Микролазер (варианты)

 

Изобретение относится к области лазерной техники, в частности к твердотельным лазерам. Микролазер содержит входное зеркало, активный элемент, дифракционную решетку, выходное зеркало, источник накачки в виде решетки диодных лазеров, коллиматор, выполненный в виде цилиндрической линзы, второй активный элемент, второй источник накачки, выполненный в виде диодного лазера, и второй коллиматор, выполненный в виде микрообъектива. Повышение пиковой мощности микролазера при сохранении ее среднего уровня достигается размещением модулятора добротности между активным элементом и дифракционной решеткой. Технический результат: повышение мощности генерации микролазера. 3 с. и 17 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области лазерной техники, в частности к твердотельным лазерам, и промышленно применимо в медицине, информатике, оргтехнике, новых высоких технологиях, а также в индустрии развлечений.

Известен микролазер, содержащий оптически связанные и последовательно установленные входное зеркало, активный элемент и дифракционную решетку, а также источник накачки [Bradley D.J., Gale G.M., Moore M., Smith D.D. Longitudinally pumped narrow-band continuously tunable dye laser. Phys. Lett, 1968, vol. 26A, p. 378-379]. Дифракционная решетка в этой резонаторной схеме, работающая в режиме автоколлимации, определяет ширину спектра генерации и частично расходимость излучения.

Недостатком этого микролазера является невозможность одновременно получить большую мощность излучения, узкий спектр генерации и малую расходимость его излучения при малом отношении длины активного элемента к его поперечному размеру.

Наиболее близким к заявляемому является известный микролазер, содержащий входное зеркало, выходное зеркало, активный элемент и дифракционную решетку, а также источник накачки [Васильев С.В., Мишин В.А., Шаврова Т.В. Одночастотный лазер на красителе с оптоволоконной накачкой. Квантовая электроника, 1997, т.24, 2, с. 131-133].

Недостатком ближайшего аналога является невысокая выходная мощность, поскольку необходимое для повышения мощности увеличение поперечных размеров активного элемента вызывает многократное увеличение длины дифракционной решетки.

С помощью предлагаемого изобретения решается техническая задача повышения мощности генерации микролазера.

Поставленная техническая задача решается тем, что в известном микролазере, содержащем входное зеркало, выходное зеркало, активный элемент и дифракционную решетку, а также источник накачки, дифракционная решетка установлена между активным элементом и выходным зеркалом, причем угол ϕ между нормалью к плоскости входного зеркала и плоскостью дифракционной решетки составляет от 65 до 90^o, а угол ψ между нормалью к плоскости выходного зеркала и плоскостью дифракционной решетки не превышает 5^o.

В частности, период Λ дифракционной решетки может определяться соотношением λ/Λ = cosψ+cosϕ, где λ - длина волны света.

В частности, активный элемент может быть выполнен твердотельным, жидкостным или газовым.

В частности, входное зеркало может быть выполнено прозрачным на длине волны накачки. При этом оно может быть выполнено в виде многослойного диэлектрического покрытия и нанесено на торец активного элемента.

В частности, источник накачки может быть выполнен в виде решетки диодных лазеров и установлен перед входным зеркалом.

В частности, микролазер может дополнительно содержать коллиматор, установленный между источником накачки и активным элементом. При этом коллиматор может быть выполнен в виде цилиндрической линзы, например в виде отрезка волоконного световода.

В частности, микролазер может дополнительно содержать второй активный элемент, второй источник накачки и второй коллиматор, второй активный элемент установлен между дифракционной решеткой и выходным зеркалом, второй источник накачки, выполненный в виде диодного лазера, установлен за выходным зеркалом, а коллиматор, выполненный в виде микрообъектива, установлен между вторым источником накачки и выходным зеркалом, которое выполнено прозрачным на длине излучения второго источника накачки.

В частности, микролазер может дополнительно содержать модулятор добротности. При этом модулятор добротности может быть установлен между активным элементом и дифракционной решеткой и выполнен в виде насыщающегося поглотителя.

В частности, микролазер может дополнительно содержать нелинейный элемент, установленный между дифракционной решеткой и выходным зеркалом.

