ДИСКОВЫЙ ЛАЗЕР (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2016 года по МПК H01S5/04 H01S3/94 

Изобретение относится к квантовой электронике и лазерной технике и может быть использовано в приборах с мощным коллимированным световым лучом, в частности в лазерных локаторах, медицине, фотолитографии, ИК спектроскопии.

Существует проблема накачки твердотельных дисковых лазеров, у которых активный материал имеет малый коэффициент поглощения излучения накачки. Для решения этой проблемы применяют различные многопроходные оптические схемы накачки.

Известен дисковый лазер, содержащий активную пластину с зеркальным покрытием с одной стороны и просветляющим покрытием с другой стороны; лазерный диод накачки с волоконным выходом; оптическую систему, направляющую излучение лазерного диода под углом 20 градусов от нормали к пластине и фокусирующую это излучение в пятно возбуждения на просветленной поверхности активной пластины; линзу, собирающую отраженное от пластины излучение; плоское зеркало, возвращающее отраженное излучение через линзу в пятно возбуждения; и оптический резонатор дискового лазера, содержащий высокоотражающее зеркало и частично пропускающее зеркало (A. Giesen, Н. HiigeP, A. Voss, K. Wittig, U. Brauch, Н. Opower. Scalable Concept for Diode-Pumped High-Power Solid-State Lasers. Appl. Phys. В 58, 365-372 (1994)).

В данном устройстве излучение лазерного диода лишь частично поглощается при первом проходе сквозь активную пластину. Однако суммарное поглощение увеличено за счет того, что излучение накачки проходит сквозь активную пластину 4 раза. Второй проход обеспечивается отражением прошедшего излучения от зеркального покрытия, третий - возвращением отраженного излучения с помощью линзы и плоского зеркала и четвертый - снова отражением от зеркального покрытия активной пластины.

Однако четырех проходов часто бывает недостаточно для эффективного поглощения излучения накачки активной пластиной.

Известен дисковый лазер с многопроходной системой накачки, содержащий параболическое зеркало с оптической осью и отверстием вблизи оси; активную пластину с зеркальным покрытием с одной стороны и просветляющим покрытием с другой стороны, размещенную на фокусном расстоянии от параболического зеркала; лазерный диод накачки с волоконным выходом; оптическую систему, формирующую коллимированный пучок излучения лазерного диода и направляющую этот пучок на параболическое зеркало параллельно оптической оси; набор отражающих призм, расположенных вокруг активной пластины и внешнее частично пропускающее зеркало, расположенное на оптической оси за отверстием в параболическом зеркале и формирующее вместе с зеркальным покрытием активной пластины оптический резонатор дискового лазера (US Patent # US 6,577,666 В2; US Patent # US 6,891,874 B2; Kenneth L. Schepler, Rita D. Peterson, Patrick A. Berry, and Jason B. McKay. Thermal Effects in Cr2+:ZnSe Thin Disk Lasers. IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 11, NO. 3, MAY/JUNE 2005; S. Erhard, A. Giesen, M. Karszewski, T. Rupp, C. Steven, I. Johannsen, K. Contag. Novel Pump Design of Yb:YAG Thin Disc Laser for Operation at Room Temperature with Improved Efficiency. OSA TOPS Vol.26 Advanced Solid-State Lasers, Martin M. Fejer, Hagop Injeyan, and Ursula Keller (eds.), 1999 Optical Society of America).

Данное устройство работает следующим образом. Коллмированный пучок лазерного диода отражается от параболического зеркала и фокусируется в пятно возбуждения на просветленной поверхности активной пластины. Излучение проходит через пластину, частично поглощаясь в ней, отражается от зеркального покрытия активной пластины, снова проходит через активную пластину, частично поглощаясь в ней. Далее прошедшее излучение направляется на параболический отражатель. Отражаясь от параболического отражателя, уже сколлимированное прошедшее излучение направляется на отражающую призму. После отражения от этой призмы прошедшее излучение снова направляется на параболический отражатель, с помощью которого излучение вновь фокусируется в пятно возбуждения. Этот процесс повторяется практически до полного поглощения излучения лазерного диода активной пластиной в малом объеме под пятном поглощения. Использование призмы отражения позволяет вывести траекторию пучка прошедшего излучения из предыдущей плоскости падения на активную пластину и тем самым исключить распространение пучка прошедшего излучения вдоль направления исходного пучка излучения лазерного диода. В возбужденной области активной пластины возникает оптическое усиление, которое при наличии обратной связи приводит к генерации дискового лазера.

Недостатком устройства является громозкость многопроходной системы накачки, содержащей кроме параболического зеркала набор призм отражения. Каждую призму необходимо юстировать и закрепить вблизи активной пластины, которая сама должна быть закреплена на хладопроводящей подложке с эффективной системой охлаждения. В связи с этим в данной конструкции трудно приблизить коллимированные пучки излучения к оптической оси. Это исключает возможность использования более простого в изготовлении сферического зеркала вместо параболического.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является дисковый лазер, содержащий активную пластину с зеркальным покрытием с одной стороны и просветляющим покрытием с другой стороны, закрепленную на хладопроводящей подложке; внешнее частично пропускающее зеркало обратной связи, формирующее вместе с зеркальным покрытием активной пластины оптический резонатор дискового лазера; лазерный диод накачки с волоконным выводом излучения; и многопроходную оптическую систему накачки, содержащую плоское зеркало, размещенное рядом с активной пластиной, и набор сферических зеркал (A. Giesen, Н. Hiige, Р, A. Voss, K. Wittig, U. Brauch, Н. Opower. Scalable Concept for Diode-Pumped High-Power Solid-State Lasers. Appl. Phys. В 58, 365-372 (1994)).

Устройство работает следующим образом. Излучение лазерного диода фокусируется одним из сферических зеркал в пятно возбуждения на просветленной поверхности активной пластины. Это излучение проходит через пластину, частично поглощаясь в ней, отражается от зеркального покрытия, вновь проходит через пластину, частично поглощаясь в ней, и далее направляется на второе сферическое зеркало, которое фокусирует прошедшее излучение на поверхность плоского зеркала, формируя на нем пятно изображения. Отраженное от плоского зеркала излучение направляется на третье сферическое зеркало, которое отражает это излучение и направляет его снова на просветленную поверхность активной пластины в пятно возбуждения. Процесс многократно повторяется практически до полного поглощения излучения лазерного диода накачки в малом объеме активной пластины под пятном возбуждения. При этом для реализации каждого следующего обхода многопроходной системы накачки используется два новых сферических зеркала. В возбужденной области активной пластины возникает оптическое усиление, которое при наличии обратной связи приводит к генерации дискового лазера.

Недостатком устройства также является его сложность. Здесь необходимо юстировать все сферические зеркала и плоское зеркало. Это очень сложно сделать особенно, когда излучение накачки и дискового лазера находятся в ИК области спектра, невидимой для глаза.

Задачей, решаемой изобретением, является упрощение устройства и увеличение его надежности.

Поставленная задача решается в дисковом лазере, состоящем из оптического резонатора с первой оптической осью, вдоль которой распространяется генерируемое излучение дискового лазера внутри оптического резонатора; активной пластины с зеркальным покрытием на первой ее стороне и просветляющим покрытием на второй стороне, размещенной внутри оптического резонатора и закрепленной на хладопроводящей подложке первой стороной; лазера накачки; системы фокусировки излучения лазера накачки; и многопроходной оптической системы накачки в виде полуконцентрического резонатора со второй оптической осью, содержащего внешний отражатель, имеющий вогнутую зеркальную поверхность, характеризуемую фокусным расстоянием, и обращенный своей вогнутой поверхностью ко второй поверхности активной пластины; и плоский отражатель с зеркальным покрытием; причем плоский отражатель и активная пластина размещены таким образом, что их поверхности с зеркальными покрытиями перпендикулярны второй оптической оси и отстоят от вогнутой поверхности внешнего отражателя на оптическом расстоянии, равном двойному фокусному расстоянию; система фокусировки расположена между лазером накачки и активной пластиной таким образом, что пучок излучение лазера накачки направляется к пластине под углом падения, большим половины угла схождения пучка, и фокусируется в пятно возбуждения вблизи точки пересечения второй оптической оси со второй поверхностью активной пластины, не включающее эту точку; и центр пятна возбуждения отстоит от этой точки на расстоянии, превышающем половину диаметра пучка лазера накачки на двойном фокусном расстоянии от пятна возбуждения.

