АКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА Российский патент 2004 года по МПК H01S3/06 H01S3/16 

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

Известны традиционные устройства активных элементов твердотельных лазеров с оптической накачкой через поверхность активной среды, содержащей ионы активатора в постоянной концентрации, излучением в ближнем ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном диапазонах длин волн λ, например лазерные стержни, диски, пластины с прямоугольным сечением из неодимового стекла и кристаллов, активированных ионами Nd³⁺, с накачкой импульсными лампами или полупроводниковыми излучателями /1-3/. Используются несколько схем накачки активной среды, различающиеся ориентацией направлений распространения излучения накачки в среде по отношению к направлению рабочего лазерного пучка. Распространенными схемами накачки являются “поперечная” - направление накачки перпендикулярно рабочему лазерному пучку и “продольная” - накачка вдоль лазерного пучка /1-3/. Общим недостатком активных элементов традиционного устройства с постоянной концентрацией активатора для любых схем накачки является ограниченность распространения излучения накачки в активной среде, связанная с экспоненциальным затуханием накачки вследствие поглощения ионами активатора. Ионы активатора образуют, как правило, несколько полос поглощения с центрами на длинах волн λ_а в рассматриваемой нами области спектра. При коэффициенте поглощения излучения накачки k(λ_а) и длине среды вдоль направления накачки L практически полное поглощение накачки в активном элементе будет наблюдаться уже при k(λ_а)L≥3. Это ограничивает возможность эффективной накачки больших объемов активной среды, уровень инверсной населенности в среде, т.е. ограничивает энергетику лазера. Таким образом, в среде по направлению накачки формируется сильно неоднородный профиль поглощенной энергии. В связи с этим формируется и неоднородный по сечению среды профиль усиления, вызывающий деформацию профиля распределения интенсивности в проходящем через активный элемент лазерном пучке. Вследствие неравномерного тепловыделения в среде возникает также тепловой градиент, приводящий к термооптическим искажениям в апертуре активного элемента, к механическим напряжениям в среде, которые могут вызвать разрушение активного элемента /1-3 /.

Известны также активные элементы твердотельных лазеров с активной средой, содержащей как ионы активатора, так и ионы сенсибилизатора с постоянными по объему среды концентрациями, например стержни и пластины на основе стекол и кристаллов, соактивированных ионами Cr³⁴; Nd³⁺; Nd³⁺, Yb³⁺; Yb³⁺, Er³⁺ и др. /2-6/. Для накачки сенсибилизированной активной среды используют как импульсные лампы, так и лазерное излучение в одном или нескольких спектральных диапазонах, соответствующих полосам поглощения активатора и сенсибилизатора. Полосы поглощения сенсибилизатора с центрами на длинах волн λ_с, как правило, не перекрываются с полосами поглощения активатора и приходятся на области прозрачности активатора. Для эффективной (с кпд η≈1) передачи энергии накачки от сенсибилизатора к активатору необходимо поддерживать в активной среде соотношение их концентраций соответственно N_c и N_а в определенных пределах. Однако и для сенсибилизированных активных элементов при постоянных по объему среды концентрациях N_c и N_а. примесных ионов свойственны те же недостатки (ограниченность области накачки, неоднородный профиль поглощенной в среде энергии накачки, неоднородный профиль усиления, термооптические искажения), которые характерны и для несенсибилизированных сред.

Наиболее близкими к изобретению являются активные элементы из лазерной керамики, описанные в работах /7-9/. В настоящее время в результате разработанного в работах /7-9/ технологического процесса из лазерной керамики на основе кристаллов YAG, Y₂O₃ и др., активированной ионами Nd³⁺, Yb³⁺, удается изготавливать лазерные стержни с длиной до 100 мм и диски ⊘ 400·10 мм /8,9/. Лазерная керамика состоит из отдельных зерен (гранул), плотно связанных друг с другом. Средний размер гранул керамики около 10 мкм /7-9/. Многие оптико-физические и спектрально-люминесцентные характеристики лазерной керамики идентичны характеристикам монокристалла. Из керамики могут быть изготовлены активные элементы для лазеров с комбинированными активаторами; может быть изготовлена многослойная керамика.

