Способ накачки активного элемента лазера и лазер для его осуществления (варианты)

 

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к системам накачки твердотельных лазеров. Способ накачки активного элемента твердотельного лазера в импульсном режиме заключается в поджиге импульсных ламп накачки высоковольтным коротким импульсом, формировании ионизационной дуги. Лампы переводятся в режим дежурной дуги с последующим осуществлением одновременного попадания энергии излучения ламп на активные элементы. После одновременного попадания энергии излучения ламп на активные элементы в активном элементе, являющемся генератором, формируют вынужденное лазерное излучение. На активный элемент, находящийся в режиме ожидания в возбужденном состоянии, являющийся усилителем, подают лазерное излучение от активного элемента, являющегося генератором. Устройство для накачки активного элемента лазера состоит из отражателя с активным элементом и лампы накачки. Активный элемент расположен между глухим и выходным зеркалом. Устройство дополнительно снабжено системой поворотных зеркал со стороны выходного зеркала, а отражатель - активным элементом и лампой накачки. Активные элементы расположены между лампами накачки. Система поворотных зеркал смонтирована с возможностью передачи лазерного излучения на дополнительный активный элемент. Отражатель с сечением в виде эллипса состоит из активного элемента и лампы накачки. Он дополнительно содержит активный элемент и лампу накачки. Лампы накачки расположены в фокусах эллипса, а активные элементы - на меньшей оси эллипса под углом 50-70^o к большей оси. Технический результат изобретения - повышение эффективности накачки активного элемента твердотельных лазеров. 2 ил.

Изобретение относится к способам накачки активного элемента лазера и конструированию лазерной техники, в частности устройств для их осуществления.

Известны схемы эффективных отражателей с "плотной упаковкой" с круглым сечением (1).

Прямым излучением освещается 50% активного тела. Остальные 50% освещаются многократно отраженным от боковой поверхности отражателя световым потоком. В данном типе отражателя после каждого отражения от боковой поверхности световой поток ослабевает и рассеивается, что вызывает значительные потери.

Известны схемы эффективных отражателей с "плотной упаковкой" с сечением в виде эллипса (2).

В данном типе отражателя применен принцип геометрии эллипса. Если расположить лампу и активный элемент в фокусах эллипса, то при освещении лампой световой поток будет фокусироваться на активном элементе. Таким образом можно добиться, что 70% активного элемента будет освещаться прямым излучением, и освещение будет более равномерным. Однако и в эллиптическом отражателе существует "теневая" зона, в которую луч может попасть только после многократного отражения от боковой поверхности осветителя.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является лазер, включающий систему для накачки активного элемента, содержащую осветитель с сечением в виде эллипса, внутри которого установлена лампа и активный элемент (3).

Технический результат - повышение плотности светового потока, облучающего активные элементы, равномерности заполнения световым потоком активного тела.

Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений достигается тем, что в известном способе накачки активного элемента лазера в импульсном режиме, заключающимся в использовании лампы для накачки активного элемента, используются две лампы накачки, необходимые для возбуждения генерации лазерного излучения в двух активных элементах, один из которых является генератором, а другой усилителем лазерного излучения, причем поджиг ламп накачки осуществляется импульсными источниками питания, работающими синхронно, причем поджиг ламп осуществляется импульсными источниками питания, работающими синхронно, причем поджиг ламп осуществляется высоковольтными короткими импульсами с последующим формированием ионизационной дуги, лампы переводятся в режим дежурной дуги, причем излучение ламп накачки одновременно попадает на активные элементы, а после одновременного попадания энергии излучения ламп на активные элементы, в активном элементе, являющимся генератором, формируют вынужденное лазерное излучение, а затем на активный элемент, находящийся в режиме ожидания в возбужденном состоянии, являющимся усилителем, подают лазерное излучение от активного элемента, являющегося генератором.

Поставленная задача достигается также тем, что лазер, содержащий отражатель с сечением в виде эллипса, активный элемент, лампу накачки, содержит дополнительные активный элемент и лампу накачки, систему поворотных зеркал со стороны выходного зеркала, а отражатель - активный элемент и лампу накачки, причем активные элементы расположены между лампами накачки, система поворотных зеркал смонтирована с возможностью передачи лазерного излучения на дополнительный активный элемент, находящийся в отражателе, а суммарное расстояние от выходного зеркала через систему поворотных зеркал до дополнительного активного элемента лежит в пределах 0,3-3,0 м.

Поставленная задача достигается также тем, что в лазере, содержащем отражатель с сечением в виде эллипса, активный элемент, лампу накачки, отражатель содержит дополнительные активный элемент и лампу накачки, причем лампы накачки расположены в фокусах эллипса, а активные элементы - на меньшей оси эллипса под углом - 50-70^o к большей оси.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема устройства для осуществления накачки активного элемента твердотельного излучателя в импульсном режиме; на фиг.2 - схема отражателя.

