Двухмикронный твердотельный лазер

Авторы патента:

Осико Вячеслав Васильевич (RU)

Ушаков Сергей Николаевич (RU)

Рябочкина Полина Анатольевна (RU)

Чабушкин Алексей Николаевич (RU)

Ломонова Елена Евгеньевна (RU)

H01S3/16 - из твердых материалов

Владельцы патента RU 2542634:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва" (RU)

Изобретение относится к лазерной технике. Двухмикронный твердотельный лазер содержит резонатор с активной средой и источник оптической накачки, в качестве которой использован твердотельный лазер. Резонатор сформирован из двух зеркал, в качестве активной среды использован кристалл диоксида циркония, стабилизированный иттрием, активированный ионами Ho³⁺. Технический результат заключается в обеспечении возможности лазерной генерации на длине волны 2,17 мкм. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области квантовой электроники, а именно к способам генерации когерентного электромагнитного излучения в ближнем ИК-диапазоне спектра, и может быть использовано при конструировании твердотельных лазеров с активной средой в виде диэлектрических кристаллов.

Для практических применений в медицине, а также для мониторинга газов (NH₃, CH₄ и др.) в атмосфере значительный интерес представляет лазерное излучение в диапазоне длин волн 1,9-2,2 мкм. В качестве активной среды лазеров, генерирующих излучение в этом спектральном диапазоне, обычно используются кристаллы, активированные ионами Tm³⁺, Ho³⁺.

Из литературных источников известно, что на кристаллах YAG:Ho самая длинноволновая генерация излучения соответствует 2,12 мкм. [K.Scholle, S.Lamirini, P.Koopman and Peter Fuhrberg. Frontiers in Guided Wave Optics and Optoelectronics. P.674. 2010. INTECH. Crotia.]. Также известен волоконный лазер, генерирующий излучение на длине волны 2,21 мкм [С.О.Антипов, В.А.Камынин, О.И.Медведков, А.В.Маракулин, А.А.Минашин, А.С.Курков, А.В.Баранников. Квантовая электроника. 2013. Т.43. №7. С.603-604].

Однако следует заметить, что недостатками волоконных лазеров по отношению к твердотельным лазерам являются возможность возникновения в волокне оптических нелинейных эффектов из-за высокой плотности излучения и сравнительно небольшая выходная энергия в импульсе, обусловленная малым объемом активного вещества.

Поэтому, наряду с созданием волоконных лазеров, генерирующих излучение в области длин волн 2,1-2,2 мкм, актуальной и важной для практических применений является задача поиска лазерных материалов для твердотельных лазеров, генерирующих излучение в данном спектральном диапазоне.

Известен оптический квантовый генератор, генерирующий излучение на длине волны 2,1 мкм, содержащий резонатор с активной средой и источник оптической накачки, при этом резонатор сформирован из, по крайней мере, двух зеркал. В качестве активной среды использован кристалл YAG:Ho или YLF:Ho, а в качестве источника оптической накачки использован лазерный диод с излучением на длине волны, выбираемой в диапазоне 1,9 мкм (US 5315608, US 07/916.467, опубл. 24.05.1994).

Недостатком известного решения является невозможность генерации лазерного излучения в спектральном диапазоне выше 2,15 мкм, так как в диапазоне длин волн выше 2,15 мкм интенсивность в спектре люминесценции, обусловленном переходом ⁵I₇→⁵I₈ ионов Hо³⁺ в кристаллах YAG:Ho или YLF:Ho, близка к 0.

Технический результат заключается в создании твердотельного лазера с длиной волны лазерной генерации 2,17 мкм.

Сущность изобретения заключается в том, что в двухмикронном твердотельном лазере, включающем резонатор с активной средой и источник оптической накачки, в качестве которой использован твердотельный лазер, при этом резонатор сформирован из двух зеркал, в качестве активной среды использован кристалл диоксида циркония, стабилизированный иттрием, активированный ионами Ho³⁺. В качестве источника оптической накачки использован лазер на кристалле YLiF₄:Tm, генерирующий излучение на длине волны 1,905 мкм.

Технология получения кристаллов стабилизированного иттрием диоксида циркония, активированного редкоземельными ионами, в настоящее время в России отработана и позволяет получать кристаллы хорошего оптического качества.

