ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ПРИБОР С ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКОЙ С САМОРЕГУЛИРУЮЩЕЙСЯ ОПТИКОЙ НАКАЧКИ И УЛУЧШЕННЫМ УСИЛЕНИЕМ
OPTICALLY PUMPED SOLID STATE LASER DEVICE WITH SELF ALIGNING PUMP OPTICS AND ENHANCED GAIN

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к твердотельному лазерному прибору с оптической накачкой, содержащему одну или несколько твердотельных лазерных сред в лазерном резонаторе и один или несколько лазерных диодов накачки для оптической накачки твердотельных лазерных сред, причем упомянутый лазерный резонатор образован из одного или нескольких первых зеркал резонатора, расположенных с первой стороны от упомянутых твердотельных лазерных сред, и одного или нескольких вторых зеркал резонатора, расположенных с противоположной второй стороны от упомянутых твердотельных лазерных сред, причем упомянутые первые и вторые зеркала резонатора расположены так, чтобы направлять лазерное излучение упомянутого лазерного резонатора по по меньшей мере двум различным прямым путям через каждую из упомянутых лазерных сред. Примером твердотельных лазерных приборов с оптической накачкой такого рода являются поверхностно-излучающие лазеры с вертикальным протяженным резонатором с оптической накачкой (VECSEL) или полупроводниковые дисковые лазеры (SDL), которые предлагают компактное и дешевое решение для средних мощностей лазеров с высокой яркостью, узкой шириной полосы и короткими лазерными импульсами. Такие лазерные приборы могут быть использованы для огромного числа применений, требующих более высокой яркости и/или более коротких импульсов, чем те, которые могут быть обеспечены лазерными диодами.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ И УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Стандартные дисковые лазеры нуждаются в точной юстировке лазеров накачки и оптики лазера накачки относительно оптической моды лазерного резонатора. Это юстировка является трудновыполнимой во время изготовления лазерного прибора. Кроме того, такие лазеры часто ограничены по мощности излучения накачки низкой яркости, которое может быть сфокусировано в данной активной области лазерной среды, что приводит к низкому усилению лазерного прибора. Также максимальная рассеиваемая плотность мощности в лазерной среде часто ограничена способом охлаждения, в частности теплопоглощающим устройством, на котором установлена лазерная среда.
US 5553088 A раскрывает твердотельный лазерный прибор, содержащий одну или несколько дискообразных твердотельных лазерных сред в лазерном резонаторе. Лазерный резонатор в по меньшей мере одном из вариантов осуществления сформирован из первого зеркала резонатора, образованного из первой торцевой поверхности упомянутой твердотельной лазерной среды, и нескольких вторых зеркал резонатора, расположенных на противоположной второй стороне упомянутой твердотельной лазерной среды. Зеркала резонатора расположены так, чтобы направлять лазерное излучение лазерного резонатора по двум различным путям через лазерную среду. Лазерная среда накачивается несколькими лазерными диодами со стороны, которая расположена на том же самом элементе-носителе, что и твердотельная лазерная среда. Предложенное устройство обеспечивает улучшенное усиление лазерной среды благодаря распространению лазерного излучения по различным путям через лазерную среду. Это также обеспечивает лучшее распределение вырабатываемого тепла и приводит к улучшенному охлаждению. Этот документ не предлагает какого-либо решения для более легкой юстировки оптики накачки в случае оптической накачки через одну из торцевых поверхностей лазерной среды, через которую проходит лазерное излучение.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить твердотельный лазерный прибор с торцевой оптической накачкой с одной или несколькими твердотельными лазерными средами, который обеспечивает легкую юстировку оптики накачки и может быть реализован компактным образом.
Эта задача решается с помощью твердотельного лазерного прибора с торцевой оптической накачкой по п. 1 формулы изобретения. Выгодные варианты осуществления этого прибора являются объектом зависимых пунктов формулы изобретения или могут быть выведены из последующих частей описания и предпочтительных вариантов осуществления.
