ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ АКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
SOLID-STATE ACTIVE ELEMENT

Область техники
Настоящее изобретение в целом относится к устройствам для усиления света и более конкретно для усиления когерентного света в лазерных устройствах.
Уровень техники
Одновременное повышение мощности и качества лазерного излучения, которое характеризуется его интенсивностью и расходимостью имеет пределы, связанные с возрастающим влиянием термооптических и/или нелинейных эффектов на качество лазерного пучка. Эти эффекты возникают под влиянием температурных градиентов и приводят к неконтролируемым изменениям спектрального состава, искажениям волнового фронта и самофокусировке, создающей локальные пики интенсивности, достигающие порога прочности оптических элементов. Соответственно, существует потребность в системах и методах для усиления света, включающих в себя активированные элементы, которые эффективно производят высокую мощность и высокую интенсивность лазерных лучей, но сводят к минимуму образование больших температурных градиентов в активной среде и/или обеспечивают компенсацию их влияния на качество пучка.
В одном из аналогов (патент США  6229939) активный элемент представляет собой широкую ленту, состоящую из тонких активированных и неактивированных слоев, созданных по волоконной технологии и образующих параллельные плоские волноводы. Каждый волновод имеет форму прямоугольного ядра, относительно тонкого в одном направлении и относительно широкого в ортогональном направлении. Как известно из фундаментальной публикации [10], тонкая и плоская прямоугольная активированная пластина, нагревающаяся при накачке, обеспечивает самые низкие градиенты температурного поля и соответственно минимальные термооптические эффекты по сравнению с элементами, имеющими другой профиль. Параллельное использование нескольких таких пластин повышает порог мощности усиливаемого излучения, при котором в активированной среде начинается недопустимое развитие нелинейных эффектов, приводящих к четырехволновому смешению и вынужденному рассеянию, а также к термооптическим искажениям волнового фронта и неконтролируемой самофокусировке.
Недостаток аналога состоит в снижении степени симметрии лазерного пучка, способствующего возникновению астигматизма и затрудняющего его использование в технологических процессах и при нелинейном преобразовании частоты.
В другом аналоге (патент США 7042919) активный элемент представляет собой четное число квадратных стержней из активированного материала, установленных на одной оси. При этом в нечетных стержнях накачка производится со стороны вертикальных боковых сторон, а теплоотвод - со стороны горизонтальных боковых сторон. В четных стержнях накачка производится со стороны горизонтальных боковых сторон, а теплоотвод - со стороны вертикальных. В результате предотвращается возникновение астигматизма благодаря скрещенному положению температурных градиентов по ходу усиливаемого пучка, приводящему к симметричному действию тепловых линз и ортогональной ориентации осей двулучепреломления каждого из множества квадратных стержней. Этот аналог выбран в качестве прототипа.
Недостаток прототипа состоит в неэффективном использовании энергии накачки в активированных стержнях с квадратной формой сечения, в которых существует более высокая вероятность возникновения паразитной генерации и усиления спонтанного излучения в областях, прилегающих к продольным кромкам стержней. Помимо бесполезного расходования энергии накачки происходит дополнительный нагрев активированного элемента при рассеянии паразитных излучений.
Сущность изобретения
Согласно предлагаемому изобретению задача повышения пределов достигаемой мощности лазерных пучков с малой расходимостью достигается благодаря снижению неравномерности нагрева активированной среды за счет использования в активированном элементе большого числа скрещенных тонких активированных слоев, имеющих ширину, примерно равную диаметру усиливаемого пучка. Образующийся крестообразный профиль тонкой усиливающей среды обеспечивает минимальный астигматизм, создаваемый температурными градиентами, по сравнению с другими профилями, благодаря наилучшим условиям отвода тепла и симметричному действию неизбежно возникающих в мощных устройствах тепловых линз и ортогональной ориентации осей наведенного теплом двулучепреломления каждого из множества активированных слоев. Дополнительное преимущество состоит в том, что максимальный коэффициент усиления сосредоточен в осевой части усиливаемого пучка, что значительно повышает его интенсивность при снижении расходимости и уменьшении влияния усиления паразитных излучений, возникающих в периферийной части сечения лазерных пучков. Эти преимущества позволяют в более широких пределах, чем у известных аналогов, масштабировать мощность лазерных установок, используя большое число скрещенных активированных слоев.
