СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF GENERATING INFRARED RADIATION DEVICE FOR REALISING SAID METHOD

Заявляемая группа изобретений относится к квантовой электронике и лазерной технике и может быть использована в медицине, лазерной локации, экологическом контроле атмосферы.
Известен способ получения инфракрасного излучения (ИК), заключающийся в том, что пучок излучения с длиной волны короче 2 мкм преобразуют в первый и второй пучки ИК-излучения, длины волн которых перестраивают в диапазоне 2-6 мкм, а среднюю мощность модулируют сигналом, Фурье спектр которого находится в диапазоне 0-1 МГц (заявка на патент США №20050286603 A1, "Thulium laser pumped mid-ir source with broadband output", МПК H01S 3/08).
Недостатками данного способа являются:
- невозможность получения квазинепрерывных пучков ИК-излучения;
- ограничение полосы частотной модуляции сверху частотой в 10 кГц (ввиду периодического режима работы);
- невозможность независимой перестройки длины волны каждого пучка (в ряде применений предпочтительно осуществлять перестройку каждой волны раздельно).
Задачей предлагаемого способа является формирование инфракрасного непрерывного излучения, перестраиваемого в диапазоне 2-6 мкм, увеличение частотного диапазона модуляции мощности ИК-излучения, а также формирование двух пучков излучения с длинами волн в диапазоне 2-6 мкм, перестраиваемых раздельно.
1
1
2
Техническое решение задачи достигается тем, что в способе, заключающемся в том, что пучок излучения с длиной волны короче 2 мкм преобразуют в первый и второй пучки ИК-излучения, длины волн которых перестраивают в диапазоне 2-6 мкм, а среднюю мощность модулируют сигналом, Фурье спектр которого находится в диапазоне 0-1 МГц, пучок излучения с длиной волны короче 2 мкм преобразуют в первый пучок квазинепрерывного излучения с длиной волны λ, перестраиваемой в диапазоне 2-3,7 мкм. Первый пучок квазинепрерывного излучения с длиной волны λ делят на две части, первую из которых преобразуют во второй пучок квазинепрерывного излучения с длиной волны λ, перестраиваемой в диапазоне 3,7-6 мкм, второй пучок сводят со второй частью первого пучка, формируя единый пучок двухчастотного ИК-излучения, перестраиваемого в диапазоне 2-6 мкм. Модуляцию единого пучка двухчастотного ИК-излучения осуществляют путем модуляции пучка излучения с длиной волны короче 2 мкм.
Известно устройство для получения ИК-излучения, содержащее лазер накачки с длиной волны излучения короче 2 мкм и оптический генератор, формирующий первый и второй пучки излучения на двух длинах волн, принадлежащих диапазону 2-6 мкм (заявка на патент США №20050286603 Al, "Thulium laser pumped mid-ir source with broadband output", МПК H01S 3/08).
3
2
3
В качестве лазера накачки в этом устройстве используют тулиевый лазер, содержащий активный кристалл Tm:YAlO и акустооптический модулятор, помещенные в оптический резонатор, образованный двумя зеркалами. Оптический генератор выполнен в виде параметрического генератора, содержащего активный нелинейный кристалл ZnGeP, размещенный в своем резонаторе. Устройство содержит также линейку лазерных диодов с волоконным выходом и линзу для фокусировки излучения, выходящего из торца волоконного выхода в центр кристалла Tm:YAlO.
Эффективность излучения двух пучков параметрического генератора с длинами волн в диапазоне 3-5 мкм достигает 5% от мощности используемых лазерных диодов.
Недостатками данного устройства являются:
- импульсно-периодический характер излучения, который накладывает ограничение на верхнюю частоту модуляции (модуляция возможна с помощью акустооптического модулятора или тока лазерных диодов накачки). Однако большое время жизни верхнего уровня тулиевого лазера не позволяет провести модуляцию с частотой выше 1 кГц;
- ускоренная деградация нелинейного кристалла и зеркал резонатора в результате высокой интенсивности импульсной накачки (деградации также способствует наличие водяных паров на поверхностях оптических изделий).
Задачей, которая может быть решена с помощью предлагаемого устройства, является преодоление указанных недостатков и повышение надежности устройства для формирования инфракрасного излучения, перестраиваемого в диапазоне 2-6 мкм.
1
1
2
Техническое решение задачи достигается тем, что в устройстве для получения ИК-излучения, содержащем лазер накачки с длиной волны излучения короче 2 мкм и оптический генератор, формирующий первый и второй пучки излучения на двух длинах волн, принадлежащих диапазону 2-6 мкм, оптический генератор содержит первый активный элемент, излучающий на длине волны λ, принадлежащей диапазону 2-3,7 мкм, первый оптический резонатор, формирующий первый пучок излучения, в который помещен первый активный элемент, второй активный элемент, поглощающий излучение на длине волны λ и излучающий на длине волны λ, принадлежащей диапазону 3,7-6 мкм, второй оптический резонатор, формирующий второй пучок излучения, в который помещен второй активный элемент, и оптические элементы, обеспечивающие сведение первого и второго пучков в единый пучок двухчастотного ИК-излучения.
