RU2799662C2

RU2799662C2 - Q-switched solid-state laser with combined mode locking

Info

Publication number: RU2799662C2
Application number: RU2021130510A
Authority: RU
Inventors: Алексей Валерьевич Грибанов; Михаил Дмитриевич Яковин; Дмитрий Васильевич Яковин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью «АКАДЕМЛАЗЕРМАШ»
Filing date: 2021-10-20
Publication date: 2023-07-10

Abstract

FIELD: laser technology.

SUBSTANCE: laser with Q-switched resonator and mode-locking comprises a resonator of four mirrors, two of which are end, and two are intermediate and rotary; an active crystal (AC) in an inclined arm formed by two swivel mirrors, whereas the radiation of the laser pump diode is focused in the AC by a lens system through a meniscus swivel mirror, an acousto-optic modulator is placed in one of the two end arms, each of which is formed by an end and a swivel mirror, made of a material with a Kerr nonlinearity to form Q-switching and mode locking, the operating frequency f of the modulator is set equal to or a multiple of half the intermode interval 2f of the laser, the switching frequency of the modulator determines the repetition rate of Q-switch pulses, a nonlinear crystal is placed in the second end arm for generation of multiple harmonics and parametric generation, configured for obtaining laser radiation in a given spectral range.

EFFECT: ultrashort pulses with high peak power in a solid-state laser with one traveling wave AOM for Q-switching, mode locking and formation of a Kerr lens.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к лазерной технике, более конкретно к импульсным твердотельным лазерам, в которых для получения сверхкоротких импульсов (СКИ) с высокими пиковыми мощностями используется модуляция добротности резонатора (режим Q-switch) и синхронизация мод. The invention relates to laser technology, more specifically to pulsed solid-state lasers, in which to obtain ultrashort pulses (USPs) with high peak powers, resonator Q-switching (Q-switch mode) and mode locking are used.

Известны решения, когда для получения модуляции добротности и синхронизации мод в резонаторе лазера используют два акустооптических модулятора (АОМ): АОМ бегущей волны для модуляции добротности и АОМ стоячей волны для синхронизации мод. Недостатками таких решений являются: наличие дополнительных потерь в резонаторе, сложность конструкции, громоздкость и высокая стоимость лазера. [1. Мустель Е.Р., Парыгин В.Н. Методы модуляции и сканирования света. М.: Наука, 1970. 2. Магдич Л.Н., Молчанов В.Я. Акустооптические устройства и их применение. М.: Советское радио, 1978].Solutions are known when two acousto-optic modulators (AOM) are used to obtain Q-switching and mode locking in the laser cavity: a traveling wave AOM for Q-switching and a standing wave AOM for mode locking. The disadvantages of such solutions are: the presence of additional losses in the resonator, the complexity of the design, the bulkiness and high cost of the laser. [1. Mustel E.R., Parygin V.N. Light modulation and scanning methods. M.: Nauka, 1970. 2. Magdich L.N., Molchanov V.Ya. Acousto-optic devices and their applications. M.: Soviet radio, 1978].

Также известны лазеры с активной синхронизацией мод, реализованной с помощью АОМ бегущей волны и возврата дифрагировавших волн в резонатор с помощью дополнительных зеркал, что увеличивает область синхронизации более чем в 10 раз по сравнению с используемым для этих целей АОМ стоячей волны [4. Кравцов Н.В. и др. Письма в ЖТФ. Т. 9. В. 7. С. 440. 1983. 5. Надточеев В.Е., Наний О.Е. Квантовая электроника. Т. 16. №11. С. 2231. 1989]. Недостатками такого метода синхронизации мод является: 1) сложность конструкции лазера из-за наличия дополнительных зеркал; 2) Величина пиковой мощности ниже в 10³-10⁴ раз из-за отсутствия модуляции добротности резонатора, по сравнению с лазерами, в которых одновременно осуществляется режим Q-switch и синхронизация мод (QML режим).Also known are lasers with active mode locking implemented using a traveling wave AOM and the return of diffracted waves to the resonator using additional mirrors, which increases the synchronization region by more than 10 times compared to the standing wave AOM used for these purposes [4. Kravtsov N.V. etc. Letters to ZhTF. T. 9. V. 7. S. 440. 1983. 5. Nadtocheev V.E., Naniy O.E. Quantum electronics. T. 16. No. 11. S. 2231. 1989]. The disadvantages of this method of mode locking are: 1) the complexity of the laser design due to the presence of additional mirrors; 2) The value of the peak power is 10 ³ -10 ⁴ times lower due to the absence of Q-switching of the resonator, compared with lasers in which the Q-switch mode and mode locking (QML mode) are simultaneously implemented.

