ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ЛАЗЕР

Предлагаемая полезная модель относится к приборам квантовой электроники, а именно, к твердотельным импульсным лазерам с диодной и лазерной накачкой, используемым в лазерных дальномерах, устройствах лазерной локации, медицинской технике.
Развитие технологии высокомощных импульсных полупроводниковых источников накачки делает возможной замену громоздких и низкоэффективных лазеров с ламповой накачкой на твердотельные лазеры высокой мощности с диодной накачкой.
В этой связи становится актуальной проблема совершенствования оптической схемы резонатора с целью снижения оптических потерь за счет разумного уменьшения количества оптических элементов, что обеспечивает высокую надежность работы лазера при одновременном уменьшении его массы и габаритов.
Многочисленные исследовательские центры заняты разработкой импульсных лазеров с пассивной модуляцией добротности, пытаясь совместить активный элемент и затвор в едином элементе.
Предпринимаются попытки создания такого элемента путем:
3+
4+
3
5
12
- соактивации активных ионов лазерного элемента ионами элементов, создающих фототропные центры в кристалле [Sachiyo Fukaya, - Tetsu Hasegawa, Yoshihisa Ishida, Tomoyuki Shimoda, Minoru Obara, "Fabrication of Nd, Cr co-doped GdGaO thin film waveguide by two-target pulsed laser deposition". Applied Surface Science, 2001, V. 177, 147-151],
- клеевого или диффузного сращивания кристаллов [Jieguang Miaoa, Baoshan Wanga, Jiying Penga, Huiming Tana, Huikun Biana, "Efficient diode-pumped passively Q-switched laser with Nd:YAG/Cr:YAG composite crystal", Optics & Laser Technology, 2008, 40, 137-141],
4+
- применения метода жидкофазной эпитаксии [Г.А.Буфетова и др. "Изготовление и исследование эпитаксиальных пленок GGG:Cr для пассивных затворов неодимовых лазеров", Квантовая электроника, 2006, 36 (7), 620-623].
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является твердотельный импульсный лазер с диодной накачкой, включающий: зеркала резонатора, активный элемент, электрооптический затвор, работающий на эффекте нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО), источник накачки лазера, фокусирующую оптику [С.В.Гагарский и др. "Миниатюрные диодно-накачиваемые лазеры на иттербий-эрбиевых стеклах с модуляцией добротности оптическими затворами на нарушенном полном внутреннем отражении", Квантовая электроника, 2000, 30 (1), 10-12].
Преимуществами такого лазера являются малые оптические потери, вносимые затвором НПВО, и высокая лучевая прочность, определяемая лучевой прочностью оптического материала, из которого он изготовлен.
Однако, известная конструкция обладает существенным недостатком.
В оптической схеме известного лазера накачка активного элемента осуществляется следующим образом: излучение накачки от лазерного диода вводится через боковую грань призмы затвора НПВО и далее за счет полного внутреннего отражения от основания призмы выходит через вторую боковую грань, после чего достигает объема активного элемента.
Для реализации такой оптической схемы накачки необходимо использование длиннофокусной оптики, что приводит к значительному увеличению габаритных размеров и веса лазерного излучателя.
Практический интерес представляет использование оптической схемы, при которой излучение накачки непосредственно попадает в объем активного элемента, пространственное распределение излучения пучка накачки близко к гауссовой форме, а его диаметр меньше диаметра основной моды резонатора.
Техническим решением предлагаемой полезной модели являются создание компактного твердотельного импульсного лазера, который позволяет:
- упростить оптическую схему накачки,
- снизить оптические потери,
- повысить энергетическую эффективность накачки лазерного элемента и надежность конструкции импульсного лазера с одновременным уменьшением его весогабаритных характеристик.
Технический результат в предлагаемой полезной модели достигают созданием твердотельного импульсного лазера, включающего электрооптический затвор НПВО, зеркала резонатора, источник накачки лазера, в котором, согласно полезной модели, один из оптических элементов затвора выполнен из лазерного материала, который одновременно является активным элементом лазера.