Следует отметить, что в дисковом лазере по определению активная пластина имеет малую толщину, сравнимую с длиной каустики в месте фокусировки лазерного пучка. Поэтому фокусировка на второй поверхности активной пластины в рассматриваемом устройстве равносильна фокусировке на первой ее поверхности. Строго говоря, в полуконцентрическом резонаторе формируется пятно изображения от пятна возбуждения на первой поверхности активной пластины, поскольку именно эта поверхность находится на оптическом расстоянии, равном двойному фокусному расстоянию от внешнего отражателя. Тем не менее в описании устройства фигурирует пятно возбуждения на второй поверхности, поскольку его легче контролировать, чем пятно возбуждения на первой поверхности активной пластины, находящейся между пластиной и хладопроводящей подложкой.

Сущность изобретения заключается в том, что в полуконцентрическом резонаторе, состоящем из сферического и плоского зеркал, в котором на поверхности плоского зеркала размещен источник излучения в виде пятна, формируется пятно изображения этого источника на той же поверхности, симметричное пятну возбуждения относительно оптической оси этого резонатора. Если источник имеет слабо расходящийся пучок излучения, то этот пучок, отражаясь от сферического и плоского зеркал, будет поочередно фокусироваться в пятно изображения и пятно источника. Представим теперь, что источник излучения есть пятно отражения первично сфокусированного пучка излучения лазера накачки, причем этот пучок падает на поверхность плоского зеркала со стороны сферического зеркала через отверстие в нем или через участок с высоким пропусканием излучения лазера накачки. При ограниченном диаметре сферического зеркала пучок излучения лазера накачки может также проходить вне края зеркала, но близко от него. Поскольку размеры внешнего зеркала ограничены или оно имеет отверстие для ввода излучения, то очень важно выбрать место на поверхности плоского зеркала, куда следует фокусировать излучение лазера, и выбрать угол падения пучка в это место. Очевидно, что если сходящийся пучок падает на плоское зеркало вдоль нормали к его поверхности, то уже после первого отражения от пластины пучок полностью выйдет из полуконцентрического резонатора по пути, по которому он вошел в него. Если угол падения (угол между осевым направлением распространения пучка и нормалью к поверхности плоского зеркала) будет меньше половины угла сходимости пучка, то пучок при первом отражении выйдет из резонатора, по меньшей мере, частично. Чтобы этого не происходило, необходимо угол падения делать больше половины угла схождения пучка, которое происходит при его фокусировке.

Также очевидно, что если фокусировать излучение в точку пересечения оптической оси резонатора с поверхностью плоского зеркала, то уже после первого обхода резонатора (после отражений от плоского зеркала, сферического зеркала, снова плоского зеркала) излучение выйдет из резонатора тем же путем, каким оно вошло. Частично излучение будет выходить и в случае, если пятно фокусировки (пятно отражения) включает эту точку. Поэтому пятно фокусировки - отражения должно отстоять от оптической оси на некотором расстоянии. Оказалось, что это расстояние зависит от сходимости пучка лазера накачки и должно превышать четверть диаметра пучка лазера накачки, замеренное на двойном фокусном расстоянии от центра пятна фокусировки - отражения (четверть диаметра пучка на поверхности сферического зеркала). Только в этом случае лазерный пучок полностью останется в полуконцентрическом резонаторе после первого обхода. Оценки показывают, что достаточно большое число обходов (более 5) можно достигнуть в случае, если расстояние между центром пятна возбуждения и оптической осью будет превышать четверть диаметра пучка излучения лазера на двойном фокусном расстоянии от пятна возбуждения лишь на 1-10%. Если это расстояние делать большим, то число обходов резонатора будет уменьшаться.

Если теперь часть плоского зеркала заменить активной пластиной с зеркальным покрытием, и излучение накачки фокусировать в пятно возбуждения на второй поверхности этой пластины с просветляющим покрытием, причем так, чтобы пятно изображения формировалось на поверхности оставшейся части плоского зеркала, то при каждом обходе резонатора излучение лазера накачки будет проходить активную пластину 2 раза. Общее число проходов может превысить 12. Отличие предлагаемого технического решения от наиболее близкого известного технического решения заключается в том, что целый ряд сферических зеркал заменен одним внешним отражателем, что существенно упрощает устройство.

При увеличении числа обходов в заявляемом техническом решении ряд возвращаемых лучей лазера накачки могут падать в пятно возбуждения под большими углами (относительно нормали к пластине). В этом случае для уменьшения сферической аберрации при фокусировке этих пучков целесообразно вместо внешнего отражателя со сферической зеркальной поверхностью использовать внешний отражатель с вогнутой поверхностью, являющейся поверхностью параболоида вращения.

Оптический резонатор дискового лазера может быть образован зеркальным покрытием активной пластины и одним внешним зеркалом обратной связи. В этом случае внешний отражатель должен иметь отверстие или участок с высоким пропусканием генерируемого излучения дискового лазера вблизи второй оптической оси, а зеркальное покрытие активной пластины должно иметь высокий коэффициент отражения не только для излучения накачки, но и для генерируемого излучения дискового лазера. В другом варианте исполнения оптический резонатор дискового лазера может иметь два или более внешних зеркала. При этом первая оптическая ось может преломляться на активной пластине, и генерируемое излучение может проходить сквозь внешний отражатель через два отверстия или два участка с высокой прозрачностью для генерируемого излучения. Чтобы не делать дополнительные отверстия во внешнем отражателе, что усложняет его изготовление, возможет вариант, когда генерируемое излучение выходит из полуконцентрического резонатора за краем внешнего отражателя.

В другом варианте устройства согласно заявляемому техническому решению плоский отражатель выполнен идентично активной пластины, а его зеркальное покрытие выполнено идентично зеркальному покрытию на первой стороне активной пластины. Более того, плоский отражатель и активная пластина закреплены на одной хладопроводящей подложке. Возможен вариант, когда активная пластина и плоский отражатель выполняются в виде единой активной пластины-отражателя с единым зеркальным покрытием. В этом случае объем единой активной пластины-отражателя под пятном изображения также является объемом возбуждения излучением лазера накачки. Если пятно возбуждения и пятно изображения расположены достаточно близко друг к другу, то оптический резонатор дискового лазера может содержать лишь одно внешнее зеркало обратной связи, а генерируемое излучение выходить сквозь внешний отражатель через отверстие или участок с высокой прозрачностью вблизи второй оптической оси. В другом варианте исполнения генерируемое излучение проходит через внешний отражатель через два отверстия или два участка с высокой прозрачностью, причем внутри полуконцентрического резонатора генерируемое излучение претерпевает одно или более отражений от внешнего отражателя, у которого в этом случае зеркальное покрытие вогнутой поверхности является высокоотражающим не только для излучения лазера накачки, но и для генерируемого излучения.

Активная пластина может быть выполнена из любого материала в виде кристалла, стекла или керамики, легированного активными примесями, которые используются в твердотельных лазерах. В частности, пластина может быть вырезана из монокристалла ZnSe, легированного ионами Cr или Fe. Предпочтительно, чтобы толщина пластины находилась в пределах 0.1-1 мм. При более толстой пластине ухудшается теплоотвод с поверхности пластины. При более тонких пластинах требуется большее число проходов. Число проходов зависит также от концентрации легирующей примеси. Оптимальная концентрация ионов Cr и Fe находится в пределах (1-4)*10¹⁸ см^-3. При большей концентрации ухудшается оптическое качество кристалла, а при меньшей - коэффициенты поглощения и усиления становятся слишком малыми, что уменьшает эффективность накачки. Пластина должна быть полирована с обеих сторон с оптическим качеством. Зеркальное покрытие на первой стороне должно иметь высокий коэффициент отражения для излучения накачки и излучения, генерируемого в дисковом лазере. Так, например, для дискового лазера на основе кристалла ZnSe:Cr коэффициент отражения зеркального покрытия должен быть в диапазоне 0.9-1.0 для длины волны 1.8-1.9 мкм излучения лазера накачки и в диапазоне 0.95-1.0 для генерируемого излучения с длиной волны 2-3 мкм. Уменьшение коэффициента отражения зеркального покрытия ниже 0.9 для длины волны излучения лазера накачки и/или ниже 0.95 для длины волны генерируемого излучения существенно уменьшает коэффициент полезного действия дискового лазера в целом.

