Микролазер с внутрирезонаторным удвоением частоты излучения

 

Изобретение относится к области лазерной техники, в частности к твердотельным лазерам с диодной накачкой, и промышленно применимо в медицине, информатике, оргтехнике, а также в индустрии развлечений. Микролазер содержит источник продольной диодной накачки, объектив, прозрачную теплопроводящую пластину, активный элемент, отрицательную линзу и нелинейный элемент. Активный элемент, отрицательная линза и нелинейный элемент установлены внутри корпуса резонатора. На его входном торце установлена прозрачная теплопроводящая пластина. Отрицательная линза и нелинейный элемент закреплены внутри корпуса с помощью втулки. Входное зеркало выполнено в виде первого многослойного диэлектрического покрытия, которое нанесено на входную поверхность активного элемента. Выходное зеркало выполнено в виде второго многослойного диэлектрического покрытия, которое нанесено на выходную поверхность нелинейного элемента. На входную поверхность нелинейного элемента нанесено третье многослойное диэлектрическое покрытие. Между выходом источника продольной диодной накачки и объективом установлен оптический разъем. Технический результат изобретения: повышение эффективности генерации и улучшение спектральных и пространственных характеристик излучения второй гармоники. 22 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области лазерной техники, в частности к твердотельным лазерам с диодной накачкой, и промышленно применимо в медицине, информатике, оргтехнике, а также в индустрии развлечений.

Известен микролазер с внутрирезонаторным удвоением частоты излучения, содержащий оптически связанные и последовательно установленные вдоль оптической оси источник продольной диодной накачки, объектив, входное зеркало, активный элемент, дополнительное зеркало, выполненное пропускающим основное излучение и отражающим излучение второй гармоники, нелинейный элемент и выходное зеркало, при этом входное зеркало выполнено пропускающим излучение накачки и отражающим основное излучение, причем входное зеркало выполнено в виде первого многослойного диэлектрического покрытия, которое нанесено на входную поверхность активного элемента, дополнительное зеркало выполнено в виде второго многослойного диэлектрического покрытия, которое нанесено на входную поверхность нелинейного элемента [Сычугов В.А., Михайлов В.А., Кондратюк В.А., Лындин Н.М., Фрам Ю, Загуменный А.И., Заварцев Ю.Д., Студениким П. А. Коротковолновый λ=914 нм микролазер на кристалле YVO₄: Nd³⁺. Квантовая электроника, 2000, т. 30, N 1, с. 13].

Недостатком этого микролазера является то, что он эффективен лишь при условии совпадения размеров области накачки внутри активного элемента с размерами моды основного излучения, генерируемой в резонаторе микролазера. Нагрев активного элемента излучением накачки создает в нем положительную термолинзу и превращает плоский резонатор Фабри-Перо в резонатор, одно из зеркал которого приобретает кривизну, определяемую диаметром области накачки и ее мощностью. Понижение диаметра области накачки и/или увеличение ее мощности увеличивает кривизну эквивалентного сферического зеркала резонатора и существенно сокращает диаметр моды внутри резонатора Наиболее близким к заявляемому является известный микролазер с внутрирезонаторным удвоением частоты излучения, содержащий оптически связанные и последовательно установленные вдоль оптической оси источник продольной диодной накачки, объектив, прозрачную теплоотводящую пластину, входное зеркало, активный элемент, дополнительное зеркало, выполненное пропускающим основное излучение и отражающим излучение второй гармоники, нелинейный элемент и выходное зеркало, при этом входное зеркало выполнено пропускающим излучение накачки и отражающим основное излучение, причем входное зеркало выполнено в виде первого многослойного диэлектрического покрытия, которое нанесено на входную поверхность активного элемента, дополнительное зеркало выполнено в виде второго многослойного диэлектрического покрытия, которое нанесено на входную поверхность нелинейного элемента, а выходное зеркало выполнено в виде третьего многослойного диэлектрического покрытия, которое нанесено на выходную поверхность нелинейного элемента [Патент США N 5796766, МПК H 01 S 3/04] . В этом микролазере продольная накачка активного элемента осуществляется излучением диодных лазеров, которое доставляется к активному элементу с помощью волоконного световода или же путем расположения диодного лазера в непосредственной близости к активному элементу. Выход диодного излучателя системы накачки оптически согласуется с активным элементом с помощью микрообъектива. Торцевое охлаждение активного элемента реализуется за счет плотного термического контакта входного торца активного элемента с прозрачной термопроводящей пластиной, термически соединенной с радиатором. Охлаждение активного элемента через входной торец значительно понижает температуру его вблизи входного торца и выравнивает распределение температуры вдоль оси активного элемента. Использование торцевого охлаждения активного элемента повышает стойкость зеркального покрытия на торце активного элемента. Нелинейный элемент микролазера располагается внутри резонатора для основного излучения, в непосредственной близости от активного элемента. Выход излучения второй гармоники осуществляется в направлении распространения излучения накачки.

