[go: up one dir, main page]

RU2606348C1 - Laser with resonator q-factor modulation and mode synchronization - Google Patents

Laser with resonator q-factor modulation and mode synchronization Download PDF

Info

Publication number
RU2606348C1
RU2606348C1 RU2015121867A RU2015121867A RU2606348C1 RU 2606348 C1 RU2606348 C1 RU 2606348C1 RU 2015121867 A RU2015121867 A RU 2015121867A RU 2015121867 A RU2015121867 A RU 2015121867A RU 2606348 C1 RU2606348 C1 RU 2606348C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
laser
modulator
frequency
resonator
modulation
Prior art date
Application number
RU2015121867A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2015121867A (en
Inventor
Валерий Ильич Донин
Анатолий Васильевич Трубецкой
Дмитрий Васильевич Яковин
Алексей Валерьевич Грибанов
Владислав Николаевич Затолокин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН)
Priority to RU2015121867A priority Critical patent/RU2606348C1/en
Publication of RU2015121867A publication Critical patent/RU2015121867A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2606348C1 publication Critical patent/RU2606348C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/11Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H01S3/1123Q-switching
    • H01S3/117Q-switching using intracavity acousto-optic devices
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/081Construction or shape of optical resonators or components thereof comprising three or more reflectors
    • H01S3/0813Configuration of resonator
    • H01S3/0816Configuration of resonator having 4 reflectors, e.g. Z-shaped resonators

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

FIELD: optics.
SUBSTANCE: invention relates to laser equipment. Laser with modulation of q-factor and mode synchronization contains in first arm of optical resonator series-arranged first end mirror, acoustic-optical modulator, active element and first auxiliary mirror, and in other arm it contains second auxiliary and end mirrors, nonlinear element installed between them. Wherein modulator in different moments of time operates at two audio frequencies transmitted through additionally introduced electric signals adder from two additionally introduced generators of modulated oscillations synchronized by third generator, setting laser pulse repetition frequency selected in range of (0.1–100) kHz. Value of first audio frequency is determined by parameters of optical resonator to meet laser mode synchronization conditions, and second audio frequency, providing modulation of q-factor of resonator is selected in one and half times higher than first one. Light beam, coming from modulator after diffraction at second frequency, is overlapped by additional diaphragm.
EFFECT: technical result consists in opportunity to increase level of modulation.
1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области оптических квантовых генераторов (лазеров), использующих акустооптическую модуляцию добротности резонатора и одновременно синхронизацию мод для получения высокой пиковой мощности излучения.The invention relates to the field of optical quantum generators (lasers) using acousto-optical modulation of the resonator Q factor and simultaneously mode synchronization to obtain high peak radiation power.

В этой области известно техническое решение в соответствии с патентом РФ №2478242, авторы которого также входят в состав авторов предлагаемого изобретения. Известное решение содержит лазерный резонатор, состоящий из четырех зеркал, из которых два концевых и два вспомогательных, между первым концевым зеркалом резонатора и активным элементом размещается акустооптический модулятор бегущей волны, а перед вторым концевым зеркалом последовательно нелинейный кристалл и диафрагма, при этом первое концевое зеркало выполнено в виде вогнутой сферы радиуса R1, центр модулятора отстоит от отражающей поверхности первого концевого зеркала на расстоянии, равном радиусу R1, рабочая частота f модулятора задается равной (или кратной) половине межмодового интервала 2f лазера (2f=c/2L, где c - скорость света, L - длина резонатора), а частота переключения модулятора определяет частоту следования импульсов.In this area, a technical solution is known in accordance with RF patent No. 2478242, the authors of which are also part of the authors of the proposed invention. The known solution comprises a laser resonator consisting of four mirrors, of which two end and two auxiliary, between the first end mirror of the resonator and the active element is placed an acousto-optic traveling wave modulator, and a nonlinear crystal and a diaphragm are placed in front of the second end mirror, while the first end mirror is made in the form of a concave sphere of radius R 1 , the center of the modulator is separated from the reflecting surface of the first end mirror by a distance equal to the radius R 1 , the operating frequency f of the modulator is set equal to (or a multiple of) the half-mode interval of the 2f laser (2f = c / 2L, where c is the speed of light, L is the cavity length), and the switching frequency of the modulator determines the pulse repetition rate.

При проведении экспериментов с использованием лазера по патенту №2478242 выяснились некоторые недостатки в его работе.When conducting experiments using the laser according to patent No. 2478242, several shortcomings in its work were found out.

