Активный элемент из иттрий-алюминиевого граната, легированного неодимом, с периферийным поглощающим слоем


 


Владельцы патента RU 2516166:

Федеральное государственное предприятие "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" (RU)

Изобретение относится к твердотельным лазерам. Активный элемент из иттрий-алюминиевого граната, легированного неодимом (ИАГ:Nd3+), с периферийным поглощающим слоем выполнен в виде стержня. Элемент состоит в центральной части из ИAГ:Nd3+ и периферийного слоя, прозрачного в области длин волн накачки ИАГ:Nd3+, обеспечивающего поглощение на длине волны 1064 нм и имеющего температурный коэффициент линейного расширения и показатель преломления, близкие к температурному коэффициенту линейного расширения и показателю преломления ИАГ:Nd3+. Периферийный слой выполнен из легкоплавкого стекла, включающего в свой состав оксид свинца PbO, оксид бора B2O3, оксид кремния SiO2, оксид алюминия Al2O3, оксид цинка ZnO, оксид самария Sm2O3, при следующем соотношении компонентов, масс.%: PbO 52,3-59,8; B2O3 14,7-16,8; SiO2 5,4-6,2; Al2O3 5,1-5,8; ZnO 4,4-5,0; Sm2O3 6,4-18,1. Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности генерации выходного излучения за счет поглощения излучения спонтанной люминесценции в периферийном слое и предотвращения генерации паразитных мод и развития эффекта суперлюминесценции. 1 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к лазерной технике, а именно, к твердотельным лазерам с полупроводниковой накачкой.

В последние годы широкое распространение получили твердотельные лазеры с полупроводниковой накачкой. Для эффективной работы, в режиме модулированной добротности или при использовании активного элемента в качестве усилителя в активной среде при высоких плотностях мощности накачки, необходимо создавать большую инверсию населенностей. В протяженном активном элементе создание предельных коэффициентов усиления ограничивается суперлюминесценцией. В результате отражения от поверхности раздела активного элемента с внешней средой, имеющей меньший показатель преломления, увеличивается длина оптического пути в усиливающей активной среде. Поэтому эффект суперлюминесценции выражен значительно сильнее. Кроме того, в результате полного внутреннего отражения от поверхности активного элемента могут возникать паразитные моды (излучение, распространяющееся по замкнутым траекториям вблизи боковой поверхности активного элемента), снижающие инверсию населенностей в активной среде и, как следствие, эффективность генерации выходного излучения. Поэтому изменение конструкции активного элемента для устранения влияния суперлюминесценции и паразитных мод актуально для современных твердотельных лазеров с полупроводниковой накачкой.

Известно, что для подавления влияния полного внутреннего отражения в оптических средах используют такие приемы как создание шероховатости на поверхности раздела оптических сред, либо нанесение бороздок, канавок и т.п. на боковую поверхность активного элемента, либо нанесение по боковой поверхности антиотражающих покрытий или иммерсионных жидкостей [1]. Однако эти методы не позволяют полностью подавить суперлюминесценцию при высокой мощности накачки.

Известен активный элемент, имеющий композитную структуру, центральная часть которого выполнена в виде цилиндрического стержня из иттрий-алюминиевого граната, легированного неодимом (ИАГ:Nd3+), на боковой поверхности которого расположен слой (оболочка) из нелегированной оптической керамики иттрий-алюминиевого граната (ИАГ). Материал активного элемента и материал оболочки связаны в единый моноблок. Утверждается, что данный метод пригоден для соединения материалов активного элемента и оболочки с разницей в ТКЛР до 10%. Показатель преломления керамической оболочки выбирается на 0,3% меньший, чем показатель преломления активной части, что позволяет повысить эффективность накачки за счет концентрирования излучения накачки в элементе. Использование оболочки преимущественно направлено на компенсацию термооптических эффектов [2].