Поставленная техническая задача решается также тем, что известный микролазер, содержащий входное зеркало, выходное зеркало, активный элемент и дифракционную решетку, дополнительно содержит коллиматор, активный элемент выполнен в виде, по меньшей мере, одного диодного лазера, коллиматор, выполненный в виде цилиндрической линзы, установлен перед активным элементом, а дифракционная решетка установлена между активным элементом и выходным зеркалом, причем угол ϕ между нормалью к плоскости входного зеркала и плоскостью дифракционной решетки составляет от 65 до 90^o, а угол ψ между нормалью к плоскости выходного зеркала и плоскостью дифракционной решетки не превышает 5^o.

В частности, период Λ дифракционной решетки может определяться соотношением λ/Λ = cosψ+cosϕ. В частности, цилиндрическая линза может быть выполнена в виде отрезка волоконного световода.

В частности, микролазер может содержать дополнительное зеркало, которое установлено между коллиматором и дифракционной решеткой и выполнено, по меньшей мере, с одной прозрачной щелью, противостоящей торцу диодного лазера.

В частности, входное зеркало может быть нанесено на торец диодного лазера.

Поставленная техническая задача решается также тем, что в известном микролазере, содержащем входное зеркало, выходное зеркало, активный элемент и дифракционную решетку, активный элемент выполнен в виде, по меньшей мере, одного оптически активного волоконного световода, на выходе которого установлен коллиматор, дифракционная решетка установлена между коллиматором и выходным зеркалом, причем угол ϕ между плоскостью дифракционной решетки и падающим на нее пучком света составляет от 65 до 90^o, а угол ψ между нормалью к плоскости выходного зеркала и плоскостью дифракционной решетки не превышает 5^o.

В частности, период Λ дифракционной решетки может определяться соотношением λ/Λ = cosψ+cosϕ. В частности, входное зеркало может быть выполнено в виде брегговской решетки.

В частности, коллиматор может быть выполнен в виде набора взаимно перпендикулярных цилиндрических линз.

Заявляемые изобретения, использующие один и тот же механизм повышения мощности генерации для разных активных элементов, представляют собой варианты реализации микролазера и связаны единым изобретательским замыслом.

Сущность изобретения состоит в следующем. Дифракционная решетка, установленная согласно изобретению, делит двухзеркальный резонатор на две части, различающиеся поперечными размерами пучков света. Помещение активного элемента в области широкого пучка света (в ближайшем аналоге активный элемент установлен в области узкого пучка) позволяет увеличить объем активного элемента и за счет этого повысить выходную мощность микролазера примерно в М раз, где M = sinϕ/sinψ. Обычно в микролазерах используют продольную накачку активного элемента диодными лазерами. Для получения мощной накачки излучение отдельных диодных лазеров сводят в один волоконный световод.

Размещение активного элемента в области широкого резонаторного пучка света и увеличение его поперечного размера до размеров стандартной линейки диодных лазеров 10 мм позволяет избежать использования какой-либо сложной промежуточной оптики для достижения большой мощности накачки активного элемента. Повышение выходной мощности заявляемого микролазера достигается без изменения длины его резонатора, что в свою очередь позволяет сохранить узкий спектр генерации и прежнюю расходимость излучения микролазера в режиме непрерывного действия.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 - 3 изображены варианты его реализации. Микролазер (фиг.1) содержит входное зеркало 1, активный элемент 2, дифракционную решетку 3, выходное зеркало 4, источник накачки 5 в виде решетки диодных лазеров, коллиматор 6, выполненный в виде цилиндрической линзы, второй активный элемент 7, второй источник накачки 8, выполненный в виде диодного лазера, и второй коллиматор 9, выполненный в виде микрообъектива. Повышение пиковой мощности микролазера при сохранении ее среднего уровня достигается размещением модулятора добротности 10 между активным элементом 2 и дифракционной решеткой 3. Функции заявляемого микролазера расширяются, если в области узкого резонаторного пучка света расположен нелинейный элемент 11. Большая плотность излучения в этой области резонатора существенно увеличивает эффективность генерации второй гармоники.

Работоспособность микролазера не зависит от вида выполнения активного элемента. Он может быть твердотельным, жидкостным, газовым.

