УСТРОЙСТВО ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКИ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРНО-АКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА ДЛЯ УСИЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2019 года по МПК H01S3/91 

Изобретение относится к области квантовой электроники, в частности, к технике лазеров и оптических квантовых усилителей.

Усилители лазерного излучения играют важную роль в области лазерной техники и фотоники, если требуется получить высокие уровни плотности мощности и энергии. Особенно это важно, когда создаются перестраиваемые лазерные системы с хорошим качеством выходного излучения. Известно, что при использовании мощных оптических накачек возникают неоднородности показателя преломления по различным причинам, и поэтому такие системы строятся по схеме генератор-усилитель. В генераторе формируется высококачественное когерентное излучение, но небольшой мощности. Далее оно усиливается в одной или нескольких ступенях оптических квантовых усилителей до необходимого уровня. В этом случае особую роль играет качественная накачка ячеек самих усилителей. Активные элементы таких усилителей часто имеют достаточно большие размеры по сравнению с небольшими размерами выходной апертуры источника накачки и при этом необходимо однородно накачать их от источника излучения накачки. В некоторых случаях требуется получить просто большие мощности лазерного излучения, а источник накачки имеет относительно небольшую выходную апертуру излучения. Часто такая ситуация возникает при использовании твердотельных YAG-Nd³⁺ лазеров и их гармоник (типичные апертуры составляют 4-10 мм).

Известна конструкция для накачки активной среды [1], в которой использовался YAG-Nd³⁺ лазер (вторая гармоника). Схема возбуждения квазипродольная используется для улучшения однородности выходного излучения по поперечному сечению пучка. В качестве подающего излучение накачки элемента на лазерно-активную среду используется вспомогательная призма полного внутреннего отражения. Этой схеме свойственны следующие недостатки: невозможность накачки значительных объемов активной среды из-за возникновения разрушения материала матрицы при фокусировке больших плотностей мощности накачки; появление искажений в показателе преломления на грани элемента, которые приводят в расстройке резонатора и ухудшению качества излучения, поскольку поглощение излучения накачки происходит вдоль оптической оси по экспоненциальному закону Ламберта-Бера.

Известна конструкция для накачки активной среды [2], где осуществляется накачка значительных объемов лазерно-активной среды, находящейся в аксиконовом отражателе со всех сторон. В этой конструкции возможно получить однородную накачку в протяженном элементе, однако для этого требуется, чтобы апертура выходного излучения источника накачки значительно превосходила по поперечному сечению апертуру лазерно-активного элемента, что и является недостатком данной конструкции.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является работа [3]. В ней предлагается использовать твердотельный активный элемент, выполненный в виде плоскопараллельной пластины из полимера, активированного красителем. В данной конструкции апертуры входного и выходного излучения могут быть равны. Отражатели накачки выполнены в виде оптически согласованных между собой элементов, расположенных под некоторым углом к падению накачки, и отражают ее на активный элемент по всей его длине. Недостатком данной конструкции является односторонняя накачка активного элемента, что приводит к неравномерности поглощения накачки и, в результате, к неоднородности распределения излучения генерации по поперечному сечению.

Задачей изобретения является создание устройства для усиления оптического сигнала (или получение лазерного излучения при обеспечении положительной обратной связи), в котором оптическая накачка активного элемента осуществляется от источника накачки с небольшой выходной апертурой при значительных длинах самой лазерно-активной среды. При этом с целью получения выходного излучения большой мощности и энергии, необходимо накачать лазерно-активный элемент по всей длине с обеспечением однородности накачки. Устройство должно быть простым, не требующим сложной настройки по части оптической системы накачки.

Поставленная задача решается в предлагаемом устройстве, состоящем из прямоугольного лазерно-активного элемента и двух отражателей (в отличие от прототипа), выполненных в виде прямоугольных равнобедренных призм, расположенных по боковым граням оптического элемента с противоположных сторон и смещенных друг относительно друга на размер поперечного сечения накачки с примыканием к одной из торцевых граней оптического элемента. Такое расположение равнобедренных прямоугольных призм обеспечивает двухстороннюю накачку лазерно-активного элемента, что обеспечивает ее однородность и благодаря явлению полного внутреннего отражения позволяет однородно накачать оптический элемент по всей длине.

