СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА Российский патент 1998 года по МПК H01S3/10 

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано при создании высокоэффективных лазерных систем.

Одним из методов повышения эффективности твердотельного лазера является выполнение лазерного стержня на основе ионных кристаллов, активированных ионами редкоземельных элементов, размещение лазерного стержня между лазерными зеркалами и облучение его излучением накачки соответствующей длины волны (патент Великобритании N 1201594, кл. H 01 S 3/16, опублик. 1970 г.). В этом лазере используется трехуровневая схема генерации, что принципиально не позволяет достичь высокой эффективности.

Наиболее близким к предлагаемому является способ повышения эффективности твердотельного лазера, лазерный стержень которого выполняют на основе ионных кристаллов, активированных ионами редкоземельных элементов, обладающих апковерсионными свойствами, размещают этот лазерный стержень между лазерными зеркалами и облучают его излучением накачки соответствующей длины волны (патент США N 4782494, кл. H 01 S 3/09, опублик. 1988 г.) Описанное в этом патенте использование апконверсионных свойств редкоземельного элемента эрбия, являющегося активатором в ионных кристаллах, обеспечивает возможность получить предельную эффективность твердотельных лазеров. Однако полной реализации такой возможности препятствует перегрев лазерного стержня при подаче больших энергий накачки в сравнительно небольшой объем лазерного стержня, а также неравномерность этого излучения накачки по объему лазерного стержня.

Для преодоления указанных недостатков в способе повышения эффективности твердотельного лазера, лазерный стержень которого выполняют на основе ионных кристаллов, активированных ионами редкоземельных элементов, обладающих апконверсионными свойствами с нижнего лазерного уровня, размещают этот лазерный стержень между лазерными зеркалами и облучают его излучением накачки соответствующей длины волны, содержание упомянутых редкоземельных элементов в объеме лазерного стержня выбирают не менее 20 мол.%, облучение лазерного стержня упомянутым излучением накачки осуществляют с выравниванием этого излучения по объему лазерного стержня так, чтобы нагрев лазерного стержня происходил в заданных температурных пределах и чтобы соблюдались условия:
,
где
R - скорость накачки, равная числу активных ионов, возбуждаемых излучением накачки в единице объема лазерного стержня за единицу времени;
R₆ - минимальная скорость накачки объема лазерного стержня, необходимая для получения требуемой эффективности лазера;
V = L•S - объем возбуждаемого лазерного стержня;
L-длина возбуждаемых областей лазерного стержня вдоль оси резонатора;
S - площадь поперечного сечения лазерного стержня;
E - энергия, поглощенная лазерным стержнем объема V;
hν - энергия кванта накачки;
τ - длительность импульса накачки;
W - апконверсионный параметр переноса энергии электронного возбуждения с нижнего лазерного уровня упомянутого активного иона в упомянутом лазерном стержне.

Дополнительным отличием предлагаемого способа является минимизация потерь излучаемой лазером энергии в резонаторе, состоящем из лазерного стержня и лазерных зеркал.

При этом выбирают коэффициенты отражения лазерных зеркал не менее 90%.

Особенность предлагаемого способа состоит в том, что облучение лазерного стержня излучением накачки осуществляют либо вдоль оси резонатора излучения, либо со стороны боковой поверхности, например, перпендикулярно оси резонатора.

Еще одной особенностью предлагаемого способа является чередование областей возбуждения и невозбуждения в лазерном стержне.

Дальнейшей особенностью предлагаемого способа является чередование в лазерном стержне слоев ионных кристаллов, активированных упомянутыми ионами редкоземельных элементов, и неактивированных слоев.

Альтернативной особенностью является чередование зон облучения лазерного стержня излучением накачки и необлученных зон. При этом зоны облучения могут быть фиксированы в объеме лазерного стержня, либо смещаться в процессе накачки, либо чередоваться в процессе накачки.