Пучок излучения, выходящий из второго активного элемента 7, испытывает дифракцию на дифракционной решетке 3, уширяется и попадает на активный элемент 2 с большим поперечным сечением. Активный элемент 2, накачиваемый линейкой диодных лазеров 5, усиливает это излучение и тем самым повышает выходную мощность генерируемого излучения.

В случае, когда дифракционная решетка 3 в нулевом порядке дифракции не обеспечивает оптимальный выход излучения, оно выводится через выходное зеркало 4 (фиг. 1), при этом продольная накачка второго активного элемента 7 заменяется на поперечную, или второй активный элемент 7 удаляется из резонатора микролазера.

Заявляемое изобретение позволяет решить проблему создания полупроводникового излучателя большой мощности с узким спектром излучения и малой угловой расходимостью (фиг.2) путем размещения активного элемента 2 в виде линейки диодных лазеров в области широкого резонаторного пучка света. При этом входное зеркало 1 наносят на один торец диодных лазеров 2, другой торец которых оптически сопрягают с коллиматором пучка света 6. Коллиматором 6 может служить цилиндрическая линза, выполненная, например, в виде отрезка волоконного световода. Уменьшение потерь излучения в резонаторе достигается с помощью дополнительного зеркала 12, размещенного между цилиндрической линзой 6 и дифракционной решеткой 3 и установленного параллельно торцам линейки диодных лазеров 2. Прозрачные щели 13 в этом зеркале 12 расположены напротив рабочих каналов диодных лазеров 2. Первоначально узкие пучки диодных лазеров 2 после двукратного взаимодействия с дифракционной решеткой 3 и отражения от выходного зеркала 4 существенно перемешиваются, уширяются и образуют поле единой моды резонатора. В результате этого расходимость излучения на выходе микролазера определяется только размерами малого резонаторного пучка света, а ширина спектра излучения сужается до ширины одной продольной моды резонатора.

Заявляемое изобретение позволяет решить проблему создания волоконного лазера большой мощности с узким спектром излучения и малой угловой расходимостью (фиг.3) путем размещения активного элемента 2 в виде жгута волоконных лазеров в области широкого резонаторного пучка света. Микролазер (фиг.3) содержит входное зеркало 1, которое может быть выполнено в виде брегговской решетки, и коллиматор 6, представляющий собой набор взаимно перпендикулярных цилиндрических линз. Коллиматор 6 оптически согласует торцы волоконных лазеров 2 с дифракционной решеткой 3, обеспечивая плоский фронт падающей на нее волны. Накачка волоконных лазеров 2 осуществляется индивидуально стандартным образом. Первоначально узкие пучки излучения волоконных лазеров 2 после двукратного взаимодействия с дифракционной решеткой 3 и отражения от выходного зеркала 4 существенно перемешиваются, уширяются и образуют поле единой моды резонатора. В результате этого расходимость излучения на выходе микролазера определяется только размерами малого резонаторного пучка света, а ширина спектра излучения сужается до ширины одной продольной моды резонатора.

Заявляемый микролазер (фиг.1) работает следующим образом. Источник накачки 5 создает в активном элементе 2 области усиления лазерного излучения, которое дифрагирует на дифракционной решетке 3 в направлении выходного зеркала 4. Пучки излучения отдельных областей активного элемента 2 из-за расходимости сильно перекрываются. В результате после отражения от выходного зеркала 4 и повторной дифракции на дифракционной решетке 3 излучение из одного канала генерации частично попадает в другой. Многократное прохождение излучения по резонатору приводит к тому, что работа отдельных каналов генерации синхронизируется, что обусловливает формирование поля единой моды. При поперечном размере активного элемента 10 мм и значении ψ≈1° угол расходимости выходного излучения на длине волны λ = 1 мкм составляет ΔΘ = 20ʹ. При длине резонатора около 10 мм в микролазере (фиг.1) реализуется одномодовый режим генерации.

Оценка показывает, что при использовании активного элемента 2 из монокристаллов YAG-Nd ³⁺ или YV04-Nd ³⁺, дифракционной решетки 3 с эффективностью 95% и линейки диодных лазеров 5 мощностью 100 Вт/см микролазер обладает выходной мощностью более 40 Вт на длине волны 1,06 мкм.