Одной из основных причин снижения эффективности генерации импульсных твердотельных лазеров, работающих в режимах модулированной добротности или усиления, является эффект суперлюминесценции. Отражение от поверхности раздела активного элемента с внешней средой или с нелегированной оболочкой, вызванное разницей показателей преломления, приводит к увеличению эффекта суперлюминесценции; полное внутреннее отражение от поверхности активного элемента может приводить к возникновению паразитных мод. Это вызывает снижение инверсии населенностей и, как следствие, снижение эффективности генерации. Решение данной проблемы возможно при наличии поглощения излучения на длине волны генерации по периферии активного элемента, что не предусмотрено в предлагаемом композитном активном элементе.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому активному элементу является выбранный в качестве прототипа композит, представляющий собой неразъемный моноблок, при этом центральная часть цилиндрической формы выполнена из ИАГ:Nd3+, а на периферии активного элемента расположен слой из оптической керамики ИАГ, активированной трехвалентными ионами самария (ИАГ:Sm3+). Подавление паразитных мод и повышение эффективности генерации активного элемента ИАГ:Nd3+ обеспечивается поглощением излучения на длине волны генерации λ=1064 нм оболочкой из оптической керамики ИАГ:Sm3+ [3]. Недостатком этого устройства является то, что активный элемент такого типа не может быть изготовлен из монокристалла и принципиально является керамическим, что обусловлено особенностями технологического процесса, являющегося к тому же дорогостоящим и трудоемким. Авторы получают композит по керамической технологии, используя одну и ту же матрицу для сердцевины и оболочки, которые различаются только легирующими ионами.

Растворимость Sm3+ в ИАГ ограничена, поглощающий слой поликристаллического ИАГ содержит около 5 ат.% Sm3+, что соответствует 4,34 масс.% Sm2O3. Коэффициент поглощения на длине волны λ=1064 нм составил 1,96 см-1. Большие концентрации Sm3* обеспечивают большее поглощение на длине волны λ=1064 нм и, следовательно, более эффективное подавление суперлюминесценции.

Задачей настоящего изобретения является создание конструкции активного элемента, обеспечивающего повышенную эффективность генерации выходного излучения, за счет поглощения излучения спонтанной люминесценции в периферийном слое и предотвращения генерации паразитных мод и развития эффекта суперлюминесценции.

Указанная задача решается за счет того, что в известном активном элементе из иттрий-алюминиевого граната, легированного неодимом (ИАГ:Nd3+), с периферийным поглощающим слоем, выполненном в виде стержня, состоящего в центральной части из ИАГ:Nd3+ и периферийного слоя, прозрачного в области длин волн накачки ИАГ:Nd3+, обеспечивающего поглощение на длине волны 1064 нм и имеющего температурный коэффициент линейного расширения и показатель преломления близкие к температурному коэффициенту линейного расширения и показателю преломления ИАГ:Nd3+, периферийный слой выполнен из легкоплавкого стекла, включающего в свой состав оксид свинца PbO, оксид бора В2О3, оксид кремния SiO2, оксид алюминия Al2O3, оксид цинка ZnO, оксид самария Sm2O3, при следующем соотношении компонентов, масс.%:

PbO 52,3-59,8
B2O3 14,7-16,8
SiO2 5,4-6,2
Al2O3 5,1-5,8
ZnO 4,4-5,0
Sm2O3 18,1-6,4

На чертеже представлена схема предлагаемого активного элемента. На активную среду 1, представляющую собой цилиндрический стержень, изготовленный из ИАГ:Nd3+, нанесен периферийный слой стекла 2, обеспечивающий поглощение на длине волны 1064 нм.

Предлагаемый активный элемент работает следующим образом: при соединении активного элемента с системой введения излучения накачки и при наличии резонатора, после включения источника накачки в активной среде 1 осуществляется преобразование излучения накачки на длинах волн в области 808 нм в излучение генерации на длинах волн в области 1064 нм. При этом возникающая спонтанная люминесценция частично поглощается при прохождении через поверхность раздела активной среды 1 и периферийного слоя стекла 2, что препятствует ее дальнейшему распространению и усилению, приводящему к снижению инверсии населенности активной среды.

