СПОСОБ ПОПЕРЕЧНОЙ НАКАЧКИ АКТИВНОЙ СРЕДЫ ЛАЗЕРА
METHOD OF TRANSVERSE PUMPING OF THE ACTIVE LASER MEDIUM

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для оптической поперечной накачки активной среды в лазерной кювете.
Для накачки активных сред лазеров различают два способа ввода излучения накачки - продольный и поперечный. При продольном способе ввода излучение накачки распространяется вдоль одной оси с генерируемым излучением. Такая схема позволяет добиться высокого КПД с хорошей стабилизацией выходных параметров и обеспечить генерацию лазерного излучения с низкой расходимостью. Однако схема продольной накачки конструктивно не позволяет накачать значительный объем активной среды, тем самым ограничивая выходную мощность лазера. Кроме того, повышенную лучевую нагрузку испытывают элементы вблизи активной среды лазера, что может привести к их разрушению.
Схемы с поперечным способом ввода избавлены от недостатков продольного ввода. Вектора направленности излучения накачки и генерации находятся во взаимно ортогональных плоскостях, что позволяет увеличивать мощность генерации путем увеличения габаритных размеров накачиваемой активной среды за счет наращивания мощности накачки. Благодаря эффективному преобразованию электрической энергии в световую для накачки активной среды лазера широко используются диодные источники накачки.
Известен способ поперечной накачки активной среды лазера по патенту US 5774489 «Transversely pumped solid state laser», опубл. 30.06.1998 г., в котором излучение накачки от источников излучения на основе лазерных диодов, установленных вдоль боковой грани активного элемента, передают к цилиндрической линзе, формирующей пучок накачки внутри активной среды лазера, при этом направление пучка накачки ориентировано перпендикулярно оси резонатора лазера.
Недостатками известного способа является низкая интенсивность пучка накачки в активной среде лазера, изменение размера области накачки в активной среде лазера вдоль оси резонатора, из-за чего в активной среде появляются зоны, не занятые излучением накачки; необходимость расположения лазерных диодов с их системами термостабилизации и питания вблизи лазерной кюветы с активной средой из-за большой расходимости и сильной асимметричности излучения лазерных диодов, что увеличивает габариты и усложняет эксплуатацию лазера.
Известен способ поперечной накачки активной среды лазера, описанный в статье D. Golla, М. Bode, S. Knoke, W. Schöne, and A. Tünnermann «62-W cw TEM00 Nd: YAG laser side-pumped by fiber-coupled diode lasers». Optics Letters, Vol. 21. Issue 3, pp. 210-212 (1996), включающий передачу излучения от диодных источников накачки к активному элементу лазера с помощью оптических волокон, плотно упакованных на концевом участке в один ряд с расположением всех торцов волокон в одной плоскости, образующей излучающую площадку. Используют несколько излучающих площадок, расположенных вокруг цилиндрического активного элемента на равном угловом расстоянии друг от друга.
Недостатками известного способа являются неравномерность формируемого излучения накачки в активной среде лазера и малая протяженность области накачки, из-за отсутствия формирующей оптики, что ограничивает выходную мощность генерации лазера. Кроме того, расположение торцов волокон в непосредственной близости с активным элементом приводит к их разогреву и возможному разрушению.
Совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков заявляемого изобретения, присуща известному способу поперечной накачки активной среды лазера по патенту US 4713822 «Laser device» опубл. 15.12.1987 г., включающему передачу излучения от диодных источников накачки с помощью оптических волокон плотно упакованных на концевом участке в ряд с расположением всех торцов волокон в одной плоскости, образующей излучающую площадку, к формирующей оптике, создающей область накачки лазера на пересечении пучка накачки и излучения генерации в активной среде лазера. Излучающую площадку располагают в фокусе формирующей оптики, состоящей из одной цилиндрической линзы.
Недостатками указанного способа, принятого за прототип, является формирование области накачки лишь по одной оси из-за использования цилиндрической линзы, что уменьшает интенсивность пучка накачки в активной среде лазера и не позволяет сохранить постоянным размер формируемой области накачки вдоль распространения излучения генерации, образуя в активной среде лазера зоны с отсутствием излучения накачки, что приводит к снижению выходных энергетических характеристик лазера.