Характерные размеры каждого активированного слоя могут быть в диапазоне:
- длина - десятки миллиметров;
- ширина - единицы миллиметров;
- толщина - десятые доли миллиметра.
При таких размерах возникает сложная задача объединения в компактной конструкции десятков и сотен расположенных на одной оси скрещенных тонких активированных слоев, обеспечивая при этом примерно одинаковые условия оптической накачки и равномерный отвод выделяющегося тепла.
Технические решения этой задачи неизвестны.
Согласно предлагаемому изобретению поставленная задача решается за счет использования прямоугольных пластин, состоящих из тонких активированных слоев, находящихся в оптическом контакте с неактивированными слоями и сгруппированных в последовательно установленные скрещенные пакеты из нескольких параллельных пластин.
Каждая пластина состоит из чередующихся активированных и неактивированных слоев одинаковой длины, толщина неактивированного слоя и ширина активированного равны толщине пластины, центральная часть торцевых поверхностей неактивированных слоев имеет поглощающее покрытие, а примыкающие к активированным слоям края торцевых поверхностей неактивированных слоев и все торцы активированных слоев имеют просветляющее покрытие. Излучение накачки предпочтительно подводится через внешние неактивированные слои и поглощается в активированных слоях при его волноводном распространении в объеме пластины.
Поглощающие слои на торцах пластин блокируют распространение в активном элементе высоких поперечных и волноводных мод, а также излучение паразитной генерации и усиленное спонтанное излучение в том случае, если они появляются, обеспечивая повышение эффективности использования энергии накачки.
Пластины в пакетах установлены с шагом, равным расстоянию между активированными слоями в пластинах так, чтобы обеспечить совмещение продольных осей активированных слоев в смежных пакетах. Излучение накачки подводится к пластинам сквозь отверстия, окна или прозрачные стенки в корпусе. Свободная от пластин часть внутреннего объема активного элемента может быть заполнена теплоотводящей средой. Такой активный элемент может работать с параллельным, последовательным или комбинированным (последовательно - параллельным) соединением активированных слоев.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показаны скрещенные активированные слои.
На фиг.2 показана пластина с пятью активированными слоями, размещенными между неактивированными слоями.
На фиг.3 показано скрещенное размещение пакетов из параллельных пластин в корпусе активированного элемента со снятыми верхней и боковой крышками.
На фиг.4 показан вид активированного элемента спереди и сзади.
На фиг.5 показан профиль пучков в выходном синфазном массиве.
На фиг.6 показан вариант использования активированного элемента для усиления многоканального входного излучения.
На фиг.7 показан вариант использования активированного элемента для усиления широкополосного излучения, передаваемого по оптоволокну.
На фиг.8 показан вариант использования активированного элемента с последовательным проходом усиливаемого пучка по всем активированным слоям.
На фиг.9 показан вариант последовательно-параллельного использования активированных слоев для усиления входного пучка.
На фиг.10 показаны скрещенные пластины с разделенным активированным слоем.
На фиг.11 показана одна пластина с разделенным активированным слоем.
На фиг.12 показан вариант активированного элемента, состоящего из пластин с различными размерами рабочих слоев.
Осуществление изобретения
Настоящее изобретение предлагает усовершенствованный активный элемент твердотельного лазера, использующий большое число скрещенных параллельных пластин с тонкими активированными слоями для получения интенсивных лазерных пучков с малой расходимостью и с высокой и сверхвысокой мощностью.
Настоящее изобретение сочетает использование преимущества минимального влияния термооптических эффектов в большом числе тонких плоских активированных элементов и симметрии, присущей стержневым или волоконным активированным элементам. Дополнительно реализуется профиль усиления, при котором максимальный коэффициент усиления сосредоточен в осевой части усиливаемого пучка, что значительно повышает его интенсивность при снижении расходимости и уменьшении влияния усиления паразитных излучений, возникающих в периферийной части сечения лазерных пучков.
Ниже приведено определение терминов, используемых в этом документе.