Однако и активные элементы из лазерной керамики, описанные в литературе /7-9/, не свободны от недостатков, обсуждавшихся выше для обычных (некерамических) активных сред (стекол, кристаллов). При накачке активных элементов из керамики с постоянными концентрациями примесных ионов в них возникает неоднородный профиль поглощенной энергии накачки, неоднородный профиль инверсии и температурный градаент, вызывающий искажения проходящего через элемент лазерного пучка.

Техническая задача изобретения - создание активного элемента твердотельного лазера с управляемым профилем распределения поглощенной в активной среде энергии накачки. Одним из важных моментов здесь является выравнивание профиля поглощенной энергии вдоль направления распространения накачки, а следовательно, выравнивание вдоль этого направления и профиля усиления, и профиля тепловыделения в активной среде, что по совокупности факторов повышает энергию лазера, улучшает пространственно-угловые характеристики лазерного пучка, формируемого в активной среде.

Поставленная задача решается следующим образом. Предлагаемый активный элемент твердотельного лазера с накачкой через поверхность излучением ближнего ультрафиолетового, видимого или ближнего инфракрасного диапазонов длин волн с толщиной активной среды L по направлению накачки z, 0≤z≤L, содержит как ионы активатора с концентрацией N_а, так и ионы сенсибилизатора с концентрацией N_c, причем излучение накачки поглощается в неперекрывающихся между собой полосах поглощения активатора и сенсибилизатора с центрами на длинах волн соответственно λ_a и λ_с, λ_в ≠λ_с Предлагаемый элемент отличается от известных тем, что ионы активатора и ионы сенсибилизатора распределены по объему активной среды так, что усредненные по поперечным сечениям S(z) среды вдоль направления накачки концентрации активатора n_c и сенсибилизатора n_с являются функциями координаты z, принимая значения соответственно от 0<n_а(0)(N_а до n_а(z)=N_a и от n_с(0)≈0 до n_c(z)=N_c. Таким образом, распределение ионов активатора и сенсибилизатора по объему активной среды может быть неоднородным. Существенно, что в предлагаемом активном элементе соотношение концентраций активатора и сенсибилизатора возможно поддерживать на том оптимальном уровне, который обеспечивает наиболее эффективную передачу возбуждения от сенсибилизатора к активатору.

Поставленная задача решается с помощью активного элемента из лазерной керамики, при этом керамика состоит из гранул, содержащих только ионы активатора и гранул с ионами активатора вместе с ионами сенсибилизатора. Активный элемент может быть выполнен также в виде набора отдельных фрагментов (пластин с полированными гранями). В последнем случае возможно использование как керамической, так и некерамической (стекло, кристалл) твердотельной среды.

