имеют сравнительно низкую стоимость.