Недостатком ближайшего аналога является то, что он эффективно работает лишь при условии совпадения размеров области накачки внутри активного элемента с размерами моды основного излучения, генерируемой в резонаторе микролазера. Нагрев активного элемента излучением накачки создает в нем положительную термолинзу и превращает плоский резонатор Фабри-Перо в резонатор, одно из зеркал которого приобретает кривизну, определяемую диаметром области накачки и ее мощностью. Понижение диаметра области накачки и/или увеличение ее мощности увеличивает кривизну эквивалентного сферического зеркала резонатора и существенно сокращает диаметр моды внутри резонатора. В случае доставки излучения накачки с помощью волоконного световода диаметр области накачки фиксирован и определяется диаметром световода, поэтому монотонное увеличение мощности накачки монотонно сокращает размер генерируемой моды. Для ближайшего аналога существует оптимальная мощность накачки, выше которой выходная мощность второй гармоники падает. Например, для микролазеров зеленого излучения выходная мощность не превышает 400 мВт при мощности накачки 2 Вт.

С помощью предлагаемого изобретения решается техническая задача повышения эффективности генерации и улучшения спектральных и пространственных характеристик излучения второй гармоники.

Поставленная техническая задача решается тем, что известный микролазер с внутрирезонаторным удвоением частоты излучения, содержащий оптически связанные и последовательно установленные вдоль оптической оси источник продольной диодной накачки, объектив, прозрачную теплоотводящую пластину, входное зеркало, активный элемент, дополнительное зеркало, выполненное пропускающим основное излучение и отражающим излучение второй гармоники, нелинейный элемент и выходное зеркало, при этом входное зеркало выполнено пропускающим излучение накачки и отражающим основное излучение, причем входное зеркало выполнено в виде первого многослойного диэлектрического покрытия, которое нанесено на входную поверхность активного элемента, дополнительное зеркало выполнено в виде второго многослойного диэлектрического покрытия, которое нанесено на входную поверхность нелинейного элемента, а выходное зеркало выполнено в виде третьего многослойного диэлектрического покрытия, которое нанесено на выходную поверхность нелинейного элемента, дополнительно содержит отрицательную линзу, расположенную на оптической оси между активным и нелинейным элементами.

В частности, что входная поверхность активного элемента может быть выполнена сферической.

В частности, что отрицательная линза может быть выполнена плосковогнутой. При этом плосковогнутая отрицательная линза может иметь асферическую или эллиптическую вогнутую поверхность В частности, отрицательная линза может быть выполнена в виде плоской градиентной линзы.

В частности, отрицательная линза может быть выполнена из материала с насыщающимся поглощением.

В частности, входная поверхность нелинейного элемента может быть выполнена вогнутой.

В частности, плоская поверхность отрицательной линзы и входная плоская поверхность нелинейного элемента могут образовывать интерферометр Фабри-Перо.

В частности, микролазер может дополнительно содержать кварцевую плоскопараллельную пластину, расположенную между отрицательной линзой и нелинейным элементом. При этом толщина кварцевой плоско-параллельной пластины может составлять от 0,2 до 0,4 мм.

В частности, микролазер может дополнительно содержать корпус резонатора. При этом корпус резонатора может быть выполнен из теплопроводящего материала При этом внутри корпуса резонатора могут быть установлены активный элемент, отрицательная линза и нелинейный элемент. При этом на входном торце корпуса резонатора может быть установлена прозрачная теплопроводящая пластина.

В частности, микролазер может дополнительно содержать радиатор. При этом он может дополнительно содержать Пельтье-элемент, который расположен между теплопроводящей прозрачной пластиной и радиатором. При этом микролазер может дополнительно содержать оптический разъем, расположенный между источником продольной диодной накачки и объективом, причем источник продольной диодной накачки, оптический разъем, объектив и прозрачная теплопроводящая пластина могут быть жестко закреплены на радиаторе.

В частности, микролазер может дополнительно содержать устройство контроля температуры, соединенное с нелинейным элементом.