Способ накачки активного элемента твердотельного излучателя в импульсном режиме осуществляют следующим образом.

Источником возбуждения ионов кристалла служит импульсная газоразрядная лампа. Зажигание газового разряда в импульсной лампе накачки производят высоковольтным импульсом поджига (V=17 кВ, τu = 1 мкс), в результате чего в лампе накачки формируют ионизационную дугу; затем лампы переводят в режим дежурной дуги (подается напряжение U=200 B, I=0,8-1,0 А), а после одновременной подачи на лампы коротких импульсов накачки (V=400-600 V, τu = 0,5-5 мкс, fповтop. = 1-300 Гц) осуществляют одновременное попадание лучистой энергии на активные элементы, затем в активном элементе, расположенномй между глухим и выходным зеркалами, являющимся генератором, формируют вынужденное лазерное излучение, а другом активном элементе, являющимся усилителем и находящимся в режиме ожидания, поддерживают возбужденное состояние.

Излучаемая лучистая энергия лампой в короткий промежуток времени фокусируется отражателем на кристалле активного вещества и частично им поглощается. Активные ионы кристалла переходят в возбужденное состояние. Через малое время на метастабильном уровне создается инверсия населенности частиц. Происходит индуцированное излучение фотонов.

В резонаторе возникают колебания электромагнитной энергии, которые возбуждают и другие активные центры кристалла. Этот лавинный процесс протекает в весьма короткое время порядка 100-150 мкс. Поток фотонов, претерпя все многократные отражения от зеркал, выходит через полупрозрачное зеркало резонансной системы. Фотоны, которые движутся не параллельно оси резонатора, покидают активное вещество и резонатор. Поэтому излучение имеет высокую пространственную направленность и на выходе лазера создается мощный монохроматичский пучок малой расходимости.

Активным телом в данном импульсном лазере является аллюмо-иттриевый гранат (YAG) с примесью неодима. Это четырехуровневая система, химический состав которой Y₃Al₅O₂ ^N3+. Кристалл граната составляет матричную основу, активатором редкоземельный элемент: неодим.

Существует три возможных излучательных перехода с уровнем (длина волны λ = 1,34 мкм; (длина волны λ = 1,06 мкм); (длина волны λ = 0,94 мкм).

Основным наиболее мощным квантовым переходом является переход с уровня Время жизни метастабильного состояния при концентрации иона Nd³⁺ до 3% составляет примерно 200 мкс.

С помощью системы поворотных зеркал осуществляют подачу лазерного излучения с активного элемента, являющегося генератором, на активный элемент, являющийся усилителем. В теле активного элемента, являющегося усилителем, создается мощное лазерное излучение, которое выходит с задержкой, равной времени прохождения луча через систему поворотных зеркал.

Заявляемое устройство для реализации способа (фиг.1) состоит из двух импульсных источников питания 1, 2, работающих синхронно, каждый из которых соединен с одной из ламп накачки 3, 4, необходимых для возбуждения генерации лазерного излучения в двух активных элементах, один из которых является генератором 5, а другой - усилителем 6 лазерного излучения. Активные элементы находятся в одном общем объеме отражателя 7.

Активный элемент 5 помещен в оптический резонатор, представляющий собой систему двух параллельных зеркал (выходного 8 и глухого 9), чтобы осуществлять положительную обратную связь. В результате этого часть излучаемой энергии, распространяясь внутри активного вещества, усиливается за счет вынужденного испускания фотонов все новыми и новыми атомами, вовлекаемыми в процессе излучения. На выходе (со стороны выходного зеркала) из резонатора появляется энергия излучения Ег. Далее с помощью системы поворотных зеркал 10 данное монохроматическое излучение проецируется в тело активного элемента усилителя 6.

Активный элемент усилителя 6 возбуждается одновременно с активным элементом генератора 5, поэтому при прохождении через усилитель излучение выбивает дополнительно новые фотоны из тела активного элемента усилителя.

На выходе из усилителя появляется мощное монохроматическое излучение Еу, которое носит импульсный характер.

Энергия импульса индуцированного излучения с длительностью импульса τ_u для лазера, имеющего активное вещество объемом V=SI, где I - длина активного элемента, площадь сечения активного элемента, определяется следующим образом: E_вых = P_выхVτ_u. В заявляемом способе лазерной накачки длительность импульса накачки лежит в пределах τ_u = (0,1-20,0)ms. Время прохождения монохроматического лазерного пучка из генератора лазерного излучения к усилителю составляет t=I₁/c, где I₁= а+в+d (a - расстояние от выходного зеркала активного элемента, являющегося генератором, до поворотного зеркала; в - расстояние между поворотными зеркалами; d - расстояние от поворотного зеркала до активного элемента, являющегося усилителем); с - скорость света 3•10⁹ м/с, I ≅ 30 см ≅ 0,3 м, при этом t=0,1 нсек.

