Микролазер

Изобретение относится к области лазерной техники, в частности к твердотельным лазерам, и может быть применимо в медицине, устройствах вывода изображений, аналитическом и другом оборудовании. Микролазер содержит источник накачки в виде лазерного диода, коллиматора и/или фокусирующей оптики, резонатор. Фокусирующая оптика выполнена в виде цилиндрической, или сферической, или градиентной линзы. Резонатор состоит из входного и выходного зеркал и расположенного между ними активного элемента. Между зеркалами и активным элементом дополнительно устанавливают две пластины из не поглощающего лазерное излучение теплопроводящего материала с отверстиями в центре. Пластины, активный элемент и зеркала изготавливают плоскопараллельными. Элементы резонатора находятся в плотном контакте друг с другом. Входное зеркало можно наносить непосредственно на поверхность активного элемента. Между активным элементом и выходным зеркалом устанавливают пластину. Вторую пластину размещают за активным элементом. Технический результат - создание компактной конструкции микролазера, в которой подстройка резонатора методом коррекции наведенной в активном элементе термической линзы осуществляется пассивными элементами. 7 з.п. ф-лы, 17 ил.

 

Изобретение относится к области лазерной техники, в частности к твердотельным лазерам, и может быть применимо в медицине, устройствах вывода изображений, аналитическом и другом оборудовании.

Известно, что при термическом расширении активного лазерного элемента, вследствие выделяемого в нем тепла при работе лазера, происходит искривление его поверхностей, которые работают как линзы, называемые термическими, а если на поверхности активного лазерного элемента нанесены оптические зеркальные покрытия, то они представляют собой искривленные зеркала.

При создании определенных условий, позволяющих производить коррекцию термических линз, можно получить выигрыш в выходной мощности и обеспечить модовую селективность лазерного излучения.

Известен лазер, в котором в качестве активной коррекции термической линзы твердотельного лазера используют лазерное деформируемое зеркало (Г.В.Вдовин и др. Активная коррекция тепловой линзы твердотельного лазера и использование резонатора управляемой конфигурации. «Квантовая электроника», 20, N 2, 1993).

Недостатками известного лазера являются сложность изготовления деформируемого зеркала и управления его кривизной давлением.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой конструкции является микрочиповый лазер, в котором резонатор состоит из входного и выходного зеркал и расположенной между ними усилительной среды (активного элемента), а также, по крайней мере, один нелинейный кристалл (см. патент US №5402437, кл. Н01S 003/094, 1995).

В качестве усилительной среды (активного элемента) в известной конструкции используют лазерный кристалл

В известной конструкции длину резонатора выбирают такой, чтобы ширина полосы усиления усилительной среды была меньше или почти равной разносу частот резонатора и такой, чтобы частота резонаторной моды попадала в ширину полосы усиления.

Микрочиповый лазер может содержать нелинейный оптический материал для генерации новых лазерных длин волн, который устанавливают внутри резонатора или вне его.

В качестве альтернативы микрочиповый лазер могут настраивать, например, термически или путем применения продольного или поперечного напряжения к частоте резонатора.

Микрочиповый лазер оптически накачивают полупроводниковым лазером или лазерной матрицей.

Недостатками конструкции известного микрочипового лазера являются:

- необходимость стендовой настройки длины резонатора в рабочем режиме дополнительной юстировкой разнесенных на необходимое расстояние входного и выходного зеркал резонатора;

- сложность конструкции при использовании способа создания продольного или поперечного напряжения в активном элементе, т.к. этот способ требует применения дополнительных прецизионных механических или пьезоэлектрических устройств;

- сложность изготовления компактного теплоизолирующего устройства в конструкции температурной подстройки микролазера из-за необходимости поддержания температуры с высокой точностью, что в реальных условиях работы микролазера при различных температурах окружающей среды осуществить без надежной и громоздкой теплоизоляции сложно.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание компактной конструкции микролазера, в которой подстрока резонатора методом коррекции наведенной в активном элементе термической линзы осуществляется пассивными элементами, находящимися вне и/или внутри резонатора.

