ЛАЗЕР С ПОПЕРЕЧНОЙ ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ

Полезная модель относится к области лазерной техники, а именно, к твердотельным лазерам с диодной накачкой, и может найти применение при разработке лазерных систем и приборов для медицины, зондирования атмосферы, передачи информации и в научных исследованиях.
Для получения излучения высокой мощности твердотельных лазеров с диодной накачкой применяются различные геометрические конфигурации твердотельных активных элементов и различные оптические схемы «транспортировки» излучения накачки в активный элемент. Оптические схемы накачки можно условно разделить на две группы: схемы с продольной (торцевой) накачкой и схемы с поперечной (боковой) накачкой. В продольной схеме излучение накачки совпадает с направлением генерации, что дает возможность пространственного согласования объемов генерирующей моды и области возбуждения и, следовательно, достаточно полно использовать излучение накачки. Очевидно, что данная схема накачки будет обладать максимальным коэффициентом преобразования излучения накачки в излучение твердотельного лазера, но выходная мощность лазера при данной накачке ограничена размерами генерирующего объема активного элемента и мощностью излучения накачки. С ростом мощности излучения накачки эффективность генерации лазера снижается вследствие увеличения негативного влияния термических эффектов из-за возрастания градиента температуры в активном элементе в направлении оси резонатора. Указанных недостатков лишена поперечная схема накачки, позволяющая использовать более длинные активные элементы. Однако в этой схеме сложно добиться приемлемого согласования возбужденного объема активной среды с объемом генерирующих мод и, следовательно, высокой эффективности работы твердотельного лазера.
Известен лазер [1] с боковой диодной накачкой, состоящий из активного элемента, имеющего две торцевые плоскопараллельные поверхности, две боковые плоскопараллельные поверхности и две противоположные боковые поверхности, выполненные в форме цилиндрической поверхности, помещенного в резонатор, образованный двумя зеркалами, и устройства диодной накачки в виде лазерных диодных линеек. Радиус цилиндрической поверхности активного элемента, расстояние от лазерных диодных линеек до активного элемента и геометрические размеры активного элемента выбраны так, что все излучение лазерных диодных линеек попадает в активный элемент, полностью заполняя его боковые цилиндрические поверхности, которые коллимируют излучение лазерных диодных линеек в пучок с малой расходимостью и поперечным сечением, совпадающим по своим размерам с сечением активного элемента плоскостью, перпендикулярной его боковым плоскопараллельным поверхностям и проходящей через его боковое ребро.
Данный лазер имеет малое согласование возбужденного объема активной среды с объемом генерирующих мод, и, как следствие, небольшая эффективность его работы.
Наиболее близким прототипом по технической сущности к заявляемой полезной модели является лазер с боковой диодной накачкой [2], включающий твердотельный активный элемент, помещенный в резонатор, образованный двумя зеркалами, одно из которых полностью, а второе частично отражает лазерное излучение, и устройство диодной накачки в виде лазерных диодных линеек. Твердотельный активный элемент выполнен в форме цилиндра с торцевыми плоскопараллельными поверхностями, расположенными под таким углом к оси цилиндра, что излучение, распространяющееся параллельно оси цилиндра, выходит из него через торцевые поверхности под углом Брюстера.
Основными недостатками этого лазера являются: сложность юстировки системы накачки для максимального согласования возбужденного объема активной среды с объемом генерирующих мод, невозможность использования в системе накачки мощных лазерных диодных матриц.
Технической задачей полезной модели является создание лазера с поперечной диодной накачкой, обеспечивающего повышение эффективности генерации и улучшение качества пучка лазера путем максимально возможного согласования возбужденного объема активной среды с объемом генерирующих мод.
Поставленная техническая задача решается тем, что лазер с поперечной диодной накачкой включает твердотельный активный элемент, помещенный в резонатор, образованный двумя зеркалами, одно из которых полностью, а второе частично отражает лазерное излучение, и устройство диодной накачки в виде лазерных диодных линеек. Твердотельный активный элемент лазера выполнен в форме параллелепипеда, четыре боковые поверхности которого расположены под углом 90 градусов друг к другу. Две другие торцевые противоположные поверхности расположены под углом к соответствующим боковым поверхностям, так что излучение, распространяющееся параллельно боковым поверхностям твердотельного активного элемента, выходит из него через торцевые поверхности под углом Брюстера. Накачка лазерными диодными линейками осуществлена через две противоположные боковые поверхности, перпендикулярные плоскости падения излучения на торцевые поверхности, а лазерными диодными матрицами - через две противоположные боковые поверхности, параллельные плоскости падения излучения на торцевые поверхности.
Твердотельный активный элемент выполнен в форме прямоугольного параллелепипеда и внутрь резонатора дополнительно помещены одна или две призмы, одна из поверхностей которой, расположенная ближе к торцевой поверхности активного элемента, параллельна этой поверхности и перпендикулярна оси резонатора, а другая поверхность призмы расположена под углом Брюстера к оси резонатора. Устройство диодной накачки ориентировано относительно плоскости падения излучения на поверхность призмы.
