Твердотельный лазер с диодной накачкой (варианты)

Твердотельный лазер с диодной накачкой (варианты)

Реферат

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано при разработке лидарных систем, лазерных дальномеров, в научных исследованиях, в медицине.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению и выбранному в качестве прототипа является твердотельный лазер (Патент США №5774489, опубл. 30.06.1998 г.) состоящий из активной твердотельной среды, характеризующейся размерами - длиной, шириной и толщиной, резонатора, обеспечивающего генерацию излучения вдоль продольной оси активной среды, блока накачки в виде диодной лазерной линейки и цилиндрической линзы для коллимации ее излучения поперечно продольной оси. На грань активной среды, противоположную грани ввода коллимированного излучения накачки, нанесены глухие зеркальные покрытия, что в два раза увеличивает длину распространения излучения накачки по активной среде.

Недостатком прототипа является необходимость точной стабилизации температуры источника излучения накачки для попадания длины волны этого излучения в полосу поглощения активной среды вследствие ее малого поперечного размера.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является снятие необходимости точной стабилизации температуры при отводе тепла от полупроводниковой лазерной линейки.

Решение этой задачи обеспечивается при реализации изобретения за счет достижения технического результата, заключающегося в увеличении длины распространения излучения накачки по активной среде.

Данный технический результат достигается тем, что в твердотельном лазере с диодной накачкой, состоящем из активной твердотельной среды в виде шестигранного тела, имеющего по две попарно противоположные грани, из которых широкие определены длиной и шириной тела, узкие - его длиной и толщиной, а торцевые - шириной и толщиной, резонатора, образованного глухим и выходным зеркалами для генерации лазерного пучка вдоль продольной геометрической оси активной твердотельной среды через ее торцевую грань, блока накачки, включающего диодную лазерную линейку, расположенную в фокальной плоскости цилиндрической линзы, установленного с возможностью направления, коллимированного в плоскости, перпендикулярной широким граням активной среды, излучения во внутрь этой среды сквозь ее узкую грань, шестигранное тело выполнено в виде призмы, а к ее узкой грани прикреплен посредством посадки на оптический контакт своей плоской гранью оптический элемент, другая, обращенная к цилиндрической линзе поверхность которого, имеет либо цилиндрическую форму, либо форму, выполненную в виде растра, обеспечивающую концентрацию падающего на нее излучения во внутрь активной среды в плоскости, параллельной широким граням. Форма обращенной к цилиндрической линзе поверхности оптического элемента, а также угол между его оптической осью и узкой гранью, на которую он прикреплен, выбраны с функцией обеспечения падения концентрированного в активную среду излучения лазерной диодной линейки на внутреннюю поверхность противоположной узкой грани под углом, большим угла полного внутреннего отражения.

Так же как и прототип, предлагаемый лазер может содержать больше, чем два зеркала в резонаторе, а также более одного блока накачки и соответственно более одной цилиндрической линзы. В этом варианте для достижения технического результата число оптических элементов описанной формы и описанного расположения равно числу блоков накачки.

Каждый оптический элемент может быть изготовлен из материала твердотельной активной среды без ее легирования ионами активатора, создающими в активной среде лазерный переход. Для получения максимального светопропускания излучения накачки во внутрь активной среды они могут быть прикреплены к активной среде посредством приклеивания на иммерсионном клее или посредством взаимной молекулярной диффузии веществ оптического элемента и активной среды при приведении их в соприкосновение и последующем нагреве до температуры, близкой к температуре плавления. При этом по крайней мере часть из общего количества оптических элементов может быть прикреплена на противоположные узкие грани активной среды попарно симметрично относительно ее продольной геометрической оси, причем геометрические размеры оптических элементов выбраны так, чтобы хотя бы основная часть излучения накачки после прохождения оптического элемента с одной стороны активной среды не попадала на прикрепленную на противоположной узкой грани активной среды грань другого оптического элемента. Кроме того, в одной паре симметрично прикрепленных к противоположным узким граням оптических элементов один из них может быть развернут на 180° вокруг оси, перпендикулярной этим граням и проходящей через геометрические центры приклеенных граней обоих оптических элементов. Торцевые грани активной твердотельной среды могут быть закошены относительно продольной геометрической оси этой среды на угол от 0° до угла Брюстера, а наличие в резонаторе дополнительных зеркал позволяет в режиме одномодовой генерации повысить эффективность лазера за счет более полного заполнения излучением генерации объема активной среды.

Дополнительно в состав лазера может быть включен усилитель излучения, установленный вне резонатора лазера по ходу его выходного излучения и состоящий из идентичных лазеру по составу и расположению элементов, кроме глухого и выходного зеркал резонатора.

