ЛАЗЕРНЫЙ АКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2023 года по МПК H01S3/06 

Область техники

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано при создании твердотельных лазеров и квантовых оптических усилителей.

Уровень техники

В современной технике требуется получение лазерных импульсов с высокой средней и пиковой мощностью. Значительное тепловыделение в активном элементе твердотельного лазера при работе с высокой средней мощностью и ограниченная лучевая прочность его материала приводит к требованиям увеличения размеров активного элемента и обеспечения наиболее эффективного охлаждения активного элемента. Поэтому значительное внимание уделяется твердотельным лазерам с дисковой геометрией активного элемента. Это позволяет увеличить площадь теплоотвода при сохранении удельной плотности мощности усиленного излучения в элементе. Однако с увеличением поперечных размеров активного элемента существенно возрастает вероятность развития паразитной поперечной генерации, которая снижает КПД лазера или полностью снимает инверсную населенность в активном элементе. Для предотвращения развития паразитной генерации используют различные подходы.

Известен подход по патенту США №7200161, Pan Q., et al.// Optics & Laser Technology, 127 106151 (2020).], основанный на создании поглощающих или просветляющих покрытий боковой поверхности активного элемента, что уменьшает обратную связь в поперечном к оптической оси направлении.

Известен подход по патенту РФ №2560438, основанный на создании нелегированной области на торце активного элемента, что позволяет уменьшить обратную связь в направлении под углом к оптической оси за счет отдаления отражающей поверхности ввода-вывода излучения от слоя, легированного ионами активные примеси.

Известен подход [US №11760470] и [RU №2704332], где для уменьшения вероятности развития паразитной генерации применяются неплоские поверхности активного элемента. В частности, при создании выпуклой линзы на поверхностях ввода-вывода излучения, все излучение, направленное не вдоль оптической оси, будет рассеиваться, уменьшая обратную связь в активном элементе [US №11760470]. Однако, наличие линзы на поверхности активного элемента, предложенное в [US №11760470], требует ее оптической компенсации, что значительно усложняет резонатор лазера. Кроме того, в активных средах при больших усилениях, даже одного прохода излучения в поперечном направлении достаточно для существенного снижения КПД лазера. Все перечисленное не позволяет значительно увеличить площадь пятна накачки активного элемента при высокой плотности накачки.

В патенте РФ №2704332 для уменьшения паразитной генерации предлагается использовать твердотельный активный элемент, в котором область, легированная ионами активной примеси, представляет собой участок сферической поверхности постоянной толщины. Данный подход выбран в качестве прототипа. Недостатком прототипа является то, что при конечной толщине легированного слоя, такой подход имеет крайне ограниченный запас по масштабированию. Элементарные оценки показывают, что если радиус легированной сферической поверхности составляет R, а толщина легированной области d, то характерное расстояние, вдоль которого может развиваться паразитная генерация, будет составлять:

L≈2⋅(R⋅d)^1/2, Здесь учтено, что d<<R.

Для того чтобы не развивалась паразитная генерация, необходимо выполнение условия: L<L_sup, где L_sup - пространственный размер, на котором при данном уровне накачки в этой активной среде развивается суперлюминесценция. Таким образом, приходим к условию R<(L_sup)²/(4⋅d), при этом нужно еще учитывать, что диаметр сферической поверхности, вдоль которой осуществлялось легирование ионами активной примеси, должен значительно превышать диаметр пятна накачки и поперечный размер лазерного активного элемента (D_э). Таким образом, имеем D<<R<(L_sup)²/(4⋅d). Кроме того, следует учитывать, что в активных средах при высокой плотности мощности накачки в области, легированной ионами активной примеси, выделяется тепловая энергия и возникает термолинза, которая ухудшает качество лазерного пучка и может спровоцировать разрушение активного лазерного элемента.

Раскрытие изобретения

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является изменение распределения легирующих компонентов (ионов активной примеси) в активном элементе, который применяется в лазере или квантовом оптическом усилителе с дисковой геометрией активного элемента. Технический результат от использования изобретения заключается в возможности снижения оптических искажений и увеличения поперечного размера рабочей области активного элемента при сохранении удельной плотности мощности усиленного излучения и без развития поперечной паразитной генерации.