Призмы имеют одинаковые высоты равные поперечному сечению твердотельного активного элемента, а гипотенузные грани различаются размером на длину величины поперечного сечения накачки, равного поперечному сечению активного элемента. При этом размер гипотенузной грани бóльшей равнобедренной прямоугольной призмы равен длине активного элемента. Для обеспечения оптимальности накачки необходимо соблюдение обязательного условия – отношение размеров длины активной среды к поперечному сечению накачивающего излучения, должно быть целым числом, начиная с двух и более. Максимальное значение этого соотношения определяется коэффициентом поглощения излучения накачки активной средой.

Концентрация активных центров лазерной среды выбирается таким образом, чтобы интенсивность накачки спадала до нуля при обратном ходе по оптическому пути луча накачки на выходе входной апертуры.

Призмы полного внутреннего отражения изготовлены из материала идентичного лазерно-активной среде без активных центров, имеют одинаковый коэффициент преломления и монолитизированы с лазерно-активной средой. Поскольку конструкция является монолитной, то не требуется сложной настройки, необходимое условие – нормальное падение излучения накачки на входную апертуру элемента. Отсутствие градиента показателя преломления между лазерно-активным элементом и призмами позволяет избежать потерь на паразитные отражения от гипотенузных граней, что повышает эффективность накачки.

Предлагаемое изобретение позволяет получить следующий технический результат:

упрощение процедуры настройки оптической системы накачки лазерно-активного элемента; обеспечение однородности накачки источником с малой апертурой излучения при больших размерах активной среды; улучшение однородности выходного усиленного излучения или лазерного излучения, по поперечному сечению в случае обеспечения положительной обратной связи и работы усилителя в лазерном режиме; увеличение эффективности преобразования, за счет полного использования энергии накачки.

Для пояснения предполагаемого изобретения предложены чертежи:

Фигура 1 – Внешний вид устройства накачки (1 - лазерно-активный элемент, 2 – большая равнобедренная прямоугольная призма, 3 – малая равнобедренная прямоугольная призма, 4 – излучение накачки, 5 – входная апертура накачки, где А и B размеры поперечного сечения излучения)

Фигура 2 – Оптическая схема хода лучей накачки при различных соотношениях длины лазерно-активного элемента к размеру поперечного сечения накачивающего излучения (вид сбоку), где 1 – Луч накачки, 2 – Поперечное сечение накачки, 3 – Лазерно-активная среда, 4 – Малая призма, 5 – Большая призма, 6 – Длина активного элемента. а) отношение равно 2; б) отношение равно 3; в) отношение равно 4.

Устройство состоит из источника накачки 1, твердотельного прямоугольного лазерно-активного элемента 3, двух равнобедренных прямоугольных призм 4 и 5, расположенных по боковым сторонам прямоугольного оптического элемента с противоположных сторон. При этом отношение размеров длины лазерно-активного элемента к размеру поперечного сечения накачивающего излучения равно целому числу, начиная с двух, а равнобедренные прямоугольные призмы смещены друг относительно друга на размер А (Фиг. 1) поперечного сечения накачки и примыкают к одной из торцевых граней оптического элемента. Длина гипотенузной грани призмы 5 равна длине лазерно-активного элемента 6. Высота призм равна размеру B (Фиг. 1) поперечного сечения накачки.

Устройство работает следующим образом, излучение накачки 1 направляется на входную апертуру 2 (Фиг. 2), накачивая поперечно часть лазерно-активного элемента. После двойного ПВО от граней бóльшей призмы 5 оно накачивает противоположный конец лазерно-активного элемента и затем после двойного полного внутреннего отражения от меньшей призмы 4 накачивает следующий отрезок лазерно-активного элемента и т.д. Для обеспечения оптимальности накачки, т.е. обеспечения обратного геометрического пути накачки необходимо соблюдение обязательного условия – отношение размеров длины активной среды 6 к поперечному сечению накачивающего излучения 2 должно быть равным целому числу, начиная с двух.

