Твердотельный лазер

 

Использование: изобретение относится к лазерной технике. Сущность изобретения: твердотельный лазер с безопасной для кожи и зрения человека длиной волны излучения более 1,4 мкм включает легированную ионами Er³⁺ активную среду и источник световой накачки, отделенный от активной среды дополнительным фильтрующим слоем в виде оптических деталей и/или нанесенных на них покрытий и/или жидкой среды, перехватывающих и устраняющих УФ излучение и прозрачных для света в диапазоне возбуждения активной среды. Оптическая плотность фильтрующего слоя, суммарного по всей длине пути любого луча в лазере от источника накачки до активной среды, включая путь в оболочке источника накачки, должна быть больше 2 в диапазоне длин волн короче 320 нм и не более 0,1 в диапазоне спектра возбуждения активной среды с длинами волн более 360 нм. Фильтрация в лазере достигается, например, путем применения нанесенной на поверхность прозрачного материала компонентов лазера пленки из оксидов церия толщиной 0,3 - 1,5 мкм, не менее двух третей состава которых составляет CeO₂ и/или жидкой среды, содержащей соединения церия, например, на основе водного раствора солей CeCl₃ и/или CeBr₃ с суммарной молярной концентрацией ионов Cl³⁺ не менее 0,4 м/л. 10 з. п. ф-лы.

Изобретение относится к квантовой электронике, а конкретнее к лазерам с длиной волны излучения более 1,4 мкм.

Известны лазеры на кристаллах иттриево-алюминиевого граната YAG и алюмината иттрия YAlO₃, активированных трехвалентными ионами эрбия - Er³⁺, где для снижения пороговой энергии генерации на переходах между уровнями ⁴I_11/2 и ⁴I_13/2 с длиной волны 3 мкм использованы разделяющие активный элемент и лампы накачки селективные по длине волны фильтры, которые поглощают свет накачки с длиной волны короче 645 - 545 нм. Эти фильтры, расположенные между активной средой и источником света накачки, состоящим из одной или нескольких ламп, выполнены в виде фильтрующих добавок в жидкую среду, окружающую одну или несколько ламп источника света накачки и/или активный элемент (J. Optics Letters, vol. 13, N 11, 1988, J. Frauchiger et al. Laser Properties of Selectively Exited YAlO₃ : Er, p. p. 964-966), либо в материал оптической детали, отделяющей активную среду от источника световой накачки (lEEE J. Quant. Electr., vol. QE-28, N 11, 1992, J. Breguet et al. Comparison of Threshold Energy of Selectively Exited YAlO₃ : Er and YAG : Er Lasers, p. p. 2563-2566).

Такие лазеры трудно использовать при распространении их излучения во влажной атмосфере на большие расстояния, так как на длине волны генерации этих лазеров ≈ 3 мкм наблюдается значительное поглощение света в парах воды в атмосфере.

Также известно получение генерации на кристаллах YAlO³, легированных ионами Er³⁺, по 4-уровневой схеме на переходах между уровнями ⁴S_3/2 и ⁴I_9/2 с длиной волны излучения 1,6 - 1,8 мкм, совпадающей с областью высокой прозрачности атмосферы (J. Phys. D:Appl.Phys. v. 17, 1984, B. Dishler et al. Investigations of the laser materials YAlO₃ : Er and YLiF₄ : Ho, p.p. 1115-1124).

Такие твердотельные лазеры с активной средой на кристаллах YAG и YAIO₃ с эрбием содержат в составе жидкой среды, отделяющей источник световой накачки от активной среды, фильтры на основе комплексных солей, например NaNO₂ и различных органических соединений (IEEE J. Quant. Electr., vol. QE-23, N 2, 1967, M.Datwyler et al. New Wavelengths of the YAlO₃ : Er Laser, p.p. 158-159). Эти фильтры имеют полосы пропускания в спектре этих солей и органических соединений в УФ диапазоне длин волн, приводящие к деградации активной среды. Эти фильтры не обеспечивают требуемой долговечности лазеров из-за неполной фильтрации УФ излучения и имеют недостаточную эффективность и высокую пороговую энергию накачки, с минимальной величиной в 34 - 55 Дж.

