СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИНВЕРСИИ В АКТИВНОМ ЭЛЕМЕНТЕ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА Российский патент 1997 года по МПК H01S3/94 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при работе с твердотельными лазерами, применяемыми в лазерной технологии, лазерной связи, научных исследованиях, в лазерных установках, разрабатываемых по программе лазерного термоядерного синтеза.

Известен традиционный способ формирования распределения инверсии в активном элементе твердотельного лазера, заключающийся в возбуждении (накачке) объема активной среды через ее поверхность излучением оптического диапазона длин волн (ближнего инфракрасного, видимого и ближнего ультрафиолетового диапазона длин волн), с интенсивностью, обеспечивающей создание инверсной населенности ионов активатора на метастабильном (верхнем лазерном) уровне по отношению к нижележащему (нижнему лазерному) уровню. В способе, описанном в работе [1] источником накачки с интенсивностью -10⁴Вт/см² служат импульсные газоразрядные лампы, а активный элемент из неодимового стекла выполнен в виде параллелепипеда (плиты, слэба) длиной 72 см и сечением 4•24 см. В способе, описанном в работе [2] источником накачки служат батареи полупроводниковых лазерных диодов, излучающих с интенсивностью на длине волн около 800 нм, а активные элементы выполнены в виде дисков (плит) из неодимового стекла или лазерных кристаллов прямоугольного сечения с толщиной до 2 см, рассчитанных на распространение лазерного пучка с поперечным сечением до 40•40 см. В рассматриваемых способах [1 и 2] излучение импульсной лампы в широком спектральном диапазоне или лазерное излучение, настроенное на полосу поглощения ионов активатора, возбуждает ионы, находящиеся преимущественно в основном энергетическом состоянии с энергией уровня ε0. Эти ионы переходят на вышележащие энергетические уровни (уровни накачки), и затем накапливаются на метастабильном уровне с энергией e = ε_m в количестве, обеспечивающем инвертную населенность в среде. При этих переходах ионов в активной среде также выделяется тепло. При накачке активного элемента в виде плоского слоя толщиной d излучением накачки с близким к равномерному распределением интенсивности на поверхности среды для профиля инверсии в активном элементе характерен максимум на поверхности слоя и спад инверсии вглубь слоя [1 и 2] При симметричном двустороннем облучении слоя (плоского активного элемента типа лазерного диска, плиты, слэба) максимум инверсии формируется у обеих поверхностей слоя, а на глубине d/2 образуется минимум инверсии [1 и 2] При однократных импульсах накачки [1] распределение выделившегося в активном элементе тепла подобно распределению инверсии [1] В то же время для частотно-импульсного или непрерывного режимов работы источника накачки с принудительным охлаждением активного элемента через поверхность характерны прочили температуры с минимумами на поверхности и максимумом в глубине среды с характерными перепадами температуры 100^oK/см и выше [2, 3]
Основным недостатком рассматриваемых способов является концентрация инверсии (запасенной активной средой энергии) в приповерхностных областях активного элемента. Такая концентрация связана с тем, что при обычно применяемых для накачки умеренных интенсивностях излучения I_n≅10⁴ вт/см², активная среда не просветляется, и интенсивность накачки спадает в среде экспоненциально:
I(d) = I_нexp(-αd), (1)
где
α усредненный по спектру накачки и обычно не зависящий от интенсивности и от координаты d коэффициент поглощения излучения накачки для переходов ионов активизатора из основного энергетического состояния на вышележащие энергетические уровни накачки. Приповерхностная концентрация инверсии способствует росту потерь в активном элементе лазера на паразитную генерацию и суперлюминесценцию, способствует возникновению разрушений в среде в местах повышенной концентрации энергии, препятствуя тем самым эффективному съему запасенной энергии со всего объема активной среды и формированию лазерного пучка с близким к равномерному распределению интенсивности излучения. Соотношение (1) ограничивает также при традиционных способах накачки возможность прокачки толстых слоев активных сред и применение в лазерах сред с высокой концентрацией ионов активатора.

Наиболее близким к изобретению является способ формирования распределения инверсии путем накачки активного элемента из кристалла YAG:Nd³⁺ с прямоугольным поперечным сечением (слэба) с размерами 0,4х1,8х9 см в режиме повторяющихся с частотой до 3500 Гц импульсов излучением матриц полупроводниковых лазерных диодов с принудительным охлаждением, описанный в работе [4] Накачка слэба осуществлялась через полированные боковые грани с размерами 1.8х9 см на длине волны импульсами длительностью 100 мкс при интенсивности накачки 250 Вт/см². Охлаждение слэба производится водой со стороны боковых граней.

