Твердотельный активный элемент
SOLID-STATE ACTIVE ELEMENT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области лазерной техники и представляет собой активный элемент для использования в твердотельных квантовых генераторах или усилителях.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В современной технике требуется получение лазерных импульсов с высокой средней и пиковой мощностью. Одной из ключевых идей в этой области является использование твердотельных лазеров с дисковой геометрией активного элемента. Тепловыделение в элементе при работе с высокой средней мощностью, а также ограниченная лучевая прочность материалов активного элемента требуют увеличения его размеров. Это позволяет увеличить площадь теплоотвода при сохранении удельной плотности мощности усиленного излучения в элементе. Однако с увеличением поперечных размеров активного элемента существенно возрастает вероятность развития паразитной поперечной генерации, которая снижает КПД лазера или полностью снимает инверсную населенность в активном элементе. Для предотвращения развития паразитной генерации используют различные подходы. Например, матирование образующей активного элемента приводит к рассеянию падающего на грани излучения, и тем самым уменьшает обратную связь в поперечном к оптической оси направлении. Создание нелегированной области на торце активного элемента позволяет уменьшить обратную связь в направлении под углом к оптической оси за счет отдаления отражающей поверхности ввода-вывода излучения от активного слоя [RU №2560438]. Создание по образующей активного элемента слоя, поглощающего излучение на рабочей длине волны (кладдинг), позволяет эффективно поглощать фотоны, распространяющиеся в поперечном направлении [US №7200161]. Еще одним способом уменьшения возможности развития паразитной генерации является создание неплоских поверхностей активного элемента. В частности, при создании выпуклой линзы на поверхностях ввода-вывода излучения, все излучение, направленное не вдоль оптической оси, будет рассеиваться, уменьшая обратную связь в активном элементе [US №11760470]. Данный подход выбран в качестве прототипа. Его недостатком является то, что в активных средах при высокой плотности мощности накачки и, соответственно, больших усилениях, даже одного прохода излучения в поперечном направлении достаточно для существенного снижения КПД лазера/усилителя вплоть до нуля. Кроме того, наличие линзы на поверхности активного элемента усложняет резонатор лазера из-за необходимости ее компенсации. Таким образом, имеются ограничения на максимально возможный размер пятна накачки активного элемента при сохранении удельной плотности мощности усиленного излучения.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является изменение геометрии слоя (слоев), содержащих ионы активатора, в твердотельном активном элементе, используемом в качестве усиливающей среды квантового усилителя или генератора в дисковых лазерах. Технический результат от использования изобретения заключается в возможности увеличения пятна накачки твердотельного активного элемента при сохранении удельной плотности мощности усиленного излучения и без развития поперечной паразитной генерации.
Технический результат достигается за счет того, что в твердотельном активном элементе, состоящем как минимум из двух слоев, слои, содержащие ионы активатора, сформированы в виде изгиба в радиальном направлении по отношению к оптической оси упомянутого элемента, при этом толщина слоев, содержащих ионы активатора, находится в пределах 0,1-10 мм, а радиус изгиба слоев, содержащих ионы активатора, составляет не более 500 мм, но не менее среднего радиуса пятна накачки.
Существенное отличие предложенного твердотельного активного элемента от известных из уровня техники заключается в том, что за счет формирования изгиба активного слоя в элементе в радиальном направлении по отношению к оптической оси элемента, снижается максимальная длина активного слоя, через которую может пройти излучение, распространяющееся в направлении, отличном от оптической оси. Длина активного слоя, в которой максимальна вероятность развития паразитной генерации, ограничена диаметром сечения внешнего радиуса активного слоя, когда указанный диаметр является касательной к окружности, совпадающей с внутренним радиусом активного слоя. Таким образом, при уменьшении толщины слоя и уменьшении радиуса изгиба активного слоя сокращается размер такого диаметра, и соответственно при заданном поперечном размере элемента, увеличивается размер пятна накачки, при котором не развивается поперечная генерация.
Дополнительным преимуществом упомянутого твердотельного активного элемента по сравнению с прототипом является возможность создания плоскопараллельных торцов (при использовании как минимум трехслойного элемента). В этом случае отсутствует линза в элементе, поскольку показатель преломления активного слоя незначительно отличается от показателя преломления материала матрицы, и для такого элемента не требуются корректирующие линзы или зеркала в резонаторе лазера.