В документе U. S.A. 4 039 970, 1977, H 01 S 3/092 описан твердотельный лазер со световым фильтром, включающий активную среду, легированную ионами эрбия, и источник световой накачки с оболочкой из прозрачного для света накачки материала, отделенный от активной среды газообразной и/или жидкой средой и/или оптическими деталями, перехватывающими и устраняющими коротковолновую часть излучения источника накачки с длиной волны короче 500 нм. Такой лазер имеет более высокий порог генерации, составляющий 50 Дж при пропускании выходного зеркала 5%, но недостаточную эффективность генерации на длине волны 1,663 нм, равную 3 мДж при энергии накачки 100 Дж.

В документе EP 0 427 656 Al, 1990, H 01 S 3/092 описан твердотельный лазер с поглощающими коротковолновое излучение объемными фильтрами с небольшим (до 1,5%) содержанием редкоземельных металлов, в том числе церия Ce. Такие фильтры имеют малую оптическую плотность в УФ части спектра. Это приводит к фотоиндуцированной УФ излучением деградации активной среды с образованием центров окраски, которые поглощают излучение накачки в диапазоне возбуждения ионов Er³⁺, что снижает эффективность генерации лазера и увеличивает пороговую энергию накачки.

Известны лазеры с защитными покрытиями из чередующихся слоев из CeO₂, окислов кремния и алюминия Al₂O₃ на отражателях с толщиной не более 0,25 мкм каждый, используемые для защиты серебряных поверхностей отражателей от охлаждающей среды (Документ SPIE vol. 609 Flashlamp Pumpe Laser Technology, 1988, Klaus D. Hachfeld The Engineering Art of Solid State Laser Pump Caviti Design, p. p. 55 - 77). Эти многослойные покрытия имеют высокую интерференционную селективность пропускания с сильной зависимостью коэффициента отражения от длины волны и угла падения света. В случае использования таких покрытий в качестве фильтров эти свойства приводят к потерям света накачки, падающего на поверхность покрытия в широком угловом и спектральном диапазонах. Ввиду малой толщины слоя из CeO₂ они недостаточно поглощают УФ свет накачки, что не позволяет использовать их в лазерах с ионами Er³⁺ из-за деградации активной среды. Все это также приводит к снижению эффективности и повышению пороговой энергии накачки лазера.

В основу изобретения положена задача создать лазер на активных средах, легированных ионами Er³⁺, с длиной волны генерации 1,6 - 1,8 мкм и/или 2,7 - 3,0 мкм с увеличенными эффективностью и долговечностью и сниженной пороговой энергией накачки.

Задача решается тем, что в лазере на твердотельной активной среде, легированной трехвалентными ионами эрбия - Er³⁺ источник света накачки с оболочкой из прозрачного материала отделен от активной среды дополнительным фильтрующим слоем в виде оптических деталей и/или нанесенных на них покрытий и/или жидкой среды, перехватывающих и устраняющих коротковолновую часть излучения и прозрачных в диапазоне возбуждения активной среды, так что оптическая плотность фильтрующего слоя, суммарного по всей длине пути любого луча от источника накачки до активной среды, включая путь в оболочке источника накачки, должна быть не менее 2 в диапазоне длин волн короче 320 нм и не более 0,1 в диапазоне спектра возбуждения активной среды с длинами волн более 360 нм.

Заданная плотность D(λ) величиной не менее 2 при λ<320 нм обусловлена тем, что при коротком импульсе накачки длительностью τ~100 мкс, соответствующем времени жизни метастабильного состояния уровня ⁴S_3/2 ионов Er³⁺ и при требуемой интенсивности накачки доля УФ излучения в ≈ 10 раз превышает остальную. В кристаллах и стеклах ионам Er³⁺ сопутствует большое количество чувствительных к УФ свету центров окраски, в том числе на ионах Fe²⁺, которые образуются под действием света в диапазоне длин волн 300 - 320 нм. Это определяет длинноволновую границу области спектра с высокой плотностью фильтра на длине волны не менее 320 нм. В указанном диапазоне длин волн плотность фильтра должна быть такой, чтобы интенсивное УФ излучение было ослаблено не менее чем в 100 раз. Для этого пропускание фильтра должно быть не более 1%, то есть плотность фильтра в диапазоне непрозрачности фильтра должна быть не менее 2. Такая величина плотности фильтра может быть реально измерена известной спектральной техникой при его промышленном применении.