Устройство керамического активного элемента в виде прямоугольной пластины в соответствии с изобретением представлено на фиг.1. Односторонняя “поперечная” накачка активного элемента осуществляется через его боковую поверхность излучением с интенсивностью I₀. За основу предлагаемого устройства активной среды взята поликристаллическая структура лазерной керамики в соответствии с работами /7-9/. Но в отличие от работ /7-9/ рассматриваемая активная среда состоит из гранул одного и того же кристалла, но 2 видов, отличающихся по составу, что иллюстрируется на фиг.1 рисунком микроструктуры среды. Гранулы первого вида (не заштрихованы) содержат только ионы активатора. Гранулы второго вида (заштрихованы) содержат как ионы активатора, так и ионы сенсибилизатора. В каждой из гранул второго вида соотношение концентраций N_a и N_c соответствует оптимальному значению, при котором происходит наиболее эффективная с кпд η≈1 передача энергии возбуждения от сенсибилизатора к активатору. Однако концентрация этих гранул в различных поперечных сечениях среды S(z) вдоль направления накачки - величина переменная. Другими словами, в каждом данном поперечном сечении среды S(z) этими гранулами перекрывается площадка ΔS(z), 0≤ΔS(z)≤S(z). Поэтому усредненная по сечению среды концентрация сенсибилизатора n_c(z)≈ΔS(z)N_c/S(z) может принимать значения 0≤n_c(z)≤N_c. На рисунке микроструктуры, фиг.1, показано увеличение концентрации сенсибилизатора вдоль направления накачки. Накача активного элемента производится одновременно в полосы поглощения активатора и сенсибилизатора. Полоса поглощения сенсибилизатора с центром на длине волны λ_c не перекрывается с полосой поглощения активатора λ_а и приходится на область прозрачности активатора. Поэтому, используя нарастающую вдоль направления накачки концентрацию сенсибилизатора n_с(z), можно организовать профиль поглощения накачки сенсибилизатором, нарастающий по координате z. Поскольку при поглощении накачки активатором с постоянной концентрацией формируется убывающий по координате профиль поглощенной энергии, то суммарный профиль поглощения накачки активной средой I(z) можно сформировать достаточно однородным по координате z, фиг.1. При различных зависимостях концентраций от координаты возможно формирование профилей поглощенной энергии с максимумом или минимумом в глубине среды (например, при z=L/2) или профилей другого вида.

Зависимость концентраций примесных ионов от координаты z может быть получена также в активном элементе при разделении его на фрагменты (пластины) с различными значениями концентраций, фиг.2. Здесь пластины, содержащие только ионы активатора (1), не заштрихованы, а пластины, содержащие активатор вместе с сенсибилизатором (3), заштрихованы, (2) - разделяющие пластины зазоры, которые можно использовать для охлаждения активной среды.

Таким образом, с помощью предлагаемого устройства активного элемента могут решаться (в зависимости от конкретных условий применения) различные задачи формирования распределения поглощенной в активном элементе энергии накачки. Формирование близкого к равномерному распределения поглощенной энергии по поперечному сечению активного элемента существенно при односторонней “поперечной” накачке, фиг.1. В этом случае, как пояснялось, существенно улучшаются пространственно-угловые характеристики лазерного излучения, возрастает его энергия.

При “продольной” накачке, фиг.2, градиенты распределений поглощенной энергии, температуры совпадают с направлением распространения лазерного пучка и поэтому влияние их на пространственно-угловые характериститки пучка минимально. Поэтому приемлемыми для формирования лазерного пучка условиями здесь являются даже скачки функции распределения поглощенной энергии I(z), которые возникают во фрагментированной среде, фиг.2. В представленном на фиг.2 устройстве активного элемента в виде набора пластин с полированными гранями, установленных последовательно по направлению накачки, первая, а также и несколько следующих пластин из начала этой последовательности могут вообще не содержать ионов сенсибилизатора, а в остальных пластинах концентрации активатора и сенсибилизатора могут оставаться постоянными в пределах одной пластины и изменяться при переходе к другой пластине. С помощью предлагаемого (фиг.2) устройства активного элемента (из керамики или некерамической твердотельной среды) может быть решена задача увеличения глубины прокачки активной среды, увеличения уровня инверсии и тем самым обеспечен рост энергетики лазерного модуля.

Предлагаемое устройство активного элемента твердотельного лазера с “продольной” и “поперечной” накачкой рассмотрено в двух следующих примерах. В качестве источников накачки в этих примерах могут использоваться известные полупроводниковые и лазерные излучатели /1-3, 7-9/.

