ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ АКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
SOLID-STATE ACTIVE ELEMENT

Область техники
Настоящее изобретение в целом относится к устройствам для усиления света и, более конкретно, для усиления когерентного света в лазерных устройствах.
Уровень техники
Одновременное повышение мощности и качества лазерного излучения, которое характеризуется его интенсивностью и расходимостью имеет пределы, связанные с возрастающим влиянием термооптических и/или нелинейных эффектов на качество лазерного пучка. Эти эффекты возникают под влиянием температурных градиентов и приводят к неконтролируемым изменениям спектрального состава, искажениям волнового фронта и самофокусировке, создающей локальные пики интенсивности, достигающие порога прочности оптических элементов. Соответственно, существует потребность в системах и методах для усиления света, включающих в себя активные элементы, которые эффективно производят высокую мощность и высокую интенсивность лазерных лучей, но сводят к минимуму образование больших температурных градиентов в активной среде и/или обеспечивают компенсацию их влияния на качество пучка.
В одном из аналогов (патент США 6229939), активный элемент представляет собой широкую ленту, состоящую из тонких активных и неактивных слоев, созданных по волоконной технологии и образующих параллельные плоские волноводы. Каждый волновод имеет форму прямоугольного ядра, относительно тонкого в одном направлении и относительно широкого в ортогональном направлении. Как известно из фундаментальной публикации [10], тонкая и плоская прямоугольная активная пластина, нагревающаяся при накачке, обеспечивает самые низкие градиенты температурного поля и соответственно минимальные термооптические эффекты по сравнению с элементами, имеющими другой профиль. Параллельное использование нескольких таких пластин повышает порог мощности усиливаемого излучения, при котором в активной среде начинается недопустимое развитие нелинейных эффектов, приводящих к четырехволновому смешению и вынужденному рассеянию, а также к термооптическим искажениям волнового фронта и неконтролируемой самофокусировке.
Недостаток аналога состоит в снижении степени симметрии лазерного пучка, способствующего возникновению астигматизма и затрудняющего его использование в технологических процессах и при нелинейном преобразовании частоты.
В другом аналоге (патент США 7042919) активный элемент представляет собой четное число квадратных стержней из активного материала, установленных на одной оси. При этом в нечетных стержнях накачка производится со стороны вертикальных боковых сторон, а теплоотвод - со стороны горизонтальных боковых сторон. В четных стержнях накачка производится со стороны горизонтальных боковых сторон, а теплоотвод - со стороны вертикальных. В результате предотвращается возникновение астигматизма благодаря скрещенному положению температурных градиентов по ходу усиливаемого пучка, приводящему к симметричному действию тепловых линз и ортогональной ориентации осей двулучепреломления каждого из множества квадратных стержней. Этот аналог выбран в качестве прототипа.
Недостаток прототипа состоит в неэффективном использовании энергии накачки в активных стержнях с квадратной формой сечения, в которых существует более высокая вероятность возникновения паразитной генерации и усиления спонтанного излучения в областях, прилегающих к продольным кромкам стержней. Помимо бесполезного расходования энергии накачки происходит дополнительный нагрев активного элемента при рассеянии паразитных излучений.
Сущность изобретения
Согласно предлагаемому изобретению задача повышения пределов масштабирования мощности лазерных пучков с малой расходимостью достигается благодаря снижению неравномерности нагрева активной среды за счет использования в активном элементе большого числа скрещенных тонких активных слоев, имеющих ширину, примерно равную размеру поперечного сечения усиливаемого пучка. Образующийся крестообразный профиль тонкой усиливающей среды обеспечивает минимальный астигматизм, создаваемый температурными градиентами, по сравнению с другими профилями, благодаря наилучшим условиям отвода тепла и симметричному действию неизбежно возникающих в мощных устройствах тепловых линз и ортогональной ориентации осей наведенного теплом двулучепреломления каждого из множества активных слоев. Дополнительное преимущество состоит в том, что максимальный коэффициент усиления сосредоточен в осевой части усиливаемого пучка, что значительно повышает его интенсивность при снижении расходимости и уменьшении влияния усиления паразитных излучений, возникающих в периферийной части сечения лазерных пучков. Эти преимущества позволяют в более широких пределах, чем у известных аналогов, масштабировать мощность лазерных установок, используя большое число скрещенных активированных слоев.