С другой стороны, линии возбуждения ионов Er³⁺ с самым большим коэффициентом поглощения, дающие наибольшую долю возбуждения, находятся в диапазоне 355 - 525 нм и при генерации с уровня ⁴S_3/2 по 4-уровневой схеме обеспечивают ≈ 90% от всей накачки. При генерации по 3-уровневой схеме с накачкой ионов Er³⁺ в диапазоне до ≈ 1,1 мкм вклад этих линий достигает ≈ 80%, а вклад линий в области от 556 до 1100 нм ≈ 12%. Поэтому уменьшение пропускания фильтра на границе прозрачности не должно приводить за счет поглощения, отражения или преобразования к удалению более 20% падающего света накачки с длиной волны 360 нм, а по мере увеличения длины волны пропускание должно расти до ≈ 95%. Это соответствует требованию к плотности фильтра не более 0,1 на длине волны 360 нм и дает возможность использовать максимум энергии света накачки в области спектра наиболее эффективного возбуждения ионов эрбия. Полная ширина границы прозрачности с изменением пропускания фильтра от 0 до 80% или оптической плотности от 2 до 0,1 не должна превышать 40 нм. Это увеличивает КПД и снижает пороговую энергию накачки лазеров на ионах Er³⁺, генерирующих по 4- и 3-уровневым схемам с длинами волн 1,6 - 1,8 и 2,7 - 3 мкм соответственно.

Суммирование длины участков пути света с учетом спектральной зависимости коэффициента пропускания материала на каждом участке пути от его источника до активной среды необходимо для определения потерь энергии света во всех проходимых лучами средах и/или материалах оптических деталей. Отражатель может как сам состоять из одной или нескольких монолитных оптических деталей различной конфигурации, так и может включать такие оптические детали в виде цилиндров или плоских пластин из прозрачного материала, разделяющих и/или окружающих источник света и/или активную среду. Для различных лучей с различными длинами волн оптические детали могут вносить различные потери в зависимости от фактической длины оптического пути луча в них и спектральной зависимости коэффициента поглощения, но не должны пропускать излучение с длиной волны короче 320 нм, вызывающее деградацию активной среды. Включение пути света накачки в оболочке его источника в суммарную длину пути любого луча света от его источника до активной среды обусловлено тем, что при определении общей оптической плотности фильтрующего слоя должна учитываться доля света, уже удаленная в оболочке источника света, чтобы избежать неконтролируемого сдвига границы прозрачности суммарного фильтра в область длин волн более 360 нм при изменении источника или его модернизации и связанных с этим потерь энергии возбуждения ионов эрбия, то есть для получения плотности фильтра величиной не более 0,1 на длине волны 360 нм.

Наиболее эффективным является применение фильтра в виде слоя одинаковой толщины. Это обеспечивает равное устранение УФ излучения и пропускание света накачки для всех лучей, проходящих любые участки фильтра. Кроме того, при равенстве концентрации фильтрующих добавок C равенство толщины d позволяет получить заданную плотность D(λ) = ε(λ)Cd, пропорциональную экстинкции фильтра ε(λ) . При этом легко учесть потери энергии в оболочке источника световой накачки или покрытии. Неравномерность толщины поглощающего фильтра требует точного контроля оптической плотности D(λ) и высокого уровня технологии изменения его экстинции ε(λ) или концентрации добавок C в зависимости от толщины фильтра d. В противном случае это может привести к размыванию границы прозрачности (а в заявляемом лазере требования к ширине границы прозрачности фильтра довольно жесткие 40 нм), что приведет к перекрытию полос возбуждения Er³⁺ или к пропусканию УФ света накачки.

Твердотельная активная среда, легированная трехвалентными ионами эрбия - Er³⁺, может быть выполнена в виде единых (монолитных) или составных (наборных из цилиндров, призм, пластин, дисков и т. д.) моно- или поликристаллических, керамических или стеклянных активных элементов или активных оптических волокон или жгутов из них. Световые источники накачки, включая газоразрядные лампы любой формы (плоской, цилиндрической, спиральной, коаксиальной и др. ), могут быть размещены как вне активной среды, например, если источник рядом с цилиндрическим или наборным активным элементом или жгутом активных оптических волокон; окружать активную среду, когда она в виде элемента или группы элементов или жгута волокон находится внутри спиральной или коаксиальной лампы: так и внутри активной среды, например, если цилиндрическая лампа находится внутри коаксиального активного элемента или линейного или спирального жгута активных волокон.

