УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЧАСТОТНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ВЫНУЖДЕННОГО КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ
LASER RADIATION FREQUENCY CONVERTER BASED ON STIMULATED RAMAN SCATTERING

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в оптической связи, лазерной локации, в оптотехнике, в частности для создания стабильного малогабаритного лазера, в котором волна накачки преобразуется в когерентное стоксово излучение, которое может быть в десятки раз уменьшено по расходимости.
Известно устройство для частотного преобразования лазерного излучения на основе вынужденного комбинационного рассеяния, описанное в патенте РФ №2012116, МПК H01S 3/104, опубл. 30.04.1994, включающее оптически связанные источник накачки, фокусирующий элемент и активную среду на основе вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР-активную среду), размещенные на одной оптической оси с фокусирующим элементом, выполненным перекрывающим пучок накачки и частично прозрачным за счет имеющихся в нем отверстий. Однако в указанном устройстве источник волны накачки пространственно разобщен со средой, в которой осуществляется ВКР-преобразование, что приводит к увеличению линейных габаритов устройства и появлению возможных нестабильностей излучения при угловых перемещениях источника накачки относительно ВКР-активной среды.
Наиболее близким аналогом к заявленному техническому решению является устройство для частотного преобразования лазерного излучения на основе вынужденного комбинационного рассеяния, описанное в патенте РФ №2304830, МПК H01S 3/104, опубл. 20.08.2007, включающее оптические связанные, размещенные на одной оптической оси источник накачки с активной средой, фокусирующий элемент, ВКР-активную среду, активная среда источника накачки и ВКР-активная среда выполнены в виде единого активного элемента, снабженного источником боковой накачки, установленным параллельно геометрической оси активного элемента. Активный элемент просветлен по торцам одновременно на длину волны накачки и длину стоксова комбинационного рассеяния и помещен в резонатор лазера, образованный фокусирующим элементом и введенным зеркалом. При этом фокусирующий элемент выполнен в виде вогнутого зеркала, отражающего на длине волны накачки и длине волны стоксова рассеяния, а введенное зеркало выполнено плоским и отражающим излучение на длине волны накачки и полупрозрачным для стоксовой длины волны излучения, причем между фокусирующим элементом и активным элементом на оптической оси установлен затвор. Источник боковой накачки может быть выполнен в виде лампы накачки с осветителем либо в виде одной или нескольких лазерных диодных линеек. Активный элемент может быть выполнен в виде кристалла, либо в виде лазерного стекла с внедренными в них ионами редкоземельных элементов. Однако в данном устройстве выходное зеркало плоское, и лазерное излучение, выходящее из него, имеет волновой фронт с переменным радиусом кривизны в зависимости от расстояния до лазера. Это излучение для уменьшения расходимости пропускается через телескоп, который лазерный пучок расширяет, и расходимость лазерного излучения уменьшается в зависимости от кратности телескопа. Так, например, 10-кратный телескоп лазерного излучения с плоским волновым фронтом увеличивает лазерный луч в диаметре в 10 раз, а диаметр лазерного луча с существующим волновым фронтом этот телескоп увеличивает только в 6-7 раз. В результате расходимость лазерного излучения на выходе из телескопа на 30-40% больше.
Задача данного изобретения - создание устройства для частотного преобразования лазерного излучения на основе вынужденного комбинационного рассеяния с повышенными эксплуатационными характеристиками.
Технический результат - создание малогабаритного устройства с уменьшенной расходимостью лазерного излучения на выходе, получение лазерного излучения, безопасного для глаз, со стабильным и устойчивым резонатором и с плоским волновым фронтом на выходе лазера.
Это достигается тем, что устройство для частотного преобразования лазерного излучения на основе вынужденного комбинационного рассеяния, включающее оптически связанные и размещенные на одной оптической оси источник накачки с активным элементом, снабженным источником боковой накачки, установленным параллельно геометрической оси активного элемента, причем активный элемент просветлен по торцам одновременно на длину волны накачки и длину волны стоксова комбинационного рассеяния и помещен в резонатор лазера, образованный фокусирующим зеркалом и вторым зеркалом, которое выполнено отражающим на длине волны накачки и полупрозрачным для длины волны стоксова излучения, между фокусирующим зеркалом и активным элементом на оптической оси установлен затвор, при этом фокусирующее зеркало выполнено в виде вогнутого зеркала, обращенного вогнутостью к активному элементу, отражающим на длине волны накачки и длине волны стоксова излучения, отличается тем, что второе зеркало выполнено в виде мениска, обращенного вогнутой поверхностью к активному элементу, отражающей на длине волны накачки и полупрозрачной для стоксовой длины волны излучения, при этом выпуклая поверхность мениска просветлена на длину волны накачки и стоксова рассеяния, и, кроме того, радиус вогнутой поверхности фокусирующего зеркала, радиус вогнутой поверхности второго зеркала и фокусное расстояние второго зеркала, выполненного в виде мениска, обращенного вогнутостью к активному элементу, равны между собой.
