ОПТИЧЕСКИЙ КВАНТОВЫЙ ГЕНЕРАТОР ДВУХМИКРОННОГО ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН Российский патент 2012 года по МПК H01S3/16 C04B35/40 

Изобретение относится к устройствам со стимулированным излучением, то есть к устройствам для генерации излучения в диапазоне длин волн 1900-2100 нм в непрерывном, импульсном или импульсно-периодическом режимах. Устройство может быть использовано в таких областях, как хирургия, лидарное зондирование атмосферы и воздушных потоков, прецизионная обработка материалов, научные исследования (в спектроскопии, нелинейной оптике и физике лазеров), а также в качестве источника накачки для преобразования излучения в средний инфракрасный (ИК) диапазон длин волн.

Хорошо известно, что для генерирования лазерного излучения в том или ином диапазоне длин волн необходимо наличие активной среды, обладающей резонансными переходами в данном диапазоне, а также источника накачки, способного создавать инверсную населенность на уровнях резонансного перехода этой среды. В результате накачки активная среда приобретает способность усиливать световое излучение за счет вынужденного (индуцированного) испускания квантов света при резонансном переходе.

Для генерирования лазерного излучения в двухмикронном диапазоне длин волн в настоящее время используются различные кристаллы и стекла, активированные редкоземельными ионами Тm³⁺ и Но³⁺:Tm:YAG, Tm:YAP, Tm:YLF, Ho:YAG, Ho:YLF и другие (Karsten Scholle, Samir Lamrini, Philipp Koopmann and Peter Fuhrberg. 2 µm Laser Sources and Their Possible Applications, Source: Frontiers in Guided Wave Optics and Optoelectronics, Book edited by: Bishnu Pal, ISBN 978-953-7619-82-4, pp.674, February 2010, INTECH, Croatia.). В качестве источников накачки этих активных сред выступают лампы-вспышки, лазеры или лазерные диоды.

Одним из таких оптических квантовых генераторов двухмикронного диапазона длин волн является волноводный оптический квантовый генератор на основе твердотельного волновода, активированного ионами Тm³⁺ (SINGLE FREQUENCY THULIUM WAVEGUIDE LASER AND A METHOD OF ITS MANUFACTURE. Международная заявка № WO/2005/060056, МПК⁶ H01S 3/063 (2006.01), опубл. 2005 г.). Данный оптический квантовый генератор содержит следующие компоненты: волновод, обеспечивающий распространение излучения двухмикронного диапазона длин волн и пучка накачки вдоль оптической оси волновода; резонатор, состоящий из активной области вдоль оси упомянутого волновода, сформированного из стекла, которое легировано ионами Тm³⁺, и частотно-избирательного элемента положительной обратной связи; источник накачки. В качестве источника накачки может выступать лазер на длине волны 790 нм. В качестве частотно-избирательного элемента положительной обратной связи может быть использована решетка Брэгга или Фабри-Перо - эталон. За счет использования частотно-избирательного элемента внутри резонатора данный оптический квантовый генератор (ОКГ) может генерировать на одной продольной моде. Однако такой ОКГ требует наличия волновода (например, оптического волокна или полоска), изготовление которого требует специальных методов и дорогостоящего оборудования, а сам волновод обладает большой оптической нелинейностью, что не позволяет при использовании данного ОКГ в качестве источника накачки перестраивать, например, мощное излучение с узким частотным спектром в среднем ИК диапазоне.

