2. Теоретические и экспериментальные исследования

2.1 Оптическая схема малогабаритного перестраиваемого лазера на красителях в твердотельной матрице

Учитывая геометрию излучения пучка лазера накачки, а также ряд преимуществ (более высокий КПД, равномерное распределение поглощения энергии накачки в активном элементе, низкая угловая расходимость излучения) продольной схемы возбуждения по сравнению с поперечной, при создании лазера на красителях в твердотельной матрице был выбран продольный вариант схемы возбуждения.

Анализ селектирующих свойств различных дисперсионных элементов, приведенный в работе [19], показал, что для достижения требуемых спектрально-энергетических параметров (Dl³1Е)лазерного излучения достаточно использовать двухпризменный брюстеровский селектор из стекла ТФ-5 (50°20’).

Оптическая схема прибора приведена в приложении I. Резонатор излучателя лазера накачки (I) образован зеркалами (1) и (5). Плоское выходное зеркало (5) имеет коэффициент отражения на длине волны излучения (l= 532 нм)R » 0.65. Зеркало (1) с коэффициентом отраженияR » 1 выполнено в виде вогнутой сферы с радиусом кривизны~800 мм. Такая конфигурация резонатора позволяет ограничить влияние термооптических искажений в активном элементе. Активный элемент (2) размеромÆ5х50 мм изготовлен из алюмоиттриевого граната, активированного трехвалентными ионами неодима (АИГ:Nd³⁺). Лазерный затвор (3) на эффекте нарушения полного внутреннего отражения (НПВО) обеспечивает моноимпульсный режим работы лазера. Нелинейный элемент (4) представляет собой кристалл КТР и служит для преобразования излучения АИГ:Nd³⁺ во вторую гармонику.

Излучение лазера накачки с помощью двух призм полного внутреннего отражения (6), фокусирующей линзы (7) и направляющей призмы (8) вводится в активный элемент перестраиваемого лазера (11).

Резонатор перестраиваемого по длинам волн лазера составлен зеркалами (10) и (12) и дисперсионным элементом (9). Выходное зеркало (12) имеет коэффициент отражения R » 0.65. Поворотом зеркала (10) с коэффициентом отраженияR » 1 осуществляется перестройка длины волны излучения, разложенного дисперсионным элементом (9), представляющим собой блок из двух призм из тяжелого элемента ТФ-5. Активный элемент устанавливается под углом Брюстера к оси резонатора с целью уменьшения потерь на отражение.

2.2 Лазерный затвор на эффекте нпво

Принцип работы затвора НПВО основан на изменении пропускания зазора между двумя оптическими средами, обладающего свойством полного внутреннего отражения, при изменении его величины [20].

Рассмотрим пропускание оптической системы, состоящей из двух сред с показателем преломления n, разнесенных на расстояниеd, сравнимое с длиной волны излученияl (рис. 2.1). Если между оптическими средами находится воздух, а значение угла паденияj удовлетворяет условиюj£arcsin(1/n), пропускание такой системы может быть получено из соотношений между отражением и пропусканием:

(2.1)

,

где , (2.2)

а индексы p и s относятся соответственно к волнам, поляризованным перпендикулярно и параллельно плоскости падения. Отсюда, учитывая, что R+T=1, может быть найдено пропускание T.

(2.3)

Естественно, что пропускание такой системы в случае неполяризованного излучения будет равно

(2.4)

На рис. 2.2 представлены результаты расчета на ЭВМ по приведенным выше формулам пропускания плоскопараллельного зазора, образованного пластинами из кварцевого стекла с n = 1.45, в зависимости от относительной величины зазораd/l для углов падения излученияj= 45°, 60°и 70°. Как видно из рис. 2.2, для повышения быстродействия затвора угол падения излучения при прочих равных условиях должен быть возможно большим. Скорость переключения затвора будет также зависеть и от ориентации плоскости поляризации излучения относительно плоскости падения, что приводит к необходимости выбораp-направления поляризации. Тем не менее, угол паденияjвсегда может быть выбран таким образом, чтобы скорость переключения затвора дляs иp-плоскостей поляризации была одинаковой. Этому соотвествует условие

(2.5)

При выполнении этого условия затвор НПВО может быть использован для работы и с неполяризованным излучением, что представляет практический интерес в ряде случаев применения.

Разработанный затвор НПВО (рис. 2.3) представляет собой цельную неразборную конструкцию, состоящую из двух оптических деталей, выполненных в виде правильных усеченных четырехгранных пирамид. Грани пирамид образуют с основанием угол 60°. Этому же значению соответствует угол падения излучения на плоскость зазора. Величина зазора, образованного смежными большими основаниями пирамид, задается толщиной напыленного на одну из деталей кольца, которая составляет 0.4¸0.5 мкм. При этом значении зазора затвор находится в закрытом состоянии и пропускание его не превышает 5%. Оптические детали соединены между собой методом твердофазного сращивания через слой алюминия, расположенный по периметру оснований пирамид за пределами напыленного кольца. На усеченных гранях каждой из пирамид закреплены пьезоэлектрические преобразователи типа П-3, которые служат для изменения величины зазора модулятора.

Все геометрические размеры модулятора выбраны так, чтобы обеспечить минимальную высоту пирамид при максимально возможном значении угла падения луча диаметром 5 мм на плоскость зазора. В качестве оптического материала конструкции выбрано кварцевое стекло, как материал наиболее технологичный с точки зрения процесса твердофазного сращивания, оптической обработки и обладающий очень низким поглощением на длине волны генерации лазера.

Быстрое переключение затвора из закрытого состояния в открытое происходит при приложении к пьезопреобразователям импульсного напряжения, форма и амплитуда которого выбраны с учетом собственных колебаний механической системы в результате импульсного воздействия (рис. 2.4).

С момента времени t₁ происходит заряд и деформация пьезопреобразователей, приводящая к увеличению зазора. Промежуток времени Dt₂ соответствует постоянной величине амплитуды “приложенного” импульса (пунктир), но зазор по инерции продолжает увеличиваться, вызывая дельнейшее изменение напряжения на пьезопреобразователях в результате обратного пьезоэффекта.

Под действием сил упругости система призма – пьезопреобразователь приходит в колебательное движение, что проявляется в виде колебаний напряжения около величины U_a » -300 В. В фазе этих колебаний в момент времени t₃, соответствующий максимальной амплитуде колебаний, происходит сброс напряжения. При этом смежные поверхности призмы с большой скоростью сближаются вплоть до полного исчезновения зазора между ними.

Исследования влияния режимов питания на характеристики затвора показали, что для достижения максимального быстродействия затвора необходимо выполнение следующих условий:

1. Сброс напряжения на пьезопреобразователях должен быть в фазе с собственными механическими колебаниями затвора.

2. Скорость нарастания и сброса напряжения на пьезопреобразователях должна быть согласована с собственными механическими колебаниями затвора.

На рис. 2.4 диаграмма напряжений 1 удовлетворяет только первому, а диаграмма 2 – обоим приведенным условиям.

Результаты измерения скорости переключения для затвора, выполненного из кварца, приведены на рис. 2.5 (им соответствуют диаграммы напряжений на рис. 2.4).

На графиках видно, что при одной и той же амплитуде управляющего импульса при использовании диаграммы напряжений 2 можно увеличить скорость переключения затвора на 30 %. Это обстоятельство позволяет снизить амплитуду управляющего импульса без ухудшения характеристик затвора, что благоприятно сказывается на ресурсе работы пьезопреобразователей.