Диодный лазер с внешним резонатором Российский патент 2019 года по МПК H01S5/14 H01S3/08 H01S5/22 

Изобретение относится к квантовой электронике и лазерной технологии. Оно может быть использовано для создания перестраиваемых диодных лазеров с внешними резонаторами, обеспечивающими генерацию на одной продольной моде.

Известен твердотельный лазер с продольной накачкой [RU 2172544, C1, H01S 3/02, 20.08.2001], в корпусе которого установлены последовательно соединенные оптический модуль накачки и резонатор лазера с активным элементом и выходным зеркалом, причем, активный элемент вклеен теплопроводящим компаундом в калиброванный ложемент, который выполнен со стороны оптического модуля накачки в цилиндрической оправе резонатора, закрепленной в корпусе лазера соосно с оптической осью модуля накачки, при этом, калибр ложемента D=d+(5-50) мкм, где d - диаметр активного элемента.

Недостатком этого технического решения является относительно высокая сложность.

Известен также компактный твердотельный лазер с продольной накачкой [RU 2382458, C1, H01S 3/0933, 20.02.2010], включающий оптический модуль, содержащий линейку диодов, корпус, в котором установлены резонатор с зеркалами, активный элемент, помещенный в ложементе, теплоотводящую рубашку, оптоволокно и объектив накачки, причем, заднее зеркало резонатора выполнено в виде отдельного оптического элемента, активный элемент установлен в радиально-симметричную теплоотводящую рубашку, закрепленную между зеркалами, а в центре ее выполнен ложемент, между боковой поверхностью элемента и ложементом рубашки помещена прокладка из теплопроводного материала, оптический модуль вынесен за пределы корпуса и связан с лазером оптоволокном, подключенным к объективу накачки, установленному на торце корпуса лазера со стороны заднего зеркала резонатора.

Недостатком этого технического решения также является относительно высокая сложность.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является диодный лазер с внешним резонатором [Intrferens-filter-stabilbzed external-cavity diode lasers. X.Bailard, A.Gaudet, S.Bize, P.Lemonde, Ph.Laurent, А/ Clairon, P.Rosenbusch. de Rerferrence Temps-Espace, Observatoire de Paris, 61 Avenue de , 75014 Paris, France Received 28 February 2006; received in revised form 3 May 2006; accepted 5 May 2006], содержащий последовательно установленные на единой оптической оси лазерный диод, первый коллимирующий объектив, интерференционный фильтр, фокусирующий объектив, выходное полупрозрачное зеркало и второй коллимирующий объектив.

Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно высокие световые потери на полупрозрачном зеркале, относительно высокая сложность, вызванная необходимостью использования второго коллимирующего объектива, относительно высокая сложность настройки, вызванная сложностью подбора оптимального коэффициента отражения полупрозрачного зеркала, обеспечивающего достаточный уровень оптической обратной связи и максимальную выходную мощность.

Задача изобретения состоит в создании диодного лазера с внешним резонатором, обладающего более низкими потерями, менее сложной конструкцией, меньшей сложностью настройки и большей аксиальной симметрией выходного пучка.

Требуемый технический результат заключается в повышении выходной мощности за счет снижения потерь и упрощения конструкции и настройки лазера.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в устройство, содержащее последовательно установленные на единой оптической оси лазерный диод, коллимирующий объектив, интерференционный фильтр, фокусирующий объектив, согласно изобретению, введены глухое отражающее зеркало, установленное на единой оптической оси за фокусирующим объективом, и выходное отражающее зеркало, установленное за коллимирующим объективом и обеспечивающее выход оптического излучения диодного лазера под углом к единой оптической оси в виде аксиально-симметричного светового пучка.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, выходное отражающее зеркало выполнено в виде прямоугольной призмы, основания которой представляют собой равнобедренные треугольники с тупым углом при вершине, а отражающей поверхностью является ее передняя боковая поверхность, ограниченная основаниями равнобедренных треугольников, причем, длина отражающей поверхности превышает короткий размер светового пучка лазерного диода, ширина отражающей поверхности равна короткому размеру светового пучка лазерного диода, деленному на косинус угла падения светового пучка на выходное отражающее зеркало, а угол при вершине прямоугольной призмы выполнен тупым для исключения затенения светового пучка задними неотражающими боковыми поверхностями призмы.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, выходное отражающее зеркало снабжено оправой, выполненной в виде рамки, позволяющей перемещать выходное зеркало вдоль длинного размера светового пучка лазерного диода, причем, размер проходного отверстия рамки превышает полный размер сечения светового пучка лазерного диода, и обеспечивает возможность установки выходного отражающего зеркала в центральной или периферийной зоне светового пучка.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, глухое отражающее зеркало выполнено подвижным на пьезоэлементе для осуществления настройки диодного лазера.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, интерференционный фильтр выполнен в виде многослойного диэлектрического покрытия, нанесенного на тонкую кварцевую подложку диаметром большим, чем максимальный размер светового пучка лазерного диода.