В осуществлении в работе [4] способе лазерной накачкой возбуждаются ионы Nd³⁺ в гранате, находящиеся в основном энергетическом состоянии. При такой накачке неизбежно возникают максимумы инверсии на поверхности слэба, а принудительное охлаждение слэба приводит к формированию профиля температуры с минимумом на поверхности и максимумом в глубине слэба. Следствием неоднородного распределения инверсии по слэбу является необходимость усложнения оптической схемы лазера. Для улучшения распределения интенсивности в лазерном пучке в работе [4] применяется зигзагообразный ход лучей лазера внутри слэба. Это приводит к усложнению оптической схемы лазера и удорожанию самого активного элемента, все грани которого должна быть изготовлены с интерферометрической точностью. Из-за высокого поглощения излучения накачки в кристалле YAG:Nd³⁺ толщина кристалла в работе [4] всего 0,4 см.

Техническая задача изобретения управление профилем распределения инверсии в активной среде твердотельного лазера, в т ом числе предотвращение характерной для многих типов активных элементов (и нежелательной при эксплуатации) концентрации запасенной энергии в периферийных (приповерхностных) частях объема среды и, тем самым, повышение однородности распределения инверсии. Способ формирования включает накачку излучением оптического диапазона длин волн ионов активатора в активном элементе на метастабильный уровень с интенсивностью, обеспечивающей инверсную населенность на этом уровне при температурном градиенте в активном элементе.

При этом производят накачку ионов активатора, находящихся на одном из энергетических уровней i с энергией 0 < ε_i< ε_m излучением с длиной волны и шириной спектра Δλ_ij соответствующей ширине спектра поглощения ионов на переходе i-j с интенсивностью I_н< I_просв(λ_ij) а среднюю по сечению активного элемента температуру T_ср поддерживают возможно ближе к температуре Tiопт

но не выше Tiкр.
Здесь и ниже в тексте и на фигурах приняты следующие обозначения:
i, j индексы энергетических уровней ионов активатора,
ε_j энергия уровня с индексом i;
ε_м энергия метастабильности уровня;
εjн энергия уровня накачки с индексом j;
λ_ij длина волны накачки для перехода иона между уровнями i и j.

I_н интенсивность накачки.

интенсивность просветления среды по переходу i-j;
τ время релаксации метастабильного уровня;
s_ij сечение перехода i-j;
средняя по сечению температура активного элемента.

Tiопт

оптимальная для уровня с энергией ε_i рабочая температура, соответствующая точке перегиба зависимости населенности уровня N, от температуры T,
α_ij= σ_ijN_i коэффициент поглощения излучения на переходе i-j.

T' температура плавления (для кристалла) или размягчения (для стекла).

Tiкр

температура, соответствующая максимуму зависимости N₁(T),
Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Накачка активной среды твердотельного лазера осуществляется излучением на одной из длин волн λ_ij в оптическом диапазоне с одного из уровней i с энергией ε_i> 0 на один из уровней накачки j. Населенность i-го уровня N_i описывается распределением Больцмана

k постоянная Больцмана, N концентрация ионов активатора. Для ионов, находящихся на уровнях выше основного с ростом температуры в активном элементе населенность N_i увеличивается, зависимость N_i(T) проходит точку перегиба Tiопт где затем, при некотором температуре Tiкр > Tiопт населенность N_i может для некоторых уровней достигать максимума, то есть после чего N_i начинает уменьшаться. С ростом температуры при T < Tiкр вместе с N_i возрастает и коэффициент поглощения излучения накачки α_ij Следовательно, при градиенте температуры в активном элементе при накачке ионов активатора не с основного (ε_i= 0) а с возбужденных уровней (ε_i> 0) распределение поглощенной в среде энергии (а значит и инверсная населенность) будет отслеживать температурный профиль. Это обеспечивает, например, при наличии максимума температуры в глубине образца, предотвращение спада инверсии с глубиной, выравнивание распределения инверсии по образцу и даже и формирование профилей инверсии с максимумами в глубине образца. Наибольшую чувствительность зависимость α_ij от температуры имеет вблизи Tiопт, поэтому именно при T_ср~ Tiопт наиболее полно реализуются возможность управления распределением инверсии.

