Дисковый лазер с модулированной добротностью резонатора (варианты)

Изобретение относится к источникам лазерного излучения. Дисковый лазер содержит оптически связанные активный элемент, резонатор, модулятор добротности резонатора, источник накачки активного элемента и систему охлаждения. При этом активный элемент выполнен в виде сферического диска или тонкого плоского диска; источник накачки, выполненный в виде матрицы лазерных диодов, размещен по внешней поверхности активного элемента; модулятор добротности выполнен в виде пассивного или активного модулятора добротности, при этом модулятор и активный элемент образуют единый блок; зеркала основного резонатора нанесены на внешнюю поверхность активного элемента и внешнюю поверхность модулятора; устройство дополнительно снабжено плоским полупрозрачным зеркалом, образующим дополнительный резонатор с высокоотражающим зеркалом основного резонатора. Устройство может быть дополнительно снабжено линзой, установленной в дополнительном резонаторе, или модулятором добротности с боковым выводом излучения, размещенным в дополнительном полуконцентрическом резонаторе, при этом плоское зеркало имеет 100% отражение на длине волны лазерного излучения. Технический результат: создание дискового лазера с длительностью импульса в несколько наносекунд и менее. 3 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области лазерной физики и может быть использовано при разработке источников лазерного излучения пико и наносекундного диапазона длительностей импульса.

Известен дисковый лазер с модулированной добротностью резонатора [1], содержащий оптически связанные активный элемент, резонатор, модулятор добротности резонатора, расположенные на одной оптической оси, источник накачки активного элемента, систему охлаждения активного элемента.

Недостатком этого лазера является невозможность получения импульса в несколько наносекунд и меньшей длительности ввиду большой длины резонатора и соответственно затягивания времени развития генерации до нескольких сотен наносекунд.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является дисковый лазер с модулированной добротностью резонатора [2], содержащий оптически связанные активный элемент, резонатор, модулятор добротности резонатора, расположенные на одной оптической оси, источник накачки активного элемента и систему охлаждения. Модулятор добротности резонатора расположен внутри резонатора и выполнен в виде отдельно стоящего блока и может быть пассивным или активным.

Недостатком этого лазера является большая длительность импульса генерации (70 нс) ввиду большой длины резонатора.

Задачей данного изобретения является расширение технических возможностей и области применения устройства посредством разработки импульсного дискового лазера с длительностью импульса в несколько наносекунд и менее.

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

Новым, по мнению авторов, является то, что активный элемент выполнен в виде сферического диска, 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 поверхность активного элемента, или представляет собой активный модулятор добротности и выполнен в виде единого блока с активным элементом; зеркала основного резонатора нанесены на внешнюю поверхность активного элемента и внешнюю поверхность модулятора, при этом высокоотражающее зеркало на активном элементе прозрачно для излучения лазерных диодов, а полупрозрачное для лазерного излучения зеркало на внешней поверхности модулятора имеет 100% отражение для излучения лазерных диодов; охлаждающая активный элемент жидкость размещена в зазоре между активным элементом и матрицей лазерных диодов, и устройство дополнительно снабжено плоским полупрозрачным зеркалом, образующим дополнительный полуконцентрический резонатор с высокоотражающим зеркалом основного резонатора.

Новым, по мнению авторов, является то, что активный элемент выполнен в в виде тонкого плоского диска, нанесенного на прозрачную для излучения накачки подложку, и устройство дополнительно снабжено линзой, установленной в дополнительном резонаторе.

Новым, по мнению авторов, является то, что устройство дополнительно снабжено модулятором добротности с боковым выводом излучения, размещенным в дополнительном полуконцентрическом резонаторе, при этом плоское зеркало дополнительного резонатора имеет 100% отражение на длине волны лазерного излучения.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлено предлагаемое устройство (фиг.1-3).

Дисковый лазер с модулированной добротностью резонатора содержит активный элемент 4 в виде сферического диска (фиг.1), пассивный модулятор добротности 5 в виде пленки, ограниченные зеркалами резонатора 3, 6 (основной резонатор), матрицу лазерных диодов 1 и систему охлаждения 2. Высокоотражающее зеркало 3 совместно с плоским полупрозрачным зеркалом 7 образуют дополнительный концентрический резонатор. Длина дополнительного резонатора выбирается значительно большей длины короткого резонатора. Толщина активного элемента зависит от коэффициента поглощения излучения накачки, и для активного элемента из Nd - SiO₂ и излучения накачки с λ=0,8 мкм составит ~ 20 мм.

Лазер работает следующим образом. Импульс излучения диодов 1 накачки создает инверсную населенность в объеме активного элемента 4. На линейном этапе развития генерации, в течение которого мощность излучения в дополнительном концентрическом резонаторе лазера медленно нарастает, начиная со спонтанного шума, происходит формирование пространственной и спектральной структуры излучения. Из пространственных мод наиболее высокую добротность имеет мода, полностью заполняющая активный элемент, с перетяжкой на плоском зеркале, которая и сформируется на этом этапе. При достижении уровня насыщения среды пассивного модулятора 5 происходит высвечивание запасенной в активном элементе энергии. Так как добротность резонатора, образованного зеркалами 3 и 6, выше, чем в резонаторе, образованном внешними зеркалами из-за больших потерь, и время развития генерации в основном резонаторе на порядок меньше, то генерация развивается в основном (коротком) резонаторе и ее длительность составит единицы наносекунд и десятые доли наносекунды в зависимости от параметров активного элемента и длины основного резонатора. Геометрические параметры излучения не изменятся за несколько проходов основного резонатора и будут соответствовать параметрам дополнительного концентрического резонатора.