Первый из них обусловлен малым (не превышающим 50%) уровнем модуляции потерь в резонаторе за двойной проход, который приводит к снижению общей энергии и мощности лазерного импульса в случае повышенного коэффициента усиления активной среды. Причиной малой модуляции потерь в резонаторе является обратный возврат в активную среду световых пучков, отраженных от первого концевого зеркала и претерпевших повторную дифракцию на бегущей акустической волне в модуляторе. В результате этого в лазере перед основными импульсами (Q-switch импульсами) наблюдаются так называемые предвестники импульса (структурированное во времени шумовое излучение). Результаты эксперимента показаны на фиг. 1, где приведена осциллограмма трех Q-switch импульсов лазера с активной средой Nd: YAG. Крайние справа импульсы на фиг. 1 являются основными Q-switch импульсами с длительностью по полувысоте 120 нс. Их период повторения 1 мс. Слева от основных Q-switch импульсов наблюдается излучение предвестников импульса с общей длительностью около 400 мкс. Появление предвестников связано с тем, что при непрерывной во времени накачке активной среды инверсия населенностей в активной среде и, соответственно, коэффициент усиления нарастают со временем по мере приближения к моменту генерации Q-switch импульса. В некоторый момент времени усиление излучения в активной среде начинает превосходить потери, что проявляется в генерации предвестников импульса. В лазере с повышенным коэффициентом усиления общая энергия предвестников импульса может быть сопоставима с энергией основного импульса, поэтому наличие предвестников примерно вдвое снижает общую энергию и мощность излучения в основном Q-switch импульсе.The first of them is caused by a small (not exceeding 50%) level of modulation of losses in the cavity during a double pass, which leads to a decrease in the total energy and power of the laser pulse in the case of an increased gain of the active medium. The reason for the low modulation of losses in the cavity is the return to the active medium of light beams reflected from the first end mirror and undergoing re-diffraction by a traveling acoustic wave in the modulator. As a result of this, the so-called pulse precursors (time-structured noise radiation) are observed in the laser before the main pulses (Q-switch pulses). The experimental results are shown in FIG. 1, which shows the waveform of three Q-switch pulses of a laser with an active medium Nd: YAG. The rightmost pulses in FIG. 1 are the main Q-switch pulses with a half-maximum duration of 120 ns. Their repetition period is 1 ms. To the left of the main Q-switch pulses, a pulse precursor radiation is observed with a total duration of about 400 μs. The appearance of precursors is due to the fact that with continuous continuous pumping of the active medium, the population inversion in the active medium and, correspondingly, the gain increase with time as it approaches the moment of generation of the Q-switch pulse. At some point in time, the amplification of radiation in the active medium begins to exceed losses, which manifests itself in the generation of pulse precursors. In a laser with a high gain, the total energy of the pulse precursors can be comparable with the energy of the main pulse, so the presence of precursors reduces the total energy and radiation power in the main Q-switch pulse by about half.

Второй недостаток известного решения вызван невозможностью независимого управления режимом модуляции добротности и режимом синхронизации мод, что ограничивает функциональные возможности лазера. В частности, в известном решении отсутствует возможность оперативного (без перестройки резонатора) переключения лазера из режима работы с модуляцией добротности и синхронизацией мод в режим с модуляцией добротности без синхронизации мод и обратно. В то же время такое переключение режимов работы часто необходимо при применении лазера для научных исследований, например при изучении особенностей процессов лазерной сварки и резки различных материалов.The second drawback of the known solution is caused by the impossibility of independently controlling the Q-switching mode and the mode synchronization mode, which limits the functionality of the laser. In particular, in the known solution, there is no possibility of prompt (without resonator tuning) laser switching from the mode of operation with Q switching and mode synchronization to the mode with Q switching without mode synchronization and vice versa. At the same time, such a switching of operating modes is often necessary when using a laser for scientific research, for example, when studying the features of laser welding and cutting of various materials.

Целью данного изобретения является повышение уровня модуляции потерь резонатора и увеличение в два (и более) раза энергии и мощности Q-switch импульса с синхронизацией мод в лазерах с повышенным коэффициентом усиления активной среды, а также расширение функциональных возможностей лазера.The aim of this invention is to increase the modulation level of resonator losses and increase by two (or more) times the energy and power of the Q-switch pulse with mode synchronization in lasers with a high gain of the active medium, as well as expanding the functionality of the laser.

Поставленная цель достигается тем, что в лазере с модуляцией добротности резонатора и синхронизацией мод по патенту РФ №2478242 используемый в нем акустооптический модулятор в разные моменты времени работает на двух звуковых частотах, подаваемых через дополнительно введенный сумматор электрических сигналов, от двух дополнительно введенных генераторов модулированных колебаний, синхронизируемых третьим генератором, задающим частоту следования импульсов лазера, выбираемую в диапазоне (0,1-100) кГц, причем величина первой звуковой частоты определяется параметрами оптического резонатора для выполнения условия синхронизации мод лазера, а вторая звуковая частота, обеспечивающая модуляцию добротности резонатора, выбирается в полтора раза выше первой, причем выходящий из модулятора световой пучок после дифракции на этой частоте перекрывается дополнительно введенной диафрагмой.This goal is achieved by the fact that in a laser with Q-switched resonator and mode synchronization according to RF patent No. 2478242, the acousto-optic modulator used in it operates at different time points at two sound frequencies supplied through an additionally introduced adder of electrical signals from two additionally introduced modulated oscillation generators synchronized by a third generator that sets the pulse repetition rate of the laser pulses, selected in the range (0.1-100) kHz, and the magnitude of the first sound frequency op is determined by the parameters of the optical resonator to satisfy the laser mode synchronization condition, and the second sound frequency, which provides modulation of the Q-factor of the resonator, is selected one and a half times higher than the first, and the light beam emerging from the modulator after diffraction at this frequency is blocked by an additionally introduced diaphragm.

Предложенный в заявляемом решении режим работы акустооптического модулятора, когда лазерный луч в разное время испытывает дифракцию на двух различных звуковых частотах, является новым. Заявляемое в качестве изобретения решение является зависимым, поскольку в нем используются все существенные признаки изобретения по патенту №2478242.The mode of operation of the acousto-optical modulator proposed in the claimed solution, when the laser beam at different times experiences diffraction at two different sound frequencies, is new. Declared as an invention, the solution is dependent, since it uses all the essential features of the invention according to patent No. 2478242.

Описание предлагаемого технического решения поясняется чертежами.Description of the proposed technical solution is illustrated by drawings.