Первый и второй активные элементы могут быть выполнены из соединений A2B6, легированных атомами переходных металлов.
17
19
-3
17
19
-3
Первый активный элемент может быть выполнен из одного из соединений: ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnO, CdS, CdSe, CdTe, CdO, легированных атомами Cr с концентрацией от 10 до 2·10 см, а второй активный элемент выполнен из одного из соединений: ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnO, CdS, CdSe, CdTe, CdO, легированных атомами Fe с концентрацией от 10 до 2·10 см.
Возможно выполнение первого и второго активных элементов в виде кристаллов, а также в виде керамики.
В качестве лазера накачки возможно применение тулиевого лазера, с поперечной накачкой излучением линеек лазерных диодов с длиной волны, принадлежащей диапазону 770-800 нм, а также тулиевого лазера с продольной накачкой излучением линеек лазерных диодов.
Кроме того, лазер накачки может быть выполнен в виде линейки лазерных диодов, излучающих в диапазоне 1.7-2.0 мкм.
Существо заявляемой группы изобретений поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена схема устройства, работающего по предлагаемому способу.
На фиг.2 представлена схема лазера накачки, выполненного в виде тулиевого лазера с поперечной накачкой.
На фиг.3 представлена схема лазера накачки, выполненного в виде тулиевого лазера с продольной накачкой.
На фиг.4 представлена схема устройства, работающего по предлагаемому способу, в котором в качестве лазера накачки использована линейка лазерных диодов.
На фиг.5 представлен спектр пропускания кристалла CdSe:Cr, из которого выполнен первый активный элемент в одном из вариантов.
На фиг.6 представлен спектр излучения кристалла CdS:Cr, из которого выполнен первый активный элемент в другом из вариантов.
На фиг.7 представлен спектр пропускания кристалла ZnSe:Fe, из которого выполнен второй активный элемент в одном из вариантов.
2+
На фиг.8 представлена зависимость выходной мощности лазера Cr:CdSe от мощности поглощенной накачки.
2+
На фиг.9 представлена зависимость выходной мощности лазера Fe:ZnSe от мощности поглощенной накачки при различных степенях пропускания полупрозрачного зеркала Т, где:
η - дифференциальная эффективность лазера при различных значениях Т.
Предлагаемый способ осуществляют в устройстве, описание которого и приводится ниже.
Устройство содержит лазер накачки 1, в состав которого входит первый активный элемент 2, две линейки лазерных диодов 3 и 4, два возвратных зеркала 5 и 6, два зеркала 7 и 8, образующих оптический резонатор. Линейки лазерных диодов 3, 4 подключены к блоку питания 9. Вдоль оптической оси устройства за лазером 1 размещен лазер 10. Между лазерами 1 и 10 установлен оптический делитель 11, цилиндрическая линза 12, а за последней сферическое зеркало 13. Лазер 10 содержит второй активный элемент 14, который размещен в первом оптическом резонаторе, образованном плоским дихроическим зеркалом 15 и сферическим зеркалом 16. Внутри первого оптического резонатора между зеркалом 16 и активным элементом 14 помещен селективный элемент 17, применяющийся для селекции и перестройки длины волны генерации в первом резонаторе (механизм для изменения положения элемента 17 не показан, но направление его перемещении показано стрелкой). За лазером 10 установлена линза 18 и делитель 19, выполненный в виде полупрозрачного зеркала. За линзой 18 установлен лазер 20, содержащий второй активный элемент 21, полупрозрачное зеркало 22, селективный элемент 23 и дихроическое зеркало 24. Зеркала 22 и 24 образуют второй резонатор. Устройство содержит также дополнительные оптические элементы: поворотные зеркала 25 и 26, дихроические зеркала 27 и 28, поворотное зеркало 29, коллимирующие линзы 30, 31 и 32, а также выходное оптическое окно 33. Поворотное зеркало 25 расположено за лазером 20. Сбоку от него расположены коллимирующая линза 30 и поворотное зеркало 26, причем линза 30 расположена между зеркалами 25 и 26. Дихроические зеркала 27 и 28 расположены последовательно сбоку от делителя 19. Коллимирующая линза 31 размещена между делителем 19 и дихроическим зеркалом 27. Окно 33 расположено за дихроическим зеркалом 28. Поворотное зеркало 29 расположено сбоку от делителя 11. Коллимирующая линза 32 размещена между поворотным зеркалом 29 и дихроическим зеркалом 28.
В качестве лазера накачки (фиг.2) может быть использован тулиевый лазер с поперечной накачкой, содержащий линейки лазерных диодов 3, 4, активный элемент 35, цилиндрические линзы 36 и 37, высокоотражающее зеркало 38 и полупрозрачное зеркало 39.