В предлагаемом активном элементе активная среда ИАГ:Nd3+ выполнена в форме цилиндрического стержня (прямого кругового цилиндра) с диаметром 3…4 мм, длиной 30…60 мм и концентрацией ионов Nd3+ 0,5…1 ат.%. Материал периферийного слоя представлен легкоплавким стеклом системы PbO - B2O3 - SiO2 - Al2O3 - ZnO, выбор которого проводили по ТКЛР и показателю преломления (идентичные ТКЛР и показателю преломления ИАГ), температуре растекания (не превышающей 500°C), по смачивающей способности. На базе этого стекла разработан состав, содержащий до 18 масс.% Sm2O3. При содержании Sm2O3 более 18,1 масс.% наблюдали кристаллизацию стекла, содержание Sm2O3 менее 6 масс.% нецелесообразно из-за низкого значения коэффициента поглощения на длине волны λ=1064 нм. При содержании PbO от 52,3 до 59,8 и B2O3 от 14,7 до 16,8 путем варьирования количества добавок SiO2 5,4-6,2, Al2O3 5,1-5,8, ZnO 4,4-5,0 масс.% и Sm2O3 6,4-18,1 масс.% получили стекла не кристаллизующиеся, с оптимальными свойствами, с хорошей адгезией к ИАГ, без трещин и отслоений после охлаждения.

Стекло прозрачно в области оптической накачки ИAГ:Nd3+ и поглощает излучение на длине волны излучения лазера λ=1064 нм. Количественное сочетание указанных компонентов в составе стекла позволяет получить согласованный спай стекла с иттрий-алюминиевым гранатом, и обеспечить стабильную работу композитного лазерного элемента. Стекло имеет ТКЛР близкий (±1,5%) к ТКЛР иттрий-алюминиевого граната, что позволяет получать композиты свободные от напряжения, допускающие последующую оптико-механическую обработку. Показатель преломления стекла близок (±0,7%) к показателю преломления ИАГ:Nd3+, что снижает вероятность возникновения генерации паразитных мод при отражении от границы раздела оптических сред, центральной части элемента и периферийного слоя (оболочки) - табл.1. Стекло обладает достаточной текучестью и хорошей адгезией к иттрий-алюминиевому гранату.

Для достижения стабильности физико-технических параметров стекла, шихту получали химическим синтезом. Шихту синтезировали путем осаждения раствором гидроксида аммония гидроксокомплексного соединения из смесевого раствора, содержащего исходные компоненты стекла в заданном стехиометрическом соотношении, с последующей термической обработкой гидроксокомплекса при температуре 480-500°С. Исходное сырье: Pb(NO3)2, Al(NO3)3, Zn(NO3)2, Sm(NO3)3, Н3ВО3, H2SiO3, квалификации «хч» или «хч». Варку стекол проводили в платиновых тиглях (V=0,1 л) при температуре 950°С-1050°С с выдержкой при максимальной температуре 30…60 мин в силитовой печи сопротивления в воздушной среде. Периферийный поглощающий слой наносили на цилиндрический стержень из ИАГ:Nd3+ погружением последнего в расплавленную стекломассу в изотермическом режиме при температурах от 580°С до 680°С. Толщина получаемого на боковой поверхности элемента ИАГ:Nd3+ периферийного поглощающего слоя составляет от 150 мкм до 1,5 мм, в зависимости от температуры выдержки элемента в расплаве стекла. Примеры конкретного выполнения и данные по коэффициенту поглощения периферийного слоя, использованного для изготовления композитов, сведены в таблицу 2.

После нанесения периферийного поглощающего слоя проводили оптико-механическую обработку (шлифовку и полировку торцев) полученных активных элементов. Далее на торцевые поверхности элементов наносили просветляющие покрытия на длины волн накачки и генерации. Изготовленные таким образом активные элементы сравнивались с эталонными элементами ИАГ:Nd3+ без периферийного поглощающего слоя. В результате экспериментов было установлено, что создаваемый коэффициент усиления в новых активных элементах превышает коэффициент усиления в эталонных элементах в 2-3 раза, при этом не наблюдается его насыщения с увеличением энергии накачки. Зависимости для выходной энергии генерации имеют аналогичный вид.