Предложенный твердотельный лазерный прибор с торцевой оптической накачкой содержит одну или несколько предпочтительно дискообразных или пластинообразных твердотельных лазерных сред в лазерном резонаторе. Лазерный резонатор образован из одного или нескольких первых зеркал резонатора, расположенных с первой стороны от твердотельных лазерных сред, и одного или нескольких вторых зеркал резонатора, расположенных со второй стороны от твердотельных лазерных сред, противоположной упомянутой первой стороне. Первые и вторые зеркала резонатора выполнены и расположены с возможностью направлять лазерное излучение лазерного прибора по по меньшей мере двум различным прямым путям через каждую из упомянутых лазерных сред. Лазер может быть выполнен, например, лазером VECSEL, причем каждая лазерная среда образована из структуры с квантовыми ямами на РБО (распределенном брэгговском отражателе), которая образует одно из первых зеркал резонатора. Тем не менее, также могут быть реализованы другие типы лазеров, например твердотельные лазеры, в которых твердотельная лазерная среда является лазерным кристаллом. Один или несколько лазерных диодов накачки лазера и отражающих излучение накачки зеркал выполнены и расположены с возможностью оптически накачивать твердотельные лазерные среды путем отражения излучения накачки лазерных диодов накачки от упомянутых отражающих излучение накачки зеркал. Отражающие излучение накачки зеркала размещены со второй стороны вместе со вторыми зеркалами резонатора, а также расположены и выполнены с возможностью непосредственно отражать излучение накачки к торцевым поверхностям твердотельных лазерных сред на второй стороне. Отражающие накачку зеркала и вторые зеркала резонатора выполнены заодно в едином зеркальном элементе со второй стороны от твердотельных лазерных сред. Первое зеркало резонатора или первые зеркала резонатора могут быть сформированы из торцевых поверхностей лазерных сред на первой стороне. С этой целью торцевые поверхности кристаллических лазерных сред могут быть соответственно покрыты для достижения высокого отражения лазерного излучения на этих торцевых поверхностях. В случае VECSEL или полупроводниковых дисковых лазеров первые зеркала резонатора сформированы из распределенного(ых) брэгговского(их) отражателя(ей) (РБО), на котором(ых) расположена лазерная среда (активная среда). Тем не менее, возможно также обеспечить первое(ые) зеркало(а) резонатора в виде отдельных зеркальных элементов.
Твердотельный лазерный прибор по настоящему изобретению использует подходящим образом выполненный зеркальный элемент, который направляет свет накачки в твердотельные лазерные среды и в то же самое время образует вторые зеркала лазерного резонатора. Зеркала излучения накачки, образованные в этом зеркальном элементе, предназначены для накачки тех областей лазерных сред, которые охватывают моды лазерного излучения на различных путях через эти лазерные среды. Следовательно, лучи накачки и лазерная мода всегда перекрываются без сложной юстировки, так как части зеркального элемента, образующие оптику накачки, всегда находятся в фиксированном пространственном расположении по отношению к частям зеркального элемента, образующим вторые зеркала резонатора. При таком самоцентрирующемся зеркальном элементе юстировка оптики накачки значительно упрощается. Предложенная конструкция обеспечивает расположение лазерных диодов накачки близко к лазерным средам, что приводит к очень компактной конструкции твердотельного лазерного прибора. Благодаря различным путям лазерного излучения через твердотельные лазерные среды может быть накоплено большее количество энергии накачки, что приводит к улучшенному усилению лазерного прибора по сравнению с аналогичным лазером, в котором лазерное излучение всегда распространяется по одному и тому же пути через лазерную среду. Различные пути также обеспечивают лучшее распределение тепла и, таким образом, лучшее охлаждение твердотельного лазерного прибора. Охлаждение предпочтительно достигается посредством радиатора охлаждения с плоской поверхностью, на которой лазерные среды установлены рядом друг с другом. Лазерные диоды накачки также могут быть установлены на этом радиаторе охлаждения рядом с и/или между твердотельными лазерными средами. Лазерные диоды накачки затем испускают излучение накачки практически перпендикулярно торцевым поверхностям твердотельных лазерных сред в направлении зеркального элемента. Радиатор охлаждения может быть теплопоглощающим устройством из сплошного материала, в частности из металла, и может также иметь охлаждающие ребра для воздушного охлаждения. Также возможно реализовать этот радиатор охлаждения как камеру для охлаждающей жидкости, например воды, которая прокачивается через радиатор охлаждения во время работы лазерного прибора.
