ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ АКТИВНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

H01S 3/213
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ АКТИВНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
Полезная модель относится лазерным устройствам, в частности к твердотельным лазерным элементам с отражателем излучения источника накачки, 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]. Лазерные элементы таких лазеров представляют собой твердое тело определенной формы (как правило, цилиндр или прямоугольную призму) [2] на которые подается световая накачка с определенными параметрами по плотности мощности для преодоления порога генерации. Чаще всего в качестве оптических устройств обеспечивающих концентрацию энергии накачки в лазерном элементе используются различного рода оптические элементы (линзы, зеркала и т.д.).
В настоящее время особый интерес проявляется к лазерам на красителях с твердотельными активными элементами. Их применение обеспечивает удобство работы и простоту создания таких лазерных систем. Проблемы, которые возникают при этом, это оптимальный ввод энергии накачки в сам активный лазерный элемент (в смысле однородности при высокой плотности мощности) и эффективное преобразование ее в генерацию (при хорошей однородности выходного излучения по поперечному сечению пучка), а также ресурс работы такого активного элемента.
3+
Наиболее близким по технической сущности аналогом к предлагаемой полезной модели является [1]. Для накачки активной среды лазера использовался YAG-Nd лазер (вторая гармоника). Схема возбуждения квазипродольная используется для улучшения однородности выходного излучения по поперечному сечению пучка. В качестве подающего излучение накачки элемента на лазерно-активную среду используется вспомогательная призма полного внутреннего отражения. Этой схеме свойственны следующие недостатки: невозможность накачки значительных объемов активной среды из-за возникновения разрушения материала матрицы при фокусировке больших плотностей мощности накачки, ограничение длины лазерно-активной среды, поскольку поглощение излучения накачки происходит вдоль оптической оси по экспоненциальному закону Ламберта-Бера.
В следующем изобретении [2] предлагается использование активного элемента лазера на красителе в виде полимерного элемента представляющего собой диски-триплексы (подложка-полимер-подложка). Это сделано для того, чтобы избежать полировки торцевых граней образца и обеспечения их параллельности. Схема накачки используется квазипродольная. В качестве фокусирующего элемента используется сферическая линза. Ей свойственны те же недостатки, как и в предыдущем варианте, но существуют и другие. При соединении разнородных материалов необходимо обеспечить хорошую адгезию их и обеспечить одинаковый коэффициент теплового объемного расширения, в противном случае в процессе накачки, особенно в местах появления неоднородностей, произойдет неравномерный нагрев в объеме такого элемента и, как следствие, возникновение напряженностей материала, которые, в свою очередь, приведут к неоднородностям в излучении генерации вплоть до расстройки резонатора. Кроме того, произойдет снижение ресурса работы элемента.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является техническое решение [3], где в качестве фокусирующего элемента используется цилиндрическая линза, в качестве активной среды используется твердотельная полимерная матрица из полиуритана. Активный элемент представляет собой кварцевые цилиндры с плоскопараллельными торцами, заполненные полиуретаном, содержащим лазерно-активное органическое соединение. Недостатком такой конструкции активного элемента является различие материалов применяемых для создания активного элемента. Кварц и полиуретан имеют различные коэффициенты теплового объемного расширения, кроме того должна быть хорошая адгезия полиуритана к стеклу. При этом при полимеризации в закрытом объеме полиуретан дает «усадку» и появляются внутренние напряжения, которые оказывают влияние на оптическое качество активного элемента. Для накачки применялась поперечная схема известная появлением неоднородностей, как, при накачке, так и после преобразования в выходном излучении генерации. Кроме того в такой схеме невозможно прокачать весь объем активного элемента.
Целью настоящей полезной модели является повышение эффективности преобразования излучения накачки, а также ресурса работы твердотельного активного лазерного элемента при высокой однородности выходного излучения по поперечному сечению пучка и одновременном увеличении жесткости конструкции.