Согласно предлагаемому изобретению задача расширения пределов масштабирования мощности твердотельных лазерных устройств решается за счет использования твердотельного активного элемента, состоящего из одного или нескольких одинаковых рядов лазерных пластин, эти ряды расположены в виде компактного массива, с одинаковым шагом в вертикальном и горизонтальном направлениях, при этом каждая пластина содержит два неактивных слоя, которые примыкают к продольным узким граням, и активный слой, встроенный с оптическим контактом между неактивными слоями, отличающийся тем, что в лазерных пластинах, выполненных в форме прямоугольного параллелепипеда, зазор между неактивными слоями меньше толщины пластин и в каждом ряду продольные оси активных слоев совмещены и образуют оптическую ось ряда, причем широкие грани, например, четных пластин во всех рядах расположены горизонтально, а широкие грани альтернативных пластин расположены вертикально, при этом продольные узкие грани, обращенные друг к другу в соседних рядах, соединяются между собой с оптическим контактом. Торцевые узкие грани соседних пластин могут быть соединены между собой в каждом ряду с плотным оптическим контактом.
Для снижения влияния отражений от свободных узких граней, перпендикулярных оптической оси, в каждом ряду, например, четные пластины могут иметь широкую пару граней в форме параллелограмма, а альтернативные пластины при этом должны иметь продольную узкую пару граней в форме параллелограмма, соответственные углы этих параллелограммов должны быть равны, а остальные грани пластин должны быть прямоугольными. Пластины могут быть соединены в каждом ряду с плотным оптическим контактом.
Для компенсации дисперсии групповых скоростей (ДГС) при усилении ультракоротких импульсов все или часть пластин могут иметь на каждой узкой грани, перпендикулярной продольной оси активного слоя, прозрачную дифракционную решетку с симметричным профилем штрихов, которая отклоняет падающее излучение в плоскости, перпендикулярной широким граням пластины, и обеспечивает распространение излучения вдоль оптической оси активного слоя в виде симметричных волноводных мод благодаря полному внутреннему отражению от широких граней. Компенсация ДГС обеспечивается за счет большего угла отклонения длинноволновой части спектра излучения, что приводит к увеличению длины оптического пути этой части спектра, по сравнению с коротковолновой частью, и уменьшению длительности усиливаемого импульса излучения.
Излучение накачки подводится к активным слоям со стороны узких граней, при этом примыкающие к ним кромки могут иметь срезы или скругления, обеспечивающие более равномерное распределение энергии накачки по объему активных слоев. Благодаря предлагаемому размещению активных слоев в параллельных рядах обеспечивается свободный доступ теплоотводящей среды к широким поверхностям всех пластин, что позволяет эффективно отводить большие потоки тепла при низких температурных градиентах. Предлагаемый активный элемент может работать с параллельным, последовательным или комбинированным (последовательно - параллельным) соединением активных слоев, что значительно расширяет его функциональные возможности при использовании в качестве усилителя или генератора непрерывного и импульсного, включая ультракороткие импульсы, лазерного излучения.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан активный слой.
На фиг. 2 показана лазерная пластина.
На фиг. 3 показан твердотельный активный элемент в виде одного ряда лазерных пластин.
На фиг. 4 показан твердотельный активный элемент в виде массива из 9 рядов лазерных пластин в форме прямоугольного параллелепипеда.
На фиг. 5 показан твердотельный активный элемент в виде одного ряда лазерных пластин с одной парой граней в форме параллелограмма.
На фиг. 6 показан твердотельный активный элемент в виде одного ряда лазерных пластин с дифракционной решеткой на торцевых узких гранях лазерных пластин.
На фиг. 7 показан твердотельный активный элемент со сдвоенными дифракционными решетками.
На фиг. 8 - вариант использования твердотельного активного элемента с последовательным проходом усиливаемого пучка по всем активным слоям.
На фиг. 9 показан вариант последовательно-параллельного использования активных слоев для усиления входного пучка.