В качестве второго варианта лазера накачки (фиг.3) может быть использован тулиевый лазер с продольной накачкой, содержащий активный элемент 41, линейку лазерных диодов 42 с волоконным жгутом 43, линейку лазерных диодов 44 с волоконным жгутом 45, фокусирующими линзами 46, 47, наклонные дихроические зеркала 48, 49 и зеркала резонатора 52 и 53.
В качестве третьего варианта лазера накачки (фиг.4) может быть использована линейка лазерных диодов 55 с волоконным выходом 56 с встроенной коллимирующей линзой. Между волоконным выходом 56 и делителем 11 размещена сферическая фокусирующая линза 57. Линейка лазерных диодов 55 подключена к источнику питания 58.
2+
2+
Осуществление предлагаемого способа в устройстве, приведенном на фиг.1, выполняют следующим образом. Излучение непрерывного тулиевого лазера 1 с длиной волны 1.9-2.0 мкм преобразуют в лазере 10 Cr:CdSe в первый пучок непрерывного ИК-излучения с длиной волны, перестраиваемой в диапазоне 2.2-3.6 мкм. Первый пучок делят на две части полупрозрачным зеркалом 19. Одну из двух частей первого пучка преобразуют в лазере 20 Fe:ZnSe во второй пучок непрерывного ИК-излучения с длиной волны, перестраиваемой в диапазоне 3.8-5 мкм. Второй пучок и вторую часть первого пучка с помощью оптических элементов 25, 30, 26, 27 и 31 сводят в единый ИК-пучок. Использование кристалла ZnS:Cr в качестве первого активного элемента позволяет расширить область перестройки длины волны первого пучка с коротковолновой стороны до 2.0 мкм, а кристалла CdTe:Cr - с длинноволновой стороны до по меньшей мере 3.7 мкм. С другой стороны, использование кристалла ZnS:Fe в качестве второго активного элемента расширяет область перестройки с коротковолновой стороны до 3.7 мкм, а кристалла ZnTe:Fe и кристалла CdTe:Fe - до 6 мкм с длинноволновой стороны.
В данном устройстве предусмотрено также деление пучка лазера накачки на две части с помощью оптического делителя 11. Одна из этих частей используется для преобразования первого непрерывного ИК-излучения, как это описано выше, а вторая отщепленная часть пучка лазера накачки с помощью оптических элементов 29, 32 и 28 совмещается со вторым пучком и второй частью первого пучка в единый трехчастотный пучок непрерывного ИК-излучения. Сущность изобретения заключается в том, что для получения двухчастотного перестраиваемого ИК-излучения используют не параметрическое преобразование излучения лазера накачки в нелинейном кристалле, а двухкаскадное последовательное преобразование в двух активных лазерных элементах, имеющих широкие полосы поглощения, излучения и оптического усиления. Это, прежде всего, позволяет существенно снизить интенсивность накачки и достичь непрерывного режима генерации. В реализации данного способа ключевым является использование активных элементов из соединений A2B6, легированных переходными металлами. Эти элементы могут накачиваться непосредственно лазерными диодами. В этом случае модуляция ИК-излучения может осуществляться модуляцией тока лазерных диодов, и частотный диапазон модуляции расширен вплоть до 1 МГц.
Пример реализации способа и устройства.
2+
2+
Более детально устройство состоит из тулиевого лазера 1, с блоком электропитания 9, лазера Cr:CdSe 10, лазера Fe:ZnSe 20 и оптических элементов 11-13, 18, 19, 25-33. Тулиевый лазер 1 содержит активный элемент 2, две линейки лазерных диодов 3 и 4, два возвратных зеркала 5 и 6, два зеркала 7 и 8, образующие оптический резонатор. Активный элемент 2 выполнен в виде параллелепипеда из кристалла YLF:Tm с атомной концентрацией Tm 3.5%. Длина параллелепипеда составляет 22 мм, ширина - 6 мм и толщина - 2 мм. Длинные грани ориентированы вдоль оптической оси лазера, а широкие грани - в плоскости распространения излучения линеек лазерных диодов. Длинные узкие грани просветлены для излучения лазерных диодов, а торцы активного элемента - для генерируемого тулиевым лазером излучения. Активный элемент своими широкими гранями пристыкован через индиевые прокладки к медным хладопроводам (на фиг.1 не показаны), которые могут охлаждаться водой или воздухом.
Линейки лазерных диодов 3 и 4 питаются блоком электропитания 9. Каждая линейка лазерных диодов имеет встроенную цилиндрическую линзу, фокусирующую излучение в узкую полоску на расстояние s=60 мм. Длина области излучения линейки равна 10 мм. Длина волны излучения равна 795 нм. Линейки располагаются на расстоянии s от оптической оси лазера. Возвратные зеркала 5 и 6 выполнены в виде высокоотражающего покрытия, нанесенного на вогнутую цилиндрическую поверхность подложки с радиусом кривизны r=10 мм. Возвратные зеркала размещаются на расстоянии, примерно равном r от оптической оси.
