015572 B1 015572 B1 (11) 015572

Евразийское
патентное
ведомство
(19)
(12)
(45)
015572
(13)
B1
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ
Дата публикации и выдачи патента
2011.10.31
(21)
(11)
(51) Int. Cl. H01S 3/10 (2006.01)
H01S 3/083 (2006.01)
Номер заявки
200900907
(22)
Дата подачи заявки
2009.05.28
(54)
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ГЕНЕРАЦИИ СВЕТА
B1
015572
Изобретатель:
(74)
Представитель:
Дашкевич Владимир Иванович,
Орлович Валентин Антонович,
Шкадаревич Алексей Петрович,
Шушпанов Александр Сергеевич (BY)
Шкадаревич Л.В. (BY)
(56) RU-C2-2346367
В.Л. Наумов и др. Высокоэффективный
параметрический преобразователь на кристаллах
КТР. Квантовая электроника. 30, № 7, 2000, с. 632,
абз. 3, 5, рис. 1, с. 633, абз. 2-4
JP-A-8334800
JP-A-6112574
Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к устройствам для
параметрической генерации света, и может быть использовано для создания источников
инфракрасного направленного излучения. Технической задачей изобретения является создание
устройства для параметрической генерации света, обеспечивающего при накачке мощным
широкоапертурным импульсным лазером генерацию в условиях сильного поглощения холостой
волны с высокой выходной энергией, повышенной частотой следования импульсов, уменьшенной
расходимостью пучка и высокой надежностью. В устройство для параметрической генерации света,
содержащее кольцевой резонатор с обратной связью для сигнальной волны, образованный тремя
плоскими зеркалами, первое из которых служит для ввода-вывода излучения накачки, второе,
определяемое по ходу излучения накачки в резонаторе, является выходным для сигнальной волны, и
три нелинейных кристалла с плоскими гранями и некритичным фазовым синхронизмом, имеющие
коэффициент поглощения холостой волны ≥0,35 см-1 и расположенные между каждой парой зеркал
на оптических осях замкнутого оптического контура, создаваемого зеркалами, введен телескоп,
установленный перед первым зеркалом окуляром к нему, оптически связывающий первое зеркало
с лазером накачки, при этом кратность X телескопа удовлетворяет условию 5,5 X2 Iнак≤Iкр, где
Iнак - средняя плотность мощности излучения лазера накачки; Iкр - порог оптического разрушения
нелинейного кристалла, а суммарная длина нелинейных кристаллов выбрана минимальной, при
которой наблюдается насыщение выходной энергии сигнальной волны. При удовлетворении длин
li нелинейных кристаллов по ходу излучения накачки, где i=1, 2, 3, условию l1<l2<l3 частота
следования импульсов и надежность работы устройства повышаются без потерь выходной энергии.
B1
(57)
(72)
015572
(43) 2010.12.30
(96) 2009/EA/0062 (BY) 2009.05.28
(71)(73) Заявитель и патентовладелец:
ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ "ИНСТИТУТ
ФИЗИКИ ИМ. Б.И. СТЕПАНОВА
НАЦИОНАЛЬНОЙ АКАДЕМИИ
НАУК БЕЛАРУСИ"; НАУЧНОПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ЧАСТНОЕ
УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ
"ЛЭМТ" (BY)
015572
Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к устройствам для параметрической генерации света, и может быть использовано для создания источников инфракрасного направленного излучения.
Известно устройство для параметрической генерации света [1], имеющее кольцевой резонатор, образованный тремя плоскими зеркалами, создающими замкнутый оптический осевой контур. На двух оптических осях оптического осевого контура последовательно по ходу сигнальной волны в резонаторе
расположены нелинейный кристалл, работающий в условиях критичного фазового синхронизма, первая
полуволновая пластинка, призма Дове, повернутая на 45° относительно плоскости резонатора, и вторая
полуволновая пластинка. В данном устройстве поле сигнальной волны испытывает вращение на 90° при
каждом обходе резонатора, что приводит к корреляции фаз по сечению пучка и тем самым к снижению
расходимости выходного излучения устройства.
Известное устройство [1] обеспечивает снижение расходимости излучения только при осуществлении параметрической генерации света в условиях критичного фазового синхронизма и тем самым имеет
дополнительно ограничение по выходной энергии, так как наивысший КПД генерации, в частности для
нелинейных кристаллов KTiPO4 (КТР), достигается при некритичном фазовом синхронизме.
Наиболее близким по технической сущности является высокоэффективный параметрический преобразователь на нелинейных кристаллах КТР [2], содержащий кольцевой резонатор с обратной связью
для сигнальной волны, образованный тремя плоскими зеркалами, первое из которых служит для вводавывода излучения накачки, второе, определяемое по ходу излучения накачки в резонаторе, является выходным для сигнальной волны, и три нелинейных кристалла КТР одинаковой длины 20 мм с плоскими
гранями, обеспечивающие некритичный фазовый синхронизм и расположенные между каждой парой
зеркал на оптических осях замкнутого оптического контура, создаваемого зеркалами.
