Лазер
LASER

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к импульсным твердотельным лазерам с диодной накачкой.
Известны твердотельные лазеры, содержащие активный элемент с резонатором и лампу накачки [1]. Преобразование излучения лампы в лазерное излучение недостаточно эффективно из-за неоптимального согласования спектра излучения лампы со спектром поглощения активного элемента и из-за несовпадения процесса горения лампы с кинетикой поглощения-излучения активного элемента.
Эти недостатки устранены в лазерах с диодной накачкой. Лазерные диодные решетки и матрицы, применяемые для накачки твердотельных лазеров, обладают по сравнению с лампами более высоким КПД, оптимальным для накачки спектром излучения и управляемыми параметрами импульса накачки. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является твердотельный лазер, описанный в [2]. Этот лазер содержит последовательно установленные источник излучения накачки в виде лазерной диодной матрицы, первое дихроичное зеркало резонатора, активный элемент, поляризатор, электрооптический затвор и второе зеркало резонатора.
Необходимость использования первого зеркала одновременно как элемента резонатора лазера и входного окна для излучения накачки ограничивает возможности конструктивного исполнения зеркала (например, при необходимости использования зеркала сферической или параболической формы) и ухудшает его характеристики по каждому из указанных назначений. В результате снижается выходная энергия излучения лазера и надежность глухого зеркала.
Еще одна отрицательная особенность известного технического решения - затухание энергии накачки по мере его проникновения в глубину активного элемента. Это ограничивает длину активного элемента и, соответственно, выходную энергию лазерного излучения.
Задачей изобретения является повышение энергии выходного излучения лазера при минимальных габаритах устройства.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном лазере, содержащем последовательно установленные источник излучения накачки, активный элемент, установленный внутри резонатора, включающего глухое и полупрозрачное зеркала, активный элемент выполнен в виде стержня, по крайней мере один из торцов которого скошен относительно его продольной оси так, что угол между нормалью к торцу и продольной осью активного элемента превышает предельный угол полного внутреннего отражения, боковая поверхность активного элемента, противоположная скошенному торцу, выполнена в виде окна, прозрачного для лазерного излучения, источник накачки установлен у скошенного торца активного элемента таким образом, чтобы излучение накачки проникало через торец в активный элемент, одно из зеркал резонатора установлено напротив окна в активном элементе так, чтобы угол между осью зеркала и поверхностью скошенного торца был равен углу между этой поверхностью и осью активного элемента, кроме того, введен лазерный усилитель, состоящий из второго источника накачки и второго активного элемента, по крайней мере один из торцов которого скошен относительно его продольной оси так, что угол между нормалью к торцу и продольной осью второго активного элемента превышает предельный угол полного внутреннего отражения, боковая поверхность второго активного элемента, противоположная скошенному торцу, выполнена в виде окна, прозрачного для лазерного излучения, второй источник накачки установлен у скошенного торца второго активного элемента таким образом, чтобы излучение накачки проникало через торец в активный элемент, причем второй активный элемент установлен своим окном напротив полупрозрачного зеркала.
Последовательно с активным элементом внутри резонатора может быть введен модулятор добротности резонатора.
Вторые торцы обоих активных элементов могут быть скошены аналогично первым торцам. При этом у вторых скошенных торцов могут быть установлены дополнительные источники накачки.
На выходе второго активного элемента могут быть последовательно введены дополнительные лазерные усилители.
На фиг. 1 представлена схема лазера с одним скошенным торцом. На фиг. 2 показана схема лазера с двумя скошенными торцами активного элемента.
Активный элемент 1 (фиг. 1) установлен между зеркалами резонатора - глухим зеркалом 2 и полупрозрачным зеркалом 3. Перед скошенным торцом активного элемента установлен источник накачки (лазерная диодная матрица) 4. Последовательно с активным элементом внутри резонатора установлен модулятор добротности, например фототропный затвор [1, с. 156]. Лазерное излучение после выхода через зеркало резонатора 3 поступает во второй активный элемент 6 через окно в его боковой поверхности. Через скошенный торец второго активного элемента в него поступает излучение накачки от второго источника накачки 7.
При двух скошенных торцах первого и второго активных элементов они могут быть расположены параллельно, как показано на фиг. 2.
Устройство работает следующим образом.
При включении источников оптической накачки 4 и 7 их излучение проникает в активные элементы 1 и 6 через их скошенные торцы. При достижении заданного уровня возбуждения активных элементов срабатывает затвор 5, и в первом активном элементе начинается лавинообразный процесс формирования гигантского импульса. Лазерное излучение выводится из резонатора через полупрозрачное зеркало 3. Далее короткий лазерный импульс, сформированный с помощью первого активного элемента 1, резонатора 2, 3 и модулятора добротности 5, поступает во второй активный элемент, возбужденный вторым источником накачки 7. Запасенная во втором активном элементе энергия накачки высвобождается в виде лазерного излучения, индуцированного излучением, сформированным в первом активном элементе. Это усиленное излучение выходит через второй торец второго активного элемента.
Согласно данному техническому решению излучение накачки беспрепятственно проникает в активные элементы через их торцы с высоким коэффициентом пропускания для излучения накачки. Для лазерного излучения эти торцы представляют собой стопроцентно отражающие зеркала благодаря их расположению под углом полного внутреннего отражения. Форма глухого зеркала может быть как плоской, так и сферической, если это диктуется условиями обеспечения максимальной добротности резонатора и требованиями к диаграмме направленности выходного излучения лазера [1, с. 52].
Описанная конструкция лазера дает возможность компактного размещения элементов устройства благодаря его «сломанной» конфигурации. Особенно плотно элементы лазера укладываются в варианте, представленном на фиг. 2. Эта же особенность позволяет унифицировать детали задающего генератора и усилителя, а также наращивать количество усилительных каскадов без существенного увеличения габаритов.
Благодаря указанным особенностям изобретения обеспечивается повышение энергии выходного излучения лазера при минимальных габаритах устройства.
Данный вывод подтвержден положительными результатами изготовления и испытаний макетного образца лазера.
Источники информации
1. Справочник по лазерной технике. Киев, «Технiка», 1978 г., с. 60.
2. LASER-DIODE ARRAYS: Multicolor uncooled diode array efficiently pumps Nd: YAG laser. LaserFocusWorld. 08/01/2007 - прототип.