ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ Российский патент 2004 года по МПК H01S3/06 

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в дальнометрии, лазерных подсветчиках, оптической локации и в телекоммуникационных системах.

Известен твердотельный лазерный излучатель, включающий осветитель с одним источником оптической накачки и двумя активными элементами, один из которых выполняет функцию задающего генератора, а второй - функцию однопроходного усилителя. В указанном твердотельном лазерном излучателе отсутствует оптимизация взаимного расположения активных элементов и источника оптической накачки внутри осветителя и не достигается максимума плотности излучения накачки внутри объема каждого активного элемента [1].

Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является твердотельный лазерный излучатель [2], содержащий глухое зеркало лазера, оптический затвор, осветитель, выходное зеркало и поворотную призму. Глухое и выходное зеркала образуют резонатор лазера. Осветитель состоит из отражателя, выполненного в форме кругового цилиндра, источника оптической накачки, первого и второго активных элементов. Геометрические оси источника оптической накачки, первого и второго активных элементов параллельны геометрической оси цилиндра, а установка первого и второго активных элементов и источника оптической накачки выполнена с условием равноудаления геометрических осей первого и второго активных элементов от источника оптической накачки и равноудаления геометрических осей первого и второго активных элементов и источника оптической накачки от центра отражателя.

Однако указанная конструкция имеет малую плотность лазерного излучения внутри резонатора лазера, т. к. первый активный элемент расположен внутри резонатора лазера и выполняет функцию задающего генератора, а второй - вне резонатора лазера и выполняет функцию однопроходного усилителя. В результате малой плотности лазерного излучения не удается возбудить вынужденное комбинационное рассеяние света на колебаниях кристаллической решетки активных элементов внутри резонатора лазера.

Задачей заявляемого технического решения является создание компактной конструкции твердотельного лазерного излучателя с повышенными эксплутационными характеристиками.

Технический результат - повышение плотности лазерного излучения внутри резонатора лазера, обеспечивающей интенсивное вынужденное комбинационное рассеяние света на колебаниях кристаллической решетки активных элементов, а также более компактное размещение оптических элементов резонатора лазера.

Указанная задача достигается тем, что твердотельный лазерный излучатель содержит расположенные на оптической оси глухое и выходное зеркала, образующие резонатор лазера, поворотную призму, оптический затвор, осветитель, состоящий из отражателя, выполненного в форме кругового цилиндра и содержащего источник оптической накачки, первый и второй активные элементы, причем первый активный элемент расположен между глухим и выходным зеркалами, и геометрические оси источника оптической накачки первого и второго активных элементов параллельны геометрической оси цилиндра, а установка первого и второго активных элементов и источника оптической накачки осветителя выполнена с условием равноудаления геометрических осей первого и второго активных элементов от источника оптической накачки и равноудаления геометрических осей первого и второго активных элементов и источника оптической накачки от геометрической оси отражателя, согласно изобретению второй активный элемент и последовательно установленная за ним поворотная призма расположены между глухим и выходным зеркалами, при этом первый и второй активные элементы выполнены из двуосного кристаллического материала и установлены однотипными оптическими осями параллельно друг другу и перпендикулярно плоскости, проходящей через геометрические оси первого и второго активных элементов.

В заявляемой конструкции, согласно изобретению, оптический затвор может быть расположен между глухим зеркалом и первым активным элементом.

Оптический затвор может быть объединен с глухим зеркалом резонатора лазера так, что они образуют конструкцию из двух усеченных призм ("зеркальный затвор"), соединенных между собой с зазором, причем одна из передних граней оптического затвора расположена под углом α к направлению падающего на него со стороны активной среды излучения, а на две задние грани призм нанесено глухое отражающее покрытие для излучения с длинами волн λ₀ и λ₁. где λ₀ - длина волны оптического излучения, возбуждающего комбинационное рассеяние света; λ₁ - длина волны вынужденного комбинационного рассеяния света, при этом две задние грани призм образуют с основанием угол β=90^o-α, где α - угол Брюстера (α=arctg n, n - показатель преломления материала призм).

На фиг.1 представлена принципиальная оптическая схема предлагаемого твердотельного лазерного излучателя, а на фиг.2 изображена схема оптического затвора, объединенного с глухим зеркалом.

