Устройство высокоинтенсивной продольной волоконной накачки твердотельных лазеров на кристаллах Nd:YAG

Полезная модель относится к области лазерной физики и волоконной оптики. Данная полезная модель может быть использована в качестве продольной накачки твердотельных лазеров на кристалле аллюмоиттриевого граната допированного ионами неодима (Nd:YAG).
Прототипом предлагаемой полезной модели может служить хорошо известное решение, использующее в качестве продольной волоконной накачки лазеров на кристаллах Nd:YAG лазерных диодов с волоконным выходом, описанное, например, в работе: Н. Kofler, et. al. "Experimental development of a monolithic passively Q-switched diode-pumped Nd:YAG laser" Eur. Phys. J. D 58, 209-218 (2010).
Данный прототип содержит в себе последовательно источник излучения - лазерный диодный излучатель, соединенный с системой заведения излучения в оптическое многомодовое волокно диаметром 100 мкм и более, оптическое многомодовое волокно, соединенное с устройством коллимации излучения на выходе.
Прототип работает следующим образом: источник излучения - лазерный диодный излучатель формирует оптическое излучение, которое, проходя систему заведения в оптическое волокно, распространяется по оптическому многомодовому волокну и на выходе из волокна, попадает на систему коллимации, которая компенсирует его расходимость. Далее данное излучение является пригодным для осуществления продольной накачки твердотельных лазеров на кристаллах Nd:YAG.
Работоспособность прототипа достигается путем использования источника излучения - лазерного диодного излучателя с центральной длиной волны излучения, расположенной вблизи 808 нм, что обусловлено интенсивным поглощением активных кристаллов Nd:YAG в окрестности данной длины волны (пик поглощения обозначен на фиг. 1).
Основным недостатком прототипа является низкая пространственная когерентность источника излучения - лазерного диодного излучателя и, как следствие, ограниченная мощность излучения на выходе оптического многомодового волокна с диаметром сердцевины 100 мкм не превышающая 100 Вт. Низкая пространственная когерентность излучения вынуждает разрабатывать достаточно сложные системы заведения излучения в оптические волокна, как например: US 5127068 A, US 6666590 B2, и при увеличении выходной мощности излучения приходится увеличивать и диаметр использующегося волокна, так мощные (более 100 Вт) волоконные источники используют оптические многомодовые волокна диаметром сердцевины свыше 400 мкм, но применение оптических волокон с большим диаметром сердцевины ограничивает интенсивность излучения накачки, которая в случае применения волоконной накачки может быть оценена как отношение мощности излучения к площади поперечного сечения сердцевины оптического многомодового волокна.
Техническим результатом полезной модели по сравнению с прототипом является увеличение пространственной когерентности источника излучения и, как следствие, увеличение мощности излучения на выходе оптического многомодового волокна с диаметром сердцевины от 50 мкм до 100 мкм до единиц киловатт. Увеличение пространственной когерентности излучения позволит упростить систему заведения в оптические волокна и при увеличении мощности излучения использовать оптические волокна диаметром сердцевины, не превышающим 100 мкм, применение волокон диаметром от 100 мкм и менее позволяет, соответственно, увеличить интенсивность излучения на выходе.
Технический результат достигается тем, что устройство высокоинтенсивной продольной волоконной накачки твердотельных лазеров на кристаллах Nd:YAG содержащее последовательно расположенные источник излучения, расположенную с источником излучения на одной оптической оси систему заведения излучения, оптическое многомодовое волокно, входной торец которого расположен на расстоянии фокуса системы заведения излучения и лежит на одной оптической оси с системой заведения излучения; и коллимирующую линзу, расположенную с выходным торцом оптического многомодового волокна на другой оптической оси и на расстоянии фокуса коллимирующей линзы расположен выходной торец оптического многомодового волокна, источник излучения, система заведения излучения, оптическое многомодовое волокно и коллимирующая линза размещены рядом друг с другом компактно - впритык в одном корпусе и соединены между собой свинчиванием, в качестве источника излучения использован лазер на кристалле Nd:YAG, работающий в режиме свободной генерации и содержащий в себе внутрирезонаторный удвоитель частоты, в качестве системы заведения излучения использована сферическая фокусирующая линза, в качестве оптического многомодового волокна использовано оптическое многомодовое волокно диаметром сердцевины от 50 мкм до 100 мкм и длиной меньше либо равной 100 м.