В частности, на поверхности отрицательной линзы может быть нанесено просветляющее покрытие для длины волны основного излучения.

В частности, активный элемент может быть выполнен в виде одного из монокристаллов из группы Y₃Al₅O₁₂, Gd₃Ga₅O₁₂, YVO₄, GdVO₄, YAlO₃, LiYF₄ и LaSC₃(ВО)₄, активированных ионами Nd⁺³.

В частности, активный элемент может быть выполнен в виде монокристалла NdP₅O₁₂.

В частности, нелинейный элемент может быть выполнен в виде одного из монокристаллов из группы KTiOPO₄, KNbO₃, LiNbO₃, LiIO₃, β-BaB₂O₄, LiB₃O₅ и AgGaS₂.

Суть изобретения состоит в том, что в микролазере сформирован телескопический резонатор, который состоит из отрицательной линзы и положительной линзы, созданной в активном элементе за счет нагрева и дополнительно за счет придания входной поверхности активного элемента сферической формы. Телескопический резонатор характеризуется коэффициентом увеличения М, который определяется отношением фокусных длин линз, составляющих его. В свою очередь, коэффициент увеличения М определяет отношение максимального и минимального диаметров моды телескопического резонатора. Размещение активного элемента внутри резонатора в области большого диаметра моды этого резонатора позволяет увеличить диаметр области накачки и рабочий объем активного элемента. Размещение нелинейного элемента в области малого диаметра моды резонатора позволяет повысить эффективность нелинейного преобразования в М⁴ раз. Кроме этого телескопический резонатор позволяет увеличить длину нелинейного элемента, что также приводит к повышению эффективности нелинейного преобразования.

Так, например, увеличение длины нелинейного элемента в 1,5 раз повышает эффективность преобразования в 2,25 раз.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена блок-схема заявляемого микролазера.

Микролазер содержит источник продольной диодной накачки с выходом 1, объектив 2, прозрачную теплопроводящую пластину 3, активный элемент 4, отрицательную линзу 5 и нелинейный элемент 6. Активный элемент 4, отрицательная линза 5 и нелинейный элемент 6 установлены внутри корпуса резонатора лазера 7, на входном торце которого установлена прозрачная теплопроводящая пластина 3. Отрицательная линза 5 и нелинейный элемент 6 закреплены внутри корпуса 7 с помощью втулки 8. Прозрачная теплопроводящая пластина 3 закреплена на радиаторе 9, являющимся несущим элементом микролазера. Входное зеркало выполнено в виде первого многослойного диэлектрического покрытия, которое нанесено на входную поверхность 10 активного элемента 4. Выходное зеркало выполнено в виде второго многослойного диэлектрического покрытия, которое нанесено на выходную поверхность 11 нелинейного элемента 6. На входную поверхность 12 нелинейного элемента 6 нанесено третье многослойное диэлектрическое покрытие. Между выходом 1 источника продольной диодной накачки и объективом 2 установлен оптический разъем 13.

Первое многослойное диэлектрическое покрытие выполнено пропускающим излучение накачки и отражающим основное излучение. Второе многослойное диэлектрическое покрытие выполнено пропускающим излучение удвоенной частоты и отражающим основное излучение. Третье многослойное диэлектрическое покрытие выполнено пропускающим основное излучение и отражающим излучение удвоенной частоты.

Заявляемый микролазер работает следующим образом. Излучение накачки, исходящее из выхода 1 источника продольной диодной накачки, проходит через объектив 2, теплопроводящую пластину 3, входное зеркало 10, фокусируется внутри активного элемента 4, и, поглощаясь, создает в нем инверсию населенности уровней лазерного перехода. Одновременно в активном элементе формируется термолинза. При уровне накачки, обеспечивающем близость локализации фокусов термолинзы и отрицательной линзы 5, внутри резонатора возникает генерация основного излучения микролазера. Внутри нелинейного элемента 6 излучение основного излучения преобразуется в излучение второй гармоники. Выходное зеркало 11 резонатора микролазера прозрачно для излучения второй гармоники, поэтому одна его часть выходит наружу после одного прохода нелинейного элемента 6, а другая часть - после двух проходов нелинейного элемента, причем такой двойной проход обеспечивается зеркалом 12 на входном торце нелинейного элемента 6, полностью отражающим излучение второй гармоники.

Входное 10 и выходное 11 зеркала резонатора полностью отражают излучение основной гармоники (коэффициент отражения R=100%) и плотность этого излучения внутри нелинейного элемента 6 достигает большой величины. Телескопический резонатор еще более повышает эту плотность, что и обеспечивает решение поставленной технической задачи.