Кристаллическая матрица для ионов Tm может быть выполнена не только из соединений YLF, но и YAG, YAP или других соединений. Концентрация Tm может варьироваться в пределах 2-6%. Концентрация, форма и размеры активного элемента, длина волны излучения лазерных диодов и другие их параметры, а также параметры возвратных зеркал могут быть другими, но они должны быть согласованы друг с другом, чтобы достигнуть наибольшую эффективность вложения энергии накачки в активный элемент и достаточно высокий уровень возбуждения.
Зеркало 7 выполнено в виде высокоотражающего покрытия на длину волны генерации тулиевого лазера, напыленного на вогнутую цилиндрическую поверхность подложки. Радиус кривизны зеркала равен 50 мм в данном варианте, но может изменяться в широких пределах от 20 до 200 мм в зависимости от мощности накачки, остроты фокусировки излучения накачки и размеров активного элемента. Ось цилиндрической поверхности ориентирована вдоль плоскости распространения излучения накачки. Второе зеркало 8 делается в виде полупрозрачного напыления на прозрачную и плоскую подложку. Коэффициент отражения зеркала находится в пределах 90-97%. Обратная сторона подложки просветляется на длину волны генерации тулиевого лазера. Для улучшения направленности в плоскости широкой грани активного элемента второе зеркало может быть сделано даже выпуклым в этой плоскости. Оба зеркала образуют неустойчивый резонатор в плоскости накачки и близкий к полуконцентрическому в перпендикулярной плоскости.
На выходе из тулиевого лазера 1 за полупрозрачным зеркалом 8 вдоль оптической оси размещены оптический делитель 11, цилиндрическая линза 12, а за ней сферическое зеркало 13, фокусирующие излучение тулиевого лазера в центр первого активного элемента 14, являющегося активным элементом Cr:CdSe лазера 10. Активный элемент 14 помещен в первый оптический резонатор, образованный плоским дихроическим зеркалом 15 и сферическим зеркалом 16. Внутрь первого оптического резонатора между полупрозрачным зеркалом 16 и активным элементом 14 помещен селективный элемент 17, закрепленный на перемещающем механизме (не показан), для селекции и перестройки длины волны генерации в первом резонаторе.
Оптический делитель 11 может быть выполнен в виде плоскопараллельной пластины, на одну поверхность которой нанесено частично отражающее зеркало на длину волны генерации тулиевого лазера, а на другую поверхность - просветляющее покрытие. Ось цилиндрической линзы 12 ориентирована вдоль плоскости накачки. Для данного примера фокусное расстояние цилиндрической линзы 12 равно 150 мм, но может варьироваться в пределах 100-200 мм. Линза выполнена из прозрачного материала для излучения тулиевого лазера, например из кварца типа КИ. Сферическая линза 13 выполнена также из прозрачного материала и имеет фокусное расстояние 80 мм, хотя может изменяться от 40 до 200 мм. Все поверхности обеих линз 12 и 13 просветлены.
18
-3
Первый активный элемент 14, являющийся активным элементом лазера Cr:CdSe 10, выполнен в виде параллелепипеда, вырезанного из кристалла CdSe:Cr с концентрацией Cr на уровне 10 см. Центр активного элемента расположен вблизи фокальной плоскости сферической линзы 13. Оптическая ось кристалла ориентирована вдоль оптической оси резонатора. Длина элемента вдоль оси резонатора равна 5 мм. Толщина элемента равна 1.5 мм. Широкие грани элемента пристыкованы через индиевые прокладки к медным хладопроводам (на фиг.1 не показаны), которые охлаждаются водой или воздухом. Торцевые грани отполированы. Для уменьшения влияния отражения излучения накачки от торцевой грани кристалла CdSe:Cr, обращенной в сторону зеркала 15, на работу тулиевого лазера, эта грань просветлена на длину волны тулиевого лазера. Размеры и состав кристалла могут быть другими, но они должны быть взаимно согласованы друг с другом и с параметрами накачки и резонатора.
Дихроическое зеркало 15 выполнено в виде напыления на плоскопараллельную подложку из кварца типа КИ, имеющего высокое пропускание (желательно более 99%) на длине волны излучения тулиевого лазера и высокое отражение (желательно более 99%) на длине волны генерации лазера Cr:CdSe. Поверхность с дихроическим покрытием обращена в сторону активного элемента. Вторая поверхность подложки дихроического зеркала просветлена на длине волны излучения тулиевого лазера. Второе полупрозрачное зеркало 16 выполнено в виде напыления на сферически вогнутую поверхность прозрачной подложки, например, из кварца типа КИ. Радиус кривизны поверхности может изменяться в больших пределах от 30 мм до сколь угодно больших значений. Поверхность может быть плоской или даже слегка выпуклой. Коэффициент отражения зеркала 16 может изменяться в пределах 70-97%. Предпочтительное значение равно 95%. Длина резонатора лазера Cr:CdSe может изменяться в диапазоне от 10 до 100 мм в зависимости от радиуса кривизны и остроты фокусировки излучения накачки. Вторая поверхность подложки полупрозрачного зеркала просветлена на длину волны генерации лазера Cr:CdSe.
