Безопасный для глаз твердотельный лазер

 

Использование: изобретение относится к квантовой электронике и промышленно применено в области производства твердотельных лазеров. Сущность изобретения: безопасный для глаз твердотельный лазер содержит оптически связанные систему накачки, активный элемент из содержащего неодим кристалла, резонатор, образованный выходным полупрозрачным зеркалом и концевым зеркалом с полным отражением на длине волны генерации. Новым в лазере является выполнение активного элемента из содержащего неодим кристалла, в котором отношение сечения вынужденного перехода на безопасной для глаз длине волны к сечению вынужденного перехода на конкурирующей длине волны 1,06 не меньше 0,085 и не больше 1, выполнение активного элемента из кристалла, дополнительно содержащего хром в виде ионов Cr⁴⁺ и/или Cr³⁺; выполнение активного элемента из кристалла гадолиний-галлиевого граната. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к твердотельным неодимовым лазерам, и может быть использовано в медицине, связи, научных исследованиях и технологии обработки материалов.

Известен безопасный для глаз твердотельный лазер, генерирующий излучение на длине волны 1,54 мкм и включающий систему накачки, активный элемент, изготовленный из содержащего эрбий стекла, резонатор, образованный глухим зеркалом и выходным зеркалом с частичным пропусканием на длине волны 1,54 мкм [1] Недостатком этого лазера является низкий КПД генерации и низкая частота повторения импульсов, которые обусловлены трехуровневой рабочей схемой генерации ионов эрбия.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является безопасный для глаз твердотельный лазер, генерирующий излучение на длине волны 1,4 мкм и включающий оптически связанные систему накачки, активный элемент из содержащего неодим кристалла иттрий алюминиевого граната (Y₃Al₅O₁₂: Nd), резонатор, образованный глухим зеркалом и выходным зеркалом с частичным пропусканием на длине волны 1,4 мкм, и дисперсионную призму, помещенную между глухим зеркалом и активным элементом [2] Недостатками лазера-прототипа является низкий КПД генерации, не превышающий 0,5% невысокая энергия выходного импульса излучения на длине волны 1,4 мкм, связанная с появлением импульса излучения на более сильном конкурирующем переходе с длиной волны 1,06 мкм, а также сложность и низкая надежность конструкции, обусловленная применением дисперсионной призмы, вносящей потери и усложняющей юстировку лазера, а также необходимостью использования зеркал резонатора с предельно высоким пропусканием на конкурирующей длине волны 1,06 мкм.

Недостатки прототипа связаны с фундаментальным свойством использованной активной среды иттрий-алюминиевого граната с неодимом (Y₃Al₅O₁₂:Nd). Активный элемент лазера прототипа характеризуется максимальным усилением излучения на длине волны 1,06 мкм, так как сечение σ^1,06 вынужденного перехода на этой длине волны в 23 раз превышает сечение σ^1,4 вынужденного перехода на безопасной для глаз длине волны 1,4 мкм. Малая величина отношения σ^1,4/σ^1,06 ≃ 0,04 обусловливает сложность получения генерации на длине волны 1,4 мкм с высоким КПД и высокой энергией выходного импульса. Для подавления генерации излучения на сильном переходе неодима в лазере прототипе используется дисперсионная призма, устраняющая оптическую связь зеркал резонатора на длине волны 1,06 мкм, а также используются зеркала резонатора с предельно низким отражением на длин волны 1,06 мкм.

Изобретение направлено на решение следующей технической задачи - упрощение конструкции лазера, повышение КПД и энергии излучения на длине волны 1,4 мкм.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в известном безопасном для глаз твердотельном лазере, генерирующем импульсы излучения на длине волны 1,4 мкм и включающем оптически связанные систему накачки, активный элемент, выполненный из содержащего неодим кристалла со структурой граната, резонатор, образованный выходным зеркалом с частичным пропусканием и концевым зеркалом с полным отражением на длине волны генерации, активный элемент выполнен из кристалла, в котором отношение сечения вынужденного перехода на безопасной для глаз длине волны к сечению вынужденного перехода на конкурирующей длине волны 1,06 не меньше 0,085 и не больше 1. Необходимый технический результат достигается также, если активный элемент дополнительно содержит хром в виде ионов Cr⁴⁺ и/или Cr³⁺ и выполнен из кристалла гадолиний-галлиевого граната.