Лазерные диоды накачки могут быть одиночными диодами или массивами лазерных диодов, например, массивами поверхностно-излучающих лазеров с вертикальным резонатором (VCSEL) или массивами микрочип-VECSEL лазеров. Тело зеркального элемента предпочтительно образовано из оптически прозрачного материала, например из стекла с покрытием или из пластмассы с покрытием. Покрытие для зеркал может быть образовано из металлического покрытия или из диэлектрического покрытия, как это известно в данной области техники.
Предложенный лазерный прибор может содержать по меньшей мере две твердотельные лазерные среды, установленные рядом друг с другом на подходящем элементе-носителе, в частности, на радиаторе охлаждения. Каждая из этих лазерных сред предпочтительно окружена несколькими лазерными диодами накачки на элементе-носителе. Тогда зеркальный элемент может содержать одно отражающее излучение накачки зеркало для каждой из упомянутых лазерных сред, причем упомянутое отражающее излучение накачки зеркало предпочтительно центрировано относительно соответствующих лазерных сред. На зеркальном элементе эти отражающие излучение накачки зеркала расположены между вторыми зеркалами резонатора, которые отражают лазерное излучение, приходящее из одной из лазерных сред, к смежной лазерной среде. Это приводит к зигзагообразному пути лазерного излучения между первыми и вторыми зеркалами резонатора через лазерный прибор и к различным прямым путям через лазерные среды. Лазерные диоды накачки и отражающие излучение накачки зеркала расположены и выполнены таким образом, чтобы каждый из этих путей в достаточной степени накачивался оптически для достижения требуемого усиления. Одно из двух внешних зеркал резонатора зеркального элемента выполнено с возможностью образовывать выходное зеркало лазерного резонатора. Это означает, что это зеркало позволяет небольшой части лазерного излучения проходить через зеркало наружу из лазерного резонатора.
В дополнительном варианте осуществления предложенный твердотельный лазерный прибор содержит одну единственную твердотельную лазерную среду, расположенную на подходящем элементе-носителе. Также в этом варианте осуществления твердотельная лазерная среда предпочтительно окружена несколькими лазерными диодами накачки на упомянутом элементе-носителе. В этом варианте осуществления зеркальный элемент может содержать центральную область, которая образует вторые зеркала резонатора, и внешнюю область, которая предназначена для отражения излучения накачки к твердотельной лазерной среде и образует отражающее(ие) излучение накачки зеркало(а). В зависимости от числа вторых зеркал резонатора лазерное излучение может быть направлено по значительно более чем двум различным путям через лазерную среду, что приводит к зигзагообразному пути лазерного излучения между первыми и вторыми зеркалами резонатора через лазерный прибор, как в предыдущем варианте осуществления. В таком случае внешняя область зеркального элемента выполнена с возможностью создавать распределение интенсивности излучения накачки на противостоящей торцевой поверхности твердотельной лазерной среды, которое охватывает моды всех различных путей лазерного излучения через эту лазерную среду. Также в этом варианте осуществления одно из вторых зеркал резонатора выполнено с возможностью образовывать выходное зеркало лазерного резонатора.