В процессе работы заявляемого микролазера положительная линза формируется в активном элементе 4 двумя путями в зависимости от величины его коэффициента теплопроводности активного элемента 4 микролазера.

При низкой теплопроводности в результате нагрева излучением накачки формируется сильная термолинза, фокусная длина которой достигает L = 2-3 мм. В сочетании с отрицательной линзой 5 термолинза в активном элементе 4 создает телескопический элемент с коэффициентом увеличения, равным 2 - 3, что повышает эффективность нелинейного преобразования в 16-81 раз.

При высокой теплопроводности положительная термолинза, возникающая в активном элементе, недостаточна для создания телескопического резонатора малой длины L = 4-5 мм. По этой причине входной поверхности 10 активного элемента 4 придают сферическую форма, причем радиус сферы составляет ~10 мм. Это соответствует длине фокусировки излучения активным элементом 4, равной 3 мм, и приводит к 80-кратному увеличению эффективности нелинейного преобразования излучения.

Внутрирезонаторное удвоение частоты излучения требует очень высокой добротности резонатора и поэтому введение отрицательной линзы 5 внутрь резонатора микролазера накладывает жесткие требования на качество этой линзы, в частности, просветляющие покрытия должны иметь коэффициенты отражения, не превышающие 0,1% на длине волны основного излучения.

Использование телескопического резонатора в микролазере, кроме увеличения эффективности нелинейного преобразования, уменьшает расходимость выходного излучения, поскольку нелинейный элемент 6 оказывается в зоне распространения узкого, практически параллельного падающего пучка основного излучения. В результате расходимость выходного излучения практически близка к дифракционному пределу.

Дискриминация поперечных мод телескопического резонатора определяется поперечным распределением мощности накачки внутри активного элемента 4, формирующим ограничивающую аппертуру, и которая выделяет одну поперечную моду основного излучения. Кроме того, плоская поверхность отрицательной линзы 5 и входная плоская поверхность 12 нединейного элемента 6 при наличии остаточного отражения света от них и при параллельной установке их друг к другу образуют интерферометр Фабри-Перо, коэффициент пропускания которого периодически изменяется по шкале длин волн. Это изменяет потери мод резонатора, что приводит к существенному сужению спектра генерации как основного излучения, так и второй гармоники. В случае отсутствия остаточного отражения введение кварцевой плоскопараллельной пластины толщиной ~0,3 мм между отрицательной линзой 5 и нелинейным элементом 6 также приводит к селекции продольных мод и существенному сужению спектра выходного излучения.

В микролазере, выполненном согласно изобретению, в качестве активного элемента 4 использован кристалл YVO₄ - Nd³⁺ толщиной 1 мм с концентрацией Nd³⁺, равной 1 ат.%. Входная поверхность 10 элемента 4 выполнена сферической с радиусом кривизны 15 мм и на нее нанесено первое многослойное диэлектрическое покрытие с коэффициентом отражения R = 100% на длине волны основного излучения λ = 1,05 мкм и коэффициентом пропускания Т = 90% на длине волны накачки λ = 0,808 мкм. На вторую плоскую поверхность активного элемента 4 нанесено просветляющее покрытие для λ = 1,06 мкм. В качестве нелинейного элемента 6 использован кристалл КТР, вырезанный вдоль направления синхронизма излучений с λ = 1,06 мкм и λ = 0,53 мкм. Длина элемента 6 составляет 3 мм. На входную поверхность 12 кристалла 6 нанесено третье многослойное диэлектрическое покрытие с R = 100% для λ = 0,53 мкм и Т = 100% для λ = 1,06 мкм. На выходную поверхность 11 кристалла 6 нанесено второе многослойное диэлектрическое покрытие с T ~ 100% для λ = 0,53 мкм и R=100% для λ = 1,06 мкм. Отрицательная плосковогнутая линза 5, выполненная из кварцевого стекла марки КУВИ, имела толщину 0,5 мкм и аппертуру рабочей зоны 0,3 мм. Радиус кривизны ее вогнутой поверхности 1 составлял 0,65 мм. Общая длина резонатора составляла 8 мм.

Активный элемент 4 закреплен на прозрачной теплопроводящей пластине 3, выполненной из корунда Al₂O₃, с помощью которой производилось охлаждение активного элемента 4. Его накачка производили излучением диодных лазеров с волоконным выходом 1 диаметром 250 мкм и числовой апертурой 0,22. Выход 1 согласовывался с входом активного элемента 4 с помощью микрообъектива 2. В процессе испытаний микролазера было получено зеленое излучение мощностью 1,5 Вт при мощности диодной накачки 8 Вт.