В лазерах и лазерных усилителях с дисковой геометрией активной среды, где используется высокая плотность мощности накачки и большие усиления, реализация заявленного изобретения позволяет увеличить мощность усиленного излучения на десятки процентов без существенного изменения схемы лазера.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Прилагаемый чертеж, включенный в состав настоящего описания и являющийся его частью, иллюстрирует вариант осуществления изобретения и совместно с вышеприведенным общим описанием изобретения и нижеприведенным подробным описанием осуществления служит для пояснения принципов настоящего изобретения. На чертеже схематично показаны сечения твердотельных активных элементов плоскостью, проходящей через оптическую ось: элемент изготовлен по патенту [RU №2560438] - наиболее используемому варианту в дисковых лазерах с высокой средней мощностью (а), элемент изготовлен согласно прототипу (б), элемент изготовлен согласно настоящему изобретению (в).
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Твердотельный активный элемент состоит как минимум из двух слоев. Слои, содержащие ионы активатора, сформированы в виде изгиба в радиальном направлении по отношению к оптической оси упомянутого элемента, при этом толщина слоев, содержащих ионы активатора, находится в пределах 0,1-10 мм, а радиус изгиба слоев, содержащих ионы активатора, составляет не более 500 мм, но не менее среднего радиуса пятна накачки.
На чертеже схематично показаны сечения твердотельных активных элементов плоскостью, проходящей через оптическую ось (2). Элементы состоят из матрицы (1) и слоя, содержащего активные ионы (4). Вероятность развития паразитной генерации максимальна в направлении наибольшей длины активного слоя (3).
На чертеже (а) схематично показано сечение твердотельного активного элемента плоскостью, проходящей через оптическую ось. Элемент изготовлен по патенту [RU №2560438] - наиболее используемому варианту в дисковых лазерах с высокой средней мощностью. Вероятность развития паразитной генерации максимальна в поперечном к оптической оси направлении (3), где наибольшая длина активного слоя.
На чертеже (б) схематично показано сечение твердотельного активного элемента плоскостью, проходящей через оптическую ось. Элемент изготовлен согласно прототипу. Вероятность развития паразитной генерации так же, как и на чертеже (а), максимальна в поперечном к оптической оси направлении (3), где наибольшая длина активного слоя. Вероятность развития паразитной генерации несколько ниже по сравнению с аналогичной величиной в элементе, приведенном на чертеже (а), поскольку длина активного слоя уменьшается по сечению элемента. Однако при таком же объеме активного слоя, как в элементе, приведенном чертеже (а), увеличивается его толщина в центральной части элемента, что в лазерах с высокой средней мощностью приводит к образованию тепловой линзы и срыву генерации. Кроме того, неплоскопараллельные торцы твердотельного элемента значительно усложняют лазерную схему и возможность ее настройки.
На чертеже (в) схематично показано сечение твердотельного активного элемента плоскостью, проходящей через оптическую ось. Элемент изготовлен согласно настоящему изобретению. При размерах элемента и объеме активного слоя, как представлено на чертеже (а), длина активного слоя (3), в которой максимальна вероятность развития паразитной генерации, существенно ниже. Это обеспечивается за счет формирования изгиба слоя, содержащего активные ионы (4), в радиальном направлении по отношению к оси распространения лазерного излучения (2). Длина активного слоя (3), в которой максимальна вероятность развития паразитной генерации, ограничена диаметром сечения внешнего радиуса активного слоя, когда указанный диаметр является касательной к окружности, совпадающей с внутренним радиусом активного слоя. Таким образом, при уменьшении толщины активного слоя и уменьшении радиуса изгиба активного слоя сокращается размер диаметра (3), и соответственно при заданном поперечном размере элемента, увеличивается размер пятна накачки, при котором не развивается поперечная генерация.
Снижение толщины активного слоя (слоев) вплоть до 0,1 мм вызывает уменьшение количества активных ионов в элементе, и соответственно, количества запасенной ими энергии. Это приводит к ограничению мощности излучения, и дисковая геометрия лазера становится нерациональной.
Увеличение толщины активного слоя (слоев) свыше 10 мм нецелесообразно из-за значительного возрастания размера активного элемента при котором будет проявляться положительный эффект данного изобретения.
Радиус изгиба 500 мм активного слоя (слоев) также ограничен значительным возрастанием размера активного элемента при котором будет проявляться положительный эффект данного изобретения.
Уменьшение радиуса изгиба активного слоя (слоев) меньше среднего радиуса пятна накачки нецелесообразно из-за потери части излучения накачки, то есть размер активной области будет меньше пятна накачки.
