Твердотельный лазер среднего ик-диапазона с накачкой диодной линейкой

Полезная модель относится к лазерной технике, а именно к устройствам лазеров среднего инфракрасного (ИК-) диапазона с накачкой твердотельного активного элемента лазерными диодами. Такие твердотельные лазеры могут быть использованы для спектроскопии в среднем ИК-диапазоне, для разработки оптических параметрических генераторов, для создания оптических стандартов частоты на холодных молекулах и др. Технический результат, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, заключается в повышении КПД лазерного устройства и, соответственно, увеличении средней мощности его выходного излучения при одном и том же входном излучении. Технический результат достигается тем, что твердотельный лазер среднего ИК-диапазона с продольной накачкой состоит из источника накачки и резонатора, состоящего из переднего зеркала, твердотельного активного элемента, установленного вдоль оптической оси резонатора, и заднего сферического зеркала. При этом в качестве источника накачки использована линейка лазерных диодов с возможностью передачи своего излучения в резонатор через фокусирующую волоконно-оптическую систему. В качестве фокусирующей волоконно-оптической системы использована последовательная цепь из волоконного световода, коллиматора и фокусирующей линзы, а в качестве твердотельного активного элемента резонатора преимущественно использованы кристаллы халькогенидов, легированных ионами Cr²⁺ или Fe ³⁺. Резонатор лазерного устройства преимущественно собран по линейной полуконцентрической схеме с передним плоским зеркалом и задним сферическим зеркалом. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Область техники

Полезная модель относится к лазерной технике, а именно к устройствам лазеров среднего инфракрасного (ИК-) диапазона с накачкой твердотельного активного элемента лазерными диодами. Такие твердотельные лазеры могут быть использованы для спектроскопии в среднем ИК-диапазоне, для разработки оптических параметрических генераторов, для создания оптических стандартов частоты на холодных молекулах и др.

Уровень техники

Известны лазеры с продольной и поперечной накачкой активного элемента лазерными диодами, работающие в непрерывном и импульсном режимах. При этом излучение диодов с помощью различных оптических систем фокусируется на твердотельном активном элементе. Вследствие большой расходимости излучения лазерных диодов, различия спектров излучения накачки и спектров поглощения твердотельного активного элемента коэффициент полезного действия (КПД) системы накачки оказывается значительно ниже потенциально достижимого.

Известно множество устройств, предназначенных для получения лазерной генерации в среднем ИК-диапазоне спектра. Из них достаточно близким по технической сущности к предложенному устройству можно признать лазерное устройство, собранное на основе активной среды с широким спектром излучения в среднем ИК-диапазоне, который описан в патенте Китая CN 202872171 (МПК H01S 3/16, опубл. 10.04.2013). Лазерное устройство включает в себя последовательную цепь элементов, а именно: источник накачки, тракт излучения накачки, резонатор, образованный твердотельным активным элементом в корпусе между концевыми муфтами и между передним входным и задним выходным зеркалами и продольно накачиваемый источником накачки, после резонатора тракт выходного лазерного излучения. В качестве активного элемента используют кристаллы, легированные двухвалентными ионами хрома или кобальта.

В схеме аналога излучение источника накачки попадает на твердотельный активный элемент резонатора без фокусировки какой-либо оптической системой, что приводит к недобору потенциально возможного КПД системы накачки и, как следствие, ограничивает достижимую величину средней мощности выходного излучения.

Увеличение КПД лазерного устройства может обеспечиваться за счет использования в качестве источника накачки линейки лазерных диодов, обладающей максимально возможным КПД в сравнении с другими средствами накачки, а также да счет использования волоконно-оптической системы, благодаря которой формируется качественный коллимированный пучок излучения, который затем фокусируется на твердотельном активном элементе.

Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого устройства можно признать лазер, описанный в документе Ф.А. Болыциков и др. «Генерация двухмикронного лазерного излучения в кристаллах NaLa_1/2Gd_1/2(WO₄)₂ , активированных ионами Тm³⁺» (Квантовая электроника, 40, 2, стр. 101-102, 2010), который является твердотельным лазером среднего ИК-диапазона с продольной накачкой и состоит из источника накачки и резонатора, состоящего из переднего зеркала, твердотельного активного элемента, установленного вдоль оптической оси резонатора, и заднего сферического зеркала. В качестве источника накачки использована линейка лазерных диодов с возможностью передачи своего излучения в резонатор через фокусирующую волоконно-оптическую систему. В качестве фокусирующей волоконно-оптической системы использована последовательная цепь из волоконного световода, коллиматора и фокусирующей линзы. Резонатор собран по линейной полуконцентрической схеме с передним плоским зеркалом и задним сферическим зеркалом.