Проведенные патентные исследования показали, что не известны технические решения с указанной совокупностью существенных признаков, в аналогичных конструкциях твердотельного импульсного лазера, т.е. предлагаемое решение соответствует критерию «новизна».
Считаем, что сведений, изложенных в материалах заявки, достаточно для практического осуществления изобретения.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется нижеследующим описанием устройства и чертежами, где:
на фиг.1 представлена оптическая схема заявляемого твердотельного импульсного лазера;
на фиг.2 представлена оптическая схема опытного образца предлагаемого изобретения.
Предлагаемый твердотельный импульсный лазер содержит электрооптический затвор НПВО, включающий оптический элемент 1, выполненный из лазерного материала (т.е. является активным элементом лазера), оптический элемент 2, зеркала 3 и 4 резонатора, зеркало 5, источник накачки лазера 6, формирующую оптику 7.
Для проверки работы заявляемого лазера был изготовлен опытный образец (фиг.2), в котором оптический элемент 1 затвора НПВО выполнен из кристалла иттрий-алюминиевого граната, активированного ионами эрбия, а его входная грань А имела антиотражающее покрытие на диапазон длин волн 0.96-0.97 мкм и на 2.94 мкм.
Оптический элемент 2 затвора НПВО был изготовлен из кристалла неактивированного иттрий-алюминиевого граната.
Зеркало 3 было выбрано с радиусом кривизны 50 мм и имело следующие диэлектрические покрытия: со стороны источника накачки просветляющее на диапазон длин волн 0.96-0.97 мкм, а с противоположной стороны - отражающее 99.8% на длине волны 2.94 мкм и пропускающее 99.9% излучения накачки в диапазоне 0.96-0.97 мкм.
Диэлектрическое дихроичное зеркало 4 резонатора с отражением 99.8% на длине волны 2.94 мкм и отражением 99.9% в диапазоне 0.96-0,97 мкм было нанесено на полированную грань В лазерного оптического элемента 1.
Диэлектрическое дихроичное зеркало 5 с отражением 99.8% на длине волны 2.94 мкм и отражением 99.9% в диапазоне 0.96-0.97 мкм было нанесено на полированную грань С оптического элемента 2.
В качестве источника накачки 6 был выбран импульсный лазерный диодный модуль (HHL Fiber modules 10 W, Axcel Photonics) с длиной волны излучения 970 нм.
В качестве фокусирующей оптики 7 использовалась линза BFPL-25.4-75.0-С, С VI Melles Griot.
В лазере была предусмотрена система термостабилизации оптического лазерного элемента 1. В зависимости от тока накачки диодного модуля, длина волны излучения подстраивалась в область полосы максимального поглощения активного элемента (966 нм) рабочей температурой лазерного модуля.
Фокальное пятно излучения накачки диаметром<100 мкм находилось в области D оптического активного элемента 1.
Предлагаемый твердотельный импульсный лазер работает следующим образом:
Под воздействием излучения источника накачки 6, сфокусированного в объем лазерного оптического элемента 1, между зеркалами резонатора 3 и 4 возникает генерация лазерного излучения на длине волны 2.94 мкм.
Конструкция затвора основана на эффекте нарушенного полного внутреннего отражения на границе раздела двух сред. При определенной ширине зазора между оптическими элементами 1 и 2, затвор находится в закрытом состоянии.
При достижении в резонаторе максимума накопленной энергии, срабатывает пьезоэлектрический преобразователь 7, приводящий к схлопыванию зазора между оптическими элементами 1 и 2. При этом через оптический элемент 2 затвора НПВО импульс лазерного излучения выходит из резонатора. Диэлектрическое зеркало 5 предотвращает паразитный вывод лазерного излучения в момент открытия затвора НПВО.
В ходе испытаний была получена генерация лазерного излучения на длине волны 2.94 мкм. При накачке лазерным диодным модулем мощностью 10 Вт длительность импульсов составляла 120 нс, энергия импульса - 2 мДж.
Проведенные испытания подтверждают возможность реализовать конструктивное исполнение заявляемого твердотельного импульсного лазера для применения в компактной лазерной аппаратуре.