При активной модуляции добротности с помощью электрооптического активного модулятора добротности 5 (фиг.1), который составляет блочную конструкцию с активным элементом 4, ограниченную зеркалами резонатора 3, 6 (основной резонатор), импульс управления затвора имеет ступенчатую форму, что обеспечит сходный характер развития генерации, но управляемый и более эффективный.

При использовании активного элемента в виде плоского диска 4 (фиг.2) посредством установки в дополнительный резонатор линзы 8 обеспечивается его эквивалентность полуконцентрическому резонатору, но в то же время упрощается технология изготовления активного элемента.

При установке в дополнительный резонатор модулятора добротности 8 с боковым выводом излучения и 100% отражающего плоского зеркала (фиг.3) в исходном состоянии добротность дополнительного резонатора максимальна, а в момент включения добротности основного резонатора модулятор дополнительного резонатора переключают на вывод излучения из дополнительного резонатора в бок и делают его добротность нулевой. Такое устройство снимает ограничения на соотношение длин основного и дополнительного резонаторов и, как следствие, на длительность формируемого импульса излучения.

Таким образом, заявляемый лазер позволяет получать импульсы лазерного излучения длительностью в единицы наносекунд и менее и обеспечивает значительное расширение технических возможностей и области применения дисковых лазеров.

Список литературы

1. Huegel, Helmut; Bohn, Willy L. Solid state thin disk laser. Proc. SPIE Vol.3574, p.15-28, 1998.

2. Adolf Giesen, Thin Disk Lasers - Power scalability and beam quality // Laser Technik Journal. V.2, №2, p.42-45. 2007.

1. Дисковый лазер с модулированной добротностью резонатора, содержащий оптически связанные дисковый активный элемент, резонатор, модулятор добротности резонатора, источник накачки активного элемента и систему охлаждения активного элемента, отличающийся тем, что активный элемент выполнен в виде сферического диска, 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 поверхность активного элемента, или представляет собой активный модулятор добротности и выполнен в виде единого блока с активным элементом; зеркала основного резонатора нанесены на внешнюю поверхность активного элемента и внешнюю поверхность модулятора, при этом высокоотражающее зеркало на активном элементе прозрачно для излучения лазерных диодов, а полупрозрачное для лазерного излучения зеркало на внешней поверхности модулятора имеет 100% отражение для излучения лазерных диодов; охлаждающая активный элемент жидкость размещена в зазоре между активным элементом и матрицей лазерных диодов, и устройство дополнительно снабжено плоским полупрозрачным зеркалом, образующим дополнительный полуконцентрический резонатор с высокоотражающим зеркалом основного резонатора.

2. Дисковый лазер с модулированной добротностью резонатора, содержащий оптически связанные дисковый активный элемент, резонатор, модулятор добротности резонатора, источник накачки активного элемента и систему охлаждения активного элемента, отличающийся тем, что активный элемент выполнен в виде тонкого плоского диска, 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 поверхность активного элемента, или представляет собой активный модулятор добротности и выполнен в виде единого блока с активным элементом; зеркала основного резонатора нанесены на внешнюю поверхность активного элемента и внешнюю поверхность модулятора, при этом высокоотражающее зеркало на активном элементе прозрачно для излучения лазерных диодов, а полупрозрачное для лазерного излучения зеркало на внешней поверхности модулятора имеет 100% отражение для излучения лазерных диодов; охлаждающая активный элемент жидкость размещена в зазоре между активным элементом и матрицей лазерных диодов, и устройство дополнительно снабжено линзой и плоским полупрозрачным зеркалом, образующим дополнительный резонатор с высокоотражающим зеркалом основного резонатора, при этом линза, установленная в дополнительном резонаторе, обеспечивает его эквивалентность полуконцетрическому резонатору.

3. Дисковый лазер с модулированной добротностью резонатора, содержащий оптически связанные дисковый активный элемент, резонатор, модулятор добротности резонатора, источник накачки активного элемента и систему охлаждения активного элемента, отличающийся тем, что активный элемент выполнен в виде сферического диска, 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 поверхность активного элемента, или представляет собой активный модулятор добротности и выполнен в виде единого блока с активным элементом; зеркала основного резонатора нанесены на внешнюю поверхность активного элемента и внешнюю поверхность модулятора, при этом высокоотражающее зеркало на активном элементе прозрачно для излучения лазерных диодов, а полупрозрачное для лазерного излучения зеркало на внешней поверхности модулятора имеет 100% отражение для излучения лазерных диодов; охлаждающая активный элемент жидкость размещена в зазоре между активным элементом и матрицей лазерных диодов, и устройство дополнительно снабжено плоским зеркалом, образующим дополнительный полуконцентрический резонатор с высокоотражающим зеркалом основного резонатора, и модулятором добротности с боковым выводом излучения, размещенным в дополнительном полуконцентрическом резонаторе, при этом плоское зеркало имеет 100% отражение на длине волны лазерного излучения.