Падение излучения лазерной диодной линейки на внутреннюю поверхность активного элемента под углом, большим угла полного внутреннего отражения, обеспечивает многократные последовательные отражения излучения накачки от внутренних поверхностей узких граней, вплоть до его полного поглощения в твердотельной активной среде. Симметричное расположение оптических элементов на противоположных узких гранях активной среды позволяет уменьшить требуемую длину активной среды, необходимую для полного поглощения энергии накачки. Разворот на 180° одного из элементов в паре симметрично приклеенных элементов позволяет направить излучение накачки, прошедшее через противоположные оптические элементы, так, что оно распространяется в волноводном режиме вдоль продольного размера активной среды, но в противоположных направлениях. Это дает возможность, в некоторых случаях (при минимальной длине активной среды и нечетном количестве симметрично расположенных пар оптических элементов), более равномерно распределить выделяемое стоксово тепло вдоль длины активной среды, уменьшая термооптические искажения выходного излучения.

Сущность изобретения раскрывается на чертеже, где схематически представлена оптическая схема твердотельного лазера с вводом диодного излучения накачки под углом и простейшим двухзеркальным резонатором. Этот лазер состоит из диодной лазерной линейки 1, расположенной в фокальной плоскости цилиндрической линзы 2. Оптический элемент 3 приклеен своей плоской поверхностью с помощью прозрачного иммерсионного клея к узкой боковой грани активной твердотельной среды 4. Зеркала 5 и 6 образуют резонатор, обеспечивающий генерацию выходного излучения перпендикулярно выходному зеркалу 6. Для ясности отметим, что плоскость листа с изображением фигуры параллельна широким боковым граням активной среды 4.

Устройство работает следующим образом. Излучение накачки лазерных диодных линеек 1 коллимируется цилиндрическими линзами 2 и направляется через концентрирующие оптические элементы 3 под углом к продольной геометрической оси активной среды 4 на внутреннюю поверхность узкой грани под углом, большим угла полного внутреннего отражения для всех лучей, концентрированных оптическим элементом накачки. В результате полного внутреннего отражения от указанной грани излучение под такими же углами попадает на противоположную внутреннюю поверхность призмы. Последовательные переотражения излучения накачки внутри активной среды приводят к полному поглощению энергии накачки. При выборе мощности накачки выше порога генерации лазера происходит генерация излучения в резонаторе вдоль продольной геометрической оси через выходную грань активной среды перпендикулярно выходному зеркалу резонатора.

Для выяснения преимущества предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом в требуемой точности поддержания температуры рассмотрим, например, активную кристаллическую среду YLF:Nd. Зависимость поглощения от длины волны λ излучения накачки, в этой среде, имеет максимум при λ=807 нм. Ширина этого максимума по уровню 0,5 от максимального значения Δλ₁≅7 нм (в диапазоне 803÷810 нм) (James R Ryan and Ray Beach, «Optical absorption and stimulated emission of neodymium in yttrium lithium fluoride», JOSA B, Vol. 9, №10, pp.1883-1887).

Известно, что поглощенная в активной среде энергия накачки определяется формулой Бугера:

Р_ПОГЛ=Р_НАК [1-exp(-k (λ)×L)],

где Р_ПОГЛ - поглощенная в активной среде мощность накачки, Р_НАК - мощность излучения накачки, падающая на активную среду, k (λ) - коэффициент поглощения, зависящий от длины волны излучения накачки, L - длина распространения излучения в активной среде. Предположим теперь, что температура лазерного диода в лазере прототипа установлена на максимум полосы поглощения, а в предлагаемом изобретении установим ее соответствующей краю полосы поглощения по уровню 0,5 от максимальной величины. При таких температурах, а также при выборе длины L, в предлагаемом изобретении в два раза большей, чем в прототипе, где за счет зеркал, нанесенных в шахматном порядке на узкие грани активной среды, L равна двойной ширине активной среды, мы получим одинаковое поглощение излучения накачки в прототипе и предлагаемом изобретении и соответственно одинаковую эффективность генерации лазера (поскольку, как это следует из приведенной выше формулы, при указанных условиях произведение k (λ)×L в прототипе и предлагаемом изобретении окажутся одинаковыми). Для энергетически эффективного поглощения накачки в лазере прототипа зададимся интервалом длин волн, в котором коэффициент поглощения не меньше 0,95 от поглощения в максимуме. Это соответствует длине волны накачки в интервале 806-808 нм или допустимому интервалу длин волн излучения накачки Δλ₂=2 нм. Допустимая точность поддержания температуры, в этом случае, для прототипа составит ΔТ₂=Δλ₂/η, где η - температурный коэффициент спектрального сдвига полосы излучения диодной лазерной линейки (примерно 0,25 нм/градус), а для предлагаемого изобретения соответственно ΔТ₁=Δλ₁/η (центр указанного интервала соответствует температуре, при которой длина волны накачки попадает в максимум полосы поглощения и поэтому общее поглощение энергии излучения накачки в активной среде предлагаемого изобретения внутри указанного интервала температур может быть лишь только больше, чем на краях этого интервала). Таким образом, точность поддержания температуры в предлагаемом изобретении меньше, чем в прототипе, не более чем в три раза (ΔТ₁/ΔТ₂=Δλ₁/Δλ₂≥3). Реально длина распространения излучения в активной среде предлагаемого изобретения может быть значительно больше, чем равная двум ширинам длина распространения в активной среде прототипа. Это позволяет осуществить в лазере предлагаемого изобретения отвод тепла от лазерных диодных линеек путем простого кондуктивного сброса тепла на воздушно-охлаждаемый радиатор.

