ЛАЗЕРНОЕ УСТРОЙСТВО С ПЛАСТИНЧАТЫМ ОПТИЧЕСКИМ ЭЛЕМЕНТОМ
LASER DEVICE HAVING LAMINAR OPTICAL ELEMENT

Область техники
Настоящее изобретение относится к лазерной технике, конкретно к компактным лазерным устройствам, в которых для генерации и преобразования лазерного излучения, включая короткие и ультракороткие импульсы света, используются пластинчатые оптические элементы (slab elements).
Уровень техники
Ультракороткие импульсы лазерного излучения с длительностью импульса менее чем 10 пикосекунд и высоким энергетическим уровнем выше 0,1 mJ на импульс полезны для широкого спектра приложений, таких как обработка материалов, оптические коммуникационные технологии, оптическое зондирование, оптическая абляция и тонкие хирургические операции, в том числе в офтальмологии, биомедицинские исследования и спектроскопия. Известны различные лазерные устройства, предназначенные для генерации ультракоротких импульсов света, например, в [1] описывается мощный источник лазерного излучения со сверхкороткими импульсами, который формирует импульсный свет, имеющий длительность импульса приблизительно от пикосекунд до фемтосекунд. Однако, как правило, в таких устройствах требуются большая длина оптического хода импульсного излучения, поэтому они имеют большой размер и обычно устанавливается и используется на оптическом столе, а соответствующие оптические компоненты источника лазерного излучения устанавливаются на регулируемых опорах во множестве точек и должны быть настроены, а такие настройки не являются простыми.
С другой стороны, существует источник лазерного излучения на основе волокна, использующий оптическое волокно в качестве оптической усиливающей среды, которая усиливает энергию. Источник лазерного излучения на основе волокна обычно решает проблему компактности, однако в источнике лазерного излучения на основе волокна оптическое волокно имеет небольшое сечение, что ограничивает импульсную выходную энергию импульса приблизительно несколькими микроДж, и высокая выходная мощность не может быть реализована.
Альтернативное решение раскрыто в патентном документе [2], предлагающем компактное оптическое устройство, допускающее значительное увеличение оптической длины резонатора за счет использования малогабаритных оптических элементов, представляющих собой оптические линии задержки, выполненные в виде вытянутого прямоугольного стеклянного элемента с противоположно расположенными зеркальными поверхностями. При этом лазерный луч проходит вдоль всего элемента, поочередно отражаясь от зеркальных поверхностей. В результате оптическая длина пути увеличивается за счет зигзагообразного хода луча и за счет меньшей скорости распространения излучения в стекле по сравнению с воздухом. Это изобретение является аналогом предлагаемого изобретения. Важной особенностью аналога является возможность компенсации дисперсии групповых скоростей (ДГС), если в качестве зеркальных поверхностей используются многослойные покрытия, обладающие необходимыми дисперсионными характеристиками. В соответствии с фундаментальными публикациями [4÷6] эта функция принципиально необходима для получения ультракоротких импульсов высокой мощности.
Недостаток аналога состоит в том, что при часто встречающейся необходимости реализации оптической длины резонатора около одного или более метра необходимо каскадное соединение нескольких оптических устройств. При этом должны использоваться дополнительные отражатели и конструкция становится громоздкой, менее стабильной и более сложной в настройке.
В другом известном устройстве, раскрытом в патентном документе [3] и предназначенном для использования при генерации и усилении ультракоротких оптических импульсов, задача создания компактных и стабильных лазерных устройств решается за счет использования пластинчатого оптического элемента, изготовленного из материала с показателем преломления большим показателя преломления воздуха. Внутри пластинчатого элемента лазерный луч распространяется, отражаясь от боковых поверхностей множество раз. Входное окно и выходное окно, примыкают к боковым поверхностям и позволяют лазерному лучу распространяться в объеме оптического элемента. С прозрачной средой объединены пропускающие или отражающие дифракционные решетки, отклоняющие излучение в плоскости, параллельной широким граням, под углом, зависящим от длины волны, что обеспечивает компенсацию дисперсии. Благодаря монолитной конструкции обеспечивается высокая стабильность работы компактного оптического элемента в составе генераторов и усилителей лазерного излучения. Это устройство выбрано в качестве прототипа предлагаемого изобретения.