В двухмикронном диапазоне длин волн способен генерировать и волоконный оптический квантовый генератор на основе волокна, активированного ионами Но³⁺ (LOW QUANTUM DEFECT HOLMIUM FIBER LASER. Международная заявка № WO/2005/116724, МПК⁶ H01S 3/067, 3/16, G02B 6/02 (2006.01), опубл. 2005 г.). Конструкция данного ОКГ состоит из двухоболочечного лазерного волокна, сердцевина которого легирована ионами трехвалентного гольмия (Но³⁺), при этом упомянутое волокно посредством системы линз оптически связано с источником накачки. В качестве источника накачки в такой конструкции выступает лазерный диод на длине волны 1,9 мкм. Данный волоконный ОКГ способен иметь высокую эффективность в виду малого дефекта кванта (малого различия длин волн накачки и генерации). Недостатком такого ОКГ является необходимость использовать лазерный диод на длине волны 1,9 мкм, который сам имеет низкую эффективность преобразования тока накачки в световое излучение, имеет малое время жизни при эксплуатации и очень высокую стоимость.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому оптическому квантовому генератору двухмикронного диапазона длин волн является оптический квантовый генератор на кристалле YAG (иттрий алюминиевый гранат), активированном ионами Но³⁺, который накачивается тулиевым волоконным лазером (HOLMIUM DOPED 2.1 MICRON CRYSTAL LASER. Международная заявка № WO 2006/073793 A2, М. кл.⁶ H01S 3/14 (2006.01), опубл. 2006 г.), который выбран в качестве прототипа. Данный оптический квантовый генератор двухмикронного диапазона длин волн (пункты формулы 17-24) содержит резонатор с активной средой в виде кристалла YAG, активированного ионами Но³⁺, и источник оптической накачки, при этом резонатор сформирован из первого и второго отражательных элементов, а источник оптической накачки оптически связан с активной средой посредством первого отражательного элемента. В качестве источника накачки в такой конструкции выступает тулиевый волоконный лазер с длиной волны излучения порядка 1,9 мкм. При накачке на длине волны 1908 нм данный оптический квантовый генератор на кристалле Ho:YAG генерирует излучение на длине волны 2100 нм. Эта длина волны генерации обеспечивается резонансным переходом между уровнями ⁵I₇ и ⁵I₈ иона Но³⁺ в этом кристалле. Данный оптический квантовый генератор способен генерировать как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режиме (реализуемом за счет активной или пассивной модуляции добротности резонатора).

Основным недостатком ОКГ прототипа на кристалле Ho:YAG является необходимость использования волоконно-лазерной накачки на длине волны 1,9 мкм, что усложняет конструкцию оптического квантового генератора, делает ее менее эффективной и более громоздкой, тяжелой и дорогой. Малая эффективность этой системы обусловлена многоступенчатым преобразованием энергии накачки: сначала излучение лазерных диодов (на длине волны ~1 мкм) используется для накачки волоконного лазера; в волоконном лазере происходит преобразование энергии с излучением в более длинноволновом диапазоне - 1,9 мкм; это излучение используется, в свою очередь, для накачки кристалла Ho:YAG и получения генерации на длине волны 2100 нм.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка нового высокоэффективного, компактного и относительно недорогого лазера на керамике, способного генерировать непрерывное или импульсно-периодическое излучение с высокой в среднем по времени мощностью (20 Вт и более) на длинах волн 1900-2100 нм при накачке коммерчески доступными лазерными диодами на длине волны 774-812 нм.

Технический результат в разработанном оптическом квантовом генераторе двухмикронного диапазона длин волн достигается за счет того, что он, как и генератор-прототип, содержит резонатор с активной средой и источник оптической накачки, при этом резонатор сформирован из, по крайней мере, двух зеркал.

Новым в разработанном оптическом квантовом генераторе двухмикронного диапазона длин волн является то, что в качестве упомянутой активной среды использована керамика из оксида лютеция Lu₂О₃, легированная ионами тулия Тm³⁺, а в качестве упомянутого источника оптической накачки использован, по крайней мере, один лазерный диод с излучением на длине волны, выбираемой в диапазоне 774-812 нм.

В первом частном случае реализации разработанного оптического квантового генератора целесообразно резонатор сформировать с помощью одного прозрачного для излучения накачки и глухого для излучения генерации дихроичного зеркала и другого полупрозрачного для излучения генерации выходного зеркала, при этом источник оптической накачки целесообразно выполнить в виде лазерного диода, оптически связанного непосредственно или с помощью системы линз с упомянутым дихроичным зеркалом.

Во втором частном случае реализации разработанного оптического квантового генератора целесообразно резонатор сформировать с помощью одного прозрачного для излучения накачки и глухого для излучения генерации дихроичного зеркала и другого полупрозрачного для излучения генерации выходного зеркала, при этом источник оптической накачки целесообразно выполнить в виде лазерного диода, оптически связанного непосредственно или с помощью системы линз с упомянутым дихроичным зеркалом, которое целесообразно нанести на торец упомянутой активной среды.

