ЛАЗЕР СО СТАБИЛИЗИРОВАННЫМ ПРОФИЛЕМ ИНТЕНСИВНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ И МАЛОЙ УГЛОВОЙ РАСХОДИМОСТЬЮ

Полезная модель относится к области квантовой электроники и может быть использована в твердотельных лазерах с модуляцией добротности резонатора.
Известны лазеры, в которых для стабилизации нространственного распределения интенсивности излучения и уменьшения угловой расходимости используются зеркала, имеющие неравномерное пространственное распределение коэффициента отражения 1. Обычно используются профили коэффициента отражения в виде гауссовой, супергауссовой, либо квазитрапецеидальной функции.
Неравномерное распределение коэффициента отражения зеркал приводит к неравномерности внутрирезонаторных потерь, при этом потери минимальны в центральной части пучка и увеличиваются при приближении к краю. В резонаторе такого лазера не происходит возбуждения мод высокого порядка, что приводит к уменьшению расходимости излучения и стабилизации распределения интенсивности.
Другим известным решением являются лазеры с гауссовыми апертурами 2. Гауссовы апертуры представляют собой элементы, имеющие неравномерное по сечению пропускание в виде гауссовой или близкой к ней функции. Аналогично гауссовым зеркалам, гауссовы апертуры вызывают увеличение внутрирезонаторных потерь в краевой зоне пучка, что приводит к уменьшению расходимости и повышению пространственного распределения интенсивности пучка.
В случае применения зеркал со сложным профилем коэффициента отражения возникают технологические трудности получения требуемой формы и размеров распределения отражения, а также, обеспечения малого коэффициента отражения в краевой зоне зеркал. Нри значительном превышении порога генерации эффективность применения таких зеркал снижается, так как происходит возбуждение поперечных мод высокого порядка из-за ненулевого коэффициента отражения на краях зеркал. Кроме того, максимум интенсивности генерации таких лазеров не всегда лежит на оси резонатора. К
недостаткам таких лазеров можно отнести усложнение технологии настройки и юстировки, связанное с необходимостью кроме угловой юстировки предусматривать совмещение центра зеркала с осью генерации за счет линейных перемещений по двум координатам.
При использовании гауссовых апертур в лазерах с высокой средней мощностью излучения происходит разогрев диафрагм за счет поглощения в них части излучения, что может привести к разрущению. К недостаткам гауссовых апертур относится сложность технологии получения, усложнение конструкции лазера за счет введения в резонатор дополнительных элементов. Как и в случае с гауссовыми зеркалами, существует необходимость юстировки положения таких диафрагм по двум поперечным координатам.
Известны твердотельные лазеры, в которых излучение накачки фокусируется в объем активного элемента, совпадающий с объемом основной моды резонатора лазера для получения необходимого профиля интенсивности излучения и уменьшения расходимости пучка 3. В таких лазерах используется неравномерность распределения коэффициента усиления по сечению пучка. Такие лазеры могут работать только в условиях накачки с торца активного элемен- та, поэтому обычно это лазеры с диодной лазерной накачкой.
Небольшой возбуждаемый объем активной среды приводит к небольшим значениям энергии генерации и средней мощности излучения, что ограничивает их применение. Существенным недостатком таких лазеров является неравномерное тепловыделение в активном элементе, приводящее к сильным термооптическим искажениям при повышении средней мощности накачки, которые снижают генера ционные характеристики лазеров.
Известно использование активных элементов с полированными боковыми поверхностями в режиме свободной генерации 4. В этом режиме работы лазера полированные активные элементы цилиндрической формы не оказывают существенного влияния на пространственное и угловое распределение энергии излучения.
Известны лазерные усилители, в которых боковая поверхность активной среды помещены в иммерсионный слой, представляющий собой жидкость или твердое вещество, прозрачное для излучения накачки и поглощающее на длине волны генерации 5. Показатель преломления иммерсионного слоя в таких активных элементах делают максимально близким к показателю преломления активной
среды. В этом случае происходит увеличение «видимого размера активного элемента, что приводит к повышению равномерности поперечного распределения коэффициента усиления.
Для снижения потерь за счет резонансного расселения верхнего лазерного уровня излучением ламп накачки в иммерсионное покрытие вносились добавки, поглощающие излучение на длине волны генерации.
По техническому решению наиболее близким к заявляемой полезной модели является использование активных элементов лазерных усилителей с иммерсионными покрытиями для изменения поперечного распределения коэффициента усиления, описанное в 5. Это решение выбрано в качестве прототипа.
Использование таких активных элементов в резонаторе лазера не приводит к уменьщению расходимости и отрицательно сказывается на параметрах лазера, поскольку высокий коэффициент усиления в краевой зоне активной среды способствует возникновению многомодовой генерации, а изменение числа возбуждаемых поперечных мод от импульса к импульсу (в случае не слищком большого числа возбуждаемых мод) приводит к нестабильности энергии импульса.
Кроме того, большая толщина иммерсионного покрытия, необходимая для повышения однородности коэффициента усиления приводит к ухудшению теплофизических свойств и к значительному нагреву активной среды, что снижает энергетические параметры активной среды.
Целью предлагаемой полезной модели является повышение стабильности пространственно-энергетических характеристик и уменьшение расходимости компактных твердотельных импульсных лазеров за счет использования активных элементов с неравномерным поперечным распределением коэффициента усиления.
Цель достигается путем выполнения активного элемента в виде сплошного цилиндра с полированной боковой поверхностью, на которую нанесено иммерсионное покрытие, поглошающее и рассеивающее излучение на длине волны генерации.