Твердотельный лазерный излучатель (фиг. 1) содержит глухое зеркало 1, первый активный элемент 2, второй активный элемент 3, поворотную призму 4, отражатель 5, оптический затвор 6, выходное зеркало 7, источник оптической накачки 8, осветитель 9. Глухое зеркало 1 и выходное зеркало 7 образуют резонатор лазера. Выходное зеркало 7 установлено так, что оно оптически последовательно сопряжено с оптическим затвором 6, со вторым активным элементом 3, с поворотной призмой 4 и с первым активным элементом 2. Осветитель 9 состоит из отражателя 5, выполненного в форме кругового цилиндра и содержащего источник оптической накачки 8, первый 2 и второй 3 активные элементы, выполненные из двуосного кристаллического материала и установленные однотипными оптическими осями N_m или Ng [3] параллельно друг другу и перпендикулярно плоскости, проходящей через геометрические оси первого 2 и второго 3 активных элементов. Геометрические оси источника оптической накачки 8, первого 2 и второго 3 активных элементов параллельны оси цилиндра. Установка первого 2 и второго 3 активных элементов и источника оптической накачки 8 выполнена с условием равноудаления геометрических осей первого 2 и второго 3 активных элементов от источника оптической накачки 8 и рзвноудалення геометрических осей первого 2 и второго 3 активных элементов и источника оптической накачки 8 от геометрической оси отражателя 5.

Оптический затвор 6 может быть расположен между глухим зеркалом и первым активным элементом 2.

Оптический затвор 6 может быть объединен с глухим зеркалом 1 в единую конструкцию. Конструкция такого "зеркального" затвора (фиг.2) состоит из двух усеченных призм 10 и 11, соединенных с зазором по линии ВС, а по линиям АВ и CD соединенных методом глубокого оптического контакта [4]. На гранях М и N нанесены глухие зеркальные покрытия для излучения с длинами волн λ₀ и λ₁. где λ₀ - длина волны оптического излучения, возбуждающего комбинационное рассеяние света, λ₁ - длина волны вынужденного комбинационного рассеяния света. Грани Р, Q, М и N расположены к оптической оси под углом β= 90^o-α, где α - угол Брюстера (α=arctg n, n - показатель преломления материала призм). Для удобства изготовления отражатель 5 выполняется из двух полуцилиндров, которые соединяются вместе после нанесения на их внутреннюю поверхность отражающего или диффузного покрытия. К торцам отражателя 5 прижимаются фланцы, на которых крепятся в цилиндрических втулках первый 2 и второй 3 активные элементы и источник оптической накачки 8. Фланцы и отражатель 5 вставляются в полый металлический цилиндр (квантрон), в котором жестко закрепляются. С наружной стороны одного из фланцев сделан паз для клеевого крепления поворотной призмы 4.

Первый и второй активные элементы изготавливаются из кристаллов, в которых велико сечение комбинационного рассеяния света. К этой группе принадлежит большое количество двуосных кристаллов, легированных примесью редкоземельных элементов, например кристалл калий гадалиниевого вольфрамата, легированный ионами неодима. Для согласованной работы первого и второго активных элементов оптические оси, в направлении которых должно быть поляризовано излучение комбинационного рассеяния света, должны быть параллельны друг другу. В частности, в упомянутом выше кристалле это ось N_m [3].

При этом призма 4 с точностью 0,1 мм сопрягает оптические оси первого 2 и второго 3 активных элементов. Этот цилиндр (квантрон) вставляется в металлический корпус, в котором имеются посадочные площадки для зеркал 1 и 7 и для оптического затвора 6.

Твердотельный лазер одновременно генерирует на двух длинах волн: на длине волны λ₀ оптического перехода активной среды, возбуждающего комбинационное рассеяние света, и на длине волны λ₁ вынужденного комбинационного рассеяния света. Коэффициент отражения зеркал 1 и 7 на длине волны оптического перехода λ₀ близок к 100%, и для этого излучения оба зеркала глухие. Для длины волны вынужденного комбинационного рассеяния света λ₁ зеркало 1 также глухое, а зеркало 7 - полупрозрачное, с коэффициентом отражения 70-80%. Во избежание избыточных потерь оптического излучения гипотенузная грань поворотной призмы, торцы оптического затвора и торцы первого и второго активных элементов просветляются для длины волны λ₀ оптического перехода, возбуждающего комбинационное рассеяние света, и для длины волны волны λ₁ вынужденного комбинационного рассеяния света.

Твердотельный лазерный излучатель (фиг.1) работает следующим образом.

Излучение от источника оптической накачки 8 собирается отражателем 5 на первом 2 и втором 3 активных элементах и создает в них инверсную населенность. Под действием управляющего сигнала оптический затвор 6 открывает резонатор, образованный зеркалами и 1 и 7, и возникает излучение на той длине волны активной среды, на которой усиление превышает пороговое. При достижении плотности оптического излучения, достаточной для раскачки оптических колебаний кристаллической решетки первого и второго активных элементов, возникает вынужденное комбинационное рассеяние света. Частота вынужденного комбинационного рассеяния света (стоксовое рассеяние) меньше частоты оптического перехода активной среды на частоту колебаний кристаллической решетки активного элемента и представляет собой когерентное излучение, которое выходит из резонатора лазера через выходное зеркало. Возбуждающее его излучение с частотой, отвечающей частоте перехода активной среды, не выходит из резонатора лазера, поскольку для него оба зеркала резонатора глухие.