Возможность осуществления изобретения подтверждается следующими сведениями.

Пороговая энергия накачки лазерного генератора, работающего по четырехуровневой схеме на длине волны λ,, определяется усилением и потерями в активной среде и параметрами резонатора согласно следующему соотношению [3] где V и L соответственно объем и длина активного элемента, a - коэффициент поглощения в активной среде на длине волны генерации λ; t время жизни верхнего лазерного уровня, R₁ и R₂ - коэффициенты отражения зеркал резонатора на длине волны генерации l, η₁ - эффективность преобразования электрической энергии, запасенной в разрядном контуре, в излучение накачки; η₂ эффективность поглощения излучения накачки активной средой, η₃ эффективность преобразования поглощенной энергии в инверсную населенность на верхнем лазерном уровне, τ_p - длительность импульса, h постоянная планка, с скорость света.

Как следует из (1), отношение пороговых энергий накачки для неодимового лазера, способного усиливать на длинах волн 1,06 мкм и 1,4 мкм, составляет Если пороговая энергия накачки E¹_п^,4 на длине волны 1,4 мкм меньше пороговой энергии накачки E¹_п^,06 на длине волны 1,06 мкм, то лазер генерирует только излучение на безопасной для глаз длине волны при изменении энергии импульса накачки в диапазоне от E¹_п^,4 до E¹_п^,06. Для решения поставленной технической задачи необходимо реализовать в лазере такие условия, при которых отношение E¹_п^,06/E¹_п^,4 было как можно больше. В лазерепрототипе это достигается за счет увеличения потерь в резонаторе на длине волны 1,06 мкм вследствие дисперсии в призме и минимизации коэффициентов отражения зеркал резонатора на длине волны 1,06 мкм. В предлагаемом безопасном для глаз лазере техническая задача изобретения решается за счет использования новой активной среды, в которой отношение σ^1,4/σ^1,06 и коэффициент поглощения a^1,06 на паразитной длине волны в несколько раз превышают аналогичные параметры активной среды лазера-прототипа.

Нами установлено, что значительно облегчить получение генерации на слабом переходе ионов неодима с длиной волны 1,4 мкм и значительно поднять энергию импульса генерации можно при использовании в качестве активного элемента кристалла со структурой граната, в котором усиление на основном переходе с длиной волны 1,06 мкм не более чем в двенадцать раз превышает усиление на слабом переходе с длиной волны 1,4 мкм, т.е. когда отношение сечений рассматриваемых вынужденных переходов σ^1,4/σ^1,06≥ 0,085. Верхняя граница отношения σ^1,4/σ^1,06 меньше 1, так как для ионов неодима Nd³⁺ вероятность вынужденного перехода с длиной волны 1,06 мкм всегда больше вероятности вынужденного перехода с длиной волны 1,4 мкм. В случае, когда 0,085≅ σ₂/σ₁<1, достигается более высокий по сравнению с прототипом порог генерации на конкурирующей длине волны 1,06 мкм. Это делает возможным использовать большие энергии накачки активного элемента без насыщения инверсии и без появления паразитной генерации на длине волны 1,06 мкм и, как следствие, поднять энергию импульса генерации на безопасной для глаз длине волны.

Повышение эффективности (КПД) генерации и энергии выходного импульса достигается также за счет использования активного элемента, материал которого дополнительно содержит хром, который в кристаллах со структурой граната может находиться в виде ионов Cr³⁺ и Cr⁴⁺.

Повышение КПД генерации при использовании активного элемента, дополнительно содержащего ионы Cr³⁺, достигается в результате большего поглощения излучения накачки активной средой и преобразования его в лазерное излучение, то есть за счет увеличения параметра η₂ в соотношении (1). Это увеличение эффективности преобразования излучения накачки происходит за счет эффективной безызлучательной передачи энергии возбуждения от ионов Cr³⁺ на верхний лазерный уровень ионов Nd³⁺.

Повышение энергии импульсов излучения на длине волны 1,4 мкм при использовании активного элемента, дополнительно содержащего ионы Cr⁴⁺, достигается за счет увеличения коэффициента поглощения a^1,06 активной среды на длин волны 1,06 мкм. Вследствие этого значительно повышается порог генерации лазера на паразитной длине волны и появляется возможность получения генерации на безопасной для глаз длине волны в более широком диапазоне энергий накачек.