2
Селективный элемент 17 может быть выполнен в виде подложки из кварца типа КИ или CaF с многослойным покрытием, представляющим собой узкополосный фильтр. При этом толщина слоев и, следовательно, максимум пропускания изменяются вдоль направления перемещения подложки с помощью специального механизма подачи. Вторая поверхность подложки просветлена. Селективный элемент повернут на угол в несколько градусов.
В качестве селективного элемента может быть использована дисперсионная призма. В этом случае полупрозрачное зеркало 16 имеет механизм поворота, с помощью которого осуществляется перестройка длины волны генерации. Однако в этом случае первый пучок излучения лазера Cr:CdSe будет изменять свое направление относительно оптической оси в процессе перестройки длины волны генерации. Чтобы вернуть его на оптическую ось, потребуются дополнительные оптические элементы. Могут быть использованы и другие известные способы перестройки.
2
Между лазером Cr:CdSe 10 и лазером Fe:ZnSe размещены делитель 19 и фокусирующая линза 18. Оба эти элемента выполнены из прозрачного материала для излучения лазера Cr:CdSe. Это может быть кварц типа КИ, сапфир, CaF или другой прозрачный материал. На одну из поверхностей делителя наносится частично отражающее покрытие (R=10-30%), на другую - просветляющее покрытие для излучения лазера Cr:CdSe. Просветляющее покрытие наносится также и на обе поверхности фокусирующей линзы 18.
18
-3
Второй активный элемент 21, являющийся активным элементом лазера Fe:ZnSe 20, выполнен в виде параллелепипеда, вырезанного из кристалла ZnSe:Fe с концентрацией Fe на уровне 10 см. Центр активного элемента расположен вблизи фокальной плоскости сферической линзы 18. Длина элемента вдоль оси резонатора равна 7 мм. Толщина элемента равна 1.5 мм. Широкие грани элемента пристыкованы через индиевые прокладки к медным хладопроводам (на фиг.1 не показаны). Активный элемент требует специального охлаждения ниже температуры - 70°С. Для охлаждения может быть использован двух- или трехступенчатый Пельтье элемент или холодильные машины замкнутого цикла, например криогенераторы, работающие по циклу Стирлинга. Чтобы исключить нежелательную конденсацию водяных паров на поверхностях элементов 21-24, их помещают в вакуумируемый объем или объем, заполненный нейтральным газом.
Торцевые грани активного элемента 21 отполированы. Для уменьшения влияния отражения излучения накачки от торцевой грани кристалла ZnSe:Fe, обращенной к зеркалу 24, на работу лазера Cr:CdSe, эта грань просветлена на длину волны лазера Cr:CdSe. Размеры и состав кристалла могут быть другими, но они должны быть взаимно согласованы друг с другом и с параметрами накачки и резонатора.
2
2
Дихроическое зеркало 24 выполнено в виде напыления на плоскопараллельную подложку из кварца типа КИ, сапфира, CaF или другого прозрачного материала. Напыление обеспечивает высокое пропускание (желательно более 99%) на длине волны излучения лазера Cr:CdSe и высокое отражение (желательно более 99%) на длине волны генерации лазера Fe:ZnSe. Поверхность с дихроическим покрытием обращена в сторону активного элемента 21. Вторая поверхность подложки дихроического зеркала просветлена на длине волны излучения лазера Cr:CdSe. Второе полупрозрачное зеркало 22 выполнено в виде напыления на сферически вогнутую поверхность подложки из CaF или другого прозрачного материала. Радиус кривизны поверхности может изменяться в больших пределах от 30 мм до сколь угодно больших значений. Поверхность может быть плоской или даже слегка выпуклой. Коэффициент отражения зеркала 22 может изменяться в пределах 50-97%. Предпочтительное значение равно 85%. Длина резонатора лазера Fe:ZnSe может изменяться в диапазоне от 10 до 100 мм в зависимости от радиуса кривизны и остроты фокусировки излучения накачки. Вторая поверхность подложки полупрозрачного зеркала просветлена на длину волны генерации лазера Fe:ZnSe.
2
Селективный элемент 23 может быть выполнен в виде подложки из CaF с многослойным покрытием, представляющим собой узкополосный фильтр. При этом толщина слоев и, следовательно, максимум пропускания изменяются вдоль направления перемещения подложки с помощью специального механизма подачи. Вторая поверхность подложки просветлена. Селективный элемент повернут на угол в несколько градусов.
В качестве селективного элемента может быть использована дисперсионная призма. В этом случае полупрозрачное зеркало 22 имеет механизм поворота, с помощью которого осуществляется перестройка длины волны генерации. Могут быть использованы и другие известные способы перестройки.