Известный параметрический преобразователь имеет ограничение, так как предназначен для работы
с лазерами, генерирующими наносекундные импульсы умеренной энергии. При накачке излучением широкоапертурных лазеров с повышенной энергией (≥25 мДж) устройство не обеспечивает одновременно
высокую выходную энергию и повышенную частоту следования импульсов (≥10 Гц). Увеличение частоты следования импульсов и выходной энергии ограничено сильным поглощением холостой волны в нелинейных кристаллах КТР, в особенности в первом кристалле по ходу излучения накачки, что в сочетании с наивысшей интенсивностью излучения в нем приводит к его выходу из строя.
Технической задачей изобретения является создание устройства для параметрической генерации
света, обеспечивающего при накачке мощным широкоапертурным лазером генерацию в условиях сильного поглощения холостой волны с высокой выходной энергией, повышенной частотой следования импульсов, уменьшенной расходимостью пучка и высокой надежностью.
Поставленная техническая задача решается тем, что в устройство для параметрической генерации
света, содержащее кольцевой резонатор с обратной связью для сигнальной волны, образованный тремя
плоскими зеркалами, первое из которых служит для ввода-вывода излучения накачки, второе, определяемое по ходу излучения накачки в резонаторе, является выходным для сигнальной волны, и три нелинейных кристалла с плоскими гранями и некритичным фазовым синхронизмом, имеющие коэффициент
поглощения холостой волны ≥0,35 см-1 , расположенные между каждой парой зеркал на оптических осях
замкнутого оптического контура, создаваемого зеркалами, введен телескоп, установленный перед первым зеркалом окуляром к нему, оптически связывающий первое зеркало с лазером накачки, при этом
кратность X телескопа удовлетворяет условию
где I нак - средняя плотность мощности излучения лазера накачки;
I кр - порог оптического разрушения нелинейного кристалла,
а суммарная длина нелинейных кристаллов выбрана минимальной, при которой наступает насыщение
выходной энергии сигнальной волны, при этом длины li нелинейных кристаллов по ходу излучения накачки, где i=1, 2, 3, удовлетворяют условию l1<l2<l3. Величина суммарной длины нелинейных кристаллов
может быть определена как экспериментально, так и расчетным путем.
Выбор минимальной суммарной длины нелинейных кристаллов приводит к снижению поглощения
холостой волны, в особенности в первом кристалле. Удовлетворение условию l1<l2<l3 обеспечивает дальнейшее уменьшение поглощения холостой волны и более равномерное его распределение по кристаллам.
Проявление указанных эффектов дает возможность повысить частоту следования импульсов без снижения их энергии. Телескоп уменьшает диаметр пучка накачки, исполняющего роль естественной диафрагмы, и тем самым снижает для резонатора эффективное число Френеля, что способствует уменьшению расходимости выходного излучения устройства. Расчеты и эксперимент показывают, что интенсивность сигнальной волны в кольцевом резонаторе может до 2 раз превосходить интенсивность излучения
накачки, кроме того, при многомодовом излучении локальная интенсивность накачки в поперечном сечении пучка может превышать измеряемую среднюю интенсивность примерно до 2,75 раз, поэтому выбор кратности X телескопа, при которой интенсивность излучения накачки в ≈5,5 раз ниже порога разрушения нелинейного кристалла, обеспечивает надежную работу устройства.
-1-
015572
Сущность изобретения поясняется чертежом. На фигуре изображена оптическая схема устройства
для параметрической генерации света. Устройство содержит кольцевой резонатор с обратной связью для
сигнальной волны, образованный тремя плоскими зеркалами 1, 2, 3, расположенными по ходу излучения
накачки. Первое зеркало 1 служит для ввода-вывода излучения накачки. Второе зеркало 2 является выходным для сигнальной волны. Зеркала 1, 2 и 3 создают замкнутый оптический контур с оптическими
осями 4, 5, 6. Между каждой парой зеркал на оптических осях 4, 5, 6 установлены нелинейные кристаллы
7, 8, 9 с плоскими гранями, обеспечивающие некритичный фазовый синхронизм и имеющие коэффициент поглощения холостой волны ≥0,35 см-1. Зеркало 1 ввода-вывода излучения накачки оптически связано с лазером накачки посредством телескопа 10, установленного перед зеркалом 1 окуляром к нему. Оптические оси 11 и 12 совпадают соответственно с направлениями ввода и вывода излучения накачки.
Оптическая ось 13 совпадает с направлением вывода полезного излучения сигнальной волны.