Считается, что для предотвращения деформаций и повреждений активного момента при нагреве, максимальная температура лазерного диска (плиты) не должна превосходить 0,3T', а перепад температур 0,1 T' [2] Для неодимового стекла T' 500^oC, а для кристалла граната T' 1900^oC. В представляющем с этой точки зрения практический интерес диапазоне температур активной среды o<T_ср<1000^oK температуры Tiопт

достигаются для уровней ионов с энергиями 0 < ε_i< 1000 см^-1 а температуры Tiкр достигаются только для уровней с энергиями 0 < ε_i< 200 см^-1
Требование I_н<I_просв объясняется тем, что при потоках I_н ≥ I_просв распределение инверсии в среде в значительной степени определяется эффектом просветления среды [5] который "смазывает" изменения в профиле инверсии, связанные с тепловым градиентом и селективной накачкой.

Предлагаемый способ рассмотрен в следующих двух примерах с идентичной геометрией накачки: активный элемент, выполненный в виде плиты из кристалла YAG:Nd³⁺ с повышенной концентрацией неодима (1,4•10²⁰ см^-1 [6]) с прямоугольным поперечным сечением при толщине 1,5 см и с размерами боковых граней 10•15 см, возбуждался симметрично через эти грани лазерным излучением.

Пример 1. Температура боковой поверхности поддерживается равной 300 К. Накачка производится излучением с длиной волны λ 762 нм, что соответствует переходу между 4-й штарковской компонентой уровня ⁴I_11/2 с энергией 311 см^-1 и штарковской компонентой уровня ⁴F_7/2 + ⁴S_3/2 с энергией 13428 см^-1. Спектральная ширина перехода сечение σ_ij= 0,53•10^-19 см² [6] Используется частотно-импульсный режим, с плотностью энергии излучения накачки 0,56 Дж/см², длительностью импульса 10^-4с при частоте повторения 250 Гц. Путем моделирования получены следующие результаты: температура в центре образца 390 K, средняя плотность запасенной энергии 0,55 Дж/см³, при этом неоднородность профиля инверсии, определяемая по формуле σ = (W_max-W_min)/(W_max+W_min) составила 1,4% фиг.1. Доля поглощенной в образце энергии накачки составляет 75% При накачке с основного уровня и при сохранении оптической толщины активного элемента (поглощение 75%) неоднородность профиля инверсии составляет 17%
В данном примере Tiопт

= 180^°K, Tiкр= 1800^°K, T_ср 350^oK, T_н 5•кВт/см², I_просв 15кВт/см² • ΔT 90 K < 0,1T',
T_ср < 0,3T'
Пример 2. Температура боковой поверхности поддерживается равной 120^oК. Накачка производится излучением с длиной волны λ 768 нм, что соответствует переходу между 3-й штарковской компонентой уровня ⁴I_11/2 с энергией 200 см^-1 и штарковской компонентой уровня ⁴F_7/2 + ⁴S_3/2 с энергией 13360 см^-1. Спектральная ширина перехода сечение σ_ij= 0,53•10^-19 см². Используется частотно-импульсный режим, с плотностью энергии излучения накачки 0,3 Дж/см², длительностью импульса 10^-4с при частоте повторения 100 Гц. Путем моделирования получены следующие результаты: температура в центре образца 140^oК, средняя плотность запасенной энергии 0,31 Дж/см³, при этом неоднородность профиля инверсии σ составила 1,6% фиг.2. Доля поглощенной в образце энергии накачки составляет 79% При накачке с основного уровня и при сохранении оптической толщины активного элемента (поглощение 79%) неоднородность профиля инверсии составляет 14%
В данном примере Tiопт= 110^°K, Tiкр= 1000K, T_ср 130 K, I_н 3 кВт/см², I_просв 15 кВт/см², ΔT 20 K <0,1 T', T_ср <0,3T'.

Источниками излучения в области 760 770 нм с необходимой интенсивностью для примеров, рассмотренных выше, могут служить лазерные диоды на основе AlGaAs, а также лазеры на кристаллах александрита и LiCaF, активированные хромом [5] Интенсивности накачки, использованные в обоих примерах, в несколько раз меньше интенсивности просветления активной среды, поэтому изменения профиля инверсии, связанные с просветлением среды [5] в рассматриваемых примерах можно не учитывать.