Указанная совокупность существенных признаков неизвестна из уровня техники, что позволяет считать предлагаемое изобретение соответствующим условию патентоспособности "новизна". Совокупность отличительных признаков предлагаемого способа также неизвестна из уровня техники, что позволяет считать этот способ соответствующим условию патентоспособности "изобретательский уровень".

На фиг. 1 показана схема электронных уровней иона Er³⁺ в кристалле иттрий-алюминиевого граната; на фиг. 2 - зависимость эффективности преобразования энергии накачки в вровень ⁴I_13/2 в энергию излучения от скорости накачки; на фиг. 3-зависимость времени выхода на стационарный режим от скорости накачки; на фиг. 4 - схема лазера для осуществления предлагаемого способа; на фиг. 5 - распределения интенсивности излучения накачки по сечению в фокусе цилиндрической линзы; на фиг. 6 - экспериментальная зависимость энергии лазерного излучения от энергии излучения накачки.

В основе данного способа повышения эффективности твердотельного лазера лежит следующее.

Изучение механизмов формирования инверсии населенностей между энергетическими уровнями ⁴I_11/2 _→ ⁴I_13/2 иона Er³⁺ в оксидных, фторидных и других ионных кристаллах (1-5) позволили сформулировать важный тезис, что апконверсионные процессы с нижнего долгоживующего лазерного уровня (⁴I_13/2 играют существенную роль в работе этих лазеров.

На фиг. 1 приведена схема энергетических уровней иона Er³⁺ в кристаллах иттрий-алюминиевого граната (Y₃ Al₅O₁₂), показаны известные механизмы релаксации энергии электронного возбуждения с верхнего и нижнего лазерных уровней, определяющих работу трехмикронного лазера на переходе ⁴I_11/2 _→ ⁴I_13/2 иона Er³⁺ в ионных кристаллах.

На фиг. 1 обозначено: 1 - тушение люминесценции с уровня ⁴S_3/2 по схеме кроссрелаксационного механизма; 2 - апконверсионный переход с нижнего лазерного уровня; 3 - апконверсионный переход с верхнего лазерного уровня; 4 - спонтанный переход с уровня ⁴I_11/2; 5 - генерационный переход ⁴I_13/2; 6 - накачка.

Значения спектроскопических параметров для иона Er³⁺ в кристаллах Y₃Al₅O₁₂ приведены в таблице.

Приведем формулу для эффективности преобразования поглощенной энергии накачки в энергию излучения трехмикронного лазера на основе ионов Er³⁺ (переход ⁴I_11/2 _→ ⁴I_13/2 в предположении, что скорости накачки столь велики, что релаксацией возбуждения с нижнего лазерного уровня (⁴I_13/2 за счет спонтанных переходов можно пренебречь:
,
где
η - эффективность преобразования энергии накачки в трехмикронное лазерное излучение;
Ф - плотность потока фотонов в резонаторе трехмикронного лазера (см^-2 • с^-1);
ρ - потери резонатора терхмикронного лазера (см^-1 );
R - скорость накачки, определяемая как число активных ионов, возбуждаемых излучением накачки в единицу активного объема в единицу времени (см^-3 • с^-1).

K = 1, 2, 3 при возбуждении в уровни ⁴I_13/2, ⁴ I_11/2, ⁴S_3/2, соответственно;
β,α - коэффициенты Больцмана для штарковских компонент начального и конечного лазерных уровней мультиплетов ⁴I_11/2⁴I_13/2, соответственно;
W₁, W₂ -параметры, характеризующие скорости апконверсионных процессов с верхнего и нижнего лазерных уровней, соответственно, (см³ • с^-1).

τ₂ - наблюдаемое время жизни верхнего лазерного уровня (с). n₀= ρ/(σa); ;
σ - сечение лазерного перехода (см²);
λ_{наканчка}, λ_лазер - длина волны излучения накачки и лазера, соответственно (мкм).