Для улучшения характеристик лазера иногда используется комбинация АОМа с поглощающими элементами [5. Lewis M.A., KnudtsonJ. T.Active-passivemode-lockedNd: YAGoscillator // Appliedoptics. 1982. 21, №16. P. 2897-2900.]. Однако это приводит к удорожанию и усложнению конструкции лазера.To improve the characteristics of the laser, a combination of AOM with absorbing elements is sometimes used [5. Lewis M.A., KnudtsonJ. T.Active-passivemode-lockedNd: YAGoscillator // Appliedoptics. 1982. 21, no. 16. P. 2897-2900.]. However, this leads to an increase in the cost and complexity of the laser design.

Авторам [6. Грязное Н.А., Соснов Е.Н., Горячкин Д.А., Никитина В.М., Родионов А.Ю. Активная фазовая синхронизация мод в резонаторе с управляемым интерферометром Майкельсона// Оптический журнал. 2019. 86, №4. С. 3-10.] удалось организовать QML режим при помощи одного электрооптического модулятора. Модулятор был установлен в одном из плеч управляемого интерферометра Майкельсона, используемого в качестве выходного зеркала резонатора. Недостатками этого метода являются сложная схема лазерного резонатора и трудоемкий процесс точной настройки интерферометра.Authors [6. Gryaznoe N.A., Sosnov E.N., Goryachkin D.A., Nikitina V.M., Rodionov A.Yu. Active phase locking of modes in a resonator with a controlled Michelson interferometer // Optical journal. 2019. 86, No. 4. P. 3-10.] managed to organize the QML mode using a single electro-optical modulator. The modulator was installed in one of the arms of the controllable Michelson interferometer used as the output mirror of the resonator. The disadvantages of this method are the complex scheme of the laser resonator and the time-consuming process of fine tuning the interferometer.

Известно решение, где модуляция добротности и активная синхронизация мод в твердотельном лазере реализованы с помощью АОМ бегущей волны и возврата дифрагировавших волн в резонатор с помощью концевого сферического зеркала резонатора [7. Патент №2478242]. Недостатком такого метода является использование дополнительного нелинейного кристалла для получения керровской линзы и точного позиционирования АОМа относительно вогнутого сферического зеркала резонатора, что приводит к ограничению компактности конструкции таких лазеров.A solution is known, where Q-switching and active mode locking in a solid-state laser are implemented using a traveling wave AOM and the return of diffracted waves to the resonator using the end spherical mirror of the resonator [7. Patent No. 2478242]. The disadvantage of this method is the use of an additional nonlinear crystal to obtain a Kerr lens and precise positioning of the AOM relative to the concave spherical cavity mirror, which limits the compactness of the design of such lasers.

В предлагаемом лазере получены сверхкороткие импульсы с высокой пиковой мощностью посредством использования одного АОМ бегущей волны. Технический результат достигается за счет того, что твердотельный лазер, работающий в режиме синхронизации мод или модуляции добротности, или в обоих режимах одновременно, содержит источник продольной накачки, четырехзеркальный резонатор, активный элемент (неодим содержащий кристалл, например, ортованадат иттрия, иттрий-алюминиевый гранат, иттрий-литиевый фторид), акустооптический модулятор. Четырехзеркальный резонатор собран по Z-образной схеме, активный элемент помещается в плечо образованное двумя поворотными зеркалами. В плечо, образованное первыми концевым и поворотным зеркалами помещается акустооптический модулятор, изготовленный из материала, обладающего керровской нелинейностью. В плечо, образованное вторыми поворотным и концевым зеркалами помещается диафрагма, в этом же плече располагается нелинейный кристалл для преобразования длины волны генерации лазера. Зеркала резонатора могут иметь произвольные радиусы кривизны, исходя из устойчивости резонатора. Уникальность изобретения заключается в том, что сокращение длительности импульсов достигается за счет высокого коэффициента нелинейности показателя преломления в самом акустооптическом модуляторе. Рабочая частота f модулятора задается равной (или кратной) половине межмодового интервала 2f лазера (2f≈c/2L, где с - скорость света, L - длина резонатора), а частота переключения модулятора определяет частоту следования Q-switch импульсов (например, выбирается в диапазоне от одного до ста килогерц).In the proposed laser, ultrashort pulses with high peak power are obtained by using a single traveling wave AOM. The technical result is achieved due to the fact that a solid-state laser operating in mode locking or Q-switching mode, or in both modes simultaneously, contains a longitudinal pumping source, a four-mirror resonator, an active element (neodymium containing a crystal, for example, yttrium orthovanadate, yttrium-aluminum garnet , yttrium-lithium fluoride), acousto-optic modulator. The four-mirror resonator is assembled according to the Z-shaped scheme, the active element is placed in the arm formed by two rotary mirrors. An acousto-optic modulator made of a material with Kerr nonlinearity is placed in the arm formed by the first end and turning mirrors. A diaphragm is placed in the arm formed by the second rotary and end mirrors, and a nonlinear crystal is located in the same arm for converting the laser generation wavelength. The resonator mirrors can have arbitrary radii of curvature, based on the stability of the resonator. The uniqueness of the invention lies in the fact that the reduction in the duration of the pulses is achieved due to the high coefficient of nonlinearity of the refractive index in the acousto-optic modulator itself. The operating frequency f of the modulator is set equal to (or a multiple of) half the intermode interval 2f of the laser (2f≈c/2L, where c is the speed of light, L is the length of the resonator), and the switching frequency of the modulator determines the repetition rate of the Q-switch pulses (for example, is selected in range from one to one hundred kilohertz).

