Квантрон твердотельного лазера

 

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

(l9) (11) СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Н 01 $3/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4800828/25 (22) 12.03.90 (46) 23.03.92. Бюл. М 11 (71) Институт общей физики АН СССР (72) Г.И.Дьяконов, В,Г.Лян, В.А.Михайлов, С.К.Пак, В.А.Тюков и И.А.Щербаков (53) 621.375,8 (088.8) (56) Белостоцкий Б.P. и др. Основы лазерной техники. —. М.: Советское радио. 1972, с. 20.

Данилов А.А. и др, Особенности поглощения излучения накачки и тепловыделения в оптически плотных активных средах твердотельных лазеров. Препринт М 30, ИОФ

АН СССР. — М., 1988.

Shcherbakow I.À, Optically беме active тесИа for soiidsfate lasers. — IEEE, 3оигпа! of ,Quant. El., 1988, ч. ОЕ-24, N 6, р. 979-984.

Koechner W. Solid-sfate laser

engineering. Springer — Verlag, New YorkHeidelberg — ВегИп. 1976, рис. 6.40(А). (54) КВАНТРОН ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА

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 (плбтная упоковка).

Наиболее близким к изобретению является квантрон. твердотельного лазера, содержащий цилиндрический отражатель, в котором размещены параллельно и симмет(57) Изобретение относится к квантовой электронике, высокоэффективным твердотельным лазерам с однородным распределением интенсивности по сечению пучка.

Цель — улучшение однородности распределения интенсивности по сечению пучка вы. ходного 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 р< 2агссофА.3 +

+волн)/К), где Rp — расстояние между продольными осями симметрии активного элемента и лампы накачки на торцах осветителя; RA.3, RflH — радиусы активного элемента и лампы накачки. 7 ил. рично 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, 1721681

Целью изобретения является улучшение однородности распределения интенсивности по сечению пучка выходного излучения лазера за счет усреднения распределения поглощения излучения накачки 5 по длине активного элемента.

Поставленная цель достигается тем, что лампа накачки и активный элемент располагаются внутри осветителя так, что линии, соединяющие точки пересечения продоль- 10 ных осей симметрии активного элемента и лампы накачки плоскостями, перпендикулярными продольной оси осветителя и проходящими через его торцы, развернуты один по отношению к другому íà yror p 15

Рд.э + Ил.н у < 23Kcos (э л н), где Ro — расстояние между продольными осями симметрии активного элемента и лампы накачки на торцах осветителя; 20

RA.э, Вл.н — радиусы активного элемен- та и лампы накачки, соответственно.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.

В предлагаемом квантроне расстояние 25 между активным элементом (АЭ), лампой накачки и продольной осью симметрии осветителя изменяется на всей длине осветителя. При, этом, распределение поглощенного излучения лампы накачки по З0 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 35 плоскость симметрии распределения поглощенного излучения накачки по сечению активного элемента поворачивается вокруг продольной оси активного элемента, По мере распространения вдоль актив- 40 ного элемента излучение проходит через участки активного элемента с отличающимися распределениями поглощенного излучения накачки (и, соответственно; плотностью инверсной населенности) как I5 по форме, так и по углу поворота плоскости . симметрии. В результате происходит усреднение неоднородностей распределения поглощенного излучения -накачки по длине активного элемента. Соответственно улуч- 50 шается однородность распределения коэффициента усиления по сечению активного элемента и за счет этого однородность распределения интенсивности по сечению пучка выходного излучения лазера, так как они 55 в первом приближении пропорциональны плотности энергии излучения накачки, по-глощенного 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

RA.ý + Ra.н фдред = 2агссоз ().