Время прохождения монохроматического лазерного луча из генератора лазерного излучения к усилителю несравнимо мало по сравнению с длительностью импульса накачки генератора и усилителя, а также с временем жизни метастабильного состояния ≅ 200 мкс.
Поэтому временем прохождения из генератора в усилитель можно пренебречь.

Для данного способа накачки справедливо следующее равенство
ΣEосв = Eосв.ген. = (1-t/τ_имп)Eосв.у,
где ΣEосв - суммарная эффективная энергия накачки осветителя;
Еосв.ген. - эффективная энергия света в активном теле генератора.

Еосв.у - эффективная энергия света в активном теле усилителя;
τ_имп- длительность импульса накачки лампы;
t - время прохождения импульса лазерного излучения, возбужденного в генераторе по оптической схеме лазера на усилитель.

Выражение (1-t/τ_имп) всегда стремится к единице, т. к. соотношение τ_имп = 10^-10/10^-3= 10^-7,т.е.(1-10^-7) = 0,9(9).
Данное уравнение справедливо для минимальной длительности импульса от 1 мкс, что составляет 10^-6 с и времени прохождения импульса сгенерированного излучения от генератора до усилителя не более 1 нс, что составляет 10^-9 с:
Eосв.ген ≅ 0,9(9)Eосв.у.
Отражатель 5 выполнен с сечением в виде эллипса (фиг.2). Компоновка активных элементов и ламп может быть выбрана следующим образом: лампы накачки 2 расположены в фокусах эллипса, а активные элементы 3 и 4 расположены на меньшей оси эллипса под углом 50-70^o к большей оси, что позволяет лампам освещать активные тела прямым излучением, перекрывая 80% боковой поверхности тела активных элементов.

Остальные 20% активного тела облучаются отраженным светом от эллиптической боковой поверхности осветителя. Таким образом, достигается наиболее равномерное заполнение световым потоком активного тела. Сглаживается неравномерность термического воздействия на активный элемент. Благодаря повышению плотности светового потока, облучающего активные элементы, практически в два раза, по сравнению с обычными схемами осветителей, достигается повышение выходных параметров лазерного излучения.

Источники информации
1. Ю.З.Байбородин "Основы лазерной техники", Киев, "ВИЩА ШКОЛА", 1981 г. , с. 126-127, рис. 6.5. ж.

2. Ю.З.Байбородин "Основы лазерной техники", Киев, "ВИЩА ШКОЛА", 1981 г. , с. 126-127. рис. 6.5. д.

3. Патент РФ 2040088, 20.07.95.

Формула изобретения

1. Способ накачки активного элемента лазера в импульсном режиме, заключающийся в использовании лампы для накачки активного элемента, отличающийся тем, что используются две лампы накачки, необходимые для возбуждения генерации лазерного излучения в двух активных элементах, один из которых является генератором, а другой - усилителем лазерного излучения, причем поджиг ламп накачки осуществляется импульсными источниками питания, работающими синхронно, причем поджиг ламп осуществляется высоковольтными короткими импульсами с последующим формированием ионизационной дуги, лампы переводятся в режим дежурной дуги, причем излучение ламп накачки одновременно попадает на активные элементы, а после одновременного попадания энергии излучения ламп на активные элементы в активном элементе, являющемся генератором, формируют вынужденное лазерное излучение, а затем на активный элемент, находящийся в режиме ожидания в возбужденном состоянии, являющийся усилителем, подают лазерное излучение от активного элемента, являющегося генератором.

2. Лазер, содержащий отражатель с сечением в виде эллипса, активный элемент, лампу накачки, отличающийся тем, что содержит дополнительные активный элемент и лампу накачки, систему поворотных зеркал со стороны выходного зеркала, а отражатель - активный элемент и лампу накачки, причем активные элементы расположены между лампами накачки, система поворотных зеркал смонтирована с возможностью передачи лазерного излучения на дополнительный активный элемент, находящийся в отражателе, а суммарное расстояние от выходного зеркала через систему поворотных зеркал до дополнительного активного элемента лежит в пределах 0,3-3,0 м.

3. Лазер, содержащий отражатель с сечением в виде эллипса, активный элемент, лампу накачки, отличающийся тем, что отражатель содержит дополнительные активный элемент и лампу накачки, причем лампы накачки расположены в фокусах эллипса, а активные элементы - на меньшей оси эллипса под углом 50-70^o к большей оси.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2