Недостаток прототипа состоит в необходимости очень точного выдерживания линейных размеров пластинчатого элемента. Фиг. 1а и фиг. 1б иллюстрируют влияние неточных линейных размеров на ход луча в прототипе. На фиг. 1а изображен ход лучей в точно изготовленном оптическом элементе с размерами 44×40 мм, а на фиг. 1б - оптический элемент с ошибкой линейных размеров, равной 0,1 мм, с размерами элемента 43,9×40,1 мм. Как видно из фиг. 1б, неточность линейных размеров в одну десятую миллиметра накапливается при каждом отражении и приводит к поперечному смещению выходного луча почти на 1.5 мм, что сопровождается потерей части усиливаемого луча из-за его виньетирования и рассеяния на притупленных кромках.
Из-за высокой трудоемкости изготовления пластин с полированными поверхностями достижение по сути интерференционной точности приводит к значительному удорожанию оптических элементов, особенно при наличии дифракционных отражателей.
Другой недостаток прототипа заключается в ограниченном диапазоне коррекции ДГС с помощью дифракционных решеток, отклоняющих излучение в плоскости, параллельной широким граням пластины. Решетка создает необходимую для компенсации ДГС угловую дисперсию, которая приводит к расходимости лазерного пучка в плоскости, параллельной широким граням, при этом расходимость тем больше, чем шире спектральный состав и чем большую ДГС необходимо компенсировать. Однако, как видно из хода лучей на развертке оптической пластины, показанной на фиг. 2, угловая расходимость излучения в прототипе ограничена размерами выходного окна 32 и не может превышать величины, определяемой по формуле:
Где:
δ - угловая расходимость, равная разности углов дифракции для различных спектральных составляющих;
d - ширина выходного окна 32;
L - длина оптического хода лучей между входным 31 и выходным 32 окнами.
Из-за этого ограничения в компактной конструкции не реально обеспечить широкий диапазон компенсации ДГС, так как ширина выходного окна составляет несколько миллиметров, а оптическая длина пути, который проходит излучение между решетками, установленными на входном и выходном окнах, может достигать 50 см и более.
Таким образом, в настоящее время отсутствуют лазерные устройства с большой длиной оптического хода, способные к усилению, задержке, расширению, сжатию и компенсации в широких пределах ДГС ультракоротких импульсов лазерного излучения, которые являются небольшими по размеру, пригодными для работы с мощным излучением и обладающими высокой стабильностью, взаимозаменяемостью, простотой в изготовлении и установке. Поэтому в действительности использование источника лазерного излучения со сверхкоротким импульсом и большой импульсной энергией ограничивается исследовательскими целями.
Раскрытие изобретения
Сущность изобретения
Проблема, которая должна быть решена изобретением, состоит в том, чтобы в лазерном устройстве, предназначенном для генерации и преобразования лазерного излучения с помощью компактного пластинчатого оптического элемента с большой длиной оптического хода луча, обеспечить:
а) взаимозаменяемость и простоту изготовления пластинчатого элемента за счет снижения влияния неизбежно возникающей неточности линейных размеров на положение выходного луча;
б) расширение пределов, в которых в лазерном устройстве с пластинчатым элементом может быть обеспечено изменение ДГС.
Согласно предлагаемому изобретению задача снижения влияния ошибок линейных размеров, накапливающихся при большом числе отражений от боковых граней, решается за счет того, что в лазерном устройстве, имеющем в своем составе пластинчатый оптический элемент, преобразуемое излучение отражается от его боковых граней под углом, зависящим от фактических линейных размеров в соответствии с формулой:
где:
α - проекция на плоскость широкой грани угла отражения лазерного пучка от продольной боковой грани пластинчатого элемента;
А и В - соответственно фактические продольный и поперечный размеры этого элемента;
m и k - взаимно простые целые числа, которые могут быть различными для разных пучков, при этом k равно числу пересечений пучком продольной осевой линии пластинчатого элемента, а m равно числу пересечений пучком поперечной осевой линии этого элемента.
Ход лучей в пластинчатом элементе показан в различных проекциях на фиг. 3. При угле отражения, соответствующем формуле (2), проекция следа луча на плоскость, параллельную широким граням пластинчатого элемента, имеет вид ромбовидной сетки, показанной на фиг. 4. Если какая-либо вершина прямоугольника, образующего широкую грань параллелепипеда, находится в узле этой сетки, а угол отражения соответствует значению, заданному формулой (2), то луч, вошедший через одну из вершин, выйдет через другую вершину при любых линейных размерах параллелепипеда. При этом ошибка не накапливается при каждом отражении, и разброс положения выходного луча будет совпадать с разбросом положения соответствующей вершины и не превысит значений, заданных допусками на линейные размеры пластинчатого элемента, составляющих в условиях обычного оптического производства около ±0,1 мм.
