КВАЗИТРЕХУРОВНЕВЫЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ Российский патент 2009 года по МПК H01S3/16 

Изобретение относится к области твердотельных лазеров, в частности к лазерам с лазерной диодной накачкой, и промышленно применимо в медицине и косметологии.

Известен твердотельный лазер, в котором активный элемент выполнен с возможностью обеспечения четного числа проходов излучения через него [Заварцев Ю.В., Загуменный А.И., Зероук Ф., Кутовой С.А., Михайлов В.А., Подрешетников В.В., Сироткин А.А., Щербаков И.А. "Квазитрехуровневый Nd:GdVO4 - лазер на λ=456 нм с диодной накачкой". Квантовая электроника, 33 (7), 651 (2003)]. В этом лазере излучение накачки поглощается по мере прохождения от входной до выходной поверхностей активного элемента согласно закону Ламберта - Бугера - Бера. Интенсивность этого излучения продолжает убывать и после отражения от выходной поверхности активного элемента, однако при двойном проходе суммарная интенсивность излучения накачки, локализованного внутри активного элемента, существенно выше, чем при однократном проходе. При однократном проходе длину активного элемента обычно выбирают такой, чтобы поглощение излучения накачки в активном элементе составляло 80-95%. При двойном проходе излучения накачки длина активного элемента может быть уменьшена более чем в два раза при том же значении поглощения накачки. Благодаря этому при двухпроходовой накачке внутрирезонаторные потери на поглощение для квазитрехуровневого лазера сокращаются пропорционально длине активного элемента (т.е. примерно в два раза). Такое снижение внутрирезонаторных потерь приводит к существенному увеличению КПД лазера и средней мощности выходного излучения.

Кроме того, средняя плотность мощности накачки в активном элементе с двойным проходом излучения оказывается в среднем больше, чем при однопроходовой накачке. Благодаря этому имеет место эффект насыщения поглощения, приводящий к снижению коэффициента резонансного поглощения генерируемого внутрирезонаторного излучения. Заселенность основного состояния уменьшается и, соответственно, уменьшается поглощение внутрирезонаторного генерируемого излучения из основного состояния. Этот эффект при прочих равных условиях также ведет к увеличению КПД лазера.

Известен активный элемент, выполненный из кристалла однокатионного или смешанного ванадата, легированного ионами Nd³⁺ или Tm³⁺ [A.I.Zagumennyi, V.A.Mikhailov, V.I.Vlasov, A.A.Sirotkin, V.V.Podreshetnikov, Yu.L.Kalachev, Yu.D.Zavartsev, S.A.Kutovoi and I.A.Shcherbakov. "DiodePumped Lasers Based on GdVO4 Crystal". Laser Physics, Vol.13, No.3, pp.1-8].

Известен блок управления, выполненный с возможностью варьирования тока через лазерный диод [Блок питания LDD-10 фирмы АТС-SEMICONDUCTOR DEVICES, Санкт-Петербург, www.atcsd.ru].

Известен блок управления, выполненный с возможностью варьирования температуры лазерного диода [Блок питания LDD-10 фирмы АТС-SEMICONDUCTOR DEVICES, Санкт-Петербург, www.atcsd.ru].

Известен блок управления лазерным диодом, выполненный на основе микроконтроллерного устройства [Блок питания LDD-10 фирмы АТС-SEMICONDUCTOR DEVICES, Санкт-Петербург, www.atcsd.ru].

Известен спектральный селектор, выполненный с возможностью изменения длины волны излучения [Walter Koechner "Solid-State Laser Engineering", Springer Series in Optical Sciencess, Fourth Edition, 1996, p.235].

Известен удвоитель частоты, выполненный из нелинейно-оптического кристалла из группы KTiOPO₄, KNbO₃, LiNbO₃, LiJO₃, β-BaB₂O₄, LiB₃O₅.

Известен способ и устройство для управления током через лазерный диод таким образом, чтобы длина волны излучения лазерного диода совпадала с центром линии поглощения активного элемента лазера, накачиваемого данным лазерным диодом [Блок питания LDD-10 фирмы АТС-SEMICONDUCTOR DEVICES, Санкт-Петербург. www.atcsd.ru].

Известен твердотельный лазер, содержащий источник продольной оптической накачки, выполненный в виде лазерного диода, активный элемент, устройство фокусировки излучения накачки в активный элемент и резонатор лазера [патент US 5751751]. Активный элемент лазера выполнен из кристалла, легированного редкоземельным элементом. Лазер содержит нелинейный удвоитель частоты излучения.

Недостатком данного аналога является недостаточная надежность, относительно малый ресурс работы и относительно невысокая средняя мощность излучения, что связано с попаданием отраженного излучения накачки в лазерный диод и несовпадением длины волны излучения накачки с центром линии поглощения активного элемента лазера.

Наиболее близким к заявляемому является известный квазитрехуровневый твердотельный лазер, содержащий источник излучения продольной накачки, выполненный в виде лазерного диода, активный элемент, устройство фокусировки излучения лазерного диода в активный элемент и резонатор лазера, причем активный элемент выполнен с возможностью обеспечения четного числа проходов излучения накачки через него [V.A.Sychugov, V.A.Mikhailov, V.A.Kondratyuk, N.М.Lyndin, Yu.Fram, A.I.Zagumennyi, Yu.D.Zavartsev, P.A.Studenikin. Short-wavelength (λ=914 nm) microlaser operatig on an Nd³⁺: YVO₄ crystal. Quantum Electronics, 2000, v. 30, №1, p.13-14].

Недостатком этого ближайшего аналога является недостаточная надежность, относительно малый ресурс работы и относительно невысокая средняя мощность излучения, что связано с попаданием отраженного излучения накачки в лазерный диод и несовпадением длины волны излучения накачки с центром линии поглощения активного элемента лазера

Известен способ работы твердотельного лазера с продольной диодной накачкой, при осуществлении которого через лазерный диод пропускают ток, излучение лазерного диода фокусируют внутри активного элемента, расположенного между входным и выходным зеркалами, и затем отражают от выходной поверхности активного элемента, излучение, испускаемое активным элементом, пропускают через входную и выходную поверхности активного элемента, причем излучение, падающее на выходное зеркало резонатора, частично пропускают через него.

[Патент US 5751751.]

Недостатком данного аналога является недостаточная надежность, относительно малый ресурс работы и относительно невысокая средняя мощность излучения, что связано с попаданием отраженного излучения накачки в лазерный диод и несовпадением длины волны излучения накачки с центром линии поглощения активного элемента лазера.

Наиболее близким к заявляемому является известный способ работы квазитрехуровневого твердотельного лазера с продольной диодной накачкой, при осуществлении которого через лазерный диод пропускают ток, излучение лазерного диода фокусируют внутри активного элемента, расположенного между входным и выходным зеркалами, и отражают от выходной поверхности активного элемента, а излучение, испускаемое активным элементом, пропускают через входную и выходную поверхности активного элемента, причем излучение, падающее на выходное зеркало резонатора, частично пропускают через него.

Недостатком этого ближайшего аналога является недостаточная надежность, относительно малый ресурс работы и относительно невысокая средняя мощность излучения, что связано с попаданием отраженного излучения накачки в лазерный диод и несовпадением длины волны излучения накачки с центром линии поглощения активного элемента лазера.

С помощью заявляемого изобретения решается техническая задача повышения надежности лазера, увеличения ресурса его работы и повышение средней мощности излучения.

Поставленная цель достигается тем, что известный квазитрехуровневый твердотельный лазер, содержащий лазерный диод для продольной накачки, активный элемент, устройство фокусировки излучения лазерного диода в активный элемент и резонатор лазера, причем активный элемент выполнен с возможностью обеспечения четного числа проходов излучения лазерного диода накачки через него, дополнительно содержит датчик температуры лазерного диода, блок термостабилизации, блок управления током и температурой лазерного диода, электрически связанный с лазерным диодом, блоком термостабилизации и датчиком температуры лазерного диода, причем блок управления током и температурой лазерного диода выполнен с возможностью одновременного варьирования тока и температуры лазерного диода.