На чертеже представлены:

на фиг. 1 - конструкция диодного лазера с внешним резонатором;

на фиг. 2 - схема расположения выходного отражающего зеркала относительно светового пучка лазерного диода;

на фиг. 3 - пример крепления выходного отражающего зеркала в своей оправе.

На чертеже обозначены:

1 - лазерный диод;

2 - коллимирующий объектив;

3 - выходное отражающее зеркало;

4 - оправа выходного отражающего зеркала;

5 - неподвижная оправа интерференционного фильтра;

6 - подвижная оправа интерференционного фильтра;

7 - интерференционный фильтр;

8 - оправа подвижного зеркала;

9 - корпус;

10 - фокусирующий объектив;

11 - глухое отражающее зеркало;

12 - пьезоэлемент;

13 - сечение светового пучка лазерного диода.

Диодный лазер с внешним резонатором содержит последовательно установленные на единой оптической оси лазерный диод 1, коллимирующий объектив 2, интерференционный фильтр 7, фокусирующий объектив 10 и отражающее зеркало И, установленное на единой оптической оси за фокусирующим объективом, а также выходное отражающее зеркало 3, установленное за коллимирующим объективом 2 на единой оптической оси под углом к ней.

Особенностью предложенного диодного лазера с внешним резонатором является то, что, выходное отражающее зеркало 3 выполнено в виде прямоугольной призмы (фиг. 2), основания которой представляют собой равнобедренные треугольники с тупым углом при вершине, а отражающей поверхностью является ее передняя боковая поверхность, ограниченная основаниями равнобедренных треугольников, причем, длина отражающей поверхности превышает короткий размер светового пучка лазерного диода, ширина отражающей поверхности равна короткому размеру светового пучка лазерного диода, деленному на косинус угла падения светового пучка на выходное отражающее зеркало, а угол при вершине прямоугольной призмы выполнен тупым для исключения затенения светового пучка задними неотражающими боковыми поверхностями призмы.

При этом, выходное отражающее зеркало 3 снабжено оправой 4, выполненной в виде рамки, позволяющей перемещать выходное зеркало вдоль длинного размера светового пучка лазерного диода, причем, размер проходного отверстия рамки превышает полный размер сечения светового пучка лазерного диода, и обеспечивает возможность установки выходного отражающего зеркала в центральной или периферийной зоне светового пучка.

Кроме того, глухое отражающее зеркало выполнено подвижным на пьезоэлементе для осуществления настройки диодного лазера, а интерференционный фильтр выполнен в виде многослойного диэлектрического покрытия, нанесенного на тонкую кварцевую подложку диаметром большим, чем максимальный размер светового пучка лазерного диода.

Используется диодный лазер с внешним резонатором следующим образом.

Излучение лазерного диода 1 собирается коллимирующим объективом 2, который формирует параллельный пучок излучения. Часть светового пучка сразу выводится из лазерного резонатора выходным отражающим зеркалом 3. Интерференционный фильтр 7 обеспечивает генерацию лазера на одной продольной моде, благодаря спектральной селективности его пропускания. Замыкается лазерный резонатор глухим отражающим зеркалом 11.