Эффективность этого технического решения поставленной задачи иллюстрируется фиг. 5а÷5в. На фиг. 5а показан ход луча в точно изготовленном пластинчатом элементе с размерами 35×30 мм, а на фиг. 5б в реально изготовленном элементе с несколько утрированными для наглядности ошибками линейных размеров и с теми же углами отражения от боковых граней, что и в точно изготовленном элементе. Как видно из фиг. 5б при размерах пластинчатого элемента 34,5×30,25 мм ошибка положения выходного луча во много раз превышает допущенные ошибки линейных размеров. При изменении, например, с помощью оптических клиньев угла падения луча на входную поверхность пластинчатого элемента, так чтобы угол отражения от продольной узкой грани соответствовал формуле 2 (для указанных размеров этот угол равен 44,35°), ошибка положения выходного луча становится меньше допуска на линейные размеры, что показано на фиг. 5в.
Задача расширения пределов, в которых возможно изменение дисперсии групповых скоростей обеспечивается в предлагаемом изобретении за счет использования внешних или выгравированных непосредственно на пластинчатом элементе дифракционных решеток, отклоняющих излучение в плоскости, перпендикулярной широким граням этого элемента, и обеспечивающих волноводный характер распространения преобразуемого излучения. По сравнению с прототипом, в котором дифракционные решетки, отклоняют луч параллельно широким граням, предлагаемое техническое решение имеет следующие преимущества:
- наличие дифракционных решеток не влияет на ход луча в плоскости, параллельной широким граням пластинчатого оптического элемента, что исключает геометрические ограничения на диапазон изменения ДГС, имеющиеся в прототипе;
- вследствие угловой дисперсии преобразуемого излучения, его спектральные составляющие распространяются в пластинчатом элементе в плоскости, перпендикулярной широким граням, в виде отдельных волноводных мод, различающихся фазовыми характеристиками, что может быть использовано для расширения диапазона изменения ДГС;
- в плоском волноводе могут распространяться симметричные волноводные моды, направляемые на противоположные широкие грани пластинчатого элемента, 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.
Для иллюстрации предлагаемого технического решения на фиг. 6 и фиг. 7 показан ход лучей для двух спектральных составляющих в пластинчатом оптическом элементе с парой фазовых дифракционных решеток типа эшелетт с симметричным профилем штрихов. На фиг. 6 показан вариант, в котором пропускающие решетки 51, совмещены с входным 31 и выходным 32 окнами, при нормальном падении входного луча. На фиг. 7 показан вариант, в котором используются отражающие дифракционные решетки 51. В этом варианте решетки 51 размещены на плоскостях, срезающих узкие боковые кромки пластинчатого элемента 10 под углом к одной из узких граней 21. Входной луч 4 вводится через противоположную узкую грань 21 и после преломления на ее поверхности нормально падает на первую отражающую дифракционную решетку 51 с симметричными штрихами, нарезанными вдоль широких граней пластинчатого элемента. Отраженное от решетки 51 излучение распространяется в пластинчатом элементе 10 к другой дифракционной решетке 51 в виде симметричных волноводных мод. Волноводное распространение может быть обеспечено, например, за счет полного внутреннего отражения от широких и узких граней пластинчатого элемента благодаря оптимизации дифракционных углов решетки. От второй решетки 51 спектральные составляющие излучения отражаются под углом 90 градусов и направляются к узкой грани 21, расположенной напротив решетки, а после преломления на ее поверхности выходят из пластинчатого элемента.
Одновременно с решением поставленных задач при осуществлении предлагаемого изобретения дополнительно могут быть реализованы эффективные методы оптической накачки пластинчатого элемента, если он изготовлен из активированных материалов, особенно трехуровневых. За счет детерминированного положения траектории лазерного луча в пластинчатом элементе возбуждающее излучение может быть сконцентрировано в узком коридоре по пути усиливаемого излучения или в точечных областях, совпадающих с местами самопересечения пучка усиливаемого излучения. Способы такой накачки раскрыты, например, в патентных документах [7÷10]. Локализация накачанных областей по ходу усиливаемого излучения позволяет эффективно подавлять высокие поперечные моды и практически исключить потери на усиление паразитного и спонтанного излучений.