В частности, блок управления током и температурой лазерного диода может быть выполнен на основе микроконтроллерного устройства.

В частности, угол между осью распространения излучения лазерного диода и оптической осью резонатора лазера может находиться в пределах от 1 до 10°.

В частности, лазер может дополнительно содержать устройство оптической развязки, установленное между лазерным диодом и активным элементом, причем устройство оптической развязки может быть выполнено с возможностью ослабления излучения накачки, отраженного от оптических элементов резонатора лазера. При этом устройство оптической развязки может быть выполнено в виде 45-градусной ячейки Фарадея на длину волны излучения лазерного диода или содержать поляризатор и четвертьволновую пластинку, последовательно установленные на оси распространения излучения лазерного диода. Альтернативным вариантом является то, что устройство оптической развязки может быть выполнено в виде прозрачной оптически неоднородной пластины, обеспечивающей нерегулярные по сечению пучка отклонения прошедшего через нее излучения на угол не более 5°. Если этот угол превышает 5°, то увеличиваются размеры области фокусировки излучения накачки в активном элементе, что ведет к недопустимому снижению коэффициента полезного действия лазера.

В частности, устройство фокусировки может содержать две линзы. При этом между линзами может быть расположен отрезок оптического волокна длиною L, удовлетворяющей соотношению L>20 D, где D - диаметр оптического волокна, причем оба конца волокна расположены в фокусах линз. При меньшей длине отрезка оптического волокна изображение эмиттера диода накачки частично передается через волокно и тем самым приводит к недопустимо большому пропусканию отраженного обратно на эмиттер излучения накачки.

Кроме того, линзы могут быть выполнены с оптической сферической аберрацией в пределах от 0.1 до 0.2 оптической силы устройства фокусировки излучения лазерного диода в активный элемент. Если оптическая аберрация меньше 0.1 оптической силы устройства фокусировки, то вызываемая этой линзой величина дефокусировки излучения накачки, отраженного назад, и его ослабление на эмиттере диода оказывается недопустимо малым и не дает существенного эффекта оптической развязки. Если она превышает 0.2 оптической силы устройства фокусировки, то увеличиваются размеры области фокусировки излучения накачки в активном элементе, что ведет к недопустимому снижению коэффициента полезного действия лазера.

В частности, активный элемент может быть установлен с возможностью перемещения поперек оптической оси резонатора.

В частности, активный элемент может содержать, по меньшей мере, один кристалл однокатионного или смешанного ванадата, легированного ионами Nd³⁺ или Tm³⁺. При этом кристалл ванадата может описываться одной из химических формул A_1-xNd_xVO₄, где А - по меньшей мере, один из элементов группы Y, Gd, Lu, 0.005≤х≤0.04, или A_1-x+yNd_xV_1-yO_4-z, где А - по меньшей мере, один из элементов группы Sc, Y, La, Gd, Lu, 0.005≤х≤0.04; 0.005≤у≤0.03; 0.001≤z≤0.1, или [A_1-bB_1.5b]_1+y-xNd_xV_1-yO_4-z, где А - по меньшей мере, один из элементов группы Sc, Y, La, Gd, Lu, В - по меньшей мере, один из элементов группы Mg, Ca, Zn, Sr, 1,5×10^-5≤b≤0,2; 0.005≤х≤0.04; 0.005≤у≤0.03; 0.001≤z≤0.25, или A_1-xTm_xVO₄, где А - по меньшей мере, один из элементов группы Y, Gd, Lu, 0.005≤х≤0.12, или

A_1-x+yTm_xV_1-yO_4-z, где А - по меньшей мере, один из элементов группы Sc, Y, La, Gd, Lu, 0.005≤х≤0.12; 0.005≤у≤0.03; 0.001≤z≤0.1, или [A_1-b,B_1.5b]_1+y-xTm_xV_1-yO_4-z, где А - по меньшей мере, один из элементов группы Sc, Y, La, Gd, Lu, В - по меньшей мере, один из элементов группы Mg, Ca, Zn, Sr, 1,5×10^-5≤b≤0,2; 0.005≤х≤0.12; 0.005≤у≤0.03; 0.001≤z≤0.25.

В частности, активный элемент может содержать кристалл редкоземельного силиката, легированного ионами Tm³⁺ и описываемого химической формулой А_2+2у-xTm_xSi_1-yO_5+y, где А - по меньшей мере, один из элементов группы Sc, Y, Gd, Lu; 0.005≤х≤0.15; 0≤у≤0.09.

В частности, лазер дополнительно может содержать брюстеровскую пластину, установленную в резонаторе лазера.

В частности, лазер дополнительно может содержать нелинейно-оптический преобразователь частоты, установленный в резонаторе лазера. При этом нелинейно-оптический преобразователь частоты может быть выполнен в виде удвоителя частоты, например, из нелинейно-оптического кристалла из группы

KTiOPO₄, KNbO₃, LiNbO₃, LiIO₃, β-ВаВ₂O₄, LiB₃O₅.

В частности, лазер дополнительно может содержать отклоняющий элемент, установленный в резонаторе лазера между активным элементом и нелинейно-оптическим преобразователем частоты, и лазерный источник, выполненный в виде твердотельного лазера с диодной накачкой и содержащий дополнительный активный элемент, причем лазерный источник может быть установлен таким образом, что его излучение и излучение на выходе отклоняющего элемента распространяются вдоль одного и того же направления. Например, отклоняющий элемент может быть выполнен в виде дихроичного зеркала или поляризатора.

В частности, лазерный источник электрически может быть связан с дополнительным блоком питания, дополнительным блоком термостабилизации, дополнительным блоком управления и дополнительным датчиком температуры лазерного диода, а также дополнительным активным элементом, дополнительным устройством фокусировки излучения дополнительного лазерного диода в дополнительный активный элемент и дополнительный резонатор лазера. Кроме того, активный элемент может быть выполнен из кристалла ванадата, дополнительный активный элемент может быть выполнен из кристалла YLiFO₃, легированного ионами Nd, а нелинейно-оптический преобразователь частоты может быть выполнен из кристалла KTiOPO₄. В частности, в резонаторе лазера может быть установлен спектральный селектор, выполненный с возможностью изменения длины волны излучения. При этом спектральный селектор может быть выполнен в виде интерферометра Фабри-Перо, фильтра Лио или дисперсионной призмы.

Поставленная цель достигается также тем, что в известном способе работы квазитрехуровневого твердотельного лазера с продольной диодной накачкой, при осуществлении которого через лазерный диод пропускают ток, излучение лазерного диода фокусируют внутри активного элемента, расположенного между входным и выходным зеркалами, и затем отражают от выходной поверхности активного элемента, излучение, испускаемое активным элементом, пропускают через входную и выходную поверхности активного элемента, причем излучение, падающее на выходное зеркало резонатора, частично пропускают через него, ослабляют излучение, отраженное от элементов лазера, а во время переходных процессов, связанных с включением лазерного диода или изменения мощности его излучения, ток через лазерный диод изменяют таким образом, чтобы длина волны излучения лазерного диода совпадала с центром линии поглощения активного элемента лазера.

В частности, перед изменением тока через лазерный диод можно измерить зависимость длины волны излучения лазерного диода от пропускаемого через него тока, которую вводят в память блока управления током и температурой лазерного диода.

В частности, плоскость поляризации излучения лазерного диода можно повернуть на 45° с помощью ячейки Фарадея, установленной между лазерным диодом и входным зеркалом.

В частности, излучение лазерного диода можно преобразовать в поляризованное по кругу с помощью поляризатора и четвертьволновой пластинки, последовательно установленных между лазерным диодом и входным зеркалом.

В частности, излучение лазерного диода можно преобразовать в поляризованное по кругу с помощью поляризатора и четвертьволновой пластинки, последовательно установленных между лазерным диодом и входным зеркалом.

В частности, излучение лазерного диода можно рассеивать с помощью прозрачной оптически неоднородной пластины, установленной между лазерным диодом и входным зеркалом.