В третьем частном случае реализации разработанного генератора целесообразно резонатор сформировать с помощью трех зеркал: первого дихроичного зеркала на угол падения 45° к направлению излучения накачки, второго глухого для излучения генерации зеркала и третьего полупрозрачного для излучения генерации выходного зеркала, оптически связанного с упомянутым первым дихроичным зеркалом на угол падения 45°, с которым оптически связан и источник оптической накачки в виде лазерного диода.

В четвертом частном случае реализации разработанного генератора целесообразно резонатор сформировать также с помощью трех зеркал: первого прозрачного для излучения накачки и глухого для излучения генерации дихроичного зеркала на угол падения 45° к направлению излучения накачки, второго прозрачного для излучения накачки и глухого для излучения генерации дихроичного зеркала на угол падения по нормали к направлению излучения накачки и третьего полупрозрачного для излучения генерации выходного зеркала. При этом первый источник оптической накачки в виде лазерного диода следует оптически связать непосредственно или с помощью системы линз с первым дихроичным зеркалом на угол падения 45° к направлению излучения накачки, а второй источник оптической накачки также в виде лазерного диода следует оптически связать непосредственно или с помощью системы линз со вторым дихроичным зеркалом.

В пятом частном случае реализации разработанного генератора целесообразно резонатор сформировать также с помощью трех зеркал: первого прозрачного для излучения накачки и глухого для излучения генерации дихроичного зеркала на угол падения 45° к направлению излучения накачки, второго прозрачного для излучения накачки и глухого для излучения генерации дихроичного зеркала на угол падения по нормали к направлению излучения накачки и третьего полупрозрачного для излучения генерации выходного зеркала. При этом первый источник оптической накачки в виде лазерного диода следует оптически связать непосредственно или с помощью системы линз с первым дихроичным зеркалом на угол падения 45° к направлению излучения накачки, а второй источник оптической накачки также в виде лазерного диода следует оптически связать непосредственно или с помощью системы линз со вторым дихроичным зеркалом, а между первым дихроичным зеркалом на угол падения 45° к направлению излучения накачки и третьим полупрозрачным для излучения генерации выходным зеркалом целесообразно установить акустооптический модулятор.

В шестом частном случае реализации разработанного генератора целесообразно резонатор сформировать с помощью четырех зеркал: первого дихроичного зеркала на угол падения 45° к направлению излучения накачки, второго также дихроичного зеркала на угол падения 45° к направлению излучения накачки, третьего глухого для излучения генерации зеркала и четвертого полупрозрачного для излучения генерации выходного зеркала. При этом первый источник оптической накачки в виде лазерного диода следует оптически связать непосредственно или с помощью системы линз с первым дихроичным зеркалом на угол падения 45° к направлению излучения накачки, а второй источник оптической накачки также в виде лазерного диода следует оптически связать непосредственно или с помощью системы линз со вторым дихроичным зеркалом на угол падения 45° к направлению излучения накачки, а между первым дихроичным зеркалом и четвертым полупрозрачным для излучения генерации выходным зеркалом целесообразно установить селектирующий элемент.

В седьмом частном случае реализации разработанного генератора резонатор целесообразно сформировать также с помощью четырех зеркал: первого дихроичного зеркала на угол падения 45° к направлению излучения накачки, второго также дихроичного зеркала на угол падения 45° к направлению излучения накачки, третьего глухого для излучения генерации зеркала и четвертого полупрозрачного для излучения генерации выходного зеркала. При этом первый источник оптической накачки в виде лазерного диода следует оптически связать непосредственно или с помощью системы линз с первым дихроичным зеркалом на угол падения 45° к направлению излучения накачки, а второй источник оптической накачки также в виде лазерного диода следует оптически связать непосредственно или с помощью системы линз со вторым дихроичным зеркалом на угол падения 45° к направлению излучения накачки, а между первым дихроичным зеркалом на угол падения 45° к направлению излучения накачки и четвертым полупрозрачным для излучения генерации выходным зеркалом целесообразно установить акустооптический модулятор.

В восьмом частном случае реализации разработанного генератора резонатор целесообразно сформировать также с помощью четырех зеркал: первого дихроичного зеркала на угол падения 45° к направлению излучения накачки, второго также дихроичного зеркала на угол падения 45° к направлению излучения накачки, третьего глухого для излучения генерации зеркала с насыщающимся поглотителем, нанесенным на его поверхность или расположенным перед ним, и четвертого полупрозрачного для излучения генерации выходного зеркала. При этом первый источник оптической накачки в виде лазерного диода следует оптически связать непосредственно или с помощью системы линз с первым дихроичным зеркалом, а второй источник оптической накачки также в виде лазерного диода следует оптически связать непосредственно или с помощью системы линз со вторым дихроичным зеркалом.