Эти и другие аспекты изобретения станут очевидными и будут объяснены со ссылками на описанные далее варианты осуществления.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Предложенный твердотельный лазерный прибор подробно описывается далее посредством примеров со ссылками на сопроводительные чертежи. На чертежах:
Фиг. 1 показывает вид сбоку в поперечном разрезе первого примера предложенного лазерного прибора;
Фиг. 2 показывает вид сверху твердотельных лазерных сред лазерного прибора по Фиг. 1;
Фиг. 3 показывает вид сверху зеркального элемента лазерного прибора по Фиг. 1;
Фиг. 4 показывает вид сбоку в поперечном разрезе второго примера предложенного твердотельного лазерного прибора;
Фиг. 5 показывает вид сверху твердотельной лазерной среды лазерного прибора по Фиг. 4;
Фиг. 6 показывает вид сверху зеркального элемента лазерного прибора по Фиг. 4;
Фиг. 7 показывает вид в поперечном разрезе вдоль кольцевого пути А, указанного на Фиг. 6.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Фиг. 1 показывает вид сбоку в поперечном разрезе первого примера предложенного твердотельного лазерного прибора. Лазерный прибор содержит три выполненные в форме пластин твердотельные лазерные среды 100, установленные бок о бок на плоской поверхности теплопоглощающего устройства 400. Каждая из этих лазерных сред 100 может быть сформирована из активной области VCSEL и окружена несколькими лазерными диодами 200 накачки, как можно увидеть на виде сверху лазерных сред и теплопоглощающего устройства, показанном на Фиг. 2. Лазерный резонатор в этом примере образован из семи зеркал резонатора, расположенных с обеих сторон от лазерных сред. Первые зеркала резонатора образованы из распределенных брэгговских отражателей (РБО) VCSEL, которые обеспечивают лазерные среды 100. Торцевое зеркало 320, выходное зеркало 330 и два зеркала 310, направляющих пучки по ломаной траектории, расположены на противоположной второй стороне от лазерных сред 100. При показанном расположении зеркал резонатора лазерное излучение 500 распространяется по зигзагообразному пути через лазерный прибор. Каждая из лазерных сред 100 проходится по двум различным путям. Это выполнение также содержит три отражающих излучение накачки зеркала 300, которые расположены и выполнены с возможностью направлять излучение 510 накачки к торцевым поверхностям лазерных сред 100. Вторые зеркала 310, 320, 330 резонатора выполнены заодно вместе с отражающими излучение накачки зеркалами 300 в одном единственном оптическом элементе 600. Так как этот оптический элемент может быть изготовлен с высокой точностью, взаимная ориентация и расположение отражающих излучение накачки зеркал 300, то есть оптики накачки, и вторых зеркал 310, 320, 330 резонатора могут быть точно гарантированы без какой-либо дополнительной юстировки. Таким образом, юстировка оптики накачки относительно лазерного резонатора очень легко достигается при монтаже предложенного лазерного прибора. Отражающие излучение накачки зеркала образованы из трех параболических поверхностей, как указано на Фиг. 1. Таким образом, излучение лазерных диодов 200 накачки отражается и фокусируется на активных средах (лазерных средах 100) и перекрывается с оптической модой резонатора в этих средах.
Фиг. 3 показывает вид сверху оптического элемента 600, на котором можно рассмотреть смежное расположение отражающих излучение накачки зеркал 300 и вторых лазерных зеркал, торцевое зеркало 320, направляющие пучки по ломаной траектории зеркала 310 и выходное зеркало 330.
Конечно, эти три лазерных среды 100 также могли бы быть заменены на единственную активную среду прямоугольной формы, простирающуюся между двумя внешними лазерными средами 100 по Фиг. 1. Лазерные диоды 200 накачки в этом случае располагались бы вдоль длинных краев прямоугольной лазерной среды. Зеркальный элемент 600 обеспечивал бы направляющие пучки по ломаной траектории зеркала 310, непосредственно смежные друг с другом, с зеркалами 300 накачки с обеих сторон. Конечно же, это только одна из нескольких дополнительных возможностей компоновки в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 4 показывает вид сбоку второго примера предложенного твердотельного лазерного прибора. В этом примере только одна твердотельная лазерная среда 100 расположена на плоской поверхности теплопоглощающего устройства 400. Эта твердотельная лазерная среда окружена несколькими лазерными диодами накачки на той же самой поверхности теплопоглощающего устройства 400. Пример такого расположения лазерных диодов 200 накачки показан на виде сверху твердотельной лазерной среды 100 по Фиг. 5.
