Твердотельный перестраиваемый лазер на основе органических соединений

Полезная модель относится к лазерным устройствам, в частности к перестраиваемым лазерам, на основе органических соединений или так называемых лазерах на красителях. Предлагаемый перестраиваемый лазер на органических соединениях, содержащий в качестве источника накачки вторую гармонику твердотельного YAG-Nd+ лазера, задающий генератор с твердотельным оптическим элементом содержащим органические соединения и спектральным селектором резонатора, установленные на пути излучения задающего генератора последовательно размещенные усилители, а также оптическую линию распределения накачки с ответвителями к указанным усилителям, в нем в отличии от прототипа, каждый усилитель содержит оптический лазерный элемент выполненный в виде прямоугольного параллелепипеда и установленный так, чтобы излучение накачки падало на его торцевую грань перпендикулярно, а излучение задающего генератора падало на эту же грань под углом Брюстера и после полного внутреннего отражения от боковой грани внутри оптического элемента попадало на 100% отражающее зеркало установленное вплотную ко второй торцевой грани оптического лазерного элемента. После этого излучение претерпевало полное внутреннее отражение от второй боковой грани внутри оптического элемента, выходило из него под углом Брюстера.

Полезная модель относится к лазерным устройствам, в частности к перестраиваемым лазерам, на основе органических соединений или так называемых лазерах на красителях. В настоящее время перестраиваемые лазеры интересны применением в них твердотельных оптических элементов состоящих из матриц допированных лазерно-активными органическими соединениями [1]. Преимущества перед жидкостными аналогами очевидны. Все предыдущие модели таких устройств для обеспечения предпочтительных типичных для различных применений параметров излучения (по ширине линии генерации около 0,01 нм, энергии генерации до сотен мДж) работают по схеме «задающий генератор-усилитель» [2, 3]. В задающем генераторе формируется качественное излучение, которое затем усиливается в усилителях до необходимого уровня. Кроме того в задающем генераторе осуществляется перестройка длины волны. Для накачки таких устройств применяются различные лазеры: эксимерные, на сомоограниченных переходах, гармоники твердотельных лазеров. Последние наиболее интересны, т.к. такие лазерные системы имеют как правило несколько длин волн генерации и с их помощью можно перекрыть весь видимый диапазон. Основная проблема при разработке таких лазеров состоит в преобразовании значительных энергий излучений накачки (порядка сотен мДж) при сохранении высоких КПД. и качества получаемого излучения (монохроматичность, однородность и т.д.)

Известен лазер [4], в котором частично реализована схема работы предлагаемой полезной модели, однако ей свойственны следующие недостатки: поскольку накачивающее излучение подается на активный элемент через фокусирующую цилиндрическую линзу, то невозможнополучиь мощное и однородное излучение из-за неоднородностей фокусировки, кроме того из-за повышения плотности мощности накачки при увеличении энергии накачки будет уменьшаться общий КПД системы.

В следующем изобретении [5], предлагается использовать для накачки вторую гармонику YAG Nd+ лазера для накачки активного элемента DOPED GEL с R590, однако накачка производится с применением цилиндрической фокусирующей линзы в поперечном варианте и этой системе свойственны те же недостатки, что и в предыдущей. Кроме того, она лишена узла перестройки длины волны генерации.

Наиболее близким к заявляемой полезной модели является техническое решение по полезной модели [6]. В данной полезной модели реализована схема описанная выше. Однако в ней предлагаются в качестве усилителей использовать кюветы с полным внутренним отражением в полости которых циркулирует раствор состоящий из растворителя и органического соединения в нем. В качестве задающего генератора используется прямоугольная кювета с таким же раствором. Селектор предлагаемого лазера состоит из двух дифракционных решеток, работающих во втором порядке дифракции для первой решетки и первом порядке дифракции для второй решетки. Недостатками данного устройства являются: Пониженный КПД задающего генератора, т.к. Излучение дифрагированное от нулевых порядков, как первой, так и второй решеток не возвращаются в резонатор и не участвуют в процессе зарождения генерации Это же касается и излучения дифрагированного от первого порядка первой решетки.. Отсюда высокий порог генерации и, как правило, развитая линия задержки излучения накачки. Существенными недостатками прототипа являются применение в качестве активной среды жидкого раствора и сложности изготовления кварцевых кювет с рабочими каналами для его прокачки.