Для этого в резонатор предлагаемой конструкции микролазера необходимо ввести дополнительные пассивные элементы, которые позволят на ограниченной поверхности активного элемента сформировать радиально симметричный температурный градиент, при котором локализуется определенный объем активного элемента и в котором за счет выделяемого в активном элементе тепла формируется термическая линза и возникает так называемый термический волновод, способствующий стабилизации поперечной ТЕМ₀₀ моды.

Технический результат в предлагаемом изобретении достигают созданием микролазера, содержащего источник накачки в виде лазерного диода, коллиматора и/или фокусирующей оптики, выполненной в виде, по крайней мере, одной или цилиндрической, или сферической, или градиентной линзы, резонатора, состоящего из входного и выходного зеркал, и расположенного между ними активного элемента, в который, согласно изобретению, между зеркалами и активным элементом дополнительно устанавливают две пластины из не поглощающего лазерное излучение теплопроводящего материала с отверстиями, при этом пластины, активный элемент и зеркала изготавливают плоскопараллельными, а все перечисленные элементы резонатора находятся в плотном контакте друг с другом.

Входное зеркало в виде оптического покрытия может находиться непосредственно на одной из плоскопараллельных сторон активного элемента, тогда одну из теплопроводящих пластин устанавливают между выходным зеркалом и активным элементом, а вторая теплопроводящая пластина устанавливается за активным элементом, при этом теплопроводящие пластины, активный элемент и выходное зеркало находятся в плотном контакте.

Для импульсного режима работы микролазера в резонатор может быть установлен пассивный затвор, изготовленный в виде плоскопараллельной пластины, имеющей оптические покрытия.

Для получения второй и более высоких гармоник лазерного излучения в резонатор микролазера может быть установлен нелинейный элемент, изготовленный в виде плоскопараллельной пластины, имеющей оптические покрытия.

Для импульсного режима работы микролазера на второй и более высоких гармониках лазерного излучения в резонатор микролазера могут быть установлены пассивный затвор и нелинейный элемент, изготовленные в виде плоскопараллельных пластин, имеющих оптические покрытия.

Теплопроводящие пластины с отверстиями обеспечивают эффективный сброс тепла с поверхности активного элемента, поскольку находятся с ним в плотном контакте, одновременно обеспечивая возможность формирования термической линзы только в апертуре отверстий, коррекцию термической линзы осуществляют подбором длины теплопроводящих пластин и диаметром отверстия в них.

Изменение длины пластин/пластины меняет длину резонатора и длительность импульсов микролазера, работающего в режиме модулированной добротности.

Плотное соединение друг с другом плоскопараллельных активного элемента, теплопроводящих пластин и зеркал обеспечивает изготовление резонатора, не требующего дополнительной юстировки, поскольку собранные в плотном контакте перечисленные элементы образуют плоскопараллельный резонатор.

Выбор не поглощающего лазерное излучение материала для изготовления пластин обусловлен тем, что при юстировке резонатора с диодом накачки в рабочем режиме исключает испарение этого материала при попадании лазерного излучения на край пластины, приводящего к повреждению оптических покрытий в резонаторе, и исключает возможность брака в серийном производстве.

Изобретение также характеризуется тем, что источник накачки и резонатор могут быть установлены, по крайней мере, на один термоэлектрический холодильник, что позволяет поддерживать необходимую температуру для источника накачки и стабильной работы резонатора.

Проведенные патентные исследования показали, что не известны технические решения с указанной совокупностью существенных признаков в аналогичных конструкциях микролазеров, т.е. предлагаемое техническое решение соответствует критерию «новизна».

При анализе известных аналогов и прототипа не обнаружено предложение с совокупностью существенных признаков, изложенных в формуле изобретения, из чего следует, что для специалистов, занимающихся микролазерами, они явным образом не следуют из уровня техники и, следовательно, соответствуют критерию изобретения «изобретательский уровень».