Описание обозначений
1: активный слой
2: неактивный слой
3: продольная ось активного слоя
4: длинноволновая волноводная мода
5: коротковолновая волноводная мода
4: длинноволновая волноводная мода
5: коротковолновая волноводная мода
10: лазерная пластина
11: широкая грань
12: продольная узкая грань
13: торцевая узкая грань
15: дифракционная решетка
20: твердотельный активный элемент в виде одного ряда лазерных пластин
30: твердотельный активный элемент в виде массива из рядов лазерных пластин
31: оптическая ось ряда пластин
40: входной луч
41: выходной луч
51, 52, 61, 62: отражательные призмы
Осуществление изобретения
Настоящее изобретение предлагает усовершенствованный активный элемент твердотельного лазера, использующий большое число пластин с тонкими активными слоями, собранными в один или несколько рядов для получения интенсивных лазерных пучков с малой расходимостью и с высокой и сверхвысокой мощностью.
Настоящее изобретение сочетает использование преимущества минимального влияния термооптических эффектов в большом числе тонких плоских активных слоев и симметрии, присущей стержневым или волоконным активным элементам. Дополнительно реализуется профиль усиления, при котором максимальный коэффициент усиления сосредоточен в осевой части усиливаемого пучка, что значительно повышает его интенсивность при снижении расходимости и уменьшении влияния усиления паразитных излучений, возникающих в периферийной части сечения лазерных пучков.
Ниже приведено определение терминов, используемых в этом документе.
Термин «лазерная пластина» относится к элементу, изготовленному из оптического материала, прозрачному для усиливаемого излучения и излучения накачки и отличающемуся минимальным воздействием на характеристики высокоинтенсивного когерентного излучения.
Термин «активный слой» относится к той части лазерной пластины, которая изготовлена из оптического материала, состоящего из кристаллической или аморфной матрицы, легированной подходящими ионами, которые возбуждаются в активированном элементе излучением накачки. Предпочтительными материалами являются:
алюмоиттриевый гранат (YAG), гадолиний-галлиевый гранат (GGG), гадолиний-скандий-галлиевый гранат (GSGG), фторид иттрия-лития (YLF), ванадат иттрия, фосфатное лазерное стекло, силикатное лазерное стекло, сапфир и другие.
Подходящие легирующие примеси для этих лазерных генерирующих сред включают в себя Ti, Cu, Со, Ni, Cr, Се, Pr, Nd, Sm, Eu, Yb, Но, Dy и Tm, но не ограничены ими.
Термин «неактивный слой» относится к части пластины, изготовленной из оптического материала, не содержащего легирующих добавок, предпочтительно из того же, что и материал активного слоя, или материала с таким же или близким значением показателя преломления, если его величина не оговаривается особо.
Продольными узкими гранями пластины называются грани, которые параллельны продольной оси активного слоя. Торцевыми узкими гранями пластины называются грани, через которые проходит продольная ось активного слоя.
При реализации предлагаемого изобретения активный слой 1, показанный на фиг. 1, размещается с оптическим контактом между неактивными слоями 2, образуя трехслойные композитные лазерные пластины 10, показанные на фиг. 2. Способы изготовления таких пластин раскрыты, например, в патентах [13…16].
В одном из вариантов реализации предлагаемого изобретения, показанном на фиг. 3 и фиг. 4, твердотельный активный элемент состоит из одного (фиг. 3) или нескольких (фиг. 4) рядов 20, составленных из лазерных пластин 10, изготовленных в форме прямоугольного параллелепипеда. Каждая пластина содержит неактивные слои 2, которые примыкают к продольной паре узких граней 12, и активный слой 1, встроенный с оптическим контактом между неактивными слоями 2, при этом зазор между неактивными слоями 2 в пластине меньше ее толщины. В каждом ряду продольные оси активных слоев 3 объединяются в единую оптическую ось 31, причем широкие грани, например, четных пластин во всех рядах расположены горизонтально, а широкие грани альтернативных пластин расположены вертикально, при этом продольные узкие грани 12, обращенные друг к другу в соседних рядах, соединяются между собой с оптическим контактом.