Целью изобретения является получение сверхкоротких импульсов с высокой пиковой мощностью в твердотельном лазере посредством использования одного АОМ бегущей волны для модуляции добротности, синхронизации мод и образования керровской линзы без использования дополнительных элементов. Помещенный нелинейный кристалл в резонатор лазера используется для получения длины волны выходного излучения в заданном спектральном диапазоне.The aim of the invention is to obtain ultrashort pulses with high peak power in a solid state laser by using a single traveling wave AOM for Q-switching, mode locking and Kerr lens formation without the use of additional elements. A nonlinear crystal placed in the laser cavity is used to obtain the output radiation wavelength in a given spectral range.

Описание предлагаемого решения поясняется графическим материалом:The description of the proposed solution is illustrated by graphic material:

Фиг. 1. Схема лазера. 1, 3, 5, 8 - зеркала резонатора, 2 - акустооптический модулятор, 4 - активный элемент, 6 - один или более нелинейных кристаллов для преобразования длины волны генерации лазера, 7 - диафрагма, 9 - согласующая линзовая система; 10 - источник накачки активного кристалла.Fig. 1. Schematic of the laser. 1, 3, 5, 8 - cavity mirrors, 2 - acousto-optic modulator, 4 - active element, 6 - one or more nonlinear crystals for converting the laser generation wavelength, 7 - diaphragm, 9 - matching lens system; 10 - active crystal pumping source.

Фиг. 2. Принцип создания режимов модуляции добротности и синхронизации мод.Fig. 2. The principle of creating modes of Q-switching and mode locking.

Фиг. 3. Денситограмма импульса генерации Nd:YAG лазера (на длине волны λ=1,064 мкм) в режиме Q-switch с синхронизацией мод. Средняя мощность лазера 2 Вт, частота повторения 2 кГц.Fig. Fig. 3. Densitogram of the Nd:YAG laser generation pulse (at a wavelength of λ=1.064 μm) in the Q-switch mode with mode locking. Average laser power 2 W, repetition rate 2 kHz.

Лазер (фиг. 1) выполнен на простой Z-образной схеме оптического резонатора. Активный кристалл 4 продольно накачивается через линзовую систему 9, в качестве источника накачки 10 используется лазерный диод, или линейка лазерных диодов. Акустооптический модулятор 2 обеспечивает режимы модуляции добротности и синхронизации мод.The laser (Fig. 1) is made on a simple Z-shaped scheme of the optical resonator. The active crystal 4 is longitudinally pumped through the lens system 9; the pump source 10 is a laser diode, or a line of laser diodes. Acousto-optic modulator 2 provides Q-switching and mode locking modes.

