ИНФРАКРАСНЫЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 2016 года по МПК H01S3/94 H01S3/08 

Изобретение относится к области лазерной физики и может быть использовано при разработке источников лазерного излучения среднего инфракрасного (ИК) диапазона (3,95…5,05 мкм).

В [1] предлагается дисковый лазер с модулированной добротностью резонатора, содержащий оптически связанные дисковый активный элемент, резонатор, модулятор добротности резонатора, источник накачки активного элемента и систему охлаждения активного элемента. Новым, по мнению авторов, является то, что устройство дополнительно снабжено модулятором добротности с боковым выводом излучения, размещенным в дополнительном полуконцентрическом резонаторе, при этом плоское зеркало дополнительного резонатора имеет 100% отражение на длине волны лазерного излучения.

Данное техническое решение не позволяет получать длину волны излучения среднего ИК-диапазона.

В рамках работы [2] реализована генерация мощного малогабаритного Er:YLF-лазера с диодной накачкой в режиме модуляции добротности пассивным затвором на кристалле Fe²⁺:ZnSe. В качестве источника накачки использовалась матрица лазерных диодов Активный элемент лазера (Er:YLF, концентрация активатора 15 ат.%) имел форму цилиндра с размерами ⌀2×35 мм. На один из торцов активного элемента было нанесено диэлектрическое покрытие, выполняющее роль глухого зеркала для излучения генерации и просветляющего покрытия для излучения накачки. На второй торец было нанесено просветляющее покрытие.

Ввод излучения накачки в активный элемент осуществлялся по продольно-поперечной схеме, реализованной с помощью системы призм полного внутреннего отражения. Резонатор лазера был образован плоским глухим зеркалом, напыленным на торце активного элемента, и внешним сферическим выходным зеркалом (радиус кривизны 1,2 м, коэффициент отражения 0,85 или 0,95). В экспериментах использовались два Fe:²⁺ZnSe-затвора с различным начальным пропусканием.

В устройстве [3] излучение лазера на основе кристалла YAG:Er³⁺ с длиной волны генерации 2,94 мкм, работавшего в режиме активной модуляции добротности, фокусировалось цилиндрической линзой (в линию длиной около 10 мм и шириной ~100 мкм) на поверхность кристалла ZnSe, содержавшую обогащенный ионами Fe²⁺ слой, длительность импульса накачки составляла ~ 100 нс. Излучение суперлюминесценции регистрировалось в направлении вдоль линии фокусировки накачки в области кристалла, непосредственно прилегающей к его поверхности. Грани, через которые излучение выходило из кристалла, скалывались. Ось пучка излучения являлась продолжением линии накачки с учетом преломления на грани кристалла. Поэтому резонатор, обеспечивающий обратную связь для излучения, отсутствовал.

В работе [4] приведена схема установки по исследованию Fe:ZnSe-лазера (концентрация ионов Fe²⁺ составляла 2,5×10¹⁸ см^-3) при накачке излучением Er:YAG-лазера, работающего в режиме свободной генерации. Активный элемент представлял собой параллелепипед с поперечными размерами 9,7×10,1 мм и длиной (длина усиления) 7,7 мм, торцы которого полировались и не просветлялись. Чтобы уменьшить сброс инверсии усиленным спонтанным шумом, распространяющимся в поперечном к оптической оси резонатора направлении, боковые поверхности кристалла были заматированы и покрыты (зачернены) аквадагом. Резонатор лазера Fe:ZnSe образован «глухим» сферическим зеркалом с радиусом кривизны 1000 мм и плоским полупрозрачным зеркалом. Коэффициент пропускания выходного зеркала на длине волны генерации составлял 72%, длина резонатора - 350 мм. Пучок излучения Er:YAG-лазера, сфокусированный в пятно диаметром 6 мм (95% энергии), падал на кристалл Fe:ZnSe под улом 3° к оптической оси резонатора.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство, описанное в [5, 6], где указано, что впервые достигнута генерация на кристалле Fe²⁺:ZnSe при комнатной температуре при накачке короткими (50 нс) импульсами лазера Er:YAG (2,94 мкм), запущенного в режиме модулированной добротности с помощью также кристалла Fe²⁺:ZnSe, но с меньшей концентрацией Fe [5].

В устройстве [6] активный элемент для Fe²⁺:ZnSe-лазера был изготовлен из монокристалла Fe²⁺:ZnSe, выращенного из паровой фазы методом свободного роста на монокристаллическую затравку. Легирование ионами Fe²⁺ до концентрации ~ 1×10¹⁸ см^-3 проводилось непосредственно в процессе роста. Активный элемент лазера накачки имел длину 10 мм в поперечный размер 17×10 мм. Резонатор был образован задним сферическим зеркалом (радиус кривизны 50 см) и плоским выходным зеркалом с интерференционными покрытиями, нанесенными на подложку из CaF₂. Кристалл Fe²⁺:ZnSe был установлен вблизи выходного зеркала под углом Брюстера к оптической оси резонатора. Накачка Fe²⁺:ZnSe-лазера осуществлялась излучением Er:YAG-лазера с длиной волны излучения 2,94 мкм в режиме пассивной модуляции добротности резонатора. Пассивным затвором в Er:YAG-лазере служила плоскопараллельная пластинка из монокристалла Fe²⁺:ZnSe.

Общим недостатком устройств [2-6] является использование двух кристаллов Fe²⁺:ZnSe для получения лазерного излучения среднего ИК-диапазона. Один кристалл используется в качестве пассивного модулятора добротности резонатора лазера накачки для увеличения мощности импульса накачки. Второй - для непосредственного получения генерации лазерного излучения в среднем ИК-диапазоне. Причем в устройстве [4] специально предпринимают меры для срыва генерации в кристалле Fe²⁺:ZnSe в направлении, поперечном к оптической оси резонатора лазера накачки.