Твердотельный активный элемент в этом варианте работает следующим образом.
Для возбуждения активных слоев 1 используется оптическая накачка с предпочтительным использованием лазерных диодов, линеек лазерных диодов или лазерных диодов с волоконным выводом излучения. Однако не исключается вариант с использованием ламповых источников света и даже излучений, создаваемых Солнцем, взрывом или интенсивным горением, особенно в случае использования прозрачной теплоотводящей среды. Излучение лазерных диодов направляется на свободные грани пластин, например на продольные узкие грани 12, и поглощается активными слоями 1 при его волноводном распространении по объему пластины. Длина слоев, их толщина, концентрация легирующей примеси, а также параметры лазерных диодов должны выбираться таким образом, чтобы обеспечить наиболее полное и равномерное поглощение излучения накачки активными слоями пластины. Имеется большое число публикаций и патентов [3…12], в которых раскрыты методы расчета и проектирования узлов диодной накачки композитных пластин, состоящих из активных и неактивных слоев, в том числе с использованием дополнительных вырезов, фасок или скруглений граней, через которые производится накачка.
При проходе входного излучения через пластины 10 вдоль оптической оси ряда 20 происходит его усиление. Благодаря тому, что смежные пластины развернуты вокруг оптической оси ряда, в оптическом контакте находятся только торцы активных слоев и прилегающая к ним небольшая часть торца неактивных слоев. Через оставшуюся часть рассеиваются все поперечные моды, кроме основной, а также излучения паразитной генерации и усиленного спонтанного излучения. Эта часть торцевых поверхностей пластин может иметь поглощающее покрытие для блокирования распространения любых излучений, распространяющихся под углом к оптическим осям рядов, из которых составлен твердотельный активный элемент.
Для усиления широкоапертурных пучков используется твердотельный активный элемент, состоящий из нескольких рядов лазерных пластин. В этом варианте реализации изобретения входное излучение должно иметь плоский волновой фронт и широкое сечение, перекрывающее активные слои на торцевых узких гранях пластин во всех рядах активного элемента. Для активированных элементов, составленных из большого числа рядов, могут потребоваться специальные расширители пучка. Это условие является обычным для мощных и сверхмощных лазерных систем и не представляет затруднений для специалистов. После прохождения возбужденного накачкой активного элемента формируется параллельный массив из N мощных синфазных лазерных пучков, где N - число рядов в активном элементе.
В другом варианте предлагаемого изобретения, показанном на фиг. 5, для снижения влияния отражений от торцевых узких граней лазерные пластины изготовлены в виде скошенных параллелепипедов. В этом варианте часть пластин в каждом ряду, например четные, имеют широкую пару граней 11 в форме параллелограмма, а альтернативные пластины имеют продольную узкую пару граней 12 в форме параллелограмма, причем соответственные углы этих параллелограммов равны, а остальные грани пластин прямоугольные. Острый угол параллелограммов может быть равен углу Брюстера.
В третьем варианте предлагаемого изобретения, показанном на фиг.6, все или часть пластин 10 имеют на каждой поперечной узкой грани 13 прозрачную дифракционную решетку 15 с симметричным профилем штрихов, которая отклоняет падающее излучение в плоскости, перпендикулярной широким граням пластины, и обеспечивает распространение излучения вдоль оптической оси активного слоя в виде симметричных волноводных мод.
Дифракционная решетка может быть выгравирована непосредственно на торцевых гранях пластины, или на этой поверхности может быть установлена внешняя прозрачная решетка. Для снижения поляризационных потерь при последовательном проходе через решетки с ортогональной ориентацией штрихов на четных и нечетных пластинах, дифракционные решетки могут быть устроены только на части пластин с одинаковой ориентацией граней.
Вследствие угловой дисперсии усиливаемого излучения, создаваемой дифракционной решеткой, его спектральные составляющие распространяются в лазерной пластине в виде отдельных волноводных мод, различающихся фазовыми характеристиками. В предлагаемом варианте в пластине формируются симметричные волноводные моды, направляемые на противоположные широкие грани, что позволяет значительно повысить энергетическую эффективность предлагаемого лазерного устройства за счет одновременного использования двух симметричных пучков излучения, создаваемых дифракционной решеткой в направлениях, соответствующих порядкам дифракции одной величины, но с разными знаками.