Фиг. 1 Осциллограмма трех Q-switch импульсов с предвестниками импульсов (получена в эксперименте с лазером по пат. РФ №4278242). Цена деления по оси абсцисс 200 мкс. Частота повторения импульсов 1 кГц.FIG. 1 Oscillogram of three Q-switch pulses with precursors of pulses (obtained in an experiment with a laser according to US Pat. RF No. 4278242). The division value along the abscissa is 200 μs. The pulse repetition rate is 1 kHz.

Фиг. 2 Схема предлагаемого лазера. 1, 4, 5, 8 - зеркала резонатора, 2 - акустооптический модулятор бегущей волны, 3 - активный элемент, 6 - нелинейный элемент, 7 - диафрагма, 9 - дополнительная диафрагма, 10 - сумматор амплитуд сигналов, 11 - генератор управляющего сигнала с несущей частотой f1, 12 - генератор управляющего сигнала с несущей частотой f2, 13 - генератор импульсов, задающий частоту следования лазерных импульсов (0,1-100) кГц.FIG. 2 Scheme of the proposed laser. 1, 4, 5, 8 — resonator mirrors, 2 — acousto-optic traveling wave modulator, 3 — active element, 6 — non-linear element, 7 — diaphragm, 9 — additional diaphragm, 10 — signal amplitude adder, 11 — carrier signal generator frequency f 1 , 12 is a control signal generator with a carrier frequency f 2 , 13 is a pulse generator that sets the laser pulse repetition rate (0.1-100) kHz.

Фиг. 3 Временные диаграммы управляющих электрических сигналов и интенсивности лазерного излучения, a) - выходные сигналы генератора импульсов 13 на первом выходе (штриховая линия) и генератора 11 с частотой f1 (сплошная линия, b) - выходные сигналы генератора импульсов 13 на втором выходе (штриховая линия) и генератора 12 с частотой f2 (сплошная линия), c) - сигнал, подаваемый в акустооптический модулятор, d) - интенсивность лазерного излучения.FIG. 3 Timing diagrams of the control electric signals and the intensity of the laser radiation, a) - output signals of the pulse generator 13 at the first output (dashed line) and generator 11 with a frequency f 1 (solid line, b) - output signals of the pulse generator 13 at the second output (dashed line) and generator 12 with a frequency f 2 (solid line), c) is the signal supplied to the acousto-optical modulator, d) is the intensity of the laser radiation.

Фиг. 4 Осциллограмма импульса генерации Nd: YAG лазера, выполненного в соответствии с предлагаемым техническим решением, в режиме Q-switch с синхронизацией мод. Цена деления по оси абсцисс 50 нс. Средняя мощность лазера 2 Вт, частота повторения 1 кГц.FIG. 4 Oscillogram of a pulse of generation of an Nd: YAG laser, made in accordance with the proposed technical solution, in the Q-switch mode with mode synchronization. The division value along the abscissa is 50 ns. Average laser power 2 W, repetition rate 1 kHz.

Фиг. 5 Осциллограмма трех Q-switch импульсов генерации в предлагаемом Nd: YAG лазере. Цена деления по оси абсцисс 200 мкс. Частота повторения импульсов 1 кГц, энергия в импульсе 2 мДж.FIG. 5 Oscillogram of three Q-switch lasing pulses in the proposed Nd: YAG laser. The division value along the abscissa is 200 μs. The pulse repetition rate is 1 kHz, the energy per pulse is 2 mJ.

Предлагаемый лазер приведен на фиг. 2, где помимо элементов лазера по патенту №4278242 дополнительно введены генераторы 11-13, сумматор 10 и диафрагма 9.The proposed laser is shown in FIG. 2, where in addition to the laser elements of the patent No. 4278242, generators 11-13, an adder 10, and an aperture 9 are additionally introduced.

Акустооптический модулятор 2 соединен с выходом сумматора 10 амплитуд сигналов, а входы сумматора 10 соединены с выходами генераторов 11 и 12. Генераторы 11, 12 содержат синтезаторы частоты, формирующие непрерывные синусоидальные сигналы на частотах f1 и f2, а также схемы модуляции (ключи), выполняющие модуляцию (коммутацию) этих сигналов. Генератор импульсов 13 имеет два выхода, соединенные со входами схем модуляции генераторов 11, 12. Он задает частоту следования импульсов лазера и синхронизирует работу генераторов 11 и 12.The acousto-optic modulator 2 is connected to the output of the adder 10 of the signal amplitudes, and the inputs of the adder 10 are connected to the outputs of the generators 11 and 12. Generators 11, 12 contain frequency synthesizers that generate continuous sinusoidal signals at frequencies f 1 and f 2 , as well as modulation schemes (keys) performing modulation (switching) of these signals. The pulse generator 13 has two outputs connected to the inputs of the modulation circuits of the generators 11, 12. It sets the frequency of the laser pulses and synchronizes the operation of the generators 11 and 12.

На пьезопреобразователь модулятора 2 подается управляющий сигнал, представляющий собой сумму амплитуд двух сигналов. Первый из этих сигналов, формируемый генератором 11, имеет несущую частоту f1, которая равна (или кратна) половине межмодового интервала (f1=c/4L). Этот сигнал используется для синхронизации мод лазера. Второй из сигналов, формируемый генератором 12, имеет несущую частоту f2=1,5⋅f1. Этот сигнал предназначен для модуляции добротности резонатора (режим Q-switch) лазера.The control signal representing the sum of the amplitudes of the two signals is supplied to the piezoelectric transducer of modulator 2. The first of these signals, generated by the generator 11, has a carrier frequency f 1 that is equal to (or a multiple of) half of the inter-mode interval (f 1 = c / 4L). This signal is used to synchronize the laser modes. The second of the signals generated by the generator 12 has a carrier frequency f 2 = 1,5⋅f 1 . This signal is designed to modulate the quality factor of the resonator (Q-switch mode) of the laser.

