ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР НА КРАСИТЕЛЕ Российский патент 1998 года по МПК H01S3/16 

Изобретение относится к области квантовой электроники, а именно к конструкции активного элемента лазера, и может быть использовано при создании лазеров на красителях в твердой матрице.

Известен лазер, содержащий источник оптической накачки и твердотельный активный элемент [1], выполненный в виде круглого диска из полиметилметакрилата (ПММА), активированного красителем. Накачка такого диска осуществляется лазерным (когерентным) излучением, которое облучает на диске небольшую площадку размером ≈1 мм². Вращение активного элемента вокруг своей оси при одновременном перемещении элемента по радиусу обеспечивает достаточно высокий (до 2•10⁵ импульсов) ресурс работы лазера без замены активного элемента.

Недостатком такого лазера является низкое значение выходных энергетических и мощностных характеристик, т.к. увеличение мощности накачки приводит к увеличению фотохимической деструкции лазерного элемента и уменьшению ресурса работы активного элемента из-за оптического пробоя материала, из которого изготовлен активный элемент - ПММА.

Известен также лазер, содержащий источник оптической накачки и твердотельный активный элемент, выполненный в виде плоскопараллельной пластины из полимера (ПММА), активированного красителем (оксазин 17), который дополнительно содержит плоскопараллельную пластину из полимера (ПММА), активированного красителем родамин 6Ж в концентрации 6•10^-5 - 1•10^-4 моль/л, расположенную перед основной плоскопараллельной пластиной по ходу излучения источника оптической накачки, причем рабочие поверхности пластин находятся в непосредственном контакте друг с другом [2].

Данная конструкция позволяет увеличить мощность излучения генерации в красной области спектра при сохранении ресурса работы лазера без замены активного элемента.

Сущность указанного решения, выбранного в качестве прототипа, заключается в следующем. Для повышения энергетических и мощностных характеристик лазера необходимо существенно повышать энергию и мощность излучения накачки.

Излучение накачки от источника формируется в небольшую зону возбуждения диаметром от 0,8 до 6,0 мм в дополнительной пластине из полимера, активированного красителем родамин 6Ж, в которой развивается излучение генерации и переизлучается на основную пластину, активированную красителем оксазин 17. Площадь зоны возбуждения в основной пластине существенно увеличивается, и выходная мощность излучения лазера возрастает, даже если плотность мощности накачки основной пластины будет на уровне порога генерации.

Недостаток этой конструкции заключается в том, что увеличение мощности генерации достигается только в красной области спектра, а коэффициент преобразования излучения накачки не превышает 10%. Кроме того, расходимость лазерного излучения такого устройства достаточно велика (более 30 мрад), что не позволяет проводить плавную перестройку излучения на одном элементе. В этой конструкции для реализации плавной перестройки лазерного излучения необходимо введение в резонатор дополнительных селективных оптических элементов, что усложняет конструкцию и уменьшает величину коэффициента преобразования излучения накачки.

Целью предлагаемого изобретения является увеличение выходной мощности излучения лазера с более высоким коэффициентом преобразования излучения накачки при одновременном уменьшении расходимости лазерного излучения и обеспечении плавной перестройки лазерного излучения на одном элементе без введения дополнительных селектирующих элементов в резонатор лазера.

Поставленная цель достигается тем, что твердотельный активный элемент в отличие от прототипа выполнен не из двух сопредельных плоскопараллельных пластин из полимера, а в виде единой пластины (матрицы), причем поверхностный слой пластины по ходу распространения излучения накачки толщиной не менее диаметра пучка излучения накачки выполнен прозрачным, оптическая плотность слоя, активированного красителем, не менее 1,0, а между прозрачным слоем и слоем, активированным красителем, расположена зона градиентного изменения концентрации активирующего красителя с оптической плотностью от 0 до 1,0 по ходу распространения излучения накачки. Торцевая поверхность плоскопараллельной пластины по ходу распространения излучения накачки выполнена под углом α = π/2-γ к оптической оси, где γ - угол падения излучения накачки на прозрачный слой.

Физическая сущность предполагаемого решения заключается в следующем.

