ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 1994 года по МПК H01S3/11 H01S3/16 

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано в твердотельных лазерах с модуляцией добротности и диапазона длин волн 1,3-3 мкм.

Известен твердотельный лазер, содержащий резонатор, внутри которого на оптической оси установлены лазерный элемент, поляризатор и ячейка Керра [1] .

Недостатком этого технического решения является невозможность магнитооптической модуляции добротности резонатора лазера при формировании гигантского импульса, а следовательно низкая мощность.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является твердотельный лазер, содержащий резонатор, внутри которого на оптической оси установлены лазерный элемент, поляризатор и ячейка Поккельса [2].

Недостатком такого лазера является невозможность магнитооптической модуляции добротности резонатора лазера при формировании гигантского импульса, а следовательно, низкая мощность.

Цель изобретения - повышение мощности.

Поставленная цель достигается тем, что твердотельный лазер, содержащий резонатор, внутри которого на оптической оси расположены активный элемент и поляризатор, дополнительно содержит блок магнитного поля, выполненный таким образом, что создаваемое им магнитное поле намагничивает до насыщения активный элемент, при этом активный элемент выполнен из феррит-граната, активированного ионами неодима, эрбия, гольмия или тулия, а длина активного элемента такова, что при двухкратном проходе излучения сквозь элемент угол поворота плоскости поляризации на длине волны излучения лазера изменяется на 90^о.

В частности, блок магнитного поля может быть выполнен в виде источника импульсного магнитного поля, направленного вдоль оптической оси, а длина L активного элемента определяется соотношением 2LQ = (2p-1) ˙ 90^o, где Q - удельное фарадеевское вращение феррит-граната на длине волны излучения лазера; р - целое число.

Альтернативным вариантом является выполнение магнитного блока в виде источника постоянного магнитного поля и источника противоположно направленного магнитного поля, при этом длина лазерного элемента определяется соотношением 2LQ = (2p-1) ˙ 45^o. В частности, активный элемент может быть выполнен в виде феррит-граната и соответствует химической формуле A_xR_yFe_zO₁₂, где А - элемент матрицы граната и/или сенсибилизатор; R - активатор, по крайней мере один из элементов Nd, Tm, Ho, Er, 0,01<x<4,99; 0,01<y<3,00; 3,00<z<5,00.

В частности, элемент матрицы граната представляет собой по крайней мере один элемент из ряда лютеций, иттрий, гадолиний, лантан, галлий, алюминий, скандий, индий.

Например, в качестве сенсибилизатора могут быть взяты хром, церий, неодим, иттерий, тулий, эрбий. Поскольку активный элемент выполнен из феррит-граната, то при отсутствии магнитного поля он разбивается на магнитные домены и только при приложении достаточно большого магнитного поля намагничивается до насыщения. Следовательно, приложение магнитного поля или изменение его направления приводит к изменению суммарного угла поворота плоскости поляризации излучения, проходящего через элемент, что при наличии в резонаторе лазера поляризатора обеспечивает магнитооптическую модуляцию добротности резонатора лазера при формировании гигантского импульса.

На чертеже показана блок-схема лазера. Лазер содержит резонатор, образованный глухим 1 и выходным 2 зеркалами. Внутри резонатора между зеркалами 1 и 2 последовательно установлены активный элемент 3 и поляризатор 4. Поляризатор установлен таким образом, что излучение, дважды прошедшее через элемент 3, полностью гасится. Накачка лазера осуществляется лампой 5, соединенной с блоком 6 накачки.

Лазерный элемент 3 установлен между катушками 7 Гельмгольца. Вариантом является использование соленоида, катушек Гельмгольца и постоянных кольцевых магнитов или двух соленоидов. Катушки 7 соединены с блоком 8 импульсов магнитного поля, который может быть синхронизирован с блоком 6 накачки.