Считаем, что сведений, изложенных в материалах заявки, достаточно для практического осуществления изобретения.

Предлагаемое изобретение поясняется нижеследующим описанием микролазера и чертежами с отражением взаимного расположения элементов резонатора, где:

- на фиг.1 показана общая схема микролазера;

- на фиг.2 показана общая схема микролазера, в резонаторе которого входное зеркало нанесено непосредственно на поверхность активного элемента, одна из пластин из не поглощающего лазерное излучение теплопроводящего материала установлена между выходным зеркалом и активным элементом, а вторая пластина за активным элементом;

- на фиг.3 показана схема резонатора микролазера, в которой пассивный затвор устанавливают между не поглощающей лазерное излучение теплопроводящей пластиной и выходным зеркалом;

- на фиг.4 показана схема резонатора микролазера, в которой выходное зеркало нанесено непосредственно на полированную поверхность пассивного затвора;

- на фиг.5 показана схема резонатора микролазера, в которой плоскопараллельный нелинейный элемент установлен между не поглощающей лазерное излучение теплопроводящей пластиной и выходным зеркалом;

- на фиг.6 показана схема резонатора микролазера, в которой выходное зеркало нанесено непосредственно на нелинейный элемент;

- на фиг.7 показана схема резонатора микролазера, в которой пассивный затвор и нелинейный оптический кристалл установлены между не поглощающей лазерное излучение теплопроводящей пластиной и выходным зеркалом;

- на фиг.8 показана схема резонатора микролазера, в которой в отличие от фиг.7 выходное зеркало нанесено непосредственно на нелинейном элементе;

- на фиг.9 показана схема резонатора микролазера, в которой в отличие от фиг.2 между выходным зеркалом и теплопроводящей пластиной установлен пассивный затвор;

- на фиг.10 показана схема резонатора микролазера, в которой в отличие от фиг.9 выходное зеркало нанесено на пассивный затвор;

- на фиг.11 показана схема резонатора микролазера, в которой в отличие от фиг.2 между выходным зеркалом и теплопроводящей пластиной установлен нелинейный элемент;

- на фиг.12 показана схема резонатора микролазера, в которой в отличие от фиг.11 выходное зеркало нанесено на нелинейный оптический кристалл;

- на фиг.13 показана схема резонатора микролазера, в которой в отличие от фиг.2 между выходным зеркалом и теплопроводящей пластиной установлены пассивный затвор и нелинейный элемент;

- на фиг.14 показана схема резонатора микролазера, в которой в отличие от фиг.13 выходное зеркало нанесено на нелинейный оптический кристалл;

на фиг.15 (график 1) показан профиль лазерного луча микролазера, в резонатор которого не установлены теплопроводящие пластины с отверстиями;

на фиг.16 (график 2) показан профиль лазерного луча микролазера, резонатор которого собран по конструкции, изображенной на фиг.1 с диаметром отверстия в теплопроводящих пластинах 1,5 мм;

- на фиг.17 (график 3) показан профиль лазерного луча микролазера, резонатор которого собран по конструкции, изображенной на фиг.1 с диаметром отверстия в теплопроводящих пластинах 0,7 мм.

Микролазер содержит источник накачки в виде лазерного диода 1, коллиматор или фокусирующую оптику 2, выполненную в виде, по крайней мере, одной или цилиндрической, или сферической, или градиентной линзы, и резонатор.

Резонатор содержит входное зеркало 4, активный элемент 5, выходное зеркало 6, две пластины 7 и 8 из не поглощающего лазерное излучение теплопроводящего материала с отверстиями 9.

Пластины 7 и 8, активный элемент 5 и входное 4 и выходное 6 зеркала являются плоскопараллельными и находятся между собой в плотном контакте.

В зависимости от выбранного активного элемента, например, лазерного кристалла или активированного стекла, его генерационных и термооптических характеристик, производят подбор материала для не поглощающих лазерное излучение теплопроводящих пластин 7 и 8 (стекло, кварц, сапфир, гранат, керамика и т. п.) и размера отверстия 9 в них.