Поставленная задача решается также тем, что в качестве УФ фильтра применена твердая устойчивая пленка из соединений церия, непрозрачная в коротковолновом диапазоне света и с соответствующими параметрами спектра пропускания фильтрующего покрытия.

Например, это может быть фильтр, выполненный в виде твердой устойчивой пленки из окислов церия, не менее двух третей стехиометрического состава которых составляет двуокись четырехвалентного церия CeO₂ толщиной 0,3 - 1,5 мкм, нанесенной непосредственно на проходимую светом поверхность прозрачного материала оболочки источника света накачки и/или оптической детали и/или активной среды.

Исполнение этого слоя из окислов церия для всех типов лазеров без охлаждения или с охлаждением органическими теплоносителями или воздухом с невысокой средней мощностью накачки позволяет обеспечить наименьшую ширину границы прозрачности фильтра точно в диапазоне между 320 и 360 нм. В случае применения окислов Ce из-за наличия увеличенного уширения линий необходимо использовать ионы Ce⁴⁺ со сдвинутым в УФ область спектром поглощения, что не приводит к общему сдвигу края полосы поглощения из-за уширения линии поглощения далее 360 нм. Замена более 1/3 состава CeO₂ на окись трехвалентного церия Ce₂O₃ делает границу прозрачности более пологой с краем, простирающимся до 400 нм. При этом не выполняется одно из основных требований по плотности фильтра в диапазоне длин волн более 360 нм. Однако полностью избежать присутствия других окислов церия технологически сложно. Поэтому с учетом спектральных требований в составе фильтра не менее 2/3 должно приходиться на CeO₂, что обеспечивает как необходимую спектральную характеристику фильтра, так и широкую возможность его промышленного применения.

Преимуществом предлагаемого лазера является значительно расширенный диапазон допустимых значений толщины фильтрующего слоя от 0,3 до 1,5 мкм, где нижний предел превышает толщины слоев из CeO₂ в известных устройствах. Верхний предел диапазона толщины ограничивается как по спектральным соображениям (из-за возможного сдвига границы прозрачности в диапазон длин волн более 360 нм/), так и по технологическим (из-за уменьшения стойкости толстой пленки и появления дополнительных потерь света во всем диапазоне при фотоиндуцированной рекристаллизации пленки.

Поставленная задача решается также путем создания условий распространения света от источника световой накачки к активной среде с минимальными потерями на прохождение светом границы между пленкой из окислов церия и газообразной или жидкой средой при воздействии высокой световой мощности импульсной накачки.

Для этого на поверхность фильтра, выполненного в виде пленки из окислов церия, на границе раздела с газообразной и/или жидкой средой дополнительно нанесен переходной слой в виде пленки из трехокиси алюминия Al₂O₃ толщиной 0,3 - 1,0 мкм и/или двуокиси кремния SiO₂ толщиной 0,5 - 1,0 мкм. При этом слой из Al₂O₃ нанесен непосредственно на слой из окислов церия, а слой из SiO₂ - либо на слой из Al₂O₃, либо на слой из окислов церия.

Показатель преломления пленки из окислов церия составляет 2,1 - 2,3, чтобы избежать дополнительных потерь света на границе раздела с газообразной или жидкой средой с более низким показателем преломления 1,0 - 1,4 необходимо применить переходной слой из одного или двух материалов, позрачных для света возбуждения ионов эрбия, с показателем преломления, зависящим от показателя преломления контактирующей среды. Например, если такой средой является воздух или газ, у которых показатель преломления n = 1, то необходимо введение согласующего слоя с показателем преломления 1 < n < 2,3 или композиции из двух согласующих слоев с последовательно уменьшающимися показателями преломления материала в этих же пределах, чтобы уменьшить потери света на отражение от границы между пленкой из окислов церия и окружающей средой.

Поскольку Al₂O₃ и SiO₂ с показателями преломления n = 1,69 и n = 1,46 соответственно не имеют собственных полос поглощения в области возбуждения ионов Er³⁺, то вследствие своей термо- и фотостойкости и химической инертности они полностью удовлетворяют всем требованиям к материалам для согласующих слоев.