Задачей настоящей полезной модели является разработка перестраиваемого лазера на красителях с твердотельным оптическим элементом, с целью увеличения коэффициента полезного действия (КПД) и однородности выходного излучения.

В соответствии с поставленной задачей предлагаемый перестраиваемый лазер на органических соединениях, содержащий в качестве источника накачки вторую гармонику твердотельного YAG Nd+ лазера, задающий генератор с твердотельным оптическим элементом содержащим органические соединения и спектральным селектором резонатора, установленные на пути излучения задающего генератора последовательно размещенные усилители, а также оптическую линию распределения накачки с ответвителями к указанным усилителям, в нем в отличии от прототипа, каждый усилитель содержит оптический лазерный элемент выполненный в виде прямоугольного параллелепипеда и установленный так, чтобы излучение накачки падало на его торцевую грань перпендикулярно, а излучение задающего генератора падало на эту же грань под углом Брюстера и после полного внутреннего отражения от боковой грани внутри оптического элемента попадало на 100% отражающее зеркало установленное вплотную ко второй торцевой грани оптического лазерного элемента. После этого излучение претерпевало полное внутреннее отражение от второй боковой грани внутри оптического элемента, выходило из него под углом Брюстера.

При этом целесообразно выполнение спектрального селектора резонатора задающего генератора в виде дифракционной решетки расположенной на пути возбужденного в оптическом элементе излучения под углом скользящего падения в отличии от прототипа имеющей только два порядка дифракции 0 и 1-Й и глухого зеркала на пути дифрагированного излучения от первого порядка дифракционной решетки с совмещением путей отраженного излучения от зеркала и указанного дифрагированного излучения первого порядка от дифракционной решетки. При этом обратная связь в резонаторе задающего генератора образуется между глухим зеркалом и 100% - отражающим с совмещением путей с отражением первого порядка дифракции решетки.

Целесообразно выполнение каждого активного оптического элемента усилителя в виде прямоугольного параллелепипеда из твердотельной матрицы содержащимся в ней органическим соединением, установленными таким образом, что излучение накачки подается перпендикулярно торцевой грани каждого активного элемента, а излучение задающего генератора подается на эту же торцевую грань под углом Брюстера и после полного внутреннего отражения от боковой грани внутри оптического элемента выходит из элемента попадая на 100% отражающее зеркало установленное вплотную ко второй торцевой грани и входя в эту грань оптического лазерного элемента претерпевает полное внутреннее отражение от второй боковой грани внутри оптического элемента, выходит из него, также под углом Брюстера. Такой геометрический путь обеспечивает лучшую однородность излучения генерации, т.к. оно периодически проходит через неоднородности сформированные накачкой перемешиваясь в процессе отражений. Кроме того, при падении излучения генерации под углом Брюстера на грань активного элемента не возникает паразитных отражений от последней, что увеличивает общий КПД системы. Установленные вплотную к каждому элементу зеркала отражают не только излучение задающего генератора, но и излучение накачки которое не поглотилось активным элементом за один проход и направляют его обратно в активную среду, что дополнительно повышает КПД системы.

