Твердотельный лазер для накачки активной среды

Изобретение относится к области лазерной физики и может быть использовано при создании устройств для накачки активных жидких, газовых и твердых сред. Лазер содержит оптически связанные активный элемент; резонатор, модулятор добротности резонатора, источник накачки активного элемента и систему охлаждения. Активный элемент, резонатор и модулятор добротности резонатора выполнены в виде n прямоугольных сегментов, заполняющих круговой цилиндрический слой, причем n - четное число. Источник накачки в виде матрицы лазерных диодов размещен по внешней поверхности активного элемента. Пассивный модулятор добротности резонатора выполнен в виде пленки и размещен на внутренней поверхности активного элемента. Зеркала резонатора нанесены на внешнюю поверхность активного элемента и внешнюю поверхность модулятора. Охлаждающая активный элемент жидкость размещена в зазоре между активным элементом и матрицей лазерных диодов. Внешнее зеркало резонатора прозрачно для излучения лазерных диодов. Модулятор представляет собой активный электрооптический модулятор добротности и выполнен в виде единого блока с активным элементом. Плоскости поляризации излучения отдельных лазерных сегментов параллельны образующей цилиндра. Технический результат - получение протяженной цилиндрической сходящейся волны импульсного лазерного излучения и тем самым получение высокой степени равномерности и однородности накачки цилиндрической кюветы с активной средой. 1 ил.

 

Изобретение относится к области лазерной физики и может быть использовано при накачке активных жидких, газовых и твердых сред.

Известен твердотельный лазер для накачки активной среды [1], содержащий оптически связанные активный элемент, резонатор, модулятор добротности резонатора и цилиндрическую линзу, систему охлаждения и источник накачки активного элемента. Недостатком этого лазера является невозможность получения высокой степени равномерности и однородности накачки протяженной цилиндрической активной среды,

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является твердотельный лазер для накачки активной среды [2], содержащий оптически связанные активный элемент, резонатор, модулятор добротности резонатора и аксикон, источник накачки активного элемента и систему охлаждения.

Недостатком этого лазера является трудность обеспечения высокой степени равномерности и однородности накачки протяженной цилиндрической кюветы с активной средой.

Задачей заявляемого устройства является получение протяженной цилиндрической сходящейся волны импульсного лазерного излучения и тем самым высокой степени равномерности и однородности накачки, при небольших габаритах и стоимости создания и эксплуатации лазера.

Для решения поставленной задачи предлагается твердотельный лазер, содержащий оптически связанные активный элемент, резонатор, модулятор добротности резонатора, источник накачки активного элемента и систему охлаждения.

Новым, по мнению автора, является то, что активный элемент, модулятор и резонатор выполнены в виде n сегментов, заполняющих круговой цилиндрический слой, причем n - четное число, источник накачки в виде матрицы лазерных диодов размещен по внешней поверхности активного элемента, модулятор добротности резонатора представляет собой пассивный модулятор добротности и выполнен в виде пленки, нанесенной на внутреннюю поверхности активного элемента, или представляет собой активный модулятор добротности и выполнен в виде единого блока с активным элементом, при этом плоскости поляризации излучения отдельных лазерных сегментов параллельны образующей цилиндра; зеркала резонатора нанесены на внешнюю поверхность активного элемента и внешнюю поверхность модулятора, а охлаждающая активный элемент жидкость размещена в зазоре между активным элементом и матрицей лазерных диодов, при этом внешнее зеркало резонатора прозрачно для излучения лазерных диодов.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлен общий вид предлагаемого устройства.

Твердотельный лазер содержит активный элемент 1 в виде n сегментов, заполняющих круговой цилиндрический слой, причем n - четное число, на внешней поверхности которого расположена матрица лазерных диодов накачки 2. Их разделяет щелевой зазор 3, в котором прокачивается охлаждающая активный элемент жидкость. На внутренней поверхности цилиндрического слоя располагается пассивный модулятор добротности резонатора 4. Диэлектрические зеркала резонатора наносятся на внешнюю 5 (100% отражение на длине волны лазерного излучения и 100% пропускание излучения накачки) и внутреннюю 6 (˜10-20% отражение на длине волны лазерного излучения) поверхности цилиндрического слоя. Внешние зеркала резонатора образуют концентрический резонатор. Толщина активного элемента зависит от коэффициента поглощения излучения накачки и для активного элемента из Nd -SiO₂ и излучения накачки с λ=0,8мкм составит ˜20 мм.