1) В предлагаемом решении излучение генерации развивается внутри объема активного элемента, в слое, активированном лазерным красителем, что исключает влияние отличия оптических свойств слоев активного элемента, прилегающих к поверхности, от оптических свойств объема активного элемента и приводит к увеличению коэффициента преобразования и значительному уменьшению расходимости лазера.

2) Оба слоя активного элемента (прозрачный и с добавкой красителя) имеют практически одинаковый коэффициент преломления, поэтому при прохождении излучения накачки через границу раздела слоев не происходит отражения излучения накачки даже при достаточно больших углах падения γ, это дает возможность не использовать отражатель для возврата на активный элемент отраженного от него излучения накачки и увеличивает коэффициент преобразования лазера.

3) Траектории распространения света в активированном красителем слое активного элемента из-за наличия переходного слоя с градиентом концентрации красителя различны для разных длин волн, и излучение накачки с разными длинами волн выходит из активного элемента под разными углами, что дает возможность перестраивать длину волны излучения генерации поворотом зеркал резонатора не более 3^o без введения в резонатор дополнительных селектирующих элементов.

Вариант выполнения предлагаемого лазера на красителе представлен на чертеже.

Твердотельный лазер на красителе состоит из активного элемента, на который подается излучение накачки от лазера АИГ:Nd (532 нм), двух зеркал резонатора и телескопа, изменяющего диаметр пучка излучения накачки.

Излучение накачки от системы накачки после прохождения телескопа подается на прозрачный слой активного элемента, скошенного под заданным углом, и затем попадает в слой активного элемента с добавкой красителя, в котором оно формирует зону возбуждения, длина и ширина которой определяются телескопом и углом скоса активного элемента.

В конкретном варианте исполнения был изготовлен экспериментальный образец лазера на красителе в твердой матрице. Образец (по схеме на чертеже) содержал активный элемент в форме двухслойного косоугольного (угол скоса 45^o) параллелепипеда из ПММА, размером 20x12x40 мм, один из слоев которого был активирован лазерным красителем (Р6Ж). Излечение накачки после прохождения телескопа и преломления на скошенной поверхности активного элемента формировало в активированном слое активного элемента возбуждения в форме линейного участка длиной 40 мм и шириной от 4 мм до 10 мм. Резонатор был образован двумя зеркалами с r > 99% и r = 15% и имел длину 90 мм. Лазер на красителе при накачке излучением от лазера АИГ:Nd (532 нм) с мощностью 750 мВт и частотой повторения импульсов 50 Гц имел КПД от 30% до 37% в зависимости от ширины зоны возбуждения и расходимость излучения генерации не более 5 мрад. При плавном повороте зеркал резонатора на угол не более 3^o наблюдалось изменение длины волны излучения генерации лазера на красителе в диапазоне 568 - 593 нм на элементе с Р6Ж и в диапазоне 620 - 640 нм на элементе с PC с шириной полосы излучения генерации 5 - 7 нм (таблица).

Использование: изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании лазеров на красителях в твердой матрице. Сущность: особенность лазера состоит в том, что в твердотельном активном элементе лазера, выполненного в виде плоскопараллельной пластины из полимера, поверхностный слой пластины по ходу распространения излучения накачки толщиной не менее диаметра пучка излучения накачки выполнен прозрачным, оптическая плотность слоя, активированного красителем, 1,0, а между прозрачным слоем и слоем, активированным красителем, расположена зона градиентного изменения концентрации активирующего красителя с оптической плотностью от 0 до 1,0 по ходу распространения излучения накачки. 1 ил. 1 табл.

Твердотельный лазер на красителе, содержащий источник оптической накачки и твердотельный активный элемент, выполненный в виде плоскопараллельной пластины из полимера, активированного красителем, отличающийся тем, что поверхностный слой плоскопараллельной пластины по ходу распространения излучения накачки толщиной не менее диаметра пучка излучения накачки выполнен прозрачным, оптическая плотность слоя, активированного красителем не менее 1, а между прозрачным слоем и слоем, активированным красителем, расположена зона градиентного изменения концентрации активирующего красителя с оптической плотностью 0 1 по ходу распространения излучения накачки, причем торцевая поверхность плоскопараллельной пластины по ходу распространения излучения накачки выполнена под углом α = π/2-γ к оптической оси, где g - угол падения излучения накачки на прозрачный слой.