Термин активированный слой относится к тонкой пластине, изготовленной из оптического материала, состоящего из кристаллической или аморфной матрицы, легированной подходящими ионами, которые возбуждаются в активированном элементе 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, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Yb, Ho, Dy и Tm, но не ограничены ими.
Термин неактивированный слой относится к пластине, изготовленной из оптического материала, не содержащего легирующих добавок, предпочтительно из того же, что и материал активированного слоя, или материала с таким же или близким значением показателя преломления, если его величина не оговаривается особо.
Размеры пластин и слоев, представляющих собой прямоугольные параллелепипеды, определяются следующим образом:
- длина - расстояние между гранями параллелепипеда с наименьшей площадью;
- толщина - расстояние между широкими гранями параллелепипеда;
- ширина - расстояние между противоположными узкими гранями параллелепипеда, ортогональными граням с наименьшей площадью.
При реализации предлагаемого изобретения активированные слои 1 и 2, показанные на фиг.1, размещаются с оптическим контактом между неактивированными слоями 21 и 22, образуя многослойные прямоугольные композитные пластины 20, показанные на фиг.2. Способы изготовления таких пластин раскрыты, например, в патентах [13…16].
В одном из вариантов реализации предлагаемого изобретения, показанном на фиг.3, фиг.4 и фиг.5, активный элемент состоит из последовательно расположенных в корпусе 30 скрещенных пакетов 31 из параллельных пластин. Каждая пластина 20 состоит из чередующихся активированных 1 и 2 и неактивированных 21 и 22 слоев одинаковой длины, толщина неактивированного слоя и ширина активированного равны толщине пластины. Для устранения влияния бликов и паразитных излучений центральная часть торцевых поверхностей неактивированных слоев имеет поглощающее покрытие 23, а примыкающие к активированным слоям края торцевых поверхностей неактивированных слоев и все торцы активированных слоев имеют просветляющее покрытие 24. Пластины 20 во всех пакетах 31 установлены с шагом, равным расстоянию между активированными слоями в пластинах так, чтобы обеспечить совмещение продольных осей активированных слоев в смежных пакетах. Излучение накачки подводится к пластинам сквозь отверстия, или окна 32, или сквозь стенки корпуса 30, если они изготовлены из прозрачного материала. Внешние неактивированные слои 21 пластин могут иметь вырезы, фаски или скругления, обеспечивающие равномерную накачку активированных слоев, а свободная от пластин внутренняя часть корпуса может быть заполнена теплоотводящей средой.
Активный элемент в этом варианте работает следующим образом.
Для возбуждения активированных слов 1 и 2 используется оптическая накачка с предпочтительным использованием линейных массивов лазерных диодов или лазерных диодов с волоконным выводом излучения. Однако не исключается вариант с использованием ламповых источников света и даже излучений, создаваемых Солнцем, взрывом или интенсивным горением, особенно в случае использования прозрачной теплоотводящей среды и прозрачного материала для стенок корпуса. Излучение линейных массивов лазерных диодов направляется на свободные грани внешних неактивированных слоев 21 каждой пластины и поглощается активированными слоями при его волноводном распространении по объему пластины. Количество слоев, их толщина, концентрация легирующей примеси, а также параметры лазерных диодов должны выбираться таким образом, чтобы обеспечить наиболее полное и равномерное поглощение излучения накачки активированными слоями пластины. Имеется большое число публикаций и патентов [3…12], в которых раскрыты методы расчета и проектирования узлов диодной накачки композитных пластин, состоящих из активированных и неактивированных слоев, в том числе с использованием дополнительных вырезов, фасок или скруглений граней, через которые производится накачка.
В этом варианте реализации изобретения входное импульсное или непрерывное излучение 50 должно иметь плоский волновой фронт и широкое сечение, перекрывающее входное сечение активированного элемента. Для активированных элементов, составленных из пакетов с большим числом пластин, могут потребоваться специальные расширители пучка. Это условие является обычным для мощных и сверхмощных лазерных систем и не представляет затруднений для специалистов.