На фиг. 3 а) штриховой линией показана зависимость напряжения U1 импульсного сигнала от времени t, подаваемого с первого выхода генератора 13 на модулирующий вход генератора 11. Сплошной линией показан выходной сигнала генератора 11, который представляет собой периодическую последовательность радиоимпульсов с несущей частотой f1, имеющих длительность τ1 и период повторения Т. Синхронизация мод лазера происходит в течение времени τ1 длительности радиоимпульса. Обычно выбирают значение τ1, равное нескольким микросекундам.In FIG. 3 a) the dashed line shows the dependence of the voltage U 1 of the pulse signal on time t supplied from the first output of the generator 13 to the modulating input of the generator 11. The solid line shows the output signal of the generator 11, which is a periodic sequence of radio pulses with a carrier frequency f 1 having a duration τ 1 and the repetition period T. Laser mode synchronization occurs over a time τ 1 of the duration of the radio pulse. Typically, a value of τ 1 equal to several microseconds is selected.

На фиг. 3 b) штриховой линией показана зависимость от времени напряжения U2 импульсного сигнала, подаваемого со второго выхода генератора 13 на модулирующий вход генератора 12. Сплошной линией показан выходной сигнал генератора 12, который представляет собой периодическую последовательность радиоимпульсов длительностью τ2, следующих с периодом Т. Длительность паузы между радиоимпульсами равна τ1. Период Т равен периоду следования лазерных Q-switch импульсов. На практике значения Т могут находиться в диапазоне от 10 микросекунд до 100 миллисекунд.In FIG. 3 b) the dashed line shows the time dependence of the voltage U 2 of the pulse signal supplied from the second output of the generator 13 to the modulating input of the generator 12. The solid line shows the output signal of the generator 12, which is a periodic sequence of radio pulses of duration τ 2 following period T. The duration of the pause between the radio pulses is equal to τ 1 . The period T is equal to the period following the laser Q-switch pulses. In practice, T values can range from 10 microseconds to 100 milliseconds.

Форма суммарного (U1+U2) сигнала, подаваемого на вход модулятора 2, в зависимости от времени показана на фиг. 3 с).The shape of the total (U 1 + U 2 ) signal supplied to the input of modulator 2, as a function of time, is shown in FIG. 3 s).

Интенсивность лазерного излучения J от времени t условно изображена на фиг. 3 d), где с помощью вертикальных стрелок показаны моменты генерации Q-switch импульсов. Частота следования Q-switch импульсов F=1/T находится в диапазоне 0,1-100 кГц.The laser radiation intensity J versus time t is conventionally shown in FIG. 3 d), where, using the vertical arrows, the moments of Q-switch pulse generation are shown. The repetition rate of the Q-switch pulses F = 1 / T is in the range of 0.1-100 kHz.

Поясним работу предлагаемого лазера.Let us explain the operation of the proposed laser.

Световой луч, распространяющийся в резонаторе лазера справа налево (см. фиг. 2), при прохождении через модулятор 2 в различные моменты времени испытывает дифракцию на бегущей акустической волне с двумя различными частотами f1 и f2. При этом образуются два дифрагированных луча (обозначены на фиг. 2 буквами «b» и «c»), которые распространяются под углами θ1 и θ2 по отношению к прошедшему (недифрагированному) лучу (обозначен на фиг. 2 буквой «a»).A light beam propagating in the laser cavity from right to left (see Fig. 2), when passing through the modulator 2 at different points in time, experiences diffraction by a traveling acoustic wave with two different frequencies f 1 and f 2 . In this case, two diffracted beams are formed (indicated in Fig. 2 by the letters “b” and “c”), which propagate at angles θ 1 and θ 2 with respect to the transmitted (non-diffracted) beam (indicated in Fig. 2 by the letter “a”) .

Первый из дифрагированных лучей «b» соответствует дифракции на акустической волне с частотой f1. Этот луч имеет допплеровский сдвиг частоты f1. После отражения от зеркала 1 прошедший луч «a» и первый дифрагированный луч «b» распространяются назад по тому же пути и попадают обратно в модулятор 2, где испытывают повторную дифракцию. В результате повторной дифракции часть луча «b» возвращается обратно в резонатор с удвоенным допплеровским сдвигом частоты 2f1, а другая его часть проходит без дифракции и выводится из резонатора. Прошедший луч «a» после повторного прохождения модулятора частично возвращается в резонатор без изменения частоты, а частично испытывает дифракцию в модуляторе со сдвигом частоты f1 и покидает резонатор. В результате этого после двойного прохода излучения через модулятор с акустической волной на частоте f1 из резонатора выводится пучок, обозначенный на фиг. 2 буквой «a». Вследствие интерференции световых волн с разными частотными сдвигами интенсивность выводимого из резонатора пучка «d» модулирована по времени с частотой 2f1.The first of the diffracted rays "b" corresponds to diffraction by an acoustic wave with a frequency f 1 . This beam has a Doppler frequency shift f 1 . After reflection from the mirror 1, the transmitted beam "a" and the first diffracted beam "b" propagate back along the same path and fall back to modulator 2, where they experience re-diffraction. As a result of repeated diffraction, part of the “b” beam is returned back to the resonator with a doubled Doppler frequency shift 2f 1 , and its other part passes without diffraction and is removed from the resonator. The transmitted beam "a" after repeated passage of the modulator partially returns to the resonator without changing the frequency, and partially experiences diffraction in the modulator with a frequency shift f 1 and leaves the resonator. As a result of this, after a double passage of radiation through a modulator with an acoustic wave at a frequency f 1 , the beam indicated in FIG. 2 with the letter “a”. Due to the interference of light waves with different frequency shifts, the intensity of the beam “d” extracted from the resonator is modulated in time with a frequency of 2f 1 .