Лазер работает следующим образом. Импульс излучения диодов 2 накачки длительностью ˜200 мкс создает инверсную населенность в объеме активного элемента 1. На линейном этапе развития генерации длительностью несколько микросекунд, в течение которого мощность излучения в концентрическом резонаторе лазера медленно нарастает, начиная со спонтанного шума, происходит формирование пространственной и спектральной структуры излучения. Из пространственных мод наиболее высокую добротность имеет мода с перетяжкой на оси цилиндра, которая и сформируется на этом этапе. При достижении уровня насыщения среды пассивного затвора 4 происходит высвечивание запасенной в активном элементе энергии. Так как добротность резонатора, образованного зеркалами 5 и 6, значительно выше, чем в резонаторе, образованном внешними зеркалами из-за больших потерь в накачиваемой активной среде 7, то генерация развивается в коротком резонаторе, образованном этими зеркалами, и ее длительность определяется длиной резонатора и может составить единицы наносекунд.

Распределение интенсивности накачки по радиусу в накачиваемой активной среде 7 будет достаточно равномерным вследствие сильного поглощения и будет описываться выражением: q=(q₀/r)[exp-μ(R-r)+exp-μ(R+r)], где μ - коэффициент поглощения активной среды. Так как активная среда имеет высокий коэффициент поглощения на длине волны генерации твердотельного лазера, то интерференция сходящейся и расходящейся от центра волн излучения будет существенна только вблизи оси цилиндра, где распределение интенсивности накачки будет описываться функцией Бесселя нулевого порядка, а вне центральной области распределение интенсивности накачки будет достаточно равномерным.

При активной модуляции добротности с помощью электрооптического модулятора добротности 4 импульс управления затвора имеет ступенчатую форму, что обеспечит сходный характер развития генерации, но управляемый и более эффективный.

При сфазированной генерации n лазерных источников, из которых составлена поверхность, происходит когерентное сложение полей от отдельных модулей и дополнительное увеличение плотности мощности в n раз. Фазовая синхронизация достигается за счет сильной дифракционной связи между лазерными сегментами.

Таким образом, заявляемый твердотельный лазер обеспечивает получение практически цилиндрической сходящейся волны импульсного лазерного излучения и тем самым равномерное освечивание цилиндрической кюветы любой длины с активной средой, размещенной в центре цилиндрической поверхности, причем достаточно равномерное распределение интенсивности накачки будет и по радиусу ячейки.

Источники информации

1. Dye Lasers: Topics in Applied Physics / Ed.F.P.Shafer. - Berlin.: Springer. 1978. V.1.

2. G.Kuhnle et al. // Appl. Opt. V.27. 1988. P.2666-2668.

Твердотельный лазер для накачки активной среды, содержащий оптически связанные активный элемент, резонатор, модулятор добротности резонатора, источник накачки активного элемента и систему охлаждения активного элемента, отличающийся тем, что активный элемент, модулятор и резонатор выполнены в виде п сегментов, заполняющих круговой цилиндрический слой, причем n - четное число, источник накачки в виде матрицы лазерных диодов размещен по внешней поверхности активного элемента, модулятор добротности резонатора представляет собой пассивный модулятор добротности и выполнен в виде пленки, нанесенной на внутреннюю поверхность активного элемента, или представляет собой активный модулятор добротности и выполнен в виде единого блока с активным элементом, при этом плоскости поляризации излучения отдельных лазерных сегментов параллельны образующей цилиндра; зеркала резонатора нанесены на внешнюю поверхность активного элемента и внешнюю поверхность модулятора, а охлаждающая активный элемент жидкость размещена в зазоре между активным элементом и матрицей лазерных диодов, при этом внешнее зеркало резонатора прозрачно для излучения лазерных диодов.