Результат изобретения
Результат предлагаемого изобретения состоит в значительном снижении влияния ошибок линейных размеров пластинчатого оптического элемента на положение выходного лазерного луча и в расширенном, по сравнению с аналогами, диапазоном изменения ДГС, а так же в возможности эффективной накачки активной среды, если пластинчатый элемент изготовлен из активированных материалов. Этот результат дает возможность создавать компактные, коммерчески эффективные лазерные устройства для генерации, усиления и других видов преобразования мощного лазерного излучения, в том числе коротких и ультракоротких световых импульсов большой мощности.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1а - схематичный вид хода лучей в оптическом элементе-прототипе предлагаемого изобретения.
Фиг. 1б - схематичный вид оптического элемента, иллюстрирующий влияние ошибок линейных размеров на ход луча в прототипе предлагаемого изобретения.
Фиг. 2 - развертка оптического элемента, иллюстрирующая ограничения на величину угловой дисперсии в прототипе предлагаемого изобретения.
Фиг. 3 - схематичный вид в различных проекциях хода лучей в пластинчатом оптическом элементе согласно предлагаемому изобретению.
Фиг. 4 - схематичный вид проекции следа луча на широкую грань пластинчатого элемента согласно предлагаемому изобретению
Фиг. 5а - схематичный вид хода луча в точно изготовленном пластинчатом оптическом элементе.
Фиг. 5б - схематичный вид хода луча в пластинчатом оптическом элементе, изготовленном с ошибками линейных размеров.
Фиг. 5в - схематичный вид хода луча в пластинчатом оптическом элементе при устранении влияния ошибок линейных размеров согласно предлагаемому изобретению.
Фиг. 6 - схематичный вид в различных проекциях хода лучей с различной длиной волны в пластинчатом оптическом элементе с прозрачными дифракционными решетками, согласно предлагаемому изобретению.
Фиг. 7 - схематичный вид в различных проекциях хода лучей с различной длиной волны в пластинчатом оптическом элементе с отражающими дифракционными решетками, согласно предлагаемому изобретению.
Фиг. 8 - схематичный вид лазерного устройства по первому варианту реализации предлагаемого изобретения.
Фиг. 9а - схематичный вид хода лучей в пластинчатом оптическом элементе при четном m.
Фиг. 9б - схематичный вид хода лучей в пластинчатом оптическом элементе при четном k.
Фиг. 9в - схематичный вид хода лучей в пластинчатом оптическом элементе при нечетных m и k.
Фиг. 10 - схематичный вид лазерного устройства по второму варианту реализации предлагаемого изобретения.
Фиг. 11 - схематичный вид лазерного устройства по третьему варианту реализации предлагаемого изобретения.
Фиг. 12 - схематичный общий вид лазерного устройства по четвертому варианту реализации предлагаемого изобретения.
Фиг. 13 - схематичный вид сверху лазерного устройства по четвертому варианту реализации предлагаемого изобретения.
Фиг. 14а - схематичный вид лазерного устройства по пятому варианту реализации предлагаемого изобретения.
Фиг. 14б - схематичный вид лазерного устройства по пятому варианту реализации предлагаемого изобретения с устраненным сносом лучей.
Фиг. 15а - схематичный вид лазерного устройства по шестому варианту реализации предлагаемого изобретения.
Фиг. 15б - схематичный вид лазерного устройства по шестому варианту реализации предлагаемого изобретения с устраненным сносом лучей.
Фиг. 16 - схематичный вид лазерного устройства по седьмому варианту реализации предлагаемого изобретения.
Описание обозначений
1: лазерное устройство
2: источник энергии
3: активные и/или пассивные лазерные компоненты
4: пучок лазерного излучения
5: выходной пучок лазерного излучения
6: спектральные составляющие лазерного излучения
7: глухое зеркало оптического резонатора
8: полупрозрачное (выходное) зеркало оптического резонатора
9: выходные лазерные компоненты
10: пластинчатый оптический элемент
21: продольная узкая грань пластинчатого оптического элемента
22: поперечная узкая грань пластинчатого оптического элемента
23: широкая грань пластинчатого оптического элемента
24: продольная ось пластинчатого оптического элемента
25: поперечная ось пластинчатого оптического элемента
31: входное окно
32: выходное окно
40: источник излучения накачки
41: пучок излучения накачки
42: лазерные диоды накачки
43, 44: цилиндрические линзы
51: дифракционная решетка
Осуществление изобретения
Настоящее изобретение предлагает усовершенствованное лазерное устройство с пластинчатым оптическим элементом (slab element) для генерации и преобразования лазерного излучения, отличающееся большой длиной хода лазерного луча и возможностью изменения в широком диапазоне дисперсии групповых скоростей лазерных импульсов, а также толерантностью к ошибкам линейных размеров, неизбежно возникающим при изготовлении полированных оптических пластин.