Технический результат достигается за счет того, что в активном элементе, состоящем как минимум из четырех слоев, в которых распределение активных ионов в слое не равномерное, а представляет собой набор несвязных легированных областей с характерным размером меньше длинны развития суперлюминесценции, легированные области разделены друг от друга областью, не содержащей активных ионов. При этом расположение легированных областей в каждом слое такое, что в проекции на плоскость, перпендикулярной оптической оси, все слои формируют сплошное и равномерное распределении легирующих ионов. Существенное отличие предложенного активного элемента от известных заключается в том, что за счет формирования кусочно-разрывного распределения, ионов активной примеси в слое, уменьшается размер легированной области в направлении, отличном от оптической оси. Максимальные размеры связной активной области в каждом слое, выбираются меньше длины развития суперлюминесценции при рабочем уровне накачки. Кусочно-разрывный профиль легирования, когда легированные области окружены нелегированным материалом, позволяет снизить термооптические искажения в активном элементе за счет сброса возникающих термоупругих напряжений из легированных областей, в которых содержатся ионы активной примеси и происходит тепловыделение при накачке, в соседнюю нелегированную область. Таким образом, дополнительным преимуществом активного элемента по сравнению с прототипом, в котором распределение ионов равномерное вдоль сферической поверхности, является возможность снизить максимальные термоупругие деформации, возникающие в активном элементе при накачке. В лазерах и квантовых оптических усилителях с дисковой геометрией активной среды, где используется высокая плотность мощности накачки и большие усиления, реализация заявленного изобретения позволит увеличить энергетические параметры излучения без изменения схемы лазера. Для увеличения эффективности накачки активной среды, поверхности ввода-вывода излучения активного элемента могут быть покрыты слоем нелегированного материала, на котором нанесены просветляющие или отражающие покрытия на длинах волн излучений генерации и накачки.

Краткое описание чертежей

Прилагаемый чертеж, включенный в состав настоящего описания и являющийся его частью, иллюстрирует вариант осуществления изобретения и совместно с вышеприведенным общим описанием изобретения и нижеприведенным подробным описанием служит для пояснения принципов настоящего изобретения. На чертеже Фиг. 1 схематично показаны четыре слоя активного лазерного элемента, они обозначены цифрами (1-4), в которых области, легированные активной примесью, закрашены - (5), области без примеси и прозрачные для излучения накачки не закрашена - (6). На Фиг. 2 показан лазерный активный элемент вдоль оптической оси, цифрами помечены легированные области в каждом слое: (1) - первый слой; (2) - второй; (3) - третий; (4) - четвертый. Как видно из этого чертежа, несмотря на то, что в каждом отдельном слое легированные области разделены, и располагаются друг от друга на значительном расстоянии, в проекции на плоскость перпендикулярной оптической оси легированные области равномерно заполняют плоскость проекции.

Осуществление изобретения

Лазерный активный элемент состоит как минимум из четырех плоских слоев. Слои толщиной 0,05-1 мм, содержат квадратные блоки, легированные активными примесями, между которыми находится материал без активных примесей. На чертеже Фиг. 1 схематично показаны четыре слоя активного лазерного элемента, они обозначены цифрами (1-4), в которых области, легированные активной примесью, заштрихованы - (5), область без примеси и прозрачная для излучения накачки не закрашена - (6). На Фиг. 2 показано, как выглядит лазерный активный элемент вдоль оптической оси, цифрами помечены легированные области в каждом слое: (1) - первый слой; (2) - второй слой; (3) - третий; (4) - четвертый. Как видно из этого чертежа, несмотря на то, что в каждом отдельном слое легированные области разделены, и располагаются друг от друга на значительном расстоянии, в проекции на плоскость перпендикулярной оптической оси легированные области равномерно заполняют плоскость проекции, как видно на Фиг2. При заданном уровне накачки, вероятность развития паразитной генерации пропорциональна наибольшей длине связной области, легированной ионами активной примеси. Следовательно, длина диагонали прямоугольной области, которая содержит ионы активной примеси, выбирается меньше расстояния, на котором при рабочем уровне накачки развивается суперлюминесценция. При необходимости увеличения пятна накачки расстояние между легированными областями может быть очевидным образом увеличено в два раза, что потребует пропорционального увеличения слоев. Таким образом, за счет уменьшения характерного размера легированной области и увеличения расстояния между ними уменьшается вероятность развития паразитной генерации, а равномерное заполнение легирующими областями рабочего объема достигается за счет увеличения слоев. Принцип расположения слоев и легированных областей них иллюстрируется на Фиг. 1