2
За лазером Fe:ZnSe размещены два однотипных поворотных зеркала 25 и 26, а между ними - коллимирующая линза 30. Поворотные зеркала имеют высокий коэффициент отражения и выполнены в виде напыления на плоские подложки. Линза 30 выполнена из CaF или другого прозрачного материала на длину волны излучения лазера Fe:ZnSe. Она имеет фокусное расстояние в диапазоне 100-130 мм и размещена примерно на фокусном расстоянии от второго активного элемента 21.
Сбоку от делителя 19 по ходу распространения второй части первого пучка размещена коллимирующая линза 31 с просветленными поверхностями для излучения лазера Cr:CdSe, имеющая фокусное расстояние в диапазоне 140-200 мм. Она размещена примерно на фокусном расстоянии от центра первого активного элемента 14 по ходу распространения пучка. Аналогично сбоку от делителя 11 по ходу распространения отщепленной части пучка тулиевого лазера размещены поворотное плоское зеркало 29, имеющее высокое отражающее покрытие на длину волны излучения тулиевого лазера, и коллимирующая цилиндрическая линза 32 с просветленными покрытиями и фокусным расстоянием в диапазоне 1000-3500 мм. Линза 32 размещена на расстоянии 400-900 мм от центра активного элемента 2. Ось цилиндрической линзы 32 ориентирована в плоскости накачки.
2
На пересечении направлений распространения второй части первого пучка и второго пучка размещено плоское дихроическое зеркало 27, а на пересечении второй части первого пучка и отщепленного пучка тулиевого лазера - дихроическое зеркало 28. Зеркало 27 имеет высокий коэффициент отражения (желательно более 99%) для излучения второго пучка и высокий коэффициент пропускания (желательно более 99%) для второй части первого пучка, а зеркало 28 имеет высокий коэффициент отражения (желательно более 99%) для излучения отщепленной части пучка тулиевого лазера и высокий коэффициент пропускания (желательно более 99%) для второй части первого пучка и второго пучка. Оба зеркала выполнены из прозрачного материала, например CaF. На выходе устройства размещено окно 33 с широкополосным просветлением обеих поверхностей. Очевидно, что комбинация оптических элементов, формирующих единый трехчастотный пучок ИК-излучения, может быть другой.
Устройство работает следующим образом.
Блок электропитания 9 формирует ток в линейках лазерных диодов 3 и 4, генерируя излучение с длиной волны 795 нм. Встроенные цилиндрические линзы линеек 3 и 4 направляют и фокусируют излучение накачки в центральную область активного элемента 2 тулиевого лазера 1. Часть излучения накачки проходит через активный элемент и возвращается в этот элемент с помощью возвратных зеркал 5 и 6. В результате накачки в активном элементе 1 возникает люминесценция и оптическое усиление. Зеркала 7 и 8 обеспечивают положительную обратную связь, что в результате приводит к генерации излучения тулиевого лазера на длине волны 1.9-2.0 мкм.
1
Излучение тулиевого лазера выходит из резонатора через полупрозрачное зеркало 8 и делится делителем 11 на две части: основную и отщепленную. Отщепленная часть имеет мощность типично в одну десятую часть от полного пучка тулиевого лазера. Пучок тулиевого лазера имеет разные размеры и разную расходимость в плоскости накачки и в перпендикулярной плоскости. Проходя цилиндрическую линзу 12, расходимость основной части пучка тулиевого лазера становится симметричной, что позволяет сферической линзой 13 сформировать круглое пятно накачки на активном элементе 14 лазера Cr:CdSe 10. В результате накачки и благодаря положительной обратной связи, обеспеченной зеркалами 15 и 16, в лазере Cr:CdSe возникает генерация на длине волны λ. Эта длина волны может перестраиваться в широком диапазоне от 2.2 до 3.6 мкм для данного примера путем перемещения селективного элемента 17. Этот элемент вносит дополнительные потери в резонатор для всех длин волн, кроме длины волны, на которую настроен узкополосный фильтр. При перемещении селективного элемента изменяется длина волны пропускания фильтра и, следовательно, длина волны генерации.
2
Излучение лазера Cr:CdSe 10 в виде первого пучка выходит из резонатора через полупрозрачное зеркало 16 и делится делителем 19 на две части: первую и вторую. Вторая часть имеет мощность типично в одну четвертую часть от полного пучка лазера Cr:CdSe. Первая часть первого пучка лазера Cr:CdSe фокусируется линзой 18 в центр второго активного элемента 21 лазера Fe:ZnSe 20. В результате накачки и благодаря положительной обратной связи, обеспеченной зеркалами 24 и 22, в лазере Fe:ZnSe возникает генерация на длине волны λ. Эта длина волны может перестраиваться в широком диапазоне от 3.8 до 5 мкм для данного примера путем перемещения селективного элемента 23. Этот элемент вносит дополнительные потери в резонатор для всех длин волн, кроме длины волны, на которую настроен узкополосный фильтр. При перемещении селективного элемента изменяется длина волны пропускания фильтра и, следовательно, длина волны генерации.
