ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР НА ОСНОВЕ АКСИКОНОВОГО ОТРАЖАТЕЛЯ

Полезная модель относится к лазерным устройствам, в частности к твердотельным лазерам, в том числе и на основе органических соединений. Последние интересны с точки зрения применения в них твердотельных оптических элементов, состоящих из матриц, допированных лазерно-активными органическими соединениями [1]. В настоящее время такие устройства находят широкое применение в различных областях науки и техники: биологии, медицине, оптической локации, спектроскопии и т.д. Однако этот тип лазеров отличается небольшими энергиями и мощностями излучения, т.к. при увеличении уровня накачки возрастает неоднородности возбуждения и уменьшается ресурс работы активной среды лазеров из-за фотохимической деструкции. При этом лазеры на красителях имеют превосходную эффективность и возможности перестройки длины волны генерации в широком диапазоне видимого спектра излучения, недоступные для других типов лазеров. Для расширения областей применения лазеров на красителях необходимо улучшать однородность выходного излучения и увеличивать ресурс работы активной среды при больших значениях эффективности.
Аналогом предлагаемой полезной модели является лазер, описанный в [2]. В нем используется активный элемент цилиндрической формы в осветителе, выходное параметрическое зеркало, полностью отражающее излучение с длиной волны изучения активной среды и частично прозрачное зеркало для излучения сигнальной волны. Недостатком данной конструкции является применение сложных так называемых дихроичных зеркал, способных отражать и пропускать различные длины волн.
В изобретении [3] предлагается использовать твердотельный активный элемент, выполненный в виде плоскопараллельной пластины из полимера, активированного красителем. Отражатели накачки выполнены в виде оптически согласованных между собой элементов, расположенных под некоторым углом к падению излучения накачки, которые отражают излучение на активный элемент по всей его длине. Недостатком данной конструкции является односторонняя накачка активного элемента, что приводит к неравномерности поглощения накачки и, в результате, к неоднородности распределения излучения генерации по поперечному сечению.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является техническое решение, описанное в [4]. В описанном решении используются два зеркала, одно из которых имеет отверстие для прохождения излучения генерации на сложных органических соединениях, но само оно применяется для подачи излучения накачки на основание аксикона. Второе зеркало используется для отклонения излучения генерации лазера. Аксикон играет роль усилительной ячейки.
Недостатком устройства является сложность конструкции зеркала накачки (изготовление отверстия в теле зеркала под углом), понижение эффективности из-за того, что излучение накачки частично теряется на отверстии, через которое проходит излучение генерации, причем в центральной части сечения пучка накачки, где оно, как правило, имеет большую интенсивность. Кроме того в данной конструкции лазерно-активная среда представляет собой раствор сложного органического соединения (красителя).
Целью настоящей полезной модели является разработка лазера с твердотельной активной средой на основе органических соединений с увеличением эффективности преобразования энергии, обеспечением равномерности накачки и однородности выходного излучения, при одновременном упрощении конструкции резонатора.
В соответствии с поставленной целью предлагаемый твердотельный лазер на основе аксиконового отражателя содержит лазер накачки, аксиконовый отражатель, оптический твердотельный лазерный элемент, резонатор, состоящий из двух зеркал: переднего выходного и заднего глухого 100% отражающего. Новым является то, что торец твердотельного лазерного элемента, обращенный к 100% отражающему зеркалу, выполнен наклонно под углом (90°-β) к оптической оси аксиконового отражателя таким образом, чтобы оптическая ось 100% отражающего зеркала была совмещена с осью твердотельного лазерного элемента, причем упомянутый угол наклона связан с углом установки 100% отражающего зеркала относительно через коэффициент преломления материала твердотельного лазерного элемента по формуле sinα/sinβ=n, где α - угол падения излучения генерации на торец твердотельного лазерного элемента; β - угол преломления излучения накачки в лазерном твердотельном элементе; n - коэффициент преломления материала твердотельного лазерного элемента относительно воздуха.
Входная грань оптического твердотельного лазерного элемента (т.е. его торец) выполнена под углом β к оптической оси аксиконового отражателя, значение которого определяется в соответствии с законом преломления света . Угол преломления β излучения накачки в лазерном элементе связан со значением показателя преломления конкретного материала твердотельного лазерного элемента соотношением , где α - угол падения излучения генерации на торец твердотельного лазерного элемента; n - коэффициент преломления твердотельного лазерного элемента относительно воздуха.