Кроме того, источник боковой накачки может быть выполнен в виде лампы накачки с осветителем или в виде одной или нескольких лазерных диодных линеек, а активный элемент может быть выполнен из кристалла с внедренными в него ионами редкоземельных элементов или из лазерного стекла с внедренными в него ионами редкоземельных элементов.
На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства частотного преобразования лазерного излучения;
на фиг. 2 - схема устройства с источником боковой накачки активного элемента, выполненным в виде лампы накачки с осветителем;
на фиг. 3 - схема устройства с источником боковой накачки активного элемента, выполненного в виде двух лазерных диодных линеек.
Устройство для частотного преобразования лазерного излучения на основе вынужденного комбинационного рассеяния содержит оптически связанные источник накачки с активной средой, выполненный в виде активного элемента 1 (фиг. 1), расположенного на оптической оси устройства и снабженного источником боковой накачки, выполненным в виде лампы накачки 2 и осветителя 3, установленных параллельно оптической оси активного элемента 1 и параллельно внешней поверхности осветителя 3. На внешнюю поверхность осветителя 3 нанесено отражающее покрытие, причем активный элемент 1 просветлен по торцам одновременно на длину волны накачки и длину волны стоксова комбинационного рассеяния. На одной оптической оси с активным элементом 1 установлен затвор 4, за которым расположено фокусирующее зеркало 5, выполненное плосковогнутым, обращенным вогнутостью к активному элементу 1. Второе зеркало 6 расположено с другой стороны активного элемента 1, выполнено в виде мениска, обращенного вогнутостью к активному элементу 1 с отражающей поверхностью на длине волны накачки и полупрозрачным для длины волны стоксова излучения. Вогнутая отражающая поверхность второго зеркала 6 - обращена к активному элементу 1 и имеет коэффициент отражения 99,5% на длине волны λ=1,35 мкм, коэффициент отражения 25% на длине волны λ=1,54 мкм, коэффициент отражения 0,5% на длине волны λ=1,064 мкм, а выпуклая поверхность - просветлена с остаточным отражением 0,5% на длинах волн λ=1,064 мкм и λ=1,35 мкм и с остаточным отражением 0,3% на длине волны λ=1,54 мкм. Фокусирующее зеркало 5 и второе зеркало 6 образуют резонатор. Радиус кривизны фокусирующего зеркала 5 резонатора выбирается равным R, а коэффициент отражения вогнутой поверхности фокусирующего зеркала 5-99,5% на длинах волн λ=1,35 мкм и λ=1,54 мкм и с коэффициентом отражения 0,5% на длине волны λ=1,064 мкм. Наружная плоская поверхность фокусирующего зеркала 5 просветлена на длину волны λ=1,064 мкм с остаточным отражением 0,5%. Источник боковой накачки может быть выполнен в виде лампы накачки 7 с осветителем 3 (фиг. 2), причем осветитель 3 может быть выполнен в виде одной или нескольких лазерных диодных линеек 8 (фиг. 3). Активный элемент 1 может быть выполнен в виде кристалла либо из лазерного стекла с внедренными в них ионами редкоземельных элементов. В предложенном устройстве второе зеркало 6 вогнуто-выпуклое с радиусом кривизны, равным фокусному расстоянию второго зеркала, выполненного в виде мениска, обращенного вогнутостью к активному элементу, и поэтому лазерное излучение, выходящее из него, имеет плоский волновой фронт с равным радиусом кривизны вне зависимости от расстояния до лазера
3+
4
4
3/2
13/2
Устройство работает следующим образом. В активном элементе 1, например KGW, легированном ионами Nd, возбуждается переход F→I с помощью боковой подсветки лампой накачки 7 или лазерной диодной линейкой 8. В результате возникает излучение с длиной волны λ=1,35 мкм, которое, выполнив несколько проходов между фокусирующим зеркалом 5 и вторым зеркалом 6 резонатора при открытии затвора 4, мощным световым импульсом возбуждает оптические колебания кристаллической решетки KGW. За счет неупругого взаимодействия фотонов с длиной волны λ=1,35 мкм с оптическими колебаниями кристаллической решетки возникает стоксово излучение с длиной волны λ=1,54 мкм, которое после нескольких проходов между зеркалами 5 и 6 резонатора лазера формируется в узконаправленное когерентное излучение - вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР-излучение), которое выходит наружу из резонатора лазера через полупрозрачное вогнуто-выпуклое зеркало 6 с плоским волновым фронтом.
Таким образом, создано стабильное малогабаритное устройство для частотного преобразования лазерного излучения на основе вынужденного комбинационного рассеяния с уменьшенной расходимостью лазерного излучения на выходе, получение лазерного излучения, безопасного для глаз, со стабильным и устойчивым резонатором и с плоским волновым фронтом на выходе.