В частности, распределение интенсивности пучка излучения лазерного диода по площади его сечения можно изменить с помощью установленного между лазерным диодом и входным зеркалом резонатора лазера отрезка оптического волокна длиною L>20 D, где D - диаметр оптического волокна, или с помощью линзы, выполненной с оптической сферической аберрацией в пределах от 0.1 до 0.2 оптической силы устройства фокусировки излучения лазерного диода в активный элемент.

В частности, излучение, распространяющееся внутри резонатора лазера, можно пропустить через нелинейно-оптический преобразователь частоты, установленный перед выходным зеркалом. При этом с помощью нелинейно-оптического преобразователя частоты можно удвоить частоту излучения лазера или смешать лазерные излучения с разными длинами волн так, чтобы лазер испускал излучение суммарной частоты.

Заявляемые квазитрехуровневый твердотельный лазер и способ его работы связаны единым изобретательским замыслом, поскольку представляют собой устройство и способ его использования.

Суть изобретения состоит в следующем. Изменяя с помощью блока управления током и температурой лазерного диода ток через лазерный диод таким образом, чтобы длина волны излучения лазерного диода совпадала с центром линии поглощения активного элемента лазера, обеспечивают повышение надежности работы лазера и увеличение средней мощности его излучения на выходе. Дополнительно повышение надежности работы лазера и увеличение ресурса его работы достигается путем уменьшения интенсивности излучения накачки, отраженного обратно в лазерный диод от оптических элементов лазера за счет введения в лазер между лазерным диодом и активным элементом устройства оптической развязки, которое практически не ослабляет падающее на активный элемент излучение накачки.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1-3 приведены блок-схемы вариантов выполнения квазитрехуровневого твердотельного лазера, а на фиг.4 показаны эпюры временной зависимости тока через лазерный диод и температуры этого диода.

Квазитрехуровневый лазер (фиг.1) содержит блок лазерного диода 1, включающий в себя лазерный диод 2 с эмиттером 3. Блок лазерного диода 1 находится в тепловом контакте с устройством термостабилизации 4, подключенным к блоку управления температурой лазерного диода 5, которые составляют блок термостабилизации, электрически связанный с блоком силового электропитания 6. Блок лазерного диода 1 подключен к блоку силового электропитания 6 с помощью блока управления лазерным диодом 7 и блока управления током и температурой лазерного диода, выполненного на основе микроконтроллерного устройства 8. Микроконтроллерное устройства 8 и блок управления системой термостабилизации 5 электрически связаны с датчиком температуры 9, находящемся в тепловом контакте с лазерным диодом 2.

На оптической оси лазерного диода 2 (фиг.1) последовательно расположены первая линза 10 устройства фокусировки, система оптической развязки 11, вторая линза 12 устройства фокусировки и резонатор лазера, включающий в себя входное зеркало резонатора 13, первую прозрачную охлаждающую пластину 14, активный элементом 15, вторую прозрачная охлаждающую пластину 16 и выходное зеркало резонатора 17. Пластины 14 и 16 находятся в тепловом контакте с активным элементом 15.

Второй вариант выполнения квазитрехуровневого лазера (фиг.2) отличается тем, что перед выходным зеркалом резонатора 17 на оптической оси установлен нелинейно-оптический кристалл 18, служащий удвоителем частоты излучения.

Третий вариант выполнения квазитрехуровневого лазера (фиг.3) отличается тем, что он дополнительно содержит отклоняющий элемент, выполненный в виде дихроичного зеркала 19, который установлен перед нелинейно-оптическим кристаллом 18, служащим в данном случае сумматором частот излучений. Суммируются отклоненное излучение и излучение лазерного источника, также выполненного в виде твердотельного лазера с диодной накачкой и установленного таким образом, что его излучение и излучение на выходе отклоняющего элемента распространяются вдоль одного и того же направления. Лазерный источник содержит дополнительное выходное зеркало 20, дополнительный активный элемент 21, дополнительное входное зеркало 22, дополнительные линзы 23 и 24, между которыми установлено дополнительное устройство оптической развязки 25, блок 26 дополнительного лазерного диода 27, связанный с дополнительным блоком термостабилизации 28.

Лазер (фиг.1) работает следующим образом. Блоки 4-8 обеспечивают такие условия работы лазерного диода 2, при которых длина волны его излучения в процессе включения, выключения и изменения мощности излучения диода 2 совпадает с максимумом поглощения активного элемента 15, что обеспечивается введением блока управления током и температурой лазерного диода 8 на базе микроконтроллерного устройства, в которое вводят измеренные зависимости длины волны излучения лазерного диода 2 от пропускаемого через него тока и температуры. Излучение накачки из эмиттера 3 лазерного диода 2 последовательно проходит через первую линзу 10, устройство оптической развязки 11, вторую линзу 12, входное зеркало резонатора 13, первую прозрачную охлаждающую пластину 14 и фокусируется внутрь активного элемента 15. Поглощая излучение накачки от лазерного диода 2, активный элемент 15 испускает излучение в соответствии со схемой работы квазитрехуровневого лазера. Излучение накачки отражается от зеркала, нанесенного на выходную поверхность активного элемента 15. Это отраженное излучение накачки распространяется в обратном направлении, проходя последовательно в обратном порядке все перечисленные выше оптические элементы и фокусируется на эмиттер 3. Это излучение накачки, попавшее обратно в эмиттер 3, оказывается ослабленным вследствие поглощения в активном элементе, потерь на отражение от оптических элементов лазера, потерь, вносимых устройством оптической развязки 11, и из-за оптических аббераций оптических элементов лазера на пути прохождения излучения накачки. Типичные значения доли интенсивности накачки, вернувшейся обратно в эмиттер 3 в отсутствие устройства оптической развязки 11 может достигать 10-20% и более. В заявляемом изобретении доля отраженного назад излучения уменьшается до 1-4% и менее, т.е. более чем в 5-20 раз по сравнению с ближайшим аналогом.

Резонатор лазера (фиг.1) образовывается входным зеркалом 13 и выходным зеркалом 17. Зеркало 13 является полностью отражающим на длине волны лазерного перехода, происходящего по квазитрехуровневой схеме генерации, и прозрачным на длине волны излучения накачки лазерным диодом 2 и на всех длинах волн других возможных лазерных переходах активного элемента 15. Зеркало 17 частично прозрачно на длине волны лазерного перехода и просветлено на всех длинах волн других возможных лазерных переходов активного элемента 15. Лазерная генерация возбуждается между зеркалами 13 и 17 при воздействии излучения накачки на активный элемент 15.

Для эффективной работы лазера (фиг.1) при высоких средних мощностях излучения используются дополнительные прозрачные охлаждающие пластины 14 и 16, выполненные из теплопроводящих материалов и находящихся в тепловом контакте с поверхностью активного элемента 15. Поверхности пластин 14 и 16 для минимизации внутрирезонаторных потерь просветляются на длину волны накачки, основного и других наиболее эффективных переходов активного элемента 15.

В лазере (фиг.2) внутри резонатора располагается нелинейно-оптический кристалл 18 удвоителя частоты лазерного излучения, в котором излучение на основной частоте, циркулирующее внутри резонатора, преобразуется в излучение на удвоенной частоте. Выходное зеркало 17 резонатора выполнено полностью отражающим на длине волны излучения основной частоты, причем это зеркало просветляется для излучения на удвоенной частоте. В результате излучение на основной частоте оказывается запертым в резонаторе, а излучение второй гармоники излучается.

Если между второй прозрачной охлаждающей пластиной 16 и нелинейно-оптическим кристаллом 18 установить брюстеровскую пластину, то тем самым обеспечивается стабильная лазерная генерация линейно поляризованного выходного излучения.

Следует отметить, что при удалении из резонатора лазера удвоителя частоты 18 и замене выходного зеркала 17 на другое зеркало, частично прозрачное на длине основного лазерного перехода при квазитрехуровневой схеме генерации, лазер с такими изменениями будет обеспечивать эффективную генерацию на длине волны основного перехода при квазитрехуровневой схеме генерации.