Второй из дифрагированных лучей («c») соответствует дифракции на акустической волне с частотой f2. Его угол распространения равен θ2. В резонаторе лазера установлена дополнительная (по сравнению с известным решением по патенту РФ №4278242) внеосевая диафрагма 9, расположенная вблизи концевого зеркала 1, которая перекрывает дифрагированный пучок «c» и препятствует его обратному возврату в лазерный резонатор. Прошедший световой пучок «a» после отражения от зеркала 1 испытывает повторную дифракцию в модуляторе 2 на волне с частотой f2 и частично выводится из резонатора. Выводимый пучок обозначен на фиг. 2 буквой «e».The second of the diffracted rays ("c") corresponds to diffraction by an acoustic wave with a frequency f 2 . Its propagation angle θ is equal to 2. An additional off-axis diaphragm 9, which is located near the end mirror 1, which closes the diffracted beam “c” and prevents its return to the laser cavity, is installed in the laser resonator (compared to the known solution of the RF patent No. 4278242). The transmitted light beam "a" after reflection from the mirror 1 experiences repeated diffraction in the modulator 2 on a wave with a frequency f 2 and is partially removed from the resonator. The output beam is indicated in FIG. 2 letter "e".

Коэффициент потерь Т, вносимый в резонатор АО модулятором, определяется отношением интенсивности выводимых из резонатора пучков излучения на прямом и обратном проходе модулятора (после отражения от зеркала) к интенсивности падающего справа на модулятор светового пучка. Дифракционную эффективность модулятора за один проход излучения через модулятор обозначим η. Если в модуляторе распространяется акустическая волна с частотой f1, то потери определяются средней интенсивностью выводимого из резонатора пучка «d» (см. фиг. 2). Вычисляя интенсивность пучка «d», для коэффициента потерь Т в зависимости от эффективности модулятора η получаем выражение Т=2⋅η⋅(1-η). Заметим, что аналогичное выражение для потерь будет справедливо также для известного решения по патенту РФ №2478242. Анализ этого выражения показывает, что с увеличением η коэффициент потерь Т достигает максимального значения Т=0,5 при значении η=0,5 и далее спадает до нуля при η=1. Кроме того, максимальное значение Т=0,5 необходимо рассматривать как среднее во времени значение. Как указывалось выше, выводимый из резонатора пучок «d» имеет модуляцию на частоте 2⋅f1. Поэтому связанный с этим пучком коэффициент потерь Т также модулирован на частоте 2%. При этом в точках минимума коэффициент потерь Т<0,5. Генерация лазерных импульсов с синхронизацией мод происходит в этих точках минимума коэффициента потерь.The loss coefficient T introduced into the resonator by an AO modulator is determined by the ratio of the intensity of the radiation beams emitted from the resonator in the forward and backward pass of the modulator (after reflection from the mirror) to the intensity of the light beam incident on the right of the modulator. The diffraction efficiency of the modulator in one pass of radiation through the modulator is denoted by η. If an acoustic wave with a frequency f 1 propagates in the modulator, then the losses are determined by the average intensity of the beam “d” extracted from the resonator (see Fig. 2). Calculating the beam intensity “d”, for the loss coefficient T, depending on the modulator efficiency η, we obtain the expression T = 2⋅η⋅ (1-η). Note that a similar expression for losses will also be true for the well-known decision on the patent of the Russian Federation No. 2478242. An analysis of this expression shows that with an increase in η, the loss coefficient T reaches a maximum value of T = 0.5 at a value of η = 0.5 and then decreases to zero at η = 1. In addition, the maximum value of T = 0.5 must be considered as the average value over time. As mentioned above, the “d” beam extracted from the resonator has a modulation at a frequency of 2⋅f 1 . Therefore, the loss coefficient T associated with this beam is also modulated at a frequency of 2%. At the same time, at the minimum points, the loss coefficient is T <0.5. Mode-locked laser pulses occur at these minimum loss factor points.

В случае когда в модуляторе распространяется акустическая волна с частотой f2, в потери резонатора дает вклад интенсивность пучка «с», задержанного диафрагмой 9. Вычисляя суммарную интенсивность пучка «с» и выводимого из резонатора пучка «е», для коэффициента потерь получаем выражение Т=η(2-η). Из этого выражения следует, что максимальное значение потерь Т=1 при η=1. Для типичного АОМ с дифракционной эффективностью η=0,7 имеем коэффициент потерь Т=0,91. Такое значение потерь достаточно для модуляции добротности в большинстве лазеров с повышенным коэффициентом усиления излучения.In the case when an acoustic wave with a frequency f 2 propagates in the modulator, the intensity of the beam "c" delayed by the diaphragm 9 contributes to the loss of the resonator. Calculating the total intensity of the beam "c" and the beam "e" output from the resonator, for the loss coefficient we obtain the expression T = η (2-η). From this expression it follows that the maximum value of the losses T = 1 at η = 1. For a typical AOM with diffraction efficiency η = 0.7, we have a loss coefficient T = 0.91. Such a loss value is sufficient for Q-switching in most lasers with a high radiation gain.