Взаимное расположение элементов резонатора микролазера может быть различным:

1. Каждая из теплопроводящих плоскопараллельных пластин 7 и 8 из не поглощающего лазерное излучение теплопроводящего материала установлена между входным 4 или выходным 6 зеркалами и активным элементом 5.

2. Одна теплопроводящая плоскопараллельная пластина 7 из не поглощающего лазерное излучение теплопроводящего материала установлена между выходным зеркалом 6 и активным элементом 5, вторая пластина 8 установлена за активным элементом 5 с нанесенным на его поверхность входным зеркалом 4.

Микролазер может быть снабжен пассивным затвором 10, установленным в резонатор.

Пассивный затвор 10 может быть установлен между не поглощающей лазерное излучение теплопроводящей пластиной 7 и выходным зеркалом 6, а вторая теплопроводящая пластина 8 установлена между входным зеркалом 4 и активным элементом 5.

Возможно исполнение микролазера, в котором выходное зеркало 6 нанесено непосредственно на пассивном затворе 10.

В предлагаемой конструкции микролазера может быть установлен нелинейный элемент 3 между плоскопараллельной теплопроводящей пластиной 7 и выходным зеркалом 6.

Микролазер может быть снабжен одновременно пассивным затвором 10 и нелинейным элементом 3, которые располагают между плоскопараллельной пластиной 7 из не поглощающего лазерное излучение теплопроводящего материала и выходным зеркалом 6.

В предлагаемом микролазере источник накачки и резонатор при необходимости устанавливают, по крайней мере, на один термоэлектрический холодильник.

В резонаторе предлагаемого микролазера плоскопараллельное входное зеркало 4 на одной из сторон имеет нанесенное просветляющее на длину волны излучения лазерного диода оптическое покрытие, на другой стороне - дихроичное оптическое покрытие, пропускающее излучение лазерного диода и высокоотражающее покрытие на длину волны генерации активного элемента.

При этом плоскопараллельное выходное зеркало 6 на одной из сторон имеет нанесенное просветляющее на длину волны генерации активного элемента оптическое покрытие, на другой стороне - оптическое покрытие, представляющее собой выходное зеркало резонатора, имеющее некоторый коэффициент пропускания на длине волны генерации.

В резонаторе предлагаемого микролазера активный элемент 5 имеет на обоих плоскопараллельных оптические покрытия.

В резонатор предлагаемого микролазера можно дополнительно устанавливать пассивный затвор 10 и/или нелинейный элемент 3, изготовленные в виде плоскопараллельных пластин, имеющих оптические покрытия.

Элементы резонатора собраны в плотном контакте между собой в зависимости от схем, раскрытых на фиг.1-14.

Излучение накачки лазерного диода 1 фокусируют через оптическую систему 2 в резонатор микролазера, в котором возникает генерация лазерного излучения.

В предлагаемом микролазере плоскопараллельные пластины 7 и 8 с отверстиями 9 из не поглощающего лазерное излучение теплопроводящего материала обеспечивают отвод тепла с поверхности активного элемента 5, поскольку находятся с ним в плотном, механическом контакте.

Излучение накачки абсорбируется через отверстие 9 в теплопроводящей пластине в очень малом, локализованном объеме активного элемента 5.

Отверстия 9 теплопроводящих пластин 7 и 8 формируют термическую линзу (не показаны) на ограниченной отверстиями поверхности активного элемента 5.

Диаметр термической линзы и радиус ее кривизны зависят от диаметра отверстий 9 в теплопроводящих пластинах и теплофизических характеристик активного элемента и теплопроводящих пластин.

Для экспериментальной проверки предлагаемой конструкции микролазера были изготовлены три микролазера, излучающих на 1,064 мкм.

В качестве активного элемента 5 использовали плоскопараллельную пластину из лазерного кристалла Nd:YVO₄, длиной 1,5 мм и диаметром 3 мм.

