ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ АП-КОНВЕРСИОННЫЙ ЛАЗЕР
SOLID-STATE UPCONVERSION LASER

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано при создании коротковолновых источников когерентного излучения.
Известен твердотельный ап-конверсионный лазер (патент США №5008890, опубл. 16.04.1991, H01S 3/16), включающий ап-конверсионную лазерную среду в виде кристалла Er:YLF, помещенную в оптический резонатор, и устройство накачки, включающее полупроводниковый лазерный источник, генерирующий излучение на длине волны 797 нм.
3
Известен твердотельный ап-конверсионный лазер (R.M. Macfarlane, F. Tong, A.J. Silversmith and W. Lenth "Violet cw neodymium upconversion laser" Appl. Phys. Lett. V.52, p.1300, 1988), включающий ап-конверсионную лазерную среду в виде кристалла Nd:LaF, помещенную в оптический резонатор, и устройство накачки, включающее два лазерных источника на основе непрерывных лазеров на красителях, генерирующих излучение на длинах волн λ1=788 нм и λ2=591 нм.
Известен твердотельный ап-конверсионный лазер (патент США №5805631, опубл. 08.08.1998, H01S 3/14), включающий ап-конверсионную лазерную среду в виде оптического волновода, активированного ионами Pr и Yb и помещенного в оптический резонатор, а также устройство накачки, включающее полупроводниковый лазерный источник, генерирующий излучение в диапазоне длин волн от λ1=780 нм до λ2=900 нм, и фокусирующую систему для ввода излучения накачки в оптический волновод.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению и принятым за прототип является ап-конверсионный лазер (патент США №4949348, опубл. 14.08.1990, H01S 3/16), включающий помещенную в оптический резонатор ап-конверсионную лазерную среду в виде кристалла Tm:YLF и устройство накачки, включающее два лазерных источника на основе полупроводниковых лазеров, генерирующих излучение на длинах волн λ1=781 нм и λ2=649 нм, и фокусирующую систему для ввода излучения накачки в ап-конверсионную лазерную среду.
Основным недостатком прототипа является низкая эффективность ап-конверсии излучения накачки.
Задачей изобретения является повышение эффективности ап-конверсии излучения накачки.
Технический результат состоит в гомогенизации и высокой пространственной концентрации пучка излучения накачки при использовании в устройстве накачки двух полупроводниковых лазеров с различными длинами волн.
Эффективность ап-конверсии излучения накачки непосредственным образом связана со степенью гомогенизации пучков излучений, взаимодействующих с ап-конверсионной лазерной средой. Чем выше степень их пространственно-временного перекрытия, тем выше эффективность работы лазера. В заявляемом твердотельном ап-конверсионном лазере указанный технический результат достигается за счет сведения пучков накачки двух полупроводниковых лазеров в волоконно-оптическом сумматоре и их последующей фокусировки в ап-конверсионную среду с помощью ахроматической фокусирующей системы.
Сущность изобретения состоит в том, что в твердотельном ап-конверсионном лазере, включающем ап-конверсионную лазерную среду, помещенную в оптический резонатор, и устройство накачки, включающее два полупроводниковых источника излучения на длинах волн λ1 и λ2 и фокусирующую систему, устройство накачки дополнительно включает волоконный модуль, расположенный таким образом, что оптические выходы обоих источников излучения накачки сопряжены с волоконным модулем, а фокусирующая система выполнена ахроматической на длинах волн λ1 и λ2 и расположена таким образом, что выход волоконного модуля сопряжен через нее с ап-конверсионной лазерной средой.
Кроме того, волоконный модуль в заявляемом лазере может быть выполнен в виде Y-образного волоконного сумматора.
Кроме того, волоконный модуль в заявляемом лазере может быть выполнен в виде последовательно расположенных спектрально-селективной системы ввода излучения в волокно и составного оптического волокна, включающего сердцевину, внутреннюю и внешнюю оболочки. В этом случае отношение показателей преломления материалов сердцевины и внутренней оболочки составного оптического волокна должно составлять величину не меньшую величины числовой апертуры волокна для излучения с меньшей из длин волн λ1 и λ2, а отношение показателей преломления материалов внутренней оболочки и внешней оболочки составного оптического волокна составляет величину не меньшую величины числовой апертуры волокна для излучения с большей из длин волн λ1 и λ2.
Кроме того, отношение диаметров оболочек составного оптического волокна может быть выбрано равным отношению длин волн излучения накачки.
Механизм ап-конверсии в твердотельных лазерах с оптической накачкой требует реализации двухступенчатого процесса возбуждения лазерной среды, включающего поглощение излучения накачки из основного состояния с заселением промежуточного возбужденного состояния и поглощение излучения накачки из промежуточного возбужденного состояния с заселением конечного возбужденного состояния, релаксация которого сопровождается испусканием коротковолновых фотонов. Выбор твердотельных ап-конверсионных сред, допускающих использование монохроматического излучения накачки, крайне ограничен, причем эффективность ап-конверсии в таких средах заметно ниже, чем в средах, требующих бихроматического возбуждения. Известны стекла и кристаллы, активированные редкоземельными ионами, в которых оптические переходы между электронными состояниями квантовой системы способны обеспечивать эффективное заселение высоколежащих энергетических уровней в результате двухступенчатого поглощения двухчастотного оптического излучения. Очевидно, что выбор частот излучения накачки определяется величинами энергий переходов между квантовыми состояниями лазерной среды. Наиболее простой способ построения системы накачки ап-конверсионного лазера - использование двух перестраиваемых по частоте лазеров (например, лазеров на красителях). В этом случае точный подбор необходимых частот накачки не представляет проблемы, как, впрочем, и пространственное сведение пучков накачки в активной среде. Однако лазеры на красителях затруднительно использовать в качестве источников накачки для промышленных применений ап-конверсионных лазеров ввиду сложности их конструкции и управления, а также из-за высоких эксплуатационных издержек.