Изготовление зеркала с вышеуказанными параметрами является хорошо известной процедурой. Используются разные материалы в зависимости от требуемой спектральной области. Это могут быть интерференционные покрытия из чередующихся слоев с различным показателем преломления, или металлические зеркала, или их комбинация. Пластина с нанесенным зеркальным покрытием приклеивается теплопроводящим клеем или припаивается через металлический припой к хладопроводящей подложке, выполненной, например, из меди или сплава меди с другими металлами. Можно в качестве хладопровода использовать алмаз или другие материалы с высокой теплопроводностью. Известны различные схемы эффективного теплоотвода, использующиеся для охлаждения активных пластин в дисковых лазерах.

Активная пластина может быть выполнена из единой полупроводниковой гетероструктуры. В этом случае речь идет о полупроводниковом дисковом лазере. Гетероструктура может быть выполнена из соединений элементов третьей и пятой группы Периодической таблицы элементов (А3В5), включая нитриды, или из соединений элементов второй и шестой группы (А2В6). Эти соединения позволяют освоить спектральный диапазон от 0.2 до 5 мкм. Гетероструктура содержит квантоворазмерную часть и эпитаксиальное брэгговское зеркало. Квантоворазмерная часть представляет собой активный слой толщиной 1-10 мкм, в котором вставлены слои, формирующие квантовые ямы, квантовые линии или квантовые точки. Предпочтительно эти вставки располагаются в пучностях одной из мод оптического резонатора дискового лазера. Брэгговское зеркало выполняется из чередующихся четвертьволновых слоев двух соединений, которые имеют различный показатель преломления. Гетероструктура обычно выращивается в едином технологическом цикле методом эпитаксии. Сначала на ростовой подложке выращивается брэгговское зеркало, а затем активная квантоворазмерная часть гетероструктуры. В ряде случаев на поверхность гетероструктуры наносят просветляющее покрытие. Однако это делать необязательно, если толщина верхнего слоя подобрана так, чтобы отражение от ростовой поверхности гетероструктуры было в фазе с отражением от внешнего зеркала оптического резонатора дискового лазера. Пластина обычно припаивается через металлический припой к медной подложке. Возможен и другой известный метод отвода тепла от гетероструктуры.

Обычно гетероструктуры в полупроводниковом дисковом лазере поглощают излучение накачки уже за один проход. В этом случае излучение накачки генерирует неравновесные носители тока (электроны и дырки) в основном в толстых слоях (толщина 100-200 нм), являющихся обкладками тонких слоев квантовых ям (толщина 1-10 нм). Затем неравновесные носители за время жизни собираются в квантовых ямах, которые являются энергетическими ямами для носителей тока. Именно при такой конструкции активной структуры достигаются низкие пороги генерации лазера. Генерация происходит при рекомбинации носителей в квантовых ямах на длинах волн заметно меньших, чем длина волны излучения лазера накачки. При этом дефицит кванта (различие в энергиях кванта излучения накачки и кванта генерируемого излучения) составляет до 0.6 эВ. Эта энергия идет на разогрев структуры. Если гетероструктура нагревается слишком сильно, то характеристики лазера ухудшаются. Эффективный теплоотвод в обычных полупроводниковых дисковых лазерах удается реализовать, только если гетероструктуры выполнены из соединений с высоким коэффициентом теплопроводности. Это сильно ссужает выбор материалов для полупроводниковых дисковых лазеров, что, в частности, не позволяет освоить видимую область спектра. Тем не менее для гетероструктур, выполненных из соединений с невысоким коэффициентом теплопроводности есть другое решение, как уменьшить их разогрев. Для этого надо накачивать структуру непосредственно в квантовых ямах. То есть квант излучения накачки надо выбирать меньше ширины запрещенной зоны толстых обкладочных слоев, но немного больше ширины запрещенной зоны тонких слоев квантовых ям. В этом случае нагрев можно уменьшить на порядок величины. Однако общая толщина квантовых ям составляет не более 0.1 мкм, что более чем в десять раз меньше полной толщины обкладочных слоев. В этом случае чтобы эффективно накачать квантовые ямы необходимо организовать более 10 проходов, что достигается с помощью заявляемого технического решения.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими фигурами.

Фиг. 1. Дисковый лазер, являющийся наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству.

Фиг. 2. Дисковый лазер согласно заявляемому техническому решению.

Фиг. 3. Другой вариант исполнения дискового лазера согласно заявляемому техническому решению.

Фиг. 4. Схема хода лучей в многопроходной системе накачки (проекция на плоскость, перпендикулярную оптической оси этой системы) в одном из вариантов исполнения дискового лазера.

Фиг. 5. Схема хода лучей в многопроходной системе накачки (проекция на плоскость, перпендикулярную оптической оси этой системы) в другом варианте исполнения дискового лазера.

Фиг. 6. Схема многопроходной системы накачки (проекция на плоскость, включающую оптическую ось этой системы) в одном варианте исполнения дискового лазера.

Фиг. 7. Схема многопроходной системы накачки (проекция на плоскость, включающую оптическую ось этой системы) в другом варианте исполнения дискового лазера.

Фиг. 8. Схема многопроходной системы накачки (проекция на плоскость, включающую оптическую ось этой системы) еще в одном варианте исполнения дискового лазера.

Известное устройство дискового лазера, представленное схематично на фиг. 1, содержит активный элемент 1 в виде пластины с зеркальным покрытием, закрепленной на хладопроводе; внешнее высокоотражающее зеркало 2 и частично пропускающее зеркало 3, которые вместе с зеркальным покрытием активного элемента 1 образуют оптический резонатор дискового лазера с оптической осью 4, вдоль которой распространяется генерируемый луч; лазер накачки 5, сферическое зеркало 7 для первичной фокусировки луча лазера накачки 6 на пластине 1; набор сферических зеркал 8 и плоский отражатель 9.

Дисковый лазер работает следующим образом. Луч 6 лазера накачки 5 фокусируется сферическим зеркалом 7 на активный элемент 1, частично поглощается в пластине и далее отражается от зеркального покрытия на одно из сферических зеркал 8. Затем луч лазера накачки, отражаясь от этого сферического зеркала, фокусируется на поверхности вспомогательного плоского зеркала 9. Отраженный от плоского зеркала луч попадает на второе из сферических зеркал 8 и, отражаясь от него, снова фокусируется на активный элемент 1. И в этот раз луч лазера накачки лишь частично поглощается в пластине и, отражаясь от зеркального покрытия, направляется к следующему сферическому зеркалу 8. Этот процесс повторяется несколько раз. При достаточном количестве сферических зеркал процесс будет проходить до полного поглощения луча лазера накачки в пластине. Заметим, что в этом устройстве лучи, падающие на плоское зеркало в каждом последующем цикле, необязательно фокусируются в одно и то же пятно. Важно лишь, чтобы они фокусировались в одно пятно возбуждения на поверхности пластины. В области возбуждения активной пластины под пятном возбуждения возникает оптическое усиление, которое при наличии обратной связи, достигаемой с помощью зеркального покрытия пластины активного элемента 1 и внешних зеркал 2 и 3, приводит к возникновению лазерной генерации. Луч лазера выходит из резонатора через зеркало 3 вдоль оптической оси 4.

На фиг. 2 представлен один из вариантов исполнения дискового лазера в соответствии с заявляемым техническим решением. Устройство содержит в составе активного элемента 1 активную пластину 11 с зеркальным высокоотражающим покрытием 12 на первой стороне и с просветляющим покрытием 13 на второй стороне, закрепленную своей первой стороной на хладопроводящей подложке 14; внешнее частично пропускающее зеркало 3, образующее вместе с зеркальным покрытием активной пластины оптический резонатор дискового лазера с первой оптической осью 4, вдоль которой распространяется и выходит из резонатора генерируемое излучение 17; лазер накачки 5; систему фокусировки 19 луча лазера накачки; внешний отражатель 20 со второй оптической осью 21 и двумя отверстиями: 22 для ввода луча накачки и 23 для генерируемого излучения, имеющий вогнутую поверхность с зеркальным покрытием, характеризуемую фокусным расстоянием; и плоский отражатель 9 с зеркальным покрытием 25, который расположен рядом с активной пластиной 11. Вторая оптическая ось 21 проходит через границу между активной пластиной и плоским отражателем. Плоскости первой поверхности активной пластины и зеркального покрытия плоского отражателя перпендикулярны второй оптической оси и находятся на оптическом расстоянии, равном двойному фокусному расстоянию внешнего отражателя.

