Компактный твердотельный лазер красного диапазона спектра Российский патент 2020 года по МПК H01S3/16 H01S3/08 

Изобретение относится к области квантовой электроники, а именно к способам генерации когерентного электромагнитного излучения в красном диапазоне спектра, и может быть использовано при конструировании твердотельных лазеров с активной средой в виде диэлектрических кристаллов.

Лазеры, генерирующие излучение в видимой области спектра, представляют большой интерес для применения в различных областях жизнедеятельности человека. Они являются источниками возбуждения с высокими энергиями фотонов, которые применяются в научных исследованиях. Высокое качество светового пучка твердотельных и газовых лазеров предполагает использование лазеров данного спектрального диапазона в конфокальной флуоресцентной микроскопии с высоким пространственным разрешением [J.A. Conchello and J. W. Lichtman. Optical sectioning microscopy. Nature methods. Vol.2. No.12. P.920-931. 2005]. В промышленности мощные лазеры видимого диапазона спектра могут быть использованы для точной и эффективной обработки металлов, таких как медь или золото, которые имеют более низкий коэффициент отражения в видимом, чем в инфракрасном спектральном диапазоне [S. Engler, R. Ramsayer, and R. Poprawe. Highly-efficient continuous-wave intra-cavity frequency-doubled Yb:LuAG thin-disk laser with 1 kW of output power. OPTICS EXPRESS. Vol.25, No.5. P.4917-4925. 6 Mar 2017]. В настоящее время в видимом диапазоне спектра работают полупроводниковые лазеры, газовые лазеры и лазеры с преобразованием частоты. Каждый из данных типов лазеров имеет недостатки по сравнению с разработанным нами твердотельным лазером: у полупроводниковых лазеров высокое значение расходимости, плохое качество пучка, газовые лазеры более габаритны, лазеры с преобразованием частоты сложнее конструктивно, и являются более дорогостоящими.

Поэтому актуальной и важной для практических применений является задача поиска лазерных материалов для твердотельных лазеров, генерирующих излучение в данном спектральном диапазоне.

В качестве активной среды лазеров, генерирующих излучение в этом спектральном диапазоне, обычно используются кристаллы фторидов, активированные ионами Pr³⁺.

Одной из возможностей получения лазерной генерации видимого диапазона спектра является использование в качестве активной среды кристаллов, легированных ионами Pr³⁺, которые обладают большим количеством лазерных переходов в видимом диапазоне спектра: 720 нм (темно-красный, ³P₀→³F₃+ ³F₄), 640 нм (красный, ³P₀→³F₂), 607 нм (оранжевый, ³P₀→³H₆), 523 нм (зеленый, ³P₀→³H₅) и т. д.

Известен волоконный лазер, генерирующий излучение на переходе ³P₀→³F₂ ионов Pr³⁺ в красном диапазоне спектра на длине волны 640 нм, содержащий фторидное волокно ZBLAN длиной 10 м, легированное ионами Pr³⁺. В качестве накачки использовались два Титан-Сапфировых лазера с длиной волны генерации 1010 нм и 885 нм. Ti:Sapphire лазер настроенный на 1010 нм был использован для возбуждения ионов Pr³⁺ из основного состояния ³H₄ на мультиплет ¹G₄. Второй Ti:Sapphire лазер настроенный на 835 нм был использован для обеспечения возбуждения с мультиплета ¹G₄ на уровень ³P₀. Максимальная выходная мощность составила 187 мВт, а КПД порядка 7 %. (US 5727007A, МПК H01S 3/30, опубл. 10.03.1998).

Недостатком известного решения является низкий КПД лазерной генерации, обусловленной схемой накачки. Стоит отметить, что также предлагаемый лазер имеет большие размеры, вследствие того что в качестве источника оптической накачки выступают два Ti:Sapphire лазера.

С развитием полупроводниковых лазерных диодов синего диапазона длин волн стало возможным получение генерации видимого диапазона спектра на кристаллах, легированных ионами Pr³⁺, в условиях диодной накачки. К настоящему времени наилучшие выходные характеристики в непрерывном режиме работы лазера были получены в работе [Philip Werner Metz, Fabian Reichert, Francesca Moglia, Sebastian Müller, Daniel-Timo Marzahl, Christian Kränkel and Günter Huber. High-power red, orange, and green Pr³⁺:LiYF₄ lasers. OPTICS LETTERS. Vol.39. No.11. P.3193-3196. June 1, 2014] на кристалле LiYF₄:Pr при накачке InGaAs лазерным диодом, генерирующим во второй гармонике на длине волны 479 нм. Максимальная выходная мощность на длине волны 640 нм составила 2,8 Вт с дифференциальным КПД равным 68 %.