Плоскопараллельные пластины 7 и 8 из не поглощающего лазерное излучение теплопроводящего материала были изготовлены из неактивированного кристалла YAG. Были изготовлены пластины двух типоразмеров: длиной 0,3 мм, диаметром 3 мм, в центре пластины выполнено отверстие 9 диаметром 1,5 мм и длиной 0,5 мм, диаметром 3 мм, в центре пластины выполнено отверстие 9 диаметром 0,8 мм.

Входное 4 и выходное 6 зеркала резонатора были изготовлены из плоскопараллельных пластин и имели одни и те же характеристики, что и покрытия, нанесенные на поверхности лазерного кристалла (не показаны):

- входное зеркало 4 с одной стороны имело просветляющее оптическое покрытие, пропускающее излучение накачки лазерного диода 99%@ 808 нм, с другой стороны - дихроичное оптическое покрытие, пропускающее излучение накачки лазерного диода 98%@ 808 нм и отражающее 99,8%@ 1064 нм;

- выходное зеркало 6 с одной стороны имело оптическое покрытие, отражающее лазерное излучение 97%@ 1064 нм, с другой стороны - просветляющее оптическое покрытие 99%@ 1064 нм;

- нанесенное на поверхность активного элемента 5 входное зеркало 4 представляло собой дихроичное покрытие, пропускающее излучение лазерного диода 98%@ 808 нм и отражающее 99,8%@ 1064 нм, с другой стороны - просветляющее оптическое покрытие 99%@ 1064 нм.

При использовании выносных зеркал в резонатор устанавливали лазерный кристалл с нанесенными на его плоскопараллельные стороны просветляющими оптическими покрытиями - 99%@ 1064 нм.

Все элементы резонатора помещались в металлический корпус (не показан), который обеспечивал плотный контакт всех элементов резонатора и на который сбрасывалось тепло, выделяемое в активном элементе 5 и переносимое теплопроводящими пластинами 7 и 8.

Во всех лазерных экспериментах в качестве источника накачки использовали лазерный диод SPL CG81 фирмы OSRAM мощностью 2 Вт.

Плоскость луча лазерного диода, перпендикулярная излучающей поверхности (1×200 мкм), коллимировалась цилиндрической линзой диаметром 200 мкм в эллиптическое пятно размерами: в направлениях Х - 200 мкм, в направлении Y - 100 мкм.

Для оценки качества лазерного луча и выходной мощности микролазеров использовали анализатор профиля лазерного луча BeamView Analyzer и измеритель мощности Lasermate компании Coherent.

В эксперименте с микролазером, без использования в конструкции плоскопараллельных теплопроводящих пластин с отверстиями, лазерный кристалл помещали между зеркалами резонатора, длина которого составляла 3 мм. При мощности накачки в 1000 мВт выходная мощность лазерного излучения на 1064 нм составила 310 мВт.

Следует отметить, что лазерный выход на 1064 нм был нестабильным как с точки зрения амплитуды, так и расходимости, что указывает на сильную перестройку мод.

Как следует из графика 1, компонента Х лазерного луча имеет гораздо худшее качество, чем компонента Y. Причиной этого является эллиптический фокус накачки. Размер лазерной ТЕМ₀₀ моды значительно меньше размера компоненты Х фокуса накачки, поэтому моды более высокого порядка также могут генерировать.

В микролазере, конструкция резонатора которого представлена на фиг.1, где между активным элементом 5, входным зеркалом 4 и выходным зеркалом 6 были установлены в плотном контакте теплопроводящие пластины 7 и 8 длиной 0,3 мм, диаметром 3 мм, с отверстиями 9 диаметром 1,5 мм, основная ТЕМ₀₀ мода сохранялась при повышении мощности накачки до 1000 мВт несмотря на эллиптический фокус накачки.

Длина резонатора равнялась 2,1 мм. Выходная мощность лазерного излучения на 1064 нм составила 460 мВт.