Полезная модель использует наличие в спектре поглощения кристаллов Nd:YAG пика поглощения на длине волны 532 нм (пик поглощения обозначен на фиг. 1), которое также может использоваться в качестве создания инверсной населенности в кристаллах Nd:YAG и, как следствие, генерации лазерного излучения. Такое излучение обладает высокой энергией более 200 мДж, высокой пространственной когерентностью, что позволяет с эффективностью более 90% заводить его в оптические многомодовые волокна с диаметром сердцевины (D), при этом выполняется условие: 50 мкм≤D≤100 мкм, используя сферическую фокусирующую линзу.
3+
На фиг. 1 приведен спектр поглощения кристалла Nd:YAG.
На фиг. 2 приведена блок-схема устройства высокоинтенсивной продольной накачки твердотельных лазеров на кристаллах Nd:YAG.
Принятые обозначения:
1 - источник излучения - импульсный лазер на кристалле Nd:YAG, работающий в режиме свободной генерации с внутрирезонаторным удвоением частоты;
2 - система заведения излучения - сферическая фокусирующая линза, установленная так, что сферическая фокусирующая линза и входной торец оптического многомодового волокна располагаются на одной оптической оси и расположены друг относительно друга на расстоянии бликом к фокусному расстоянию линзы;
3 - оптическое многомодовое волокно с диаметром сердцевины от минимально возможной для оптических многомодовых волокон от 50 мкм до 100 мкм и длиной от минимально возможной для крепления оптического многомодового волокна до 100 м (возможно использование и оптического многомодового волокна большей длины с падением мощности до субкиловаттного уровня);
4 - коллимирующая линза, которая коллимирует излучение на выходе оптического многомодового волокна.
В таблице 1 приведены экспериментальные данные по выходной мощности излучения в зависимости от параметров применяемого оптического многомодового волокна.
В таблице 2 приведены экспериментальные данные по осуществлению накачки монолитных Nd,Cr:YAG кристаллов (одного из возможных типов лазеров на кристаллах Nd:YAG) полезной моделью.
Полезная модель (фиг. 2) содержит последовательно расположенные: источник излучения - лазер 1 на кристалле Nd:YAG, работающий в режиме свободной генерации и содержащий в себе внутрирезонаторный удвоитель частоты (далее лазер), расположенную с ним на одной оптической оси систему заведения излучения - сферическую фокусирующую линзу 2, установленную так, что сферическая фокусирующая линза 2 и входной торец оптического многомодового волокна 3 располагаются на одной оптической оси и входной торец расположен на расстоянии фокуса сферической фокусирующей линзы 2, оптическое многомодовое волокно 3 диаметром сердцевины от 50 мкм до 100 мкм и длиной меньше либо равной 100 м (возможно использование и оптического многомодового волокна большей длины с падением мощности до субкиловаттного уровня) (далее волокно), линзу 4, коллимирующую излучение на выходе волокна 3, расположенную на другой оптической оси с выходным торцом оптического многомодового волокна 3 на расстоянии фокуса линзы 4. В общем случае две вышеуказанные оптические оси не совпадают, и не параллельны, и не лежат в одной плоскости. Источник излучения 1 в общем случае находится на любом расстоянии от сферической фокусирующей линзы 2. Фокусы сферической фокусирующей линзы 2 и коллимирующей линзы 4 в общем случае разные.
В качестве элементов полезной модели (фиг. 2) могут быть применены, например:
в качестве лазера 1 - любой импульсный Nd:YAG лазер с внутрирезонаторным удвоением частоты и возможностью работы в режиме свободной генерации (например, с отключенным модулятором добротности);
в качестве сферической фокусирующей линзы 2 - любая сферическая фокусирующая линза, например, сферическая фокусирующая линза с фокусным расстоянием от 11 до 12 мм;
в качестве волокна 3 - оптическое многомодовое волокно, например, оптическое многомодовое волокно с диаметром сердцевины от 50 до 100 мкм с числовой апертурой от 0,11 до 0,22 и длиной от 5 см (работоспособность настоящей полезной модели показана для длин волокон от 10 м (таблица 1), что позволяет ожидать аналогичных результатов и для меньших длин оптических многомодовых волокон вследствии радикального уменьшения потерь на распространение излучения в оптическом многомодовом волокне) до 100 м (возможно использование и оптического многомодового волокна большей длины с падением мощности до субкиловаттного уровня), в случае необходимости уменьшить общую длину устройства оптическое многомодовое волокно может использоваться, будучи намотанным на катушку. При использовании оптических волокон с диаметрами сердцевины отличных, от представленных и проверенных для данной полезной модели, в частности волокон диаметрами сердцевины менее 50 мкм, в том числе и случая применения одномодовых (диаметрами сердцевины менее 10 мкм) волокон следует ожидать падения эффективности заведения излучения в оптические волокна и как следствие общего падения интенсивности излучения на выходе полезной модели;
в качестве коллимирующей линзы 4 - любая фокусирующая линза, например, фокусирующая линза с фокусным расстоянием от 4 до 6 мм с просветляющим покрытием.