Во

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

Р—

Й ймакс

indL макс n dL где Й =- и макс =

Чд.э LA.ý соответственно средняя и максимальная плотность инверсной населенности в поперечном сечении активного элемента, усредненная по объему VA.3 и длине LA.ý активного элемента; и — 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

П дАЗ 1 где бд.э = 2 RA,э -диаметр активного элемента. Предлагаемое техническое решение обеспечивает значительный положительный эффект для оптически плотных сред;

> 1,2 — 1,5 где P (p =фпред) И Р(ф =О) — коэффициенты характеризующие однородность распределения коэффициента усиления P npu

p=фпред и <=0;

При малых значениях коэффициента поглощения (а бд.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

1721681 разными углами и через разные области происходит улучшение однородности накачки..Однако и в этом случае предлагаемое техническое решение дает положительный эффект, но несколько меньший:

Отражающая поверхность цилиндрического осветителя может быть любой, но для увеличения его эффективности (КПД) при сохранении эффекта улучшения однородности распределения коэффицие»та усиления и интенсивности выходного излучения осветитель может быть выполнен с отражающей поверхностью и нецилиндрической формы, На фиг. 1 приведен 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; Сг, Йбб. 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 изв .стного квантрона; на фиг, 6 — то же для предлагаемого квантрона; на фиг. 7 — зависимость энергии импульсов излучения ИСГГ: Сг, Nd лазера

Ог от энергии накачки О;» для известного и предлагаемого квантрона при p = 90 град.

Квантрон твердотельного лазера (фиг.

1) содержит осветитель 1 цилиндрической формы, в котором размен ены активный элемент 2 и лампа 3 накачки, Активный элемент

2 и лампа 3 накачки рас1оложены осесимметрично продольной оси симметрии осветителя а — а. Продольнь:е ос симметрии активного элемента б — C и лампы накачки в — в наклонены друг по отношению к другу и продольной оси осветителя а — а так, что линии б1 — в1 и б2 — в2, соединяющие точки пересечения продольньх осей симметрии активного элемента и лампы накачки плоскостями! — и II —. II, перпендикулярными 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 t акачк е с помощью отражающей поверхности осветителя на15

25

40 тивный элемент 10х80 мм из кристалла иттрий-алюминиевого граната, активированного ионами нео има Nd (АИГ:Nd).ñ концентрацией 0,6. 10 см . Такой кристалл

45 АИГ:Nd обладает типично низким коэффициентом поглощения адиг = 0,2 см . а так50 лучателя И3-25.

5

10 правляется в активный элемент 2 (фиг. 1).

Активный элемент поглощает излучение лампы накачки, причем распределение поглощенной в нем световой энергии распределяется 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 серебряным отражающим покрытием, нанесенным на внешнюю цилиндрическую поверхность диаметром 30 мм, Активный элемент Ф 9,5»75 мм, выполнен из кристалла иттрий-скандий-галлиевого граната, активированного ионами неодима с концентрацией 3 10 см и сенсибилизированного

23Ъ ионами хрома с концентрацией 1 10 "см (ИСГГ: Cr, Nd). Таким образом, элемент выполнен из материала с типично высоким спектрально средним коэффициентом поглощения излучения накачки аисгг - 2,5 см так, что условие (2) заведомо выполняется.. Для сравнения использует также акже трубчатую лампу накачки типа

И Н П-5/60А-1.

Осветитель, активный элемент и лампа накачки размещены в корпусе квантрона изУсловия испытания квантрона сЛедующие.

Сравнивают различные конфигурации квантрона в при измененни угла рдо 1090.

Лампа накачки работает от серийного блока электропитания твердотельных лазеров типа СВЭП-1. Длительность импульса лампы накачки по уровню,. составля ...

0,5 с ставля.r 10, мкс, деления интенсивности достигается вблизи

Энергия накачки изменяется в пр . яе-ся в предела- 5-- рг,.д, когда превышение максимальной ин30 д, ования импульсов — в тенсивности!saic в сечении пучка излучения дж, частота следа над средним уровнем интенсивности по сеИзмерение распределения плотности 5 чению в 1,3 — 1,8 раза меньше, чем при rp инверсной населенности, однозначно апре- 0 град, деляющеи расп распределение коэффициента Предлагаемый квантрон твердотельноусиления по сечению активного элемента, ro лазера так же эффективен, как квантроносуществляют с помощью телевизионной прототип (p == 0 град). На фиг, 7 видно, что системы. Оптическая система с малым уг- 10 энергия импульсов выходного излучения лалом зрения проектирует изображение 8K" веров,отличающихся только конфигурацией тивного элемента на видикон приемной квантронов, совпадают (..„— для предлагаетелевизионной камерь1. Полученные дан- мого квантрона, . — для известного кванные выводятся и обрабатываются íà ЭБМ трона). типа IBM РС, В экспериментах получено и улучшение