При R _→ ∞ выражение (1) принимает вид:
.

Если воспользоваться схемой уровней иона Er³⁺ в кристаллах Y₃Al₅O₁₂ (см. фиг. 1), то η_max равно:
При возбуждении в уровень ⁴I_11/2 (λ_{накачки}= 0,98-1,03 мкм) :
.

При возбуждении в уровень ⁴I_13/2 (λ_{накачки}= 1,47-1,67 мкм) :
.

Если воспользоваться значениями параметров таблицы, то получим следующие значения для различных членов выражения (1).

.

Таким образом, для кристаллов Y₃Al₅O₁₂ при возбуждении ионов Er³⁺ в уровень ⁴I_13/2 (переход ⁴I_15/2 _→ ⁴I_13/2 ) формулу (1) можно представить в виде:
.

На фиг. 2 приведены расчеты эффективности, выполненные на основе формулы (3). Как видно из фиг. 2, для выхода на максимальные значения эффективности YAG-Er - лазера необходимо реализовать скорости накачки на уровне:
R = 10²⁵ - 10²⁴ см^-3 • с^-1 = 10⁶ - 10⁵ Дж • см^-3 • с^-1
Как видно из оценок, для получения предельных значений эффективного преобразования энергии накачки в трехмикронное излучение возможно лишь при значительных вложениях энергии накачки в единицу объема лазерного стержня. Поэтому актуальным становится вопрос о времени выхода системы на стационарный режим генерации. В работе [1] приведено аналитическое выражение для времени выхода на стационарный режим генерации:
.

На фиг. 3 приведена зависимость времени выхода на стационарный режим при различных скоростях накачки, рассчитанная по формуле (4). Время выхода на максимальное КПД составляет 500 - 1000 мкс и даже в импульсном режиме требуются значительные энерговложения для получения предельных КПД. В объеме лазерного стержня при этом остается 500 - 100 Дж • см^-3.

Следовательно, для получения эффективного преобразования энергии накачки в трехмикронное излучение лазера необходимо выполнить следующие условия по скорости и длительности накачки:
,
где
R₀ - минимальная скорость накачки объема лазерного стержня для получения высокой эффективности лазера (см^-3с^-1);
V = L•S - объем возбуждаемого лазерного стержня (см³ );
L - длина возбуждаемого лазерного стержня (см);
S - площадь поперечного сечения объема возбуждаемого лазерного стержня перпендикулярно оси резонатора (см²);
hν - энергия кванта накачки (Дж);
E - энергия, поглощенная лазерным стержнем объема V (Дж);
τ - длительность импульса накачки (с).

Способ повышения эффективности твердотельного лазера реализуется в лазере, схема которого изображена на фиг. 4. Этот лазер содержит лазерный стержень 7, глухое лазерное зеркало 8 и выходное лазерное зеркало 9. Все эти элементы 7-9 образуют резонатор лазера, продольная ось которого совпадает с направлением излучения и осью лазерного стержня. Стержень 7 облучается излучением накачки через цилиндрическую линзу 10. Содержание активных ионов эрбия в кристалле лазерного стержня 7 составляет не менее 20 мол.%.

Как указано выше, для получения высокой эффективности такого лазера необходимо применять большие значения плотности накачки. Это вызывает необходимость отвода избыточного тепла для исключения перегрева лазерного стержня. С этой целью стержень 7 может быть, например, выполнен слоистым с чередованием активированных слоев (содержащих ионы эрбия) и неактивированных слоев (не содержащих ионы эрбия). При этом слои могут быть параллельны друг другу, либо иметь форму встречных клиньев, а их ориентация относительно продольной оси резонатора может быть любой, т.е. угол между продольной осью резонатора и плоскостью слоев может лежать в пределах от 0 до 90^o. При этом для повышения равномерности возбуждения ионов активатора по объему стержня 7 накачка может вестись с разных сторон лазерного стержня 7 по всей его длине.

