Лазер с устройствами юстировки Российский патент 2021 года по МПК H01S3/08 H01S3/86 H01S3/10 

Изобретение относится к области квантовой электроники и лазерной техники, в частности к твердотельным ВКР-лазерам (лазерам, генерация в которых осуществляется в процессе вынужденного комбинационного рассеяния - ВКР), и может быть применено в нелинейной оптике, аналитической спектроскопии, оптическом приборостроении, медицине, экологии, фотодинамической терапии, в системах лазерного анализа состава, например, для разделения изотопов материалов, оптических коммуникационных системах, например, в волоконной оптической связи, и т.д.

Известен лазер с устройствами юстировки (Patent US 4638486. 20.01.1987. МКИ H01S 3/08), содержащий установленный на торце разрядного канала полый держатель зеркала, выполненный с одной внешней шейкой, сформированной двумя внутренними проточками значительно большего диаметра, чем диаметр шейки, и юстировочные винты, расположенные равномерно относительно оси держателя под углом 120° относительно друг друга в сквозных резьбовых отверстиях держателя.

Недостатком данного технического решения является то, что в связи с тем, что для накачки ВКР лазеров часто используют импульсное излучение наносекундного диапазона, длину резонатора необходимо минимизировать, чтобы увеличить число проходов излучения в течение лазерного импульса. Однако размещение на одном торце лазера двух известных устройств юстировки резонаторных зеркал не позволит обеспечить возможность жесткой фокусировки резонаторных зеркал на необходимом, тем более на минимально возможном расстоянии между резонаторными зеркалами для увеличения числа проходов излучения в течение лазерного импульса и повышения тем самым эффективности технических характеристик лазера, так как межосевое расстояние между двумя известными устройствами будет значительным из-за наличия больших по внутреннему диаметру двух проточек и расположенных под углами 120° котировочных винтов. Кроме того, технологически сложно изготовить две внутренние глубокие проточки с двумя тонкими стенками, образующие шейку. Выполненная таким образом шейка может растрескаться при деформации в момент юстировки лазера.

Известен также лазер с устройствами юстировки (Patent US 4856020. 08.08.1989. МКИ H01S 3/086), содержащий размещенный на торцевом фланце лазера полый держатель зеркала, состоящий из последовательно расположенных на оси частей: цилиндрической, несущей зеркало, предохраняющей шейки, цилиндрической котировочной, деформирующей шейки и цилиндрической фиксирующей и три котировочных винта, расположенных под углом 120° относительно друг друга, закрепленных в цилиндрическом буртике и радиально упирающихся в цилиндрическую котировочную часть держателя.

Недостатком данного технического решения является то, что в связи с тем, что для накачки ВКР лазеров часто используют импульсное излучение наносекундного диапазона, необходимо минимизировать расстояние между резонаторными зеркалами, чтобы увеличить число проходов излучения в течение лазерного импульса. Однако при использовании устройства юстировки зеркал известного складного П-образного резонатора лазера нельзя обеспечить возможность жесткой фокусировки резонаторных зеркал на необходимом, тем более на минимально возможном расстоянии между резонаторными зеркалами для увеличения числа проходов излучения в течение лазерного импульса и повышения тем самым эффективности технических характеристик лазера. Это связано с тем, что при размещении на торцевом фланце лазера первого полого держателя первого зеркала и второго полого держателя второго зеркала, их межосевое расстояние и соответственно межосевое расстояние разрядных каналов будет удалено на значительное расстояние вследствие наличия буртиков на первом и соответственно на втором полых держателях зеркал. Наличие радиально расположенных винтов под углом 120° в первом и втором буртиках также будет способствовать разнесению первого и второго полых держателей зеркал относительно друг друга и соответственно волноводных каналов. При этом возникают энергетические потери излучения внутри резонатора лазера.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) по совокупности существенных признаков является лазер с устройствами юстировки (Патент RU №2216082, 10.11.2003. МКИ H01S 3/08), выполненный в виде полого держателя зеркала, размещенного на торцевом фланце и состоящего из последовательно расположенных частей - цилиндрической, несущей зеркало, предохраняющей шейки, цилиндрической юстировочной, деформирующей шейки, цилиндрической фиксирующей и трех котировочных винтов, отличающийся тем, что в устройство введен второй полый держатель второго зеркала, размещенный на торцевом фланце симметрично первому, цилиндрическая котировочная часть обоих держателей срезана по боковой поверхности параллельно оси держателя до уровня цилиндрической части, несущей зеркало, и выполнена со сквозными отверстиями, расположенными по периметру оснований под углами α=150°, β=150°, γ=105° относительно друг друга, в которых размещены котировочные винты, упирающиеся в торцевой фланец лазера, при этом первый и второй держатели зеркал соответствуют первому и второму разрядным каналам лазера, оси которых сближены на величину (I≤L-1) относительно осей держателей, цилиндрические котировочные части которых срезанными боковыми поверхностями расположены навстречу друг другу, а диаметр цилиндрической юстировочной части держателя (d_ю) этих частей выбран из выражения (d_ю ≥ d_н+2 d_в), где d_н - диаметр цилиндрической части, несущей зеркало; d_в - диаметр отверстий для котировочных винтов; I - расстояние между осями волноводных разрядных каналов; L - расстояние между осями полых держателей зеркал.