Благодаря низкой энергии фонона и высокому значению коэффициента теплопроводности фторидная матрица LiYF₄ остается пока наиболее эффективной активной кристаллической средой для празеодимовых твердотельных лазеров видимого диапазона длин волн. Однако фторидная матрица LiYF₄ имеет недостатки: коэффициент распределения ионов Pr³⁺ во фторидном кристалле LiYF₄:Pr значительно меньше 1. Поэтому задача поиска эффективной матрицы для празеодимов лазеров видимого диапазона является актуальной.

В работе [Nizamutdinov A.S., Semashko V.V., Naumov A.K., Efimov V.N., Korableva S. L., Marisov M. A. On the distribution coefficient of Ce³⁺ ions in LiF-LuF₃-YF₃ solid-solution crystals. JETP Letters. Vol.91. Iss1. P. 21–23. January 2010] было показано, что редкоземельные ионы Ce³⁺ и Nd³⁺ в смешанных фторидных кристаллах LiY_1-xLu_xF₄ имеют более высокий коэффициент распределения примеси по сравнению с кристаллами LiYF₄ и LiLuF₄. Так как ионы Pr³⁺ имеют близкий ионный радиус с ионами Ce³⁺ и Nd³⁺. Аналогичная зависимость будет наблюдаться и для кристаллов LiY_1-xLu_xF₄:Pr. Также кристаллы LiY_1-xLu_xF₄ обладают лучшей фотостабильностью и более высоким оптическим качеством.

На сегодняшний день технология получения кристаллов LiY_1-xLu_xF₄, активированных редкоземельными ионами, в России отработана и позволяет получать кристаллы хорошего оптического качества [Shavelev A.A., Nizamutdinov A.S., Semashko V. V., Korableva S. L., Gorieva V. G. Distribution coefficient of Pr³⁺ ions in crystals of solid solutions LiF-LuF₃-YF₃-PrF₃. Journal of Physics: Conference Series. Art. no. 012019. p.560. 2014].

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является твердотельный лазер, генерирующий излучение на переходе ³P₀→³F₂ ионов Pr³⁺ в красном диапазоне спектра на длине волны 639,7 нм, включающий резонатор с активной средой и источник оптической накачки, при этом резонатор сформирован из двух сферических зеркал с радиусами кривизны 50 мм. Входное зеркало имело высокое значение пропускания на длине волны 442 нм и высокое значение отражения в красном диапазоне длин волн в области 640 нм. Пропускание выходного зеркала на длине волны накачки 442 нм также имело высокое значение, а в красном диапазоне длин волн в области 640 нм составляло 0,1 %. В качестве активной среды использован кристалл LiYF_4, активированный ионами Pr³⁺ (С_Pr=3 at%) длиной 7 мм. В качестве источника оптической накачки использован полупроводниковый GaN лазерный диод, генерирующий излучение на длине волны 442 нм, обеспечивающий возбуждение ионов Pr³⁺ из основного состояния ³H₄ непосредственно на уровень ³P₀. Излучение накачки фокусировалось внутрь активного элемента (среды) с помощью линзы с фокусным расстоянием 70 мм. Диаметр пятна накачки составлял порядка 50 мкм. Максимальная выходная мощность генерации в красной области спектра была получена на длине волны 639,7 нм и составила 1,8 мВт, дифференциальный КПД составлял порядка 24 % [A.Richter, E.Heumann, E.Osiac, G.Huber, W.Seelert and A.Diening. Diode pumping of a continuous-wave Pr³⁺-doped LiYF₄ laser. Optics Letters. Vol.29. No.22. p.2638-2640. November 15, 2004].

Недостатком известного решения является низкий КПД лазерной генерации, обусловленный схемой резонатора и низким (порядка 0,1%) распределением ионов Pr³⁺ в кристалле LiYF₄. Стоит отметить, что также предлагаемый лазер излучает и на длине волны накачки в синем диапазоне спектра. Так, выходное зеркало имеет высокое значение пропускания на длине волны 442 нм, а схема лазера не предполагает использования фильтра обеспечивающего нулевое пропускание на длине волны 442 нм накачки и полное пропускание на длине волны 639,7 нм генерации.

Технический результат заключается в улучшении генерационных характеристик (выходной мощности и дифференциального КПД) за счет создания компактного твердотельного лазера красного диапазона спектра с резонансной диодной накачкой на кристалле LiY_0.3Lu_0.7F₄:Pr (С_Pr=1 at%), обеспечивающим лазерную генерацию на переходе ³P₀→³F₂ ионов Pr³⁺ на длине волны 639,5 нм.

Сущность изобретения заключается в том, что компактный твердотельный лазер красного диапазона спектра включает фокусирующую линзу, резонатор с активной средой и источник оптической накачки, в качестве которой использован GaN полупроводниковый лазерный диод. В качестве активной среды используют кристалл LiY_0.3Lu_0.7F_4, активированный ионами Pr³⁺ (С_Pr=1 at%), а резонатор образован входным плоским зеркалом и выходным сферическим зеркалом с радиусом кривизны R=50 мм и пропусканием 2,5 % в красном диапазоне длин волн в области 639,5 нм. Причем лазер дополнительно содержит оптический фильтр для отсечения непоглощенного излучения накачки.