Зеркальный затвор (фиг.2) работает следующим образом.

Излучение, идущее из активного элемента, падает на входную грань затвора под углом α, а на границу раздела призм это излучение приходит под углом β= 2α-90^o, где α - угол Брюстера (α=arctg n), где n - показатель преломления материала призм). Когда зазор между призмами превышает длину волны излучения лазера, падающее на грань Р затвора излучение, отражаясь дважды от зазора и от граней М и N призм, выходит наружу из резонатора лазера через грань Q. При определенном зазоре, когда коэффициент отражения света от зазора равен коэффициенту пропускания зазора, излучение полностью возвращается в резонатор лазера.

Таким образом, получен технический результат: создана конструкция твердотельного лазерного излучателя с высокой плотностью лазерного излучения внутри резонатора, обеспечивающая интенсивное вынужденное комбинационное рассеяние света на колебаниях кристаллической решетки активных элементов.

Использованная литература
1. Исаев М.П. Компактный лазер импульсно-периодического действия на ГСТГ с кпд более 3%. Электронная техника, лазерная техника и оптолекгроника, вып. 1 (57), 1991 г., с.32-33.

2. Россия, патент 2112304, кл. H 01 S 3/11, опубл. 1998г., Бюл 15.

3. Мочалов И.В. "Нелинейная оптика лазерного кристалла калий-гадалиниевого вольфрамата, активированного неодимом KG d (WO₄): Nd³⁺, Оптический журнал. 11, 1995, с.4-15.

4. ОСТЗ-6783-93. Требования к типовым технологическим процессам соединения методом глубокого оптического контакта.

Изобретение относится к лазерной технике. Излучатель содержит глухое и выходное зеркала, образующие резонатор лазера, поворотную призму, оптический затвор, осветитель, состоящий из отражателя, выполненного в форме кругового цилиндра, источника оптической накачки, первого и второго активных элементов. Геометрические оси источника оптической накачки и активных элементов параллельны геометрической оси цилиндра. Установка активных элементов и источника оптической накачки осветителя выполнена с условием равноудаления геометрических осей активных элементов от геометрической оси источника оптической накачки и равноудаления геометрических осей активных элементов и источника оптической накачки от геометрической оси отражателя. Первый активный элемент, поворотная призма, второй активный элемент и оптический затвор последовательно расположены между глухим и выходным зеркалами. Первый и второй активные элементы выполнены из двуосного кристаллического материала и установлены однотипными оптическими осями параллельно друг другу и перпендикулярно плоскости, проходящей через геометрические оси первого и второго активных элементов. Обеспечены повышение плотности лазерного излучения внутри резонатора и компактность устройства. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Твердотельный лазерный излучатель, содержащий расположенные на оптической оси глухое и выходное зеркала, образующие резонатор лазера, поворотную призму, оптический затвор, осветитель, состоящий из отражателя, выполненного в форме кругового цилиндра и содержащего источник оптической накачки, первый и второй активные элементы, причем первый активный элемент расположен между глухим и выходным зеркалами, геометрические оси источника оптической накачки и первого и второго активных элементов параллельны геометрической оси цилиндра, а установка первого и второго активных элементов и источника оптической накачки выполнена с условием равноудаления геометрических осей первого и второго активных элементов от геометрической оси источника оптической накачки и равноудаления геометрических осей первого и второго активных элементов и источника оптической накачки от геометрической оси отражателя, отличающийся тем, что второй активный элемент и последовательно установленная за ним поворотная призма, расположены между глухим и выходным зеркалами, при этом первый и второй активные элементы выполнены из двуосного кристаллического материала и установлены однотипными оптическими осями параллельно друг другу и перпендикулярно плоскости, проходящей через геометрические оси первого и второго активных элементов.2. Изобретение по п.1, отличающееся тем, что оптический затвор расположен между глухим зеркалом и первым активным элементом.3. Изобретение по п.2, отличающееся тем, что оптический затвор объединен с глухим зеркалом резонатора лазера и они образуют конструкцию из двух усеченных призм, часть поверхности которых соединена между собой с зазором, а часть - глубоким оптическим контактом, причем одна из передних граней оптического затвора расположена под углом α к направлению падающего на него со стороны активной среды излучения, а на две задние грани призм нанесено глухое отражающее покрытие для излучения с длинами волн λ₀ и λ₁, где λ₀ - длина волны оптического излучения, возбуждающего комбинационное рассеяние света, λ₁- длина волны вынужденного комбинационного рассеяния света, при этом две задние грани призм образуют с основанием угол β = 90°-α, где α - угол Брюстера (α=arctgn, n - показатель преломления материала призм).