Принцип создания режимов модуляции добротности и синхронизации мод иллюстрируется фиг. 2. Модулятор располагается под углом Брэгга (θ_Б) к оптической оси резонатора рядом с концевым сферическим зеркалом (СЗ) резонатора так, чтобы оптическая длина пути между центром модулятора и отражающей поверхностью зеркала была приблизительно равна радиусу кривизны R этого зеркала. На пьезопреобразователь АОМа подается рабочая частота f, равная половине межмодового интервала лазера (c/2L=2f). При прохождении светового луча 1 (с частотой ν₀) через АОМ справа налево на зеркало падает два луча (лучи 2 и 3 с частотами ν₀ и ν₀ + f соответственно). Оба эти луча, отражаясь от зеркала, возвращаются в АОМ по тому же оптическому пути, где подвергаются повторной дифракции. Луч 2 распадается на лучи 4 и 5 с частотами ν₀ и ν₀ - f соответственно. Луч 3 распадается на лучи 6 и 7 с частотами ν₀ + f и ν₀ + 2f соответственно. Лучи 5 и 6 выходят из резонатора под углом 2θ_Б. Лучи 4 и 7 остаются в резонаторе и за счет луча 7 с частотой ν₀ + 2f достигается эффект синхронизации мод.The principle of creating Q-switched and mode-locked modes is illustrated in Fig. 2. The modulator is located at the Bragg angle (θ _B ) to the optical axis of the resonator near the end spherical mirror (SZ) of the resonator so that the optical path length between the center of the modulator and the reflecting surface of the mirror is approximately equal to the radius of curvature R of this mirror. The AOM piezoelectric transducer is supplied with an operating frequency f equal to half of the intermode interval of the laser (c/2L=2f). When light beam 1 passes (with frequency ν ₀ ) through the AOM from right to left, two beams fall on the mirror (beams 2 and 3 with frequencies ν ₀ and ν ₀ + f, respectively). Both of these beams, reflected from the mirror, return to the AOM along the same optical path, where they are subjected to repeated diffraction. Beam 2 splits into beams 4 and 5 with frequencies ν ₀ and ν ₀ - f, respectively. Beam 3 splits into beams 6 and 7 with frequencies ν ₀ + f and ν ₀ + 2f, respectively. Beams 5 and 6 exit the resonator at an angle 2θ _B . Beams 4 and 7 remain in the resonator, and due to beam 7 with a frequency ν ₀ + 2f, the effect of mode locking is achieved.

Коэффициент дифракционной связи (k_d) или дифракционная эффективность АОМа служит управляющим параметром, изменяя который можно управлять динамическими режимами генерации лазера. Таким образом, при подаче на модулятор непрерывного питающего сигнала ультразвуковой частоты и точной настройке межмодового интервала лазера на удвоенную частоту бегущей звуковой волны модулятора, изменяя величину k_d можно получить генерацию в двух режимах: синхронизация мод в непрерывном режиме (CWML) и автоколебательный QML режим (aвтоQML) при котором модуляция добротности возникает на частоте релаксационных колебаний лазера.The diffraction coupling coefficient (k _d ) or the diffraction efficiency of the AOM serves as a control parameter, by changing which it is possible to control the dynamic modes of laser generation. Thus, when a continuous ultrasonic frequency supply signal is applied to the modulator and the laser mode interval is fine-tuned to twice the frequency of the traveling sound wave of the modulator, by changing the value of k _d , it is possible to obtain generation in two modes: mode locking in the continuous mode (CWML) and self-oscillating QML mode ( autoQML) at which the Q-switching occurs at the frequency of laser relaxation oscillations.

QML режим генерации осуществляется включением периодической модуляции звуковой волны АОМа с частотой ~1÷100 кГц и увеличением k_d по сравнению с режимами CWML и aвтоQML. Выходящие под углом 2θ_Б из резонатора лучи 5 и 6 с частотами ν₀ - f и ν₀ + f обеспечивают модулирующие добротность резонатора потери. При этом после отключения рабочей частоты звуковая волна в светозвукопроводе АОМа отключается за время ~ 0,1 мкс (время прохождения заднего фронта звуковой волны через световой пучок). За это время в Q-switch импульсе генерации за счет луча повторной дифракции с частотой (ν₀+2f) одновременно происходит синхронизация мод.The QML generation mode is carried out by switching on the periodic modulation of the AOM sound wave with a frequency of ~1÷100 kHz and an increase in k _d compared to the CWML and autoQML modes. Beams 5 and 6 coming out at an angle 2θ _B from the resonator with frequencies ν ₀ - f and ν ₀ + f provide Q-modulating losses of the resonator. In this case, after switching off the operating frequency, the sound wave in the AOM light and sound duct is turned off in a time of ~ 0.1 μs (the time it takes for the trailing edge of the sound wave to pass through the light beam). During this time, in the Q-switch pulse of generation due to the re-diffraction beam with a frequency (ν ₀ +2f), mode locking occurs simultaneously.