Формула изобретения

1. Микролазер, содержащий входное зеркало, активный элемент, дифракционную решетку и выходное зеркало, а также источник накачки, отличающийся тем, что дифракционная решетка установлена между активным элементом и выходным зеркалом так, что угол ϕ между плоскостью дифракционной решетки и нормалью к плоскости входного зеркала составляет от 65 до 90^o, а угол ψ между плоскостью дифракционной решетки и нормалью к плоскости выходного зеркала не превышает 5^o, при этом период Λ дифракционной решетки определяется соотношением: λ/Λ = cosψ+cosϕ, где λ длина волны света.

2. Микролазер по п. 1, отличающийся тем, что активный элемент выполнен твердотельным.

3. Микролазер по п. 1, отличающийся тем, что активный элемент выполнен жидкостным.

4. Микролазер по п. 1, отличающийся тем, что активный элемент выполнен газовым.

5. Микролазер по п. 1, отличающийся тем, что входное зеркало выполнено прозрачным на длине волны накачки.

6. Микролазер по п. 5, отличающийся тем, что источник накачки выполнен в виде решетки диодных лазеров и установлен перед входным зеркалом.

7. Микролазер по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит коллиматор, установленный между источником накачки и активным элементом.

8. Микролазер по п. 7, отличающийся тем, что коллиматор выполнен в виде цилиндрической линзы.

9. Микролазер по п. 8, отличающийся тем, что цилиндрическая линза выполнена в виде отрезка волоконного световода.

10. Микролазер по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит второй активный элемент, второй источник накачки и второй коллиматор, второй активный элемент установлен между дифракционной решеткой и выходным зеркалом, второй источник накачки, выполненный в виде диодного лазера, установлен за выходным зеркалом, а коллиматор, выполненный в виде микрообъектива, установлен между вторым источником накачки и выходным зеркалом, которое выполнено прозрачным на длине излучения второго источника накачки.

11. Микролазер по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит модулятор добротности.

12. Микролазер по п. 11, отличающийся тем, что модулятор добротности установлен между активным элементом и дифракционной решеткой.

13. Микролазер по п. 11, отличающийся тем, что модулятор добротности выполнен в виде насыщающегося поглотителя.

14. Микролазер по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит нелинейный элемент, установленный между дифракционной решеткой и выходным зеркалом.

15. Микролазер, содержащий входное зеркало, активный элемент, дифракционную решетку и выходное зеркало, отличающийся тем, что он дополнительно содержит коллиматор, активный элемент выполнен в виде, по меньшей мере, одного диодного лазера, коллиматор, выполненный в виде цилиндрической линзы, установлен между активным элементом и дифракционной решеткой, а дифракционная решетка установлена так, что угол ϕ между плоскостью дифракционной решетки и нормалью к плоскости входного зеркала составляет от 65 до 90^o, а угол ψ между плоскостью дифракционной решетки и нормалью к плоскости выходного зеркала не превышает 5^o, при этом, период Λ дифракционной решетки определяется соотношением: λ/Λ = cosψ+cosϕ, где λ - длина волны света.

16. Микролазер по п. 15, отличающийся тем, что цилиндрическая линза выполнена в виде отрезка волоконного световода.

17. Микролазер по п. 15, отличающийся тем, что он содержит дополнительное зеркало, которое установлено между коллиматором и дифракционной решеткой и выполнено, по меньшей мере, с одной прозрачной щелью, противостоящей торцу диодного лазера.

18. Микролазер по п. 15, отличающийся тем, что входное зеркало нанесено на торец диодного лазера.

19. Микролазер, содержащий входное зеркало, активный элемент, дифракционную решетку и выходное зеркало, отличающийся тем, что активный элемент выполнен в виде, по меньшей мере, одного оптически активного волоконного световода, на выходе которого установлен коллиматор, дифракционная решетка установлена между коллиматором и выходным зеркалом так, что угол ϕ между плоскостью дифракционной решетки и нормалью к плоскости входного зеркала составляет от 65 до 90^o, а угол ψ между плоскостью дифракционной решетки и нормалью к плоскости выходного зеркала не превышает 5^o, при этом, период Λ дифракционной решетки определяется соотношением: λ/Λ = cosψ+cosϕ, где λ - длина волны света.

20. Микролазер по п. 19, отличающийся тем, что коллиматор выполнен в виде набора взаимно перпендикулярных цилиндрических линз.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3