Таким образом, технический результат в разработанном устройстве со стимулированным излучением для генерации излучения в диапазоне длин волн 1900-2100 нм достигается за счет использования в качестве активной среды нового материала, лазерной керамики Тm:Lu₂О₃, которая является более дешевым материалом по сравнению с лазерными кристаллами и впервые была изготовлена по заказу авторов компанией "Konoshima Chemical Co., Ltd." (Япония) и ими же впервые опробована в качестве активной среды для оптического квантового генератора. Авторами предложено в качестве оптической накачки для данной керамики Тm:Lu₂О₃ использовать излучение коммерчески доступных лазерных диодов на длине волны 795-796 нм или 810-811 нм (см. фиг.1). Особенностью лазерной керамики Тm:Lu₂О₃ (с концентрацией ионов активатора Тm³⁺, которая может выбираться в широком диапазоне, например, от 0,5 до 6 атомных %) является наличие широкой полосы люминесценции (в диапазоне длин волн 1900-2100 нм), а также сильных линий поглощения в диапазоне 774-812 нм на длинах волн 774-775 нм, 795-796 нм и 810-812 нм. Последние две из трех вышеперечисленных линий поглощения могут быть использованы для накачки коммерчески доступными лазерными диодами. Излучение лазерного диода на длине волны 795-796 нм или 810-812 нм поглощается керамикой Тm:Lu₂О₃, при этом ион Тm³⁺ переходит из основного состояния ³H₆ на уровень ³H₄ (фиг.1). Затем происходит кросс-релаксация (когда взаимодействуют два иона Тm³⁺: возбужденный ион и ион в основном состоянии), в результате которой на верхнем уровне лазерного перехода ³F₄ оказываются два возбужденных иона Тm³⁺. Таким образом, на каждый квант накачки приходится два иона Тm^{3 +} на верхнем лазерном уровне (за вычетом потерь на люминесценцию с уровня накачки), что обеспечивает высокий (близкий к 2) квантовый выход накачки. Лазерная генерация возникает на переходе ³F₄→³Н₆, на длинах волн в диапазоне 1900-2100 нм (большая ширина которого обусловлена сильным штарковским расщеплением уровней ³F₄ и ³Н₆). Высокий квантовый выход накачки обеспечивает высокую эффективность преобразования энергии накачки (на длине волны ~800 нм) в энергию лазерной генерации (на длине волны ~2 мкм), несмотря на большую разницу длин волн накачки и генерации. В экспериментах авторов в разработанном ОКГ, представленном на схемах по фиг.2 и фиг.5, получена непрерывная генерация с мощностью ~20 Вт на длине волны 2070 нм при накачке керамики Тm:Lu₂О₃ лазерными диодами с мощностью ~60 Вт на длине волны 795 нм (что соответствует эффективности ~33% при преобразовании энергии диодной накачки в энергию лазерной генерации). В разработанном ОКГ, представленном на схеме по фиг.6, получена импульсно-периодическая генерация.

Дополнительными достоинствами матрицы из оксида лютеция Lu₂O₃ является ее высокая прозрачность в широком диапазоне длин волн (от 400 нм до 8 мкм) и хорошая теплопроводность (с коэффициентом теплопроводности, большим, например, чем у кристалла YAG).

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 показаны лазерные уровни керамики Тm:Lu₂О₃ (стрелками показаны накачка, кросс-релаксация и излучение).

На фиг.2 представлена схема разработанного оптического квантового генератора двухмикронного диапазона длин волн в соответствии с пунктами 1 и 2 формулы с резонатором из двух зеркал.

На фиг.3 представлена схема разработанного генератора в соответствии с пунктом 3 формулы с резонатором из двух зеркал, одно из которых нанесено на торец активной среды.

На фиг.4 представлена схема разработанного генератора в соответствии с пунктом 4 формулы с резонатором из трех зеркал и одним источником оптической накачки.

На фиг.5 представлена схема разработанного генератора в соответствии с пунктом 5 формулы с резонатором из трех зеркал и двумя источниками оптической накачки.