Другой вариант получения чередующихся зон возбуждения и невозбужденных зон - использование не сплошного излучения накачки, т.е. создание на поверхности лазерного стержня 7 чередующихся зон облучения и необлученных зон. Простейший путь в этом случае - облучение лазерного стержня 7 через маску с прорезями, либо использование дифракционных решеток. В последнем случае зоны облучения можно сдвигать по поверхности стержня 7, либо чередовать облучение соседних зон. Такое изменение может происходить как в пределах одного импульса накачки, так и от импульса к импульсу.

Во всех описанных случаях в стержне 7 в каждом импульсе накачки чередуются возбужденные и невозбужденные зоны. Благодаря этому излишек тепла из возбужденных зон рассеивается в невозбужденных зонах и уходит в окружающее пространство.

Для экспериментального подтверждения осуществимости предлагаемого способа использовались кристаллы H_1.5Er_1.5Al₅O₁₂. Кристаллы выращивались методом горизонтально направленной кристаллизации и Чохральского и представляли собой пластины с размерами 6•10•1 мм • мм и 6•10•0,5 мм • мм • мм. Торцы кристалла полировались по 14 классу. Измеренный коэффициент поглощения излучения накачки (λ_{накачка}= 1,54 мкм) для этих кристаллов оказался равным 14 см^-1. Лазерный стержень 7 из этого кристалла помещался между плоскими зеркалами, из которых одно зеркало имело коэффициент отражения примерно 100%, а другое - выходное - не ниже 90%. В качестве источника накачки был выбран лазер на стекле с ионами Er³⁺, переход ⁴I_13/2 _→ ⁴I_15/3, λ_{накачка}= 1,54 мкм. Излучение накачки фокусировалось в виде полоски цилиндрической линзой 10 с фокусным расстояния f = 9 см и f = 3 см. Измерение распределения интенсивности в фокусе линзы 10 осуществлялось методом "бритвы". Результаты измерения приведены на фиг. 5а. Как видно, полуширина сфокусированного излучения составляет 400 и 200 мкм для линз с фокусными расстояниями f = 9 см и f = 3 см, соответственно. Распределение интенсивности излучения вдоль полосы, измеренное тем же методом, приведено на фиг 5б. Энергия излучения измерялась калориметром ИМО-2, длительность излучения измерялась с помощью германиевого фотодиода Ф-10 и осциллографа С9-8. Длительность импульса была равной 500 - 700 мкс.

На фиг. 6 приведена экспериментальная зависимость преобразования излучения накачки в трехмикронное лазерное излучение. Как видно, в эксперименте реализуются скорости накачки R = 10²⁴ (см^-3 • с^-1) и внутренние потери резонатора на зеркалах равны ρ = 0,1 см^-1 .

Полученные результаты хорошо согласуются в теоретическими данными (фиг. 2).

Таким образом, сочетание высокой концентрации активных ионов в кристалле лазерного стержня с большой энергией его облучения, осуществляемой со скоростью больше пороговой, в течение определенного времени позволяет повысить эффективность твердотельного лазера до десятков процентов.

Литература:
1. Pulsed YAG: Er³⁺ Laser Efficiency (Analysis of Model Equations A.M. Prokhorov, V.I. Zhekov, T.M. Murina, and N.N. Platnov. Laser Physics, Vol.3, p. 79, 1993.

2. Механизм образования инверсной населенности между уровнями ⁴I_11/2 и ⁴I_13/2 иона Er³⁺ в кристаллах Y₃Al₅O₁₂ В.И. Жеков, Б.В. Зубов, В.А. Лобачев и др. Квантовая электроника, т. 7, N 4, с.749, 1980.

3. Лазер на кристаллах иттрий-эрбий-алюминиевого граната. Труды ИОФАН. - М.: Наука, т. 19, 1989.