На фиг.1 показана оптическая схема двухмикронного твердотельного лазера.

На фиг.2 - показан импульс лазерной генерации на переходе ⁵I₇→⁵I₈ ионов Ho³⁺ на кристаллах ZrO₂ - 13,6 мол.% Y₂O₃ - 0,4 мол.% Ho₂O₃.

На фиг.3 - спектр лазерной генерации на переходе ⁵I₇→⁵I₈ ионов Ho³⁺на кристаллах ZrO₂ - 13,6 мол.% Y₂O₃ - 0,4 мол.% Ho₂O₃.

Оптическая схема двухмикронного твердотельного лазера (фиг.1) содержит резонатор, включающий входное зеркало 1 и выходное зеркало 2, активную среду 3, в качестве которой использован кристалл диоксида циркония, стабилизированный иттрием, активированный ионами Ho³⁺ (ZrO₂ - 13,6 мол.% Y₂O₃ - 0,4 мол.% Ho₂O₃). В качестве источника накачки использован твердотельный лазер 4 на кристалле YLiF₄:Tm с длиной волны излучения 1,905 мкм. Перед входным зеркалом 1 установлен обтюратор 5.

Лазер работает следующим образом. Накачка активного элемента осуществлялась на уровень ⁵I₇ ионов Ho³⁺ твердотельным лазером на кристалле YLiF₄:Tm 1 с длиной волны излучения 1,905 мкм. Для снижения тепловой нагрузки на активный элемент использовался обтюратор 5, формирующий импульсы накачки длительностью 30 мс с частотой повторения ~3 Гц.

Активная среда 3 в виде элемента размером 3×3×20 мм, вырезанного из кристалла 13,6 мол.% Y₂O₃ - 0,4 мол.% Ho₂O₃, на торцы которого нанесено просветляющее покрытие на длину волны генерации (λ_ген~2,15 мкм). Излучение лазера накачки фокусировалось в активном элементе с помощью линзы 6. Диаметр перетяжки составлял 300 мкм. В эксперименте использовался конфокальный резонатор, образованный плоским зеркалом 1, коэффициент пропускания в области накачки ≥60%, коэффициент отражения на длине волны генерации более 99%, и сферическим выходным зеркалом 6 с коэффициентом пропускания на длине волны генерации менее 1% с радиусом кривизны рабочей поверхности 100 мм. Система термостабилизации обеспечивала поддержание температуры медной оправки активного элемента ~18°C. Осциллограммы импульса лазерной генерации на кристалле ZrO₂ - 13,6 мол.% Y₂O₃ - 0,4 мол.% Ho₂O₃ и импульса возбуждения, полученные с помощью цифрового осциллографа GDS 720C, представлены на фиг.2. Лазерная генерация на переходе ⁵I₇→⁵I₈ ионов Ho³⁺ в кристаллах ZrO₂ - 13,6 мол.% Y₂O₃ - 0,4 мол.% Ho₂O₃ была получена на длине волны 2,17 мкм. Порог генерации составил 380 мВт по поглощенной мощности накачки.

Спектр лазерной генерации на кристалле ZrO₂ - 13,6 мол.% Y₂O₃ - 0,4 мол.% Ho₂O₃ показан на фиг.3.

По сравнению с известными решениями предлагаемое изобретение позволяет создавать твердотельные лазеры с длиной волны генерации 2,17 мкм.

1. Двухмикронный твердотельный лазер, включающий резонатор с активной средой и источник оптической накачки, в качестве которой использован твердотельный лазер, при этом резонатор сформирован из двух зеркал, отличающийся тем, что в качестве активной среды использован кристалл диоксида циркония, стабилизированный иттрием, активированный ионами Но³⁺.

2. Двухмикронный твердотельный лазер по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника оптической накачки использован лазер на кристалле YLiF₄:Tm, генерирующий излучение на длине волны 1,905 мкм.

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.