Сущность полезной модели заключается в использовании в импульсных твердотельных лазерах, работающих в режиме модуляции добротности резонатора, активных элементов с полированной цилиндрической боковой поверхностью, на которую
нанесено иммерсионное покрытие с целью формирования внутри активного элемента неравномерного нонеречного распределения коэффициента усиления за счет создания условий для возбуждения определенных типов паразитных «шепчущих мод вблизи боковой поверхности.
«Шепчущие моды возникают вблизи боковой поверхности за счет полного внутреннего отражения и ограничивают коэффициент усиления на уровне порога своего возбуждения. Иммерсионное покрытие выполняется в виде тонкой полимерной пленки, прозрачной в спектральной области накачки и обладающей поглощением и частичным рассеянием на длине волны генерации.
На фигуре 1 представлено сечение активного элемента, используемого для стабилизации профиля интенсивности и уменьшения угловой расходимости излучения лазера.
На активный элемент 1 нанесен тонкий слой полимерной пленки 2. Д.11Я увеличения ослабления на длине волны генерации лазера в полимер добавлены поглощающие и рассеивающие частицы 3. Показатели преломления таких частиц совпадают с показателем преломления полимера для излучения накачки и являются разными на длине волны генерации за счет явления дисперсии. Буквой R обозначен радиус активного элемента, радиус активной среды- RQ. Область активной среды, в которой добротность «шепчущих мод резко снижается, имеет радиус RI.
Лазер работает следующим образом. Сначала рассмотрим процесс импульсной накачки активного элемента при отсутствии генерации. Эта ситуация характерна для лазеров с модуляцией добротности резонатора, когда затвор находится в закрытом состоянии и идет накопление инверсной населенности.
Нри включении источника накачки происходит рост коэффициента усиления пропорционально освещенности в каждой точке. По мере роста коэффициента усиления все большее влияние на него начинают оказывать паразитные процессы. Предельный коэффициент усиления в точке активной среды достигается тогда, когда мощность накачки сравнивается с мощностью всех паразитных процессов. При дальнейшем увеличении мощности накачки коэффициент усиления не растет, увеличивается только мощность паразитных процессов. Одним из самых добротных паразитных процессов является возбуждение поперечных «щепчущих мод.
В результате возбуждения поперечных «шепчущих мод в активном элементе устанавливается распределение коэффициента усиления, пропорциональное пороговым значениям наиболее добротных «шепчущих мод, проходящих через каждую точку.
Порог возбуждения каждой такой моды определяется потерями, испытываемыми излучением данной моды при отражении от границы раздела активный элемент - иммерсионное полимерное покрытие. Размеры области активной среды, в которой могут существовать «щепчущие моды определяются углом полного внутреннего отражения, зависящим от относительного показателя преломления двух сред:
Фпоед аГС8Ш,
где: HI - показатель преломления активного элемента, П2 - показатель преломления внешней среды.
Показатель преломления иммерсионного материала определяется соотношением:
П2  (0.72-0.86)П1 ,
где Wo - радиус основной моды излучения генерации в активном элементе, определяемый параметрами используемого резонатора.
Толшина иммерсионного слоя лежит в пределах 10-500 мкм, в зависимости от применяемого материала, его прочностных спектральных и теплофизических свойств.
В качестве примера реализации может быть предложен лазер на кристалле YAG:Nd с размерами 06.3x100 мм с активной модуляцией добротности и длиной резонатора 420 мм, для создания необходимого поперечного профиля коэффициента усиления на полированную боковую поверхность активного элемента нанесена тонкая полимерная пленка на основе метилметакрилата модифицированного мета - (феноксифенокси) - бензолом со светостабилизаторами и добавлением мелкодисперсного стекла, легированного Sm. Коэффициент потерь на рассеяние и поглощение в пленке составляет 0.4 см  Получены следуюшие результаты: расходимость лазерного излучения на 25% превышаюшая дифракционную, яркость излучения 2,2x10 Вт/ср., эффективность лазера 0.6% и нестабильность
поперечного распределепия плотности энергии от импульса к импульсу не более 4%.
Полученные результаты демонстрируют эффективность предлагаемой полезной модели для получения лазерного излучения с малой угловой расходимостью и высокой стабильностью профиля поперечного распределения интенсивности в пучке.
1.А.В.Аладов, В.В.Беззубик, Н.Р.Белошенков, С.Е.Парахуда и др. Применение зеркал с квазитрапецеидальным профилем распределения коэффициента отражения в резонаторах твердотельных лазеров высокой яркости. «Оптический журнал , №8, 1995.
2.А.Е.Полетимов, А.С.Щедрин, И.Л. Яновская. Аподизирующие диафрагмы для лазеров видимого и ИК диапазонов. «Квантовая электроника ,19, №10 (1992), с. 1203.
3.А. Cordova-Plaza, T.Y.Fan, M.J.F.Digonnet, R.L.Byer, H.J.Shaw.Nd:MgO:LiNbO3 continuous-wave laser pumped by a laser diode. «Optics Ietters,vl3, 3, 1988.,p.209.
4.М.Л. Ванюков, В.И. Исаенко и др. Исследование направленности излучения ОКГ. ЖЭТФ.-1963, т44, с 1493.
5.В.П. Баянов, Е.Г. Бородачев, В.М. Волынкин и др. Стержневые усилители большой апертуры на фосфатном неодимовом стекле для лазеров с высокой яркостью излучения. «Квантовая электроника, 13, №9, (1986)