Пример 1. Активный элемент из керамики YSGG:Nd^з+Yb^з+ в виде прямоугольной пластины толщиной L=3 см с “поперечной” накачкой излучением с интенсивностью I₀ на длине волны λ_а ≈ 0,9 мкм в полосу поглощения активатора (Yb³⁺) и на длине волны λ_c ≈ 0,8 мкм в полосу поглощения сенсибилизатора (Nd³⁺), фиг.1. Полосы поглощения активатора и сенсибилизатора в указанных спектральных областях не перекрываются. По данным работы /6/ при соотношении концентраций активатора N_а=2x10²⁰cм^-3 и сенсибилизатора N_c=6x10²⁰cм^-3 коэффициент передачи энергии возбуждения от ионов неодима к ионам иттербия η≈0,9. Сечения поглощения в полосах накачки активатора и сенсибилизатора соответственно σ_a ≈ 1,5x10^-20см², σ_c ≈ 6,2x10^-20см². Активная среда вдоль направления накачки является оптически плотной на длине волны λ_а, т.к. k(λ_a)L=4,5. Фиг.1 иллюстрирует выравнивание распределения поглощенной в среде энергии при накачке среды на двух длинах волн.

Пример 2. Активный элемент из кристалла GSGG:Cr³⁺Nd³⁺ в виде набора из 4 одинаковых по толщине пластин с общей толщиной L≈5,2 см с “продольной” лазерной накачкой с интенсивностью I₀ в двух спектральных диапазонах: в полосу поглощения активатора (Nd³⁺) с длиной волны λ_a ≈ 0,8 мкм и в полосу поглощения сенсибилизатора (Сr³⁺) с длиной волны λ_с ≈ 0,7 мкм. Активированная неодимом среда прозрачна в области 0,7 мкм /1-3/. Сечения поглощения активатора и сенсибилизатора на двух линиях накачки соответственно σ_a ≈ 6,3x10^-20 см², σ_c ≈ 1,25x10^-20 см² /5/. Первые две пластины с толщиной каждая l_a ≈ 1,3 см представляют собой практически свободный от сенсибилизатора кристалл (n_c ≈ 0), содержащий только ионы активатора с концентрацией n_a ≈ 2х10¹⁹см³. Оптическая толщина этих двух пластин составляет 2σ_an_al_a ≈ 3,3, что обеспечивает практически полное поглощение накачки на длине волны λ_а. При этом излучение на длине волны λ_с практически без потерь на поглощение проходит через две первые пластины.

Вторые две пластины толщиной l_с=1,3 см - двухкомпонентный кристалл GSGG:Cr³⁺Nd³ с концентрациями ионов соответственно N_а ≈ 2x10²⁰ см^-3 и N_с ≈ 1x10²⁰ см^-3, что обеспечивает эффективную передачу (η≈1) возбуждения от сенсибилизатора к активатору /3-5/. Оптическая толщина этих двух пластин 2σ_сl_cN_c ≈ 3,2, что обеспечивает практически полное поглощение излучения накачки на длине волны λ_с. Таким образом, применение активного элемента в соответствии с изобретением позволило в данном примере увеличить в 2 раза объем “прокачиваемой” активной среды и увеличить запасаемую в инверсии энергию в лазерном модуле с “продольной” накачкой. При “продольной” накачке наличие градиента в распределении поглощенной энергии по направлению накачки не приводит, как отмечалось, к серьезным ухудшениям параметров лазерного пучка, распространяющегося через среду.

Отметим, что формирование профиля поглощенной в среде энергии в активных элементах предлагаемого в изобретении устройства возможно осуществлять при невысоких уровнях интенсивности излучения накачки, не превосходящих уровни мощности, необходимые для просветления активной среды. Это обстоятельство расширяет возможности применения предлагаемых активных элементов в лазерных установках.

Литература

1. Мак А. и др. Лазеры на неодимовом стекле. - М.: Наука, 1990.

2. Алексеев Н. и др. Лазерные фосфатные стекла. - М.: Наука, 1980.

3. Зверев Г., Голяев Ю. Лазеры на кристаллах и их применение. - М.: Радио и связь, 1994.

4. Жариков Е. и др. Спектрально-люминесцентные и генерационные свойства кристаллов гадолиний-скандий-галлиевого граната, активированных ионами неодама и хрома. - Квантовая электроника. - 1983, 10, 1, 140-144.