Активный элемент твердотельного лазера, состоящий как минимум из двух слоев, может быть получен следующими способами: оптическим контактом двух и более элементов; по керамической технологии с формированием изгиба слоя, содержащего активные ионы, в радиальном направлении по отношению к предполагаемой оптической оси, в компакте до спекания; диффузионной сваркой двух и более элементов.
3
5
12
2
3
2
3
4
4
3
3
4
2
4
2
Материалом матрицы активного слоя могут быть ZnSe, ZnS, YAlO, ScO, LuO, YVO, LuVO, LaSc(BO)4) KGd(WO), KY(WO), лазерные стекла.
Активными ионами могут быть хром, железо, иттербий, неодим, тулий, гольмий, эрбий.
Образующая твердотельного активного элемента может матироваться для рассеяния падающего излучения.
На образующей твердотельного активного элемента может создаваться слой, поглощающий излучение на рабочей длине волны.
Торцы твердотельного активного элемента могут иметь просветляющее покрытие на длинах волн накачки и усиления.
Один из торцов твердотельного активного элемента может иметь просветляющее покрытие на длинах волн накачки и усиления, а другой торец может иметь покрытие, отражающее излучение на длинах волн накачки и усиления.
Указанные примеры не ограничивают варианты получения твердотельного активного элемента, материала матрицы, активных ионов, способа предотвращения появления обратной связи за счет отражения излучения от образующей элемента.
Пример 1.
Диффузионной сваркой получен твердотельный активный элемент, состоящий из трех слоев - селенида цинка, селенида цинка, активированного ионами железа, и селенида цинка. Диаметр элемента составляет 20 мм, толщина 4 мм, толщина слоя, содержащего ионы железа, составляет 1 мм, радиус изгиба слоя, содержащего ионы железа, в направлении оптической оси равен бесконечности (изгиб отсутствует).
las
Исследования лазерных характеристик активного элемента проводили на экспериментальной установке при комнатной температуре. Излучение нецепного электроразрядного HF лазера с длительностью импульса по полуамплитуде τ~140 нc, ослабляемое набором калиброванных светофильтров, фокусировалось на поверхность образца сферической линзой с фокусным расстоянием 450 мм. Диаметр пятна излучения накачки на поверхности активного элемента варьировался в диапазоне d=3,9÷9,5 мм с помощью ирисовой диафрагмы. Нецепной HF лазер работал в моноимпульсном режиме.
Снижение эффективности генерации наблюдалось при увеличении среднего диаметра пятна накачки активного элемента выше 7,5 мм за счет возникновения паразитной поперечной генерации.
Пример 2.
Активный элемент как в примере 1, отличающийся тем, что слой, содержащий ионы активатора, имел изгиб с радиусом 500 мм в радиальном направлении по отношению к оптической оси.
Снижение эффективности генерации наблюдалось при увеличении среднего диаметра пятна накачки активного элемента выше 7,6 мм за счет возникновения паразитной поперечной генерации. То есть при радиусе изгиба слоя, содержащего ионы активатора, 500 мм при одинаковой плотности мощности накачки, диаметр пятна накачки незначительно увеличился по сравнению с примером 1.
Пример 3.
Активный элемент как в примере 1, отличающийся тем, что слой, содержащий ионы активатора, имел изгиб с радиусом 200 мм в радиальном направлении по отношению к оси распространения лазерного излучения.
Снижение эффективности генерации наблюдалось при увеличении среднего диаметра пятна накачки активного элемента выше 8,8 мм за счет возникновения паразитной поперечной генерации. То есть за счет изгиба слоя в радиальном направлении по отношению к оси распространения лазерного излучения, содержащего ионы активатора, при одинаковой плотности мощности накачки, диаметр пятна накачки удалось увеличить на ~17%, что увеличило мощность лазерной генерации на 37%.
Пример 4.
Активный элемент как в примере 3, отличающийся тем, что слой, содержащий ионы активатора, имел толщину 0,1 мм.
Снижение эффективности генерации за счет возникновения паразитной поперечной генерации не наблюдалось вплоть до максимально возможного в используемой схеме лазера пятна накачки 9,5 мм. Таким образом, уменьшение толщины активного слоя привело к тому, что паразитная поперечная генерация перестала лимитировать мощность лазерной генерации. Однако мощность генерации снизилась в ~14 раз по сравнению с примером 3 за счет малого количества активных ионов в элементе и соответственного снижения запасенной ими энергии.