Призмы обеспечивают соответствующую форму поперечного сечения собственной моды резонатора внутри твердотельного активного элемента.
На фиг.1-4 изображены схемы лазера с поперечной диодной накачкой, где:
1 - твердотельный активный элемент;
2, 3 - зеркала;
4 - две лазерные диодные линейки;
5 - две лазерные диодные матрицы;
6 - призма.
Предлагаемый лазер (фиг.1) с поперечной диодной накачкой состоит из резонатора, образованного зеркалами 2-3, внутрь которого помещен твердотельный активный элемент 1, имеющий четыре плоские боковые поверхности, расположенные под углом 90° друг к другу и две торцевые плоские поверхности, расположенные под углом α к соответствующим боковым поверхностям и устройства диодной накачки, состоящего из двух лазерных диодных линеек 4 (фиг.1) или из двух лазерных диодных матриц 5 (фиг.2). На фиг.2 изображен лазер с поперечной диодной накачкой, в котором твердотельный активный элемент 1 выполнен в форме прямоугольного параллелепипеда и дополнительно внутрь резонатора помещены одна (фиг.3) или две (фиг.4) призмы 6. В этом случае одна из поверхностей призмы 6 расположена под углом Брюстера к оси резонатора, а другая, противоположная ей - перпендикулярна этой оси и, следовательно, параллельно торцевым поверхностям твердотельного активного элемента 1. Такая схема резонатора эффективна, например, в лазере со сменными твердотельными активными элементами, рассчитанными на различные области генерации и имеющими различные показатели преломления, так как после смены твердотельного активного элемента необходима минимальная подъюстировка лазера.
Предлагаемый лазер с поперечной диодной накачкой работает следующим образом. Благодаря геометрической конфигурации резонатора лазера и его твердотельного активного элемента 1, поперечное сечение собственной моды резонатора лазера внутри твердотельного активного элемента имеет форму эллипса, большая полуось которого лежит в плоскости падения излучения на торцевые поверхности твердотельного активного элемента 1. В связи с этим, для максимального согласования возбужденного объема активной среды с объемом генерирующих мод, двухсторонняя поперечная накачка активной среды с помощью лазерных диодных матриц 5 производится со стороны боковых поверхностей твердотельного активного элемента 1, расположенных параллельно плоскости падения излучения на его торцевые поверхности, а накачка с помощью лазерных диодных линеек 4 производится со стороны боковых поверхностей твердотельного активного элемента 1, расположенных перпендикулярно плоскости падения излучения на торцы твердотельного активного элемента. Действительно, лазерная диодная матрица 5, состоящая из нескольких линейных слоев излучающих центров, имеет сечение излучения в ближнем поле, обеспечивающее хорошее согласование прокачиваемого объема активной среды с собственной модой лазера с поперечной диодной накачкой при накачке именно через боковую поверхность твердотельного активного элемента 1, расположенную параллельно плоскости падения на его торцевую поверхность. У лазерной диодной линейки 4 форма сечения излучения в ближнем поле обеспечивает хорошее согласование прокачиваемого объема активной среды с собственной модой лазера с поперечной диодной накачкой при накачке через боковую поверхность твердотельного активного элемента 1, расположенную перпендикулярно плоскости падения на его торцевую поверхность. При использовании в лазере с поперечной диодной накачкой твердотельного активного элемента 1 в форме прямоугольного параллелепипеда и дополнительных призм принцип работы не изменяется. Только в этом случае ориентирование устройства диодной накачки необходимо осуществлять относительно плоскости падения излучения на поверхность призмы, расположенную под углом Брюстера к оси резонатора.
Таким образом, использование лазера с поперечной диодной накачкой лазерными диодными матрицами или лазерными диодными линейками, состоящего из двухзеркального резонатора, внутрь которого помещен твердотельный активный элемент, выполненный в форме параллелепипеда, четыре боковые поверхности которого расположены под углом 90° друг к другу, а две другие торцевые противоположные поверхности расположены под таким углом к соответствующим боковым поверхностям, что излучение, распространяющееся параллельно боковым поверхностям активного элемента, выходит из него через торцевые поверхности под углом Брюстера, обеспечивает значительное увеличение эффективности генерации и улучшение качества пучка лазера. Схема лазера с поперечной диодной накачкой, твердотельный активный элемент которого выполнен в форме прямоугольного параллелепипеда и дополнительно внутрь резонатора помещены одна или две призмы, эффективна, например, в лазерах со сменными твердотельными активными элементами, рассчитанными на различные области генерации и имеющими различные показатели преломления, так как после смены твердотельного активного элемента необходима минимальная подъюстировка лазера.
Источники информации, принятые во внимание
1. Слэб-лазер с диодной накачкой: патент BY №4745, МПК: Н01S 3/08, заявл. 2008.02.14
2. Side-pumped Laser with Shaped Laser Beam: patent US №5867324, Int. Cl. G02B/10, H01S 3/091