На фиг. 1 показана оптическая схема твердотельного лазера красного диапазона спектра, на фиг. 2 представлен спектр лазерной генерации компактного твердотельного лазера красного диапазона спектра на кристалле LiY_0.3Lu_0.7F₄:Pr (С_Pr=1 at%).

Оптическая схема твердотельного лазера красного диапазона спектра ла (фиг. 1) содержит резонатор, включающий входное плоское зеркало 1 и выходное сферическое зеркало 2, активную среду 3, в качестве которой использован кристалл LiY_0.3Lu_0.7F₄ активированный ионами Pr³⁺ (LiYLuF₄:Pr). В роли источника оптической накачки выступает полупроводниковый GaN лазерный диод 4, генерирующий излучение на длине волны 442 нм. Пучок излучения накачки фокусируется внутрь активной среды 3 с помощью фокусирующей линзы 5 с фокусным расстоянием 70 мм. Не поглощенное активной средой излучение накачки после выхода из резонатора полностью отсекается, а лазерная генерация пропускается полностью оптическим фильтром 6.

Лазер работает следующим образом. Накачка активной среды, вырезанной из кристалла LiYLuF₄:Pr, производилась на уровень ³P₂ ионов Pr³⁺ GaN лазерным диодом 4 с длиной волны излучения 442 нм. Пучок излучения накачки фокусируют внутрь активной среды 3 с помощью фокусирующей линзы 5 с фокусным расстоянием 70 мм. Диаметр пятна накачки внутри активной среды 3 составляет порядка 60 мкм. Активная среда вырезана в форме параллелепипеда с размерами 3×3×10 мм, на торцы которого было нанесено антиотражающее покрытие для длины волны генерации (639,5 нм). Резонатор образован входным плоским зеркалом 1 и выходным сферическим зеркалом 2 с радиусом кривизны R=50 мм. Входное плоское зеркало 1 имеет высокое значение пропускания на длине волны 442 нм и высокое значение отражения в красном диапазоне длин волн в области 639,5 нм. Пропускание выходного зеркала 2 на длине волны накачки 442 нм также имеет высокое значение, а в красном диапазоне длин волн в области 639,5 нм составляет 2,5%. Непоглощенное активной средой излучение накачки после выхода из резонатора полностью отсекается, а лазерная генерация пропускается полностью оптическим фильтром 6. Система термостабилизации (на чертеже не указана) обеспечивает поддержание температуры медной оправкой активной среды 3 примерно 18°C. Лазерная генерация на переходе ³P₀→³F₂ ионов Pr³⁺ в кристаллах LiYLuF₄:Pr получена на длине 639,5 нм. Порог генерации составляет 750 мВт по поглощенной мощности накачки, максимальная выходная мощность 4230 мВт, дифференциальный КПД генерации составляет 44%.

На фиг. 2 видно, что максимум интенсивности спектра генерации компактного твердотельного лазера красного диапазона спектра на кристалле LiYLuF₄:Pr соответствует 639,5 нм.

По сравнению с известным решением предлагаемое позволяет улучшить генерационные характеристики (выходной мощности и дифференциального КПД) за счет создания компактного твердотельного лазера красного диапазона спектра с резонансной диодной накачкой на кристалле LiY_0.3Lu_0.7F₄:Pr (С_Pr=1 at%), обеспечивающим лазерную генерацию на переходе ³P₀→³F₂ ионов Pr³⁺ на длине волны 639,5 нм.

Изобретение относится к лазерной технике. Компактный твердотельный лазер красного диапазона спектра включает фокусирующую линзу, резонатор с активной средой и источник оптической накачки, в качестве которой используют полупроводниковый GaN лазерный диод, а резонатор сформирован из двух зеркал. В качестве активной среды используют кристалл LiY0.3Lu0.7F4, активированный ионами Pr³⁺(С_Pr=1 at%), резонатор образован входным плоским зеркалом и выходным сферическим зеркалом с радиусом кривизны R=50 мм и пропусканием 2,5% в красном диапазоне длин волн в области 639,5 нм, причем лазер дополнительно содержит оптический фильтр для отсечения непоглощенного излучения накачки. Технический результат заключается в обеспечении возможности улучшения генерационных характеристик. 2 ил.

Компактный твердотельный лазер красного диапазона спектра, включающий фокусирующую линзу, резонатор с активной средой и источник оптической накачки, в качестве которой используют полупроводниковый GaN лазерный диод, а резонатор сформирован из двух зеркал, отличающийся тем, что в качестве активной среды используют кристалл LiY_0.3Lu_0.7F₄, активированный ионами Pr³⁺(С_Pr=1 at%), резонатор образован входным плоским зеркалом и выходным сферическим зеркалом с радиусом кривизны R=50 мм и пропусканием 2,5% в красном диапазоне длин волн в области 639,5 нм, причем лазер дополнительно содержит оптический фильтр для отсечения непоглощенного излучения накачки.