Однако в прототипе в качестве твердотельного активного элемента использованы кристаллы NaLa _1/2Gd_1/2(WO₄)₂, активированные ионами Тm³⁺, которые формируют малый набор длин волн лазерного излучения 1908 нм и 1918 нм, что является недостаточным для качественного решения задач спектроскопии в среднем ИК-диапазоне, разработки оптических параметрических генераторов, создания оптических стандартов частоты на холодных молекулах и др.

Раскрытие полезной модели

Технический результат, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, заключается в расширении формируемого твердотельным активным элементом диапазона длин волн лазерного излучения.

Указанный технический результат достигается тем, что твердотельный лазер среднего ИК-диапазона с продольной накачкой состоит из источника накачки и резонатора, состоящего из переднего зеркала, твердотельного активного элемента, установленного вдоль оптической оси резонатора, и заднего сферического зеркала. В качестве источника накачки использована линейка лазерных диодов с возможностью передачи своего излучения в резонатор через фокусирующую волоконно-оптическую систему. В качестве фокусирующей волоконно-оптической системы использована последовательная цепь из волоконного световода, коллиматора и фокусирующей линзы. Резонатор лазерного устройства преимущественно собран по линейной полуконцентрической схеме с передним плоским зеркалом и задним сферическим зеркалом.

При этом в качестве твердотельного активного элемента резонатора использованы кристаллы халькогенидов, легированных ионами Cr²⁺ или Fe³⁺. Кристаллы халькогенидов, легированных ионами Сr²⁺ или Fe³⁺ в качестве твердотельного активного элемента, формируют значительно расширенный по сравнению с прототипом диапазон длин волн лазерного излучения от 1800 до 3300 нм.

На фиг. 1 изображена структура последовательной цепи элементов предлагаемого твердотельного лазера среднего ИК-диапазона.

Осуществление полезной модели

На фиг. 1 изображены: 1 - источник накачки в виде линейки лазерных диодов, 2 - волоконно-оптическая система, 3 - входное (переднее) плоское зеркало, 4 - твердотельный активный элемент, 5 - выходное (заднее) сферическое зеркало. Все элементы лазерного устройства размещены в едином общем корпусе.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Излучение от источника накачки 1 - линейки лазерных диодов, проходя через волоконно-оптическую систему 2, состоящую из волоконного световода, коллиматора и фокусирующей линзы, и плоское зеркало 3, фокусируется на твердотельном активном элементе 4, после которого на выходе сферического зеркала 5 формируется выходное излучение твердотельного лазера. В волоконный световод введено излучение линейки лазерных диодов, а на выходе световода установлен коллиматор для формирования коллимированного пучка излучения накачки. Коллимированный пучок излучения накачки затем при помощи фокусирующей линзы фокусируется после переднего (входного) плоского зеркала резонатора на его твердотельном активном элементе, а далее выходит из резонатора через заднее сферическое зеркало в виде выходного излучения.

В результате авторских экспериментальных исследований установлено, что кристаллы халькогенидов, легированных ионами Сr²⁺ или Fe³⁺ в качестве твердотельного активного элемента предлагаемого лазерного устройства, формируют расширенный по сравнению с прототипом диапазон длин волн лазерного излучения от 1800 до 3300 нм.

Таким образом, предлагаемое лазерное устройство может быть использовано в качестве источника излучения с расширенной перестройкой длины волны излучения для реализации таких задач опытно-конструкторской работы с шифром «Мультисенсор» по заданию Минпром-торга России, как разработка мультисенсорных кабельных систем непрерывного контроля состояния подводных трубопроводов, а также более качественного решения задач спектроскопии в среднем ИК-диапазоне, разработки оптических параметрических генераторов, создания оптических стандартов частоты на холодных молекулах и др.

Твердотельный лазер среднего ИК-диапазона с продольной накачкой, состоящий из источника накачки и резонатора, состоящего из переднего зеркала, твердотельного активного элемента, установленного вдоль оптической оси резонатора, и заднего сферического зеркала; при этом в качестве источника накачки использована линейка лазерных диодов с возможностью передачи своего излучения в резонатор через фокусирующую волоконно-оптическую систему; в качестве фокусирующей волоконно-оптической системы использована последовательная цепь из волоконного световода, коллиматора и фокусирующей линзы; резонатор собран по линейной полуконцентрической схеме с передним плоским зеркалом и задним сферическим зеркалом; отличающийся тем, что в качестве твердотельного активного элемента резонатора использованы кристаллы халькогенидов, легированных ионами Сr²⁺ или Fe³⁺.

РИСУНКИ