Нами установлено, что указанным выше требованиям к веществу активного элемента, в частности, удовлетворяют кристаллы гадолиний-галлиевого граната, активированные неодимом и хромом (Gd₃Ga₅O₁₂:Nd, Gd₃Ga₅O₁₂:Nd, Cr). Найденные нами экспериментально по методике [4] значения сечений генерационных переходов на длине волны 1,4 мкм составляют σ^1,4=2,4·10^-20 см² для Gd₃Ga₅O₁₂:Nd,Cr и σ^1,4=3,8·10^-20 см² для Y₃Al₅O₁₂:Nd. Для длины волны 1,06 мкм значения сечений генерационных переходов составляют σ^1,06=28·10^-20 см² и σ^1,06=88·10^-20 см²,, то есть значение отношения σ^1,4/σ^1,06 для кристалла Gd₃Ga₅O₁₂:Nd,Cr составляет 0,085.

По сравнению с активным материалом лазера прототипа использование кристаллов гадолиний-галлиевого граната с неодимом и хромом позволяет поднять КПД генерации на длине волны 1,4 мкм в 1,5-2 раза, более чем в 1,5 раза увеличить энергию импульса генерации, и существенно упростить конструкцию лазера, отказавшись от использования дисперсионной призмы.

В результате сопоставительного анализа заявляемого решения с прототипом видно, что предлагаемый твердотельный лазер отличается выполнением активного элемента из нового вещества, в котором отношение σ^1,4/σ^1,06≥ 0,085, и которое дополнительно содержит хром, как в виде трехвалентных ионов Cr³⁺, так и в виде четырехвалентных ионов Cr⁴⁺. Таким образом заявляемый лазер соответствует критерию "новизна".

Сопоставительный анализ заявляемого решения и известных в рассматриваемой области показывает, что в известных технических решениях отсутствуют признаки, сходные с существенными отличительными признакам заявляемого безопасного для глаз твердотельного лазера. Это позволяет признать заявляемое решение соответствующим критерию "изобретательский уровень".

На чертеже представлена схема твердотельного лазера.

Примеры конкретного выполнения.

Твердотельный лазер содержит систему накачки 1; активный элемент 2 из содержащего неодим кристалла с отношением сечений генерационного перехода σ^1,4/σ^1,06≥ 0,085; выходное зеркало 3, частично отражающее излучение с длиной волны 1,4 мкм и слабо отражающее излучение с длиной волны 1,06 мкм; зеркало 4, имеющее близкое к 100% отражение для излучения с длиной волны 1,4 мкм и минимум отражения на длине волны 1,06 мкм.

Лазер работает следующим образом. Излучение, создаваемое системой накачки 1, поглощается ионами хрома и/или неодима активного элемента 2 и переводит последние в возбужденное метастабильное состояние. В активном элементе осуществляется усиление излучения как на длине волны 1,4 мкм, так и на длине волны 1,06 мкм. В резонаторе, образованном зеркалами 3 и 4 с минимумами отражения на длине волны 1,06 мкм, начинается генерация излучения на длине волны 1,4 мкм при достижении энергии импульсов накачки порогового значения для этой длины волны. Для активного элемента, в котором отношение сечений генерационных переходов σ^1,4/σ^1,06 не меньше 0,085 и содержащего хром, снижается порог генерации на длине волны 1,4 мкм. Дальнейшее увеличение энергии накачки приводит к росту энергии импульсов генерации на длине волны 1,4 мкм согласно соотношению E¹_и^,4=η¹_д^,4(E_н-E¹_п^,4)=η¹_a^,4E_н, (3) где E_н энергия импульса накачки; η¹_д^,4 дифференциальный КПД лазера; η¹_a^,4 абсолютный КПД лазера. При увеличении энергии импульса накачки до значения, равного пороговой энергии генерации на длине волны 1,06 мкм, кроме излучения с безопасной для глаз длиной волны 1,4 мкм начинается генерация на длине волны 1,06 мкм. Для активного элемента с отношением сечений генерационных переходов σ^1,4/σ^1,06 не меньше 0,085 и содержащего ионы четырехвалентного хрома Cr⁴⁺ порог паразитной генерации на длине волны 1,06 мкм повышается в несколько раз по сравнению с лазером прототипом. Кроме того, для активного элемента, содержащего ионы трехвалентного хрома Cr³⁺, увеличивается дифференциальный КПД генерации безопасного для лаз лазера. В результате работы лазера с активным элементом, характеризуемым существенными отличительными признаками, получаются импульсы излучения на длине волны 1,4 мкм с большей энергией и большим абсолютным КПД чем в лазере-прототипе. При этом лазер имеет более простую конструкцию легче и надежнее в юстировке.