Далее изобретение поясняется чертежом (блок-схема предлагаемого твердотельного перестраиваемого лазера на основе органических соединений)

Предлагаемый лазер на основе органических соединений (фиг. 1) содержит лазер накачки (1) YAG Nd+ лазер (вторая гармоника, длина волны генерации 532 нм) установленные на пути излучения этого источника последовательно, полупрозрачные зеркала (ДЗН) и зеркало накачки (ЗН), оптический элемент задающего генератора с резонатором образованным глухим зеркалом (ГЗ) и 100% - отражающим зеркалом (ЗОС) с совмещением путей с отражением первого порядка дифракции дифракционной решетки (ДР). Вывод излучения из резонатора осуществляется из нулевого порядка дифракции решетки. Оптические элементы усилителей (3, 4) выполнены также, как и элемент задающего генератора (2) в виде прямоугольных параллелепипедов определенных размеров из твердотельных материалов содержащих органические соединения с определенной концентрацией и установлены с таким расчетом, чтобы падающее излучение генерации возникающей в задающем генераторе входило в торцевую грань элемента под углом Брюстера и при распротранении внутри этого элемента претерпевало полное внутреннее отражение от боковой грани с выходом излучения из элемента, с последующим отражением от зеркала (3) и входом обратно в него. После очередного полного внутреннего отражения от другой боковой грани внутри оптического элемента выходило из него под углом Брюстерра. Возбуждение, как самого задающего генератора, так и усилителей осуществляется накачкой второй гармоники твердотельного YAG Nd+ лазера и распределяется системой полупрозрачных (ДЗН) и поворотного зеркала накачки (ЗН). Отражающее зеркало (ПЗ) предназначено для направления усиленного излучения генератора в первом усилителе под углом Брюстера в оконечный усилитель для окончательного усиления. Зеркала (3) установленные вплотную к каждому элементу зеркала отражают не только излучение задающего генератора, но и излучение накачки которое не поглотилось активным элементом за один проход и направляют его обратно в активную среду для окончательного возбуждения активной среды.

В предпочтительном воплощении спектральный селектор резонатора образованный дифракционной решеткой (ДР) и зеркалом (ЗОС) выполнен с оптимальной ориентацией этих элементов в пространстве, обеспечивающим отражение дифрагированного излучения в первом порядке зеркалом с совмещением оптических путей. Концентрация органических соединений подбирается оптимальным образом под плотность мощности излучения накачки с учетом поглощения ее на всей протяженности оптического элемента. Геометрические размеры оптических элементов оптимизируются также под апертуру и мощность накачивающего излучения.

Предлагаемый лазер на основе органических соединений работает следующим образом.

Излучение накачки твердотельного YAG Nd+ поступает на полупрозрачное зеркало (ДЗН) и делится на два пучка. Прошедшее через полупрозрачное зеркало (ПЗН) (около 80% относительно падающего) подается на второе полупрозрачное зеркало, пошедшее через него часть излучения накачки (около 40% относительно падающего) приходит на поворотное зеркало накачки (ЗН) и подается на возбуждение оптического элемента оконечного усилителя. В это время части излучения отраженные от полупрозрачных зеркал приходят на возбуждение оптических элементов задающего генератора и первого усилителя. В резонаторе задающего генератора, который состоит из глухого зеркала (Г3), 100% - отражающего зеркала (ЗОС) и дифракционной решетки установленной в положении скользящего падения с совмещением путей отражения первого порядка дифракции дифракционной решетки (ДР) и зеркала ЗОС формируется излучение генерации. Вывод излучения из резонатора осуществляется из нулевого порядка дифракции решетки. При этом дифракционная эффективность решетки в первом порядке составляет 16%. Далее излучение из нулевого порядка дифракционной решетки направляется на торцевую грань оптического элемента усилителя под углом Брюстера и без отражений от поверхности его торцевой грани усиливается в нем двигаясь по кругу, претерпевая цепь полных внутренних отражений от боковых граней элемента. Далее усиленное излучение, попадая на зеркало ПЗ, направляется в оконечный усилитель, который работает подобным образом.

Таким образом, предлагаемый лазер на основе органических соединений позволяет получить излучение с узкой линией, увеличенный КПД, улучшенную однородность выходного перестраиваемого излучения на органических соединениях с использованием твердотельных лазерных элементов.