На фиг.6 представлена схема разработанного генератора в соответствии с пунктом 6 формулы с резонатором из трех зеркал, двумя источниками оптической накачки и акустооптическим модулятором.

На фиг.7 представлена схема разработанного генератора в соответствии с пунктом 7 формулы с резонатором из четырех зеркал, двумя источниками оптической накачки и селективным элементом.

На фиг.8 представлена схема разработанного генератора в соответствии с пунктом 8 формулы с резонатором из четырех зеркал, двумя источниками оптической накачки и акустооптическим модулятором.

На фиг.9 представлена схема разработанного генератора в соответствии с пунктом 9 формулы с резонатором из четырех зеркал, двумя источниками оптической накачки и насыщающимся поглотителем.

Разработанный оптический квантовый генератор (ОКГ) двухмикронного диапазона длин волн в общем случае реализации в соответствии с п.1 формулы изобретения, представленный на фиг.2, содержит активную среду 1 из керамики Lu₂O₃, легированной ионами тулия Тm³⁺, помещенную в резонатор, образованный из, по крайней мере, двух зеркал 2 и 3, и источник оптической накачки 4. В качестве источника оптической накачки 4 использован, по крайней мере, один лазерный диод с излучением на длине волны, выбираемой в диапазоне 774-812 нм.

В первом частном случае реализации разработанного ОКГ по п.2 формулы, представленном также на фиг.2, резонатор ОКГ сформирован с помощью одного прозрачного для излучения накачки и глухого (с максимальным отражением) для излучения генерации дихроичного зеркала 2 и другого полупрозрачного для излучения генерации выходного зеркала 3. Источник оптической накачки 4 выполнен в виде лазерного диода, оптически связанного непосредственно или с помощью системы линз (на чертеже не показана) с упомянутым дихроичным зеркалом 2. Зеркало 2 может быть выполнено в виде плоского или вогнутого дихроичного зеркала, то есть прозрачным (с максимальным пропусканием) для излучения накачки (на длине волны 774-812 нм) и глухим (с максимальным отражением) для излучения генерации (в диапазоне длин волн 1900-2100 нм). Выходное зеркало 3 может быть выполнено как плоским, так и вогнутым с радиусом кривизны, выбираемым в широких пределах, например от 100 до 300 мм, которое может иметь коэффициент пропускания ~6-11%, например, на длину волны генерации 2066 нм, или коэффициент пропускания более 13%, например, на длину волны генерации 1965 нм.

Во втором частном случае реализации разработанного ОКГ по п.3, представленном на фиг.3, схема оптического квантового генератора отличается от аналогичной схемы на фиг.2 тем, что дихроичное зеркало 2 нанесено на торец активной среды 1 из Тm:Lu₂О₃. Это позволяет сделать более компактный лазерный резонатор, что способствует увеличению выходной мощности в многомодовом режиме генерации.

В третьем частном случае реализации разработанного ОКГ по п.4, представленном на фиг.4, резонатор сформирован с помощью трех зеркал: первого дихроичного зеркала 2 на угол падения 45° к направлению излучения накачки, второго глухого для излучения генерации зеркала 5 и третьего полупрозрачного для излучения генерации выходного зеркала 3, оптически связанного с упомянутым первым дихроичным зеркалом 2. С зеркалом 2 оптически связан и источник оптической накачки 4 в виде лазерного диода. Данная схема ОКГ по п.4 (фиг.4) позволяет обеспечить лучшую селекцию поперечных мод резонатора, что способствует улучшению пространственного качества излучения (уменьшению расходимости пучка).

В четвертом частном случае реализации разработанного ОКГ по п.5, представленном на фиг.5, резонатор сформирован также с помощью трех зеркал: первого дихроичного зеркала 2 на угол падения 45° к направлению излучения накачки, второго также дихроичного зеркала 2 на угол падения по нормали к направлению излучения накачки и третьего полупрозрачного для излучения генерации выходного зеркала 3. При этом первый источник оптической накачки 4 в виде лазерного диода оптически связан непосредственно или с помощью системы линз 6 с первым дихроичным зеркалом 2, а второй источник оптической накачки 4 также в виде лазерного диода оптически связан непосредственно или с помощью системы линз со вторым дихроичным зеркалом 2. Данная конструкция ОКГ по п.5 (фиг.5) позволяет производить накачку активной среды 1 с двух сторон, что обеспечивает большую мощность накачки и ее большую однородность в активной среде 1, а это способствует увеличению выходной мощности ОКГ.