Микролазер показал значительно более стабильную и высокую выходную мощность. Как следует из графика 2, лазерный луч имеет гауссов профиль.

Это объясняется тем, что сформированная отверстиями 9 теплопроводящих пластин 7 и 8 термическая линза меньше, чем в собранном без пластин микролазере.

Теплопроводящие пластины 7 и 8 обеспечивают хорошие условия охлаждения лазерного кристалла вследствие прямого контакта с ним и отверстиями сформирован радиально симметричный градиент, что подтверждается симметрией лазерного пучка, однако, как и в предыдущем эксперименте, сохраняется высокая расходимость лазерного луча, составляющая 12 мрад.

На графике 3 представлен профиль лазерного луча и распределение энергии в нем, конструкция резонатора микролазера также была собрана по фиг.1, где между активным элементом 5, входным зеркалом 4 и выходным зеркалом 6 были установлены в плотном контакте теплопроводящие пластины 7 и 8 длиной 0,5 мм, диаметром 3 мм, с отверстиями 9 диаметром 0,8 мм.

Лазерный луч имеет гауссов профиль. Основная мода сохранялась при повышении мощности накачки до 1000 мВт, выходная мощность лазерного излучения составила 480 мВт.

Графики 2 и 3 отличаются друг от друга расходимостью лазерного излучения и показателями эллиптичности лазерного пучка. Сформированная термическая линза теплопроводящими пластинами с отверстиями диаметром 0,8 мм гораздо меньше, чем в предыдущем эксперименте с пластинами, имеющими отверстия диаметром 1,5 мм. Расходимость лазерного луча в последнем эксперименте составила 6 мрад.

Полученные результаты подтверждают эффективное влияние теплопроводящих пластин с отверстиями на формирование термической линзы, что позволяет осуществлять при помощи пластин подстройку резонатора с учетом теплофизических и оптических характеристик выбранной активной среды.

1. Микролазер, содержащий источник накачки в виде лазерного диода, коллиматор и/или фокусирующую оптику, выполненную в виде, по крайней мере, одной или цилиндрической, или сферической, или градиентной линзы, резонатор, состоящий из входного и выходного зеркал и расположенного между ними активного элемента, отличающийся тем, что в резонатор дополнительно устанавливают две пластины, выполненные из не поглощающего лазерное излучение теплопроводящего материала с отверстием в центре, при этом пластины установлены или между зеркалами и активным элементом, или одна пластина установлена между выходным зеркалом и активным элементом, а вторая пластина - за активным элементом, на поверхности которого расположено входное зеркало в виде оптического покрытия, причем пластины, активный элемент и зеркала изготавливают плоскопараллельными, а все перечисленные элементы резонатора находятся в плотном контакте друг с другом.

2. Микролазер по п.1, отличающийся тем, что в резонатор между теплопроводящей пластиной с отверстием и выходным зеркалом устанавливают пассивный затвор, выполненный плоскопараллельным.

3. Микролазер по п.1, отличающийся тем, что выходное зеркало выполнено непосредственно на пассивном затворе.

4. Микролазер по п.1, отличающийся тем, что в резонатор между теплопроводящей пластиной с отверстием и выходным зеркалом устанавливают, по крайней мере, один нелинейный элемент, который является плоскопараллельным.

5. Микролазер по п.4, отличающийся тем, что выходное зеркало резонатора выполнено непосредственно на нелинейном элементе.

6. Микролазер по п.1, отличающийся тем, что в резонатор между теплопроводящей пластиной с отверстием и выходным зеркалом устанавливают пассивный затвор и, по крайней мере, один нелинейный элемент, которые являются плоскопараллельными.

7. Микролазер по п.6, отличающийся тем, что выходное зеркало резонатора выполнено непосредственно на нелинейном элементе.

8. Микролазер по п.1, отличающийся тем, что лазерный диод и резонатор устанавливают, по крайней мере, на один термоэлектрический холодильник.