4. Оптически плотные активные среды. Труды ИОФАН. - М.: Наука, т. 26, 1990.

5. Upconversion-pumped population kinetics for ⁴I_13/2 and ⁴I_11/2 Laser states of Er³⁺ ion in several host crystals. S.A.Pollack, D.B.Chang. Optical and Quantum Electronics, Vol.22, p. 75, 1990.

Изобретение относится к лазерной технике. Его использование при создании лазерных систем позволяет обеспечить их высокую эффективность. Способ реализуется в твердотельных лазерах, лазерный стержень которых выполнен на ионных кристаллах, активированных ионами редкоземельных элементов с апконверсионными свойствами. Стержень помещают между лазерными зеркалами и облучают излучением накачки. Повышение эффективности такого лазера обеспечивается выбором содержания упомянутых редкоземельных элементов в объеме стержня не менее молярных процентов, а также тем, что облучение стержня осуществляют с выравниванием излучения накачки по объему стержня так, что скорость накачки и длительность импульса накачки удовлетворяют заданным условиям. 11 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Способ повышения эффективности твердотельного лазера, лазерный стержень которого выполняют на основе ионных кристаллов, активированных ионами редкоземельных элементов, обладающих апконверсионными свойствами, размещают этот лазерный стержень между лазерными зеркалами и облучают излучением накачки, соответствующей длины волны, отличающийся тем, что содержание упомянутых редкоземельных элементов в объеме лазерного стержня выбирают не менее 20 мол.%, облучение лазерного стержня упомянутым излучением накачки осуществляют с выравниванием этого излучения по объему лазерного стержня так, чтобы нагрев лазерного стержня происходил в заданных температурных пределах и чтобы соблюдались условия

где R - скорость накачки, определяемая как число активных ионов, возбуждаемых излучением накачки в единицу объема лазерного стержня за единицу времени;
R₀ - минимальная скорость накачки объема лазерного стержня, необходимая для получения требуемой эффективности лазера;
V = L • S - объем возбуждаемого лазерного стержня;
L - длина лазерного стержня вдоль его оси излучения;
S - площадь поперечного сечения лазерного стержня;
hν - энергия кванта накачки;
E - энергия, поглощенная лазерным стержнем объема V;
τ - длительность импульса накачки;
W - апконверсионный параметр переноса энергии электронного возбуждения с нижнего лазерного уровня упомянутого активного иона в упомянутом лазерном стержне. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что минимизируют потери излучаемой лазером энергии в резонаторе, состоящем из лазерного стержня и лазерных зеркал. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что выбирают коэффициенты отражения лазерных зеркал не менее 90%. 4. Способ по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что облучение лазерного стержня излучением накачки осуществляют вдоль оси резонатора. 5. Способ по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что облучение лазерного стержня излучением накачки осуществляют со стороны его боковой поверхности. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что облучение лазерного стержня излучением накачки осуществляют перпендикулярно оси резонатора. 7. Способ по пп.1 - 6, отличающийся тем, что в лазерном стержне чередуют области возбуждения и невозбуждения. 8. Способ по п.7, отличающийся тем, что чередование областей возбуждения и невозбуждения осуществляют за счет выполнения лазерного стержня многослойным с чередованием по крайней мере слоев ионных кристаллов, активированных упомянутыми ионами редкоземельных элементов, и неактивированных слоев. 9. Способ по п.7, отличающийся тем, что чередование областей возбуждения и невозбуждения осуществляют за счет соответствующего чередования зон облучения лазерного стержня излучением накачки и необлученных зон. 10. Способ по п.9, отличающийся тем, что зоны облучения имеют фиксированное положение в объеме лазерного стержня. 11. Способ по п.9, отличающийся тем, что зоны облучения смещают в объеме лазерного стержня в процессе накачки. 12. Способ по п.9, отличающийся тем, что зоны облучения и необлученные зоны чередуют в объеме лазерного стержня в процессе накачки.