Излучение лазера Fe:ZnSe 20 выходит из резонатора через полупрозрачное зеркало 22 в виде второго пучка ИК-излучения, которое изменяет направление распространения, отражаясь от поворотных зеркал 25 и 26, а также дихроических зеркал 27 и 28, и выходит через оптическое окно 33 устройства. По пути своего распространения второй пучок проходит коллимирующую линзу 30.
Вторая часть первого пучка ИК-излучения после полупрозрачного зеркала 19 коллимируется линзой 31, проходит через дихроические зеркала 27 и 28 и выходит через окно 33. Аналогично отщепленная часть пучка тулиевого лазера после отражения от полупрозрачного зеркала 11 изменяет свое направление поворотным зеркалом 29, проходит через коллимирующую цилиндрическую линзу 32, снова изменяет свое направление с помощью дихроического зеркала 28 и выходит через окно 33. Фокусные расстояния коллимирующих линз 30, 31 и 32 и их размещение выбираются таким образом, чтобы размеры всех пучков и их расходимость были примерно равны, и пучки выходили из устройства в одном направлении в виде единого пучка трехчастотного непрерывного ИК-излучения.
На фиг.2 представлен вариант другого исполнения лазера накачки 10. Этот вариант исполнения тулиевого лазера обозначен позицией 34. Лазер содержит активный элемент 35, выполненный предпочтительно из кристалла YLF:Tm с повышенной концентрацией Tm 5-6%. Линейки лазерных диодов 3 и 4 размещены симметрично относительно оптической оси лазера. Их излучение фокусируется цилиндрическими линзами 36 и 37 внутри активного элемента вблизи оптической оси. Оси цилиндрических линз параллельны оптической оси. Обе поверхности линз просветлены на длину волны излучения лазерных диодов. Тулиевый лазер содержит также высокоотражающее зеркало 38 и полупрозрачное зеркало 39. Требования к исполнению зеркал остается такими же, как и в предыдущем варианте исполнения тулиевого лазера.
Тулиевый лазер 34 работает следующим образом. Электропитание 9 обеспечивает линейки лазерных диодов 3 и 4 требуемым значением тока. В результате генерируется излучение на длине волны 795 нм. Это излучение фокусируется линзами 36 и 37 внутри активного элемента 35 в узкую область вблизи оптической оси. В результате накачки в активном элементе возникают люминесценция и оптическое усиление, которые благодаря положительной обратной связи, обеспечиваемой зеркалами 38 и 39, приводят к генерации. Генерируемое излучение выходит из тулиевого лазера через полупрозрачное зеркало 39.
На фиг.3 представлен вариант исполнения тулиевого лазера с продольной накачкой линейками лазерных диодов. В этом варианте тулиевый лазер 40 содержит активный элемент 41, выполненный предпочтительно из YLF:Tm с пониженной концентрацией Tm 2-2.5%. Активный элемент может быть выполнен в виде параллелепипеда или круглого стержня. Длина стержня или параллелепипеда находится в диапазоне 10-20 мм. Торцы активного элемента должны быть отполированы и предпочтительно просветлены на длины волн излучения накачки и генерируемого излучения. Теплоотвод осуществляется через боковую поверхность известными методами. Линейки лазерных диодов 42 и 44 снабжены волоконными жгутами 43 и 45 соответственно. Линейки могут быть расположены с одной стороны от активного элемента, или симметрично относительно оптической оси, или другим способом, что обеспечивает гибкость волоконных жгутов. На конце волоконных жгутов встроены коллимирующие линзы. Между выходом волоконных жгутов размещены фокусирующие линзы 46 и 47. Фокусные расстояния линз 46 и 47 находятся в диапазоне 20-100 мм. Они размещены примерно на фокусном расстоянии от центра активного элемента по ходу распространения пучка накачки. Обе поверхности линз предпочтительно просветлены.
Лазер содержит также размещенные на оптической оси наклонные дихроические зеркала 48 и 49 и зеркала резонатора 52 и 53. Дихроические зеркала выполнены в виде плоскопараллельных подложек из кварца типа КИ или другого прозрачного материала. На одну из поверхностей этих подложек нанесено покрытие, имеющее высокое отражение (желательно выше 99%) на длине волны излучения накачки и высокое пропускание (желательно выше 99.6%) на длине волны генерируемого излучения при наклонном падении излучения на дихроическое зеркало. Вторая поверхность подложки предпочтительно просветлена с пропусканием не менее 99.6% на длине волны генерации лазера. В отличие от варианта 1 на фиг.1 зеркала 52 и 53 имеют предпочтительно сферическую симметрию.