Обратный ход лучей начинается от вершины прямого угла одной из равнобедренных прямоугольных призм (4 или 5 в зависимости от отношения длины лазерно-активного элемента к входной апертуре) и после ряда полных внутренних отражений и повторной прокачке вышеназванных участков возвращается по обратному геометрическому пути, попадая на входную апертуру с обратной стороны. Как указывалось, концентрация активных центров выбирается таким образом, чтобы при обратном ходе излучения накачки на выходе из входной апертуры интенсивность накачки уменьшалась до нуля.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет получить накачку лазерно-активного элемента по всей длине с обеспечением ее однородности от источников накачки с апертурами меньшими по сравнению с размерами активной среды, получить большие мощности и энергии усиленного или лазерного излучения, при относительной простоте конструкции устройства, при этом не требуется сложная настройка по части оптической системы накачки.

Источники информации:

1. Безродный В. И., Деревянко Н. А., Ищенко А. А., Карабанова Л. В. Лазер на красителях на основе полиуретановой матрицы // Журнал технической физики. – 2001. – Т. 71. – №. 7. – С. 72-78.]

2. G. Kuhnle, G. Marowsky, G.A. Reider Laser amplification using axicon reflectors // Applied optics. – Vol. 27, Is. 13. – 1988. – P. 2666-2670.

3. Патент № 2091941 РФ МПК H01S3/10 Твердотельный мини-лазер на красителе / Кытина И.Г. (RU), Кытин В.Г. (RU), Константинов Б.А. (RU), Денисов Л.К. (RU), Цогоева С.А. (RU), Чистяков А.А. (RU); Патентообладатель: Акционерное общество открытого типа НИИ "Зенит" (RU). – № 95113840/25; заявл. 01.08.1995; опубл. 27.09.1997.

Изобретение относится к лазерной технике. Устройство оптической накачки твердотельного лазерно-активного элемента для усиления оптического излучения осуществляет введение энергии накачки в лазерно-активную среду с боковых сторон активного элемента. Последовательное поперечно-продольное введение энергии накачки с двух сторон обеспечивается путем расположения двух отражателей, выполненных в виде равнобедренных прямоугольных призм разного размера, по боковым сторонам прямоугольного оптического элемента с противоположных сторон. Отношение размеров длины лазерно-активного элемента к размеру поперечного сечения накачивающего излучения равно целому числу, начиная с двух. Равнобедренные прямоугольные призмы смещены друг относительно друга на размер поперечного сечения накачки и примыкают к одной из торцевых граней оптического элемента. Технический результат заключается в обеспечении возможности получения больших мощностей и энергий, при относительной простоте устройства. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство оптической накачки твердотельного лазерно-активного элемента для усиления оптического излучения осуществляет введение энергии накачки в лазерно-активную среду с боковых сторон активного элемента, отличающееся тем, что обеспечивает последовательное поперечно-продольное введение энергии накачки с двух сторон путем расположения двух отражателей, выполненных в виде равнобедренных прямоугольных призм разного размера, расположенных по боковым сторонам прямоугольного оптического элемента с противоположных сторон, при этом отношение размеров длины лазерно-активного элемента к размеру поперечного сечения накачивающего излучения равно целому числу, начиная с двух, а равнобедренные прямоугольные призмы смещены друг относительно друга на размер поперечного сечения накачки и примыкают к одной из торцевых граней оптического элемента.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что размеры по длине гипотенузных граней равнобедренных прямоугольных призм имеют разницу на величину поперечного сечения накачки.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что высоты равнобедренных прямоугольных призм имеют размеры поперечного сечения накачки.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что размер гипотенузной грани большей равнобедренной прямоугольной призмы равен длине активного элемента.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что концентрация активных центров лазерной среды выбирается из условия, что интенсивность накачки падает до нуля при обратном ходе по оптическому пути луча накачки на выходе входной апертуры.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что равнобедренные прямоугольные призмы изготовлены из материала идентичного лазерно-активной среде без активных центров, имеют одинаковый коэффициент преломления и монолитизированы с лазерно-активной средой.