КВАНТРОН ЛАЗЕРА С ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ АКТИВНОЙ СРЕДЫ Российский патент 2021 года по МПК H01S3/02 

Изобретение относится к приборам квантовой электроники, являющимися источниками лазерного излучения большой мощности. Наряду с требованием обеспечения необходимой мощности лазерного излучения предъявляется требование обеспечения малой угловой расходимости излучения, что достигается за счет реализации одномодового режима генерации или усиления излучения задающего лазера [1]. Для достижения этих параметров необходимо обеспечить создание квазиравномерного осесимметричного распределения инверсной населенности энергетических уровней активатора (далее - инверсной населенности) в активной среде лазера.

Применение в качестве источника излучения накачки полупроводниковых лазерных диодов обеспечивает выполнение указанного условия в схеме продольной накачки активной среды [1, 2]. При этом выходная мощность лазерного излучения оказывается ограниченной за счет поглощения излучения лазерных диодов по мере его распространения в активной среде.

Известны технические решения [3] конструкций лазеров, в которых для увеличения мощности выходного излучения реализуется схема поперечной накачки активной среды -увеличение выходной мощности лазерного излучения обеспечивается за счет увеличения коэффициента усиления активной среды, однако качество лазерного пучка не достигает дифракционного предела и КПД лазера оказывается невысоким за счет пространственно неравномерного распределения инверсной населенности в объеме активной среды.

Негативными свойствами таких решений являются повышенная лучевая нагрузка на оптические элементы, сложность обеспечения отвода тепла как от активной среды, так и от устройства ее накачки.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является квантрон твердотельного лазера с диодной накачкой (патент РФ №2622237, [4]), содержащий активный элемент в виде стержня, источники оптической накачки, систему охлаждения, фланцы и элемент, соединяющий фланцы.

Недостатками данного технического решения является ограниченная по величине апертура активного элемента и значительное число оптических элементов с высокими требованиями к точности их взаимного расположения для обеспечения эффективного охлаждения, что снижает надежность функционирования устройства.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является увеличение выходной мощности пучка лазерного излучения и обеспечение его малой расходимости.

Поставленная задача решается за счет того, что активный элемент выполнен из последовательно расположенных на одной оси одной или нескольких пар дисков из оптически активного материала, причем диски каждой пары вращаются в противоположных направлениях с постоянной угловой скоростью, а лазерные диоды расположены в непосредственной близости от поверхностей дисков, просветленных для излучения лазерных диодов, так, что области оптически активного материала дисков с созданной воздействием излучения лазерных диодов инверсной населенностью оказываются расположенными на оптической оси квантрона лазера, параллельной оси вращения дисков

Просветленные поверхности вращающихся дисков выполнены непараллельными для исключения возникновения генерации излучения между ними, а поверхности вращающихся дисков, противоположные соответствующим лазерным диодам, имеют покрытия отражающие их излучение.

Токи накачки лазерных диодов задаются различными таким образом, чтобы распределение инверсной населенности относительно оптической оси квантрона приближалось к осесимметричному.

Достигаемый технический результат заключается в обеспечении малой расходимости пучка лазерного излучения и увеличения мощности. Этот результат достигается за счет увеличения апертуры активной среды и реализации квазиравномерного, близкого к осесимметричному пространственного распределения инверсной населенности активной среды в квантроне лазера.

В результате воздействия излучения лазерных диодов на оптически активный материал диска достигается создание в нем области с инверсной населенностью в виде сегмента, имеющего длину средней линии , величина которой зависит от угловой скорости вращения дисков ω и длительности импульса накачки τ:

где R_m - радиус, на котором определяется длина средней линии области с инверсной населенностью.

Поскольку в импульсном режиме работы лазера величину т задают примерно равной постоянной времени релаксации оптически активного материала, для обеспечения поперечного размера апертуры лазерного пучка, например, для диска с R_m=0,1 м из оптически активного материала - стекла, легированного неодимом, которому соответствует величина τ=3⋅10^-4 с, необходимо обеспечить . Такому значению соответствует вращение диска со скоростью около 700 об. мин^-1, что технически реализуемо.

При этом пространственное распределение инверсной населенности вдоль средней линии при постоянной величине импульса тока накачки лазерных диодов будет иметь вид, представленный на фиг. 2.

За счет встречного вращения двух дисков из оптически активного материала достигается квазисимметричное распределение инверсной населенности вдоль средней линии рабочей области с созданной излучением источников оптической накачки инверсной населенностью - фиг. 3. Изменением формы импульсов тока накачки лазерных диодов достигается квазиравномерное распределение инверсной населенности.

Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность заявляемого изобретения, не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "Новизна".

Сущность заявляемого изобретения не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, т.к. из него не выявляется вышеуказанное влияние на получаемый технический результат - новое свойство объекта - совокупности признаков, которые отличают от прототипа заявляемое изобретение, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "Изобретательский уровень".

Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность изобретения, в принципе может быть многократно использована для реализации лазера с получением технического результата, заключающегося в обеспечении малой расходимости. пучка лазерного излучения, увеличении его мощности и уменьшении числа оптических элементов, обусловливающего достижение поставленной задачи, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "Промышленная применимость".

