Активный элемент твердотельного лазера
SOLID-STATE LASER ACTIVE ELEMENT

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к твердотельным лазерам с полупроводниковой накачкой.
Известны твердотельные лазеры с полупроводниковой накачкой [1], характеризующиеся низким порогом генерации для «мод шепчущей галереи» - паразитных поперечных мод, обусловленных многократными отражениями излучения с рабочей длиной волны от боковых поверхностей активного элемента. Как отмечено в указанном источнике, для борьбы с паразитными отражениями используют матирование боковой поверхности активных элементов. «В матированных активных элементах, по сравнению с полированными, достигается более однородный профиль поглощенной мощности накачки за счет отсутствия фокусировки излучения накачки цилиндрическими поверхностями. Кроме того, матирование позволяет подавить паразитные осцилляции поля на границах активного элемента (моды шепчущей галереи) и при отражении от стенок отражателя. Это особенно важно при работе лазеров в режиме модуляции добротности, в котором неподавленные паразитные осцилляции существенно уменьшают накопленную инверсную населенность. Однако матирование приводит к появлению на образующих поверхностных микротрещин, которые приводят к существенному снижению термомеханического порога разрушения активного элемента». К тому же матирование нарушает оптические свойства активного элемента и не позволяет полностью подавить суперлюминесценцию при высокой мощности накачки.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является активный элемент из иттрий-алюминиевого граната, легированного неодимом, с периферийным поглощающим слоем [2].
Указанное устройство состоит из центральной части (активированный неодимом стержень ИАГ) и периферийного слоя (легкоплавкого стекла с близкими коэффициентом преломления и коэффициентом температурного расширения, легированного веществом с большим коэффициентом поглощения на рабочей длине волны). В такой конструкции паразитные составляющие излучения беспрепятственно проникают из центральной части в периферийный слой, где поглощаются, тем самым не вызывая развития лазерной генерации на этих модах в центральной части и соответствующего снижения эффективности накачки.
Недостаток этого решения - высокая трудоемкость нанесения периферийного слоя на центральную часть и трудность обеспечения требуемых оптических характеристик периферийного слоя.
Задачей настоящего изобретения является создание конструкции активного элемента, имеющего максимальный уровень выходного излучения при минимальной трудоемкости изготовления.
Указанная задача решается за счет того, что в известном активном элементе твердотельного лазера, представляющем легированный активирующей примесью оптический стержень, на внешней поверхности стержня вдоль всей его длины выполнена канавка с минимально возможной шириной w и глубиной h, достаточной для подавления поперечных мод, в которую введен запуск в виде состава с показателем поглощения α на рабочей длине волны лазера  где τ - заданный коэффициент поглощения поперечных мод на рабочей длине волны лазера.
3
а
Запуск может иметь иммерсионный контакт со стенками канавки, причем, разность коэффициентов преломления запуска n и активного стержня n должна быть минимально возможной.
Глубина канавки может быть в пределах от 0,1 до 0,5 мм в зависимости от материала и диаметра оптического стержня и оптической схемы накачки.
Запуск может быть снабжен непрозрачным для излучения накачки экраном, расположенным с внешней стороны стержня.
Экран может быть выполнен в виде ленты, нанесенной по внешней периферии запуска.
Экран может быть выполнен в виде проволочки, заглубленной в канавку по всему внешнему периметру запуска.
На чертеже фиг. 1а) показано поперечное сечение активного элемента при поперечной накачке. На фиг. 1б) - схема лазера с продольной накачкой. На фиг. 2а) и фиг. 2б) приведен крупный план поперечного сечения активного элемента с запуском и экраном в виде ленты (фиг. 2а) и проволочки (фиг. 2б). Фиг. 2в) иллюстрирует принцип ослабления паразитной «шепчущей» моды. На фиг. 3-5 представлены графики параметров лазера в зависимости от глубины канавки h.
Лазер включает активный элемент в виде стержня 1 с канавкой, содержащей запуск 2. Накачка активного элемента производится от источника накачки 3. На рисунке фиг. 1а) излучение накачки поступает в активный элемент поперечно - через боковую поверхность стержня, а при продольной накачке (фиг. 1б) подается в стержень через его торец. Запуск 2 представляет собой материал, поглощающий излучение на рабочей длине волны лазера. Для защиты запуска от разрушающего влияния излучения накачки служит экран в виде ленты 4 (фиг. 2а) или проволоки 5 (фиг. 2б).