Монокристалл со структурой типа граната, оптический изолятор и устройство для лазерной обработки // 2536970

Изобретение относится к монокристаллу со структурой типа граната, который может быть использован в оптической связи и устройствах для лазерной обработки. Данный монокристалл представлен общей формулой (Tb3-xScx)(Sc2-yAly)Al3O12-z, где 0<x<0,1; 0≤y≤0,2; 0≤z≤0,3, является прозрачным и способен ингибировать образование трещин в процессе резки.

Кристаллический материал для активных элементов перестраиваемых лазеров на основе селенида цинка, легированного хромом // 2531401

Изобретение относится к области выращивания монокристаллов и может быть использовано в лазерном приборостроении, в частности, для изготовления активных элементов перестраиваемых лазеров среднего инфракрасного (ИК) диапазона, основным применением которых является медицина, спектроскопические исследования, а также контроль загрязнения окружающей среды.

Монокристалл граната, оптический изолятор и оптический процессор // 2528669

Группа изобретений относится к производству монокристалла алюмотербиевого граната, который может быть использован в качестве фарадеевского вращателя для оптических изоляторов.

Лазерная фторидная нанокерамика и способ ее получения // 2484187

Изобретение относится к технологии получения оптических поликристаллических материалов, а именно фторидной керамики, имеющей наноразмерную структуру и усовершенствованные оптические, лазерные и генерационные характеристики.

Полимерные наночастицы, содержащие среду для преобразования фотонов с повышением частоты // 2479616

Изобретение относится к полимерным наночастицам, содержащим среду для преобразования фотонов с повышением частоты, и к способу получения таких полимерных наночастиц.

Способ изменения обыкновенного показателя преломления нелинейного кристалла gase // 2472876

Изобретение относится к технической физике и нелинейной оптике и может быть использовано при создании параметрических преобразователей частоты лазерного излучения в средний инфракрасный (ИК) и терагерцовый (ТГц) диапазоны спектра.

Твердотельный источник электромагнитного излучения // 2464683

Оптический квантовый генератор двухмикронного диапазона длин волн // 2459328

Изобретение относится к устройствам со стимулированным излучением, а именно к устройствам для генерации излучения в диапазоне длин волн 1900-2100 нм в непрерывном, импульсном или импульсно-периодическом режимах.

Способ получения фторидной нанокерамики // 2436877

Импульсно-периодический лазер на неодимовом стекле для накачки мощных титан-сапфировых усилителей, работающий с частотой повторения импульсов не менее 0,02 гц // 2548688

Импульсно-периодический лазер на неодимовом стекле для накачки мощных титан-сапфировых усилителей включает в себя задающий генератор, предусилитель, систему формирования пучка, изолятор Фарадея, кеплеров телескоп, поляризатор, основной двухпроходный усилитель на стержневых активных элементах из неодимового стекла и удвоитель частоты. Основной двухпроходный усилитель включает в себя одну или несколько пар идентичных квантронов со стержневыми активными элементами из неодимового стекла, установленных последовательно по лучу и запасающих каждая не менее 200 Дж энергии за один импульс накачки, а также линзу, вращатель Фарадея и ВРМБ-кювету, излучение в которую фокусируется упомянутой линзой. Причем между стержневыми активными элементами квантронов внутри каждой пары установлены вращатели поляризации на 90 градусов. Технический результат - разработка импульсно-периодического лазера с энергией импульсов несколько сотен джоулей и частотой их повторения не менее 0,02 Гц для накачки титан-сапфирового мультипетаваттного комплекса. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

Способ выращивания кристаллов гадолиний-скандий-алюминиевых гранатов для пассивных лазерных затворов // 2550205

Изобретение относится к технологии выращивания кристаллов для пассивных лазерных затворов, используемых в современных лазерах и лидарах, работающих в области 1,2-1,55 мкм. Кристаллы выращивают методом Чохральского из расплава исходной шихты, в котором в качестве шихты используют полученный методом твердофазного синтеза гадолиний-скандий-алюминиевый гранат состава Gd2,88Sc1,89Al3V0,03O12, причем ванадий вводят в виде оксида V2O5, а процесс выращивания кристалла ведут в среде аргона при давлении в камере 1,2-1,8 атм, затем кристалл отжигают в вакууме 3-5·10-4 мм рт. ст. при температуре 1600°C в течение 3-6 часов. Изобретение позволяет выращивать совершенные кристаллы гадолиний-скандий-алюминиевого граната, легированные катионами ванадия, с коэффициентом поглощения 1,2-2,5 см-1 на длинах волн 1,20-1,55 мкм, обеспечивающие на пассивных лазерных затворах необходимый режим модуляции добротности в импульсном режиме работы. 2 пр.