На фиг. 1 представлена функциональная схема квантрона лазера с одной парой дисков из оптически активного материала: 1 - первый диск из оптически активного материала, 2 - второй диск из оптически активного материала; 3, 4 - лазерные диоды; 5 - просветляющее покрытие для лазерного излучения; 6 - привод вращения первого диска; 7 - привод вращения второго диска; 8 - ось вращения, 9 - покрытие, зеркально отражающее излучение лазерных диодов.

На фиг. 2 изображена зависимость инверсной населенности вдоль средней линии, реализуемая в рабочей области с инверсной населенностью энергетических уровней активатора первого диска;

На фиг. 3 изображена зависимость результирующей инверсной населенности вдоль средней линии, реализуемая рабочими областями с инверсной населенностью первого и второго диска.

Излучение лазерных диодов (3) поглощается оптически активным материалом, из которого изготовлен первый диск (1), и создает инверсную населенность в объеме рабочей области диска с сечением в форме сегмента. Аналогично излучение лазерных диодов (4) поглощается оптически активным материалом, из которого изготовлен второй диск (2) и также создает инверсную населенность в объеме рабочей области этого диска с сечением в форме сегмента. Распределения инверсных населенностей зеркально симметричны.

В момент времени, когда границы указанных сегментов совпадут, зависимость результирующего распределения инверсной населенности вдоль средней линии максимально приближается к равномерному - фиг. 3.

Нанесенные на поверхности А, В, С и D дисков (1) и (2) покрытия (5) являются просветляющими для формируемого лазерного излучения и обеспечивают уменьшение потерь мощности при распространении этого излучения через границу раздела оптически активного материала и окружающей среды.

Покрытия на поверхностях В и С выполнены отражающими для излучения накачки лазерных диодов, что обеспечивает увеличение поглощения этого излучения в оптически активном материале, что приводит к увеличению инверсной населенности и, следовательно, приводит к увеличению мощности формируемого лазерного излучения.

Выполнение поверхностей дисков непараллельными (п. 2 формулы изобретения) предотвращает неконтролируемое развитие генерации лазерного излучения в объеме дисков и увеличивает мощность выходного лазерного излучения.

Формирование импульсов тока накачки лазерных диодов различной формы обеспечивает приближение к осесимметричному распределения инверсной населенности относительно оптической оси квантрона, что способствует увеличению мощности лазерного излучения.

Техническая реализация предлагаемого устройства требует размещения лазерных диодов на радиаторе для обеспечения отвода тепла.

Лист литературы.

1. Айхлер Ю., Айхлер Г.-Й. Лазеры. Исполнение, управление, применение. - М: Техносфера, 2008. - 442 с.

2. Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники. - Киев: Высш. школа, 1988. - 383 с.

3. Квантрон с диодной накачкой (патент РФ №2614079). Выдан 24.08.2015, опубликован 13.03.2017.

4. Квантрон твердотельного лазера с диодной накачкой (патент РФ №2622237). Выдан 23.12.2015, опубликован 13.06.2017.

Изобретение относится к приборам квантовой электроники, являющимся источниками лазерного излучения большой мощности. Сущность изобретения заключается в том, что в квантроне лазера с диодной накачкой активной среды реализована схема продольной относительно оптической оси лазера накачки. Активная среда накачивается излучением лазерных диодов, расположенных у поверхностей пары вращающихся во встречных направлениях дисков. Эти поверхности имеют покрытия, являющиеся просветляющими для излучения лазера, а покрытия поверхностей дисков, удаленных от лазерных диодов, отражают излучение накачки в направлении материала каждого из дисков. В результате в рабочей области создается квазиравномерное распределение инверсной населенности, обеспечивающее увеличение энергии излучения лазера и способствующее росту его качества. Выполнение поверхностей дисков непараллельными препятствует неконтролируемому развитию генерации лазерного излучения в объеме дисков и увеличивает мощность выходного лазерного излучения, а предусмотренное отличие формы токов накачки лазерных диодов позволяет сформировать распределение инверсной населенности, приближающееся к квазиравномерному и симметричному относительно оптической оси квантрона. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Квантрон лазера с диодной накачкой активной среды, содержащий оптическую систему, состоящую из активного элемента и лазерных диодов для его накачки, отличающийся тем, что активный элемент выполнен из последовательно расположенных на одной оси одной или нескольких пар дисков из оптически активного материала, причем диски каждой пары вращаются в противоположных направлениях с постоянной угловой скоростью, а лазерные диоды расположены в непосредственной близости от поверхностей дисков, просветленных для излучения лазерных диодов, так, что области оптически активного материала дисков с созданной воздействием излучения лазерных диодов инверсной населенностью оказываются расположенными на оптической оси квантрона лазера, параллельной оси вращения дисков.

2. Квантрон по п. 1, отличающийся тем, что просветленные поверхности вращающихся дисков выполнены непараллельными.

3. Квантрон по пп. 1, 2, отличающийся тем, что поверхности вращающихся дисков, противоположные соответствующим лазерным диодам, имеют покрытия, отражающие их излучение.

4. Квантрон по пп. 1, 2, 3, отличающийся тем, что формы токов накачки лазерных диодов обеспечивают близкое к осесимметричному распределение инверсной населенности относительно оптической оси квантрона.