Дисковый лазер работает следующим образом. Луч 6 излучение лазера накачки 5 направляется системой фокусировки 19 через отверстие 22 внешнего отражателя 20 и фокусируется в пятно возбуждения 27 на второй поверхности с просветляющим покрытием 13 активной пластины 11. Центр пятна возбуждения соответствует точке пересечения первой оптической оси 4 с поверхностью 13. Излучение лазера накачки проходит через активную пластину, частично поглощаясь в ней, отражается от зеркального покрытия 12, снова проходит через пластину, частично поглощаясь в ней, и направляется к внешнему отражателю 20 в пятно 28. Отражаясь от внешнего отражателя 20, луч фокусируется на поверхности плоского отражателя 9 с зеркальным покрытием 25, формируя на этой поверхности пятно изображения 29. Отраженный луч из пятна изображения направляется к внешнему отражателю в пятно 30, и после отражения от отражателя 20 снова фокусируется в пятно возбуждения 27 активной пластины 11 и дважды проходит через активную пластину, частично поглощаясь в ней. Далее цикл повторяется при последующих отражениях луча излучения лазера накачки от отражателя 20 в пятне 31, от плоского отражателя 9 в пятне 29, от внешнего отражателя 20 в пятне 32. Число циклов может быть значительно больше двух, так что практически вся энергия луча лазера накачки будет поглощаться в области возбуждения активной пластины под пятном возбуждения. В области возбуждения возникает оптическое усиление, которое при наличии обратной связи, достигаемой с помощью зеркального покрытия 12 активной пластины 11 и внешнего частично пропускающего зеркала 3, приводит к возникновению лазерной генерации. Луч лазера 17 выходит из резонатора через зеркало 3 вдоль первой оптической оси 4.

На фиг. 3 представлен другой вариант исполнения дискового лазера согласно заявляемому техническому решению. Устройство содержит единую активную пластину-отражатель 41 с зеркальным высокоотражающим покрытием 42 на первой стороне и с просветляющим покрытием 43 на второй стороне, закрепленную своей первой стороной на хладопроводящей подложке 44; внешние высокоотражающее зеркало 2 и частично пропускающее зеркало 3, образующее вместе с зеркальным покрытием единой активной пластины-отражателя оптический резонатор дискового лазера с первой оптической осью 4, вдоль которой распространяется и выходит из резонатора генерируемое излучение 17; лазер накачки 5; систему фокусировки 19 луча лазера накачки; внешний отражатель 20 со второй оптической осью 21 и тремя отверстиями: 22 для ввода луча накачки, 54 и 55 для генерируемого излучения, имеющий вогнутую поверхность с зеркальным покрытием, характеризуемую фокусным расстоянием. Плоскость первой поверхности единой активной пластины-отражателя перпендикулярна второй оптической оси 21 и находится на оптическом расстоянии, равном двойному фокусному расстоянию внешнего отражателя. Первая оптическая ось 4 проходит через внешнее высокоотражающее зеркало 2, через отверстие 54 внешнего отражателя 20 и центр пятна возбуждения 27 на поверхности 43 единой активной пластины-отражателя 41, отражается от единой активной пластины-отражателя в сторону внешнего отражателя 20, отражается от зеркальной вогнутой поверхности внешнего отражателя в точке 57, проходит через центр пятна изображения 29, отражается от поверхности 43, проходит через отверстие 55 и далее через внешнее частично пропускающее зеркало 3. В данном устройстве точка 57 совпадает с точкой пересечения второй оптической оси с зеркальной вогнутой поверхностью внешнего отражателя. Но это совпадение не обязательно. Можно использовать другое расположение отверстий 54 и 55 и, соответственно, внешних зеркал 2 и 3, когда точка отражения - преломления первой оптической оси на зеркальной вогнутой поверхности внешнего отражателя будет не совпадать с центром этого отражателя.

Дисковый лазер работает следующим образом. Луч 6 излучение лазера накачки 5 направляется системой фокусировки 19 через отверстие 22 внешнего отражателя 20 и фокусируется в пятно возбуждения 27 на второй поверхности с просветляющим покрытием 43 единой активной пластины-отражателя 41. Излучение лазера накачки проходит через единую активную пластину-отражатель, частично поглощаясь в ней, отражается от зеркального покрытия 42, снова проходит через пластину-отражатель, частично поглощаясь в ней. Прошедшее дважды пластину излучение лазера накачки направляется к внешнему отражателю 20 в пятно 28. Отражаясь от внешнего отражателя 20, луч прошедшего излучения фокусируется в пятно изображения 29 на второй поверхности с просветляющим покрытием 43 единой активной пластины-отражателя 41. Излучение проходит через пластину, частично поглощаясь в ней, отражается от зеркального покрытия 42, снова проходит через пластину, частично поглощаясь в ней. Луч прошедшего четырежды пластину излучения лазера накачки из пятна изображения направляется к внешнему отражателю в пятно 30, и после отражения от отражателя 20 снова фокусируется в пятно возбуждения 27 единой активной пластины-отражателя 41 и еще раз дважды проходит через пластину, частично поглощаясь в ней. Далее цикл повторяется при последующих отражениях луча прошедшего излучения лазера накачки от отражателя 20 в пятне 31, от активной пластины 41 в пятне 29, от внешнего отражателя 20 в пятне 32. Число циклов может быть значительно больше двух, так что практически вся энергия луча лазера накачки будет поглощаться в области возбуждения единой активной пластины-отражателя под пятном возбуждения и пятном изображения. В области возбуждения возникает оптическое усиление, которое при наличии обратной связи, достигаемой с помощью зеркального покрытия 42 активной пластины 41 и внешних зеркал 2 и 3, приводит к возникновению лазерной генерации. Луч лазера 17 выходит из резонатора через зеркало 3 вдоль первой оптической оси 4.

Поскольку луч генерируемого излучения в данном варианте отражается от внешнего отражателя в точке 57, то, по меньшей мере, вблизи этой точки зеркальное покрытие вогнутой поверхности внешнего отражателя должно быть выполнено высокоотражающим для длины волны генерируемого излучения.

Отверстия 22, 54 и 55 можно не делать, если материал внешнего отражателя является прозрачным для излучения накачки и генерируемого излучения и на поверхности отражателя в местах пересечения их лучами излучения лазера накачки и генерируемого излучения нанесены просветляющие покрытия соответственно для длины волны излучения лазера накачки и длины волны генерируемого излучения. Более того, возможен вариант исполнения устройств, в котором и луч накачки и лучи генерируемого излучения не проходят через внешний отражатель, а проходят рядом с его краями.

На фиг. 4 схематично представлен ход лучей в многопроходной системе накачки в проекции на плоскость, перпендикулярную оптической оси этой системы. Фиг. 4 поясняет работу многопроходной системы накачки дискового лазера в одном из вариантов его исполнения. Внешний отражатель 20 имеет отверстие для ввода луча накачки 22 и два отверстия 54 и 55 для генерируемого излучения. Вторая оптическая ось соответствует перпендикуляру к плоскости рисунка, проходящего через центр внешнего отражателя.