Увеличение мощности накачки путем добавлением новых рядов волокон нарушает коллимацию пучка накачки в активной среде, что приводит к уменьшению длины области накачки и не позволяет повысить выходные энергетические характеристики лазера. Использование только одного типа формы излучающей площадки уменьшает экспериментальные возможности применения данного способа. Необходимость расположения активной среды вблизи формирующей оптики усложняет доступ к элементам лазера и сокращает варианты модернизации центральной части лазера.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является формирование области накачки активной среды лазера с сохранением постоянного размера вдоль направления распространения излучения генерации на всем протяжении активной среды с созданием высокой интенсивности излучения.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение выходных энергетических характеристик лазера при осуществлении поперечной накачки за счет создания протяженной области накачки с высокой интенсивностью излучения.
Технический результат достигается тем, что в способе поперечной накачки активной среды лазера, включающем передачу излучения от диодных источников накачки с помощью оптических волокон, плотно упакованных на концевом участке в ряд с расположением всех торцов волокон в одной плоскости, образующей излучающую площадку, к формирующей оптике, создающей область накачки лазера на пересечении пучка накачки и излучения генерации в активной среде лазера, новым является то, что формирующую оптику, состоящую, по меньшей мере, из одной аксиально-симметричной линзы, рассчитывают так, чтобы ее эквивалентное фокусное расстояние удовлетворяло равенству,  где
D - размер области накачки, совпадающий с размером активной среды по оси распространения излучения генерации;
θ - полная расходимость излучения на выходе из оптических волокон;
причем размер излучающей площадки волокон h по оси распространения излучения генерации выбирают из условия , где
n - показатель преломления материала линз формирующей оптики,
экв
а размер излучающей площадки волокон d в направлении, перпендикулярном оси распространения излучения генерации, увеличивают за счет добавления рядов волокон, причем d≤h, при этом излучающую площадку располагают на расстоянии  от передней главной плоскости формирующей оптики с образованием на расстоянии f от задней главной плоскости формирующей оптики области накачки длиной , где располагают активную среду лазера.
Кроме того, при использовании двух линз в формирующей оптике поверхности линз с наименьшими радиусами кривизны располагают на минимально возможном расстоянии друг от друга или с контактом.
Аксиально-симметричная оптика формирует пучок накачки по двум осям, что позволяет создать высокую интенсивность накачки внутри активной среды, что приводит к эффективному преобразованию излучения накачки в излучение генерации и тем самым к повышению выходных энергетических характеристик лазера.
max
max
При размере активной среды лазера по оси распространения излучения накачки l≤l дальнюю границу активной среды располагают на расстоянии l от задней фокальной плоскости линзовой системы, симметрично относительно оси накачки.
Увеличение размера излучающей площадки в направлении, перпендикулярном оси распространения излучения генерации, путем добавления торцов волокон позволяет увеличить суммарную вводимую мощность накачки в активную среду лазера, что увеличивает выходную мощность генерации. При этом при использовании излучающей площадки различной формы ее максимальный размер должен быть равен h.
экв
Расположение излучающей площадки на расстоянии  от передней главной плоскости рассчитанной формирующей оптики с эквивалентным фокусным расстоянием ƒ, позволяет осуществлять контроль ее состояния и дает возможность воплощать конструктивные решения для защиты торцов волокон от внешних факторов и их облучения отраженным излучением при высоких мощностях накачки. При этом обеспечивается накачка значительного объема активной среды с отсутствием в ней по оси генерации зон, не занятых излучением накачки за счет сохранения постоянным размера D по оси генерации на всем протяжении , что увеличивает выходные энергетические характеристики лазера и КПД установки в целом.