Для улучшения пространственного разделения дифрагированных световых пучков «b» и «c» в плоскости диафрагмы 9 (см. фиг. 2) необходимо увеличивать разность между рабочими частотами модулятора f2-f1. Целесообразно выбрать значение частоты f2=1,5⋅f1, так как в этом случае допплеровский сдвиг частоты рассеяного света, не задержанного диафрагмой 9 в процессе переключения частоты, лежит в промежутке между лазерными модами (антирезонанс), что приводит к дополнительному подавлению светового излучения в резонаторе.To improve the spatial separation of the diffracted light beams "b" and "c" in the plane of the diaphragm 9 (see Fig. 2), it is necessary to increase the difference between the operating frequencies of the modulator f 2 -f 1 . It is advisable to select a frequency value f 2 = 1,5⋅f 1, since in this case the Doppler frequency shift of the scattered light, the diaphragm 9 is not delayed during the frequency shift lies in an interval between the laser modes (antiresonance), which leads to further suppression of the light radiation in the cavity.

Для обеспечения работы модулятора на двух разных частотах f1 и f2 целесообразно использовать режим работы, который является промежуточным между режимами дифракции Рамана-Ната и Брэгга. Теоретическое рассмотрение этого режима изложено в книге [1] В.И. Балакший, В.Н. Парыгин, Л.Е. Чирков. Физические основы акустооптики. - М.: Радио и связь, 1985. - 280 с. В этой работе показано, что при выборе оптимального значения длины пьезопреобразователя модулятора в направлении распространения света возможно обеспечение как высокой дифракционной эффективности модулятора (η≈0,8), так и достаточно широкой полосы рабочих частот, достигающей 60% от средней рабочей частоты.To ensure the operation of the modulator at two different frequencies f 1 and f 2 it is advisable to use an operating mode that is intermediate between the Raman-Nath and Bragg diffraction modes. A theoretical review of this regime is set forth in the book [1] by V.I. Balakshiy, V.N. Parygin, L.E. Chirkov. Physical foundations of acousto-optics. - M .: Radio and communications, 1985 .-- 280 p. In this work, it is shown that, when choosing the optimal value of the length of the modulator piezoelectric transducer in the direction of light propagation, it is possible to ensure both high diffraction efficiency of the modulator (η≈0.8) and a sufficiently wide band of operating frequencies reaching 60% of the average operating frequency.

Предлагаемый лазер реализован с длиной резонатора L=1,5 м. В качестве активной среды использовался кристалл Nd: YAG с диодной накачкой (длина волны лазерного перехода λ=1,064 мкм). Межмодовая частота резонатора лазера составляла 100 МГц. Зеркало 1 имело радиус кривизны отражающей поверхности R1=400 мм. Модулятор 2 выполнен на кристалле кварца со скоростью акустической волны V=5,75 км/сек. Первая рабочая частота модулятора f1=50 МГц, что составляет половину от межмодовой частоты резонатора. Вторая рабочая частота модулятора f2=1,5 f1=75 МГц. Исходя из этих значений рабочих частот, длина пьезопреобразователя модулятора в направлении распространения света выбрана равной 25 мм. Толщина пьезопреобразователя соответствовала его резонансной частоте, равной среднему значению между частотами f1 и f2. Для расширения полосы частот пьезопреобразователя применялась согласующая электрическая схема. При этом получен диапазон рабочих частот модулятора от 44 МГц до 82 МГц по уровню спада, равному 0,8 от максимального значения дифракционной эффективности, около 80%.The proposed laser was implemented with a cavity length L = 1.5 m. An Nd: YAG crystal with diode pumping (laser transition wavelength λ = 1.064 μm) was used as an active medium. The intermode frequency of the laser cavity was 100 MHz. Mirror 1 had a radius of curvature of the reflecting surface R 1 = 400 mm. Modulator 2 is made on a quartz crystal with an acoustic wave velocity of V = 5.75 km / s. The first operating frequency of the modulator is f 1 = 50 MHz, which is half of the intermode frequency of the resonator. The second operating frequency of the modulator is f 2 = 1.5 f 1 = 75 MHz. Based on these values of the operating frequencies, the length of the piezoelectric transducer of the modulator in the direction of light propagation is chosen equal to 25 mm The thickness of the piezoelectric transducer corresponded to its resonant frequency equal to the average value between the frequencies f 1 and f 2 . To expand the frequency band of the piezoelectric transducer, a matching electrical circuit was used. In this case, a range of operating frequencies of the modulator from 44 MHz to 82 MHz was obtained with a drop level equal to 0.8 of the maximum value of diffraction efficiency, about 80%.