Лазер (фиг.3) работает следующим образом. Накачка активного элемента 15 лазера осуществляется так же, как для лазеров, схемы которых изображены на фиг.1 и фиг.2. Генерация лазера возбуждается в резонаторе, образованном входным зеркалом 13, выходным зеркалом 17. Вследствие установки внутри резонатора отклоняющего элемента 19 излучение возбуждается в этом резонаторе с поляризацией, перпендикулярной плоскости чертежа. Резонатор лазерного источника образован дополнительным входным зеркалом 22 и дополнительным выходным зеркало 20. Дополнительный активный элемент 21 накачивается так же, как в лазере (фиг.1). При использовании не квазитрехуровневой схемы генерации лазерного источника дополнительное устройство оптической развязки 25 может быть не использовано. Выходное излучение лазерного источника имеет поляризацию, лежащую в плоскости чертежа. Это выходное излучение проходит через отклоняющий элемент 19 с минимальным ослаблением и поступает в нелинейно-оптический кристалл 18 сумматора частоты, где оба излучения складываются, и лазер (фиг.3) генерирует на суммарной частоте. Это излучение выводится через выходное зеркало 17, частично прозрачное для излучения на суммарной частоте.

Система электропитания и термостабилизации лазерного диода 2 обычно состоит из следующих электрически связанных блоков: блока силового электропитания 6, блока управления током лазерного диода 7 и блока управления температурой лазерного диода 5. Недостатком такой системы при двухпроходовой накачке активного элемента 15 является существование временных интервалов при включении или выключении лазера, когда длина волны излучения накачки оказывается вне полосы поглощения активного элемента 15. Это приводит к отражению излучения накачки обратно в эмиттер 3 лазерного диода 2 и к его быстрой деградации или разрушению.

Чтобы устранить этот недостаток, в заявляемом изобретении используется блок управления током и температурой лазерного диода 8, выполненный на основе микроконтроллерного устройства 8 (фиг.1-3). Микроконтроллерное устройство 8 подключается к блоку управления током лазерного диода 7, блоку управления температурой лазерного диода 5 и к датчиком температуры 9, при этом связь между блоком 5 и датчиком 9 разрывается. В микроконтроллерное устройство 8 закладывается информация о зависимости температуры эмиттера 3 от тока через лазерный диод 2 при заданной температуре корпуса лазерного диода 2. Поскольку температура эмиттера 3 определяет длину волны излучения лазерного диода 2, для поддержания длины волны излучения постоянной необходимо повышать температуру корпуса при малых токах лазерного диода 2. В микроконтроллерное устройство 8 вводится программа, которая при изменении тока лазерного диода 2 в соответствии с упомянутой выше зависимостью устанавливает требуемую температуру корпуса, при которой достигается наибольшее поглощение излучения лазерного диода 2 в активном элементе 15. Таким образом, при установлении любого тока лазерного диода 2 достигается минимальное обратное отражение излучения накачки и, тем самым, повышается надежность работы квазитрехуровневого лазера.

Временные зависимости температуры лазерного диода 2 и тока через него приведены на фиг.4 (кривые 29 и 30 соответственно). С момента включения до момента времени t₁ ток через лазерный диод возрастает от 0 до порогового значения

I_пор, при котором начинается его генерация. В этот момент параметры устройства термостабилизации 4 диода таковы, что температура корпуса лазерного диода 2 достигает значения Т_пор, при которой длина волны излучения соответствует центру линии поглощения активного элемента 15. При этом поглощение излучения накачки в активном элементе 15 будет максимальным. С момента времени t₁ до момента времени t₂ ток через лазерный диод 2 увеличивается по наперед заданному закону, например по линейному. Температура лазерного диода 2 при этом начинает уменьшаться по такому закону, когда каждому значению тока диода 2 будет соответствовать температура диода 2, при которой диод 2 будет генерировать излучение, точно совпадающее с центром линии поглощения активной элемента 15. Такие изменения тока и температуры диода 2 будут продолжаться до момента t₃, когда ток диода 2 достигнет заданного номинального значения I_о и, соответственно, температура диода - значения Т_о, при которых достигаются требуемые выходные лазерные характеристики, например, по выходной мощности. С этого момента значения тока диода и температуры диода остаются неизменными на весь период стабильной работы лазерного диода, заканчивающегося в момент времени t₄. Безопасное выключение лазерного диода 2 осуществляется в обратном порядке. Ток диода 2 уменьшается, а его температура повышается до момента t₅ прекращения генерации диода. После этого температура диода 2 плавно уменьшается до комнатной температуры.

При работе лазеров имеют место ограничения на скорость изменения температуры внутрирезонаторных оптических элементов, поскольку при большой скорости нагрева или охлаждения таких элементов они могут разрушаться. Например, широко используемый как нелинейно-оптический кристалл для преобразования частоты KNb0₃ разрушается при скорости нагрева свыше 5 град/мин. Поэтому скорость нагрева или охлаждения лазерного диода 2 и скорость увеличения или уменьшения его выходной мощности необходимо поддерживать на безопасном уровне, не приводящем к разрушению нелинейно-оптического кристалла и других внутрирезонаторных оптических элементов. В связи с этим наклон кривых 29 и 30 (фиг.4) в начальные и конечные интервалы времени не должны превышать предельные возможности нагреваемых и термостабилизируемых оптических элементов резонатора лазера.

В лазерах (фиг.1 - фиг.3) температурой диода 2 управляет микроконтроллерное устройство 8 через блок управления 5, выполненный в виде элемента Пельтье на основании данных о токе через диод 2. Сигнал с датчика температуры 9 (терморезистора), поступающий в микроконтроллерное устройство 8, является сигналом обратной связи, необходимым для поддержания требуемой текущей температуры корпуса лазера 2. Эта температура вычисляется по формуле:

T_t=T₀+K (I₀-I_t),

где T_t - текущая температура диода 2, Т₀ - температура диода 2 при рабочем токе, K - коэффициент, определяемый экспериментально и зависящий от теплового сопротивления р-n переход - корпус и прямого падения напряжения на диоде 2, I_t - текущий ток диода 2, I₀ - рабочий ток диода.

Таким образом, при токах диода 2, меньших рабочего, корпус диода 2 поддерживается при температуре, выше рабочей, обеспечивая тем самым постоянство температуры излучающего перехода.

Блоком управления лазерным диодом 7 устанавливают скорость увеличения или уменьшения тока диода 2. С помощью блока управления 5 (элемент Пельтье) устанавливают допустимую скорость изменения температуря диода 2. С микроконтроллерного устройства 8 на блок управления Пельтье 5 подают команды (напряжения), которые меняют температуру диода 2 так, чтобы длина волны излучения диода 2 совпадала с линией поглощения активного элемента 15. В момент достижения заданного номинального значения ток через диод 2 и ток через элемент Пельтье 5 стабилизируют с помощью соответствующей электронной схемы. При подаче на блок управления лазером 7 сигнала на выключение лазера этот блок вырабатывает сигналы управления, начинающие снижать ток I через лазерный диод 2 с допустимой скоростью до порогового значения I_пор. Соответстствующим образом изменяют температуру диода 2, поддерживающую совпадение длины волны излучения и полосы поглощения активного элемента 15.

В заявляемом изобретении в качестве устройства оптической развязки предлагается использовать оптическое волокно. Для этого длина оптического волокна должна быть такой, чтобы любое изображение в волокне искажалось до близкого к равномерному распределению интенсивности по площади поперечного сечения волокна. Известно, что такая длина волокна должна превышать диаметр волокна в 10-50 раз. При диаметре волокна 0,5 мм требуемая для оптической развязки длина волокна составляет всего 5-25 мм.

Обычно лазерный диод 2 генерирует излучения в виде полосы с толщиной около 1 мкм. Излучение лазерного диода 2 такой геометрии фокусируют в оптическое волокно, а после прохождения волокна излучение равномерно заполняет выходное сечение волокна. Отражение излучения проходит обратно через волокно и попадает в виде круга на светящуюся область эмиттера 3. Ослабление интенсивности отраженного излучения равно отношению площади сечения волокна к площади светящейся области диода 2.