При работе дискового лазера луч излучения накачки 6, прошедший через отверстие 22, фокусируется в пятно возбуждения, которое на данном рисунке представлено проекцией 75. После частичного поглощения в тонкой единой активной пластине-отражателе луч излучения накачки следует на вогнутую поверхность внешнего отражателя 20 в пятно 76. После отражения от внешнего отражателя луч фокусируется в пятно изображения на поверхности единой активной пластины-отражателя, которое на данном рисунке представлено проекцией 77. После частичного поглощения в тонкой единой активной пластине-отражателе луч излучения накачки следует далее на вогнутую поверхность внешнего отражателя 20 в пятно 78. После отражения от внешнего отражателя луч фокусируется в пятно возбуждения на поверхности единой активной пластины-отражателя с проекцией 75. Далее цикл повторяется несколько раз в следующей последовательности: отражение от внешнего отражателя в пятне 79, отражение с частичным поглощением в пятне изображения с проекцией 77, отражение от внешнего отражателя в пятне 80, отражение с частичным поглощением в пятне возбуждения с проекцией 75, отражение от внешнего отражателя в пятне 81, отражение с частичным поглощением в пятне изображения с проекцией 77, отражение от внешнего отражателя в пятне 82, отражение с частичным поглощением в пятне возбуждения с проекцией 75, отражение от внешнего отражателя в пятне 83, отражение с частичным поглощением от пятна изображения с проекцией 77, отражение от внешнего отражателя в пятне 84, отражение с частичным поглощением в пятне возбуждения с проекцией 75, отражение от внешнего отражателя в пятне 85, отражение с частичным поглощением в пятнеизображения с проекцией 77, отражение от внешнего отражателя в пятне 86, отражение с частичным поглощением в пятне возбуждения с проекцией 75, отражение от внешнего резонатора в пятне 87, отражение с частичным поглощением в пятне возбуждения с проекцией 77 и отражение от внешнего отражателя в пятне 88. Пятно 88 уже приходится на край внешнего отражателя, при этом существенно увеличиваются потери при отражении. При следующем цикле луч полностью уходит из полуконцентрического резонатора. Однако в этой схеме на пятно возбуждения и пятно изображения луч излучения лазера накачки падает по шесть раз, при этом область возбуждения под каждым пятном луч излучения лазера накачки проходит 12 раз. Этого обычно вполне хватает для того, чтобы накачка практически полностью поглотилась в области возбуждения единой активной пластины-отражателя. Отметим также, что пятно 78 не должно накладываться на отверстие 22. Иначе будут потери излучения лазера накачки уже при первом обходе полуконцентрического резонатора, связанные с частичным выходом излучения через отверстие 22. Диаметр отверстия 22 разумно делать примерно равным диаметру пятна 78. В этом случае пятно 78 не накладывается на отверстие 22, если расстояние между этими пятнами больше диаметра пучка на поверхности внешнего отражателя 20 (соответствует диаметру пятна 78). Это соответствует тому, что расстояние между пятнами возбуждение 75 и изображения 77 больше половины диаметра пучка, а расстояние между пятном возбуждения и точкой пересечения второй оптической оси со второй поверхностью активной пластины больше четверти диаметра пучка.

В данном случае область возбуждения активной пластины включает в себя объем пластины под пятном возбуждения и пятном изображения. Первая оптическая ось на данной схеме представляется проекцией 89. Генерируемое излучение, распространяющееся вдоль первой оптической оси, претерпевает отражение от внешнего отражателя в пятне 90 и выходит из полуконцентрического резонатора через отверстия 54 и 55.

На фиг. 5 схематично представлен ход лучей излучения лазера накачки и генерируемого излучения в варианте дискового лазера с прямоугольной формой внешнего отражателя (проекция на плоскость, перпендикулярную второй оптической оси). В этом варианте для упрощения изготовления внешнего отражателя его форма выбрана таким образом, чтобы луч излучения лазера накачки 6 заходил в полуконцентрический резонатор вблизи края внешнего отражателя 20, имея поперечное сечение 93 вблизи вогнутой зеркальной поверхности внешнего отражателя. Луч 6 фокусируется в пятно возбуждения на поверхности единой активной пластины-отражателя с проекцией 75. Далее он отражается от пластины, частично поглотившись в ней, и направляется на внешний отражатель в одно из пятен отражения 95, которое симметрично сечению 93 относительно пятна возбуждения. Отразившись в пятне 95, луч фокусируется в пятно изображения с проекцией 77. Далее ход лучей аналогичен ходу лучей, описанному выше при рассмотрении фиг. 4. Выбранная форма внешнего отражателя позволяет также вводить и выводить генерируемое излучение в полуконцентрический резонатор, минуя внешний отражатель. Для этого используется трехзеркальная схема оптического резонатора дискового лазера, содержащая высокоотражающие зеркала с проекциями 97 и 98 и частично пропускающее зеркало с проекцией 99. Луч генерируемого излучения проходит не через дополнительные отверстия во внешнем отражателе, а вблизи его краев. В этом варианте зеркальное покрытие на вогнутой поверхности внешнего отражателя может быть сделано однородным и иметь высокий коэффициент отражения лишь для длины волны излучения лазера накачки.

На фиг. 6 представлена схема многопроходной системы накачки (проекция на плоскость, проходящую через вторую оптическую ось) в одном из вариантов исполнения согласно заявляемому техническому решению. В данном варианте активная пластина 11 с высокоотражающим покрытием 12 на первой поверхности и просветляющим покрытием 13 на второй поверхности закреплена на хладопроводе 14. Внешний отражатель 20 имеет вогнутую поверхностью с зеркальным покрытием 107, вторую оптическую ось 21 и характеризуется фокусным расстоянием. Плоский отражатель 9 с зеркальной поверхностью 25 расположен рядом с активной пластиной 11. Внешний отражатель 20 с зеркальным покрытием 107, плоский отражатель 9 с зеркальной поверхностью 25 и активная пластина 11 с зеркальным покрытием 12 образуют полуконцентрический резонатор. Вторая оптическая ось проходит между активной пластиной и плоским отражателем и перпендикулярна первой поверхности с зеркальным покрытием 12 и зеркальной поверхности 25. Оптическое расстояние от этих поверхностей 12 и 25 до точки пересечения второй оптической оси 21 с вогнутой поверхностью 107 равно двойному фокусному расстоянию. Вогнутая поверхность 107 является поверхностью сферы или параболоида вращения вокруг второй оптической оси 21. Однако поперечные размеры внешнего отражателя не симметричны относительно этой оси (справа размер внешнего отражателя относительно второй оптической оси больше). Это позволяет завести луч 6 излучения лазера накачки в полуконцентрический резонатор слева.

Многопроходная система накачки работает следующим образом. Луч 6 фокусируется в пятно возбуждения 27 на второй поверхности с просветляющим покрытием 13 активной пластины 11, проходит через активную пластину, частично поглощаясь в ней, отражается от зеркального покрытия 12 на первой поверхности активной пластины, снова проходит через пластину, частично поглощаясь в ней, и выходит из пластины с уменьшенной мощностью. Уменьшение мощности луча на фиг 6 показано уменьшением его ширины (сравните луч 6 и луч 109). Сужение диаметра луча при фокусировке и его расходимость после отражения от активной пластины не показаны.

Далее луч излучения накачки отражается от внешнего отражателя и фокусируется в пятно изображения 29 на зеркальном покрытии 25 плоского отражателя 9. После отражения от зеркальной поверхности 25 луч направляется на внешний отражатель, отражается от него и фокусируется в пятно возбуждения 27 на второй поверхности активной пластины 11. Далее цикл повторяется несколько раз. Ход лучей на рисунке обозначен стрелками. Процесс продолжается либо до полного поглощения луча излучения накачки в активной пластине либо луч выходит за край внешнего отражателя.

Активная пластина выполняется из кристалла, стекла или керамики с активными примесями, которые известны как материалы, перспективные для использования в дисковых твердотельных лазерах. В частности, активная пластина может быть выполнена из кристаллов соединений А2В6, легированных переходными металлами.