При использовании двух линз в формирующей оптике поверхности линз с наименьшими радиусами кривизны располагают на минимальном расстоянии друг от друга. Это уменьшает сферическую аберрацию формирующей оптики и увеличивает задний фокальный отрезок данной линзовой системы. Уменьшение сферической аберрации формирующей оптики делает границы области накачки более резкими, что позволяет наиболее точно согласовать объем активной среды с объемом области накачки для эффективного преобразования излучения накачки в излучение генерации. Увеличение заднего фокального отрезка данной линзовой системы отдаляет активную среду от последней поверхности линзы, что дает возможность производить модернизацию центральной части лазерной кюветы, направленную на повышение выходных характеристик лазера.
max
экв
экв
max
В частном случае, при размере активной среды лазера по оси распространения излучения накачки l=l, ближнюю и дальнюю границу активной среды располагают на расстоянии от задней главной плоскости линзовой системы, равном f и f+l соответственно, симметрично относительно оси накачки.
max
экв
max
При размере активной среды лазера по оси распространения излучения накачки l<l дальнюю границу активной среды эффективнее располагать на расстоянии ƒ + l  от задней главной плоскости линзовой системы. В таком случае достигается наиболее постоянный уровень интенсивности излучения накачки вдоль оси генерации, приводящий к более быстрому развитию генерации и равномерному коэффициенту усиления в активной среде лазера, что увеличивает выходные энергетические характеристики устройства и однородность излучения генерации во время работы лазера.
экв
В другом частном случае, с целью улучшения выходных характеристик лазера выбирают сочетания линз с различной кривизной при сохранении ƒ.
Способ поперечной накачки активной среды лазера поясняется рисунками.
max
На фиг. 1 показаны диодные источники (1), излучение от которых с помощью оптических волокон (2) с расходимостью излучения на выходе передается к предварительно рассчитанной и выбранной формирующей оптике (4), состоящей из одной аксиально-симметричной линзы, создающей область накачки (5) лазера. Волокна плотно упакованы на концевом участке с расположением всех торцов волокон в одной плоскости, образующей излучающую площадку (3) размером h×d, которая установлена на расстоянии L от передней главной плоскости Н формирующей оптики. Показан ход лучей из торцов крайних волокон, поясняющий формирование области накачки (5) с поперечным размером D и протяженностью l. На фиг. 2 формирующая оптика (4) состоит из двух аксиально-симметричных линз.
l
экв
max
С целью подтверждения осуществимости заявленного способа и достигнутого технического результата был изготовлен и испытан лабораторный макет газового лазера, в котором излучение от диодных модулей передавалось посредством кварцевых оптических волокон с диаметром сердцевины 400 мкм, легированной оболочкой 440 мкм, защитной медной оболочкой 520 мкм и расходимостью на выходе из волокна θ=0,4 рад. Данный способ реализовывал поперечную накачку газовой активной среды лазера с размером активной среды вдоль оси распространения излучения генерации D=16 мм и размером  = 32 мм - вдоль оси накачки. Формирующая оптика состояла из двух одинаковых кварцевых плоско-выпуклых линз, состыкованных выпуклыми поверхностями друг с другом, эффективное фокусное расстояние которых было рассчитано по формуле  и составило ƒ = 39.2 мм. Посредством компоновки торцов волокон собрана прямоугольная излучающая площадка размером h=10.5 мм и d=5.5 мм, установленная на расчетном расстоянии L=66.2 мм. При этом сформирована область накачки, сохраняющая размер D=16 мм, совпадающий с размером активной среды, вдоль которого распространяется излучение генерации, на всем протяжении l=60 мм, в пределах которого была расположена активная среда лазера. Максимальная интенсивность, создаваемая в области накачки, более чем в 2 раза превышает интенсивность накачки на выходе из излучающей площадки.
-6
Пространство между последней линзой и активной средой лазера позволило установить конструкцию уплотнения окон лазерной кюветы, предотвращающую разгерметизацию при давлении внутри лазерной кюветы от 10 атм до 10 атм.
Увеличение размера излучающей площадки до 10.5×10.5 увеличило выходную мощность лазера в 8 раз, КПД в 4 раза. Проведенные испытания показали осуществимость заявленного способа.