Оптическая развязка обеспечивается также при фокусировке излучения накачки в точку на оптической оси, несовпадающую с обеими поверхностями активного элемента 15. При таком несовпадении отраженное от поверхности активного элемента 15 излучение будет ослаблено из-за отсутствия софокусности расположения плоскости излучения эмиттера 3 лазерного диода 2 и отражающих поверхностей активного элемента 15.

Оптическая развязка обеспечивается также при наклоне на некоторый угол оптической оси резонатора лазера по отношению к направлению оси распространения излучения накачки. В этом случае отраженное излучение возвращается под некоторым углом к падающему и фокусируется вне излучающей области лазерного диода 2 или перекрывается с нею лишь частично. Если этот угол составляет менее 2°, то обратное отражение недопустимо велико и ведет к разрушению эмиттера диода. Если угол больше 10°, то имеет место случай продольной неколлинеарной накачки, при которой недопустимо сильно уменьшается эффективность работы лазера. Оптическая развязка обеспечивается также, если между линзами 10 и 12 установить ячейку Фарадея, что позволяет ослабить отраженное излучение в 100 и более раз.

Оптическая развязка обеспечивается также, если на пути излучения последовательно установить поляризатор и четвертьволновую пластинку, причем поляризатор ориентируют на пропускание линейно-поляризованного излучения накачки, а четвертьволновая пластина ориентируют так, что она преобразует линейную поляризацию излучения накачки в круговую поляризацию. После отражения и прохождения четвертьволновой пластины в обратном направлении излучение приобретает линейную поляризацию, причем плоскость его поляризации, скрещенная с поляризатором, повернута на 90° по отношению к падающему излучению. В результате излучение ослабляется. Такая система может ослабить излучение в десятки раз.

Оптическая развязка обеспечивается также, если на пути излучения накачки перед активным элементом 15 установить прозрачную оптически неоднородную пластину с размерами неоднородностей, значительно меньше поперечного размера пучка излучения накачки. При этом оптические неоднородности обеспечивают отклонение прошедшего через нее параллельного пучка излучение на угол, по крайней мере, не превышающий числовую апертуру устройства фокусировки. Излучение накачки, прошедшее через эту пластину, благодаря оптическим неоднородностям частично отклонится на некоторый угол. Диаметр пучка накачки в активном элементе 15 практически не изменяется. Однако при обратном проходе отраженного излучения пучок еще сильнее отклонится (увеличивается его расходимость). В результате вернувшееся на диод 2 отраженное излучение будет существенно ослаблено.

Оптическая развязка обеспечивается также, если в устройстве фокусировки используются линзы 10 и 12, обладающие достаточно большими оптическими аберрациями. При больших аберрациях отраженное излучение фокусируется в плоскости излучающей поверхности лазерного диода 2 накачки в виде полосы с шириной, значительно большей, чем размеры излучающей области.

В заявляемом изобретении активный элемент 15 выполнен из кристалла однокатионного (GdVO₄, YVO₄, LaVO₄) или смешанного (Gd_xY_1-xVO₄, Gd_1-xLa_xVO₄,

Y_1-xLa_xVO₄) ванадата, легированного ионами Nd³⁺ или Tm³⁺. Эти кристаллы по сравнению с известными кристаллами (Y₃Al₅О₁₂, YAlO₃, LiYF₄) имеют более высокие теплопроводность и сечение индуцированного перехода, что позволяет реализовать высокоэффективные лазеры с высокой средней мощностью выходного излучения.

Кристаллы смешанных ванадатов позволяют изменять лазерные свойства активных элементов путем изменения соотношения концентраций ионов Gd, Y, La. В частности, в смешанном ванадате Nd³⁺:Gd_xY_1-xVO₄ изменение х от 0 до 1 позволяет перестраивать длину волны генерации от 914 до 912 нм.

Устанавливая активный элемент 15, выполненный из кристалла смешанного ванадата, с возможностью перемещения поперек оптической оси резонатора, можно обеспечить перестройку частоты излучения, поскольку обычно Gd, Y и La в поперечном сечении активного элемента 15 распределены неравномерно. В этом случае перемещение активного элемента 15 приводит к возникновению генерации различных участков активного элемента 15 с разными концентрациями компонент и, соответственно, обеспечивает перестройку частоты излучения. Например, можно использовать активный элемент 15, который имеет градиент изменения концентраций Gd, Y и La, совпадающий с направлением перемещения активного элемента 15 в поперечном направлении по отношению к оси резонатора лазера.

Ниже приводятся примеры конкретного выполнения.

Пример 1. В качестве лазерного диода 2 использовали полупроводниковый лазер фирмы SDL с выходной мощностью до 4 Вт при длине эмиттера 3, составляющей 100 мкм. Линзы 10 и 12 фокусирующего устройства просветляли на длину волны накачки 808 нм. Линзы 10 и 12 выполнены с фокусным расстоянием 7 мм. Активный элемент 15 изготавливали из кристалла смешанного ванадата Gd_0.3Y_0.7VO₄, активированного ионами неодима с концентрацией 1%. Активный элемент 15 длиной 2 мм вырезали в направлении оптической оси. Входную и выходную поверхности активного элемента 15 просветляли на длину волны генерируемого при квазитрехуровневой схеме генерации излучения 913 нм, длину волны накачки 808 нм и длину волны наиболее интенсивного перехода неодимовых лазеров 1,064 мкм. Прозрачные охлаждающие пластины 14 и 16 толщиной 1 мм, выполненные из кристалла YAG, имели аналогичные активному элементу просветляющие покрытия. Эти пластины приводили в соприкосновение с входной и выходной поверхностями активного элемента 15 с помощью специального механического приспособления. Излучение накачки фокусировали внутрь активного элемента 15 на расстоянии 0,6 мм от входной поверхности активного элемента 15. Резонатор лазера образовывался входным зеркалом 13 и выходным зеркалом 17. Зеркало 13 имело радиус кривизны 50 мм и следующие значения коэффициента отражения: 2% для длины волны 808 нм, 99,8% для длины волны 913 нм, 10% для длины волны 1064 нм. Зеркало 17 имело радиус кривизны 50 мм и следующие значения коэффициента отражения: 2% для длины волны 808 нм, 99,8% для длины волны 913 нм, 10% для длины волны 1064 нм, 2% для длины волны 456 нм.

Опыт показал, что длина волны излучения лазерного диода совпадала с центром линии поглощения активного элемента лазера в течение 20% времени нарастания тока накачки. При этом средняя выходная мощность лазера составила 200 мВт. Эмиттер 3 лазерного диода 2 разрушился обратным излучением накачки при плотности мощности излучения лазерного диода 2, составляющей 260 Вт/мм².

Пример 2. В качестве лазерного диода 2 использовали полупроводниковый лазер фирмы SDL с выходной мощностью до 4 Вт при длине эмиттера 3, составляющей 100 мкм. Блок питания полупроводникового лазера был модифицирован путем подключения в соответствии с фиг.1 микроконтроллерного устройства 8. Линзы 10 и 12 фокусирующего устройства просветляли на длину волны накачки 808 нм. В качестве устройства оптической развязки 11 использовали оптическое волокно с диаметром сердцевины 100 мкм и длиной 150 см. Линзы 10 и 12 выполнены с фокусным расстоянием 7 мм.

Активный элемент 15 изготавливали из кристалла смешанного ванадата Gd_0.3Y_0.7VO₄, активированного ионами неодима с концентрацией 1%. Активный элемент 15 длиной 2 мм вырезали в направлении оптической оси. Входную и выходную поверхности активного элемента 15 просветляли на длину волны генерируемого при квазитрехуровневой схеме генерации излучения 913 нм, длину волны накачки 808 нм и длину волны наиболее интенсивного перехода неодимовых лазеров 1,064 мкм. Прозрачные охлаждающие пластины 14 и 16 толщиной 1 мм, выполненные из кристалла YAG, имели аналогичные активному элементу просветляющие покрытия. Эти пластины приводили в соприкосновение с входной и выходной поверхностями активного элемента 15 с помощью специального механического приспособления. Излучение накачки фокусировали внутрь активного элемента 15 на расстоянии 0,6 мм от входной поверхности активного элемента 15. Резонатор лазера образовывался входным зеркалом 13 и выходным зеркалом 17. Зеркало 13 имело радиус кривизны 50 мм и следующие значения коэффициента отражения: 2% для длины волны 808 нм, 99,8% для длины волны 913 нм, 10% для длины волны 1064 нм. Зеркало 17 имело радиус кривизны 50 мм и следующие значения коэффициента отражения: 2% для длины волны 808 нм, 99,8% для длины волны 913 нм, 10% для длины волны 1064 нм, 2% для длины волны 456 нм.