На фиг. 7 представлена схема многопроходной системы накачки (проекция на плоскость, проходящую через вторую оптическую ось) в другом варианте исполнения согласно заявляемому техническому решению. В данном варианте плоский отражатель и активная пластина объединены в единой активной пластине-отражателе. Единая активная пластина-отражатель 41 с высокоотражающим покрытием 42 на первой поверхности и просветляющим покрытием 43 на второй поверхности закреплена на хладопроводе 44. Внешний отражатель 20 имеет вогнутой поверхностью с зеркальным покрытием 107, вторую оптическую ось 21 и характеризуется фокусным расстоянием. Внешний отражатель 20 с зеркальным покрытием 107 и активная пластина 41 с зеркальным покрытием 42 образуют полуконцентрический резонатор. Вторая оптическая ось 21 проходит через центр активной пластины 41 и перпендикулярна первой поверхности с зеркальным покрытием 42. Оптическое расстояние от этой поверхности до точки пересечения второй оптической оси 21 с вогнутой поверхностью, на которую нанесено зеркальное покрытие 107, равно двойному фокусному расстоянию. Вогнутая поверхность является поверхностью сферы или параболоида вращения вокруг второй оптической оси 21. Однако поперечные размеры внешнего отражателя не симметричны относительно этой оси (справа размер внешнего отражателя относительно второй оптической оси больше). Это позволяет завести луч 6 излучения лазера накачки в полуконцентрический резонатор слева.Многопроходная система накачки работает следующим образом. Луч 6 фокусируется в пятно возбуждения 27 на второй поверхности с просветляющим покрытием 43 активной пластины 41, проходит через активную пластину, частично поглощаясь в ней, отражается от зеркального покрытия 42 на первой поверхности активной пластины, снова проходит через пластину, частично поглощаясь в ней, и выходит из пластины с уменьшенной мощностью. Уменьшение мощности луча на фиг. 7 схематично показано уменьшением его ширины (сравните луч 6 и луч 109). Сужение диаметра луча при фокусировке и его расходимость после отражения от активной пластины не показаны.

Далее луч излучения накачки 109 отражается от внешнего отражателя и фокусируется в пятно изображения 29 на второй поверхности активной пластины 41, проходит через эту пластину, частично поглощаясь, отражается от зеркального покрытия 42, снова проходит через активную пластину, частично поглощаясь в ней, и выходит из пластины в сторону внешнего отражателя с уменьшенной мощностью, что показано схематично уменьшением ширины луча. После отражения от внешнего отражателя луч фокусируется в пятно возбуждения 27 на второй поверхности активной пластины 41. Далее цикл повторяется несколько раз. Ход лучей на рисунке обозначен стрелками. Процесс продолжается либо до полного поглощения луча излучения накачки в активной пластине либо луч выходит за край внешнего отражателя. В данном случае область возбуждения активной пластины состоит из двух разделенных областей под пятнами возбуждения и изображения.

На фиг. 8 представлена схема многопроходной системы накачки (проекция на плоскость, проходящую через вторую оптическую ось) еще в одном варианте исполнения согласно заявляемому техническому решению. Активная пластина и плоский отражатель со своими зеркальными покрытиями выполнены в виде многослойной полупроводниковой гетероструктуры, включающей активную часть 133 и распределенное брэгговское зеркало 134. Активная часть содержит относительно толстые (100-500 нм) барьерные слои из соединения, имеющего большую ширину запрещенной зоны, и относительно тонкие (1-15 нм) слои из соединения, имеющего меньшую ширину запрещенной зоны. Тонкие слои являются квантовыми энергетическими ямами для свободных электронов и дырок. Активная часть гетероструктуры 133 выращена на распределенном высокоотражающем брэгговском зеркале 134, состоящем из чередующихся четвертьволновых слоев двух соединений с большим и меньшим показателем преломления, которое, в свою очередь, было выращено на ростовой подложке 135, являющейся также хладопроводом. Ростовая подложка может быть приклеена или припаяна на дополнительный хладопровод, который на фиг. 8 не показан. На свободную поверхности гетероструктуры (вторую поверхность активной пластины) может быть нанесено просветляющее покрытие 132, хотя это не обязательно, поскольку полная толщина слоев квантовых ям и барьерных слоев составляет не более 10 мкм. Толщины слоев должны быть выбраны таким образом, чтобы квантовые ямы находились в пучностях моды оптического резонатора дискового лазера.

Внешний отражатель 20 имеет вогнутой поверхностью с зеркальным покрытием 107, вторую оптическую ось 21 и характеризуется фокусным расстоянием. Внешний отражатель 20 с зеркальным покрытием 107 и брэгговское зеркало 134 образуют полуконцентрический резонатор. Вторая оптическая ось 21 проходит через центр брэгговского зеркала 134. Оптическое расстояние от этого зеркала до точки пересечения второй оптической оси 21 с вогнутой поверхностью 107 равно двойному фокусному расстоянию. Вогнутая поверхность 107 является поверхностью сферы или параболоида вращения вокруг второй оптической оси 21. Однако поперечные размеры внешнего отражателя не симметричны относительно этой оси (справа размер внешнего отражателя относительно второй оптической оси больше). Это позволяет завести луч 6 излучения лазера накачки в полуконцентрический резонатор слева.

Многопроходная система накачки работает следующим образом. Луч 6 фокусируется в пятно возбуждения 27 на поверхности гетероструктуры с покрытием 132, проходит через активную часть гетероструктуры 133, частично поглощаясь в квантовых ямах, отражается от брэгговского зеркала 134, снова проходит через активную часть гетероструктуры, частично поглощаясь в квантовых ямах, и выходит из гетероструктуры с уменьшенной мощностью. Уменьшение мощности луча на фиг. 8 схематично показано уменьшением его ширины (сравните луч 6 и луч 109). Сужение диаметра луча при фокусировке и его расходимость после отражения от активной пластины не показаны.

Далее луч излучения накачки 109 отражается от внешнего отражателя и фокусируется в пятно изображения 29 на поверхности гетероструктуры с покрытием 132, проходит через активную часть 133, частично поглощаясь в квантовых ямах, отражается от брэгговского зеркала 134, снова проходит через активную часть, частично поглощаясь в квантовых ямах, и выходит из гетероструктуры в сторону внешнего отражателя с уменьшенной мощностью, что показано схематично уменьшением ширины луча. После отражения от внешнего отражателя луч фокусируется в пятно возбуждения 27 на поверхности гетероструктуры с покрытием 132. Далее цикл повторяется несколько раз. Ход лучей на рисунке обозначен стрелками. Процесс продолжается либо до полного поглощения луча излучения накачки в активной части гетероструктуры, либо луч выходит за край внешнего отражателя. В данном случае область возбуждения активной пластины состоит из двух разделенных областей под пятнами возбуждения и изображения.

В данном варианте квант энергии фотона излучения лазера накачки должен быть меньше ширины запрещенной зоны толстых барьерных слоев, но слегка (на 25-100 мэВ) больше ширины запрещенной зоны материала квантовых ям. Различие в ширинах запрещенных зон материалов барьерных слоев и квантовых ям должны быть не менее 300 мэВ. В противном случае генерируемые накачкой неравновесные носители заряда не будут эффективно локализоваться в квантовых ямах. Длина волны генерируемого излучения дискового лазера будет определяться шириной запрещенной зоны материала квантовых ям. В гетероструктурах с разрывами краев разрешенных зон II - типа длина волны генерации будет определяться также величиной этих разрывов. В качестве материалов, из которых выращивается гетероструктура, могут быть использованы соединения А2В6, А3В5, в том числе и нитридные соединения элементов третьей группы Периодической таблицы элементов. Подбором соединений можно реализовать дисковый лазер с длиной волны излучения в широком спектральном диапазоне: от среднего инфракрасного до глубокого ультрафиолетового диапазона.

Заявляемое устройство иллюстрируется следующими примерами.

Дисковый лазер содержит активную пластину; лазер накачки; систему фокусировки излучения лазера накачки; внешний отражатель и внешние зеркала оптического резонатора дискового лазера. Активная пластина выполнена из кристалла ZnSe, легированного примесью Cr с концентрацией 2·10¹⁸ см^-3. Пластина отполирована с обеих сторон. Толщина пластины равна 100 мкм. Поперечные размеры пластины равны 3×3 мм. Плоскопараллельность сторон не хуже 3 угловых минут. На одну поверхность нанесено зеркало из чередующихся слоев Si и SiO₂ с коэффициентом отражения не менее 0.995 для излучения с длинами волн 1.9 и 2.5 мкм. Этим зеркалом пластина приклеена теплопроводящим эпоксидным клеем типа Н-20Е к медной подложке, закрепленной на элементе Пельтье. На другую сторону пластины нанесено просветляющее покрытие из Al₂O₃ на длину волны 1.9 мкм.

Внешний отражатель имеет вогнутую сферическую поверхность с радиусом кривизны 50 мм (фокусное расстояние 25 мм), на которую нанесено зеркальное покрытие из чередующихся слоев Si и SiO₂ с коэффициентом отражения не менее 0.995 для излучения с длиной волны 1.9 мкм. Форма внешнего отражателя соответствует прямоугольнику с поперечными размерами 12×25 мм (см. рис. 5). Активная пластина расположена на оптическом расстоянии, равном 50 мм (на двойном фокусном расстоянии), от вогнутой поверхности внешнего отражателя.