Для уменьшения потерь за счет интерференции света при прохождении светом слоя Al₂O₃ и/или SiO₂ толщина этого слоя должна превышать длину пути луча в материале, которая соответствует второму интерференционному максимуму, или в 1,5 раза превышать длину пути, вычисленную по первому интерференционному минимуму, для света с максимальной длиной волны из спектров возбуждения активных ионов или излучения источника световой накачки соответственно.

Для лазеров, работающих на активных средах с ионами Er³⁺ по 4-уровневой схеме, максимальной является длина волны 0,6 мкм, а по 3-уровневой схеме ≈ 1,5 мкм, но спектры излучения газоразрядных ламп ограничены длиной волны ≈ 1 мкм, поэтому для расчета во всех случаях выбрана длина волны 1 мкм. Расчет пути должен вестись для нормального падения света с минимальной длиной пути в материале, так как интерференция будет сильнее проявляться в наиболее тонких слоях, а для косых лучей будет значительно ослаблена. Создание условий, когда при минимальной толщине переходного слоя обеспечено подавление интерференции для всех длин волн и углов падения света, позволяет обеспечить эффективное действие переходного слоя независимо от показателя преломления окружающей среды и углов прохождения света в отражателе. Эффективно "толстым" слоем в самом невыгодном случае при окружении средой с наименьшим показателем преломления, равным 1, является слой толщиной в 1,5 раза больше длины пути, вычисленной по первому интерференционному минимуму при длине волны 1 мкм. Для SiO₂ таким является слой толщиной, равной 0,51 мкм при длине пути 0,34 мкм. С учетом точности и технологичности минимальная толщина слоя SiO₂ определена равной 0,5 мкм. Для Al₂O₃ увеличение длины оптического пути на единицу толщины слоя, пропорциональное увеличению показателя преломления с 1,46 до 1,69, приводит к уменьшению до 0,3 мкм допустимого значения минимальной толщины переходного слоя из Al₂O₃ по сравнению с SiO₂.

Верхний предел толщины слоев Al₂O₃ или SiO₂ в 1,0 мкм обусловлен тем, что при дальнейшем увеличении толщины слой рекристаллизуется излучением, приводя к увеличению потерь на рассеивание света и уменьшению эффективности передачи света от источника накачки к активной среде.

Поставленная задача решается также путем использования жидкой среды с фильтрующими свойствами, включающей соединения церия и размешенной между источником накачки и активной средой. Это обеспечивает эффективную работу лазера на активированных ионами Er³⁺ средах с высокой средней мощностью накачки в течение длительного времени.

Объединение фильтра с жидкой средой обеспечивает равномерное распределение поглощающих центров по более толстому слою и допускает их большую концентрацию, чем в твердых растворах (кварцевых и других стеклах), не вызывая напряжений и разрушений, возникающих при нагреве фильтра поглощенным УФ светом. Поэтому жидкий фильтр допускает более высокую удельную мощность накачки, чем стеклянные или тонкопленочные фильтры. Цериевые поглощающие центры могут входить в состав жидкой основы или добавок к ней, поэтому легко достигается необходимая оптическая плотность фильтра в диапазоне длин волн короче 320 нм, а пропускание волн длиннее 360 нм достигается очисткой среды от других ионов.

Жидкая среда может быть как очень вязкой для иммерсии активной среды и/или оболочки источника света накачки в неохлаждаемых лазерах, так и иметь минимальную вязкость при использовании жидкой среды в качестве теплоносителя для охлаждения источника света и/или активной среды.

Увеличение выходной энергии и мощности лазера решается за счет использования жидкой фильтрующей среды одновременно в качестве теплоносителя для охлаждения источника световой накачки высокой мощности и/или активной среды при высокой мощности выходного излучения и для эффективной фильтрации коротковолнового излучения накачки. Для этого могут быть использованы соли церия, не содержащие кислорода и/или органических групп, приводящих к разложению соединений церия и удалению церия из жидкой среды в виде осадков или гелей, и прежде всего применены в качестве жидкой среды водные растворы солей галогенидов церия.

Использование фильтрующей жидкой среды в виде водного раствора галогенидов трехвалентного церия для отделения активной среды от источника света и в качестве жидкого хладоагента обеспечивает наименьшую ширину границы прозрачности точно в области спектра между 320 и 360 нм. Это обусловлено наименьшим уширением линий поглощения Ce³⁺ в его солях, сольватированных водой, а замена Ce³⁺ на Ce⁴⁺ сдвигает полосу поглощения в коротковолновую область и в этом случае может не обеспечиваться достаточная плотность фильтра в диапазоне длин волн 290 - 320 нм, в котором свет индуцирует центры окраски на основе ионов железа.