Способ генерации лазерных импульсов высокой мощности в диапазоне длин волн 3-5 мкм // 2575643

Изобретение относится к лазерной технике. Способ генерации лазерных импульсов высокой мощности в диапазоне длин волн 3-5 мкм осуществляется с использованием ZnSe-лазера, включающего резонатор с глухим и полупрозрачным зеркалами, и лазера YAG:Еr3+ с длиной волны излучения 2,94 мкм для его накачки. При этом источниками излучения с длиной волны 3-5 мкм являются зоны рабочего тела в виде полос, получаемые легированием активного материала селенида цинка ионами железа Fe2+ до концентрации 1020 см-3 на толщину 100-150 мкм. Технический результат заключается в обеспечении возможности достижения большой выходной мощности, распределения генерируемого излучения в пространстве и получения на выходе пучков излучения с различными оптическими характеристиками. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Лазер // 2587499

Изобретение относится к лазерной технике. Лазер для испускания излучения в видимом диапазоне содержит помещенный в резонатор анизотропный кристалл, легированный редкоземельными элементами, содержащий 5d-4f переход. Кристалл (2; 202) выполнен таким образом, что содержит особую ось индикатрисы. Сумма сечения вынужденного излучения в видимом диапазоне длин волн на 5d-4f переходе редкоземельного легирующего элемента в отношении особой оси индикатрисы и сечения поглощения из возбужденного состояния в том же видимом диапазоне длин волн в отношении той же особой оси индикатрисы положительна, при этом сечение вынужденного излучения отмечено положительным знаком, а сечение поглощения из возбужденного состояния отмечено отрицательным знаком. Технический результат заключается в обеспечении возможности снижения требований к точности длины волны излучения накачки. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

Монокристаллический материал с неоднородным распределением оптических примесей для активного лазерного элемента // 2591253

Изобретение относится к области лазерной техники и касается монокристаллического материала с неоднородным распределением оптических примесей по заданному закону вдоль активного лазерного элемента со следующей структурной формулой: где где z - пространственная координата, направленная вдоль длины кристалла и определяющая изменение концентрационного профиля ионов эрбия и иттербия, в системе отсчета, берущей начало на входной грани активного элемента, и имеющая значения от 0 до 1 см. Технический результат заключается в повышении эффективности продольной накачки активного лазерного элемента. 5 ил., 1 табл.

Монокристаллический материал для дискового лазера // 2591257

Изобретение относится к области лазерной техники и касается монокристаллического материала для дисковых лазеров. Монокристаллический материал выполнен на основе алюмоиттриевого граната, активированного ионами иттербия. При этом исходные компоненты взяты в соответствии со структурной формулой Yba(z):Y3-a(z)Al5O12, где - функция изменения концентрационного профиля, z - ось направления формирования концентрационного профиля кристалла, 0<z<1,2. Технический результат заключается в обеспечении сглаженного распределения теплового поля, отсутствии тепловой линзы внутри активного элемента и увеличении предельного размера генерируемого объема в активном элементе. 3 ил., 1 табл.

Устройство для частотного преобразования лазерного излучения на основе вынужденного комбинационного рассеяния // 2599918

Устройство для частотного преобразования лазерного излучения на основе вынужденного комбинационного рассеяния включает в себя оптически связанные и размещенные на одной оптической оси источник накачки с активным элементом. Причем активный элемент просветлен по торцам одновременно на длину волны накачки и длину волны стоксова комбинационного рассеяния и помещен в резонатор лазера, образованный фокусирующим зеркалом и вторым зеркалом. Между фокусирующим зеркалом и активным элементом на оптической оси установлен затвор. При этом фокусирующее зеркало выполнено в виде вогнутого, обращенного вогнутостью к активному элементу, отражающим на длине волны накачки и длине волны стоксова излучения. Второе зеркало выполнено в виде мениска, обращенного вогнутой поверхностью к активному элементу, отражающей на длине волны накачки и полупрозрачной для стоксовой длины волны излучения, при этом выпуклая поверхность мениска просветлена на длину волны накачки и стоксова рассеяния. Технический результат - создание малогабаритного устройства, с уменьшенной расходимостью лазерного излучения на выходе, получение лазерного излучения, безопасного для глаз, со стабильным и устойчивым резонатором и с плоским волновым фронтом на выходе лазера. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Оптическая среда на основе кристалла галогенида кадмия-цезия cscdbr3, содержащего примесные ионы одновалентного висмута, способная к широкополосной фотолюминесценции в ближнем ик диапазоне, и способ ее получения (варианты) // 2600359