Распределение интенсивности по сече-. однсродности распределения коэффициеннир пучка выходного излучения лазера ре- та усиления и интенсивности, а также улучгистрируют с ю с помощью Tой же ш" Hèе радиальной симметpèè этих измерительной ельной системы, Лазер состоит из параметров по се- ению при использовании двух плоских зеркал — зеркала с коэффици- 20 кристалла АИГ: Nd, Однако этот эффект ентом отражения 1000 и выходного полу- улучшен., язначи ельноменьше,чемприиспрозрачного зеркала, пользовании кристалла ИСГГ: Сг, Nd с высоНа фиг. 2 приведено распределение ким коэффициентом поглощения излучения плотности инверсной населенности N в се- накачки, Эффективность ла ера на АИГ . Nd чении активного элемента ИСГГ: Cr, Nd для 25 при переходе от известно о к предлагаемор= О град; на фиг. 3 — распределение плот- му квантрону также сохраняется, ности инверсной населенности N в сечении Таким образом, предлагаемый квантактивного элемента ИСГГ; Сг, Nd для p =- рон позволяет существенно улучшить одно=90 град. родность распределения коэффициента

Из сравнения фиг, 2 и 3 следует, что для 30 усиления по сечению активного элемента и предлагаемой конфигурации квантрона при однородность распределения интенсивнор = 90 град однородность распределения сти по сечению пучка выходного излучения коэффициента усиления по сечению актив- лазера без уменьшения эффективности ланого элемента значительно выше, чем в зара(квантрона). обычномквантронепригр =Оград.Прир 35 Формула изобретения

=90градраспределениевцеломболеесгла- Квантрон твердотельного лазера; сожено. держащий осветитель c öèëèíäðè÷åñêîé отНа фиг. 4 приведена зависимость коэф- ражающей поверхностью, внутри которого фициента однородности распределения ко- симметрично продольной оси расположены эффициента усил ни силения по сечению 40 трубчатая лампа накачки и твердотельный активного элемента Р, полученная экспери- активный элемент цилиндрической формы, ментально для активного элем о элемента ИСГГ: выполненный из оптически плотного матеСг,Ndвзависимостиотугла р . риала, отличающийся тем,что,сцелью

Как следует из фиг. 4,.однородность рас- улучшения однородности распределения ффи иента усиления по се- 45 интенсивности посечению пучка выходного чениюактивного элементаувеличивается во излучения лазера за счет усреднения рас всем исследуемом диапазоне углов от О до пределения поглощения излучения накачки

109 град. пс длине активного элемента, лампа накач сивности I èçëó÷å- ки и активный элемент расположены внутри

Распределение интенсивн ния (фиг. 5, 6) по сечению пучка выходного 50 осветителя так, что линии, соединяющие излучения повторяет характерные особен- точки пересечения продольных осей симности и офиля аспределения коэффициен- метрии активного элемента и лампы накачта усиления по сечению активного ки плоскостями, перпендикулярными элемента. Как следует из сравнения фиг. 2 и продольной оси осветителя и проходящими

5 3 и 6 увеличение однородности распреде- 55 через его торцы, развернуты друг по отноЭ ления интенсивности так же, как для плот- вению к другу на угол ности инверсной населенности„ достигается при увеличении угла р, Наир < 2arccos (. ), F4.э + Рл.н большее улучшение однородности распре1721681

10 где Ro — расстояние между продольными осями симметрии активного элемента и лампы накачки на торцах осветителя, Йд.э, Вл.н — радиусы активного элемента и лампы накачки соответственно. ,8

1721681 °

081

3,0

1721681 аж av

400

200 и, ®®с

4 иг у

Составитель В. Михайлов

Техред М.Моргентал Корректор Н. Король

Редактор Н. Гунько

Производственно-издательский комбинат Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 957 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35; Раушская наб,, 4/5