Недостатком данного технического решения (прототипа) является то, что в связи с тем, что для накачки ВКР лазеров наиболее часто используют импульсное излучение наносекундного диапазона, необходимо минимизировать расстояние между резонаторными зеркалами, чтобы увеличить число проходов излучения в течение лазерного импульса. Однако конструкции котировочных устройств известного технического решения (прототипа) не обеспечивают возможность жесткой фокусировки резонаторных зеркал на необходимом, тем более на минимально возможном расстоянии между резонаторными зеркалами для увеличения числа проходов излучения в течение лазерного импульса и повышения тем самым эффективности преобразования излучения лазера посредством оптимизации расположения резонаторных зеркал и оптимальной фокусировки в монокристалле алмаза относительно друг друга и излучения лазер.

Новым достигаемым техническим результатом предполагаемого изобретения является обеспечение минимизации расстояния между резонаторными зеркалами при точной юстировке положения активного элемента и резонаторных зеркал относительно друг друга и оптической оси лазера.

Указанный технический результат достигается тем, что в лазере с устройствами юстировки, содержащем резонатор с активным элементом, установленным между оптически сопряженными первым и вторым резонаторными зеркалами, размещенными посредством соответствующих держателей со сближенными котировочными устройствами первого и второго резонаторных зеркал на торцевых фланцах резонатора, в отличие от прототипа, лазер дополнительно содержит лазерный источник накачки и в него дополнительно введены платформа с третьим котировочным устройством для перемещения резонатора по высоте и нормально к оптической оси лазерного источника накачки и устройство сведения и преобразования излучения лазерного источника накачки, размещенное между лазерным источником накачки и резонатором с возможностью перемещения устройства сведения и преобразования излучения вдоль оптической оси лазерного источника накачки посредством четвертого юстировочного устройства и оптически сопряженное с активным элементом, обладающим ВКР эффектом и установленным посредством узла крепления с возможностью обеспечения его вращения относительно оптической оси лазера, юстировочне устройства первого и второго резонаторных зеркал дополнительно содержат, по крайней мере, три стержня, размещенные параллельно друг другу вдоль оптической оси лазера и связывающие между собой первое и второе резонаторные зеркала, при этом сближение юстировочных устройств с держателями первого и второго резонаторных зеркал обеспечено возможностью их перемещения вдоль стержней, причем юстировочные устройства первого и второго резонаторных зеркал и третье юстировочное устройство в совокупности выполнены с возможностью осуществления независимой регулировки положения резонаторных зеркал и активного элемента относительно друг друга и оптической оси лазера.

Лазерный источник накачки выполнен с нелинейным кристаллом, обеспечивающим получение излучения 2-й, или 3-й, или 4-й гармоник.

Узел крепления активного элемента может быть выполнен из высокотеплопроводного материала.

Активный элемент может быть выполнен с просветляющим покрытием, обеспечивающим минимизацию потерь генерируемого излучения и излучения лазерного источника накачки.

