ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР
SOLID STATE LASER

Изобретение относится к области квантовой электроники и лазерной физики и может найти свое применение при разработке твердотельных лазеров, в научных исследованиях, в медицине и технике.
Известен твердотельный лазер с диодной лазерной накачкой, содержащий резонатор, образованный двумя зеркалами, одно из которых прозрачно для излучения накачки и полностью отражающее излучение генерации, а другое полупрозрачно для излучения генерации и является выходным, и рабочее вещество в виде твердотельного стержня, помещенного на оси резонатора [1].
Недостатком данного лазера является сложность изготовления зеркала, через которое осуществляется накачка, а также неоднородность накачки рабочего вещества, приводящая к большим термооптическим искажениям, следствием чего является ограничение мощности генерации.
Известен также твердотельный лазер [2], который состоит из двух зеркал с помещенным между ними твердотельным кристаллическим активным элементом. Кристаллический активный элемент имеет планарную конфигурацию, позволяющую повысить однородность возбуждения всего объема активного вещества и улучшить условия охлаждения активного элемента. Это, а также использование резонатора типа "zig-zag", в котором лазерное излучение распространяется практически ортогонально направлению накачки, позволяет существенно уменьшить влияние термооптических эффектов в активной среде.
Недостатками данного устройства являются принципиально небольшое превышение длины L пути одного прохода лазерного излучения по твердотельному активному элементу над его длиной l, ограничиваемое углом полного внутреннего отражения излучения от его боковых граней, в силу чего устройство недостаточно компактно. Действительно, отношение , где n - показатель преломления материала активного элемента.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному изобретению является твердотельный лазер, содержащий активный элемент, выполненный в виде плоскопараллельной пластины с плоскими боковыми и торцевыми гранями, и трехзеркальный резонатор, образованный двумя противолежащими боковыми гранями этой пластины, имеющими высокоотражающие для излучения генерации покрытия и наклоненными под углом α друг к другу, и частично пропускающим лазерное излучение зеркалом, расположенным под углом φ к одной из граней с высокоотражающим покрытием [3].
Основными недостатками данного лазера являются невозможность управления высокоэффективными внутрирезонаторными методами спектральными, временными и энергетическими характеристиками его излучения и использования высокочувствительных методов внутрирезонаторной лазерной спектроскопии диагностики вещества из-за выполнения всех трех зеркал резонатора на гранях активного элемента, что существенно ограничивает области его применения.
Задачей предполагаемого изобретения является создание твердотельного лазера, обеспечивающего реализацию высокоэффективных внутрирезонаторных методов управления спектральными, временными и энергетическими характеристиками излучения и методов внутрирезонаторной лазерной спектроскопии диагностики вещества, существенно расширяющего область его применения.
Поставленная задача решается тем, что авторами создан твердотельный лазер, содержащий активный элемент, выполненный в виде плоскопараллельной пластины с плоскими боковыми и торцевыми гранями, и трехзеркальный резонатор, образованный двумя противолежащими боковыми гранями этой пластины, имеющими высокоотражающее для излучения генерации покрытие и наклоненными друг к другу под углом α, и зеркалом, частично пропускающим лазерное излучение.
Новым по мнению авторов является то, что грань активного элемента, наклоненная под углом φ к одной из граней с высокоотражающим покрытием, выполнена прозрачной для генерируемого излучения, лазер снабжен выносным полупрозрачным для его излучения зеркалом, расположенным со стороны этой грани, а между зеркалом и указанной гранью введен оптический элемент, управляющий спектральными, временными или энергетическими характеристиками лазерного излучения, при этом выходное зеркало установлено так, что отраженный от него луч падает на эту грань под прямым углом, а также в качестве управляющих оптических элементов могут использоваться различные типы модуляторов добротности резонатора, диспергирующие элементы, преобразователи частоты лазерного излучения.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где 1 - твердотельный активный элемент, резонатор образован гранями 2 и 3 с высокоотражающим покрытием 4, наклоненными друг к другу под углом α, и выносным зеркалом 6, имеющим покрытие с заданным коэффициентом пропускания генерируемого излучения, установленным так, что отраженный от него луч, пройдя управляющий элемент 8, попадает на грань 5 нормально и является выходным зеркалом для лазерного излучения. Оптическая накачка (например, с помощью лазерных диодов) осуществляется через грань 7 или прозрачные боковые грани, расположенные нормально к грани 3 активного элемента.
Устройство работает следующим образом. Через прозрачные грани в активный элемент вводят излучение накачки, например, лазерных диодов. Если оно вводится через грань 7, то прозрачные боковые грани играют роль своеобразного световода для излучения накачки. Излучение накачки возбуждает примесные ионы (активаторы), введенные в основную матрицу кристалла, и возникает генерация когерентного электромагнитного излучения на вынужденных переходах этих ионов. Начиная от выходного зеркала 6, световой луч распространяется, попеременно отражаясь от каждого из боковых зеркал 4 на гранях 2 и 3 (с уменьшением угла падения после каждой пары отражений на 2α) и усиливаясь за счет вынужденного испускания при его распространении через активный элемент. После N отражений - число отражений за половину обхода резонатора) угол падения этого излучения на грань 3 становится равным нулю, происходит его обратное отражение и самовоспроизведение всего пути распространения вплоть до исходной точки на зеркале 6. Варьируя углы φ и α, можно изменять число проходов N, тем самым, можно получить полную длину L пути одного прохода луча по такому резонатору, намного превышающую его рабочую длину l. В соответствии с соотношением
.
При достаточно малых величинах α могут быть реализованы значения L=(2÷10)l, что приводит к более полному использованию энергии, накопленной внутри твердотельного активного элемента, и повышению компактности этих устройств, а также позволяет использовать твердотельные активные вещества с малыми коэффициентами усиления и интенсивностью насыщения.
В предложенной конструкции лазера может быть реализована вариация в широких пределах временных, спектральных и энергетических характеристик генерируемого излучения.
Использованные источники
1. Bollig С, Hayward R.A. et. al. Opt. Lett. - 1998. - V.23. - №22. - P.1757-1762.
2. Koechner W. Solid-state laser engineering. Springer-Verlag. - 1992. - 425.
3. Патент 1 ВУ №6244, МПК H01S 3/00, Опубл. 30.06.2004 // Афiцыйны бюлетень. 2004. №2. C.236.