Наиболее эффективным является твердотельный лазер, содержащий жидкую среду на основе водного раствора солей хлорида трехвалентного церия CeCl₃ с концентрацией соли не менее 0,4 М/л.

В ряде случаев, когда по коррозионным соображениям не допустимо присутствие ионов хлора (например, при использовании хлорвиниловых пластмасс в контакте с жидкой средой с ионами хлора), возможным и достаточно эффективным вариантом лазера является твердотельный лазер, содержащий жидкую среду на основе водного раствора солей бромида трехвалентного церия CeBr₃ с концентрацией соли не менее 0,4 М/л.

Так как морозостойкие теплоносители для твердотельных лазеров могут содержать растворы смеси галогенидов, то в качестве жидкой среды в лазере может быть использована жидкая среда, выполненная на основе водного раствора солей хлорида трехвалентного церия, которая содержит бромид трехвалентного церия при суммарной концентрации солей церия не менее 0,4 М/л.

Раствор на основе воды, используемый в качестве жидкой среды в лазере, при сохранении необходимого для CeCl₃ и CeBr₃ количества воды, допускает введение других необходимых для каждого конкретного случая солей или органических добавок без ухудшения своих требуемых спектральных свойств.

Следует отметить, что наибольшая эффективность изобретения проявляется в лазере, где легированная трехвалентными ионами Er³⁺ активная среда выполнена на основе кристаллов алюмината иттрия YAlO₃. Это решение несмотря на особую чувствительность кристаллов YAlO₃ : Er³⁺ к УФ излучению обеспечивает работоспособность таких лазеров без потери эффективности генерации в течение длительного времени. Другим способом это сделать сложно, особенно при использовании импульсов ксеноновых ламп накачки с высокими удельной мощностью и долей УФ света в спектре излучения.

Другим эффективным вариантом является применение легированной ионами Er³⁺ активной среды, выполненной на основе кристаллов иттриево-алюминиевого граната YAG (YAG : Er³⁺).

Любая активная среда, легированная ионами с коротковолновой границей диапазона длин волн их эффективного возбуждения не менее 350 нм, например ионами Nd³⁺ (YAlO₃ : Nd³⁺, YAG : Nd³⁺) может быть эффективно использована с описанными выше фильтрами.

При использовании схемы лазера с активированной ионами Er³⁺ средой суммарная толщина фильтрующих слоев из окислов церия в 1,0 - 1,5 мкм достаточна для удаления УФ света накачки, тогда как потери на рассеяние в слое меньшей толщины из-за улучшения качества пленки снижаются. Поэтому применение фильтра в виде двух или трех слоев увеличивает эффективность генерации лазера.

В некоторых случаях целесообразно использовать покрытие толщиной от 0,5 до 0,8 мкм при его нанесении на две разные поверхности прозрачных сред, например оболочки источника накачки и активной среды или на одну или две стенки оптических деталей между ними.

Наличие между источником света и активной средой хотя бы одной оптической детали увеличивает число поверхностей для нанесения покрытий до трех - четырех, а толщина слоя окислов церия в таких случаях может быть уменьшена до 0,3 - 0,4 мкм. Это улучшает оптическое качество покрытия, его прочность и стойкость за счет дополнительного уменьшения толщины слоя и улучшения его структуры в процессе нанесения и отжига, при суммарной толщине фильтра 1,2 - 1, 6 мкм. В этом случае путем увеличения толщины каждой пленки из окислов церия до 1,5 мкм может быть при необходимости легко реализовано покрытие с большей суммарной толщиной, вплоть до 6 мкм, которое предназначено для использования с наиболее чувствительными к УФ излучению активными элементами из алюмината иттрия с высокой концентрацией ионов эрбия.

Тонкие слои используются также, когда оболочка источника света накачки выполнена из фильтрующих материалов, содержащих окиси церия CeO₂ и Ce₂O₃. При малой допустимой концентрации добавок CeO₂ и/или Ce₂O₃, вводимых в кварцевое стекло, оно имеет большое пропускание в области длин волн короче 300 нм, поэтому для увеличения суммарной плотности фильтра, необходимой для выполнения спектральных требований лазера, достаточно использовать дополнительный слой толщиной не более 1 мкм, в зависимости от толщины и свойств стекла оболочки.

