Квантрон твердотельного лазера Советский патент 1992 года по МПК H01S3/02 

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к твердотельным лазерам, и может быть использовано в конструкциях высокоэффективных лазеров на основе концентрированных активных сред.

Известен квантрон твердотельного лазера, содержащий цилиндрический отражатель, в котором размещены параллельно его продольной оси активный элемент и лампа накачки (плотная упоковка).

Наиболее близким к изобретению является квантрон твердотельного лазера, содержащий цилиндрический отражатель, в котором размещены параллельно и симметрично относительно его продольной оси активный элемент цилиндрической формы и трубчатая лампа каначки.

Недостатками известных квантронов являются неоднородность освещенности излучением лампы накачки различных участков поперечного сечения активного элемента и, как следствие, получение неоднородного распределения коэффициента усиления по сечению активного элемента. Это приводит к появлению неоднородности распределения интенсивности по сечению пучка выходного излучения лазера.

V|

кэ

Os 00

Целью изобретения является улучшение однородности распределения интенсивности по сечению пучка выходного излучения лазера за счет усреднения распределения поглощения излучения накачки по длине активного элемента.

Поставленная цель достигается тем, что лампа накачки и активный элемент располагаются внутри осветителя так, что линии, соединяющие точки пересечения продольных осей симметрии активного элемента и лампы накачки плоскостями, перпендикулярными продольной оси осветителя и проходящими через его торцы, развернуты один по отношению к другому на угол р гКд.э + Нл.н

р 2arcoos (Re

,

где RO - расстояние между продольными осями симметрии активного элемента и лампы накачки на торцах осветителя;

КА.Э, Нл.н - радиусы активного элемента и лампы накачки, соответственно.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.

В предлагаемом квантроне расстояние между активным элементом (АЭ), лампой накачки и продольной осью симметрии осветителя изменяется на всей длине осветителя. При . этом, распределение поглощенного излучения лампы накачки по сечению активного элемента изменяет свою форму при переходе по длине активного элемента от одного поперечного сечения к другому. Кроме того, за счет взаимного наклона активного элемента и лампы накачки плоскость симметрии распределения поглощенного излучения накачки по сечению активного элемента поворачивается вокруг продольной оси активного элемента.

По мере распространения в доль активного элемента излучение проходит через участки активного элемента с отличающимися распределениями поглощенного излучения накачки (и, соответственно4 плотностью инверсной населенности) как по форме, так и по углу поворота плоскости симметрии. В результате происходит усреднение неоднородностей распределения поглощенного излучения -накачки по длине активного элемента. Соответственно улучшается однородность распределения коэффициента усиления по сечению активного элемента и за счет этого однородность распределения интенсивности по сечению пучка выходного излучения лазера, так как они в первом приближении пропорциональны плдтности энергии излучения накачки, поглощенного в области сечения активного элемента по пути распространения луча.

Чем больше угол взаимного разворота активного элемента и лампы накачки, тем больше эффект усреднения. Наибольший предельный угол ограничен размерами отражателя, активного элемента и лампы накачки. Предельный угол, когда активный элемент и лампа накачки соприкасаются на их половинной длине, рассчитывается из . простых геометрических соображений и равен

пред 2arccos (КА.Э + Кл.н

Ro

X

5

0

5

0

5

0

5

0

5

р

где

С увеличением спектрально среднего коэффициента поглощения излучения накачки, например путем увеличения концентрации ионов активатора, увеличивается неоднородность распределения поглощенной энергии излучения накачки и соответст- венно уменьшается однородность распределения коэффициента усиления по сечению активного элемента: N t

L м м макс / n d L ,дэ- и NMaKC

соответственно средняя и максимальная плотность инверсной населенности в поперечном сечении активного элемента, усредненная по объему Уд.э и длине .э активного элемента;

n - плотность инверсной населенности.

Наибольшая неоднородность наблюдается в оптически плотных активных средах, характеризующихся высоким спектрально средним коэффициентом поглощения излучения накачки. Общепринятым критерием высокого коэффициента поглощения накачки в активном элементе (оптически плотные активные среды) является условие a-rJA.35:1 ,

где dA.3 2 РА.Э -диаметр активного элемента. Предлагаемое техническое решение обеспечивает значительный положительный эффект для оптически плотных сред:

Р jff-ftipefl) -10-1 5. Р(/ 0) 0/ где Р (р - ) И Р (р 0) - коэффициенты характеризующие однородность распределения коэффициента усиления Р при р - рпрек и (р 0.

