Перестраиваемый диодный лазер с внешним резонатором
Владельцы патента RU 2725639:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (RU)
Акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (АО "Российские космические системы") (RU)
Изобретение относится к лазерной технике. Перестраиваемый диодный лазер с внешним резонатором содержит последовательно установленные на единой оптической оси лазерный диод, коллимирующий объектив, интерференционный фильтр, фокусирующий объектив, отражающее зеркало, установленное на единой оптической оси за фокусирующим объективом, и выходное отражающее зеркало, установленное за коллимирующим объективом и обеспечивающее выход оптического излучения диодного лазера под углом к единой оптической оси в виде аксиально симметричного светового пучка. Интерференционный фильтр установлен в оправе, построенной по дифференциальной схеме двух клиньев, один из которых является неподвижным и имеет угол, являющийся наиболее вероятным для попадания в требуемую длину волны генерации диодного лазера, а другой является подвижным и имеет угол, соответствующий допуску на точность исполнения интерференционного фильтра, обеспечивающими генерацию на одной продольной моде. Технический результат заключается в обеспечении возможности повышения стабильности частоты генерации и выходной мощности. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к квантовой электронике и лазерной технологии. Оно может быть использовано для создания перестраиваемых диодных лазеров с внешними резонаторами, обеспечивающими генерацию на одной продольной моде.
Известен твердотельный лазер с продольной накачкой [RU 2172544, C1, H01S 3/02, 20.08.2001], в корпусе которого установлены последовательно соединенные оптический модуль накачки и резонатор лазера с активным элементом и выходным зеркалом, причем, активный элемент вклеен теплопроводящим компаундом в калиброванный ложемент, который выполнен со стороны оптического модуля накачки в цилиндрической оправе резонатора, закрепленной в корпусе лазера соосно с оптической осью модуля накачки, при этом, калибр ложемента D=d+(5-50) мкм, где d - диаметр активного элемента.
Недостатком этого технического решения является относительно высокая сложность.
Известен также компактный твердотельный лазер с продольной накачкой [RU 2382458, C1, H01S 3/0933, 20.02.2010], включающий оптический модуль, содержащий линейку диодов, корпус, в котором установлены резонатор с зеркалами, активный элемент, помещенный в ложементе, теплоотводящую рубашку, оптоволокно и объектив накачки, причем, заднее зеркало резонатора выполнено в виде отдельного оптического элемента, активный элемент установлен в радиально-симметричную теплоотводящую рубашку, закрепленную между зеркалами, а в центре ее выполнен ложемент, между боковой поверхностью элемента и ложементом рубашки помещена прокладка из теплопроводного материала, оптический модуль вынесен за пределы корпуса и связан с лазером оптоволокном, подключенным к объективу накачки, установленному на торце корпуса лазера со стороны заднего зеркала резонатора.
Недостатком этого технического решения также является относительно высокая сложность.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является диодный лазер с внешним резонатором [Intrferens-filter-stabilbzed external-cavity diode lasers. X. Bailard, A. Gaudet, S. Bize, P. Lemonde, Ph. Laurent, А/ Clairon, P. Rosenbusch. de Rerferrence Temps-Espace, Observatoire de Paris, 61 Avenue de 
75014 Paris, France Received 28 February 2006; received in revised form 3 May 2006; accepted 5 May 2006], содержащий последовательно установленные на единой оптической оси лазерный диод, первый коллимирующий объектив, интерференционный фильтр, фокусирующий объектив, выходное полупрозрачное зеркало и второй коллимирующий объектив.
Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно низкая стабильность, как частоты генерации, так и выходной мощности при работе в режиме излучения на одной продольной моде из-за возможных нарушений юстировки интерференционного фильтра, которые ведут к изменению угла падения лазерного излучения на интерференционный фильтр и, как следствие, сдвигу частоты генерации и уменьшению выходной мощности диодного лазера.
Задача изобретения состоит в создании диодного лазера с внешним резонатором, обладающего высокой стабильностью частоты генерации, более низкими потерями и обеспечивающего более высокую и стабильную выходную мощность.
Требуемый технический результат заключается в обеспечении более высокой стабильности, как частоты генерации, так и выходной мощности.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в устройство, содержащее последовательно установленные на единой оптической оси лазерный диод, коллимирующий объектив, интерференционный фильтр и фокусирующий объектив, согласно изобретению, введены глухое отражающее зеркало, установленное на единой оптической оси за фокусирующим объективом, выходное отражающее зеркало, установленное за коллимирующим объективом и обеспечивающее выход оптического излучения диодного лазера под углом к единой оптической оси в виде аксиально симметричного светового пучка, при этом, интерференционный фильтр установлен в оправе, построенной по дифференциальной схеме двух клиньев, один из которых является неподвижным и имеет угол, являющийся наиболее вероятным для попадания в требуемую длину волны генерации диодного лазера, а другой является подвижным и имеет угол, соответствующий допуску на точность исполнения интерференционного фильтра.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, неподвижный клин имеет угол, равный 5±2°.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, подвижный клин имеет угол, равный 2±1°.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, отражающее зеркало выполнено подвижным на пьезоэлементе для осуществления настройки диодного лазера.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, интерференционный фильтр выполнен в виде многослойного диэлектрического покрытия, нанесенного на тонкую кварцевую подложку диаметром большим, чем максимальный размер светового пучка лазерного диода.