Таблица 1
Сопоставление характеристик монокристаллического ИАГ:Nd3+ и разработанного стекла
Параметр ИАГ:Nd3+ [4] Разработанное стекло
плотность, г/см3 4,55 5,34
показатель преломления 1,815 (λ=632 нм) 1,8030 (λ=632 нм)
Т плавления, °C 1930 Tg=480
КТЛР, град -1 7,8×10-6 7,92×10-6
Таблица 2
Примеры конкретного выполнения
Состав разработанного стекла, масс.% Коэффициент поглощения (λ=1064 нм), см-1
PbO B2O3 SiO2 Al2O3 ZnO Sm2O3
1 53,04 14,95 5,49 5,12 4,46 16,96 4,2
2 56,17 15,84 5,85 5,43 4,73 11,98 7,2
3 59,78 16,85 6,19 5,78 5,03 6,38 12

Источники информации

1. Solid-State Laser Engeneering. Sixth Revised and Updated Edition. W. Koechner. 2006 Springer Science + Business Media, Inc.

2. Патент США №: 7,158,546 от 02.01.2007.

3. Suppression of Laser Parasitic Oscillation Used Trivalent Samarium in Nd:YAG Ceramic Composite Rod. Annual Report 2006, Institute of LaserEnginttring, Osako University - прототип.

4. Лазерные кристаллы. А.А. Каминский. Издательство «Наука», 1975.

Активный элемент из иттрий-алюминиевого граната, легированного неодимом (ИAГ:Nd3+), с периферийным поглощающим слоем, выполненный в виде стержня, состоящего в центральной части из ИAГ:Nd3+ и периферийного слоя, прозрачного в области длин волн накачки ИAГ:Nd3+, обеспечивающего поглощение на длине волны 1064 нм и имеющего температурный коэффициент линейного расширения и показатель преломления, близкие к температурному коэффициенту линейного расширения и показателю преломления ИАГ:Nd3+, отличающийся тем, что периферийный слой выполнен из легкоплавкого стекла, включающего в свой состав оксид свинца РbО, оксид бора В2O3, оксид кремния SiO2, оксид алюминия Al2O3, оксид цинка ZnO, оксид самария Sm2O3, при следующем соотношении компонентов, масс.%:

РbО 52,3-59,8
В2O3 14,7-16,8
SiO2 5,4-6,2
Al2O3 5,1-5,8
ZnO 4,4-5,0
Sm2O3 6,4-18,1



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к усиливающему оптическому волокну, оптическому волоконному усилителю и резонатору с его использованием. Усиливающее оптическое волокно содержит: сердцевину; оболочку, покрывающую сердцевину; и наружную оболочку, покрывающую оболочку.

Изобретение относится к области квантовой электроники, в частности к волоконным импульсным лазерам со сверхкороткой длительностью импульса, работающим на длине волны около 1 мкм.

Изобретение относится к лазерной технике. .

Изобретение относится к медицинской техники и может быть использовано для лечения туберкулеза, открытых ран, лорзаболеваний и в гинекологии. .

Изобретение относится к волоконно-оптическим линиям передачи. .

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в твердотельных дисковых лазерах. .

Изобретение относится к лазерной технике. Твердотельный лазер дисковидной формы включает в себя матрицу (1) полупроводниковых лазеров накачки, резонатор с кристаллом (6) дисковидной формы и выходной линзой (8), ударно-струйную систему (10) охлаждения лазерного кристалла (6) и коллиматор (2) пучка накачки. Коллимированный свет накачки входит в фокусирующий резонатор, который содержит два параболических зеркала (4,5) и корректирующее зеркало (7), и многократно фокусируется на лазерный кристалл (6). В первом параболическом отражателе имеется одно или два входных отверстия (9) прямоугольной формы для света накачки. В случае наличия одного отверстия, его геометрический центр смещен вдоль быстрой оси матрицы полупроводниковых лазеров. В случае наличия двух отверстий, они распределены равномерно и симметрично вдоль медленной оси матрицы полупроводниковых лазеров. Технический результат заключается в упрощении конструкции и повышении мощности лазера. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 8 ил.

