МНОГОПРОХОДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ЗЕРКАЛЬНОЙ АКТИВНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ

Изобретение относится к приборам квантовой электроники, являющимися источниками лазерного излучения большой мощности. Такие приборы используются при создании лазерных систем различного назначения. При этом наряду с требованием обеспечения необходимой мощности лазерного излучения предъявляется требование обеспечения малой угловой расходимости излучения, а также исключения возникновения явления оптического пробоя - как на поверхности элементов оптической системы, используемой для формирования требуемых пространственных характеристик лазерного излучения, так и в атмосферном канале распространения излучения.
Известны технические решения [1-3] конструкций лазеров, в которых для увеличения мощности выходного излучения реализуется усиление излучения задающего лазера активной средой, размещаемой вне его резонатора, причем увеличение результирующего коэффициента усиления достигается, как правило, за счет осуществления нескольких проходов лазерного излучения через активную среду. Основными недостатками таких решений являются сложность реализации оптических схем, повышенная лучевая нагрузка на оптические элементы, сложность обеспечения отвода тепла как от активной среды, так и от устройства ее накачки.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является многопроходный усилитель лазерного излучения (патент РФ №2231879, [4]), содержащий устройство накачки, задающий генератор, активный элемент, систему отражателей лазерного излучения и устойчивый оптический резонатор. Недостатками данного технического решения является значительное число оптических элементов с высокими требованиями к точности их взаимного расположения, что снижает надежность функционирования устройства и, вместе с тем, требует обеспечения высокой лучевой прочности покрытий оптических элементов.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является уменьшение числа оптических элементов, используемых в составе усилителя лазерного излучения, при увеличении выходной мощности пучка лазерного излучения и обеспечении его малой расходимости.
Поставленная задача решается за счет того, что заявленный многопроходный усилитель лазерного излучения содержит устройство накачки активной среды излучением лазерных диодов, выполнен в виде оптической системы с четным числом оптически сопряженных зеркал, построенной по типу оптической системы Кассегрена, причем зеркала выполнены из оптически активного материала, поверхности зеркал со стороны лазерных диодов устройства накачки имеют покрытия, отражающие усиливаемое лазерное излучение и являющиеся просветляющими для излучения накачки, а противоположные поверхности зеркал имеют покрытия, являющиеся просветляющими для усиливаемого лазерного излучения и отражающими для излучения накачки.
Лазерные диоды, являющиеся источниками излучения накачки активной среды, расположены у поверхностей зеркал - предпочтительно равномерно и эквидистантно с соседствующими, например, в узлах сетки с равносторонними треугольными ячейками.
Оптически сопряженные зеркала активной оптической системы выполнены, предпочтительно, в виде нецентральных вырезок оптически сопряженных поверхностей.
Достигаемый технический результат заключается в обеспечении малой расходимости пучка лазерного излучения наряду с увеличением его мощности и уменьшением числа оптических элементов. Этот результат достигается за счет использования оптически активного материала для изготовления зеркал оптической системы. В материале создается инверсная населенность энергетических уровней атомов активатора за счет воздействия на них излучения лазерных диодов устройства накачки.
На фиг.1 представлена функциональная схема многопроходного усилителя: 1 - задающий лазер, 2 - первое зеркало из оптически активного материала, 3 - покрытие, просветляющее для излучения лазерных диодов накачки и отражающее усиливаемое лазерное излучение, 4 - второе зеркало из оптически активного материала, 5 - покрытие, просветляющее для усиливаемого лазерного излучения и отражающее излучение лазерных диодов, 6 - лазерные диоды, 7 - источник тока накачки лазерных диодов.
На фиг.2 изображена структурная схема многопроходного усилителя с многозеркальной оптической системой, состоящей из нецентральных вырезок оптически сопряженных поверхностей: 1 - задающий лазер, 8 - оптически активные зеркала многозеркальной оптической системы.
На фиг.3 представлен вариант конструкции одного из активных зеркал: 9 - зеркало из оптически активного материала с соответствующими покрытиями поверхностей, 10 - оправа зеркала; 11 - кольцо дистантное; 12 - мениск с просветляющими покрытиями поверхностей; 13 - штуцер; 14 - кольцо опорное; 15 - радиатор воздушный; 16 - матрица лазерных диодов в сборе; 17 - винт крепежный; 18 - уплотнитель.
1
Излучение задающего лазера (1) проходит через оптически активный материал, из которой изготовлено зеркало (2), и отражается оптическим покрытием (3), нанесенным на его поверхность A - фиг.1. Затем излучение повторно проходит через оптически активный материал зеркала (2) и распространяется в направлении второго зеркала (4). Оптическое покрытие (3) выполнено просветляющим для излучения лазерных диодов (6). Лазерные диоды (6) подключены к источнику тока накачки лазерных диодов (7) и совместно с ним составляют устройство накачки активной среды. Поглощение оптически активным материалом излучения лазерных диодов (6), расположенных вблизи поверхности A зеркала (2), приводит к созданию инверсной населенности энергетических уровней атомов активатора и обеспечивает увеличение мощности излучения задающего лазера в K раз
1
A
B
K=k·k,
A
где k - интегральный коэффициент усиления, реализуемый при прохождении излучения через оптически активный материал зеркала (2) в направлении его поверхности A,
B
k - интегральный коэффициент усиления, реализуемый при прохождении излучения через оптически активный материал зеркала (2) после отражения от оптического покрытия (3), нанесенного на его поверхность A.
