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

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.

 

Предлагаемое изобретение относится к области квантовой физики и может быть использовано при создании лазерных систем для формирования импульсов электромагнитного излучения в диапазоне длин волн 3-5 мкм.

Известен способ получения излучения с длиной волны в диапазоне 3,94-4,54 мкм с помощью лазера при использовании в нем в качестве активного материала монокристалла селенида цинка, легированного ионами Fe²⁺. В целях увеличения выходной мощности используют высокий уровень энергии когерентной накачки при длительности импульсов до 200 мкс. Это приводит к росту температуры кристалла и необходимости использования системы охлаждения лазера, обеспечивающей рабочую температуру примерно 255°К, что является определенным недостатком способа [1].

Также известен способ генерации излучения ZnSe:Fe²⁺ - лазером в диапазоне длин волн 3,77-4,40 мкм при комнатной температуре с максимальным КПД 10-15% при накачке YAG:Er³⁺ - лазером с длиной волны 2,94 мкм в режиме модуляции добротности [2].

Одним из наиболее близких технических решений (прототипом) является способ генерации лазерного излучения ближнего ИК-диапазона, представленный в патенте США №5541948 [3]. Отличительная особенность указанного изобретения состоит в использовании в качестве активного материала соединения, имеющего формулу MX, где М - двухвалентный катион из группы элементов Mg, Zn, Cd, а X - двухвалентный анион из группы элементов S, Se, Те, и легированного ионами одного из группы переходных металлов Ti, V, Cr, Mn, Fe, Со, Ni, Cu. Другой отличительной особенностью данного изобретения является расположение на одной оси элементов оптической системы, включая лазер для накачки.

Существенным недостатком приведенных способов генерации лазерного излучения является ограниченная выходная мощность и невозможность ее варьирования в широких пределах.

Технический результат от использования предлагаемого технического решения заключается в возможности достижения большой выходной мощности, распределения генерируемого излучения в пространстве и получения на выходе пучков излучения с различными оптическими характеристиками.

В соответствии с предлагаемым изобретением технический результат достигается тем, что в способе генерации лазерных импульсов высокой мощности в диапазоне длин волн 3-5 мкм с использованием ZnSe-лазера, включающего резонатор с глухим и полупрозрачным зеркалами, и для его накачки YAG:Er³⁺ - лазера с длиной волны излучения 2,94 мкм 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.

Кроме того, накачку зон рабочего тела ZnSe-лазера для генерации лазерных импульсов в диапазоне длин волн 3-5 мкм производят лазерами, количество которых соответствует числу зон активного материала.

Кроме того, для получения одномодового излучения пучков накачку зон рабочего тела ZnSe-лазера производят путем расщепления излучения от лазера накачки по числу зон рабочего тела с помощью делителя пучка.

Кроме того, ось накачки и направление генерируемого излучения с длиной волны в диапазоне 3-5 мкм составляют угол 90°.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства для реализации предлагаемого способа генерации лазерного излучения.

На фиг. 2 представлена схема устройства, у которого число лазеров накачки соответствует числу зон рабочего тела, легированных ионами Fe²⁺ (поперечное сечение рабочего тела).

На фиг. 3 представлена схема устройства, у которого излучение накачки для каждой зоны рабочего тела получают путем расщепления пучка от лазера накачки (поперечное сечение рабочего тела).

Способ генерации лазерных импульсов высокой мощности в диапазоне длин волн 3-5 мкм реализуется в лазерном модуле - 1, который содержит рабочее тело - 2, в качестве материала которого используют монокристалл ZnSe, полупрозрачное зеркало - 3, выполняющее роль концентратора излучения, и глухое зеркало - 4 (фиг. 1). Наличие зеркал указанного типа позволяет организовать одностороннее излучение из лазерного блока.

Накачка рабочего тела - 2 осуществляется с помощью лазера - 5. Для генерации излучения в длинноволновой области 3-5 мкм целесообразно использование для накачки кросс-релаксационного YAG-Er³⁺ - лазера, генерирующего излучение в диапазоне 2,94 мкм и имеющего диодную накачку с длиной волны 0,98 мкм. Генерируемое лазером - 5 излучение накачки проходит систему фокусировки - 6 в виде цилиндрических линз. Линия накачки образует прямой угол с осью пучка излучения, исходящего из рабочего тела - 2.

Повышение среднего значения мощности излучения в диапазоне длин волн 3-5 мкм обеспечивается особой, полосчатой структурой рабочего тела - 2. У рабочего тела - 2 в виде продольных полос толщиной 100-150 мкм расположены зоны насыщения - 7 матрицы ZnSe ионами переходного металла Fe²⁺. Эти зоны получают путем термодиффузионного легирования до предельной концентрации (примерно 10²⁰ см^-3). Указанные зоны насыщения - 7 могут контактировать между собой для получения широкого пучка излучения. Между зонами насыщения - 7 могут быть расположены участки матрицы в целях получения на выходе из устройства нескольких пучков излучения.

При наличии нескольких зон насыщения - 7 накачку каждой зоны можно производить от отдельного лазера (фиг. 2) или от одного лазера, используя делитель пучка - 8 в виде призматической системы (фиг. 3).

Возможно получение полосчатой структуры активного элемента - 2 путем набора монокристаллических пластин необходимой толщины, полученных из расплава ZnSe с введением в него ионов переходного металла Fe²⁺. В этом случае обеспечивается более равномерное распределение ионов Fe²⁺ по объему и соответственно более однородная плотность пучка излучения.

Из вышеприведенного следует, что предложенные технические решения имеют преимущества по сравнению с известными - повышается среднее значение выходной мощности, повышается лучевая плотность и возможно получение генерируемого излучения в пространстве в виде пучков различной ширины - следовательно, дают при использовании соответствующий технический результат.

По результатам заявки в настоящее время проведены экспериментальные исследования, подтвердившие достижение вышеуказанного технического результата.

Источники информации

1. А.А. Воронов, В.И. Козловский, Ю.В. Коростелин и др. Квантовая электроника, 35, 809 (2005).

2. В.А. Акимов, А.А. Воронов, В.И. Козловский и др. Квантовая электроника, 36, 299 (2006).

3. Патент США №5541948 (МКИ H01S 3/16; НКИ 372/41; 68; дата опубл. патента 30.07.1996 г.; Krupke W.F. et al.)

1. Способ генерации лазерных импульсов высокой мощности в диапазоне длин волн 3-5 мкм с использованием ZnSe-лазера, включающего резонатор с глухим и полупрозрачным зеркалами, и для его накачки YAG:Еr³⁺-лазера с длиной волны излучения 2,94 мкм, отличающийся тем, что 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.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что накачку зон рабочего тела ZnSe-лазера для генерации лазерных импульсов в диапазоне длин волн 3-5 мкм производят лазерами, количество которых соответствует числу зон активного материала.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что накачку зон рабочего тела ZnSe-лазера производят путем расщепления излучения от лазера накачки по числу зон рабочего тела с помощью делителя пучка.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ось накачки и направление генерируемого излучения с длиной волны в диапазоне 3-5 мкм составляют угол 90°.