Устройство работает следующим образом. При возбуждении активного элемента источником накачки 3 возникает инверсная населенность атомов активирующей примеси, и в объеме стержня 1 происходит спонтанная генерация на рабочей длине волны лазера. Продольные моды этой генерации участвуют в развитии лазерного процесса, а паразитные поперечные моды уменьшают инверсную населенность, вследствие чего снижаются коэффициент усиления лазера и энергия выходного излучения вплоть до срыва лазерной генерации.
Паразитные моды концентрируются в узкой периферийной области «шепчущей галереи» [3] и блокируются благодаря предлагаемому техническому решению (фиг. 2).
Запуск представляет собой эпоксидную массу с поглощающим наполнителем. Благодаря наличию канавки некоторая часть энергии шепчущих мод 6 отразится в обратном направлении (7, фиг. 2) а основная часть поглотится запуском (8, фиг. 2).
Коэффициент отражения ρ стенками канавки определяется формулой Френеля [4].
а
3
где n и n - коэффициенты преломления оптического стержня и запуска.
При отсутствии оптического контакта между запуском и стенкой канавки коэффициент отражения
3
В таблице приведены расчетные значения ρ для некоторых вариантов построения лазера при коэффициенте преломления запуска n=1,5.
Доля отраженного излучения (даже в случае воздушного контакта) в большинстве случаев недостаточна для поддержания генерации на шепчущих модах - как в силу энергетических потерь (см. табл. 1), так и благодаря нарушению резонансных модовых конфигураций.
Основная доля паразитного излучения гасится в толще запуска. Требуемый коэффициент пропускания τ излучения в толщине w слоя запуска определяется выражением
где α - коэффициент поглощения.
Из (3) следует требование к коэффициенту поглощения материала запуска.
В качестве запуска использован клей ВК-9 ГОСТ В 84-2081-83. Пигментный наполнитель - нигрозин ГОСТ 9307-78.
Nd3+
Была проведена экспериментальная проверка лазера на оптическом стержне ИАГ: ; d=4; 1=50.
Ширина канавки w=0,2 выбрана из условия (3) при заданном предельном значении пропускания запуска τ≤0,01, а также по технологическим соображениям с учетом характеристик имеющейся установки для дисковой резки.
При этих данных получена зависимость порога паразитных мод от глубины h канавки (фиг. 3) и зависимость выходной энергии лазера от уровня накачки при разной глубине канавки (фиг. 4).
Из графика фиг. 3 видно, что, например, при глубине канавки 0,3 мм пороговая накачка для паразитных мод увеличивается с 70 до 170 отн. ед. Следовательно, при такой энергии накачки относительная доля паразитных мод в излучении лазера составляет 0%, что отражено на графиках фиг. 4: выходная энергия лазера по данному техническому решению при энергии накачки 170 отн. ед. составляет 0,68 отн. ед, а при нулевой глубине канавки и той же накачке - 0,3 отн. ед. Зависимость энергии выходного излучения лазера от глубины канавки при энергии накачки 170 отн. ед. представлена на фиг. 5.
Воздействие интенсивного излучения накачки на органический материал запуска вызывает его разложение, испарение продуктов разложения и их конденсацию на оптических поверхностях стержня и других элементов лазера. Для защиты запуска от излучения накачки служит экран 4 (фиг. 2а) или 5 (фиг. 2б). Одновременно экран герметизирует канавку, препятствуя выходу из нее продуктов разложения запуска. Это способствует увеличению ресурса активного элемента.
Время формирования канавки на установке для дисковой резки составляет несколько минут. Приготовление запуска, заполнение им канавки и сушка занимает около часа. Нанесение на активный стержень стеклянной оболочки [2] осуществляется погружением стержня в расплав стекла указанного в [2] состава. Этот процесс занимает в несколько раз больше времени и требует специального оборудования.
Указанные результаты подтверждают выполнение поставленной задачи - создание конструкции активного элемента, обеспечивающей максимальный уровень выходного излучения при снижении трудоемкости изготовления активного элемента.
Источники информации
1. Системы лазерной полупроводниковой накачки / Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых; Абрамов Д.В., Герке М.Н. - Владимир: Изд-во ВлГУ, 2015. - 100 с.
2. Патент РФ №2516166. Активный элемент из иттрий-алюминиевого граната, легированного неодимом, с периферийным поглощающим слоем. - Прототип.
3. Виноградов А.В., Ораевский А.Н. Волны шепчущей галереи / Соросовский образовательный журнал. Т. 7. 2001. №2. С. 96-102.
4. Справочник конструктора оптико-механических приборов / В.А. Панов и др. - Л.; Машиностроение, 1980. - 742 с.