Для синхронизации мод лазера использовался управляющий сигнал в виде радиоимпульсов с несущей частотой f1=50 МГц, длительностью 4 мкс и частотой повторения 1 кГц (см. фиг. 3а). Сигнал с частотой f2=75 МГц применялся для модуляции добротности лазера. С этой целью уровень амплитуды сигнала 75 МГц периодически модулировался до нулевого уровня на время паузы длительностью 4 мкс при частоте повторения 1 кГц. Модулированный сигнал 75 МГц суммировался по амплитуде с сигналом 50 МГц, усиливался и подавался в модулятор 2. На входе модулятора 2 импульсная мощность сигнала 75 МГц составляла 35 Вт, что обеспечивало дифракционную эффективность модулятора η=0,7. В результате этого коэффициент потерь излучения в резонаторе лазера за двойной проход в режиме модуляции добротности составлял Т=0,91. Импульсная мощность сигнала на частоте 50 МГц составляла около 5 Вт, в результате чего достигалась эффективность модулятора η≈0,15, достаточная для эффективной синхронизации лазерных мод.To synchronize the laser modes, we used a control signal in the form of radio pulses with a carrier frequency f 1 = 50 MHz, a duration of 4 μs, and a repetition rate of 1 kHz (see Fig. 3a). A signal with a frequency of f 2 = 75 MHz was used to modulate the quality factor of the laser. For this purpose, the signal amplitude level of 75 MHz was periodically modulated to a zero level for a pause time of 4 μs at a repetition rate of 1 kHz. The modulated signal of 75 MHz was summed in amplitude with the signal of 50 MHz, amplified and fed to modulator 2. At the input of modulator 2, the pulse power of the 75 MHz signal was 35 W, which ensured the diffraction efficiency of the modulator η = 0.7. As a result, the coefficient of radiation loss in the laser cavity for a double pass in the Q-switching mode was T = 0.91. The pulse power of the signal at a frequency of 50 MHz was about 5 W, as a result of which a modulator efficiency of η≈0.15 was achieved, which is sufficient for efficient synchronization of laser modes.

На фиг. 4 показана осциллограмма одного Q-switch импульса излучения, полученная в предлагаемом лазере. Импульс имеет длительность по полувысоте огибающей, равную 130 нс. Внутри огибающей импульс содержит серию коротких импульсов с синхронизацией мод, следующих с периодом 10 нс. Частота повторения Q-switch импульсов равна 1 кГц, средняя мощность лазера 2 Вт. При отключении управляющего сигнала с частотой f1=50 МГц на осциллограмме отсутствовали короткие импульсы с синхронизацией мод, а временной профиль импульса совпадал с огибающей линией, проведенной через вершины коротких импульсов на фиг. 4. Таким образом, реализовано переключение режима работы, что подтверждает расширенные функциональные возможности лазера.In FIG. 4 shows an oscillogram of one Q-switch radiation pulse obtained in the proposed laser. The pulse has a half-width of the envelope equal to 130 ns. Inside the envelope, the pulse contains a series of short pulses with mode synchronization, followed by a period of 10 ns. The repetition frequency of the Q-switch pulses is 1 kHz, the average laser power is 2 watts. When the control signal with the frequency f 1 = 50 MHz was turned off, the oscillogram had no short pulses with mode synchronization, and the time profile of the pulse coincided with the envelope drawn through the vertices of the short pulses in FIG. 4. Thus, the switching of the operating mode is realized, which confirms the advanced functionality of the laser.

На фиг. 5 приведена осциллограмма трех Q-switch импульсов излучения, полученная в предлагаемом лазере. Частота повторения Q-switch импульсов 1 кГц. На осциллограмме отсутствуют предвестники импульсов, наблюдаемые в лазере по патенту РФ №2478242 (см. фиг. 1). Это объясняется повышенным уровнем модуляции потерь резонатора (91%) в предлагаемом лазере. В предложенном лазере получена средняя мощность излучения 2 Вт при частоте повторения Q-switch импульсов 1 кГц, в то время как в лазере по патенту РФ №2478242 такая же мощность излучения (при отсутствии предвестников импульса) получается при частоте повторения Q-switch импульсов 2 кГц. Отсюда следует, что в предложенном лазере энергия одного Q-switch импульса примерно вдвое выше, чем в известном решении по патенту РФ №2478242.In FIG. 5 shows an oscillogram of three Q-switch radiation pulses obtained in the proposed laser. The repetition frequency of the Q-switch pulses is 1 kHz. On the waveform there are no precursors of pulses observed in the laser according to the patent of the Russian Federation No. 2478242 (see Fig. 1). This is due to the increased modulation of the resonator losses (91%) in the proposed laser. In the proposed laser, an average radiation power of 2 W was obtained at a pulse repetition frequency of Q-switch pulses of 1 kHz, while in the laser according to RF patent No. 2478242 the same radiation power (in the absence of pulse precursors) is obtained at a pulse repetition frequency of Q-switch of 2 kHz . It follows that in the proposed laser the energy of one Q-switch pulse is approximately twice as high as in the well-known solution according to the RF patent No. 2478242.

Полученные результаты подтверждают эффективность предложенного технического решения.The results obtained confirm the effectiveness of the proposed technical solution.

Claims (1)

Лазер с модуляцией добротности и синхронизацией мод, содержащий в первом плече оптического резонатора последовательно расположенные первое концевое зеркало, акустооптический модулятор, активный элемент и первое вспомогательное зеркало, а в другом плече вторые вспомогательное и концевое зеркала, между которыми устанавливается нелинейный элемент, отличающийся тем, что упомянутый модулятор в разные моменты времени работает на двух звуковых частотах, подаваемых через дополнительно введенный сумматор электрических сигналов от двух дополнительно введенных генераторов модулированных колебаний, синхронизируемых третьим генератором, задающим частоту следования импульсов лазера, выбираемую в диапазоне от (0,1-100) кГц, причем величина первой звуковой частоты определяется параметрами оптического резонатора для выполнения условия синхронизации мод лазера, а вторая звуковая частота, обеспечивающая модуляцию добротности резонатора, выбирается в полтора раза выше первой, причем выходящий из модулятора световой пучок после дифракции на этой частоте перекрывается дополнительно введенной диафрагмой.A Q-switched laser with mode synchronization, comprising in the first arm of the optical cavity a first end mirror, an acousto-optic modulator, an active element and a first auxiliary mirror, and second auxiliary and end mirrors in the other arm, between which a nonlinear element is installed, characterized in that the said modulator at different points in time operates at two sound frequencies supplied through an additionally entered adder of electrical signals from two additional of modulators of oscillations introduced by us, synchronized by a third generator that sets the laser pulse repetition rate, selected in the range from (0.1-100) kHz, the first sound frequency being determined by the parameters of the optical resonator to satisfy the laser mode synchronization condition, and the second sound frequency, providing modulation of the Q-factor of the resonator, it is selected one and a half times higher than the first, and the complementary light beam exiting from the modulator after diffraction at this frequency is blocked but entered aperture.
RU2015121867A 2015-06-08 2015-06-08 Laser with resonator q-factor modulation and mode synchronization RU2606348C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015121867A RU2606348C1 (en) 2015-06-08 2015-06-08 Laser with resonator q-factor modulation and mode synchronization