Опыт показал, что длина волны излучения лазерного диода совпадала с центром линии поглощения активного элемента лазера в течение 100% времени нарастания тока накачки. При плотности мощности излучения накачки 400 Вт/мм² средняя мощность лазера на длине волны 913 нм составила 460 мВт.

Пример 3. То же, что и в примере 2, но в резонаторе лазера размещен удвоитель частоты 18, выполненный из нелинейно-оптического кристалла KNbO₃ с размерами 3×3×2 мм и вырезанный в направлении синхронизма второго типа генерации второй гармоники. Поверхности этого кристалла 18 просветлялись на все перечисленные выше длины волн.

Опыт показал, что длина волны излучения лазерного диода совпадала с центром линии поглощения активного элемента лазера в течение 100% времени нарастания тока накачки. При плотности мощности излучения накачки 400 Вт/мм² средняя мощность лазера на длине волны 456 нм составила 210 мВт.

Пример 4. То же, что и в примере 2, но устройство оптической развязки, включая линзы 10 и 12, отсутствует, а угол между осью распространения излучения лазерного диода и оптической осью резонатора лазера равен 3°.

Опыт показал, что длина волны излучения лазерного диода совпадала с центром линии поглощения активного элемента лазера в течение 100% времени нарастания тока накачки. При плотности мощности излучения накачки 360 Вт/мм₂ средняя мощность лазера на длине волны 913 нм составила 300 мВт.

Пример 5. То же, что и в примере 3, но угол между осью распространения излучения лазерного диода и оптической осью резонатора лазера равен 6°.

Опыт показал, что длина волны излучения лазерного диода совпадала с центром линии поглощения активного элемента лазера в течение 100% времени нарастания тока накачки. При плотности мощности излучения накачки 360 Вт/мм² средняя мощность лазера на длине волны 913 нм составила 240 мВт.

Пример 6. То же, что и в примере 3, но угол между осью распространения излучения лазерного диода и оптической осью резонатора лазера равен 10°.

Опыт показал, что длина волны излучения лазерного диода совпадала с центром линии поглощения активного элемента лазера в течение 100% времени нарастания тока накачки. При плотности мощности излучения накачки 360 Вт/мм² средняя мощность лазера составила 200 мВт.

Пример 7. То же, что и в примере 2, но линзы 10 и 12 отсутствуют, а устройство оптической развязки 11 выполнено в виде 45-градусной ячейки Фарадея на длину волны 808 нм излучения лазерного диода 2.

Опыт показал, что длина волны излучения лазерного диода совпадала с центром линии поглощения активного элемента лазера в течение 100% времени нарастания тока накачки. При плотности мощности излучения накачки 400 Вт/мм² средняя мощность лазера на длине волны 913 нм составила 440 мВт.

Пример 8. То же, что и в примере 6, но устройство оптической развязки 11 выполнено виде поляризатора и четвертьволновой пластинки, последовательно установленных на оси распространения излучения лазерного диода 2.

Опыт показал, что длина волны излучения лазерного диода совпадала с центром линии поглощения активного элемента лазера в течение 100% времени нарастания тока накачки. При плотности мощности излучения накачки 380 Вт/мм² средняя мощность лазера на длине волны 913 нм составила 390 мВт.

Пример 9. То же, что и в примере 2, но устройство оптической развязки 11 выполнено из плавленого кварца в виде прозрачной оптически неоднородной пластины толщиной 2 мм, обеспечивающей нерегулярные по сечению пучка отклонения прошедшего через нее излучения на угол находится от 0,1 до 5°.

Опыт показал, что длина волны излучения лазерного диода совпадала с центром линии поглощения активного элемента лазера в течение 100% времени нарастания тока накачки. При плотности мощности излучения накачки 400 Вт/мм² средняя мощность лазера на длине волны 913 нм составила 410 мВт.

Пример 10. То же, что и в примере 2, но устройство оптической развязки 11 отсутствует, а линзы 10 и 12 выполнены с оптической сферической аберрацией 0.1 оптической силы устройства фокусировки.

Опыт показал, что длина волны излучения лазерного диода совпадала с центром линии поглощения активного элемента лазера в течение 100% времени нарастания тока накачки. При плотности мощности излучения накачки 370 Вт/мм² средняя мощность лазера на длине волны 913 нм составила 360 мВт.

Пример 11. То же, что и в примере 10, но линзы 10 и 12 выполнены с оптической сферической аберрацией 0.15 оптической силы устройства фокусировки.

Опыт показал, что длина волны излучения лазерного диода совпадала с центром линии поглощения активного элемента лазера в течение 100% времени нарастания тока накачки. При плотности мощности излучения накачки 370 Вт/мм² средняя мощность лазера на длине волны 913 нм составила 320 мВт.

Пример 12. То же, что и в примере 10, но линзы 10 и 12 выполнены с оптической сферической аберрацией 0.2 оптической силы устройства фокусировки.

Опыт показал, что длина волны излучения лазерного диода совпадала с центром линии поглощения активного элемента лазера в течение 100% времени нарастания тока накачки. При плотности мощности излучения накачки 370 Вт/мм² средняя мощность лазера на длине волны 913 нм составила 340 мВт.

Пример 13. То же, что и в примере 2, но активный элемент 15 выполнен из кристалла смешанного ванадата Gd_0.3Y_0,7VO₄, активированного ионами тулия с концентрацией 5%.

Опыт показал, что длина волны излучения лазерного диода совпадала с центром линии поглощения активного элемента лазера в течение 100% времени нарастания тока накачки. При плотности мощности излучения накачки 400 Вт/мм² средняя мощность лазера на длине волны 1924 нм составила 400 мВт.

Пример 14. То же, что и в примере 13, но активный элемент 15 выполнен из кристалла однокатионного ванадата GdVO₄, активированного ионами тулия с концентрацией 5%.

Опыт показал, что длина волны излучения лазерного диода совпадала с центром линии поглощения активного элемента лазера в течение 100% времени нарастания тока накачки. При плотности мощности излучения накачки 400 Вт/мм² средняя мощность лазера на длине волны 1924 нм составила 420 мВт.

Пример 15. То же, что и в примере 13, но активный элемент 15 выполнен из кристалла однокатионного ванадата YVO₄, активированного ионами тулия с концентрацией 5%.

Опыт показал, что длина волны излучения лазерного диода совпадала с центром линии поглощения активного элемента лазера в течение 100% времени нарастания тока накачки. При плотности мощности излучения накачки 400 Вт/мм² средняя мощность лазера на длине волны 1924 нм составила 440 мВт.

Пример 16. То же, что и в примере 13, но активный элемент 15 выполнен из кристалла однокатионного ванадата LaVO₄, активированного ионами тулия с концентрацией 5%.

Опыт показал, что длина волны излучения лазерного диода совпадала с центром линии поглощения активного элемента лазера в течение 100% времени нарастания тока накачки. При плотности мощности излучения накачки 400 Вт/мм² средняя мощность лазера на длине волны 911 нм составила 360 мВт.

Пример 17. То же, что и в примере 13, но активный элемент 15 выполнен из кристалла смешанного ванадата Gd_0.7Y_0.3VO₄, активированного ионами тулия с концентрацией 7%.

Опыт показал, что длина волны излучения лазерного диода совпадала с центром линии поглощения активного элемента лазера в течение 100% времени нарастания тока накачки. При плотности мощности излучения накачки 400 Вт/мм² средняя мощность лазера на длине волны 912 нм составила 330 мВт.