Зеркальный элемент 600 в этом варианте осуществления содержит внешнюю секцию 301, отражающую излучение накачки на торцевую поверхность твердотельной лазерной среды 100. Центральная часть 311 зеркального элемента 600 образует вторые зеркала резонатора. В этом случае излучение всех лазерных диодов 200 накачки фокусируется отражающим(и) излучение накачки зеркалом(ами) во внешней части 301 зеркального элемента 600 на одном пятне 110, которое больше, чем размер типичной моды резонатора (см. Фиг. 5). Для дисковых лазеров существующего уровня техники величина накачиваемой области намного большая, чем размер моды, привела бы к многомодовому режиму работы с уменьшенной яркостью. Однако в этом варианте осуществления круговое расположение нескольких направляющих пучки по ломаной траектории зеркал 310 отражает лазерную моду в нескольких различных положениях через накачиваемую область 110. Это расположение направляющих пучки по ломаной траектории зеркал 310 показано на виде сверху с отражающей стороны зеркального элемента 600, изображенном на Фиг. 6.
Фиг. 7 показывает оптические пути лазерного излучения в поперечном разрезе вдоль круговой линии А, показанной на Фиг. 6. На этом виде в поперечном разрезе также указаны торцевое зеркало 320 и выходное зеркало 330 лазерного резонатора. Поскольку Фиг. 7 показывает поперечный разрез вдоль круговой линии, торцевое зеркало 320 резонатора и выходное зеркало 330 располагаются рядом друг с другом на зеркальном элементе 600. Для специалиста в данной области техники очевидно, что центральная часть накачиваемой области также может быть заполнена оптической модой с помощью подходящего расположения направляющих пучки по ломаной траектории зеркал 310.
Хотя изобретение было подробно проиллюстрировано и описано на чертежах и предшествующем описании, такую иллюстрацию и описание следует считать иллюстративными или примерными, а не ограничивающими; изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления. Например, хотя чертежи показывают только три различные лазерные среды, может быть предусмотрено другое число таких сред, например две или больше, чем три. Число различных путей через лазерные среды или через весь прибор, в частности, образующих зигзагообразный путь, и соответствующих направляющих пучки по ломаной траектории зеркал 310 не ограничивается раскрытым числом. Кроме того, в этот лазерный прибор могут быть интегрированы функциональные лазерные элементы для твердотельного лазера, такие как эталоны, нелинейные кристаллы, зеркала из полупроводникового насыщаемого поглотителя (SESAM), насыщаемые поглотители, поляризаторы, ячейки Поккельса, акусто-оптические модуляторы (AOM) и т.д. Другие вариации раскрытых вариантов осуществления могут быть поняты и реализованы специалистами в данной области техники при практическом осуществлении заявленного изобретения на основе изучения чертежей, раскрытия и приложенной формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает других элементов или этапов, а единственное число не исключает множественного числа. Тот факт, что некоторые меры приведены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что комбинация этих мер не может быть использована для получения выгоды. В частности, все пункты формулы изобретения, относящиеся к прибору, могут быть свободно скомбинированы, если это имеет смысл. Ссылочные обозначения в формуле изобретения не должны рассматриваться как ограничивающие объем изобретения.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
100 - лазерная среда
110 - накачиваемая область
200 - лазерный диод накачки
300 - отражающее излучение накачки зеркало
301 - внешняя часть зеркального элемента
310 - направляющее пучок по ломаной траектории зеркало резонатора
311 - центральная часть зеркального элемента
320 - торцевое зеркало резонатора
330 - выходное зеркало резонатора
400 - теплопоглощающее устройство
500 - лазерное излучение
510 - излучение накачки
600 - зеркальный элемент