Моноимпульсный параметрический лазер

1. МОНОИМПУЛЬСНЫЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР, содержащий резонатор с расположенным внутри него нелинейным кристаллом, лазер накачки и зеркало, отличающийся тем, что, с целью повышения квантового коэффициента преобразования при сохранении высокой степени когерентности выходного излучения, в него дополнительно введен отражательный элемент установленный по лучу накачки после нелинейного кристалла на расстоянии, по крайней мере на порядок меньшем пространственной длины моноимпульса накачки и оптически связанный по лучу накачки с зеркалом, расположенным по другую сторону нелинейного кристалла, на расстоянии от центра кристалла, равном половине пространственной длины моноимпульса накачки.
2. Моноимпульсный параметрический лазер по п.1, отличающийся тем, что в него введен усилитель, установленный между нелинейным кристаллом и зеркалом по лучу накачки.
3. Моноимпульсный параметрический лазер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что зеркало выполнено в виде схемы обращения волнового фронта, при этом между лазером накачки и нелинейным кристаллом установлена оптическая развязка.

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к моноимпульсным параметрическим лазерам с плавной перестройкой частоты, которые представляют интерес в технике освоения видимого и инфракрасного диапазонов и могут быть использованы в различных областях оптики, спектроскопии и фотохимии.
Известен моноимпульсный параметрический лазер, содержащий резонатор с расположенным внутри него нелинейным кристаллом и лазер накачки. В этой конструкции лазера увеличение квантового коэффициента преобразования достигается за счет увеличения мощности излучения накачки. Однако при увеличении мощности излучения накачки происходит уменьшение времени развития генерации _o (время от момента выполнения условий самовозбуждения t_порог до t_н начала нелинейного режима), что приводит к ухудшению когерентности выходного излучения. Это связано с тем, что в течение времени развития генерации _o формируются угловой и частотный спектры выходного излучения ла- зера, и их ширина пропорциональна где Т время пробега импульса по резонатору лазера.
Более высоким квантовым коэффициентом преобразования обладает моноимпульсный параметрический лазер, содержащий резонатор с расположенным внутри него нелинейным кристаллом, лазер накачки и зеркало. Зеркало установлено перпендикулярно падающему на него лучу накачки вблизи нелинейного кристалла на расстоянии, много меньшем пространственной длины _и С импульса накачки, где _и длительность импульса накачки, С скорость света. Этот лазер, наиболее близкий к предлагаемому по конструктивным признакам, выбран в качестве прототипа. Повышение квантового коэффициента преобразования в нем происходит благодаря увеличению эффективности преобразования за счет того, что взаимодействие резонансного излучения с накачкой происходит как при прямом, так и при обратном прохождении моноимпульса накачки через нелинейный кристалл.
Недостатком этого лазера, как и вышеуказанного, является то, что увеличение квантового коэффициента преобразования в нем сопровождается уменьшением времени развития параметрической генерации, что приводит к ухудшению когерентности выходного излучения. К числу основных недостатков этого лазера, как и других моноимпульсных параметрических лазеров, относится то, что значительная часть энергии моноимпульса накачки не преобразуется в резонансное излучение. Это связано с тем, что время развития параметрической генерации _o в нем сравнимо с длительностью моноимпульса накачки _и в результате чего нелинейный режим генерации, в течение которого происходит эффективный энергообмен между излучением накачки и резонансным излучением, продолжается в течение небольшой части длительности моноимпульса накачки. Кроме того, вследствие плавной зависимости от времени мощности импульсов излучения лазеров, используемых в качестве источников накачки, мгновенное значение квантового коэффициента преобразования меньше максимального в течение большей части длительности моноимпульса накачки. Все это обуславливает сравнительно низкий (порядка 15-20%) квантовый коэффициент преобразования лазера.
Целью предлагаемого изобретения является повышение квантового коэффициента преобразования при сохранении высокой степени когерентности выходного излучения.
Поставленная цель достигается тем, что в моноимпульсный параметрический лазер, содержащий резонатор с расположенным внутри него нелинейным кристаллом, лазер накачки и зеркало, дополнительно введен отражательный элемент, установленный по лучу накачки после нелинейного кристалла на расстоянии, по крайней мере на порядок меньшем пространственной длины моноимпульса накачки и оптически связанный по лучу накачки с зеркалом, расположенным по другую сторону нелинейного кристалла, на расстоянии от центра кристалла, равном половине пространственной длины моноимпульса накачки.
Целесообразно по лучу накачки между нелинейным кристаллом и зеркалом ввести усилитель.
Зеркало может быть выполнено в виде схемы обращения волнового фронта, при этом между лазером накачки и нелинейным кристаллом необходимо установить оптическую развязку.
На фиг. 1 представлена схема одного из возможных вариантов описываемого лазера; на фиг. 2 зависимость мощности W импульса накачки от времени t в лазере (фиг.2а лазер без усилителя; фиг.2б лазер с усилителем; фиг.2в известный лазер-прототип).
Лазер содержит резонатор, образованный зеркалами 1 и 2. Зеркало 1 является отражающим для генерируемого излучения, а зеркало 2 (выходное) полупрозрачным. В резонаторе расположен нелинейный кристалл 3. По разные стороны от кристалла 3 установлены отражательный элемент 4 и зеркало 5. Между кристаллом 3 и зеркалом 5 расположен усилитель 6 излучения накачки. Отражательный элемент 4 выполнен так, что при отражении от него луч накачки меняет направление распространения на угол _кс, где _кс угол раствора конуса синхронизма по накачке. В частном случае элемент 4 может быть выполнен в виде трехгранной призмы, у которой угол, образованный отражающими гранями, отличен от 90^о на величину, однозначно связанную с углом Призма установлена вблизи кристалла 3 на расстоянии, много меньшем пространственной длины _и С моноимпульса накачки (где _и длительность моноимпульса накачки, С скорость света) и ориентирована так, что луч при падении на призму и отражении от нее распространяется по образующим конуса синхронизма по накачке.