Многочисленные расчеты и исследования показали, что угол ориентации оптической оси приклеенного оптического элемента с узкой гранью призмы для, например, YLF:Nd должен лежать в пределах 20÷31° при оптических элементах, сделанных из стекла К-8.

1. Твердотельный лазер с диодной накачкой, состоящий из активной твердотельной среды в виде шестигранного тела, имеющего по две попарно противоположных грани, из которых широкие определены длиной и шириной тела, узкие - его длиной и толщиной, а торцевые - шириной и толщиной, резонатора, образованного глухим и выходным зеркалами для генерации лазерного пучка вдоль продольной геометрической оси активной твердотельной среды через ее торцевую грань, блока накачки, включающего диодную лазерную линейку, расположенную в фокальной плоскости цилиндрической линзы, установленного с возможностью направления, коллимированного в плоскости перпендикулярной широким граням активной среды, излучения вовнутрь этой среды сквозь ее узкую грань, отличающийся тем, что шестигранное тело выполнено в виде призмы, к ее узкой грани прикреплен своей плоской гранью оптический элемент посредством посадки на оптический контакт, другая, обращенная к цилиндрической линзе поверхность которого, имеет либо цилиндрическую форму, либо форму, выполненную в виде растра, обеспечивающую концентрацию падающего на нее излучения вовнутрь активной среды в плоскости параллельной широким граням, причем форма обращенной к цилиндрической линзе поверхности оптического элемента, а также угол между его оптической осью и узкой гранью, на которую он прикреплен, выбраны с функцией обеспечения падения концентрированного в активную среду излучения лазерной диодной линейки на внутреннюю поверхность противоположной узкой грани под углом большим угла полного внутреннего отражения.

2. Твердотельный лазер с диодной накачкой, состоящий из активной твердотельной среды в виде шестигранного тела, имеющего по две попарно противоположных грани, из которых широкие определены длиной и шириной тела, узкие - его длиной и толщиной, а торцевые - шириной и толщиной, резонатора, включающего по крайней мере глухое и выходное зеркала, для генерации лазерного пучка вдоль продольной геометрической оси активной твердотельной среды через ее торцевую грань, блоков накачки, включающих диодные лазерные линейки, расположенные в фокальных плоскостях цилиндрических линз, установленных с возможностью направления, коллимированного в плоскости, перпендикулярной широким граням активной среды, излучения вовнутрь этой среды сквозь ее узкую грань, отличающийся тем, что шестигранное тело выполнено в виде призмы, к ее узкой грани прикреплены с обеспечением максимального пропускания излучения накачки вовнутрь твердотельной активной среды, своей плоской гранью оптические элементы, другие, обращенные к цилиндрической линзе поверхности которых, имеют либо цилиндрическую форму, выполненную в виде растра, обеспечивающую концентрацию падающего на нее излучения вовнутрь активной среды в плоскости параллельной широким граням, причем форма обращенной к цилиндрической линзе поверхности оптического элемента, а также угол между его оптической осью и узкой гранью, на которую он прикреплен, выбраны с функцией обеспечения падения концентрированного в активную среду излучения лазерной диодной линейки на внутреннюю поверхность противоположной узкой грани под углом большим угла полного внутреннего отражения.

3. Твердотельный лазер с диодной накачкой по п.2, отличающийся тем, что по крайней мере часть общего количества оптических элементов прикреплена на противоположные узкие грани активной среды попарно симметрично относительно продольной геометрической оси, причем геометрические размеры оптических элементов выбраны так, чтобы хотя бы основная часть излучения накачки после прохождения оптического элемента с одной стороны активной среды не попадала на прикрепленную на противоположной узкой грани активной среды, грань другого оптического элемента.

4. Твердотельный лазер с диодной накачкой по п.3, отличающийся тем, что по крайней мере в одной паре симметрично прикрепленных к противоположным узким граням оптических элементов, один из них развернут на 180° вокруг оси, перпендикулярной этим граням и проходящей через геометрические центры прикрепленных граней обоих оптических элементов.

5. Твердотельный лазер с диодной накачкой по п.1 или 2, отличающийся тем, что торцевые грани активной твердотельной среды могут быть закошены относительно продольной геометрической оси этой среды на угол от 0° до угла Брюстера.

6. Твердотельный лазер с диодной накачкой по п.1 или 2, отличающийся тем, что каждый оптический элемент, прикрепленный к узкой грани активной среды, изготовлен из материала твердотельной активной среды без ее легирования ионами активатора, создающими в активной среде лазерный переход.

7. Твердотельный лазер с диодной накачкой по п.2, отличающийся тем, что оптические элементы прикреплены посредством их взаимной приповерхностной молекулярной диффузии веществ оптического элемента и активной среды при приведении их в соприкосновение и последующем нагреве до температуры близкой к температуре плавления.

8. Твердотельный лазер с диодной накачкой по п.1 или 2, отличающийся тем, что в него дополнительно включен усилитель излучения, установленный вне резонатора лазера по ходу его выходного излучения и состоящий из идентичных лазеру по составу и расположению элементов, кроме глухого и выходного зеркал резонатора.