Устройство сведения и преобразования излучения лазера может быть выполнено в виде линзового или зеркального объектива.

Стержни могут быть выполнены из материала, обладающего малым коэффициентом линейного расширения.

Активный элемент может быть выполнен в виде монокристалла алмаза.

На фиг. 1-2 представлены принципиальные схемы выполнения лазера с устройствами юстировки.

ВКР лазер содержит лазерный источник 1 накачки с нелинейным кристаллом 2 (входит в состав лазера), резонатор 3 с активным элементом 4 из ВКР кристалла, установленным посредством узла 5 крепления, обеспечивающего возможность его вращения относительно оптической оси 6 лазерного источника 1 накачки между оптически сопряженными первым и вторым резонаторными зеркалами 7, 8, размещенными посредством соответствующих держателей с юстировочными устройствами 9, 10 соответственно первого и второго резонаторных зеркал 7, 8 на соответствующих торцевых фланцах 11, 12 резонатора 3, платформу 13 с третьим юстировочным устройством 14, позволяющим перемещать всю конструкцию резонатора 3 по высоте и нормально к оптической оси 6 лазерного источника 1 накачки, и устройство 15 сведения и преобразования излучения лазерного источника 1 накачки, размещенное между лазерным источником 1 накачки и резонатором 3 с возможностью перемещения устройства 15 сведения и преобразования вдоль оптической оси 6 лазерного источника 1 накачки посредством четвертого юстировочного устройства 16 и оптически сопряженное с активным элементом 4, при этом юстировочное устройства 9 первого и второго резонаторных зеркал 7, 8 дополнительно содержат стержни 17, размещенные параллельно друг другу вдоль оптической оси 6 лазерного источника 1 накачки и связывающие между собой первое и второе резонаторные зеркала 7, 8, при этом сближение юстировочных устройств 9, 10 с держателями первого и второго резонаторных зеркал 7, 8 обеспечено возможностью их перемещения вдоль стержней 17, причем юстировочные устройства 9, 10 первого и второго резонаторных зеркал 7, 8 и третье юстировочное устройство 14 в совокупности выполнены с возможностью осуществления независимой регулировки положения первого и второго резонаторных зеркал 7, 8 и активного элемента 4 относительно друг друга и оптической оси 6 лазерного источника 1 накачки (фиг. 1 и 2).

В качестве источника 1 накачки ВКР лазера может быть использован твердотельный лазер на кристалле Nd:YAG или, в случае необходимости, иной подходящий лазер.

В качестве нелинейного кристалла 2, обеспечивающего получение излучения 2-й, или 3-й, или 4-й гармоник, используют, например кристаллы KDP.

Узел 5 крепления активного элемента 4 может быть выполнен из высокотеплопроводного материала, например, из меди марки Моб, с целью облегчения теплоотвода от активного элемента 4.

Активный элемент 4 может быть выполнен, например, из кристалла, обладающего ВКР эффектом, например, из монокристалла алмаза, обладающего, на сегодня, лучшими ВКР свойствами, но имеющего сравнительно малые размеры (рабочая длина ~ 5-10 мм), в том числе с просветляющим покрытием (на фиг. 1 не показано), например, на основе четвертьволновых слоев фторида магния, обеспечивающим на рабочих длинах волн минимизацию потерь генерируемого излучения и излучения лазерного источника 1.

Например, в случае использования для накачки излучения твердотельного импульсно-периодического Nd:YaG лазерного источника 1 с длиной волны 0,532 мкм, в активном элементе 4 из монокристалла алмаза оно преобразуется в 0,573 мкм (первый Стокс). Просветляющее покрытие на активном элементе 4 из монокристалла алмаза должно эффективно работать на этих длинах волн. В случае использования для накачки иного лазера должно использоваться соотношение между частотами излучения ω_S = ω_L = ω_R,

где индексы частот соответствуют первым буквам английских слов: S - Stokes, L-Laser, R-Raman.

Просветление должно быть эффективным на используемой частоте излучения накачки и получаемой частоте лазерного источника 1, например, это может быть просветляющее покрытие, например, на основе четвертьволновых слоев фторида магния.