Источники информации, использованные при составлении описания:

1. Т.Н. Копылова, Г.В. Майер, Л.Г. Самсонова, Т.А. Солодова, К.М. Дегтяренко, Н.А. Зулина, Е.Н. Тельминов, Р.М. Гадиров, С.Ю. Никонов. Твердотельные активные среды перестраиваемых лазеров на основе органических соединений //Известия высших учебных заведений. Физика. 5/2, С. 66-74

2. Копылов С.М., Лысой Б.Г., Серегин С.Л., Чередниченко О.Б. - Перестраиваемые лазеры на красителях и их применение. М., Радио и связь, 1991, С. 240.

3. Великоцкий В.Л., Мнускин В.Е., Тринчук Б.Ф. Перестраиваемые лазеры на красителях с накачкой импульсными газовыми лазерами. М. УНИИ «Электроника», 1986, 75 с. (Обзоры по электронной технике. Сер. 11, Лазерная техника и оптоэлектроника, вып. 5)

4. Т.Н. Копылова, Г.В. Майер, Е.Н. Тельминов и др. Двухчастотный твердотельный лазер на основе органических соединений // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2009. - Т. 52. - 7. - С. 3-8.

5. Kessler et al. Solid State dye laser host. US 005610932 A Patent Number 5,610,932 Mar. 11, 1997.

6. Патент РФ 5060838, H01S 3/213, опубл. 20.10.1996 г.

1. Твердотельный перестраиваемый лазер на основе органических соединений, содержащий лазер накачки, задающий генератор с активным твердотельным элементом и со спектральным селектором резонатора, на пути излучения задающего генератора последовательно размещенные усилители и оптическую линию с ответвителями излучения накачки к указанным усилителям, отличающийся тем, что в нем каждый активный оптический элемент выполнен из твердотельного материала, содержащего активное органическое соединение в виде параллелепипеда с заданными размерами, и излучение генерации в них распространяется, как по волноводу, используя явление полного внутреннего отражения (ПВО), при этом каждый оптический элемент установлен таким образом, что излучение накачки подается перпендикулярно торцевой грани каждого активного элемента, а излучение задающего генератора подается на эту же торцевую грань под углом Брюстера и после полного внутреннего отражения от боковой грани внутри оптического элемента выходит из элемента, попадая на 100% отражающее зеркало, установленное вплотную ко второй торцевой грани, и, входя в эту грань оптического лазерного элемента, претерпевает полное внутреннее отражение от второй боковой грани внутри оптического элемента и выходит из него, также под углом Брюстера.

2. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что в нем селектор резонатора задающего генератора выполнен в виде дифракционной решетки скользящего падения и 100% отражающего зеркала, расположенного на пути дифрагированного излучения от указанной дифракционной решетки, которая ориентирована с совмещением оптических путей дифрагированного излучения и отраженного излучения от 100% отражающего зеркала.

3. Лазер по п. 2, отличающийся тем, что в нем указанное совмещение оптических путей дифрагированного излучения выполнено с использованием отражения в первом порядке дифракции дифракционной решетки и от 100% отражающего зеркала, которое образует обратную связь в резонаторе задающего генератора в паре с глухим зеркалом.

4. Лазер по п. 2 или 3, отличающийся тем, что дифракционная решетка селектора выбрана таким образом, что дифракция излучения происходит только в два порядка - нулевой и первый.

5. Лазер по п. 4, отличающийся тем, что излучение от нулевого порядка дифракционной решетки является выходным излучением задающего генератора.

6. Лазер по п. 5, отличающийся тем, что излучение задающего генератора как в самом генераторе, так и на усилители подается под углом Брюстера.

7. Лазер по п. 6, отличающийся тем, что все активные лазерные элементы выполнены в виде твердотельных образцов (матриц), содержащих краситель с определенной концентрацией.