При малы значениях коэффициента поглощения ( а .э 1 ) часть излучения лампы накачки проходит через активный элемент, не поглотившись, затем после одного или нескольких переотражений от отражающей поверхности осветителя попадает опять в АЭ. За счет двух и более проходов излучения накачки через АЭ под

разными углами и через разные области происходит улучшение однородности накачки. .Однако ив этом случае предлагаемое техническое решение дает положительный эффект, но несколько меньший:

Р (Р -ftipefl) 1

Р(У 0) п

Отражающая поверхность цилиндрического осветителя может быть любой, но для увеличения его эффективности (КПД) при сохранении эффекта улучшения однородности распределения коэффициечта усиления и интенсивности выходного излучения осве- титель может быть выполнен с отражающей поверхностью и нецилиндрической формы,

На фиг. 1 приведён квантрон твердотельного лазера с круговым цилиндрическим осветителем и скрещенными друг относительно друга и продольной оси осветителя активным элеменом и лампой накачки; на фиг. 2 - распределение плотности инверсной населенности N в поперечном сечении активного элемента ИСГГ: С г, Nd6. усредненное по длине АЭ для известного, квантрона; на фиг. 3 - то же, для предлагаемого квантрона; на фиг. 4 - зависимость коэффициента однородности Р распределения коэффициента усиления от угла р для АЭ из кристалла ИСГГ: Nd, Cr; на фиг. 5 - распределение интенсивности по сечению пучка выходного излучения ИСГГ: Cr, Nd лазера при использовании известного квантрона; на фиг. 6 - то же для предлагаемого квантрона; на фиг. 7 - зависимость энергии импульсов излучения ИСГГ: Cr, Nd лазера Qr от энергии накачки Он для известного и предлагаемого квантрона при р 90 град.

Квантрон твердотельного лазера (фиг. 1) содержит осветитель 1 цилиндрической формы, в котором размеи-ены активный элемент 2 и лампа 3 накачки. Активный элемент 2 и лампа 3 накачки расположены осесим- метрично продольной оси симметрии осветителя а - а. Продольнь-е oci Симметрии активного элемента б - 6 и лампы накачки в - в наклонены друг по отношению к другу и продольной оси осветителя а - а так, что линии 61 - в1 и 62 - в2, соединяющие точки пересечения продольных ocei симметрии активного элемента и лампы накачки плоскостями I - I и II - II, пс-рпендикулярными продольной оси осветителя и проходящими через его торцы, развернуты друг по отношению к другу на угол О)..,

Предлагаемое устройство квантрона твердотельного лазера работает следующим образом.

Излучение лампы 3 какачк ч с помощью отражающей поверхности осветителя направляется в активный элемент 2 (фиг. 1). Активный элемент поглощает излучение лампы накачки, причем распределение поглощенной в нем световой энергии распре- деляется по его сечению неравномерно. За счет взаимного наклона продольных осей симметрии осветителя 1, активного элемента 2 и лампы 3 накачки профиль распределения неоднородностей поглощенной в

активном элементе энергии излучения накачки изменяется в различных сечениях вдоль активного элемента. Лазерное излучение при распространении вдоль активного элемента проходит через участки с

различным распределением плотности поглощенной энергии накачки. В результате такого усреднения неоднородностей по длине активного элемента происходит улучшение однородности распределения коэффициента усиления по сечению активного элемента и однородности распределения интенсивности по сечению пучка выходного излучения.

В квантроне используют цилиндрический осветитель длиной 60 мм, выполненный в виде полой кварцевой трубки, с серебря ным отражающим покрытием, нанесенным на внешнюю цилиндрическую поверхность диаметром 30 мм. Активный

элемент ф 9, мм, выполнен из кристалла иттрий-скандий-галлиевого граната, активированного ионами неодима с концентрацией 3 -1020 и сенсибилизированного ионами хрома с концентрацией 1

(ИСГГ: Cr, Nd). Таким образом, элемент выполнен из материала с типично высоким спектрально средним коэффициентом поглощения излучения накачки оисгг 2,5 так, что условие (2) заведомо выполняется.. Для сравнения использует также активный элемент(10х80 мм из кристалла иттрий-алюминиевого граната, активированного ионами неодима Nd (AHr:Nd).c концентрацией 0,6- 10 . Такой кристалл

AHf:Nd обладает типично низким коэффициентом поглощения «диг 0,2 , а также трубчатую лампу накачки типа ИНП-5/60А-1.

Осветитель, активный элемент и лампа

накачки размещены в корпусе квантрона излучателя ИЗ-25.

Условия испытания квантрона следующие.

Сравнивают различные конфигурации квантрона в при изменении угла р до 109°. Лампа накачки работает от серийного блока электропитания твердотельных лазеров типа СВЭП-1. Длительность импульса лампы

накачки по уровню 0,5 составляет 10, мкс, Энергия накачки изменяется в пределах 5 - 30 Дж, частота следования импульсов - в пределах 5-25 Гц.

Измерение распределения плотности инверсной населенности, однозначно определяющей распределение коэффициента усиления по сечению активного элемента, осуществляют с помощью телевизионной системы. Оптическая система с малым углом зрения проектирует изображение активного элемента на видикон приемной телевизионной камеры. Полученные данные выводятся и обрабатываются на ЭВМ типа IBM PC,

Распределение интенсивности по сечению пучка выходного излучения лазера регистрируют с помощью той же измерительной системы. Лазер состоит из двух плоских зеркал - зеркала с коэффициентом отражения 100% и выходного полупрозрачного зеркала.