Устройство 15 сведения и преобразования излучения лазерного источника 1 накачки может быть выполнено в виде линзового или зеркального объектива, например, в виде линзового объектива из оптического стекла, например, марки К-8.

Стержни 17 размещены параллельно друг другу вдоль оптической оси 6 лазерного источника 1 накачки и обеспечивают жесткость и термостабильность конструкции резонатора и возможность сближения котировочных устройств с держателями первого и второго резонаторных зеркал 7, 8 и самих резонаторных зеркал 7, 8 посредством их перемещения вдоль стержней 17, то есть вдоль оптической оси 6 лазерного источника 1 накачки.

Стержни 17 с целью минимизации термодеформаций конструкции резонатора 3 могут быть выполнены из материала с малым коэффициентом линейного расширения, например, инвара марки 36Н.

Резонаторные зеркала 7, 8 могут быть, при необходимости, сферическими, параболическими и иной необходимой формы.

Лазер с устройствами юстировки работает следующим образом.

Для накачки ВКР лазеров используют, например, твердотельный частотно-импульсный Nd:YAG (на кристалле Nd:YAG) лазер с источником накачки 1 и нелинейным кристаллом 2 (входит в состав лазера), обеспечивающим работу ВКР лазера на второй гармонике (λ=0,532 мкм). Монокристалл алмаза был выращен методом CVD, размером (5 × 5 × 0,5 мм³), его торцевые грани <100> были отполированы оптически. Затем на них наносят, при необходимости, просветляющее покрытие для рабочих длин волн 0,532 и 0,573 мкм. С целью получения максимального усиления для генерации ВКР излучения использовали «длинную» область монокристалла алмаза.

Излучение лазерного источника 1 накачки (λ=1064 нм), проходя через нелинейный кристалл 2 для получения излучения 2-й гармоники, частично преобразуется в свет с удвоенной частотой (λ=532 нм). Светофильтр 18 поглощает оставшееся после нелинейного кристалла 2 излучение на длине волны λ=1064 нм, полностью пропуская свет на длине волны λ=532 нм. Оптический клин 19 отражает известную небольшую долю излучения на измеритель 20 энергии, например, Ophir РЕ-10ВВ, дисплей NOVA, по показаниям которого определяется энергия лазерного импульса на длине волны λ=532 нм. Объектив 15 фокусирует падающий на нее свет на активный элемент 4 из монокристалла алмаза, помещенный между двух резонаторных зеркал 7, 8, формирующих резонатор 3. Расстояние между резонаторными зеркалами 7, 8 составляло до 1 см для активного элемента 4 из монокристалла алмаза.

Активный элемент 4 из монокристалла алмаза генерирует излучение, сдвинутое по длине волны относительно излучения лазерного источника 1 накачки в соответствии с законами вынужденного комбинационного излучения. Выходящее после второго (выходного) резонаторного зеркала 8 излучение попадает на дифракционную решетку 21, имеющую, например, 1200 штр/мм, которая разделяет свет на длинах волн λ=532 нм и λ=573 нм. Два образовавшихся пучка излучения попадают на экран 22. На месте экрана 22 может быть также размещен фотодиод 23 для определения длины волны и временных характеристик получаемого излучения (фиг. 2). Спектрометр 24, например, спектрометр S-100, регистрирует генерируемые длины волн стоксовых компонентов. Диафрагмы 25 используют для недопущения в резонатор лазерного источника 1 накачки бликов (фиг. 2). Осциллограф (на фиг. 2 не показан), например, осциллограф Tektronix TDS 2024S, используют для регистрации формы импульса.

Измеритель 20 энергии, экран 22, фотодиод 23, спектрометр 24 и осциллограф предназначены для проведения измерений.

Измерения коэффициентов отражения и пропускания резонаторных зеркал 7, 8 производили в специализированной межкафедральной учебно-испытательной лаборатории полупроводниковых материалов и диэлектриков ИЛМЗ «Монокристаллы и заготовки на их основе» на спектрофотометре Сагу-5000 UV-VIS-NIR с приставкой UMA. Точность измерений коэффициента пропускания Τ - 0,6%, коэффициента отражения (в угле падения - 5,1° от нормали) - 1%).