Настоящее изобретение позволяет создавать коммерчески доступные компактные и мощные непрерывные и импульсные лазерные устройства, в том числе генерирующие мощные ультракороткие импульсы за счет использования в предлагаемом лазерном устройстве пластинчатого оптического элемента отличающегося простотой изготовления, установки и взаимозаменяемостью.
Ниже приведено определение терминов, используемых в этом документе.
Осевые линии и размеры оптического элемента, представляющего собой прямоугольный параллелепипед, определяются следующим образом:
- продольная осевая линия - прямая, проходящая внутри оптического элемента параллельно более длинным противоположным узким граням параллелепипеда;
- поперечная осевая линия - прямая, проходящая внутри оптического элемента перпендикулярно продольной осевой линии в одной плоскости с ней;
- продольный размер оптического элемента - расстояние между более короткими противоположными узкими гранями;
- поперечный размер оптического элемента - расстояние между более длинными противоположными узкими гранями;
- продольная боковая грань - узкая грань параллелепипеда, параллельная продольной осевой линии;
- поперечная боковая грань - узкая грань параллелепипеда, параллельная поперечной осевой линии.
Длина грани определяется соответствующим размером оптического элемента независимо от наличия фасок, срезающих узкие боковые кромки параллелепипеда. При равенстве длины всех узких граней продольная осевая линия проходит в плоскости распространения лазерного излучения внутри оптического элемента параллельно произвольно выбранной паре противоположных узких граней.
Число пересечений осевых линий лазерным лучом определяется по проекции следа лазерного луча на плоскость, по которой проходят осевые линии.
Для однозначного определения числа пересечений лазерным лучом продольной и поперечной осевых линий предпочтительно проводить эти линии между местами самопересечения следа пучка лазерного излучения.
Термин - материал с нормальной дисперсией относится к оптическому материалу, у которого показатель преломления увеличивается с увеличением частоты излучения. Такой материал может применяться при изготовлении предлагаемого оптического элемента, если он предназначен для расширения импульсов света. Предпочтительными материалами являются: плавленый кварц, синтетический диоксид кремния, обладающий высокой прозрачностью в широком диапазоне волн от ультрафиолетовой области до инфракрасной области и к тому же имеющий небольшой коэффициентом теплового расширения, а также другие материалы, например, боросиликатное стекло, пластмассы, например акрил и полипропилен, монокристаллические материалы, например сапфир и алмаз.
Термин - материал с аномальной дисперсией относится к оптическому материалу, у которого эффективный показатель преломления уменьшается с увеличением частоты излучения. Такой материал может применяться при изготовлении предлагаемого оптического элемента, если он предназначен для сжатия импульсов света, например, так как предложено в патентном документе [13]. Предпочтительным может быть композитный материал на основе фотоннокристаллических волокон плавленого кварца, как это предложено в патентной заявке [13] или композитный наноматериал описанный в непатентном источнике [14].
Термин - активированный материал относится к оптическому материалу, состоящему из кристаллической или аморфной матрицы, легированной подходящими ионами, которые возбуждаются 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, Co, Ni, Cr, Се, Pr, Nd, Sm, Eu, Yb, Но, Dy и Tm, но не ограничены ими.
Термин неактивированный материал относится к оптическому материалу, не содержащему легирующих добавок, предпочтительно использование того же материала, что используется в качестве матрицы в активированном материале или материала с таким же или близким значением показателя преломления, если его величина не оговаривается особо.
В одном из вариантов реализации предлагаемого изобретения, показанном на фиг. 8, лазерное устройство 1 включает в себя пассивные и/или активные лазерные компоненты 3, формирующие пучок излучения 4, пластинчатый оптический элемент 10 и выходные лазерные компоненты 9, формирующие выходной пучок 5. Элемент 10 имеет вид прямоугольного параллелепипеда с двумя срезанными боковыми кромками, например, прилегающими к одной из поперечных боковых граней 22. Этот элемент может быть изготовлен из материала с нормальной или аномальной дисперсией и выполнять, например, функцию линейной обработки лазерных импульсов аналогично тому, как это предложено в патентных документах [11, 12, 13]. В диспергирующей среде вследствие того, что разные спектральные компоненты бегут с разной скоростью, длительность короткого импульса изменяется. Величина этого изменения определяется дисперсией групповых скоростей, которая в свою очередь обусловлена зависимостью от длины волны показателя преломления материала выбранного для изготовления пластинчатого оптического элемента. Эта зависимость имеет вид:
Где:
λ - длина волны;
с - скорость света;
n - показатель преломления;
L - оптическая длина пути излучения в пластинчатом элементе.