В пятом частном случае реализации разработанного ОКГ по п.6, представленном на фиг.6, резонатор сформирован также с помощью трех зеркал: первого дихроичного зеркала 2 на угол падения 45° к направлению излучения накачки, второго также дихроичного зеркала 2 на угол падения по нормали к направлению излучения накачки и третьего полупрозрачного для излучения генерации выходного зеркала 3. При этом первый источник оптической накачки 4 в виде лазерного диода оптически связан непосредственно или с помощью системы линз 6 с первым дихроичным зеркалом 2. Второй источник оптической накачки 4 также в виде лазерного диода оптически связан непосредственно или с помощью системы линз 6 со вторым дихроичным зеркалом 2, а между первым дихроичным зеркалом 2 и третьим полупрозрачным для излучения генерации выходным зеркалом 3 установлен акустооптический модулятор 7. Акустооптический модулятор 7 предназначен для модуляции потерь (добротности) лазерного резонатора, образованного зеркалами 2, 2, 3, что позволяет реализовать генерацию "гигантских" наносекундных импульсов, следующих в периодическом режиме. Акустооптический модулятор может быть изготовлен, например, на основе кварца.

В шестом частном случае реализации разработанного ОКГ по п.7, представленном на фиг.7, резонатор сформирован с помощью четырех зеркал: первого дихроичного зеркала 2 на угол падения 45° к направлению излучения накачки, второго такого же дихроичного зеркала 2 на угол падения 45° к направлению излучения накачки, третьего глухого для излучения генерации зеркала 5 и четвертого полупрозрачного для излучения генерации выходного зеркала 3. При этом между первым дихроичным зеркалом 2 и четвертым полупрозрачным для излучения генерации выходным зеркалом 3 установлен селектирующий элемент 8, который позволяет перестраивать длину волны выходного излучения ОКГ в диапазоне длин волн 1900-2100 нм. В качестве селектирующего элемента 8 может быть использована пластинка из оптически анизотропного материала. В данной конструкции первый источник оптической накачки 4 в виде лазерного диода оптически связан непосредственно или с помощью системы линз с первым дихроичным зеркалом 2, а второй источник оптической накачки 4 также в виде лазерного диода оптически связан непосредственно или с помощью системы линз (на чертеже не показаны) со вторым дихроичным зеркалом 2.

В седьмом частном случае реализации разработанного ОКГ по п.8, представленном на фиг.8, резонатор сформирован с помощью четырех зеркал: первого дихроичного зеркала 2 на угол падения 45° к направлению излучения накачки, второго такого же дихроичного зеркала 2 на угол падения 45° к направлению излучения накачки, третьего глухого для излучения генерации зеркала 5 и четвертого полупрозрачного для излучения генерации выходного зеркала 3. При этом между первым дихроичным зеркалом 2 и четвертым полупрозрачным для излучения генерации выходным зеркалом 3 установлен акустооптический модулятор 7. Акустооптический модулятор 7 предназначен для модуляции потерь (добротности) лазерного резонатора, что позволяет реализовать генерацию гигантских импульсов в периодическом режиме работы ОКГ.

В восьмом частном случае реализации разработанного ОКГ по п.9, представленном на фиг.9, резонатор сформирован с помощью четырех зеркал: первого дихроичного зеркала 2 на угол падения 45° к направлению излучения накачки, второго также дихроичного зеркала 2 на угол падения 45° к направлению излучения накачки, третьего глухого для излучения генерации зеркала 5 с насыщающимся поглотителем 9, нанесенным на его поверхность или расположенным перед ним, и четвертого полупрозрачного для излучения генерации выходного зеркала 3. При этом первый источник оптической накачки 4 в виде лазерного диода оптически связан непосредственно или с помощью системы линз с первым дихроичным зеркалом 2, а второй источник оптической накачки 4 также в виде лазерного диода оптически связан непосредственно или с помощью системы линз (на чертеже не показаны) со вторым дихроичным зеркалом 2. В качестве насыщающегося поглотителя 9 может выступать, например, кристалл Cr:ZnSe, либо полупроводниковая гетероструктура "SAM", изготавливаемая, например, компанией "ВАТОР", Германия. Такой насыщающийся поглотитель позволяет реализовать режим пассивной модуляции добротности (с генерацией последовательности наносекундных импульсов) или режим синхронизации мод (с генерацией периодической последовательности субпикосекундных импульсов).