На фиг. 2 приведено распределение плотности инверсной населенности N в сечении активного элемента ИСГГ: Сг, Nd для (р 0 град;.на фиг. 3 - распределение плотности инверсной населенности N в сечении активного элемента ИСГГ: Cr, Nd для р 90 град.

Из сравнения фиг, 2 и 3 следует, что для предлагаемой конфигурации квантрона при р 90 град однородность распределения коэффициента усиления по сечению активного элемента значительно выше, чем в обычном квантроне при р 0 град. При р 90 град распределение в целом более сглажено.

На фиг. 4 приведена зависимость коэффициента однородности распределения коэффициента усиления по сечению активного элемента Р, полученная экспериментально для активного элемента ИСГГ: Cr, Nd в зависимости от угла р .

Как следует из фиг. 4,.однородность распределения коэффициента усиления по се- чениюактивного элемента увеличивается во всем исследуемом диапазоне углов от 0 до 109 град.

Распределение интенсивности I излучения (фиг. 5, 6) по сечению пучка выходного излучения повторяет характерные особенности профиля распределения коэффициента усиления по сечению активного элемента. Как следует из сравнения фиг. 2 и 5,3 и 6 увеличение однородности распределения интенсивности так же, как для плотности инверсной населенности, достигается при увеличении угла р . Наибольшее улучшение однородности распре-деленип интенсивности достигается вблизи /Рпред. когда превышение максимальной интенсивности макс в сечении пучка излучения над средним уровнем интенсивности по сечению в 1,3 - 1,8 раза меньше, чем прму О град.

Предлагаемый квантрон твердотельного лазера так же эффективен, как квантрон- прототип ( р --- 0 град). На фиг. 7 видно, что

энергий импульсов выходного излучения лазеров, отличающихся только конфигурацией квантронов, совпадают („,„- для предлагаемого квантрона, «W -для известного квантрона),

В экспериментах получено и улучшение однородности распределения коэффициента усиления и интенсивности, а также улучшение радиальной симметрии этих параметров по сечению при использовании

кристалла АИ.Г: Nd. Однако этот эффект улучшения значительно меньше, чем при использовании кристалла ИСГГ: Cr, Nd с высоким коэффициентом поглощения излучения накачки. Эффективность лазера на АИГ: Nd

при переходе от известного к предлагаемому квантрону также сохраняется.

Таким образом, предлагаемый квантрон позволяет существенно улучшить однородность распределения коэффициента

усиления по сечению активного элемента и однородность распределения интенсивности по сечению пучка выходного излучения лазера без уменьшения эффективности лазера {квантрона).

Формула изобретения

Квантрон твердотельного лазера, содержащий осветитель с цилиндрической отражающей поверхностью, внутри которого симметрично продольной оси расположены

трубчатая лампа накачки и твердотельный активный элемент цилиндрической формы, выполненный из оптически плотного мате- риала, отл и ч а ю щи и ся тем, что, с целью улучшения однородности распределения

интенсивности по сечению пучка выходного излучения лазера за счет усреднения распределения поглощения излучения накачки по длине активного элемента,.дампа накачки и активный элемент расположены внутри

осветителя так, что линии, соединяющие точки пересечения продольных осей симметрии активного элемента и лампы накачки плоскостями, перпендикулярными продольной оси осветителя и проходящими

через его торцы, развернуты друг по отношению к другу на угол

р 2arccos (НА.Э + Рл.н Ro

ъ

где Ro - расстояние между продольными осями симметрии активного элемента и лампы накачки на торцах осветителя;

Фиг.1

Рд.э, Ял.н - радиусы активного элемента и лампы накачки соответственно.

Изобретение относится к квантовой электронике, высокоэффективным твердотельным лазерам с однородным распределением интенсивности по сечению пучка. Цель - улучшение однородности распределения интенсивности по сечению пучка выходного излучения лазера. Для этого предлагаемый квантрон содержит осветитель с цилиндрической отражающей поверхностью, лампу каначки и твердотельный активный элемент цилиндрической формы, расположенные симметрично продольной оси осветителя так, что линии, соединяющие точки пересечения продольных осей симметрии активного элемента и лампы накачки плоскостями, перпендикулярными продольной оси осветителя и проходящими через его торцы, развернуты одна относительно другой на угол ух 2arccos A.3 + +НлнУРо, где RO - расстояние между продольными осями симметрии активного элемента и лампы накачки на торцах осветителя; Рд.э. Ял.н радиусы активного элемента и лампы накачки. 7 ил. w fe

Ы.отн.ед

N.om/f.eff

1721681

0.81 0.79

Фиг. 3

0,5

45

Фиг Ч

90

Ч.град.

0,97 I

Фиг. 5

800 600 400 200

.)c

Редактор Н. Гунько

Фи.г.7

Составитель В.Михайлов Техред М.МоргенталКорректор Н. Король

U74 O.t

Фие.6

Он,$ж

15

30