Для автоматической настройки луча накачки при отражении от зеркала 5 в качестве последнего использована схема обращения волнового фронта (ОВФ), например, на основе вынужденного рассеяния Мандельштамма-Бриллюэна, которая позволяет также в случае применения усилителя 6 компенсировать влияние неоднородностей усилителя. Зеркало 5 удалено от центра кристалла 3 на такое расстояние, что оптический путь l луча накачки от центра кристалла до него равен половине пространственной длины импульса накачки.
Накачка осуществляется лазером накачки 7, например неодимовым лазером, работающим в режиме модуляции добротности. Режим работы лазера 7 устанавливается таким, что _{o и} где _o время развития параметрической генерации.
Для предотвращения попадания мощного излучения накачки при использовании схемы ОВФ обратно в лазер накачки между ним и нелинейным кристаллом 3 установлена оптическая развязка 8, например ячейка Фарадея.
Плавная перестройка частоты лазера в оптическом диапазоне выполняется путем поворота кристалла 3 вокруг оси, проходящей через центр кристалла 3 перпендикулярно плоскости чертежа.
Лазер работает следующим образом.
Лазер накачки 7 излучает моноимпульс длительностью _и. Передний фронт этого импульса по образующей конуса синхронизма проходит через нелинейный кристалл 3, затем отражается от призмы и вновь проходит через кристалл 3 по другой образующей конуса синхронизма. При этом в резонаторе параметрического лазера возбуждается резонансное излучение. Поскольку длительность импульса накачки _и >> Т (Т время пробега импульса резонансного излучения по резонатору лазера), а время _o развития генерации практически равно _и то угловой и частотный спектры резонансного излучения успевают сформироваться до минимально возможного значения в течение времени _и, предшествующего началу нелинейного режима. Прошедшая через нелинейный кристалл 3 часть импульса накачки усиливается в усилителе 6 и попадает на зеркало 5 ОВФ, которое отражает падающее на него излучение накачки и направляет его через усилитель 6 опять в кристалл 3. Поскольку оптический путь луча накачки от центра нелинейного кристалла 3 до зеркала 5 и обратно равен пространственной длине _и С импульса накачки (2l _и C), то передний фронт усиленного импульса накачки попадает в кристалл 3 одновременно с приходом заднего, еще не усиленного фронта того же моноимпульса. К этому же моменту времени вследствие того, что _{o и} заканчивается первый этап развития генерации от момента t_порог выполнения условий самовозбуждения до t_н начала нелинейного режима. В течение этого этапа формируются угловой и частотный спектры резонансного излучения. Интенсивность резонансного излучения становится достаточной для того, чтобы начался второй этап развития генерации нелинейный режим, для которого характерен эффективный энергообмен между накачкой и резонансным излучением. Даже без применения усилителя 6 нелинейный режим в предлагаемом лазере продолжается в течение всей длительности _и моноимпульса накачки, поскольку к началу нелинейного режима генерации на кристалл 3 поступает отраженный зеркалом 5 передний фронт того же моноимпульса, который вызвал генерацию, и нелинейный режим продолжается до тех пор, пока отраженный от зеркала 5 моноимпульс накачки полностью не пройдет через кристалл 3. В течение этого времени происходит преобразование практически всей энергии импульса накачки (заштрихованная часть импульса накачки на фиг.2а) в энергию резонансного излучения, что и обеспечивает получение высокого квантового коэффициента преобразования (в то время как в известном лазере (прототипе) в энергию резонансного излучения преобразуется лишь незначительная часть энергии импульса накачки заштрихованная часть импульса на фиг.2в).
При использовании усилителя 6 происходит усиление отраженного зеркалом 5 импульса накачки, что обуславливает более эффективное преобразование энергии усиленного импульса накачки (заштрихованная часть импульса накачки на фиг. 2б) в энергию резонансного излучения и, следовательно, большее увеличение квантового коэффициента преобразования.
В течение нелинейного режима когерентность резонансного излучения сохраняется высокой, т.к. она определяется в основном временем развития генерации _o, которое в заявляемой схеме лазера практически равно длительности _и импульса накачки, т. е. увеличение квантового коэффициента преобразования не приводит к уменьшению времени развития генерации.
Таким образом, предлагаемая схема моноимпульсного параметрического лазера позволяет получить высокий квантовый коэффициент преобразования при сохранении высокой степени когерентности выходного излучения.
МОНОИМПУЛЬСНЫЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР, содержащий резонатор с расположенным внутри него нелинейным кристаллом, лазер накачки и зеркало, отличающийся тем, что, с целью повышения квантового коэффициента преобразования при сохранении высокой степени когерентности выходного излучения, в него дополнительно введен отражательный элемент установленный по лучу накачки после нелинейного кристалла на расстоянии, по крайней мере на порядок меньшем пространственной длины моноимпульса накачки и оптически связанный по лучу накачки с зеркалом, расположенным по другую сторону нелинейного кристалла, на расстоянии от центра кристалла, равном половине пространственной длины моноимпульса накачки.
2. Моноимпульсный параметрический лазер по п.1, отличающийся тем, что в него введен усилитель, установленный между нелинейным кристаллом и зеркалом по лучу накачки.
3. Моноимпульсный параметрический лазер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что зеркало выполнено в виде схемы обращения волнового фронта, при этом между лазером накачки и нелинейным кристаллом установлена оптическая развязка.