Дальнейшее уменьшение длительности отдельного импульса генерации с целью увеличения пиковой мощности производится керровской линзой (т.е. наведенной излучением лазера), формируемой в акустооптическом модуляторе.A further decrease in the duration of an individual generation pulse in order to increase the peak power is performed by a Kerr lens (i.e., induced by laser radiation) formed in an acousto-optic modulator.

В основе метода лежит явление самофокусировки излучения в среде, благодаря которому в резонаторе можно создать эффект, аналогичный просветляющемуся поглотителю. Самофокусировка является следствием зависимости показателя преломления среды от интенсивности излучения. Это явление известно, как оптический эффект Керра, его следствием является образование линзы, сила которой зависит от интенсивности проходящего света. Сокращение длительности импульса достигается совместным действием керровской линзы и диафрагмы. Для эффективного уменьшения длительности импульса генерации необходимо, чтобы в плоскости диафрагмы размер пучка уменьшался при увеличении его интенсивности. При использовании в качестве активного элемента кристалла Nd:YAG, акустооптического модулятора изготовленного из кристаллического кварца (модель М3-322) в лазере собранном по схеме фиг. 1. были получены импульсы длительностью 15 пс в QML режиме генерации. На фиг. 3. показан результат измерения от дельного импульса внутри Q-switch цуга с помощью электронно-оптической камеры Агат-СФ3М. При средней выходной мощности лазера 2 Вт, частоте Q-switch 2 кГц и длительности Q-switch цуга 80 нс пиковая мощность импульсов составила ≈7 МВт. The method is based on the phenomenon of self-focusing of radiation in a medium, due to which it is possible to create an effect in the resonator similar to a saturable absorber. Self-focusing is a consequence of the dependence of the refractive index of the medium on the radiation intensity. This phenomenon is known as the optical Kerr effect and results in the formation of a lens whose strength depends on the intensity of the transmitted light. The shortening of the pulse duration is achieved by the combined action of the Kerr lens and diaphragm. To effectively reduce the duration of the generation pulse, it is necessary that the beam size in the diaphragm plane decreases with increasing beam intensity. When using an Nd:YAG crystal as an active element, an acousto-optic modulator made of crystalline quartz (model M3-322) in a laser assembled according to the scheme of Fig. 1. pulses with a duration of 15 ps were obtained in the QML generation mode. In FIG. Figure 3 shows the result of measuring an individual pulse inside a Q-switch train using an Agat-SF3M electron-optical camera. At an average laser output power of 2 W, a Q-switch frequency of 2 kHz, and a Q-switch train duration of 80 ns, the peak pulse power was ≈7 MW.

Новизной заявляемого изобретения является то, что с помощью одного акустооптического модулятора удается не только модулировать добротность резонатора и обеспечивать синхронизацию мод, но и эффективно сокращать длительность генерируемых импульсов за счет формирования керровской линзы в материале модулятора.The novelty of the claimed invention is that with the help of one acousto-optic modulator it is possible not only to modulate the resonator Q-factor and provide mode locking, but also to effectively reduce the duration of the generated pulses due to the formation of a Kerr lens in the modulator material.

Основными преимуществами предлагаемого лазера по сравнению с другими является возможность переключения между режимами генерации (непрерывная генерация, модуляция добротности, синхронизация мод, aвтоQML и QML режим) без необходимости изменения оптической схемы лазера или замены каких-либо ее элементов, а также сравнительная простота настройки и низкая стоимость изготовления такого лазера.The main advantages of the proposed laser compared to others are the ability to switch between the generation modes (cw generation, Q-switching, mode locking, auto-QML and QML mode) without the need to change the optical scheme of the laser or replace any of its elements, as well as the comparative ease of tuning and low the cost of manufacturing such a laser.

Claims

Laser with Q-switching of the resonator and mode locking, in which the resonator consists of four mirrors, two of which are end mirrors, and the other two are intermediate, rotary, the active crystal is placed in an inclined arm formed by two rotary mirrors, while the radiation of the pump laser diode is focused an acousto-optic modulator made of a material with a Kerr nonlinearity is placed into the active crystal by a lens system through a meniscus rotary mirror, in one of the two end arms, each of which is formed by an end and a rotary mirror, to form the Q-switching and mode locking modes, operating frequency f the modulator is set equal to or a multiple of half the intermode interval 2f of the laser, the switching frequency of the modulator determines the repetition rate of Q-switch pulses, a nonlinear crystal is placed in the second end arm for generating multiple harmonics and parametric generation, made with the possibility of obtaining laser radiation in a given spectral range.