В примере конкретной реализации в качестве активной среды 1 использована керамика Тm:Lu₂О₃, изготовленная компанией "Konoshima Chemical Co., Ltd." (Япония). Лазерные диоды накачки 4 на длину волны 795-796 нм или 810-811 нм производятся различными компаниями, такими как ОАО "Инжект" (Россия), "Coherent" (США), DILAS (Германия), LIMO (Германия) и другими. Зеркала 2, 3 и 5, используемые в разработанном оптическом квантовом генераторе, изготовлены в России.

Разработанный оптический квантовый генератор двухмикронного диапазона длин волн в общем случае реализации в соответствии с п.1 формулы изобретения, представленный на фиг.2, работает следующим образом.

Излучение накачки от источника оптической накачки 4 в виде лазерного диода с длиной волны, выбираемой в диапазоне 774-812 нм, через зеркало 2 поступает в активную среду 1 из керамики Lu₂О₃, легированной ионами тулия Tm³⁺. Поскольку керамика Тm:Lu₂О₃ (с концентрацией ионов активатора Тm³⁺ порядка 0,5-6 атомных %) имеет линии поглощения на длинах волн 774-775 нм, 795-796 нм и 810-812 нм, то излучение лазерного диода 4 поглощается активной средой 1 (керамикой Тm:Lu₂О₃), при этом ион Тm³⁺ переходит из основного состояния ³H₆ на уровень ³H₄ (см. фиг.1). Затем происходит процесс кросс-релаксации (когда взаимодействуют возбужденный ион Тm³⁺ и ион Тm³⁺ в основном состоянии), в результате которого на верхнем лазерном уровне ³F₄ активной среды 1 оказываются два возбужденных иона Тm³⁺. Лазерная генерация в активной среде 1 из лазерной керамики, расположенной в резонаторе из зеркал 2 и 3, возникает на переходе между уровнями ³F₄→³Н₆ на длинах волн в диапазоне 1900-2100 нм. Этот результат позволяет расширить арсенал активных сред для создания эффективного ОКГ двухмикронного диапазона в сторону более доступных и относительно дешевых керамических материалов по сравнению с известными активными средами на кристаллах или оптическом волокне. Поскольку в разработанной конструкции ОКГ в качестве источников оптической накачки 4 используются компактные и недорогие лазерные диоды, то предлагаемый ОКГ по сравнению с прототипом является более компактным, эффективным и дешевым лазером, что позволяет решить поставленную задачу.

Различные варианты конструкции разработанного ОКГ, указанные в зависимых пунктах 2-9 формулы изобретения и описанные выше, позволяют осуществлять различные требуемые в разных задачах режимы генерации разработанного ОКГ, например, непрерывную генерацию с увеличенной выходной мощностью в многомодовом режиме (п.3); непрерывную генерацию с улучшенным пространственным качеством выходного пучка излучения (п.4); непрерывную генерацию с увеличенной выходной мощностью ОКГ (п.5); импульсно-периодическую генерацию с модуляцией добротности резонатора (п.6); непрерывную генерацию с перестройкой длины волны выходного излучения ОКГ в диапазоне длин волн 1900-2100 нм (п.7); генерацию гигантских импульсов в периодическом режиме работы ОКГ (п.8); импульсно-периодическую генерацию с синхронизацией мод (п.9) и другие.

Изобретение относится к устройствам со стимулированным излучением, а именно к устройствам для генерации излучения в диапазоне длин волн 1900-2100 нм в непрерывном, импульсном или импульсно-периодическом режимах. Оптический квантовый генератор содержит резонатор из, по крайней мере, двух зеркал, в котором расположена активная среда, изготовленная из керамики оксида лютеция Lu₂O₃, легированная ионами тулия Tm³⁺, а в качестве источника оптической накачки использован, по крайней мере, один лазерный диод с излучением на длине волны, выбираемой в диапазоне 774-812 нм. Технический результат заключается в расширении арсенала активных сред для создания высокоэффективного, компактного и относительно недорогого лазера. 8 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Оптический квантовый генератор двухмикронного диапазона длин волн, содержащий резонатор с активной средой и источник оптической накачки, при этом резонатор сформирован из, по крайней мере, двух зеркал, отличающийся тем, что в качестве упомянутой активной среды использована керамика из оксида лютеция Lu₂O₃, легированная ионами тулия Тm³⁺, а в качестве упомянутого источника оптической накачки использован, по крайней мере, один лазерный диод с излучением на длине волны, выбираемой в диапазоне 774-812 нм.