Поперечное сечение излучения, поступающего на выходное отражающее зеркало 3 имеет форму эллипса с типичным соотношением осей 1:3. Выходное отражающее зеркало 3 вырезает из излучения область с примерно равными поперечными размерами. Это является важным фактором при использовании выходного излучения лазера и выборе оптических элементов, расположенных за лазером (оптическая развязка, делительные кубики, зеркала). Меньшее сечение лазерного пучка позволяет использовать более компактные и дешевые оптические компоненты. Кроме того аксиальная симметрия пучка позволяет с большей эффективностью согласовывать излучение лазера с такими оптическими элементами, как оптические волокна и интерферометры.

Регулировка уровня оптической обратной связи может осуществляться смещением глухого отражающего зеркала 11 к периферии лазерного пучка. Поскольку сечение пучка имеет распределение интенсивности, близкое к гауссовому, то выходная мощность будет снижаться по мере смещения зеркала к его периферии.

Таким образом, в предложенной конструкции лазера достигается требуемый технический результат, поскольку обеспечивается симметризация выходного светового пучка, повышение выходной мощности за счет снижения потерь, упрощение конструкции и настройки лазера.

Изобретение может быть использовано для перестраиваемых диодных лазеров с внешними резонаторами, обеспечивающими генерацию на одной продольной моде. Диодный лазер с внешним резонатором содержит последовательно установленные на оптической оси лазерный диод, коллимирующий объектив, интерференционный фильтр и фокусирующий объектив, глухое отражающее зеркало, а также выходное отражающее зеркало, установленное за коллимирующим объективом и обеспечивающее выход оптического излучения под углом к единой оптической оси в виде аксиально-симметричного светового пучка. Выходное отражающее зеркало может быть выполнено в виде прямоугольной призмы с основаниями в виде равнобедренных треугольников с тупым углом при вершине, а отражающей поверхностью является ее передняя боковая поверхность, ограниченная основаниями равнобедренных треугольников. Длина отражающей поверхности превышает короткий размер светового пучка лазерного диода, ширина отражающей поверхности равна короткому размеру светового пучка лазерного диода, деленному на косинус угла падения светового пучка на выходное отражающее зеркало. Технический результат - повышение выходной мощности за счет снижения потерь и упрощения конструкции и настройки лазера. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Диодный лазер с внешним резонатором, содержащий последовательно установленные на единой оптической оси лазерный диод, коллимирующий объектив, интерференционный фильтр и фокусирующий объектив, отличающийся тем, что введены глухое отражающее зеркало, установленное на единой оптической оси за фокусирующим объективом, и выходное отражающее зеркало, установленное за коллимирующим объективом и обеспечивающее выход оптического излучения диодного лазера под углом к единой оптической оси в виде аксиально-симметричного светового пучка.

2. Диодный лазер с внешним резонатором по п. 1, отличающийся тем, что выходное отражающее зеркало выполнено в виде прямоугольной призмы, основания которой представляют собой равнобедренные треугольники с тупым углом при вершине, а отражающей поверхностью является ее передняя боковая поверхность, ограниченная основаниями равнобедренных треугольников, причем длина отражающей поверхности превышает короткий размер светового пучка лазерного диода, ширина отражающей поверхности равна короткому размеру светового пучка лазерного диода, деленному на косинус угла падения светового пучка на выходное отражающее зеркало, а угол при вершине прямоугольной призмы выполнен тупым для исключения затенения светового пучка задними неотражающими боковыми поверхностями призмы.

3. Диодный лазер с внешним резонатором по п. 1, отличающийся тем, что выходное отражающее зеркало снабжено оправой, выполненной в виде рамки, позволяющей перемещать выходное зеркало вдоль длинного размера светового пучка лазерного диода, причем размер проходного отверстия рамки превышает полный размер сечения светового пучка лазерного диода, и обеспечивает возможность установки выходного отражающего зеркала в центральной или периферийной зоне светового пучка.

4. Диодный лазер с внешним резонатором по п. 1, отличающийся тем, что глухое отражающее зеркало выполнено подвижным на пьезоэлементе для осуществления настройки диодного лазера.

5. Диодный лазер с внешним резонатором по п. 1, отличающийся тем, что интерференционный фильтр выполнен в виде многослойного диэлектрического покрытия, нанесенного на тонкую кварцевую подложку диаметром, большим, чем максимальный размер светового пучка лазерного диода.