Устройство относится к области квантовой электроники. Полностью волоконный лазер со сверхкороткой длительностью импульса содержит лазер накачки, модуль ввода излучения лазера накачки в волокно, легированное редкоземельным элементом волокно, разветвитель, контроллеры поляризации, волоконные поляризаторы с взаимно перпендикулярными направлениями поляризации, акустооптический модулятор, установленный непосредственно на оптическое волокно между волоконными поляризаторами, частота акустооптического модулятора равна собственной частоте кольцевого волоконного резонатора. Технический результат заключается в обеспечении возможности повышения эффективности синхронизации мод. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к лазерной технике. Волоконный лазер со сверхкороткой длительностью импульса содержит лазер накачки, последовательно установленные, образующие кольцевой резонатор и закрепленные на держатель волокна волоконные модуль ввода излучения лазера накачки в волокно, легированное редкоземельным элементом волокно, разветвитель, контроллер поляризации, волоконный поляризатор, контроллер поляризации, изолятор. При этом волокно закреплено на держателе оптического волокна так, что при распространении импульса излучения по волокну на каждом витке волокна сдвиг фаз поляризационных компонент поля оптического импульса относительно двух взаимно перпендикулярных осей скомпенсирован. Технический результат заключается в упрощении конструкции и обеспечении компактности лазера. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано при разработке генераторов световых импульсов с высокой энергией излучения. Волоконный лазер для генерации световых импульсов содержит источник периодической импульсной накачки и волоконный кольцевой резонатор с суммарной нормальной дисперсией, состоящий из активного и пассивного волокон с их общей длиной более 1 км. Ответвитель вывода генерируемого излучения своим входом соединен с выходом кольцевого волоконного резонатора. Выход источника периодической импульсной накачки соединен с входом ответвителя ввода излучения накачки, выход которого соединен с активным волокном. Дополнительный ответвитель соединен своим входом со вторым выходом волоконного кольцевого резонатора и своим выходом - с оптическим входом фотодетектора. Электрический выход фотодетектора соединен с входом линии задержки электрического сигнала, выход которой соединен с входом блока управления источником периодической импульсной накачки, выход которого соединен с входом источника периодической импульсной накачки. Технический результат заключается в увеличении энергии генерируемых импульсов излучения волоконного лазера.

Изобретение относится к устройствам для усиления когерентного света в лазерных устройствах, а именно к твердотельным активным элементам. Твердотельный активный элемент состоит из последовательно расположенных в корпусе скрещенных пакетов параллельных пластин, каждая пластина состоит из находящихся в оптическом контакте чередующихся активированных и неактивированных слоев одинаковой длины. Толщина неактивированного слоя и ширина активированного слоя равны толщине пластины. Центральная часть торцевых поверхностей неактивированных слоев имеет поглощающее покрытие, а примыкающие к активированным слоям края торцевых поверхностей неактивированных слоев и все торцы активированных слоев имеют просветляющее покрытие. Излучение накачки подводится к активированным слоям через неактивированные слои сквозь отверстия, окна или прозрачные стенки корпуса. Технический результат состоит в уменьшении влияния термооптических эффектов на интенсивность и расходимость лазерных пучков, расширение пределов масштабирования мощности компактных лазеров и оптических усилителей. 5 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к лазерной технике. Импульсный волоконный лазер с варьируемой конфигурацией поддерживающего поляризацию излучения кольцевого резонатора содержит источник накачки, модуль спектрального сведения, сигнальный вход которого соединен с волоконным изолятором, а сигнальный выход - с активным волокном, которое другим концом соединено с волоконным ответвителем. Изолятор и ответвитель соединены другими концами с входами двух волоконно-оптических переключателей, работающих по схеме 1×N, где N - число выходов, при этом каждый переключатель под управлением электронных сигналов коммутирует входные оптические сигналы на определенные выходы, к которым присоединены волоконно-оптические элементы, обеспечивающие активную или пассивную или гибридную (активно-пассивную) синхронизацию мод излучения лазера или модуляцию добротности резонатора лазера. Технический результат заключается в обеспечении возможности генерации импульсов с различными длительностями, энергиями и частотами повторения в широком диапазоне. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к лазерной технике. Волоконный лазер с нелинейным преобразованием частот излучения содержит источник накачки, волоконный линейный резонатор, модуль заведения излучения накачки в усиливающее волокно, спектрально-селективный отражающий элемент с одной стороны линейного резонатора, и содержащий нелинейный оптический кристалл высокодобротный резонатор с другой стороны, а также расположенный между торцом волокна и высокодобротным резонатором фокусирующий элемент. При этом одна из двух плоских рабочих поверхностей нелинейного кристалла, или оптического элемента, расположенного в высокодобротном резонаторе, перпендикулярна падающему излучению и служит выходным зеркалом линейного резонатора, между волокном и фокусирующим элементом расположен коллимирующий оптический элемент, между которыми расположен поляризатор, поверхности которого наклонены к оси резонатора на угол не менее одного градуса. Технический результат заключается в эффективной генерации нелинейно преобразованного излучения с улучшенной временной стабильностью мощности излучения. 2 н. и 23 з.п. ф-лы, 11 ил.