Предлагаемый лазер позволяет использовать разные системы накачки, а именно импульсную ламповую и селективную, в том числе накачку лазерными диодами.

Предлагаемый лазер был, в частности, реализован с использованием следующих конкретных элементов. В качестве активного элемента использовались кристаллы гадолиний-галлиевого граната, активированные неодимом (Cd₃Ga₅O₁₂: Nd), а также соактивированные неодимом и хромом (Gd₃Ga₅O₁₂: Nd, Cr³⁺; Gd₃Ga₅O₁₂: Nd, Cr³⁺, Cr⁴⁺), выполненные в виде стержней диаметром 6,3 мм и длиной 95 мм. Торцы активных элементов имели просветляющие покрытия на длину волны 1,06 мкм. В качестве системы накачки использовалась импульсная ксеноновая лампа типа ИНП 5/90 в посеребренном эллиптическом отражателе типа К-301, питаемая от модулятора импульсных ламп типа МТ-42, обеспечивающего энергию накачки до 300 Дж и длительность импульса накачки 600 мкс. Использовался плоско-параллельный резонатор, образованный выходным зеркалом с коэффициентом отражения 86% на длине волны 1,4 мкм и глухим зеркалом с коэффициентом отражения 99,3% на длине волны 1,4 мкм. Для конкурирующей длины волны 1,06 мкм произведение коэффициентов отражения зеркал резонатора R¹₁^,06·R¹₂^,06 составляло 0,009.

Достигнутые параметры генерации лазера в сравнении параметрам генерации лазера-прототипа представлены в таблице, где σ^1,4/σ^1,06 отношения сечений усиления на длине волны 1,4 мкм и 1,06 мкм; E¹_п^,06 пороговая энергия импульса накачки, при которой начинается генерация на длине волны 1,06 мкм; (R₁xR₂)^1,06 произведение коэффициентов отражения зеркал на длине волны 1,06 мкм, E¹_и^,4 энергия импульса генерации на длине волны 1,4 мкм при энергии импульса накачки 180 Дж, η¹_a^,4 абсолютный КПД генерации лазера на длине волны 1,4 мкм. Результаты, приведенные в таблице, показывают, что предлагаемый твердотельный лазер по сравнению с прототипом позволяет в 1,5-2 раза увеличить энергию импульса излучения на длине волны 1,4 мкм и в 1,8-2,4 раза увеличить абсолютный КПД лазера. Более высокие параметры генерации лазера получены при существенном упрощении его конструкции, то есть без дисперсионной призмы. Кроме того, использовались более простые в изготовлении зеркала, имеющие большие коэффициенты отражения на паразитной длине волны 1,06 мкм.

Следует отметить, что в условиях, использованных нами для конкретной реализации предлагаемого лазера, лазер с активным элементом из ИАГ:Nd (пример 5 в таблице) генерировал излучение только на длине волны 1,6 мкм, а излучение на 1,4 мкм отсутствовало.

Примеры конкретного выполнения предлагаемого двухчастотного твердотельного лазера подтверждают достижение положительного эффекта по сравнению с прототипом. Таким образом, использование изобретения позволяет упростить конструкцию лазера, повысить КПД лазера и энергию излучения по длине волны 1,4 мкм.

Формула изобретения

1. Безопасный для глаз твердотельный лазер, генерирующий импульсы излучения на длине волны 1,4 мкм и включающий оптически связанные систему накачки, активный элемент, выполненный из содержащего неодим кристалла со структурой граната, резонатор, образованный выходным полупрозрачным зеркалом и концевым зеркалом с полным отражением на длине волны генерации, отличающийся тем, что активный элемент выполнен из кристалла, в котором отношение сечения вынужденного перехода на безопасной для глаз длине волны к сечению вынужденного перехода на конкурирующей длине волны 1,06 не меньше 0,085 и не больше 1.

2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что кристалл дополнительно содержит хром в виде ионов Cr⁴⁺ и/или Cr³⁺.

3. Лазер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что активный элемент выполнен из кристалла гадолиний-галлиевого граната.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2