На чертеже представлена конструкция перестраиваемого диодного лазера с внешним резонатором. На чертеже обозначены:
1 - лазерный диод;
2 - коллимирующий объектив;
3 - выходное отражающее зеркало;
4 - оправа выходного зеркала;
5 - неподвижная оправа интерференционного фильтра;
6 - подвижная оправа интерференционного фильтра;
7 - интерференционный фильтр;
8 - оправа подвижного зеркала;
9 - корпус;
10 - фокусирующий объектив;
11 - глухое отражающее зеркало;
12 - пьезоэлемент.
Перестраиваемый диодный лазер с внешним резонатором содержит последовательно установленные на единой оптической оси лазерный диод 1, коллимирующий объектив 2, интерференционный фильтр 7, фокусирующий объектив 10 и отражающее зеркало 11, установленное на единой оптической оси за фокусирующим объективом, а также выходное отражающее зеркало 3, установленное за коллимирующим объективом 2 на единой оптической оси под углом 45° к ней.
Особенностью предложенного диодного лазера с внешним резонатором является то, что, интерференционный фильтр 7 установлен в оправе (неподвижная оправа 5 и подвижная оправа 6), построенной по дифференциальной схеме двух клиньев, один из которых является неподвижным и имеет угол, являющийся наиболее вероятным для попадания в требуемую длину волны генерации диодного лазера, например 5°, а другой является подвижным и имеет угол, соответствующий допуску на точность исполнения интерференционного фильтра, например 2°.
Используется перестраиваемый диодный лазер с внешним резонатором следующим образом.
Излучение лазерного диода 1 собирается коллимирующим объективом 2, который формирует параллельный пучок излучения. Часть светового пучка сразу выводится из лазерного резонатора выходным отражающим зеркалом 3. Интерференционный фильтр 7 обеспечивает генерацию лазера на одной продольной моде, благодаря спектральной селективности его пропускания. Замыкается лазерный резонатор глухим отражающим зеркалом 11.
Поперечное сечение излучения, поступающего на выходное отражающее зеркало 3, имеет форму эллипса с типичным соотношением осей 1:3. Выходное отражающее зеркало 3 вырезает из излучения область с примерно равными поперечными размерами. Это может быть важным фактором при использовании выходного излучения лазера и выборе оптических элементов, расположенных за лазером (оптическая развязка, делительные кубики, зеркала). Меньшее сечение лазерного пучка позволяет использовать более компактные и дешевые оптические компоненты. Кроме того аксиальная симметрия пучка позволяет с большей эффективностью согласовывать излучение лазера с такими оптическими элементами, как оптические волокна и интерферометры.
Регулировка уровня оптической обратной связи может осуществляться смещением глухого отражающего зеркала 11 к периферии лазерного пучка. Поскольку сечение пучка имеет распределение интенсивности, близкое к гауссовому, то выходная мощность будет снижаться по мере смещения зеркала к его периферии.
Кроме того, обычно юстировку фильтра осуществляют прецизионной оправой, в которой точность поворота фильтра связана с шагом винта и расстоянием винта от оси поворота. Механические вибрации такой оправы приводят непосредственно к флуктуациям угла поворота.
В предложенной конструкции для изменения угла падения лазерного излучения на фильтр используется дифференциальная схема двух клиньев. Неподвижный клин (позиция 5 на чертеже) имеет угол, наиболее вероятный для попадания в нужную длину волны генерации лазера, например 5°. Подвижный клин (позиция 6 на чертеже) имеет угол, соответствующий допуску на точность исполнения фильтра, например 2°. Тогда при вращении подвижной оправы внутри неподвижной угол падения лазерного луча на фильтр изменится от 3° до 7°. Очевидно, что для изменения плавности или диапазона регулировки угла падения достаточно изменить угол подвижного клина. При механическом воздействии на резонатор диодного лазера поворот подвижного клина менее вероятен, чем трансляция, поэтому такой способ юстировки, который соответствует предложенной конструкции перестраиваемого диодного лазера, более виброустойчив, чем традиционный.
Таким образом, в предложенной конструкции лазера достигается требуемый технический результат, поскольку обеспечивается повышение стабильности как частоты генерации, так и выходной мощности.
1. Перестраиваемый диодный лазер с внешним резонатором, содержащий последовательно установленные на единой оптической оси лазерный диод, коллимирующий объектив, интерференционный фильтр и фокусирующий объектив, отличающийся тем, что введены глухое отражающее зеркало, установленное на единой оптической оси за фокусирующим объективом, и выходное отражающее зеркало, установленное за коллимирующим объективом и обеспечивающее выход оптического излучения диодного лазера под углом к единой оптической оси в виде аксиально симметричного светового пучка, при этом интерференционный фильтр установлен в оправе, построенной по дифференциальной схеме двух клиньев, один из которых является неподвижным и имеет угол, являющийся наиболее вероятным для попадания в требуемую длину волны генерации диодного лазера, а другой является подвижным и имеет угол, соответствующий допуску на точность исполнения интерференционного фильтра.
2. Перестраиваемый диодный лазер с внешним резонатором по п. 1, отличающийся тем, что неподвижный клин имеет угол, равный 5°.
3. Перестраиваемый диодный лазер с внешним резонатором по п. 1, отличающийся тем, что подвижный клин имеет угол, равный 2°.
4. Перестраиваемый диодный лазер с внешним резонатором по п. 1, отличающийся тем, что глухое отражающее зеркало выполнено подвижным на пьезоэлементе для осуществления настройки диодного лазера.
5. Перестраиваемый диодный лазер с внешним резонатором по п. 1, отличающийся тем, что интерференционный фильтр выполнен в виде многослойного диэлектрического покрытия, нанесенного на тонкую кварцевую подложку диаметром большим, чем максимальный размер светового пучка лазерного диода.