2. Оптический квантовый генератор двухмикронного диапазона длин волн по п.1, отличающийся тем, что резонатор сформирован одним прозрачным для излучения накачки и глухим для излучения генерации дихроичным зеркалом и другим полупрозрачным для излучения генерации выходным зеркалом, при этом источник оптической накачки в виде лазерного диода оптически связан с упомянутым дихроичным зеркалом непосредственно или с помощью системы линз.

3. Оптический квантовый генератор двухмикронного диапазона длин волн по п.2, отличающийся тем, что дихроичное зеркало нанесено на торец упомянутой активной среды.

4. Оптический квантовый генератор двухмикронного диапазона длин волн по п.1, отличающийся тем, что резонатор сформирован тремя зеркалами, первым дихроичным зеркалом на угол падения 45° к направлению излучения накачки, вторым глухим для излучения генерации зеркалом и третьим полупрозрачным для излучения генерации выходным зеркалом, оптически связанным с упомянутым первым дихроичным зеркалом на угол падения 45° к направлению излучения накачки, с которым оптически связан и источник оптической накачки в виде лазерного диода.

5. Оптический квантовый генератор двухмикронного диапазона длин волн по п.1, отличающийся тем, что резонатор сформирован тремя зеркалами, первым дихроичным зеркалом на угол падения 45° к направлению излучения накачки, вторым дихроичным зеркалом на угол падения по нормали к направлению излучения накачки и третьим полупрозрачным для излучения генерации выходным зеркалом, при этом первый источник оптической накачки в виде лазерного диода оптически связан непосредственно или с помощью системы линз с первым дихроичным зеркалом, а второй источник оптической накачки также в виде лазерного диода оптически связан непосредственно или с помощью системы линз со вторым дихроичным зеркалом.

6. Оптический квантовый генератор двухмикронного диапазона длин волн по п.5, отличающийся тем, что между первым дихроичным зеркалом на угол падения 45° к направлению излучения накачки и третьим полупрозрачным для излучения генерации выходным зеркалом установлен акустооптический модулятор.

7. Оптический квантовый генератор двухмикронного диапазона длин волн по п.1, отличающийся тем, что резонатор сформирован четырьмя зеркалами, первым дихроичным зеркалом на угол падения 45° к направлению излучения накачки, вторым также дихроичным зеркалом на угол падения 45° к направлению излучения накачки, третьим глухим для излучения генерации зеркалом и четвертым полупрозрачным для излучения генерации выходным зеркалом, при этом первый источник оптической накачки в виде лазерного диода оптически связан непосредственно или с помощью системы линз с первым дихроичным зеркалом, а второй источник оптической накачки также в виде лазерного диода оптически связан непосредственно или с помощью системы линз со вторым дихроичным зеркалом.

8. Оптический квантовый генератор двухмикронного диапазона длин волн по п.7, отличающийся тем, что между первым дихроичным зеркалом на угол падения 45° к направлению излучения накачки и четвертым полупрозрачным для излучения генерации выходным зеркалом установлен акустооптический модулятор.

9. Оптический квантовый генератор двухмикронного диапазона длин волн по п.1, отличающийся тем, что резонатор сформирован четырьмя зеркалами, первым дихроичным зеркалом на угол падения 45° к направлению излучения накачки, вторым также дихроичным зеркалом на угол падения 45° к направлению излучения накачки, третьим глухим для излучения генерации зеркалом с насыщающимся поглотителем, нанесенным на его поверхность или расположенным перед ним, и четвертым полупрозрачным для излучения генерации выходным зеркалом, при этом первый источник оптической накачки в виде лазерного диода оптически связан непосредственно или с помощью системы линз с первым дихроичным зеркалом, а второй источник оптической накачки также в виде лазерного диода оптически связан непосредственно или с помощью системы линз со вторым дихроичным зеркалом.