ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ИНФРАКРАСНЫЙ ЛАЗЕР

Предлагаемая полезная модель относится к лазерной технике, а именно, к лазерам, генерирующим излучение с перестраиваемой длиной волны в ближнем инфракрасном диапазоне, и может быть использовано в промышленности, научном приборостроении, медицине и других областях хозяйственной деятельности.
В связи с тем, что в ближней инфракрасной области расположены спектры поглощения многих химических веществ, устройства, реализующие перестраиваемое излучение в данном диапазоне, находят широкое применение в различных областях науки и техники.
Лазеры состоят из трех основных частей: активной среды, системы накачки и резонатора. Системы накачки или возбуждения могут быть различными - на основе оптических источников как с когерентным, так и с некогерентным излучением, на основе химических реакций, возбуждения электронными пучками и т.п. В случае оптической накачки необходимо согласование длины волны возбуждающего излучения со спектром поглощения активной среды. При накачке полупроводниковым лазером это достигается путем температурной настройки длины волны возбуждающего излучения на полосу поглощения активной среды. Пространственная ориентация возбуждающего излучения относительно резонатора также может быть различной: от продольной до поперечной.
Как известно, получение лазерного перестраиваемого излучения в ближнем инфракрасном диапазоне сопряжено с техническими трудностями. Принципиально это решается путем нелинейного преобразования перестраиваемого излучения видимого диапазона в заданную спектральную область, а также путем поиска и создания активных сред, непосредственно генерирующих в этой области.
Известен перестраиваемый инфракрасный лазер, в котором полупроводниковый лазер накачки на длине волны 798 нм возбуждает два твердотельных активных элемента, в одном из них матрица представляет собой стекло, в другом - матрицей является кристалл ванадата, а ионами активации в обоих случаях служит неодим; при этом получено излучение на длинах волн 1054 нм и 1064 нм [1].
5
4
3
4
Наиболее близким к предложенному техническому решению является перестраиваемый инфракрасный лазер, выбранный в качестве прототипа [2]. Устройство содержит лазер накачки в ближнем инфракрасном диапазоне с возможностью температурной перестройки длины волны возбуждения, резонатор с расположенными внутри него двумя твердотельными активными элементами, состоящими из кристаллических матриц Sr(VO)F и YVО и одинаковыми по химическому составу ионами активатора на основе неодима.
Известное техническое решение направлено на увеличение эффективной полосы поглощения твердотельных активных элементов с целью сохранения коэффициента полезного действия всей системы при изменении длины волны возбуждающего лазера под действием температуры. В данной конструкции при изменении температуры лазера накачки, его длина волны менялась от 804 нм до 812 нм, а длина волны инфракрасного лазера - от 1064 нм до 1065 нм, при выходной мощности порядка 110 мВт, практически постоянной в указанном спектральном диапазоне. Нетрудно заметить, что перестройка длины волны инфракрасного лазера происходит в более длинноволновой области спектра по отношению к спектральной области длины волны лазера накачки. Малый диапазон перестройки длины волны излучения лазера, связан с тем, что ионы активатора в твердотельных активных элементах прототипа были одинаковы по химическому составу. Как известно, длина волны генерации, в главной степени, определяется положением энергетических уровней ионов активатора. В известной конструкции сдвиг энергетических уровней ионов активатора происходит за счет их внедрения в матрицы различной структуры. Таким образом, основной недостаток известной конструкции состоит в том, что она не обеспечивает перестройку длины волны инфракрасного излучения в широком спектральном диапазоне.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, состоит в устранении указанного недостатка путем применения твердотельных активных элементов не только с отличными друг от друга матрицами, но и с различными ионами активатора.
При этом достигается технический результат, заключающийся в упрощении конструкции перестраиваемого инфракрасного лазера и увеличении его эффективности.
3+
3+
3+
Заявляемый перестраиваемый инфракрасный лазер, как и устройство, выбранное в качестве прототипа, содержит активную среду, установленную в резонатор, состоящую, по крайней мере, из двух активных твердотельных элементов. В отличие от прототипа в заявляемом лазере, по крайней мере, один из твердотельных активных элементов выполнен с внедренными в него ионами активатора, отличными по химическому составу от ионов активатора других активных элементов. В частности, в перестраиваемом инфракрасном лазере активная среда может состоять из твердотельных активных элементов, выполненных в виде кристаллической матрицы YAG, с внедренными в нее ионами активатора неодима Nd, и кристаллической матрицы YAP, с внедренными в нее ионами активатора тулия Tm. Активная среда также может содержать третий твердотельный активный элемент, выполненный в виде кристаллической матрицы YVO с внедренными в нее ионами активатора эрбия Er.
3+
3+
На фиг.1 представлено схематическое изображение варианта исполнения устройства перестраиваемого инфракрасного лазера. В данном конкретном случае лазер состоит из источника питания и управления 1, лазера накачки в ближнем инфракрасном диапазоне 2, зеркал резонатора 3, твердотельных активных элементов 4,5. Твердотельный активный элемент 4 выполнен с внедренными ионами активатора, отличными по химическому составу от ионов активатора твердотельного активного элемента 5, а именно: твердотельный активный элемент 4 выполнен с внедренными в него ионами активатора неодима Nd, твердотельный активный элемент 5 выполнен с внедренными в него ионами активатора тулия Тm Помимо обеспечения заданного рабочего напряжения, с помощью источника питания и управления 1 осуществляется перестройка длины волны излучения лазера накачки 2 путем изменения его температуры, а также настройка на линии поглощения твердотельных активных элементов 4,5.
