ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 1995 года по МПК H01S3/16 

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к твердотельным лазерам, и может быть использовано в медицине, связи, научных исследованиях.

Известен твердотельный лазер на кристалле ИАГ-Tm-Cr для получения двухмикронной генерации ионов Tm³⁺(³F₄ ->> ³H₆) в условиях широкополосной ламповой накачки при Т=300 К [1]
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является твердотельный лазер, состоящий из резонатора, образованного двумя зеркалами, на оптической оси которого размещен активный элемент из кристалла ИАГ-Tm-Cr [2] Торцы элемента просветлены. Накачка осуществлялась ксеноновой лампой с длительностью импульсов в 1,4 мс при частоте повторения 1 Гц. Лазер излучает на длине волны 2,014 мкм, порог генерации в глухом резонаторе составляет 43 Дж, КПД_абс=1,3% КПД_диф=4,5% энергия генерации в единичном импульсе 2 Дж.

Недостатком известного лазера является тот факт, что соактивация кристалла ионами Сr³⁺, обеспечивающая лучшее согласование со спектром излучения лампы накачки, при этом приводит к увеличению тепловых нагрузок на кристалл.

Технической задачей изобретения является улучшение энергетических параметров твердотельного двухмикронного лазера.

Это достигается тем, что активный элемент твердотельного лазера на основе кристалла со структурой граната, активированного ионами Tm³⁺, выполнен из кристалла, имеющего состав:
Ca_xTm_yNb_zGa_mO₁₂, где х=2,64-2,96; у=0,04-0,36;
z=1,52-1,95; m=2,90-3,4.

Выход из указанных границ состава по х (менее 2,64 и более 2,96), по z (менее 1,52 и более 1,85), по m (менее 2,90 и более 3,4) по у (более 0,36) приводит к растрескиванию кристалла, внедрению посторонних фаз и т.д. При у<0,04 в кристалле отсутствует Ca_xTm_yNb_zGa_mО₁₂ процесс кросс-релаксации по ионам Тm³⁺ который увеличивает заселение верхнего лазерного уровня ³F₄.

Данный кристалл выращивается по методу Чохральского на установке "Донец-3" с индукционным нагревом.

Более широкие линии в спектрах поглощения кристаллов Ga_xTm_yNb_zGamO₁₂ по отношению к ИАГ, обусловленные разупорядоченностью их структуры, обеспечивают лучшее перекрытие со спектром излучения лампы накачки.

На фиг. 1 изображен спектр поглощения кристаллов ИАГ; на фиг 2 спектр поглощения Ca_xTm_yNb_zGa_mO₁₂ для перехода ³Н₆ ->> ³F₃ при Т=300 К.

На фиг. 3 изображен спектр генерации.

Твердотельный лазер на основе кристалла со структурой граната, активированного ионами Tm³⁺, работающий при комнатной температуре, состоит из резонатора, образованного двумя отражающими элементами, в состав которых входит нелинейный элемент. На оптической оси резонатора расположен активный элемент из кристалла Ca_xTm_yNb_zGamO₁₂. В устройстве могут быть использованы другие типы резонаторов.

Примеры конкретного выполнения.

При проведении генерационных испытаний использовался цилиндрический активный элемент 6,2/69 мм, длина засвечиваемой части 60 мм. Торцы элемента были просветлены на длину волны генерации 2,02 мкм. Резонатор длиной 14 см был образован плоскими диэлектрическими зеркалами с коэффициентами отражения R₁=99% и R₂=72%
В качестве осветителя использовался квантрон К301, охлаждаемый дистиллированной водой и лампа ДНП 6/90.

Питание лампы осуществлялось блоком питания СПИК-3, обеспечивающим энергию накачки до 1200 Дж, длительность импульса 4,5 мс, частоту повторения 0,5 Гц.

При ламповой накачке лазер с активным элементом из кристалла Ca_xTm_yNb_zGa_mO₁₂ излучал на длине волны 2,02 мкм. Порог генерации в глухом резонаторе 240 Дж. Энергия генерации в единичном импульсе 3,3 Дж.

Спектр генерации при Т=300 К показан на фиг. 3.

Полученный эффект увеличения энеpгии излучения при работе лазера объясняется только заменой кристалла активного элемента на кристалл Са_xTm_yNb_zGamO₁₂, физическими процессами, происходящими в этом кристалле при генерации.

Данные по составу активного элемента при различных режимах работы лазера сведены в таблице.

Использование: в квантовой электронике, в частности в твердотельных лазерах. Сущность изобретения: твердотельный лазер на основе кристалла со структурой граната, активированного ионами Tm³⁺ содержит резонатор, в состав которого могут быть включены нелинейные элементы, на оптической оси резонатора расположен активный элемент из кристалла Ca_xTm_yNb_zGa_mO₁₂. В качестве источника накачки использовалась импульсная криптоновая лампа. Цель изобретения - увеличение энергии излучения. 3 ил., 1 табл.

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР, содержащий активный элемент на основе кристалла со структурой граната, активированного ионами Tm³⁺, отличающийся тем, что кристалл активного элемента имеет состав
Ca_x Tm_y Nb_z Ga_m O₁₂,
где 2,64 < x < 2,96;
0,04 < y < 0,36;
1,52 < z < 1,85;
2,90 < m < 3,40.