Лазер работает следующим образом. В исходном состоянии после подачи накачки излучение дважды проходит через элемент 3 и гасится поляризатором 4. При достаточно большом размере элемента 3 он разбивается на большое число противоположно намагниченных доменов, в результате суммарный поворот плоскости поляризации света равен нулю. При использовании источника постоянного магнитного поля суммарный поворот плоскости поляризации света при двухкратном проходе через элемент равен - (2р-1) ˙ 45^о. После приложения импульса магнитного поля в первом случае элемент намагничивается до насыщения, угол поворота плоскости поляризации излучения в нем становится равным (2р-1) ˙ 90^о, т.е. излучение полностью проходит через поляризатор 4 и формируется гигантский импульс. Во втором случае лазерный элемент 3 перемагничивается и угол поворота плоскости поляризации становится равным + (2р-1)˙ 45^о, т.е. изменение этого угла также равно (2р-1) ˙ 90^о.

Лазерное вещество получали спонтанной кристаллизацией из раствора-расплава или методом жидкофазной эпитаксии из переохлажденного раствора расплава. Шихту корректировали с учетом коэффициентов распределения гранатообразующих компонентов.

Примеры конкретного выполнения лазерного вещества приведены в таблице.

Из монокристаллов вырезали активные элементы в виде цилиндров диаметром 1-5 мм и длиной 5-20 мм. Магнитное поле создавали с помощью катушек Гельмгольца, расположенных вблизи торцов элементов 3 и подключенных к мощному источнику импульсов тока (до 100 А). Постоянное магнитное поле создавали с помощью соленоида, внутри которого располагался осветитель с лазерным элементом. Во всех случаях с помощью магнитооптической модуляции добротности резонатора лазера формировался гигантский импульс.

Дополнительным преимуществом изобретения является упрощение лазера за счет исключения ячейки Поккельса, отсутствие высоковольтных управляющих напряжений.

Использование: в области квантовой электроники в твердотельных лазерах с модуляцией добротности в диапазоне длин волн 1,3 - 3 мкм. Сущность изобретения: лазер содержит резонатор, внутри которого установлены феррит - гранатовый лазерный элемент и поляризатор. Поляризатор установлен таким образом, что в исходном состоянии излучение, дважды прошедшее через элемент, гасится. Импульсное магнитное поле, создаваемое катушками, приводит к изменению угла поворота плоскости поляризации излучения. 5 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР, содержащий резонатор, внутри которого на оптической оси расположены активный элемент и поляризатор, отличающийся тем, что, с целью повышения мощности, в него введен блок магнитного поля, выполненный так, что создаваемое им магнитное поле намагничивает до насыщения активный элемент, при этом активный элемент выполнен из феррит-граната, активированного ионами неодима, эрбия, гольмия или тулия, а длина активного элемента такова, что при двукратном проходе излучения сквозь элемент угол поворота плоскости поляризации излучения на длине волны изменяется на 90^o. 2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что блок магнитного поля выполнен в виде источника импульсного магнитного поля, направленного вдоль оптической оси, а длина активного элемента L определена соотношением
2Lθ_F = (2P - 1)90^о,
где θ_F - удельное фарадеевское вращение феррит-граната на длине волны излучения лазера;
P - целое число. 3. Лазер по п.1, отличающийся тем, что блок магнитного поля выполнен в виде источника постоянного поля и источника противоположно направленного импульсного магнитного поля, при этом длина активного элемента определена соотношением 2Lθ_F = (2P - 1)45^о, . 4. Лазер по п.1, отличающийся тем, что активный элемент выполнен в виде феррит-граната и соответствует химической формуле A_xR_y Fe_ZO₁₂, где A - элемент матрицы граната и/или сенсибилизатор, R - активатор, по крайней мере один элемент из ряда Nd, Tm, Ho, Er,
0,01 ≅ x ≅ 4,99,
0,01 ≅ y ≅ 3,00,
3,00 ≅ z ≅ 5,00. 5. Лазер по пп. 1 и 4, отличающийся тем, что элемент матрицы граната представляет собой по крайней мере один элемент из ряда лютеций, иттрий, гадолиний, лантан, галлий, алюминий, скандий, индий. 6. Лазер по пп.1, 4 и 5, отличающийся тем, что в качестве сенсибилизатора взят по крайней мере один элемент из ряда хром, церий, неодим, иттербий, тулий, эрбий.