Формула изобретения

1. Микролазер с внутрирезонаторным удвоением частоты излучения, содержащий оптически связанные и последовательно установленные вдоль оптической оси источник продольной диодной накачки, объектив, прозрачную теплоотводящую пластину, входное зеркало, активный элемент, дополнительное зеркало, выполненное пропускающим основное излучение и отражающим излучение второй гармоники, нелинейный элемент и выходное зеркало, при этом входное зеркало выполнено пропускающим излучение накачки и отражающим основное излучение, причем входное зеркало выполнено в виде первого многослойного диэлектрического покрытия, которое нанесено на входную поверхность активного элемента, дополнительное зеркало выполнено в виде второго многослойного диэлектрического покрытия, которое нанесено на входную поверхность нелинейного элемента, а выходное зеркало выполнено в виде третьего многослойного диэлектрического покрытия, которое нанесено на выходную поверхность нелинейного элемента, отличающийся тем, что он дополнительно содержит отрицательную линзу, расположенную на оптической оси между активным и нелинейным элементами.

2. Микролазер по п.1, отличающийся тем, что входная поверхность активного элемента выполнена сферической.

3. Микролазер по п.1, отличающийся тем, что отрицательная линза выполнена плосковогнутой.

4. Микролазер по п.3, отличающийся тем, что плосковогнутая отрицательная линза имеет асферическую вогнутую поверхность.

5. Микролазер по п.3, отличающийся тем, что плосковогнутая отрицательная линза имеет эллиптическую вогнутую поверхность.

6. Микролазер по п.1, отличающийся тем, что отрицательная линза выполнена в виде плоской градиентной линзы.

7. Микролазер по п.1, отличающийся тем, что отрицательная линза выполнена из материала с насыщающимся поглощением.

8. Микролазер по п.1, отличающийся тем, что входная поверхность нелинейного элемента выполнена вогнутой.

9. Микролазер по п.1, отличающийся тем, что плоская поверхность отрицательной линзы и входная плоская поверхность нелинейного элемента образуют интерферометр Фабри-Перо.

10. Микролазер по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кварцевую плоскопараллельную пластину, расположенную между отрицательной линзой и нелинейным элементом.

11. Микролазер по п.10, отличающийся тем, что толщина кварцевой плоскопараллельной пластины составляет от 0,2 до 0,4 мм.

12. Микролазер по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит корпус резонатора.

13. Микролазер по п.12, отличающийся тем, что корпус резонатора выполнен из теплопроводящего материала.

14. Микролазер по п.12, отличающийся тем, что внутри корпуса резонатора установлены активный элемент, отрицательная линза и нелинейный элемент.

15. Микролазер по п.12, отличающийся тем, что на входном торце корпуса резонатора установлена прозрачная теплопроводящая пластина.

16. Микролазер по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит радиатор.

17. Микролазер по п.16, отличающийся тем, что он дополнительно содержит Пельтье-элемент, который расположен между теплопроводящей прозрачной пластиной и радиатором.

18. Микролазер по п.16, отличающийся тем, что он дополнительно содержит оптический разъем, расположенный между источником продольной диодной накачки и объективом, причем источник продольной диодной накачки, оптический разъем, объектив и прозрачная теплопроводящая пластина жестко закреплены на радиаторе.

19. Микролазер по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит устройство контроля температуры, соединенное с нелинейным элементом.

20. Микролазер по п. 1, отличающийся тем, что на поверхности отрицательной линзы нанесено просветляющее покрытие для длины волны основного излучения.

21. Микролазер по п.1, отличающийся тем, что активный элемент выполнен в виде одного из монокристаллов из группы ₃Al₅O₁₂, Gd₃Ga₅O₁₂, YVO₄, GdVO₄, YAlO₃, LiYF₄ и LaSC₃(BO)₄, активированных ионами Nd³⁺.

22. Микролазер по п.1, отличающийся тем, что активный элемент выполнен в виде монокристалла NdP₅O₁₂.

23. Микролазер по п.1, отличающийся тем, что нелинейный элемент выполнен в виде одного из монокристаллов из группы KTiOPO₄, KNbO₃, LiNbO₃, LiIO₃, β-BaB₂O₄, LiB₃O₅ и AgGaS₂.

РИСУНКИ

Рисунок 1