Задачей изобретения является получение компактного ИК-излучателя, в котором один кристалл Fe²⁺:ZnSe используется одновременно как пассивный модулятор добротности и как активный элемент. Для этого кристалл Fe²⁺:ZnSe имеет форму параллелепипеда и располагается внутри резонатора лазера накачки. Причем на грани кристалла, перпендикулярные оптической оси лазера накачки, наносится просветляющее диэлектрическое покрытие с максимумом пропускания на длине волны лазера накачки. На грани кристалла, параллельные оптической оси лазера накачки, наносится просветляющее диэлектрическое покрытие с максимумом пропускания на требуемой длине волны среднего ИК-диапазона (3,95…5,05 мкм). Для более эффективного использования кристалла Fe²⁺:ZnSe концентрация ионов Fe²⁺ может быть не равномерной вдоль оси накачки и иметь строго заданный закон распределения в зависимости от требований, предъявляемым к предполагаемому изобретению.

Резонатор лазера накачки представляет собой заднее сферическое и переднее плоскопараллельное зеркала с интерференционными покрытиями, нанесенными на подложку из CaF₂ либо какой-либо другой оптический материал, прозрачный в ИК-области спектра. Покрытия обоих зеркал имеют максимум отражения на длине волны лазера накачки, образуя «глухой» полуконфокальный резонатор. Резонатор и активная среда, выполненная из кристалла Er:YAG, представляют собой лазер накачки.

Для вывода излучения среднего ИК-диапазона устанавливают резонатор, параллельно граням кристалла Fe²⁺:ZnSe с нанесенным просветляющим диэлектрическим покрытием с максимумом пропускания на требуемой длине волны среднего ИК-диапазона (3,95…5,05 мкм). На фиг. 1 представлена схема предлагаемого изобретения, где цифрами обозначены: 1 - активная среда - кристалл Er:YAG; 2 - излучение накачки; 3 - полуконфокальный «глухой» резонатор для длины волны 2,94 мкм; 4 -кристалл Fe²⁺:ZnSe (пассивный модулятор добротности - лазерная активная среда); 5 - дополнительный резонатор для длины волны среднего ИК-диапазона (3,95…5,05 мкм); 6 - грани кристалла Fe²⁺:ZnSe, просветленные для длины волны 2,94 мкм; 7 - грани кристалла Fe²⁺:ZnSe, просветленные для длины волны среднего ИК-диапазона; 8 - излучение лазера накачки (2,94 мкм); 9 - лазерное излучение среднего ИК-дипазона.

Литература

1. Чивель Ю.А., Затягин Д.А., Никончук И.С. Дисковый лазер с модулированной добротностью резонатора (варианты). Патент на изобретение RU 2365006. Опубликовано 20.08.2009. Бюл. №23.

2. Иночкин М.В., Назаров В.В., Сачков Д.Ю., Хлопонин Л.В., Храмов В.Ю., Коростелин Ю.В., Ландман А.И., Подмарьков Ю.П., Фролов М.П. Малогабаритный Er:YLF-лазер с пассивным Fe²⁺:ZnSe-затвором. "Оптический журнал", 79, 6, 2012, с. 31-35.

3. Ильичев Н.Н., Данилов В.П., Калинушкин В.П., Студеникин М.И., Шапкин П.В., Насибов А.С. Суперлюминесцентный ИК-излучатель на кристалле ZnSe:Fe²⁺, работающий при комнатной температуре. Квантовая электроника. 2008, том 38, №2, с. 95-96.

4. Великанов С.Д., Зарецкий Н.А., Зотов Е.А., Козловский В.И., Коростелин Ю.В., Крохин О.Н., Манешкин А.А., Подмарьков Ю.П., Савинова С.А., Скасырский Я.К., Фролов М.П., Чуваткин Р.С., Юткин И.М. Исследование работы Fe:ZnSe-лазер в импульсном и импульсно-периодическом режимах. Квантовая электроника. 45, №1 (2015), С. 1-7.

5. Ландман А.И. Парофазный рост монокристаллов соединений A^IIB^VI, легированных переходными металлами, для лазеров среднего ИК-диапазона. Диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. М.: Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН. 2008 г. 118 с.

6. Акимов В.А., Воронов А.А., Созловский В.И., Соростелин Ю.В., Ландман А.И., Подмарысов Ю.П., Фролов М.П. Эффективная лазерная генерация кристалла Fe²⁺:ZnSe при комнатной температуре. Квантовая электроника. 36, №4 (2006).

Изобретение относится к лазерной технике. Инфракрасный твердотельный лазер содержит лазер накачки, кристалл Fe²⁺:ZnSe - пассивный модулятор добротности и дополнительный резонатор. Резонатор лазера накачки выполнен «глухим», а пассивный модулятор добротности имеет вид кристалла Fe²⁺:ZnSe, установленного между зеркалами дополнительного резонатора внутри лазера накачки. Технический результат заключается в обеспечении компактности устройства, за счет использования одного кристалла Fe²⁺:ZnSe одновременно в качестве пассивного модулятора добротности и активного элемента. 1 ил.

Инфракрасный твердотельный лазер, содержащий лазер накачки, кристалл Fe²⁺:ZnSe - пассивный модулятор добротности, дополнительный резонатор, отличающийся тем, что резонатор лазера накачки выполнен «глухим», а пассивный модулятор добротности имеет вид кристалла Fe²⁺:ZnSe, установленного между зеркалами дополнительного резонатора внутри лазера накачки.