Наиболее перспективным вариантом построения двухчастотной системы оптической накачки твердотельного ап-конверсионного лазера является использование двух полупроводниковых лазеров. Точную подстройку частот излучения этих источников можно обеспечить за счет изменения температуры лазерных переходов. Тем не менее успех практической реализации данной схемы неразрывно связан с преодолением проблемы пространственного рассогласования пучков накачки двух полупроводниковых лазеров, генерирующих излучение на двух существенно различающихся частотах.
Пространственное согласование пучков излучения накачки в заявляемом изобретении предлагается обеспечить за счет комбинированного использования в устройстве накачки волоконного модуля для пространственного сведения пучков излучения накачки на разных длинах волн и ахроматической системы фокусировки излучения в ап-конверсионную среду (под ахроматической системой фокусировки в данном случае будем понимать такую систему, фокусные расстояния которой на выбранных длинах волн λ1 и λ2 различаются не более чем на 5%).
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых показаны оптические схемы заявляемого лазера. На фиг.1 изображена оптическая схема твердотельного ап-конверсионного лазера с устройством накачки, включающим волоконный модуль в виде Y-образного волоконного сумматора. На фиг.2 изображена оптическая схема устройства накачки с волоконным модулем в виде последовательно расположенных спектрально-селективной системы ввода излучения в волокно и составного оптического волокна, включающего сердцевину, внутреннюю и внешнюю оболочки. На фиг.3 показана оптическая схема вывода излучения накачки из составного оптического волокна с иллюстрацией доставки пучков излучения накачки различных длин волн в ап-конверсионную среду.
На фиг.1 показаны твердотельная ап-конверсионная среда 1, расположенная внутри оптического резонатора, образованного зеркалами 2 и 3, полупроводниковый источник излучения накачки 4, генерирующий излучение на длине волны λ1, полупроводниковый источник излучения накачки 5, генерирующий излучение на длине волны λ2, волоконный модуль 6 в виде Y-образного волоконного сумматора с оптическими входами 7 и 8 и оптическим выходом 9 и ахроматическая система фокусировки 10. На фиг.2 изображен волоконный модуль 6, включающий спектрально-селективную систему 11 ввода излучения в волокно, состоящую, например, из дихроичного зеркала 12 и объектива 13, а также составное оптическое волокно 14. На фиг.3 также показано составное оптическое волокно 14 с сердцевиной 15, внутренней оболочкой 16 и внешней оболочкой 17. Кроме того, фиг.3 иллюстрирует ход пучков накачки через ахроматическую фокусирующую систему 10 в предположении, что λ1>λ2.
Заявляемое устройство работает следующим образом. Излучение полупроводниковых лазерных источников накачки 4 и 5 одновременно направляют на волоконный модуль 6, в котором происходит гомогенизация пучков накачки. В случае использования волоконного модуля 6, включающего спектрально-селективную систему 11 ввода излучения накачки в составное оптическое волокно 14 объектива 13, коротковолновая компонента излучения накачки фокусируется указанным объективом 13 в область сердцевины 15, а длинноволновая - в область внутренней оболочки 16 составного оптического волокна 14. Условия полного внутреннего отражения удерживают спектральные компоненты излучения накачки в режиме волноводного распространения. На выходе составного оптического волокна 14 формируются два пучка с одинаковой дифракционной расходимостью. Указанное равенство обеспечивается выбором отношения диаметров внутренней 16 и внешней 17 оболочек составного оптического волокна 14, равного отношению длин волн излучений накачки. Прецизионное пространственное сведение пучков накачки и их максимальную концентрацию в ап-конверсионной среде 1 обеспечивает ахроматическая фокусирующая система 10. В результате поглощения двухчастотного излучения накачки в ап-конверсионной среде 1 происходит возбуждение высоколежащих энергетических уровней с последующей излучательной релаксацией. Спонтанное излучение усиливается в ап-конверсионной среде 1, и в результате многократного прохождения через нее за счет отражения от зеркал резонатора 2, 3 в твердотельном ап-конверсионном лазере формируется пучок когерентного коротковолнового излучения.
Среди известных технических решений автором изобретения не обнаружены твердотельные ап-конверсионные лазеры, содержащие устройство накачки с волоконным модулем для гомогенизации пучков накачки и ахроматической фокусирующей системой для их одновременного пространственного совмещения и концентрации, что свидетельствует о соответствии изобретения критерию новизны. Работоспособность заявляемого устройства проверена экспериментально. Показано, что эффективность работы твердотельного ап-конверсионного лазера, содержащего описанное в изобретении устройство накачки, может быть повышена в 1.2 раза. В рамках данного подхода обоснована достаточность существенных признаков для достижения технической цели, решаемой заявляемым устройством.
При оценке значимости изобретения для промышленного применения необходимо отметить, что заявляемое устройство обеспечивает возможность генерации коротковолнового излучения при использовании двух длинноволновых источников накачки с высокой эффективностью ап-конверсии излучения, достигаемой за счет высокой пространственной концентрации излучения накачки. Такие твердотельные ап-конверсионные лазеры могут быть использованы в качестве источников излучения в лазерных проекционных системах и системах записи информации.