Для снижения потерь света на границе раздела сред наиболее оптимальным при контакте с газообразной средой или водой является покрытие со слоем Al₂O₃ с показателем преломления n = 1,69, нанесенным непосредственно на слой с показателем преломления 2,1 - 2,3 из окислов церия и слоем SiO₂ с n = 1,46, в свою очередь нанесенным на слой из Al₂O₃, с толщинами слоев 0,3 - 1,0 и 0,5 - 1,0 соответственно. В этом случае образуется не являющееся интерференционным покрытие со ступенчатым уменьшением показателя преломления 2,3: 1,69: 1,46: 1,33 - 1,0, вносящее наименьшие потери света в диапазоне возбуждения ионов эрбия.

В случае, когда лазер содержит жидкую среду с показателем преломления 1,4 - 1,5, достаточно использовать один переходной слой из пленки Al₂O₃ с n = 1,69, поскольку слой из SiO₂ не дает дополнительного снижения потерь, а только ухудшает охлаждение фильтрующего слоя. В случаях, когда показатель преломления окружающей среды равен 1,0 - 1,3 и требуется согласование коэффициента термического расширения переходного слоя с материалом прозрачной среды под фильтрующей пленкой, целесообразно применение только одного слоя из SiO₂, нанесенного непосредственно на покрытие из окислов церия. Такой вариант может быть эффективно использован, например, при нанесении покрытия на кварцевое стекло оболочки источника света.

Конкретным примером исполнения лазера с фильтром в виде покрытия является твердотельный лазер, выполненный на алюминате иттрия с эрбием и с нанесенными на лампу накачки фильтрующим покрытием из CeO₂ и переходным слоем из SiO₂. Для оптимальной фильтрации света накачки толщина покрытия из CeO₂ на оболочке лампы для работы с эрбиевой активной средой должна быть 1,0 - 1,5 мкм с одним из описанных выше снижающих потери согласующих покрытий, состоящим из пленки SiO₂ толщиной 0,5 - 1,0 мкм. При этом оптическая плотность фильтра в области λ<320 нм составляет более 3, а при λ>360 нм 0,08 - 0,1 с резким снижением на λ = 370 нм до значения менее 0,03.

Примером варианта исполнения лазера с фильтрующей жидкой средой является лазер, где активная среда и источник света накачки охлаждаются раствором CeCl₃ в воде с концентрацией соли 4 - 6 М/л при суммарной толщине слоя раствора в каналах охлаждения вокруг активной среды и/или источника света накачки 3 - 1 мм. В этом случае спектр пропускания фильтра имеет ширину границы 30 нм, плотность на λ = 360 нм не более 0,04 - 0,05, а в области спектра короче 320 нм - более 3.

На элементах ⊘ 5·50 мм из YAlO₃ : Er³⁺ и ксеноновой лампе накачки с разрядным промежутком ⊘ 3·45 мм был создан экспериментальный лазер, где в плоском резонаторе с пропусканием выходного зеркала 10 - 20% был получен порог генерации 6 - 7 Дж при дифференциальном КПД ≈ 2%. В этом случае при энергии накачки ≈ 17 Дж была получена выходная энергия не менее 20 мДж при частоте повторения импульсов 10 - 50 Гц. В мировой литературе не встречались сообщения о генерации периодического действия одновременно с такими пороговой энергией накачки, дифференциальным КПД и частотой повторения импульсов излучения на λ = 1,66 мкм.

Такие же высокие результаты были получены в лазерах с активной средой в виде нескольких активных элементов и источника световой накачки в виде нескольких прямых газоразрядных ламп накачки при различных комбинациях количества элементов и ламп. Например, для разгрузки ламп при рабочей накачке активной среды, превышающей энергию или мощность, допустимую на одну лампу, была использована схема лазера с двумя лампами и одним активным элементом при варианте фильтрации с использованием водного раствора соли CeCl₃ в рубашках охлаждения обеих ламп и активного элемента одновременно.

Во всех приведенных примерах лазера долговечность активных элементов возрастала в 100 и более раз, что допускало длительную работу лазера без снижения его выходных параметров и увеличения порога генерации при частоте повторения импульсов до 100 Гц.