В соответствии с поставленной целью предлагаемый твердотельный активный лазерный элемент содержит лазерно-активную среду на основе органических соединений и аксиконовый отражатель. Новизна заключается в том, что твердотельный активный элемент совмещен с фокусирующей системой и выполнен путем помещения в полость аксиконового отражателя жидкого материала, содержащего органические соединения, и его последующего отверждения без образования в полости воздушных зазоров.
Аксиконовый отражатель может быть выполнен из полимерного материала.
Лазерно-активная среда может быть выполнена из материала, имеющего такой же показатель преломления, как и материал аксиконового отражателя, но с добавлением лазерного органического соединения.
При этом целесообразно выполнение лазерно-активной среды из того же материала, что и материал аксиконового отражателя, и имеющего такой же показатель преломления. Для этого целесообразно помещение в полость аксиконового отражателя жидкого материала, содержащего органические соединения, и его последующее отверждение без образования воздушных зазоров между активным элементом и аксиконом.
В конечном итоге твердотельный активный лазерный элемент представляет собой цельное изделие из одного материала без воздушных промежутков, в нем нет полостей, заполненных клеем или другим веществом.
Полезная модель поясняется чертежом.
На фиг. 1 показано устройство твердотельного активного лазерного элемента, где: 1 - лазерно-активная среда, 2 - аксиконовый отражатель, 3 - излучение накачки.
Предлагаемый твердотельный активный лазерный элемент представляет собой объемную фигуру аксикона (2) с отверстием по оси, изготовленного из полимерного материала, и лазерно-активной среды (1) состоящей из полимера с добавлением лазерного органического соединения. Лазерно-активная среда выполнена из отвержденного вещества, первоначально помещаемого в полость аксикона в жидком виде. Таким образом получается твердотельный активный лазерный элемент, состоящий из одного и того же материала и совмещенный с фокусирующей системой. Плотность мощности накачки может варьироваться, как со стороны источника накачки, так и изменением диаметра отверстия в аксиконе при изготовлении такого твердотельного активного лазерного элемента. Диаметр отверстия подбирается совместно с выбором активной среды.
Устройство работает следующим образом: излучение параллельного пучка накачки направляется на основание аксиконового отражателя и, после полного внутреннего отражения от боковой внутренней конической поверхности, фокусируется в идеальном случае в тонкую «нить», находящуюся на оси аксикона. При наличии активной среды излучение начинает поглощаться, создавая инверсию населенности. Накачка осуществляется со всех сторон активной среды, обеспечивая равномерную, однородную инверсию. Если в такой системе обеспечить положительную обратную связь, то на выходе получится выходное лазерное излучение с хорошей однородностью по поперечному сечению. Таким образом, при отсутствии неоднородностей внутри активной среды не возникает градиентов показателя, которые могут привести к фокусировке излучения генерации внутри активной среды, что приводит к снижению ресурса работы такого элемента. Благодаря тому, что отсутствует зазор между телом аксикона и активной средой отсутствуют потери на отражение на границе раздела материалов, и эффективность накачки такого элемента увеличится, следовательно, увеличится и общая эффективность преобразования. Кроме того, заявленный элемент представляет собой жесткую монолитную конструкцию.
Таким образом, в предлагаемом твердотельном активном лазерном элементе повышена эффективность преобразования излучения накачки, а также увеличен ресурс работы элемента при высокой однородности выходного излучения по поперечному сечению пучка и одновременном увеличении жесткости конструкции.
Литература:
1. Безродный В.И., Деревянко Н.А., Ищенко А.А., Карабанова Л.В. Лазер на красителях на основе полиуретановой матрицы // Журнал технической физики. - 2001. - Т. 71. - №. 7. - С. 72-78.
2. Бондар М.В., Пржонская О.В. Спектрально-люминесцентные и генерационные свойства пиррометинового красителя РМ-567 в этаноле и полимерной матрице // Квантовая электроника. - 1998. - Т. 25. - №. 9. - С. 775-778.
3. Николаев С.В., Пожар В.В., Дзюбенко М.И. Генерационные характеристики оксазиновых красителей в твердых полиуретановых матрицах // Радиофизика и электрон.: сб. науч. тр. / Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. - 2009. - 14. - 2009. - №. 3. - С. 358-365.