В одном из рассматриваемых примеров для кристалла граната с неодимом для получения оптимальных условий для формирования профиля инверсии потребовались низкие температуры T_ср. Однако для других активированных кристаллов с ионами Nd³⁺, а также для лазерных стекол с неодимом реализуется иная конфигурация уровней возбуждения ε_i и оказывается возможным применение заявляемого способа при температурах T_ср 300 K и более. Своя область применения заявляемого способа существует и для других типов ионов активаторов. Необходимо отметить также, что для формирования профиля инверсии возможно применение накачки на 2 и более переходах i-j, а также использование нетрадиционной конфигурации активных элементов и геометрии накачки.

Следует также отметить, что для ионов, находящихся на основном (ε_i= 0) уровне, с ростом температуры в активном элементе населенность N₀ уменьшается. Эту зависимость N₀(T) так же можно использовать для выравнивания профиля распределения инверсии, например задавая системой терморегуляции температурный минимум в глубине образца. Однако, возможности накачки с основного уровня затруднены низкими значениями Tiопт

например, для а также меньшей чувствительностью зависимости коэффициента поглощения излучения накачки α_ij от температуры.

Температурный профиль с минимумом на поверхности активного элемента обычно реализуется при работе тверодотельных лазеров в частотно-импульсном или непрерывном режимах с охлаждением активных элементов через поверхность [2, 3] Реализация заявляемого способа в этих лазерах, как было показано в примерах, позволяет существенно улучшить однородность распределения инверсии в активных элементах таких лазеров. Расчеты показывают, что возникающие в активных элементах тепловые искажения (термические линзы и двулучепреломление) при реализации предлагаемого способа по порядку величины соответствуют обычно наблюдаемым в твердотельных лазерах тепловым искажениям и не являются препятствием для реализации режима генерации и усиления лазерного излучения. Температурные перепады, возникающие при реализации способа, не превосходят также уровня, характерного для теплового разрушения активных элементов.

Описанный способ может быть использован в твердотельных лазерах, работающих и в однократном режиме. В последнем случае для создания нужного температурного профиля в активном элементе может быть использован дополнительный источник подогрева.

Литература.

1. "Исследование инверсии в усилительном модуле на активном элементе с прямоугольным сечением" М.Е. Бродов, Н.И. Гаврилов, П.И. Ивашкин и др. Квантовая Электроника, 5, N 56 1072-1076 (1978)
2. "Conceptual Desing Studies of a Laser Diode Pumped Solid State Laser System for the Laer Fusion Reactor Driver" K. Natio, M. Yamanaka, M. Nakatsuka, et. al. Jpn. J. Appl. Phys. Vol 31 (1992) pp. 259-273, Part 1, No 2a, February 1992д

Использование: изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при работе с твердотельными лазерами, применяемыми в лазерной технологии, лазерной связи, научных исследованиях, в установках, разрабатываемых по программе лазерного термоядерного синтеза. Сущность: Способ формирования заключается в следующем: используется активный элемент с температурным градиентом в нем, производится селективное по длине волны возбуждение излучением ионов активатора так, что переходы на уровни накачки с энергией εjн

и затем на метастабильный уровень с энергией ε_m совершают только ионы, находящиеся только на возбужденном уровне i с энергией 0 < ε_i< ε_m . При этом интенсивность накачки 1н поддерживают на определенном уровне; среднюю по сечению активного элемента температуру поддерживают также на определенном уровне. 2 ил.

1. Способ формирования распределения инверсии в активном элементе твердотельного лазера, включающий накачку излучением ближнего инфракрасного, видимого или ближнего ультрафиолетового диапазона длин волн на метастабильный уровень ионов активатора при наличии температурного градиента в активном элементе, отличающийся тем, что ионы активатора, находящиеся на одном из энергетических уровней i с энергией 0 < ε_i< ε_m накачивают излучением с длиной волны

с интенсивностью I_н< I_просв(λ_ij),
при средней температуре активного элемента T_cp< Tiкр

,
i,j индексы энергетических уровней ионов активатора;
ε_i - энергия уровня с индексом i;
ε_м - энергия метастабильного уровня;
εjн - энергия уровня накачки с индексом j;
λ_ij - длина волны накачки для перехода иона между уровнями i и j;
I_н интенсивность накачки;
интенсивность просветления среды по переходу i-j;
τ - время релаксации метастабильного уровня;
σ_ij - сечение перехода i-j;
средняя по сечению температура активного элемента;
Iiкр - температура, соответствующая максимуму зависимости
о