Таким образом, лазер содержит наклонное 100% отражающее зеркало лазерного резонатора, нормаль которого, в соответствии с указанным выше условием, образует угол β с направлением излучения накачки. В качестве второго зеркала резонатора используется полированная торцевая выходная грань твердотельного лазерного элемента. Сам активный элемент может быть выполнен в виде цилиндра, размещенного внутри аксиконового отражателя.
Ввиду отклонения оптической оси на угол β, который был определен из вышеописанных соображений, целесообразно сместить 100% отражающее зеркало и расположить его так, чтобы зеркало не перекрывало излучение накачки, падающее на основание аксикона. Полезная модель поясняется чертежами фиг. 1, фиг. 2. На Фиг. 1 показана блок-схема предлагаемого твердотельного лазера на основе аксиконового отражателя.
На Фиг. 2 показан ход лучей накачки и преломление излучения генерации в твердотельном лазерном элементе. Здесь ∠α - угол падения излучения от заднего глухого зеркала, ∠β - угол преломления, ∠β′ - угол наклона входной грани твердотельного элемента относительно основания аксикона (∠β≡∠β′), n - коэффициент преломления элемента относительно воздуха, Oo - оптическая ось аксикона, N - нормаль к поверхности входной грани.
Устройство содержит лазер накачки (1), на пути излучения которого последовательно установлены 100% отражающее зеркало (2), аксиконовый отражатель (3), содержащий активный твердотельный лазерный элемент (4).
На фиг. 2 показаны: ход лучей накачки на основание аксикона и на наклонную грань твердотельного лазерного элемента; угол среза входной грани лазерного элемента (β′), благодаря которому удается расположить 100% отражающее зеркало (2) вне зоны накачки лазера 1, Оо - оптическая ось аксикона, N - нормаль к входной грани твердотельного лазерного элемента 4.
В предпочтительном исполнении твердотельный лазерный элемент выполнен цилиндрическим и расположен вдоль оптической оси аксиконового отражателя.
В предпочтительном исполнении предлагаемого устройства диаметр канала в аксиконе и диаметр цилиндрического твердотельного лазерного элемента подбираются оптимальным образом под апертуру и мощность накачивающего излучения.
Предлагаемый твердотельный лазер на основе аксиконового отражателя работает следующим образом. Излучение лазера накачки 1 поступает на основание аксикона 3 и частично на входную грань активного твердотельного лазерного элемента 4. При распространении внутри аксикона 3 после полного внутреннего отражения от боковой конусной поверхности излучение фокусируется в объем активного твердотельного лазерного элемента 4, где после поглощения этого излучения создается инверсия населенности. При преодолении порога генерации излучение начинает формироваться в резонаторе, образованном полированной выходной гранью активного твердотельного элемента и 100% отражающим зеркалом. Благодаря тому, что входная грань активного твердотельного лазерного элемента выполнена под углом к его оптической оси и к оптической оси накачки, для излучения генерации, выходящего из активного элемента на пути к глухому зеркалу, произойдет отклонение луча на угол β согласно закону преломления sinα/sinβ=n. После отражения от глухого зеркала излучение генерации пойдет по обратному пути. Таким образом, за счет выполнения грани наклонной, 100% отражающее зеркало может быть смещено в сторону от главной оптической оси накачки и не перекрывает излучение накачки.
Предлагаемый твердотельный лазер на основе аксиконового отражателя позволяет преодолеть недостатки прототипа и, при простоте конструктивных элементов, получить излучение с увеличенной эффективностью преобразования энергии, улучшить равномерность накачки и однородность выходного излучения.
Литература.
1. Копылова Т.Н., Ануфрик С.С., Майер Г.В., Солодова Т.А., Тельминов Е.Н., Дегтяренко К.М. Исследование характеристик твердотельных активных сред на основе пиррометена 567 // Известия Высших Учебных Заведений. ФИЗИКА. - 2012. - Т. 55. - №10. - С. 32-37.
2. Патент РФ №2101817, МПК H01S 3/10, Импульсный твердотельный лазер с перестройкой длины волны излучения; опубл. 10.01.1998.
3. Патент РФ №2091941, МПК H01S 3/10, Твердотельный мини-лазер на красителе. Опубл. 27.09.1997.
4. Kuhnle G., Marowsky G., Reider G. A. Laser amplification using axicon reflectors //Applied optics. - 1988. - Т. 27. - №. 13. - С. 2666-2670.