Если элемент 10 изготовлен из материала с нормальной дисперсией, то возникает положительная ДГС, приводящая к расширению импульсов излучения 4 [11, 12], а при использовании материала с аномальной дисперсией возникает отрицательная дисперсия, сопровождающаяся сжатием оптических импульсов [13].
В этом варианте реализации предлагаемого изобретения для снижения влияния ошибок линейных размеров, допущенных при изготовлении пластинчатого элемента, лазерный пучок 4 направляется в пластинчатый оптический элемент 10 так, что после преломления на поверхности входного окна излучение проходит, отражаясь многократно от боковых граней под углом, зависящим от фактических линейных размеров пластинчатого элемента в соответствии с формулой (2).
Угол отражения излучения от продольной боковой узкой грани α может иметь различные значения, например, близкое к 45°. Если не используются отражающие покрытия на узких гранях, то на этот угол должно быть наложено дополнительное ограничение, гарантирующее проход лучом пластинчатого элемента с полным внутренним отражением от боковых поверхностей:
Где: αkr - предельный угол полного внутреннего отражения.
Длина оптического пути в пластинчатом элементе для каждой спектральной составляющей определяется по формуле:
Где: ni(λ) - показатель преломления материала, из которого изготовлен оптический элемент.
В зависимости от значений m и k, возможны следующие особенности рассматриваемой реализации предлагаемого изобретения, показанные на фиг. 9а … 9в.
1. Если m - четное, то входное окно 31 и выходное окно 32 примыкают к одной из поперечных боковых граней 22, как показано на фиг. 9а
2. Если k - четное, то входное окно 31 и выходное окно 32 примыкают к одной из продольных боковых граней 21, как показано на фиг. 9б.
3. Если k и m - нечетные, то входное и выходное окна располагаются на поверхностях, срезающих боковые кромки, примыкающие к противоположным боковым граням, как показано на фиг. 9в.
Второй вариант реализации предлагаемого изобретения, показанный на фиг 10, отличается тем, что в нем отсутствует настройка угла падения пучка излучения на поверхность входного окна пластинчатого оптического элемента 10 для компенсации ошибок линейных размеров. Вместо этого для обеспечения взаимозаменяемости, поверхности входного окна 31 и выходного окна 32 наклонены к продольным боковым граням 21 пластинчатого элемента под углом, зависящим от фактических линейных размеров в соответствии с формулой:
Где:
φ - угол наклона поверхности входного (выходного) окна к продольной боковой грани пластинчатого элемента;
a
n - показатель преломления внешней среды;
ni - показатель преломления материала из которого изготовлен пластинчатый элемент;
β - установленный при проектировании угол между лучом, поступающим в оптическое устройство и продольной боковой гранью пластинчатого элемента;
α - проекция угла отражения лазерного пучка от продольной боковой грани на плоскость, параллельную широкой грани, определяемая в зависимости от линейных размеров пластины, в соответствии с формулой (2).
В этом варианте реализации предлагаемого изобретения взаимное пространственное положение лазерных компонентов 3, 9 и пластинчатого элемента 10 практически не зависит от ошибок линейных размеров пластинчатого элемента, что повышает стабильность и обеспечивает более простую настройку лазерного устройства. Используемое в этом варианте техническое решение основано на том, что существует большой арсенал доступных средств измерений, позволяющих с малыми ошибками (менее 0,01 мм) измерить фактические линейные размеры плоскопараллельных оптических деталей, а существующие технологии дают возможность изготавливать оптические детали с очень малыми ошибками угловых размеров (менее 30 угловых секунд). Пластинчатый элемент, с предлагаемым в этом варианте реализации изобретения соотношением размеров, обеспечивает его взаимозаменяемость при меньшей трудоемкости изготовления по сравнению с вариантом, обеспечивающим прецизионную точность линейных размеров.