Устройство работает следующим образом. Пучок поляризованного излучения импульсного лазера
накачки (на фигуре не указан), распространяясь вдоль оптической оси 11, проходит через телескоп 10 и
уменьшает свой диаметр. Далее он проходит через зеркало 1 ввода-вывода излучения накачки, распространяется вдоль оптической оси 4 и создает в первом нелинейном кристалле 7 область параметрического взаимодействия, которая приобретает роль естественной диафрагмы, задающей для резонатора эффективное число Френеля. Генерируемые волны (сигнальная и холостая), как и волна накачки, распространяются вдоль оптической оси 4. Испытав на зеркале 2 отражение, которое для накачки является полным,
три волны распространяются вдоль оптической оси 5 и продолжают параметрическое взаимодействие во
втором нелинейном кристалле 8. После отражения от зеркала 3, которое для сигнальной волны и излучения накачки является глухим, излучение трех длин волн следует вдоль оптической оси 6 и подвергается
параметрическому преобразованию в третьем нелинейном кристалле 9. Остаточное излучение накачки,
не полностью преобразованное в нелинейных кристаллах 7, 8 и 9, выходит из резонатора сквозь зеркало
1 в направлении оптической оси 12. Генерируемые волны после отражения от зеркала 1, которое для
сигнальной волны является глухим, распространяются вдоль оптической оси 4 и тем самым совершают
полный обход по замкнутому оптическому контуру кольцевого резонатора. Затем они вновь параметрически взаимодействуют с неистощенным излучением накачки, поступающим в резонатор. Независимо от
коэффициентов отражения зеркал на длине холостой волны, поглощение последней в нелинейных кристаллах 7, 8 и 9 приводит к тому, что резонатор обеспечивает обратную связь для сигнальной волны. Таким образом, устройство генерирует импульс сигнальной волны, полезное излучение которого выводити кратности X телескопа, удовся в направлении оптической оси 13. При оптимальных значениях li,
2
летворяющей условию 5,5X I нак≤I кр, устройство генерирует с высокой надежностью импульсы с высокой выходной энергией, повышенной частотой их следования и уменьшенной расходимостью пучка.
Применялись нелинейные кристаллы КТР с размерами рабочих плоскопараллельных граней
4×4 мм2, общей длиной 45 мм и углами среза θ=90°, ϕ=0° (некритичный фазовый синхронизм). Плоские
зеркала, изготовленные на подложках из стекла К8, создавали замкнутый оптический осевой контур в
виде треугольника периметром 80 мм. Использовался линзовый телескоп кратностью 1,8. Для накачки
устройства применялся многомодовый импульсный лазер на гранате с неодимом с длиной волны
1,064 мкм, выходной энергией до 100 мДж, длительностью импульса 10 нс и расходимостью пучка
7,5 мрад на уровне 86,5 % полной энергии. Диаметр активного элемента лазера накачки составлял 5 мм.
При максимальной энергии накачки предлагаемое устройство генерировало импульсы с энергией
39 мДж при частоте их следования 12,5 Гц, которая в 5 раз выше, чем в известном высокоэффективном
параметрическом преобразователе [2]. Расходимость выходного излучения на длине волны 1,57 мкм не
превышала 6-6,5 мрад, что составило ≈8 дифракционных пределов. Предлагаемое устройство продемонстрировало надежную работу (>106 импульсов без существенного изменения характеристик).
Использованные источники информации
1. Smith, A.V. Image-rotating cavity designs for improved beam quality in nanosecond optical parametric
oscillator (Схемы резонаторов с вращением изображения для улучшения качества пучка наносекундных
параметрических генераторов света) / A.V. Smith, M.S. Bowers// J. Opt. Soc. Am. B. - 2001. - V. 18. P. 706-713.
2. Высокоэффективный параметрический преобразователь на кристаллах КТР/ В.Л. Наумов,
A.M. Онищенко, А.С Подставкин, А.В. Шестаков // Квант. электрон. - 2000 - Т. 30 - С. 632-634 (прототип).
-2-
015572
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Устройство для параметрической генерации света, содержащее кольцевой резонатор с обратной
связью для сигнальной волны, образованный тремя плоскими зеркалами, первое из которых служит для
ввода-вывода излучения накачки, второе, определяемое по ходу излучения накачки в резонаторе, является выходным для сигнальной волны, и три нелинейных кристалла с плоскими гранями и некритичным
фазовым синхронизмом, имеющие коэффициент поглощения холостой волны ≥0,35 см-1, расположенные
между каждой парой зеркал на оптических осях замкнутого оптического контура, создаваемого зеркалами, отличающееся тем, что введен телескоп, установленный перед первым зеркалом окуляром к нему,
оптически связывающий первое зеркало с лазером накачки, при этом кратность X телескопа удовлетворяет условию
где I нак - средняя плотность мощности излучения лазера накачки;
I кр - порог оптического разрушения нелинейного кристалла,
а суммарная длина нелинейных кристаллов выбрана минимальной, при которой наблюдается насыщение
выходной энергии сигнальной волны.
2. Устройство для параметрической генерации света по п.1, отличающееся тем, что длины li нелинейных кристаллов по ходу излучения накачки, где i=1, 2, 3, удовлетворяют условию l1<l2<l3.
Евразийская патентная организация, ЕАПВ
Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2
-3-