Для генерации коротких лазерных импульсов требуется минимизировать расстояние между резонаторными зеркалами 7, 8 до ~10 мм при очень точной юстировке положения активного элемента 4 из монокристалла алмаза лазерного источника 1 накачки и резонаторных зеркал 7, 8 относительно друг друга и оптической оси (6) лазерного источника 1 накачки.

Использование предлагаемой конструкции резонатора 3 требует учета следующих факторов: 1) апертура рабочего кристалла (0,5 мм) должна быть достаточна для свободного прохода через него излучения лазерного источника 1 накачки (в этом случае диаметр пучка излучения на активном элементе 4 из монокристалла алмаза должен быть ≤320 мкм, чтобы не допустить дифракционных потерь); 2) высоко добротный резонатор для ВКР волны должен быть стабильным.

Был выбран резонатор, сформированный двумя высокоотражающими плоскими резонаторными зеркалами 7, 8, на рабочей длине волны ВКР лазера (0,573 мкм).

Юстировочные устройства 9, 10 резонаторных зеркал 7, 8 лазерного источника 1 накачки были связаны между собой в данном эксперименте тремя инваровыми стержнями 17, вдоль которых юстировочные устройства 9, 10 резонаторных зеркал 7, 8 могут перемещаться. Ввод излучения лазерного источника накачки (1) осуществляли через входное зеркало 7 (R_0.573 ~ 0,98; Т_0.532 ~ 0,67), а вывод ВКР излучения - через выходное зеркало 8 (R_0.573 ~ 0,76; R_0.532 ~ 0,98). Параметры резонаторных зеркал 7, 8 приведены в табл. 1.

Излучение лазерного источника 1 накачки фокусировалось объективом 15 с фокусным расстоянием f=400 мм. Четвертое юстировочное устройство 16 с узлом крепления фокусирующего объектива 15 позволяет перемещать его вдоль оптической оси 6 лазерного источника 1 накачки. Юстировочные устройства 9, 10 с держателями оптически сопряженных первого и второго резонаторных зеркал 7, 8 имеют возможность регулируемого перемещения вдоль оптической оси 6 лазерного источника 1 накачки по стержням 17, что позволяет максимально приблизить резонаторные зеркала 7, 8 к рабочим поверхностям активного элемента 4 из монокристалла алмаза. Узел крепления 5 активного элемента 4 из монокристалла алмаза изготовлен, например, из меди с целью облегчения теплоотвода от монокристалла алмаза. Для изменения кристаллографической ориентации активного элемента 4 из монокристалла алмаза относительно оптической оси 6 лазерного источника 1 накачки он установлен с возможностью вращения относительно оптической оси 6 лазерного источника 1 накачки. Все элементы ВКР лазера размещены на металлической платформе 13, размещенной на оптическом столике, позволяющей перемещать резонатор 3 и ВКР лазер в целом по высоте и нормально к оптической оси 6 лазерного источника 1 накачки посредством третьего юстировочного устройства 14.

На основании вышеизложенного новыми достигаемыми техническими результатами заявляемого изобретения (по сравнению с прототипом) является обеспечение в ВКР лазере возможности уменьшения расстояния между резонаторными зеркалами 7, 8 при очень точной юстировке положения активного элемента 4 и резонаторных зеркал 7, 8 относительно друг друга и оптической оси 6 лазерного источника 1 накачки не менее чем на 50% за счет независимой, точной регулировки положения каждого из резонаторных зеркал 7, 8, устройства сведения и преобразования 15 излучения лазерного источника 1 накачки и активного элемента 4.

В настоящее время в НИТУ МИСиС проведены испытания предлагаемого лазера с устройствами юстировки, и на их основе выпущены конструкторская и технологическая документация на предлагаемый лазер с устройствами юстировки.

Используемые источники

1. Patent US 4638486. 20.01.1987. МКИ H01S 3/08.

2. Patent US 4856020. 08.08.1989. МКИ H01S 3/086.

3. Патент RU №2216082, 10.11.2003. МКИ H01S 3/08.

