Лазер с поперечной диодной накачкой
TRANSIENT DIODE PUMPING LASER

Изобретение относится к лазерной технике, а именно, к импульсным твердотельным лазерам.
Известны твердотельные лазеры, содержащие активный элемент и параллельно расположенный источник оптической накачки в виде газорязрядной лампы [1]. Такие лазеры имеют значительные энергетические потери ввиду несовпадения спектра излучения ламп со спектром поглощения активного элемента.
Этот недостаток устранен в лазерах с полупроводниковой накачкой. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является лазерный излучатель, описанный в [2].
Указанный лазерный излучатель содержит активный элемент с параллельно расположенным источником накачки в виде линейки лазерных диодов. Такая конфигурация устройства характеризуется неравномерным освещением активного элемента - во-первых, из-за высокой расходимости излучения лазерных диодов в поперечном сечении устройства, во-вторых, вследствие колоколообразого характера распределения интенсивности излучения лазерных диодов в этом сечении. Вследствие этого неизбежны апертурные потери энергии излучения накачки и неравномерное распределение энергии накачки в объеме активного элемента. Все это приводит к снижению эффективности накачки и уменьшению выходной энергии лазера.
Задачей изобретения является повышение КПД и увеличение выходной энергии лазера.
max
max
Поставленная задача решается за счет того, что в известном лазере с поперечной диодной накачкой, содержащем активный элемент и параллельно расположенный источник накачки в виде линейки лазерных диодов, введены два отражателя, установленных вдоль продольной оси активного элемента на всем протяжении источника накачки и расположенных по разную сторону от поперечной оси, соединяющей центр активного элемента и линейку лазерных диодов, под углами к этой оси, при которых энергия выходного лазерного излучения максимальна, причем отражатели одной своей стороной примыкают к активному элементу на минимально возможном расстоянии от него и перекрывают своей поверхностью излучение накачки, включая крайние лучи с углами, близкими к ϕ, а расстояние L от линейки лазерных диодов до оси активного элемента диаметром 2r удовлетворяет условию , где ϕ - половина угла расходимости излучения накачки.
Отражатели могут иметь кривизну в плоскости поперечного сечения активного элемента, при которой энергия выходного лазерного излучения максимальна
По периферии активного элемента могут быть введены несколько источников накачки с отражателями.
На фиг. 1 представлена конструкция лазера. Фиг. 2 иллюстрирует принцип действия устройства. На фиг. 3 показано распределение энергии излучения накачки в поперечном сечении активного элемента - исходное и откорректированное зеркалами при разном угле наклона.
Лазер (фиг. 1, 2) включает источник накачки 1, с линейкой лазерных диодов 2, активный элемент 3 и отражатели 4, 5.
Устройство работает следующим образом.
r
r
r
1
2
2
max
r
Часть излучения накачки от источника 1, распространяющаяся в пределах угла 2ϕ≤2ϕ, непосредственно попадает на активный элемент 3. В обозначениях фиг. 2, 3 tgϕ=r/L, где r - половина диаметра активного элемента, a L - расстояние от линейки лазерных диодов 2 до оси активного элемента 3. Лучи с углами ϕ>ϕ отклоняются в сторону активного элемента отражателями 4, 5. При этом происходит зеркальное оборачивание боковых ветвей углового распределения накачки на его центральную часть (фиг. 3) - так, что максимальные значения энергетической плотности отраженных в сторону активного элемента боковых ветвей излучения оказываются у краев активного элемента, а минимальные - в его центральной части. Тем самым, во-первых, устраняются апертурные потери излучения накачки, а, во-вторых, выравнивается колоколообразный характер углового распределения [3], и его вершина становится более прямоугольной или даже вогнутой. Оптимальный выбор расстояния L и угла α позволяет сформировать такое распределение излучения накачки, при котором происходит наиболее равномерное возбуждение активного элемента во всем его объеме. При этом обеспечивается максимальная эффективность накачки, благодаря чему реализуются максимальный КПД и максимальная энергия выходного излучения лазера. На фиг. 3 показан характер распределения энергии в сечении активного элемента при разных значениях углов α для левой ветви распределения (α) и правой ветви (α). Видно (фиг. 3), что при меньшем значении α=α формируется более пологая вершина распределения излучения накачки. Если источник накачки расположен вплотную к активному элементу, т.е. ϕ<ϕ, то коррекция формы распределения энергии невозможна. Этим обусловлено ограничение на расстояние .