Все элементы полезной модели 1-4 размещены рядом друг с другом компактно - впритык в одном корпусе (на фиг. не показан) и соединены между собой сборочными операциями, например, свинчиванием, сочленением, склеиванием и т.д.
В качестве объекта накачки (резонатора Nd:YAG лазера), можно применить, например, монолитный (диффузносрощеный Nd,Cr:YAG) кристалл с напыленными зеркалами на гранях кристалла.
Полезная модель (фиг. 2) работает следующим образом.
Лазер 1 генерирует излучение на длине волны 532 нм.
Излучение на выходе лазера 1, попадает на расположенную с ним на одной оптической оси сферическую фокусирующую линзу 2, установленную так, что сферическая фокусирующая линза 2 и входной торец оптического многомодового волокна 3 располагаются на одной оптической оси и входной торец расположен на расстоянии фокуса сферической фокусирующей линзы 2.
Далее излучение распространяется по волокну 3. Например, в случае использования волокна 3 с параметрами: длина 100 метров, диаметр сердцевины 100 мкм и числовая апертура 0,22 составляет более 1 кВт (таблица 1).
Излучение на выходе волокна 3 попадает на линзу 4, коллимирующую излучение на выходе волокна 3, расположенную на одной оптической оси с выходным торцом оптического многомодового волокна 3, на расстоянии фокуса.
Коллимированное излучение на выходе полезной модели может быть в дальнейшем использовано для продольной накачки любого лазерного резонатора на активном кристалле Nd:YAG с активной или пассивной модуляцией добротности или работающего в режиме свободной генерации (таблица 2), а также в ряде других задач лазерной физики и волоконной оптики требующих высокоинтенсивного излучения получаемого с использованием настоящей полезной модели.
Экспериментальное подтверждение работоспособности предлагаемого полезной модели продемонстрировано для оптических многомодовых волокон 3 длиной от 10 до 200 метров с параметрами, приведенными в таблице 1 при длительности излучения лазера 1 на кристалле Nd:YAG, работающего в режиме свободной генерации с внутрирезонаторным удвоением частоты данного лазера 1, определяемой только временем жизни возбужденного состояния ионов неодима и для конкретного лазера 1 не превышающего 200 мкс. Высокая пространственная когерентность излучения твердотельного лазера 1 позволяет заводить излучение в оптическое многомодовое волокно 3 с эффективностью более 90% и, как, например, можно заметить, из данных приведенных в таблице 1 при использовании оптического многомодового волокна 3 с числовой апертурой 0,22 диаметром сердцевины 100 мкм и длиной 100 м мощность излучения на выходе составляет более 1 кВт. Использование оптических многомодовых волокон 3 малого диаметра сердцевины (не превышающего 100 мкм) позволяет радикально увеличить интенсивность излучения на выходе данной полезной модели по сравнению с прототипом.
Как обсуждалось выше, в спектре поглощения (фиг 1) кристаллов алюмоиттриевого граната допированного ионами неодима существует пик поглощения на длине волны 532 нм (обозначен на фиг 1). Длина волны излучения устройства составляет 532 нм, поэтому оно может быть применено для накачки твердотельных лазеров на кристаллах Nd:YAG, что и было нами эксперементально подтверждено. Для экспериментального подтверждения были выбран ряд монолитных Nd,Cr:YAG кристаллов (таблица 2). Излучение полезной модели на длине волны 532 нм, попадая в Nd,Cr:YAG возбуждало в них генерацию на длине волны 1064 нм с параметрами приведенными в таблице 2. Таким образом, можно заключить, что полезная модель может применяться для высокоинтенсивной накачки лазеров на кристаллах алюмоиттриевого граната допированного ионами неодима.
Таким образом, достигается заявленный технический результат, а именно, увеличение пространственной когерентности источника излучения и, как следствие, увеличение мощности излучения на выходе оптического многомодового волокна с диаметром сердцевины от 50 мкм до 100 мкм до единиц киловатт.
Увеличение пространственной когерентности излучения упрощает систему заведения в оптические волокна 3 и увеличение мощности излучения до единиц киловатт позволяет использовать оптические волокна 3 диаметром сердцевины от 50 мкм до 100 мкм и длиной до 100 м, кроме того, продемонстрирована возможность использования подобных волокон длиной до 200 м с получением субкиловаттных уровней мощности.