Лазер накачки выполнен в виде линейки лазерных диодов с волоконным выходом. Мощность лазера составляет 15 Вт, длина волны излучения равна 1.9 мкм. Фокусирующая система состоит из двух линз. Первая линза создает параллельный лазерный пучок диаметром 6 мм, вторая линза фокусирует этот пучок в пятно возбуждения диаметром 300 мкм на просветленной поверхности активной пластины. Диаметр лазерного пучка, замеренный на двойном фокусном расстоянии от центра пятна возбуждения, равен 4 мм. Расстояние между пятном возбуждения и пятном изображения равно 2.1 мм.

Оптический резонатор дискового лазера образован зеркальным покрытием активной пластины и тремя внешними сферическими зеркалами с радиусом кривизны 70 мм (см. рис. 5). Два зеркала имеют коэффициент отражения на длине волны 2.5 мкм не менее 0.995, а выходное зеркало является частично пропускающим с коэффициентом отражения 0.95. Зеркала размещены на расстоянии 65 мм от середины отрезка, соединяющего центры пятен возбуждения и изображения. Проекции центров этих зеркал на плоскость, в которой размещена просветленная сторона активной пластины, отстоят от линии, проходящей через центры пятен возбуждения и изображения, на расстоянии 15 мм.

Луч лазера накачки возбуждает область активной пластины под пятнами возбуждения и изображения за 22 прохода (12 проходов через пятно возбуждения и 10 проходов через пятно изображения). При этом более 90% всей мощность излучения лазера накачки поглощается в активной пластине. В области возбуждения возникает оптическое усиление, которое при наличии обратной связи приводит к генерации лазерного излучения на длине волны вблизи 2.5 мкм. Генерируемое излучение выводится из оптического резонатора дискового лазера через частично пропускающее внешнее зеркало. Мощность дискового лазера равна 5 Вт. Возбуждается основной поперечный тип колебания резонатора. Полный угол расходимости лазера равен 10 мрад. При помещении призмы в несколько измененный оптический резонатор дискового лазера достигается перестройка длины волны генерации в диапазоне 2.1-3 мкм.

В другом примере в качестве активной пластины и плоского отражателя используется гетероструктура, содержащая 10 квантовых ям из слоев GalnAs толщиной 8 нм, разделенных барьерными слоями GaAsP толщиной примерно 150 нм. Период структуры соответствует половине длине волны излучения в структуре (λ/2N, где N - средний показатель преломления гетероструктуры на длине волны λ). Длина волны излучения равна 1.05 мкм. Активная часть гетероструктуры выращена на брэгговском зеркале, состоящем из 30.5 пар чередующихся четвертьволновых слоев AlGaAs и GaAs. Зеркало, в свою очередь, выращено на подложке GaAs, толщина которой после роста уменьшена полировкой до толщины 100 мкм. Подложка GaAs припаяна к медному хладопроводу металлическим припоем.

В качестве лазера накачки во втором примере используется лазерный диод с длиной волны излучения 1.01 мкм и волоконным выводом. Мощность лазера накачки составляет 10 Вт. Коэффициент отражения внешнего отражателя равен не менее 0.995 на длине волны 1.01 мкм. Зеркала оптического резонатора дискового лазера настроены на длину волны 1.05 мкм. Коэффициент отражения частично пропускающего внешнего зеркала равен 0.97. В остальном устройство по примеру два не отличается от устройства по примеру один.

В результате, дисковый лазер по примеру 2 имеет выходную мощность 6 Вт на длине волны 1.05 мкм с высоким качеством лазерного луча.

Изобретение относится к лазерной технике. Дисковый лазер состоит из оптического резонатора с первой оптической осью, активной пластины, имеющей первую поверхность и вторую поверхность, размещенной внутри оптического резонатора и закрепленной на хладопроводящей подложке своей первой поверхностью, лазера накачки, системы фокусировки излучения лазера накачки и многопроходной оптической системы накачки. Система накачки представляет собой полуконцентрический резонатор с единственным внешним отражателем с вогнутой зеркальной поверхностью, имеющим вторую оптическую ось и характеризуемым фокусным расстоянием, в котором на двойном фокусном расстоянии от внешнего отражателя перпендикулярно второй оптической оси размещены отражающий слой и зеркальное покрытие плоского отражателя. Система фокусировки расположена между лазером накачки и активной пластиной таким образом, что пучок излучения лазера накачки направляется к пластине под углом падения, большим половины угла схождения пучка, и фокусируется в пятно возбуждения вблизи точки пересечения второй оптической оси со второй поверхностью активной пластины, не включающее эту точку. При этом центр пятна возбуждения отстоит от этой точки на расстоянии, превышающем четверть диаметра пучка лазера накачки на двойном фокусном расстоянии от пятна возбуждения. Технический результат заключается в упрощении устройства, увеличении его надежности и расширении спектрального диапазона за счет уменьшения нагрева активной гетероструктуры. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Дисковый лазер, состоящий из оптического резонатора с первой оптической осью, вдоль которой распространяется генерируемое излучение внутри оптического резонатора; активной пластины, имеющей первую поверхность и вторую поверхность, размещенной внутри оптического резонатора и закрепленной на хладопроводящей подложке своей первой поверхностью; лазера накачки; системы фокусировки излучения лазера накачки и многопроходной оптической системы накачки, которая содержит отражающий слой, размещенный между пластиной и подложкой; плоский отражатель с зеркальным покрытием, размещенный рядом с активной пластиной; и, по меньшей мере, один внешний отражатель, имеющий вогнутую поверхность с зеркальным покрытием; в котором пучок излучения лазера накачки первоначально фокусируется в пятно возбуждения на второй поверхности активной пластины в месте пересечения первой оптической осью; проходит через активную пластину, частично поглощаясь в ней; отражается от отражающего слоя; вновь проходит через активную пластину, снова частично поглощаясь в ней; направляется на внешний отражатель многопроходной системы накачки; отражаясь от него, фокусируется этим отражателем в пятно изображения на поверхности плоского отражателя с зеркальным покрытием; отражаясь от него и внешнего отражателя, возвращается в пятно возбуждения; и процесс повторяется до практически полного поглощения излучения лазера накачки в области возбуждения активной пластине, отличающийся тем, что многопроходная оптическая система накачки представляет собой полуконцентрический резонатор с единственным внешним отражателем с вогнутой зеркальной поверхностью, имеющим вторую оптическую ось и характеризуемым фокусным расстоянием, в котором на двойном фокусном расстоянии от внешнего отражателя перпендикулярно второй оптической оси размещены отражающий слой и зеркальное покрытие плоского отражателя, причем система фокусировки расположена между лазером накачки и активной пластиной таким образом, что пучок излучения лазера накачки направляется к пластине под углом падения, большим половины угла схождения пучка, и фокусируется в пятно возбуждения вблизи точки пересечения второй оптической оси со второй поверхностью активной пластины, не включающее эту точку, и центр пятна возбуждения отстоит от этой точки на расстоянии, превышающем четверть диаметра пучка лазера накачки на двойном фокусном расстоянии от пятна возбуждения.

2. Дисковый лазер по п. 1, отличающийся тем, что отражающий слой выполнен в виде дихроического зеркального покрытия, нанесенного на первую поверхность активной пластины и имеющего высокий коэффициент отражения как для излучения лазера накачки, так и для излучения дискового лазера.

3. Дисковый лазер по п. 1, отличающийся тем, что активная пластина выполнена из кристалла соединений А2В6, легированного ионами переходных металлов.

4. Дисковый лазер по п. 1, отличающийся тем, что активная пластина, хладопроводящая подложка и отражающий слой между ними выполнены в виде единой гетероструктуры со встроенным брэгговским зеркалом.

5. Дисковый лазер по п. 4, отличающийся тем, что гетероструктура выполнена из соединений А2В6 или А3В5.

6. Дисковый лазер по п. 1, отличающийся тем, что вогнутая поверхность внешнего отражателя является поверхностью параболоида вращения вокруг второй оптической оси.