2
Распространение излучения через оптически активный материал, из которого изготовлено зеркало (4), в котором также за счет поглощения излучения лазерных диодов (6), расположенных вблизи поверхности С зеркала (4) создана инверсная населенность энергетических уровней атомов активатора, обеспечивает увеличение мощности лазерного излучения в K раз
2
C
D
K=k·k,
C
где k - интегральный коэффициент усиления, реализуемый при прохождении излучения через оптически активный материала зеркала (4) в направлении его поверхности C,
D
k - интегральный коэффициент усиления, реализуемый при прохождении излучения через оптически активный материал зеркала (4) после отражения от оптического покрытия (3), нанесенного на его поверхность C. Это покрытие также выполнено просветляющим для излучения лазерных диодов.
1
2
O
1
1
0
В результате двухпроходного усиления лазерного излучения в оптически активных материалах обоих зеркал, образующих двухзеркальную активную оптическую систему, обеспечивается увеличение мощности излучения задающего лазера в K·K раз. При этом расходимость пучка излучения на выходе усилителя лазерного излучения γоказывается меньше расходимости пучка излучения задающего лазера γ. Отношение γ/γ пропорционально величине коэффициента увеличения оптической системы. Дальнейшее увеличение мощности усиливаемого лазерного излучения достигается увеличением числа пар оптически сопряженных активных зеркал.
A
B
C
D
Нанесенные на поверхности B и D зеркал (2) и (4) покрытия (5) являются просветляющими для усиливаемого лазерного излучения и обеспечивают уменьшение потерь мощности при распространении этого излучения через границу раздела оптически активного материала и окружающей среды. Выполнение этого покрытия отражающим для излучения накачки лазерных диодов обеспечивает увеличение поглощения этого излучения в оптически активном материале, что приводит к увеличению коэффициентов k, k, k, k и, следовательно, приводит к увеличению мощности лазерного излучения на выходе усилителя.
A
B
C
D
1
2
Эквидистантное с соседствующими размещение лазерных диодов (6) у поверхностей зеркал (2) и (4) (п.2 формулы изобретения) обеспечивает близкие к постоянным величины коэффициентов усиления k, k, k и k в пределах поверхностей этих зеркал, а размещение лазерных диодов (6) в узлах сетки с треугольными ячейками обеспечивает наибольшую пространственную плотность потока излучения накачки у поверхностей зеркал (2) и (4). В результате сохраняется пространственное распределение интенсивности в поперечном сечении пучка усиливаемого лазерного излучения и увеличивается его мощность за счет реализации большегао значения результирующего коэффициента усиления мощности в K·K.
Выполнение зеркал (2) и (4) в виде нецентральных вырезок оптически сопряженных поверхностей (п.3 формулы изобретения) обеспечивает приближение распределений интенсивности лазерного излучения по их поверхностям к равномерному, что способствует уменьшению лучевой нагрузки на поверхности зеркал, а реализация этих поверхностей в виде асферических [5] позволяет уменьшить размер усилителя в направлении распространения излучения задающего лазера. Для увеличения коэффициента усиления мощности лазерного излучения в многопроходном усилителе может быть применена многозеркальная оптическая система. Эта система, как показано на фиг.2, может состоять из активных зеркал (8), представляющих собой нецентральные вырезки оптически сопряженных поверхностей.
Техническая реализация предлагаемого устройства требует размещения лазерных диодов на радиаторе для обеспечения отвода тепла. При этом могут быть использованы как отдельные лазерные диоды, конструктивно объединенные в группы (матрицы лазерных диодов), так и линейки лазерных диодов. На фиг.3 представлен вариант конструкции одного из активных зеркал. Для охлаждения оптически активного материала зеркала (9) используется охлаждающая жидкость, которая поступает через один штуцер (13) и удаляется через другой штуцер. Отвод тепла с задней поверхности радиатора (15), на котором установлены и закреплены матрицы лазерных диодов (16), обеспечивается за счет обдува радиатора охлаждающим воздухом. Радиатор (15) и кольцо опорное (14) крепятся винтами (17) к оправе (10) зеркала (9). Между сопрягаемыми поверхностями зеркала (9), кольца дистантного (11) и мениска с просветляющими покрытиями поверхностей (12) установлены уплотнители (18), обеспечивающие герметичность образованной этими деталями полости, через которую протекает охлаждающая жидкость. Уплотнитель (18), установленный между кольцом опорным (14) и мениском (12), предотвращает деформацию последнего.
ЛИТЕРАТУРА
1. Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники. - Киев: Высш. школа, 1988. - 383 с.
2. Айхлер Ю., Айхлер Г.-Й. Лазеры. Исполнение, управление, применение. - М: Техносфера, 2008. - 442 с.
3. Оптическое усилительное устройство (варианты) (патент РФ №2475908). Выдан 11.07.2007, опубликован 20.02.2013.
4. Многопроходный усилитель лазерного излучения (патент РФ №2231879). Выдан 11.10.2002, опубликован 27.06.2004.
5. Батшев В.И., Пуряев Д.Т. Геометрические и оптические свойства афокальной двухзеркальной системы // Оптический журнал, 2009. - Т.76, №1. С.13-18.