Тулиевый лазер 40 на фиг.3 работает следующим образом. Электропитание 54 подает требуемый ток в линейки лазерных диодов 42 и 44, которые генерируют излучение на длине волны предпочтительно 795 нм. Волоконные жгуты 43 и 45 излучение линеек преобразуют в симметричные коллимированные пучки. Эти пучки линзами 46 и 47 фокусируются в центральную часть активного элемента 41. При этом дихроические зеркала 48 и 49 направляют сходящиеся пучки накачки вдоль оптической оси резонатора с двух сторон, обеспечивая равномерную накачку активного элемента вдоль оптической оси лазера. В результате накачки в активном элементе возникают люминесценция и оптическое усиление, которые при наличии положительной обратной связи, обеспечиваемой зеркалами 52 и 53, приводят к возникновению генерации. Генерируемое излучение в лазере 40 выходит из резонатора через полупрозрачное зеркало 52.
На фиг.4 представлен другой вариант исполнения устройства для реализации заявляемого способа. В данном варианте устройство содержит вместо тулиевого лазера линейку лазерных диодов 55, связанную с блоком электропитания 58 и снабженную волоконным выходом 56 с встроенной коллимирующей линзой. Линейка отличается тем, что излучает непосредственно на длине волны, находящейся в диапазоне 1.8-2.0 мкм. Такие линейки являются более дорогими, чем описанные выше, но также коммерчески доступны. Устройство содержит также сферическую фокусирующую линзу 57 с фокусным расстоянием от 40 до 200 мм, которая располагается между выходом из волоконного жгута и делителем 11. Для коллимации отщепленного пучка лазера накачки в данном варианте используется сферическая линза 32. Остальные элементы данного варианта устройства аналогичны элементам в варианте, представленном на фиг.1.
Отличие в работе данного варианта устройства заключается в том, что блок электропитания 58 обеспечивает необходимый ток в линейке лазерных диодов 55, в которой генерируется излучение на длине волны 1.8-2.0 мкм. Это излучение собирается волоконным жгутом в симметричный пучок излучения накачки. Делитель 11 делит пучок накачки на основную и отщепленную части. Отщепленная часть направляется поворотным зеркалом 29 на сферически симметричную коллимирующую линзу 32. В остальном данное устройство работает аналогично устройству, описанному на фиг.1.
Преимуществом данного устройства является то, что полупроводниковый лазер накачки малоинерционен, что позволяет модулировать его излучение и излучение последующих лазеров с частотой до 1 МГц путем простой модуляции тока лазерных диодов. Кроме того, в непрерывном режиме работы в данном варианте устройства достигается более высокая стабильность мощности излучения, чем с использованием тулиевого лазера в качестве лазера накачки.
В отличие от прототипа все описанные выше устройства имеют дополнительное преимущество, обусловленное широкими полосами поглощения первого и второго активных элементов.
На фиг.5 представлен спектр пропускания кристалла CdSe:Cr. Провал с максимумом вблизи 1.92 мкм соответствует полосе поглощения ионов Cr. Изменение длины волны накачки в широком диапазоне от 1.7 до 2.15 мкм приводит к изменению коэффициента поглощения лишь вдвое. Это приводит к тому, что при использовании активных элементов из соединений A2B6, легированных переходными металлами, нет жестких требований на согласование длины волны накачки с линией поглощения активного элемента, что типично для других твердотельных лазеров. Жесткое требование на длину волны предъявляется и для накачки параметрических генераторов, как в прототипе.
На фиг.6 представлен спектр излучения первого активного элемента, выполненного из кристалла CdS:Cr, а на фиг.7 - спектр пропускания второго активного элемента, выполненного из кристалла ZnSe:Fe. Видно, что излучение первого активного элемента попадает в широкую полосу поглощения второго активного элемента. Это позволяет перестраивать длины волн первого и второго пучков ИК-излучения независимо.
На фиг.8 и фиг.9 представлены зависимости выходной мощности первого и второго пучков ИК-излучения, полученные с помощью устройства, описанного на фиг.1. Мощность непрерывной генерации лазера Cr:CdSe достигает 1 Вт на длине волны 2.62 мкм при мощности накачки 3 Вт. При реализованной мощности генерации в тулиевом лазере в 15 Вт мощность генерации лазера Cr:CdSe может достигать 4 Вт. Мощность непрерывной генерации лазера Fe:ZnSe (фиг.9) составляет 0.16 Вт на длине волны 4.05 мкм при накачке 0.33 Вт.
С увеличением мощности накачки до 3 Вт ожидается увеличение мощности по меньшей мере до 1 Вт. Если оптические делители 11 и 19 сделать такими, чтобы мощность отщепленной части пучка накачки составляла 1 Вт и мощность второй части первого пучка также 1 Вт, тогда на выходе системы может быть сформирован единый пучок трехчастотного непрерывного ИК-излучения с общей мощностью 3 Вт (по 1 Вт на длинах волн 1.94 мкм, 2.62 мкм и 4.05 мкм) с направленностью, близкой к дифракционному пределу. При этом полное потребление устройства оценивается значением 150 Вт.
Эффективность устройства может быть увеличена не менее чем в 2 раза путем использования продольной накачки тулиевого лазера и не менее чем в 3 раза путем использования линейки лазерных диодов, излучающих в области 1.8-2.0 мкм.
Приведенные сведения служат подтверждением промышленной применимости предлагаемого технического решения.