Изобретение относится к области квантовой электроники и лазерной техники, в частности к твердотельным ВКР-лазерам, и может быть применено в нелинейной оптике, аналитической спектроскопии, оптическом приборостроении, медицине, экологии, фотодинамической терапии. Лазер с источником накачки, устройствами юстировки, резонатором с активным элементом, обладающим ВКР эффектом и установленным посредством узла крепления с возможностью обеспечения его вращения относительно оптической оси лазерного источника, между оптически сопряженными первым и вторым резонаторными зеркалами, размещенными посредством соответствующих держателей с юстировочными устройствами первого и второго резонаторных зеркал на торцевых фланцах резонатора, платформой с третьим юстировочным устройством для перемещения резонатора по высоте и нормально к оптической оси лазерного источника и устройством сведения и преобразования излучения лазерного источника, размещенным между лазерным источником и резонатором с возможностью перемещения устройства сведения и преобразования вдоль оптической оси лазера посредством четвертого юстировочного устройства и оптически сопряженным с активным элементом. Техническим результатам при реализации заявленного решения выступает обеспечение в ВКР-лазере возможности уменьшения расстояния между резонаторными зеркалами 7, 8 при очень точной юстировке положения активного элемента 4 и резонаторных зеркал 7, 8 относительно друг друга и оптической оси 6 лазерного источника 1 накачки не менее чем на 50% за счет независимой точной регулировки положения каждого из резонаторных зеркал 7, 8, устройства сведения и преобразования 15 излучения лазерного источника 1 накачки и активного элемента 4. 6 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Лазер с устройствами юстировки, содержащий резонатор с активным элементом, установленным между оптически сопряженными первым и вторым резонаторными зеркалами, размещенными посредством соответствующих держателей со сближенными юстировочными устройствами первого и второго резонаторных зеркал на торцевых фланцах резонатора, отличающийся тем, что лазер дополнительно содержит лазерный источник накачки и в него дополнительно введены платформа с третьим юстировочным устройством для перемещения резонатора по высоте и нормально к оптической оси лазерного источника накачки и устройство сведения и преобразования излучения лазерного источника накачки, размещенное между лазерным источником накачки и резонатором с возможностью перемещения устройства сведения и преобразования излучения вдоль оптической оси лазерного источника накачки посредством четвертого юстировочного устройства и оптически сопряженное с активным элементом, обладающим ВКР эффектом и установленным посредством узла крепления с возможностью обеспечения его вращения относительно оптической оси лазера, юстировочные устройства первого и второго резонаторных зеркал дополнительно содержат по крайней мере три стержня, размещенные параллельно друг другу вдоль оптической оси лазера и связывающие между собой первое и второе резонаторные зеркала, при этом сближение юстировочных устройств с держателями первого и второго резонаторных зеркал обеспечено возможностью их перемещения вдоль стержней, причем юстировочные устройства первого и второго резонаторных зеркал и третье юстировочное устройство в совокупности выполнены с возможностью осуществления независимой регулировки положения резонаторных зеркал и активного элемента относительно друг друга и оптической оси лазера.

2. Лазер с устройствами юстировки по п. 1, отличающийся тем, что лазерный источник накачки выполнен с нелинейным кристаллом, обеспечивающим получение излучения 2-й, или 3-й, или 4-й гармоник.

3. Лазер с устройствами юстировки по п. 1, отличающийся тем, что узел крепления активного элемента выполнен из высокотеплопроводного материала.

4. Лазер с устройствами юстировки по п. 1, отличающийся тем, что активный элемент выполнен с просветляющим покрытием, обеспечивающим минимизацию потерь генерируемого излучения и излучения накачки лазера.

5. Лазер с устройствами юстировки по п. 1, отличающийся тем, что устройство сведения и преобразования излучения накачки лазера выполнено в виде линзового или зеркального объектива.

6. Лазер с устройствами юстировки по п. 1, отличающийся тем, что стержни выполнены из материала, обладающего малым коэффициентом линейного расширения.

7. Лазер с устройствами юстировки по п. 1, отличающийся тем, что активный элемент выполнен в виде монокристалла алмаза.