Третий вариант реализации предлагаемого изобретения, показанный на фиг. 11, отличается от первого или второго варианта тем, что пластинчатый элемент 10 изготовлен из активированного материала, способного усиливать непрерывное или импульсное лазерное излучение после возбуждения его оптической накачкой. При этом для повышения плотности мощности излучения накачки, а также для снижения потерь, связанных с усилением спонтанного и паразитного излучений, используется источник накачки 40, создающий массив регулярно расположенных отдельных пучков излучения накачки 41. Каждый из этих пучков направляется в пластинчатый элемент через широкие грани пластинчатого элемента и концентрируется в местах самопересечения следа усиливаемого пучка лазерного излучения 4. Регулярные массивы пучков излучения накачки могут быть получены, например, с помощью массива вертикально излучающих диодов, как это предложено в патентных документах [8, 10] или другими известными способами.
Четвертый вариант реализации предлагаемого изобретения, показанный на фиг. 12 и фиг. 13, отличается от первого или второго варианта тем, что пластинчатый элемент 10 изготовлен из композитного материала, состоящего из чередующихся вдоль боковых граней активированных слоев 11 и не активированных слоев 12. В этом варианте лазерное устройство является оптическим квантовым генератором благодаря наличию резонатора, образованного глухим 7 и полупрозрачным 8 зеркалами. Излучение накачки 41 лазерных диодов 42 с помощью цилиндрических линз 43 и 44 преобразуется в узкие плоские пучки, слабо расходящиеся в направлении, параллельном широкой грани 23, и вводится в пластинчатый элемент 10 через входные окна 31 и/или через выходные окна 32. В пластинчатом элементе 10 это излучение распространяется вместе с генерируемым излучением 4 в узком слое 13, перпендикулярном широким граням пластины, отражаясь от боковых и широких граней. Представленный вариант способен генерировать непрерывное лазерное излучение. Для реализации генератора импульсного излучения в полости резонатора могут быть установлены модуляторы добротности и/или другие элементы обеспечивающие импульсную модуляцию.
Пятый вариант реализации предлагаемого изобретения, показанный на фиг. 14а, отличается тем, что на входном 31 и выходном 32 окнах пластинчатого элемента 10 размещены прозрачные дифракционные решетки 51, отклоняющие вошедшее в пластину излучение 4 в плоскости, перпендикулярной широким граням элемента 10.
Пара дифракционных решеток создает отрицательную дисперсию, обусловленную зависимостью от параметров решетки длины пути и, соответственно, времени задержки различных спектральных составляющих от длины волны. Эта зависимость имеет вид:
Где:
λ - длина волны;
с - скорость света;
n - показатель преломления;
g
d - шаг решетки;
θ угол дифракции;
L - длина оптического пути, которое излучение проходит между решетками.
Полная дисперсия, создаваемая пластинчатым оптическим элементом, будет равна алгебраической сумме ДГС определяемым по формулам (3) и (9).
Для снижения потерь на дифракционных решетках предпочтительно использовать дифракционную решетку со штрихами симметричной формы, с углом наклона штрихов, при котором излучение 4 нормально падающее на плоскость решетки, подходит к поверхности каждого штриха под углом Брюстера. Для устранения сноса лучей, возникающего на выходе любого действующего на основе угловой дисперсии компенсатора ДГС, может быть использован второй пластинчатый элемент 10, как показано на фиг. 14б. Снос лучей не проявляется, если поперечный размер входного пучка равен толщине пластинчатого оптического элемента 10.
Шестой вариант реализации предлагаемого изобретения, показанный на фиг. 15а и фиг. 15б, отличается от первого варианта тем, что у пластинчатого элемента 10 срезаны в виде фасок две боковые кромки и на гранях, образованных этими фасками размещены отражательные дифракционные решетки 51 с симметричным профилем штрихов, отклоняющие излучение в плоскости перпендикулярной широким граням элемента 10. Формируемый лазерными компонентами 3 широкополосный лазерный пучок 4 вводится в пластинчатый элемент через узкую грань, лежащую напротив первой отражательной решетки 51 так, чтобы он после преломления на поверхности узкой грани падал на первую отражательную решетку 51 под прямым углом. Вследствие угловой дисперсии происходит разделение излучения, отраженного от первой дифракционной решетки, на спектральные составляющие, которые в виде симметричных волноводных мод идут ко второй дифракционной решетке однотипной с первой. При этом проекция на плоскость широкой грани угла отражения от узких граней 21 зависит от фактических линейных размеров пластинчатого элемента 10 в соответствии с формулой (2); Это обеспечивается за счет среза боковых кромок для размещения дифракционных решеток под углом, зависящим от фактических размеров пластинчатого элемента 10 в соответствии с формулой (2).