Лазерный активный элемент, состоящий из четырех слоев, может быть получен, например, следующим способом:

на неактивный прозрачный материал наносится активная примесь, потом осуществляется по одному из известных методов (термодиффузия, ионная имплантация и т.п.) внедрение примеси в чистый материал, далее наносится защитный слой и согласно маске защита удаляется с той области, где должен находиться чистый материал см. Фиг. 1. После этого на глубину диффузии примеси легированный материал удаляется (вытравливается кислотами или испаряется) и остается только там где, согласно маске остался защитный слой. Затем защитный слой удаляется, а получившаяся рельефная поверхность опять заполняется чистым материалом - это первый слой. Далее снова наращивается слой чистого материала и процесс повторяется со сдвигом маски согласно схеме показанной на чертеже Фиг. 1.

В случае использования керамического материала, лазерный активный элемент может быть создан с использованием аддитивных технологий, например, напечатан послойно согласно Фиг. 1.

Материалом матрицы активного слоя могут быть ZnS, ZnSe, Al₂O₃, Y₃Al₅O₁₂, Sc₂O₃, Lu₂O₃, YVO₄, LuVO₄, LaSc₃(BO₃)₄, KGd(WO₄)₂, KY(WO₄)₂, лазерные стекла. Активными ионами могут быть железо, хром, эрбий, иттербий, неодим, тулий, гольмий. Торцы твердотельного активного элемента могут иметь просветляющее покрытие на длинах волн накачки и усиления, а также на них могут наноситься отражающие покрытия.

С помощью метода конечных элементов выполнены расчеты термоупругих деформаций, возникающих в активном элементе на основе ZnS и ZnSe, в которых легирование выполнено по кусочно-разрывному профилю согласно Фиг. 1, а также при использовании равномерного легирования в одном плоском слое, либо вдоль сферической поверхности. Расчеты показывают, что при одинаковой толщине легированного слоя и фиксированной плотности накачки, максимальные термоупругие деформации активного элемента при кусочно-разрывном профиле легирования, показанном на Фиг. 1 в несколько раз меньше, чем при использовании равномерного легирования вдоль сферической или плоской поверхности. Таким образом, предлагаемый здесь подход позволяет не только уменьшить влияние паразитной генерации, но и снижает отрицательные эффекты, обусловленные возникновением термооптических искажений в активном элементе лазера.

Изобретение относится к области лазерной техники. Лазерный активный элемент состоит как минимум из четырех слоев, в которых в особом порядке расположены области, легированные ионами активной примеси, отделенные друг от друга областью нелегированной активной примеси. Размер легированных областей и порядок их расположения в слоях выбирается из условий, чтобы при рабочем уровне накачки активного элемента максимальный размер связной легированной области был меньше длины развития суперлюминесценции, а легированные области в проекции на плоскость, перпендикулярной оптической оси, вдоль которой формируется лазерное излучение активного элемента, равномерно и полностью заполняли рабочую область. Техническим результатом изобретения является повышение средней и импульсной мощности лазерного излучения, уменьшение оптических искажений, возникающих в активном элементе при мощной импульсной накачке. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Лазерный активный элемент, включающий как минимум четыре слоя, расположенных друг за другом вдоль оптической оси и состоящих из областей, содержащих ионы активных примесей, разделенных областью, не содержащей активных примесей, максимальная длина связной области, которая содержит ионы активной примеси, выбирается меньше расстояния, на котором при рабочем уровне накачки развивается суперлюминесценция, при этом расположение всех этих легированных областей формирует в проекции на плоскость, перпендикулярной оптической оси, сплошное и равномерное распределение ионов активатора.

2. Лазерный активный элемент по п. 1, отличающийся тем, что поверхности ввода-вывода излучения активного элемента покрыты слоем нелегированного материала, на котором нанесены просветляющие или отражающие покрытия на длинах волн излучений генерации и накачки.