5. Kropke W. et al. Spectroscopic, optical, and thermomechanicalproperties of neodymium- and chromium-doped gadolinium scandium gallium garnet. JOSA B,3,1, p. 102-114 (1986).

6. Бурцев А. и др. Иттербиевый лазер с накачкой газоразрядными лампами для импульсно-периодического режима работы. Изв. Акад. наук, сер. физ., - 1996, 60, 3, 200-205.

7. Lu J., Ueda K. et.al. Optical properties and highly efficient laser oscillation of Nd:YAG ceramics. Appl. Phys. B, 71, pp. 469-473 (2000).

8. Lu J., Ueda K. et al. High-Power Nd:Y₃Al₅O₁₂ CeramicLaser. Jpn. J. Appl. Phys, 39, pp. L1048-L1050 (2000).

9. Lu J., Ueda K. Et al. High power Nd:YAG ceramic laser. Conference on Lasers and Electro-Optics. May 6-11, 2001, Baltimore, USA, Technical Digest, p. 560 (2001).

Изобретение относиться к квантовой электронике и может быть использовано в лазерной технологии. Активный элемент твердотельного лазера содержит ионы активатора и ионы сенсибилизатора. Накачка осуществляется через боковую поверхность активного элемента в полосы поглощения активатора и сенсибилизатора излучением в ближнем инфракрасном, видимом или ближнем ультрафиолетовом диапазонах длин волн. Активный элемент имеет толщину L по направлению накачки z, 0≤z≤L, поперечное сечение S(z) и неоднородное по объему активной среды распределение концентраций ионов активатора и сенсибилизатора. Усредненные по поперечным сечениям S(z) концентрации активатора n_a и сенсибилизатора n_c являются функциями координаты z, что позволяет управлять профилем поглощенной в активной среде энергии. При накачке активной среды одновременно в полосы поглощения и активатора, и сенсибилизатора удается получать выровненный по толщине активного элемента профиль, что позволяет увеличить запасенную в активной среде энергию и уменьшить наведенные накачкой термооптические искажения среды, что улучшает пространственно-угловые характеристики формируемого в среде лазерного пучка. Для создания среды с переменной концентрацией активатора и сенсибилизатора используется лазерная керамика, состоящая из микрогранул кристалла, содержащих только ионы активатора, и микрогранул, содержащих ионы активатора вместе с ионами сенсибилизатора. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Активный элемент твердотельного лазера с накачкой через поверхность излучением ближнего инфракрасного, видимого или ближнего ультрафиолетового диапазонов длин волн λ с толщиной активной среды L по направлению распространения накачки z, 0≤z≤L и поперечным сечением S(z), причем активная среда содержит ионы активатора и ионы сенсибилизатора, а излучение накачки поглощается как активатором, так и сенсибилизатором в неперекрывающихся между собой полосах поглощения, отличающийся тем, что ионы активатора и сенсибилизатора распределены по объему активной среды так, что усредненные по поперечным сечениям S(z) концентрации активатора n_a и сенсибилизатора n_c являются функциями координаты z, принимая значения соответственно 0<n_а(z)≤N_a и 0≤n_c(z)≤N_с, где N_a и N_c – соответственно оптимальные значения концентрацией активатора и сенсибилизатора, обеспечивающие эффективную передачу возбуждения от сенсибилизатора к активатору.2. Активный элемент твердотельного лазера по п.1, отличающийся тем, что активная среда представляет собой лазерную керамику, состоящую из гранул, содержащих только ионы активатора, и гранул с ионами активатора вместе с ионами сенсибилизатора.3. Активный элемент твердотельного лазера по п.1 или 2, отличающийся тем, что активная среда выполнена в виде набора пластин с полированными гранями, установленных с зазорами последовательно друг за другом по направлению накачки, причем первая из последовательности пластина не содержит ионов сенсибилизатора.