2
При проходе через пластины 20 происходит избирательное в поперечном сечении пучка усиление входного излучения. Усиливается только та часть входного пучка 50, которая попадает на участки пластин 20 с просветляющим покрытием 24. В результате в этом варианте реализации изобретения активированные слои 1 и 2 работают параллельно и после прохождения возбужденного накачкой активированного элемента формируется параллельный массив из N мощных синфазных лазерных пучков 51, где N - число слоев в одной пластине. Благодаря поглощающему покрытию 23 на торцах пластин блокируются все поперечные моды, кроме основной, а также волноводные моды, которые могут возникать из-за градиента показателя преломления в соседних слоях пластин 20.
Эти покрытия блокируют также распространение в активном элементе излучения паразитной генерации и усиленного спонтанного излучения, если они возникают.
В другом варианте предлагаемого изобретения, показанном на фиг.6 и 7, такой же, как в первом варианте, активный элемент, используется в режиме мультичастотного усилителя. Активированные слои 1 и 2 в этом случае изготовлены из материалов, легированных элементами с широким спектром люминесценции, например, Ti, Cr, Nd, Yb, Er и других. Могут использоваться также пластины 20, каждая из которых имеет активированные слои 1 или 2 со своей легирующей примесью и накачиваемые от соответствующего этой примеси лазерного диода или другого подходящего источника накачки. В результате в таком активном элементе обеспечивается режим широкополосного усиления как в режиме разделения каналов 60, так и в режиме усиления одного пучка 62 из оптоволокна 61, сколлимированного перед вводом в активный элемент и сжатием выходных усиленных узких пучков 51 перед обратным вводом в волокно 61. Просветляющие покрытия 24 в этом варианте могут иметь узкий спектр пропускания для блокирования ненужных конкурирующих частот из спектра люминесценции легирующей добавки.
В третьем варианте предлагаемого изобретения, показанном на фиг.8, используется такой же, как в первом варианте, активный элемент, но с последовательным прохождением всех активированных слоев 1 и 2. Для его реализации на торцах активированного элемента установлены отражательные призмы 71 и 72, обеспечивающие последовательный проход узкого входного пучка через все активированные слои 1 и 2, находящиеся в пластинах 20 активированного элемента.
В четвертом варианте предлагаемого изобретения, показанном на фиг.9, реализуется комбинированный последовательно-параллельный вариант работы активированных слоев. Для реализации этого варианта используется другая комбинация отражательных призм 81 и 82.
В пятом варианте предлагаемого изобретения, показанном на фиг.10 и 11, активированные слои 1 и 2 разделены вдоль ширины пластины на еще более тонкие части, между которыми в оптическом контакте размещаются дополнительные неактивированые слои 90 с другим, например, более высоким показателем преломления, чем у активированных слоев, при этом суммарная ширина дополнительных неактивированных слоев и окружающих их активированных слоев не превышает толщины пластины.
В шестом варианте предлагаемого изобретения, показанном на фиг.12, число активированных слоев в пластинах, их ширина, а также число пластин в пакетах и толщина пластин увеличиваются по мере их приближения к выходному торцу активного элемента для концентрации основного вклада в энергию пучка на выходе из активированного элемента.
Эти варианты не исчерпывают возможные примеры использования предлагаемого активного элемента. Специалистам должно быть понятно, как можно использовать этот мощный элемент с широкими функциональными возможностями или несколько таких элементов в составе телекоммуникационных, исследовательских или технологических лазерных систем, включающих в себя оптические резонаторы, нелинейные кристаллы и материалы, создающие эффект обращения волнового фронта, модуляторы добротности, фазовращатели, невзаимные элементы, стретчеры и другие компоненты современных лазерных установок.
Использованные источники
1. Патент-аналог US 6229939.
2. Патент-прототип US 7042919.
3. Патент RU 2200361.
4. Патент US 5365538.
5. Патент US 5485482.
6. Патент US 6778319.
7. Патент US 20030138021.
8. Патент US 7123634.
9. Патент US 7388895.
10. Koechner W., Solid-State Laser Engineering, Sixth Revised and Updated Edition, 2006, W.T. Rhodes et al., eds., Springer Science + Business Media.
11. C.Г. Гречин, П.П. Николаев. Квантроны твердотельных лазеров с полупроводниковой накачкой. «Квантовая электроника», 39, №1 (2009).
12. Н.В. Кравцов. «Квантовая электроника», 31, 661 (2001).
13 Патент US 6270604.
14 Патент US 5846638
15 Патент US 6025060
16 Патент US 6511571