max
r
При необходимости, если первичное угловое распределение излучения не позволяет сформировать оптимальное распределение с помощью прямых отражателей, то отражатели могут быть выполнены с кривизной R в поперечном сечении, как отражатель 5 на фиг 2 (на фиг. 1 этот отражатель условно не показан). При указанном направлении изгиба отражателя расходимость излучения после отражателя увеличивается, а при противоположном направлении изгиба - уменьшается. Благодаря этому обеспечивается возможность более эффективного использования боковых ветвей излучения накачки при больших значениях угла ϕ-ϕ.
Для ускорения процесса накачки и выравнивания распределения накачки в объеме активного элемента могут быть введены несколько источников накачки с отражателями по периферии активного элемента - два источника с противоположных сторон активного элемента или три источника, центральносимметрично расположенные вокруг активного элемента под углами 120° один относительно другого.
Пример 1.
Нормированное распределение плотности энергии Е в поперечном сечении излучения накачки имеет колоколообразную синусквадратную форму [3]
при условии
max
где ϕ - половина полного угла расходимости излучения накачки;
w - масштабный коэффициент.
max
Если ϕ=20°, то из (2) следует w=90/20=4,5.
r
Если уровень плотности Е(ϕ) на краю активного элемента равен Е(ϕ)=0,5, то
r
Поскольку tgϕ=r/L, то при r=2 мм расстояние L=2/tg(10°)=11,3 мм.
Пример 2.
1
Пусть L - расстояние от линейки лазерных диодов до точки касания отражателя лучом, падающим под углом ϕ (фиг. 2). В обозначениях фиг. 2 выполняется соотношение
Откуда
1
Пусть L=11 мм, L=2 мм, r=2 мм, ϕ=20° (крайний луч).
Тогда
На фиг. 3 показан характер влияния угла α на форму отраженных в сторону активного элемента ветвей исходного распределения 6. Отраженные ветви показаны пунктиром на фоне суммарного распределения 7.
Фиг 2 иллюстрирует форму отражателя в зависимости от положения его края со стороны активного элемента. Видно, что при минимально возможном расстоянии между ними отражатель 5 располагается более компактно, а при увеличении этого расстояния увеличивается необходимый угол α и появляется необходимость искривления отражателя 4 радиусом R для обеспечения оптимального угла расходимости отраженного излучения.
Оптимальные значения параметров L, R и α определяются экспериментально в зависимости от распределения интенсивности на выходе источника накачки и формы активного элемента, а также в зависимости от ограничений на габариты лазера.
Предлагаемый лазер имеет следующие преимущества.
- Благодаря введению отражателей с предлагаемыми параметрами излучение накачки фокусируется на активном элементе более узким пучком.
- Распределение излучения накачки в сечении активного элемента обеспечивает равномерную прокачку активного элемента и, соответственно, оптимальное использование энергии накачки для возбуждения активного элемента во всем его объеме.
Указанные преимущества обеспечивают решение поставленной задачи: повышение КПД и увеличение выходной энергии лазера
Данный вывод подтвержден положительными результатами изготовления и испытаний макетного образца лазера. После корректировки документации по результатам испытаний лазер будет запущен в производство.
Источники информации
1. Справочник по лазерной технике. Киев, «Технiка», 1978 г., - с. 60.
2. В.Н. Быков и др. Излучатель на эрбиевом стекле с поперечной полупроводниковой накачкой и пассивной модуляцией добротности. «Квантовая электроника», 38, №3 (2008), с. 209-212 - прототип.
3. В.Г. Вильнер и др. Новые методы повышения энергии зондирующего излучения импульсных дальномеров на основе полупроводниковых лазеров. «Проблемы энергетики», №11-12, 2013 г., с. 33.