ЛАЗЕРНАЯ СРЕДА ДЛЯ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ПАССИВНЫХ ЗАТВОРОВ Советский патент 1995 года по МПК H01S3/16 

Изобретение относится к квантовой элетронике, к лазерным активным и пассивным элементам на центрах окраски. Оно может быть использовано для генерации перестраиваемого по частоте монохроматического лазерного излучения, для генерации широкополосного немонохроматического лазерного излучения, для модуляции добротности и синхронизации мод твердотельных лазеров.

Широко известен монокристаллический лазерный оптический элемент, выполненный из рубина (Al₂O₃ Cr₂O₃), который служит для генерации монохроматического лазерного излучения. Рабочими частицами в этом элементе являются ионы хрома. Оптические элементы, выполненные из этого материала, не позволяют получать широко перестраиваемое по частоте лазерное излучение.

Наиболее близкой к предложенной является лазерная среда для активных элементов и пассивных затворов на основе монокристалла с центрами окраски. Обычно он выполняется в форме параллелепипеда с полированными гранями и применяется для генерации широкополосного лазерного излучения или для модуляции добротности резонаторов твердотельных лазеров. Рабочими центрами в этом элементе являются центры окраски.

Однако они не устойчивы к действию излучения с длиной волны менее ≈0,6 мкм. Кроме того, при действии интенсивного излучения накачки в ходе экспериментов наблюдалось растрескивание активных элементов и пассивных затворов лазеров, выполненных из фторида лития. Таким образом, недостатком известных оптических элементов на центрах окраски является низкая устойчивость к действию оптического излучения.

Цель изобретения состоит в повышении устойчивости кристалла к действию оптического излучения и расширении спектрального диапазона.

Поставленная цель достигается тем, что лазерная среда для активных элементов и пассивных затворов на основе монокристалла с центрами окраски выполнена на основе монокристалла окиси алюминия.

Как и известный, предложенный оптический элемент содержит центры окраски и может быть выполнен в форме параллелепипеда или другого тела с полированными поверхностями. Впервые обнаружены в монокристаллах окиси алюминия центры окраски, способные генерировать лазерное излучение и модулировать добротность лазерных резонаторов. Возможность генерации и модуляции добротности подтверждена экспериментом.

На фиг.1 показаны предложенные оптические элементы, общий вид; на фиг.2 схема лазерной установки, в которой предложенный оптический элемент используется для генерации излучения.

П р и м е р ы. Лазерная среда выполняется в форме параллелепипеда 1, цилиндра 2, призмы 3 или другого геометрического тела. Один из изготовленных образцов представляет собой параллелепипед размером 14 х 10 х 6 мм, выполненный из монокристалла окиси алюминия, содержащего центры окраски. Грани параллелепипеда отполированы. Наличие в лазерной среде центров окраски контролируют по спектрам оптического поглощения, измеренным на спектрометре. Описываемый образец содержит рабочие центры окраски, обладающие поглощением в спектральной области 0,6-0,9 мкм. Коэффициент поглощения на длине волны накачки 0,694 мкм составляет 0,9 см^-1.

Предложенная лазерная среда работает следующим образом. Ее помещают в резонатор, образованный зеркалами 4 и 5 с коэффициентами отражения соответственно 0,99 и 0,90, и накачивают излучением рубинового лазера 6 под углом 5-7 градусов к оси резонатора. Под действием импульсов накачки мощностью 2 МВт и длительностью 30 нс предложенный элемент 7 генерирует лазерное излучение. Его спектр анализируют спектрографом 8 и фотографируют фотоприставкой 9. По полученным спектрограммам определяют, что данная лазерная среда генерирует широкополосное лазерное излучение в спектральной области 0,92-1,16 мкм. Использование ее в селективном перестраиваемом резонаторе позволяет получать монохроматическое лазерное излучение, перестраиваемое по частоте в более широкой области.

Описанная лазерная среда может быть использована и как нелинейный светофильтр для модуляции добротности резонатора твердотельного лазера. В этом случае она размещается в резонаторе рубинового лазера. Под действием ламп накачки рубиновый активный элемент испускает излучение, которое поглощается центрами окраски и просветляет его вследствие насыщения перехода. При этом рубиновый лазер генерирует гигантские импульсы лазерного излучения, что подтверждено экспериментом
Другая лазерная среда выполнена в форме цилиндрической пластины 2 толщиной 14 мм и диаметром 30 мм. Она выполнена из монокристалла окиси алюминия, содержащего центры окраски, обладающие характеристической бесфононной линией оптического поглощения на длине волны 0,755 мкм. Основания цилиндра отполиpованы. Оптическая плотность на длине волны накачки 0,694 мкм вдоль образующей цилиндра составляет 0,6. Работа ее аналогична работе описанной. Она тоже используется либо как генерирующий активный элемент, либо как пассивный лазерный затвор.

Проведены сравнительные испытания предложенной лазерной среды для активных элементов и пассивных затворов с двумя известными оптическими элементами на центрах окраски, выполненными из фторида лития. Сопоставлены спектры генерации этих элементов в одной и той же конструкции лазера, показанной на фиг.2. Результаты измерения ширины спектров генерации приведены в таблице.

Из таблицы следует, что предложенный активный элемент генерирует излучение с более широким спектром, причем и в той спектральной области, где у образца LiF (2) имеется провал.

Затем проведено сравнение оптической устойчивости рабочих центров окраски в предложенном и известном оптических элементах. В одинаковых условиях оба элемента одновременно облучали излучением лампы СВД-120А. После 12 ч облучения в оптическом элементе на основе фторида лития все рабочие центры окраски разрушились и он утратил способность к генерации. В предложенном оптическом элементе разрушилось 13% рабочих центров окраски и он продолжал генерировать лазерное излучение.

Далее сопоставлена оптическая прочность предложенной и известной лазерных сред при действии излучения рубинового лазера накачки ОГМ-20, которое фокусировалось внутри элемента. При определенной энергии накачки под действием одного импульса происходило растрескивание оптического элемента на основе фторида лития по кристаллографическим плоскостям. Вместе с тем десять импульсов той же энергии не приводили к растрескиванию или обесцвечиванию предложенного оптического элемента на основе окиси алюминия.

Таким образом, предложенная лазерная среда для активных элементов и пассивных затворов на центрах окраски по сравнению с лучшими известными оптическими элементами обладает более высокой устойчивостью к оптическому излучению, высокой механической прочностью (твердость 9), поэтому полированные поверхности хорошо сохраняются в процессе эксплуатации.

ЛАЗЕРНАЯ СРЕДА ДЛЯ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ПАССИВНЫХ ЗАТВОРОВ на основе монокристалла с центрами окраски, отличающаяся тем, что, с целью повышения устойчивости кристалла к действию оптического излучения и расширения спектрального диапазона, она выполнена на основе монокристалла окиси алюминия.