ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ МИНИ-ЛАЗЕР НА КРАСИТЕЛЕ Российский патент 1997 года по МПК H01S3/10 

Изобретение относится к области квантовой электроники, в частности к лазерам на красителях в твердой матрице, и предназначено для повышения мощностных и энергетических характеристик лазерного излучения.

Известны лазеры на красителях в твердой матрице на основе полиметилметакрилата (ПММА) [1] в которых активный элемент выполнен в форме круглого диска, вращающегося вокруг своей осевой линии, проходящей через центр. Накачка такого диска осуществляется лазерным излучением (Р_нак), которое облучает на диске небольшую площадку размером 1 мм². Вращение диска позволяет заменить прогенерировавший участок активного элемента и тем самым поддерживать постоянное значение энергии и мощности генерации активного элемента.

Однако такие лазеры отличаются небольшими значениями выходной энергии (Е_изл) лазерного излучения и небольшим ресурсом работы, так как повышение Е_изл связано с увеличением P_нак, которая ограничена значениями P_нак, при которых достигается порог разрушения активного элемента, определяемый лучевой стойкостью материала.

Известны также лазеры на красителях в твердой матрице [2, 3] в которых для увеличения ресурса дискового активного элемента предусмотрено не только вращение его вокруг оси, но и одновременное перемещение элемента по радиусу, что создает дополнительные зоны облучения в активном элементе и ведет к увеличению ресурса работы.

Однако и этот тип лазеров отличается небольшими значениями выходных энергетических и мощностных характеристик, так как в нем ограничена возможность повышения энергии накачки, так как это приводит к увеличению плотности мощности накачки, что в свою очередь ведет к снижению энергии лазерного излучения активного элемента из-за увеличения фотохимической деструкции лазерного красителя и уменьшению ресурса работы активного элемента из-за оптического пробоя материала твердой матрицы (ПММА).

Технической задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков и создание лазера на красителе в твердой матрице (ПММА) с повышенными значениями энергии излучения (E_изл) и мощности излучения, а также с уменьшенными массогабаритными показателями.

Задача достигается тем, что в лазере на красителе в твердой матрице активный элемент выполнен в форме прямоугольной пластины, вдоль оптической оси которой подается излучение накачки с углом падения γ_o(0 ≅ γ_o≅ 89^°); по всей длине активного элемента со стороны рабочей поверхности расположен отражатель, содержащий ряд оптически согласованных между собой линейных элементов, расположенных под углами α_n к рабочей поверхности активного элемента, причем α_n= 90^°-(γ_n-1-γ_n)/2, где γ_o угол падения излучения накачки на активный элемент, γ_n угол падения излучения накачки переотраженного на рабочую поверхность активного элемента n-м элементом отражателя.

Физическая сущность предлагаемого решения заключается в том, что для повышения энергетических и мощностных характеристик лазера на красителе в полимере необходимо существенно повышать энергию и мощность излучения накачки, что соответственно приводит к увеличению параметров лазерного излучения (E_изл, P_изл). В известных вариантах лазеров на красителях в полимере увеличение E_нак и Р_нак практически невозможно, так как эти лазеры работают с фокусировкой излучения накачки в небольшую зону возбуждения диаметром от 0,8 до 6,0 мм и плотностью мощности излучения накачки (ρ_нак) 100 500 МВт/см², что близко к величине порога разрушения полимерного материала, из которого состоит активный элемент [4] В предлагаемом решении излучение накачки, которое, как правило, подается от лазера на АИГ:N_d(532 нм) и имеет форму небольшого круга диаметром 5 6 мм, преобразуется в пятно, растянутое в одном направлении (направлении оптической оси активного элемента), т.е. существенно увеличивается площадь зоны возбуждения в активном элементе и тем самым уменьшается плотность мощности накачки, практически до величины порога генерации. Для сохранения коэффициента преобразования накачки выбирается необходимая длина элемента, с увеличением которой увеличивается коэффициент усиления в резонаторе лазера. Т.е. при сохранении плотности мощности излучения, равной той, которая существует в аналоге предлагаемого решения, существенно увеличивается величена мощности накачки, подаваемой на активный элемент, и соответственно увеличивается мощность излучения лазера на красителе. Технически линейное растяжение пятна излучения накачки вдоль оси активного элемента достигается тем, что элемент выполнен в форме прямоугольной плоскопараллельной пластины, а излучение накачки подается на него под углом падения γ_o, который может иметь значения от 0 до 89^o. Поскольку при больших величинах угла падения излучения накачки увеличивается коэффициент отражения излучения накачки [5] то возникает необходимость более эффективного использования излучения накачки за счет его повторного поглощения активным элементом. Для этого в лазере предусмотрен отражатель, состоящий из ряда линейных элементов, расположенных со стороны рабочей поверхности активного элемента под углом α_n к ней, где α_n= 90^°-(γ_n-1-γ_n)/2. Количество линейных элементов должно быть таким, которое соответствует созданию зоны возбуждения, равной длине активного элемента, и обеспечивает наиболее полное и эффективное использование излучения накачки. Причем длина линейных элементов отражателя (l_эл) должна быть достаточной для переотражения излучения накачки (l_{отр.изл.}) т. е. l_эл ≥ l_{отр.изл.}.

Вариант выполнения предлагаемого лазера на красителе представлен на фиг. 1 3. Твердотельный минилазер на красителе состоит из активного элемента (2), на который подается излучение накачки от лазера АИГ:Nd (532 нм) (1), двух зеркал резонатора (3, 4), отражателя, состоящего из n линейных элементов (5, 6).