Таким образом, созданы различные варианты безопасных для кожи и зрения человека лазеров, с низкой пороговой энергией накачки, высокой эффектностью и большой частотой повторения импульсов генерации излучения с длиной волны 1,6 - 1,8 мкм.

Так как предложенные выше решения эффективны для генераций излучения с длиной волны 1,6 - 1,8 мкм с уровня ⁴S_3/2, лежащего в схеме уровней ионов Er³⁺ выше уровня ⁴I_11/2, с которого происходит генерация излучения с длиной волны 2,7 - 3,0 мкм, то они могут быть эффективно использованы в лазерах на активированных ионами Er³⁺ средах с длиной волны генерации 2,7 - 3,0 мкм.

Изобретение может применяться в морском и воздушном транспорте, геодезии и картографии, системах сигнализации, при мониторинге окружающей среды и в медицине.

Наиболее успешно изобретение может быть применено в виде моноимпульсных лазеров с излучением в области прозрачности атмосферы в диапазоне длин волн 1,5 - 1,8 мкм, применяемых для дальнометрии и оптической локации.

Лазеры на длине волны 2,7 - 3,0 мкм эффективны для применения в медицине, в том числе хирургии.

Формула изобретения

1. Твердотельный лазер, включающий легированную трехвалентную ионами эрбия активную среду и источник световой накачки с оболочкой из прозрачного материала, отделенный от активной среды дополнительным фильтрующим слоем в виде оптических деталей, и/или нанесенных на них покрытий, и/или жидкой среды, прозрачных для света в диапазоне возбуждения активной среды, отличающийся тем, что оптическая плотность фильтрующего слоя, суммарного по всей длине пути любого луча от источника накачки до активной среды, включая путь в оболочке источника накачки, должна быть не менее 2 в диапазоне длин волн короче 320 нм и не более 0,1 в диапазоне спектра возбуждения активной среды с длинами волн более 360 нм.

2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что он содержит фильтр, выполненный в виде твердой устойчивой пленки из окислов церия, не менее 2/3 стехиометрического состава которых составляет двуокись четырехвалентного церия CeO₂ толщиной 0,3 - 1,5 мкм, нанесенной непосредственно на проходимую светом накачки поверхность прозрачного материала оболочки источника света накачки, и/или оптической детали, и/или активной среды.

3. Лазер по п.2, отличающийся тем, что на поверхность фильтра, выполненного в виде пленки из окислов церия, на границе раздела с газообразной и/или жидкой средой дополнительно нанесен переходной слой в виде пленки из окисла алюминия Al₂O₃ толщиной 0,3 - 1,0 мкм.

4. Лазер по пп.2 и 3, отличающийся тем, что на поверхность фильтра, выполненного в виде пленки из окислов церия, или на поверхность дополнительного переходного слоя в виде пленки из окисла алюминия Al₂O₃ на границе их раздела с газообразной и/или жидкой средой нанесен слой двуокиси кремния SiO₂ толщиной 0,5 - 1,0 мкм.

5. Лазер по пп.1 - 4, отличающийся тем, что он содержит жидкую среду, включающую соединения ионов церия.

6. Лазер по п.5, отличающийся тем, что жидкая среда выполнена на основе водного раствора хлорида трехвалентного церия CeCl₃ с концентрацией соли не менее 0,4 м/л.

7. Лазер по п.5, отличающийся тем, что жидкая среда выполнена на основе водного раствора бромида трехвалентного церия CeBr₃ с концентрацией соли не менее 0,4 м/л.

8. Лазер по п.6, отличающийся тем, что жидкая среда, выполненная на основе водного раствора хлорида трехвалентного церия, содержит бромид трехвалентного церия при суммарной концентрации солей церия не менее 0,4 м/л.

9. Лазер по пп.1 - 8, отличающийся тем, что легированная трехвалентными ионами эрбия активная среда выполнена на основе кристаллов алюмината иттрия YAlO₃ : Er³⁺.

10. Лазер по пп.1 - 8, отличающийся тем, что легированная трехвалентными ионами эрбия активная среда выполнена на основе кристаллов иттриево-алюминиевого граната YAG : Er³⁺.

11. Лазер по пп.1 - 10, отличающийся тем, что активная среда легирована ионами с коротковолновой границей диапазона длин волн их эффективного возбуждения не менее 350 нм.