7. Дисковый лазер по п. 1, отличающийся тем, что внешний отражатель выполнен из прозрачного материала для излучения лазера накачки, его зеркальное покрытие на вогнутой поверхности имеет высокий коэффициент пропускания для излучения лазера накачки в области пересечения пучка лазера накачки с вогнутой поверхностью и высокий коэффициент отражения для оставшейся поверхности, и внешняя поверхность внешнего отражателя имеет просветляющее покрытие, по меньшей мере, в области пересечения пучка накачки этой поверхности.

8. Дисковый лазер по п. 1, отличающийся тем, что внешний отражатель имеет отверстие, через которое проходит пучок излучения лазера накачки, и его зеркальное покрытие на вогнутой поверхности имеет высокий коэффициент отражения для излучения лазера накачки.

9. Дисковый лазер по п. 7, отличающийся тем, что внешний отражатель выполнен из материала прозрачного для излучения дискового лазера, его зеркальное покрытие на вогнутой поверхности имеет высокий коэффициент пропускания излучения дискового лазера в области вблизи точки пересечения первой оптической оси с вогнутой поверхностью, и внешняя поверхность внешнего отражателя имеет просветляющее покрытие, по меньшей мере, вблизи точки пересечения первой оптической оси с этой поверхностью.

10. Дисковый лазер по п. 9, отличающийся тем, что внешний отражатель выполнен из материала прозрачного для излучения дискового лазера, его зеркальное покрытие на вогнутой поверхности имеет высокий коэффициент пропускания излучения дискового лазера в области вблизи точки пересечения первой оптической оси с вогнутой поверхностью, и внешняя поверхность внешнего отражателя имеет просветляющее покрытие, по меньшей мере, вблизи точки пересечения первой оптической оси с этой поверхностью.

11. Дисковый лазер по п. 7, отличающийся тем, что внешний отражатель имеет, по меньшей мере, одно отверстие вблизи точки пересечения первой оптической оси с внешним отражателем.

12. Дисковый лазер по п. 9, отличающийся тем, что внешний отражатель имеет, по меньшей мере, одно отверстие вблизи точки пересечения первой оптической оси с внешним отражателем.

13. Дисковый лазер по любому из пп. 9, 10, 11 и 12, отличающийся тем, что первая оптическая ось пересекает внешний отражатель в двух точках и преломляется на вогнутой поверхности внешнего отражателя в одной точке, вблизи которой зеркальное покрытие на вогнутой поверхности внешнего отражателя выполнено высокоотражающим для излучения дискового лазера.

14. Дисковый лазер, состоящий из оптического резонатора с первой оптической осью, вдоль которой распространяется генерируемое излучение внутри оптического резонатора; активной пластины, имеющей первую поверхность и вторую поверхность, размещенной внутри оптического резонатора и закрепленной на хладопроводящей подложке своей первой поверхностью; лазера накачки; системы фокусировки излучения лазера накачки и многопроходной оптической системы накачки, которая содержит отражающий слой, размещенный между пластиной и подложкой; плоский отражатель с зеркальным покрытием, размещенный рядом с активной пластиной; и, по меньшей мере, один внешний отражатель, имеющий вогнутую поверхность с зеркальным покрытием; в котором пучок излучения лазера накачки первоначально фокусируется в пятно возбуждения на второй поверхности активной пластины в месте пересечения первой оптической осью; проходит через активную пластину, частично поглощаясь в ней; отражается от отражающего слоя; вновь проходит через активную пластину, снова частично поглощаясь в ней; направляется на внешний отражатель многопроходной системы накачки; отражаясь от него, фокусируется этим отражателем в пятно изображения на поверхности плоского отражателя с зеркальным покрытием; отражаясь от него и внешнего отражателя, возвращается в пятно возбуждения; и процесс повторяется до практически полного поглощения излучения лазера накачки в области возбуждения активной пластине, отличающийся тем, что отражающий слой выполнен в виде высокоотражающего для излучения лазера накачки и излучения дискового лазера зеркального покрытия, нанесенного на первую поверхность активной пластины; плоский отражатель является частью активной пластины; зеркальное покрытие плоского отражателя является частью зеркального покрытия активной пластины; объем активной пластины под пятном возбуждения и пятном изображения является областью возбуждения активной пластины; активная пластина выполнена из кристалла соединений А2В6, легированного ионами переходных металлов; многопроходная оптическая система накачки представляет собой полуконцентрический резонатор с единственным внешним отражателем, имеющим вторую оптическую ось и характеризуемым фокусным расстоянием, в котором на двойном фокусном расстоянии от внешнего отражателя перпендикулярно второй оптической оси размещен отражающий слой; система фокусировки расположена между лазером накачки и активной пластиной таким образом, что пучок излучения лазера накачки направляется к пластине под углом падения, большим половины угла схождения пучка, и фокусируется в пятно возбуждения вблизи точки пересечения второй оптической оси со второй поверхностью активной пластины, не включающее эту точку; центр пятна возбуждения отстоит от этой точки на расстоянии, превышающем четверть диаметра пучка лазера накачки на двойном фокусном расстоянии от пятна возбуждения; и внешний отражатель имеет форму с ограниченными поперечными размерами, позволяющую вводить в полуконцентрический резонатор и выводить из него пучки лазера накачки и генерируемого излучения, не пересекая вогнутую поверхность внешнего отражателя, на которой зеркальное покрытие является однородным и высокоотражающим для излучения лазера накачки.

15. Дисковый лазер, состоящий из оптического резонатора с первой оптической осью, вдоль которой распространяется генерируемое излучение внутри оптического резонатора; активной пластины, имеющей первую поверхность и вторую поверхность, размещенной внутри оптического резонатора и закрепленной на хладопроводящей подложке своей первой поверхностью; лазера накачки; системы фокусировки излучения лазера накачки и многопроходной оптической системы накачки, которая содержит отражающий слой, размещенный между пластиной и подложкой; плоский отражатель с зеркальным покрытием, размещенный рядом с активной пластиной; и, по меньшей мере, один внешний отражатель, имеющий вогнутую поверхность с зеркальным покрытием; в котором пучок излучения лазера накачки первоначально фокусируется в пятно возбуждения на второй поверхности активной пластины в месте пересечения первой оптической осью; проходит через активную пластину, частично поглощаясь в ней; отражается от отражающего слоя; вновь проходит через активную пластину, снова частично поглощаясь в ней; направляется на внешний отражатель многопроходной системы накачки; отражаясь от него, фокусируется этим отражателем в пятно изображения на поверхности плоского отражателя с зеркальным покрытием; отражаясь от него и внешнего отражателя, возвращается в пятно возбуждения; и процесс повторяется до практически полного поглощения излучения лазера накачки в области возбуждения активной пластине, отличающийся тем, что отражающий слой выполнен в виде высокоотражающего для излучения лазера накачки и излучения дискового лазера зеркального покрытия, нанесенного на первую поверхность активной пластины; плоский отражатель является частью активной пластины; зеркальное покрытие плоского отражателя является частью зеркального покрытия активной пластины; объем активной пластины под пятном возбуждения и пятном изображения является областью возбуждения активной пластины; активная пластина, хладопроводящая подложка и отражающий слой между ними выполнены из соединений А2В6 или А3В5 в виде единой гетероструктуры с встроенным брэгговским зеркалом; многопроходная оптическая система накачки представляет собой полуконцентрический резонатор с единственным внешним отражателем, имеющим вторую оптическую ось и характеризуемым фокусным расстоянием, в котором на двойном фокусном расстоянии от внешнего отражателя перпендикулярно второй оптической оси размещен отражающий слой; система фокусировки расположена между лазером накачки и активной пластиной таким образом, что пучок излучения лазера накачки направляется к пластине под углом падения, большим половины угла схождения пучка, и фокусируется в пятно возбуждения вблизи точки пересечения второй оптической оси со второй поверхностью активной пластины, не включающее эту точку; центр пятна возбуждения отстоит от этой точки на расстоянии, превышающем четверть диаметра пучка лазера накачки на двойном фокусном расстоянии от пятна возбуждения; и внешний отражатель имеет форму с ограниченными поперечными размерами, позволяющую вводить в полуконцентрический резонатор и выводить из него пучки лазера накачки и генерируемого излучения, не пересекая вогнутую поверхность внешнего отражателя, на которой зеркальное покрытие является однородным и высокоотражающим для излучения лазера накачки.