Излучение накачки от лазера (1) подается под углом γ_o на активный элемент, в котором оно частично поглощается, а частично отражается на первый элемент отражателя (5), от которого оно вновь возвращается под углом γ₁ на невозбужденную ранее часть активного элемента. Далее отраженное излучение снова частично поглощается активным элементом, а частично отражается, попадая на второй элемент отражателя, от которого оно возвращается на следующую, не возбужденную ранее зону активного элемента под углом γ₂ и т.д.

В конкретном варианте исполнения были изготовлены два экспериментальных образца минилазера на красителе в твердой матрице. Один образец (по схеме на фиг. 1, 2) размером 40 х 40 х 70 мм, весом 0,35 кг содержал активный элемент в форме пластины из ПММА, активированной лазерными красителями (Р6Ж, РС, Ф510 и 01) размером 2 х 10 х 40 мм. На элемент подавалось излучение накачки (532 нм) в форме круглого пятна диаметром 5 мм, мощностью 750 мВт, с энергией в импульсе от 30 до 70 мДж, частотой повторения импульсов от 10 до 50 Гц и длительностью импульса 25 нс под углом падения на активный элемент 8^o. Излучение накачки создавало зону возбуждения в форме линейного участка длиной 40 мм и площадью 1,5 см². Плотность мощности излучения накачки составляла от 0,8 до 1,9 МВт/см². Отражатель лазера содержал один линейный элемент, который в одном случае возвращал отраженное от активного элемента излучение накачки в первоначальную зону возбуждения (фиг. 1), а во втором случае в зону активного элемента, необлученную ранее, увеличивая зону возбуждения (фиг. 2). Резонатор лазера содержал два зеркала, одно "глухое" с коэффициентом отражения (R_отр) 99% второе полупрозрачное с R_отр 8 15% В лазере было получено излучение мощностью до 150 МВт, с энергией в импульсе от 6,0 до 15,0 мДж.

Второй образец минилазера размером 40 х 40 х 110 мм, весом 0,45 кг содержал активный элемент в форме пластины размером 2 х 10 х 70 мм, на который подавалось излучение накачки аналогично первому варианту с углом падения (γ_a) 7^o. Отражатель содержал линейный элемент, расположенный под углом 3^o (α₁) к плоскости активного элемента, который создавал вторую зону возбуждения на активном элементе, обеспечивая равномерное распределение излучения накачки площадью 2,6 см². При этом создавалась плотность мощности излучения накачки 0,6 МВт/см². Резонатор был аналогичен первому варианту. В этом минилазере было получено излучение мощностью 150 мВт, с энергией в импульсе до 6,0 мДж с частотой от 25 до 50 Гц.

Сравнительные параметры лазерного излучения предлагаемого лазера и аналога представлены в таблице.

Как видно из таблицы, предлагаемый твердотельный минилазер на красителе позволяет получать лазерное излучение, превышающее по мощности и энергии в 7 раз излучение от прибора-аналога, что подтверждает достижение поставленной цели. Кроме того, минилазер имеет существенно меньшие массогабаритные показатели, что делает его более удобным при эксплуатации у потребителей.

Предлагаемый вариант твердотельного минилазера на красителе может использоваться в научном приборостроении, в лазерно-медицинских аппаратах, а также в лазерных криминалистических установках. Прибор прошел успешную апробацию в криминалистическом центре МВД РФ в составе лазерного криминалистического комплекса для обнаружения скрытых следов преступлений.

Литература
1. Wang H. R. Jampel L.//Optical Communs, 1976, v. 18, N 4, p. 444-446.

2. Жильцов В.И. Дорофеев С.Н. Климошина А.Г. и др. // ПТЭ, 1986, N 2, с. 248-249.

3. Басов Ю.Г. Денисов Л.К. Мнускин В.Е. Фунда Н.И. // Авторское свидетельство N 1126161 кл. H 01 S 3/10, от 02.02.83.

4.Дюмаев К.М. Маненков А.А. Маслюков А.П. и др. //Известия АН СССР. Серия: Физика, 1987, т. 51, N 8, c. 1387-1398.

5. Савельев И.В. Курс общей физики. Том II: Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. М. Наука, 1988, 470 с.

Использование: изобретение относится к лазерам на красителях в твердой матрице. Сущность изобретения: в лазере вдоль рабочей поверхности активного элемента прямоугольной формы по всей его длине расположен отражатель, выполненный в виде оптически согласованных между собой элементов, установленных под углом α_n к рабочей поверхности активного элемента, а излучение накачки подается вдоль оптической оси активного элемента с углом падения на него γ_o , имеющего значения , где γ_n - угол падения излучения накачки, переотраженного n - м элементом отражателя на рабочую поверхность активного элемента. 3 ил., 1 табл.

Твердотельный мини-лазер на красителе, содержащий источник оптической накачки и твердотельный активный элемент, выполненный в виде плоскопараллельной пластины из полимера, активизированного красителем, отличающийся тем, что вдоль рабочей поверхности активного элемента по всей его длине расположен отражатель, выполненный в виде оптически согласованных между собой элементов, установленных под углом α_n к рабочей поверхности активного элемента, который имеет прямоугольную форму, а излучение накачки подается вдоль оптической оси активного элемента с углом падения на него γ_o, причем 0^° ≅ γ_o≅ 89^°, а α_n= 90^°-(γ_n-1-γ_n)/2, где γ_n - угол падения излучения накачки, переотраженного n-м элементом отражателя на рабочую поверхность активного элемента.