Рамановский волоконный импульсный лазер содержит оптически связанные источник излучения накачки, поддерживающий поляризацию излучения волоконный кольцевой резонатор, содержащий рамановское усиливающее волокно, преобразующее излучение накачки в излучение первого или более высокого стоксового компонента рамановского рассеяния. Также лазер содержит волоконный модуль спектрального сведения для введения излучения накачки в кольцевой резонатор, позволяющий ввести излучение накачки в кольцевой резонатор и пропускающий усиливаемое излучение рамановского импульсного лазера, поляризационно-зависимый ответвитель для вывода излучения из резонатора и минимум один изолятор, обеспечивающий однонаправленную генерацию излучения. В резонатор лазера введен элемент активной синхронизации мод излучения на основе амплитудного или фазового модулятора. Технический результат заключается в обеспечении возможности генерации стабильных когерентных импульсов с частотой следования более 1 МГц в широком спектральном диапазоне при использовании излучения накачки с различными длинами волн. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к управляемым импульсным лазерным системам для генерации лазерного излучения на двух оптических частотах. В системе используют два вложенных один в другой волоконных лазера с пассивной модуляцией добротности при внешней накачке излучением лазерного диода, питаемым электрическим током. В качестве просветляемого поглощающего элемента используется активное волокно одного из лазеров. Управление частотой следования импульсов достигается наличием обратной оптоэлектронной связи по частоте следования импульсов и мощности излучения диода. Согласование автогенерации импульсного излучения обеспечивается за счет синхронизации частоты модуляции и мощности тока накачки с частотой следования лазерных импульсов системы. Выходное излучение усиливается оптическим усилителем мощности. Технический результат: стабилизация импульсного излучения с двумя разными оптическими частотами, повышение точности и эффективности преобразования энергии. 3 н., 17 з.п. ф-лы, 5 ил.,2 табл.

Узкополосный кольцевой волоконный лазер состоит из диода накачки, элемента Пельтье и кольцевого однонаправленного резонатора. Указанный резонатор включает активное волокно, делитель излучения, поляризационный циркулятор, волоконно-оптический изолятор и спектральный уплотнитель с линейной частью в виде насыщающего поглотителя из ненакачиваемого активного волокна и волоконной брэгговской решетки. Активное волокно выполнено с высокой концентрацией легирующей примеси, а волоконно-оптический изолятор расположен между спектральным уплотнителем и поляризационным циркулятором, установленным вместе с делителем излучения с обеспечением встречного направления излучения узкополосного кольцевого волоконного лазера и излучения накачки. Устройство позволило добиться стабильной генерации лазерного излучения. 3 ил.
Наверх