Волноводное распространение спектральных составляющих обеспечивается за счет их отражения от широких граней 23 пластинчатого элемента. При необходимости на эти грани может быть нанесено отражающее покрытие. Параметры дифракционных решеток оптимизируются таким образом, чтобы угол отражения от решетки всех спектральных составляющих превышал угол полного внутреннего отражения для материала, из которого изготовлен пластинчатый элемент 10. Это условие необходимо для того, чтобы обеспечивалось отражение излучения от узких граней, лежащих напротив дифракционных решеток. При выполнении перечисленных условий спектральные составляющие входного излучения подходят ко второй дифракционной решетке 51 с различной задержкой, обеспечивающей компенсацию ДГС?. и отражаются от нее под прямым углом в направлении противоположной узкой грани. После преломления на поверхности этой грани излучение выходит из пластинчатого элемента 10. Для устранения сноса лучей, может быть использован второй пластинчатый элемент 10, как показано на фиг. 15б. Снос лучей не проявляется, если поперечный размер входного пучка равен толщине пластинчатого оптического элемента 10.
Седьмой вариант реализации предлагаемого изобретения, показанный на фиг. 16, отличается от пятого или шестого варианта тем, что пластинчатый оптический элемент изготовлен из активированного материала, способного усиливать импульсное лазерное излучение, при этом излучение накачки формируется в виде множества узких пучков и направляется в пластинчатый элемент через широкие грани так, чтобы накачанные участки располагались по пути усиливаемого излучения в плоскости распространения его спектральных составляющих. Такая накачка возможна благодаря тому, что в пятом и шестом вариантах реализации предлагаемого изобретения симметричные спектральные составляющие излучения 6, отражаясь от широких граней, в совокупности образуют длинную ленту, сложенную внутри пластинчатого элемента. Объем активной среды, занимаемый этой лентой, можно накачивать излучением от большого числа лазерных источников накачки узкими сфокусированными лучами большой плотности мощности. Высокая плотность мощности требуется для накачки лазерных сред, используемых для усиления широкополосного импульсного излучения, таких как сапфир, активированный титаном, или материалы, активированные иттербием. Накачка многочисленными узкими пучками позволяет накачивать до режима насыщения достаточно большой объем активной среды по пути распространения усиливаемого излучения с минимальными потерями от влияния вредных термооптических эффектов и/или усиления спонтанного и паразитного излучений. Благодаря большой длине, которую излучение проходит в пластинчатом оптическом элементе суммарная поглощенная энергия накачки может быть достаточно большой. При этом, как правило, стоимость, эффективность и качество излучения большого числа относительно маломощных лазеров накачки выше, чем у единичного лазерного источника с такой же суммарной мощностью.
Эти варианты не исчерпывают возможные примеры реализации предлагаемого лазерного устройства с пластинчатым элементом, используемым для получения и преобразования мощного непрерывного и импульсного лазерного излучения. Специалистам должно быть понятно, как можно использовать предлагаемые технические решения для разработки лазерных устройств, используемых в составе телекоммуникационных, исследовательских или технологических систем.
Использованные источники
1. В.Г. Беспалов, С.А. Козлов, В.Н. Крылов, С.Э. Путилин. Фемтосекундная оптика и фемтотехнологии, - СПб: СПбГУ ИТМО 2010 - 234 с.
2. Патентный документ US 20080013587 (аналог).
3. Патентный документ US 20110222289 (прототип).
4. Koechner, W., Solid-State Laser Engineering, Sixth Revised and Updated Edition, 2006, W.T. Rhodes et al., eds.. Springer Science + Business Media.
5. П.Г. Крюков. Лазеры ультракоротких импульсов. «Квантовая электроника», 31, №2 (2001).
6. О. Звелто. Принципы лазеров. Под ред. Т.А. Шмаонова. 4_е изд. СПб.: Издательство «Лань», 2008. - 800 с.: ил.
7. Патентный документ US 5485482.
8. Патентный документ US 7130111.
9. Патентный документ US 7535633.
10. Патентный документ US 7949022.
11. Патентный документ RU 2475908.
12. Патентный документ US 2010/00913 59
13. Патентный документ US 2013/0250982.
14. U. Levy and Y. Fainman., Dispersion properties of inhomogeneous nanostructures. Vol. 21, No. 5 / May 2004/ J. Opt. Soc. Am. A