Заявляемое устройство работает следующим образом. При включении источника питания и управления 1 на лазер накачки в ближнем инфракрасном диапазоне 2 подается напряжение и обеспечивается температура, при которой длина волны генерируемого им излучения соответствует выбранной полосе поглощения твердотельного активного элемента 4 или 5. Излучение от лазера накачки в ближнем инфракрасном диапазоне 2 проходит сквозь одно из зеркал резонатора 3 и возбуждает тот из твердотельных активных элементов 4,5, который поглощает излучение накачки. От выходного зеркала резонатора 3 возбуждающее излучение отражается обратно в активные элементы 4,5, тем самым, не смешиваясь с генерируемым излучением, и дополнительно возбуждая активную среду. Излучение возбужденного твердотельного активного элемента, отражаясь от зеркал резонатора 3, усиливается до наступления режима генерации и, пройдя сквозь выходное зеркало 3, распространяется в заданном направлении. При настройке лазера накачки в ближнем спектральном диапазоне 2 на другую полосу поглощения ионов активатора этого твердотельного активного элемента, либо на полосу поглощения ионов активатора второго твердотельного активного элемента, генерируется излучение на другой длине волны. Аналогичным образом последовательно возбуждаются другие лазерные переходы ионов активатора твердотельных активных элементов и, соответственно, генерируется излучение в инфракрасном диапазоне, обеспечивая перестройку в заданной спектральной области.
3+
3+
В данном конкретном случае, внедренные ионы неодима Nd в кристаллическую матрицу YAG обладают полосами поглощения в районе длин волн 796 нм, 805 нм, 809 нм и твердотельный активный элемент 4 генерировал излучение на длинах волн: 946 нм, 1064 нм, 1320 нм, 1444 нм. Аналогично: внедренные ионы тулия Тm в кристаллическую матрицу YAP обладают полосами поглощения в районе длин волн 793 нм, 799 нм, 803 нм - генерация наблюдалась на длинах волн 1930 нм, 1970 нм, 1990 нм.
3+
Известно, что внедренные ионы эрбия Еr в кристаллическую матрицу YVO обладают полосами поглощения в районе длин волн 798 нм, 802 нм, 803 нм, 810 нм - генерация наблюдается в диапазонах длин волн 1480-1600 нм и 2600-2900 нм [3].
Таким образом, одним из условий успешной реализации заявляемого устройства является наличие близко расположенных по спектру линий поглощения ионов активатора. Анализ схем уровней трехвалентных ионов редкоземельных элементов показывает [4], что у ряда ионов имеются близко сгруппированные уровни лазерных переходов, причем спектральные лини поглощения, используемые для лазерной накачки этих ионов, сосредоточены в достаточно узком спектральном диапазоне.
3+
3+
3+
3+
Например, один из этих диапазонов, обеспечиваемых температурной перестройкой лазеров накачки, находится в области 785 нм - 810 нм. В этом спектральном диапазоне расположены линии поглощения ионов редкоземельных активных элементов Er, Tm, Nd, Dy, длины волн генерации которых занимают широкий спектральный диапазон - от 900 нм до 3000 нм.
3+
3+
Другой спектральный диапазон, обеспечиваемый температурной перестройкой лазеров накачки, находится в области 955 нм - 973 нм, в котором близко располагаются линии поглощения ионов Yb и Еr Соответствующий спектральный диапазон генерации этих ионов - от 1030 нм до 3000 нм.
Таким образом, для реализации заявленного устройства и решения поставленной задачи необходимо подобрать комбинацию нескольких твердотельных активных элементов, выполненных с внедренными в них различными ионами активатора. Твердотельные активные элементы из этой комбинации должны удовлетворять условиям возбуждения с помощью лазера в ближнем инфракрасном диапазоне и обладать минимальными потерями на длинах волн генерации. При этом использование в перестраиваемом инфракрасном лазере активной среды, состоящей из комбинации нескольких твердотельных активных элементов, приводит к техническому результату, выражающемуся в упрощении его конструкции и увеличении эффективности.
Следует учитывать, что в зависимости от условий возбуждения и конкретной комбинации твердотельных активных элементов возможна одновременная генерация излучения на нескольких длинах волн. В этом случае, применяя известные методы селекции излучения с помощью дисперсионных элементов, генерация на нежелательных длинах волн подавляется.
Кроме указанного результата практическое осуществление заявленной полезной модели позволяет расширить возможности ее использования применительно к тем областям, где необходимо исследовать или воздействовать на вещество излучением инфракрасного диапазона.
Промышленная применимость заявляемого решения подтверждается возможностью его многократного воспроизведения в процессе изготовления. Перестраиваемый инфракрасный лазер разработан для серийного изготовления в условиях промышленного производства с использованием стандартного оборудования и технологии.
Литература
1. OSA TOPS Vol.10 Advanced Solid State Lasers, 1997.
2. Jpn. J. Appl. Phys. Vol.39 (2000), 468-470.
3. Erbium-Laser-Based Infrared Sources. ARPA Solid State Laser and Nonlinear Materials Program, 1994, p.33, fig.26. Prepared by: Research Division, Inc. 45 Winthrop Street Concord, MA 01742<19950110 019.
4. «Справочник по лазерам» под редакцией А.М.Прохорова, том 1, часть 2, стр.283, рис.12.4., Изд. Москва «Советское радио» 1978.