В четвертом варианте предлагаемого изобретения, показанном на фиг. 7, вместо каждой пластины с дифракционной решеткой устанавливается по две такие же пластины. Это позволяет устранить снос от оптической оси спектральных составляющих при усилении узких пучков. При усилении пучков с поперечным размером порядка толщины пластины снос практически не проявляется, в то время как при усилении узких пучков возникают дополнительные апертурные потери. Использование двух последовательно установленных пластин с дифракционными решетками решает эту проблему. Для иллюстрации предлагаемого технического решения на фиг. 7 показан ход лучей в лазерных пластинах 10 для двух спектральных составляющих с фазовыми дифракционными решетками типа эшелетт с симметричным профилем штрихов. В показанном варианте штрихи пропускающих решеток 15 нарезаны непосредственно на поверхности торцевых узких граней 13. Минимальные потери обеспечиваются, если штрихи нарезаны под углом, близким к углу Брюстера. Входное излучение 40, нормально падающее на дифракционную решетку 15, разделяется на симметричные волноводные моды 4 и 5, распространяющиеся за счет полного внутреннего отражения от широких граней пластины в сторону противоположной дифракционной решетки на второй торцевой узкой грани пластины. Длинноволновые моды 4 отклоняются решеткой сильнее и проходят больший путь, чем коротковолновые 5. Это обеспечивает компенсацию положительной ДГС, которая возникает в оптических средах с нормальной дисперсией. Благодаря идентичности решеток все симметричные волноводные моды выходят из пластины в одном направлении, перпендикулярном поверхности решетки и с отклонением от оптической оси в результате сноса. После прохождения второй пластины 10 снос устраняется. Следующие пластины развернуты относительно первых двух, что позволяет отвести от активных слоев паразитные излучения, возникшие в первых пластинах, и скомпенсировать влияние температурных градиентов.
В пятом варианте предлагаемого изобретения для расширения спектра усиливаемых частот активный слой в разных пластинах может иметь свою легирующую примесь, отличную от примеси, используемой в других пластинах. Это позволяет использовать твердотельный активный элемент в режиме мультичастотного усилителя.
В шестом варианте предлагаемого изобретения, показанном на фиг. 8, используется активный элемент по первому, второму, третьему или четвертому вариантам предлагаемого изобретения, но с последовательным прохождением всех активных слоев. Для его реализации со стороны свободных торцевых узких граней пластин установлены отражательные призмы 51 и 52, обеспечивающие последовательный проход узкого входного пучка 40 через все активные слои, входящие в состав твердотельного активного элемента. В этом варианте развертка траектории усиливаемого лазерного пучка имеет большую длину и иглообразный вид. Это позволяет использовать предлагаемый активный элемент для создания мощных суперлюминесцентных лазеров и однопроходных лазеров на основе активных сред с самоограниченными переходами.
В седьмом варианте предлагаемого изобретения, показанном на фиг. 9, реализуется комбинированный последовательно-параллельный вариант работы активных слоев. Для реализации этого варианта используется другая комбинация отражательных призм 61 и 62.
Источники информации
1. Патент - аналог US 6229939.
2. Патент - прототип US 7042919.
3. Патент RU 2200361.
4. Патент US 5365538.
5. Патент US 5485482.
6. Патент US 6778319.
7. Патент US 20030138021.
8. Патент US 7123634.
9. Патент US 7388895.
10. Koechner, W., Solid-State Laser Engineering, Sixth Revised and Updated Edition, 2006, W.T. Rhodes et al., eds., Springer Science + Business Media.
11. С.Г. Гречин, П.П. Николаев. Квантроны твердотельных лазеров с полупроводниковой накачкой. Квантовая электроника. 39. №1 (2009).
12. Н.В. Кравцов. Квантовая электроника 31. 661 (2001).
13. Патент US 6270604.
14. Патент US 5846638.
15. Патент US 6025060.
16. Патент US 6511571.