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015121867A RU2606348C1 (en) 2015-06-08 2015-06-08 Laser with resonator q-factor modulation and mode synchronization

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2015121867A RU2015121867A (en) 2016-12-27
RU2606348C1 true RU2606348C1 (en) 2017-01-10

Family

ID=57759373

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015121867A RU2606348C1 (en) 2015-06-08 2015-06-08 Laser with resonator q-factor modulation and mode synchronization

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2606348C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2799662C2 (en) * 2021-10-20 2023-07-10 Общество с ограниченной ответственностью «АКАДЕМЛАЗЕРМАШ» Q-switched solid-state laser with combined mode locking

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5878119A (en) * 1981-11-04 1983-05-11 Nec Corp Acoustooptic modulating element
US20020009843A1 (en) * 2000-07-24 2002-01-24 Nec Corporation Method for repairing pattern by laser and laser-based pattern repair apparatus
US6563845B2 (en) * 1999-03-03 2003-05-13 Haas-Laser Gmbh + Co. Kg Optical modulation device
RU2478242C2 (en) * 2011-06-07 2013-03-27 Учреждение Российской академии наук Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН Q-switched and mode-coupled laser
US20150049775A1 (en) * 2013-08-14 2015-02-19 Korea Institute Of Science And Technology Pulse laser apparatus

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5878119A (en) * 1981-11-04 1983-05-11 Nec Corp Acoustooptic modulating element
US6563845B2 (en) * 1999-03-03 2003-05-13 Haas-Laser Gmbh + Co. Kg Optical modulation device
US20020009843A1 (en) * 2000-07-24 2002-01-24 Nec Corporation Method for repairing pattern by laser and laser-based pattern repair apparatus
RU2478242C2 (en) * 2011-06-07 2013-03-27 Учреждение Российской академии наук Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН Q-switched and mode-coupled laser
US20150049775A1 (en) * 2013-08-14 2015-02-19 Korea Institute Of Science And Technology Pulse laser apparatus

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2799662C2 (en) * 2021-10-20 2023-07-10 Общество с ограниченной ответственностью «АКАДЕМЛАЗЕРМАШ» Q-switched solid-state laser with combined mode locking
RU226934U1 (en) * 2023-12-26 2024-06-28 Общество с ограниченной ответственностью "КВАНТ-ФОТОНИКС" Laser

Also Published As

Publication number Publication date
RU2015121867A (en) 2016-12-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US3297876A (en) Amplitude modulation for lasers
US7116688B2 (en) Laser system and method for generation of a pulse sequence with controllable parameters and computer program product
JP2010505242A (en) Method and system for a pulsed laser source emitting a shaped optical waveform
KR20090015917A (en) Method and system for pulsed wavelength tunable laser source
CA2531353C (en) Pulsed laser light source
KR20140131258A (en) Method for operating a Laser System
EP3131163B1 (en) Laser light-source apparatus and laser pulse light generating method
US20170054268A1 (en) Laser light-source apparatus and laser pulse light generating method
JP2021510930A (en) Laser systems and methods for generating laser pulses with extremely high repetition rates
CN108832476A (en) A kind of multiple channel acousto photoreactivation tune Q light source and Q-regulating method
US10784643B2 (en) Reducing the pulse repetition frequency of a pulsed laser system
US12149040B2 (en) Multi-wavelength mid-infrared laser pulse train cavity dumped laser based on Nd:MgO:APLN crystal
RU2606348C1 (en) Laser with resonator q-factor modulation and mode synchronization
KR930010132B1 (en) Phase conjugate laser with a temporal square pulse and its forming method
JP3035613B1 (en) Apparatus and method for pulsed amplification of single mode laser light
JP3504592B2 (en) Pulse laser generator and X-ray generator using the same
CN115377786B (en) System and method for improving laser pulse time domain contrast
RU2478242C2 (en) Q-switched and mode-coupled laser
JP2001267667A (en) Frequency shift feedback type mode synchronizing laser and frequency shift feedback type reproduction mode synchronizing laser
Lian et al. High repetition rate, high peak power, pulsed single-longitudinal-mode Nd: YAG laser by self-injection-seeding
RU2751446C1 (en) Method for compensating for the narrowing of radiation spectrum in laser regenerative amplifier and device for its implementation
US3544805A (en) Laser delay line using biasing signal
Damzen et al. Ultrashort pulse generation by phase locking of multiple stimulated Brillouin scattering
JPH1197783A (en) Q switched pulse laser driving method
US3922618A (en) Multiple transition laser