Изобретение относится к оптическим средам на основе кристаллических галогенидов и может быть использовано в системах оптической связи в качестве широкополосных усилителей и лазеров. Оптическая среда содержит ионы низковалентного висмута в качестве единственного оптически активного центра, способна к широкополосной люминесценции в ближнем ИК диапазоне, представляет собой кристаллическую фазу бромида цезия-кадмия CsCdBr3, содержащую изоморфную примесь ионов одновалентного висмута Bi+ в количестве от 0.1 ат.% до 3 ат.%, и люминесцирует в диапазоне 900-1200 нм при возбуждении излучением с длинами волн в пределах 570-700 нм. Предложено два варианта способа получения оптической среды. Первый вариант включает приготовление шихты путем смешения CsBr, CdBr2 и BiBr3 или CsCdBr3, CdBr2 и BiBr3, добавление к шихте металлического висмута, нагревание полученной смеси, помещенной в кварцевый контейнер, в вакууме до температуры 450-500°С до полного расплавления, медленное охлаждение расплава до спонтанной кристаллизации и отделение из полученной поликристаллической структуры монокристаллов. Второй вариант включает приготовление шихты путем смешения CsBr, CdBr2 и BiBr3 или CsCdBr3, CdBr2 и BiBr3, добавление к шихте металлического висмута, помещение смеси в кварцевом контейнере в вертикальную печь Бриджмена-Стокбаргера до образования монокристаллического образца оптической среды. Предложенная оптическая среда негигроскопична, обладает стабильной люминесценцией в ближнем ИК диапазоне, а именно, в диапазоне 900-1200 нм при возбуждении излучением с длинами волн в интервале 570-700 нм. Способ получения бромида CsCdBr3 достаточно прост технологически и позволяет выращивать качественные кристаллы необходимых размеров. 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 4 пр.

Сложный гафнат лития-лантана в качестве люминесцентного материала для преобразования монохроматического излучения лазера и способ его получения // 2606229

Изобретение относится к новым соединениям класса сенсибилизированных люминофоров на основе неорганических кристаллических соединений, а именно к сложному гафнату лития-лантана состава Li7La3-x-y-z-nNdxHoyErzDynHf2O12, где x=2.5⋅10-2-1⋅10-1, y=1.6⋅10-7-4.7⋅10-7, z=1.5⋅10-6, n=1.2⋅10-6-4.7⋅10-6. Также предложен его способ получения. Полученный состав используется в качестве люминесцентного материала для преобразования монохроматического излучения лазера с длиной волны 808 нм в серию эмиссионных линий 2-2.3 мкм, 2.5-2.9 мкм, 3.1-3.35 мкм. 2 н.п. ф-лы, 3 ил., 3 пр.

Многопроходный лазерный усилитель на дисковом активном элементе // 2607839

Многопроходный лазерный усилитель на дисковом активном элементе содержит активный элемент и две оптические системы для переноса изображения с лазерного активного элемента обратно на лазерный активный элемент. В усилителе угол отклонения нормали активного элемента от оптической оси первой оптической системы, а также угол между нормалью к лазерному активному элементу и осью второй оптической системы и угол падения входного лазерного излучения на лазерный активный элемент выбраны таким образом, что количество проходов лазерного излучения через активный элемент, полученное при помощи первой оптической системы, уменьшается по сравнению с максимально возможным Nmax. Технический результат заключается в обеспечении устойчивости к вибрациям, повышении порога самовозбуждения, увеличении эффективности извлечения запасённой энергии. 2 ил.