Пример 18. То же, что и в примере 13, но активный элемент 15 выполнен из кристалла смешанного ванадата Gd_0.7Y_0.3VO₄, активированного ионами тулия с концентрацией 7%.

Опыт показал, что длина волны излучения лазерного диода совпадала с центром линии поглощения активного элемента лазера в течение 100% времени нарастания тока накачки. При плотности мощности излучения накачки 400 Вт/мм² средняя мощность лазера на длине волны 912 нм составила 320 мВт.

Пример 19. То же, что и в примере 3, но удвоитель частоты 18 выполнен из нелинейно-оптического кристалла KTiOPO₄.

Опыт показал, что длина волны излучения лазерного диода совпадала с центром линии поглощения активного элемента лазера в течение 100% времени нарастания тока накачки. При плотности мощности излучения накачки 400 Вт/мм² средняя мощность лазера на длине волны 456 нм составила 200 мВт.

Пример 20. То же, что и в примере 19, но удвоитель частоты 18 выполнен из нелинейно-оптического кристалла LiNbO₃.

Опыт показал, что длина волны излучения лазерного диода совпадала с центром линии поглощения активного элемента лазера в течение 100% времени нарастания тока накачки. При плотности мощности излучения накачки 400 Вт/мм² средняя мощность лазера на длине волны 456 нм составила 180 мВт.

Пример 21. То же, что и в примере 19, но удвоитель частоты 18 выполнен из нелинейно-оптического кристалла LiJO₃.

Опыт показал, что длина волны излучения лазерного диода совпадала с центром линии поглощения активного элемента лазера в течение 100% времени нарастания тока накачки. При плотности мощности излучения накачки 400 Вт/мм² средняя мощность лазера на длине волны 456 нм составила 380 мВт.

Пример 22. То же, что и в примере 19, но удвоитель частоты 18 выполнен из нелинейно-оптического кристалла β-ВаВ₂О₅.

Опыт показал, что длина волны излучения лазерного диода совпадала с центром линии поглощения активного элемента лазера в течение 100% времени нарастания тока накачки. При плотности мощности излучения накачки 400 Вт/мм² средняя мощность лазера составила 380 мВт.

Пример 23. То же, что и в примере 19, но удвоитель частоты 18 выполнен из нелинейно-оптического кристалла LiB₃О₅.

Опыт показал, что длина волны излучения лазерного диода совпадала с центром линии поглощения активного элемента лазера в течение 100% времени нарастания тока накачки. При плотности мощности излучения накачки 400 Вт/мм² средняя мощность лазера на длине волны 456 нм составила 370 мВт.

Пример 24. В варианте конкретного выполнения (фиг.3) активный элемент 20 лазерного источника выполнен на основе кристалла Nd: LiYF₄ с длиной волны излучения 1,047 мкм, а активный элемент 15 выполнен из кристалла

Y_0.985Nd_0.005Sc_0.01V_0.98O_3.95 с длиной волны излучения 0,9145 мкм.

В качестве лазерных диодов 2 и 27 использовали полупроводниковый лазер фирмы SDL с выходной мощностью до 5 Вт при длине эмиттеров 3 и 26, составляющей 100 мкм. Линзы 10, 12, 23 и 24, выполненные с фокусным расстоянием 7 мм, просветляли на длину волны накачки 808 нм. В качестве устройства оптической развязки 11 использовали оптическое волокно с диаметром сердцевины 100 мкм и длиной 100 см. Входную и выходную поверхности активных элемента 15 просветляли на длину волны 0,9145 мкм и длину волны накачки 808 нм. Входную и выходную поверхности активных элемента 15 просветляли на длину волны 1,047 мкм и длину волны накачки 808 нм. Зеркало 13 имело радиус кривизны 50 мм и следующие значения коэффициента отражения: 2% для длины волны 808 нм, 99,8% для длины волны 913 нм, 10% для длины волны 1064 нм. Зеркало 17 имело радиус кривизны 50 мм и следующие значения коэффициента отражения: 2% для длины волны 808 нм, 99,8% для длины волны 913 нм, 10% для длины волны 1064 нм, 2% для длины волны 456 нм. Зеркало 22 имело радиус кривизны 50 мм и следующие значения коэффициента отражения: 2% для длины волны 808 нм, 99,8% для длины волны 913 нм, 10% для длины волны 1064 нм. Зеркало 23 имело радиус кривизны 50 мм и следующие значения коэффициента отражения: 2% для длины волны 808 нм, 99,8% для длины волны 913 нм, 10% для длины волны 1064 нм, 2% для длины волны 456 нм.

В резонаторе лазера (фиг.3) размещен нелинейно-оптический преобразователь частоты 18, выполненный из нелинейно-оптического кристалла KNbO₃ с размерами 3×3×2 мм и вырезанный в направлении синхронизма для генерации второй гармоники. Поверхности этого кристалла 18 просветлялись на все перечисленные выше длины волн. Перед преобразователем 18 установлен отклоняющий элемент 19, выполненный в виде дихроичного зеркала, которое является полностью отражающим для излучения активного элемента 15 и полностью пропускающим для излучения активного элемента 21.

Опыт показал, что длина волны излучения лазерного диода совпадала с центром линии поглощения активного элемента лазера в течение 100% времени нарастания тока накачки. При плотности мощности излучения накачки 400 Вт/мм² обоих активных элементов 15 и 23 средняя мощность лазера на длине волны 488 нм составила 80 мВт.

Пример 25. То же, что и в примере 24, но отклоняющий элемент 19 выполнен в виде поляризатора.

Опыт показал, что длина волны излучения лазерного диода совпадала с центром линии поглощения активного элемента лазера в течение 100% времени нарастания тока накачки. При плотности мощности излучения накачки 400 Вт/мм² обоих активных элементов 15 и 23 средняя мощность лазера на длине волны 488 нм составила 90 мВт.

Пример 26. То же, что и в примере 2, но в резонаторе лазера между активным элементом 15 и зеркалом 17 установлен интерферометр Фабри-Перо, который позволяет перестраивать длину волны излучения лазера.

Опыт показал, что длина волны излучения лазерного диода совпадала с центром линии поглощения активного элемента лазера в течение 100% времени нарастания тока накачки. При плотности мощности излучения накачки 400 Вт/мм² средняя мощность лазера на длине волны 488 нм составила 360 мВт.

Пример 27. То же, что и в примере 26, но в резонаторе лазера между активным элементом 15 и зеркалом 17 установлен фильтр Лио, который позволяет перестраивать длину волны излучения лазера.

Опыт показал, что длина волны излучения лазерного диода совпадала с центром линии поглощения активного элемента лазера в течение 100% времени нарастания тока накачки. При плотности мощности излучения накачки 400 Вт/мм² средняя мощность лазера на длине волны 488 нм составила 360 мВт.

Приведенные примеры конкретного выполнения показывают, что поставленная задача повышения надежности лазера, увеличения ресурса его работы и повышения средней мощности излучения достигается при использовании заявляемого изобретения.

Изобретение относится к области твердотельных лазеров, в частности к лазерам с лазерной диодной накачкой, и промышленно применимо в медицине и косметологии. Техническим результатом изобретения является повышение надежности лазера, увеличение ресурса его работы и повышение средней мощности излучения. Квазитрехуровневый твердотельный лазер содержит лазерный диод, активный элемент, устройство фокусировки излучения лазерного диода в активный элемент и резонатор лазера, при этом лазер содержит датчик температуры лазерного диода, блок управления током и температурой лазерного диода, электрически связанный с лазерным диодом, блоком термостабилизации и датчиком температуры лазерного диода, причем блок управления лазерного диода выполнен с возможностью одновременного варьирования тока и температуры лазерного диода. При осуществлении способа работы квазитрехуровневого твердотельного лазера через лазерный диод пропускают ток, излучение лазерного диода фокусируют внутри активного элемента, расположенного между входным и выходным зеркалами, затем отражают от выходной поверхности активного элемента; излучение, испускаемое активным элементом, пропускают через входную и выходную поверхности активного элемента, причем излучение, падающее на выходное зеркало резонатора, частично попускают через него, при этом ослабляют излучение лазерного диода, отраженное от элементов лазера, а во время переходных процессов, связанных с включением лазерного диода или изменения мощности его излучения, ток через лазерный диод изменяют таким образом, чтобы длина волны излучения лазерного диода совпадала с центром линии поглощения активного элемента лазера. 2 н. и 32 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Квазитрехуровневый твердотельный лазер, содержащий лазерный диод для продольной накачки, активный элемент, устройство фокусировки излучения лазерного диода в активный элемент и резонатор лазера, причем активный элемент выполнен с возможностью обеспечения четного числа проходов излучения лазерного диода через него, отличающийся тем, что он дополнительно содержит датчик температуры лазерного диода, блок термостабилизации, блок управления током и температурой лазерного диода, электрически связанный с лазерным диодом, блоком термостабилизации и датчиком температуры лазерного диода, причем блок управления током и температурой лазерного диода выполнен с возможностью одновременного варьирования тока и температуры лазерного диода.

2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что блок управления током и температурой лазерного диода выполнен на основе микроконтроллерного устройства.

3. Лазер по п.1, отличающийся тем, что угол между осью распространения излучения лазерного диода и оптической осью резонатора лазера находится в пределах от 1 до 10°.

4. Лазер по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит устройство оптической развязки, установленное между лазерным диодом и активным элементом, причем устройство оптической развязки выполнено с возможностью ослабления излучения накачки, отраженного от оптических элементов резонатора лазера.

5. Лазер по п.4, отличающийся тем, что устройство оптической развязки выполнено в виде 45-градусной ячейки Фарадея на длину волны излучения лазерного диода.

6. Лазер по п.4, отличающийся тем, что устройство оптической развязки содержит поляризатор и четвертьволновую пластинку, последовательно установленные на оси распространения излучения лазерного диода.

7. Лазер по п.4, отличающийся тем, что устройство оптической развязки выполнено в виде прозрачной оптически неоднородной пластины, обеспечивающей нерегулярные по сечению пучка отклонения прошедшего через нее излучения на угол не более 5°.

8. Лазер по п.4, отличающийся тем, что устройство фокусировки содержит две линзы.

9. Лазер по п.8, отличающийся тем, что между линзами расположен отрезок оптического волокна длиною L, удовлетворяющей соотношению L>20 D, где D - диаметр оптического волокна, причем оба конца волокна расположены в фокусах линз.

10. Лазер по п.8, отличающийся тем, что линзы выполнены с оптической сферической аберрацией в пределах от 0,1 до 0,2 оптической силы устройства фокусировки излучения лазерного диода в активный элемент.

11. Лазер по п.1, отличающийся тем, что активный элемент установлен с возможностью перемещения поперек оптической оси резонатора.

12. Лазер по п.1, отличающийся тем, что активный элемент содержит, по меньшей мере, один кристалл однокатионного или смешанного ванадата, легированного ионами Nd³⁺ или Tm³⁺.

13. Лазер по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит брюстеровскую пластину, установленную в резонаторе лазера.

14. Лазер по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит нелинейно-оптический преобразователь частоты, установленный в резонаторе лазера.

15. Лазер по п.14, отличающийся тем, что нелинейно-оптический преобразователь частоты выполнен в виде удвоителя частоты.

16. Лазер по п.15, отличающийся тем, что удвоитель частоты выполнен из нелинейно-оптических кристаллов из группы KTiOPO₄, KNbO₃, LiNbO₃, LiIO₃,
β-ВаВ₂O₄, LiB₃O₅.

17. Лазер по п.14, отличающийся тем, что он дополнительно содержит отклоняющий элемент, установленный в резонаторе лазера между активным элементом и нелинейно-оптическим преобразователем частоты, и лазерный источник, выполненный в виде твердотельного лазера с диодной накачкой и содержащий дополнительный активный элемент, причем лазерный источник установлен таким образом, что его излучение и излучение на выходе отклоняющего элемента распространяются вдоль одного и того же направления.

18. Лазер по п.17, отличающийся тем, что отклоняющий элемент выполнен в виде дихроичного зеркала.

19. Лазер по п.17, отличающийся тем, что отклоняющий элемент выполнен в виде поляризатора.

20. Лазер по п.16, отличающийся тем, что лазерный источник электрически связан с дополнительным блоком питания, дополнительным блоком термостабилизации, дополнительным блоком управления и дополнительным датчиком температуры лазерного диода, а также дополнительный активный элемент, дополнительное устройство фокусировки излучения дополнительного лазерного диода в дополнительный активный элемент и дополнительный резонатор лазера.

21. Лазер по п.16, отличающийся тем, что активный элемент содержит кристалл ванадата, дополнительный активный элемент содержит кристалл YLiF0₃, легированный ионами Nd, а нелинейно-оптический преобразователь частоты содержит кристалл KTiOPO₄.

22. Лазер по п.1, отличающийся тем, что в резонаторе лазера установлен спектральный селектор, выполненный с возможностью изменения длины волны излучения.

23. Лазер по п.22, отличающийся тем, что спектральный селектор выполнен в виде интерферометра Фабри-Перо.

24. Лазер по п.22, отличающийся тем, что спектральный селектор выполнен в виде фильтра Лио.

25. Способ работы квазитрехуровневого твердотельного лазера с продольной диодной накачкой, при осуществлении которого через лазерный диод пропускают ток, излучение лазерного диода фокусируют внутри активного элемента, расположенного между входным и выходным зеркалами, и затем отражают от выходной поверхности активного элемента, излучение, испускаемое активным элементом, пропускают через входную и выходную поверхности активного элемента, причем излучение, падающее на выходное зеркало резонатора, частично пропускают через него, отличающийся тем, что ослабляют излучение лазерного диода, отраженное от элементов лазера, а во время переходных процессов, связанных с включением лазерного диода или изменения мощности его излучения, ток через лазерный диод изменяют таким образом, чтобы длина волны излучения лазерного диода совпадала с центром линии поглощения активного элемента лазера.

26. Способ по п.25, отличающийся тем, что перед изменением тока через лазерный диод измеряют зависимость длины волны излучения лазерного диода от пропускаемого через него тока, которую вводят в память блока управления током и температурой лазерного диода.

27. Способ по п.25, отличающийся тем, что плоскость поляризации излучения лазерного диода поворачивают на 45° с помощью ячейки Фарадея, установленной между лазерным диодом и входным зеркалом.

28. Способ по п.25, отличающийся тем, что излучение лазерного диода преобразуют в поляризованное по кругу с помощью поляризатора и четвертьволновой пластинки, последовательно установленных между лазерным диодом и входным зеркалом.

29. Способ по п.25, отличающийся тем, что излучение лазерного диода рассеивают с помощью прозрачной оптически неоднородной пластины, установленной между лазерным диодом и входным зеркалом.

30. Способ по п.25, отличающийся тем, что распределение интенсивности пучка излучения лазерного диода по площади его сечения изменяют с помощью установленного между лазерным диодом и входным зеркалом отрезка оптического волокна длиною L>20 D, где D - диаметр оптического волокна.

31. Способ по п.25, отличающийся тем, что распределение интенсивности пучка излучения лазерного диода по площади его сечения изменяют с помощью линзы, выполненной с оптической сферической аберрацией в пределах от 0,1 до 0,2 оптической силы устройства фокусировки излучения лазерного диода в активный элемент.

32. Способ по п.25, отличающийся тем, что излучение, распространяющееся внутри резонатора лазера, пропускают через нелинейно-оптический преобразователь частоты, установленный перед выходным зеркалом.

33. Способ по п.32, отличающийся тем, что с помощью нелинейно-оптического преобразователя частоты удваивают частоту излучения лазера.

34. Способ по п.33, отличающийся тем, что внутри нелинейно-оптического преобразователя частоты смешивают лазерные излучения с разными длинами волн так, чтобы лазер испускал излучение суммарной частоты.