Лазерное устройство с оптической накачкой

 

Изобретение относится к лазерным устройствам с торцевой накачкой, содержащим удлиненные прозрачные лазерные элементы. Удлиненный лазерный элемент установлен в трубчатом волноводе, который имеет внутреннюю высокоотражательную поверхность на некотором расстоянии от его внутренней стенки. Но меньшей мере вдоль части лазерного элемента оптические расстояния между различными точками на поверхности лазерного элемента и внутренним контуром волновода изменяются. Техническим результатом является повышение КПД лазера. 1 с. и 17 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к области лазерных устройств с оптической накачкой, содержащих удлиненные лазерные элементы.

В лазерных устройствах с оптической накачкой лазерный луч генерируется всякий раз, когда световое излучение накачки, поглощаемое лазерным элементом, возбуждает последний до фазы, дающей увеличение так называемой инверсной заселенности атомов. Мощность генерируемого лазерного луча зависит от величины энергии, поглощенной единицей объема, которая в свою очередь зависит от энергии, т. е. яркости падающего светового излучения накачки и уменьшения по возможности потерь светового излучения накачки. Яркость светового излучения, падающего на поверхность лазерного элемента, ограничена вторым законом термодинамики и не может превышать яркости внешнего источника оптического излучения. По этой причине, для достижения хорошего функционирования лазера используют, как правило, очень яркие источники света с соответствующими формирующими изображение и не формирующими изображение оптическими концентраторами.

В зависимости от конструкции лазерный элемент может облучаться сбоку, что получило название в технике как боковая накачка (X. Араши и др. "A Solar - Pumped cw 18W Nd: YAG Laser", J. Journal Applied Physics, Vol. 23, N 8, pp 1051- 1053, 1984), или с одного из торцов, что получило название в технике как торцевая накачка (Дж. Фолк и др. "Solar - Pumped, Mode - Locked, Frequency - Doubled Nd: YAG Laser", Conference on laser engineering and appliances IEEE/OSA, May 28 - 30, 1975).

Боковая накачка обеспечивает более равномерное распределение в лазерном элементе, но, вследствие, как правило, низкой оптической плотности материала лазера, значительная часть светового излучения не поглощается и эффективность мала.

Для торцевой накачки световое излучение облучения, как правило, концентрируют до светового пятна, имеющего площадь поперечного сечения, которая по меньшей мере соответствует площади поперечного сечения лазерного элемента, что обеспечивает поглощение всей или большей части светового излучения накачки, но энергия накачки в этом случае не однородно распределяется в лазерном элементе и ограничена площадью поперечного сечения лазерного элемента и яркостью источника светового излучения накачки.

Форму лазерного элемента выбирают в соответствии с требуемой мощностью и характеристикой генерируемого лазерного луча, принимая также во внимание мощность теплоотдачи, при этом во многих случаях применения предпочтение отдают удлиненным лазерным элементам с большим отношение длина/ширина, например стержням, брускам, нитям из твердого активного вещества и прозрачным удлиненным трубкам, заполненным жидким или газообразным активным веществом. Удлиненные лазерные элементы менее чувствительны к потерям в лазерном резонаторе и создают меньше тепловых проблем, которые обязательно дают увеличение нежелательных побочных эффектов. Таким образом, поскольку возбуждение имеет место через тело лазерного элемента, в то время как теплоотдача имеет место только на поверхности, образуются большие температурные градиенты, которые могут вызвать образование в элементе трещин и сильно повлиять на характеристики лазерного луча.

Твердые лазерные элементы, имеющие форму тонких удлиненных тел, например стрежней, менее чувствительны к температурным градиентам. Однако, применение удлиненных тонких лазерных элементов увеличивает проблемы эффективности. Таким образом, если в случае торцевой накачки площадь поперечного сечения светового луча облучения больше площади поперечного сечения лазерного элемента, то имеют место значительные потери энергии вследствие того, что не все подаваемое световое излучение попадает на лазерный элемент. Боковая накачка тонких стержней не эффективна вследствие малой оптической плотности.

Предпринимались попытки увеличить эффективность генерации когерентного оптического излучения удлиненными тонкими лазерными элементами путем концентрации подаваемого внешнего светового луча посредством собирающего конуса. Однако, это не позволило решить проблему эффективности. Таким образом, если площадь поперечного сечения выходного конца падающего луча накачки соответствует площади поперечного сечения лазерного элемента, то входная мощность (и соответственно выходная мощность) ограничена тем, что площадь поперечного сечения лазерного элемента мала. Если, с другой стороны, выходной конец падающего светового луча накачки имеет площадь поперечного сечения, которая превышает площадь поперечного сечения лазерного элемента, то только центральная часть подаваемого луча попадает на торцевую поверхность лазерного элемента, в то время как краевые части только частично падают на боковую поверхность лазерного элемента и обеспечивают низкую плотность мощности, которая даже меньше, чем в случае использования только боковой накачки. В зависимости от угла схождения подаваемого луча и длины лазерного элемента, некоторая часть подаваемого светового излучения накачки не может вообще попадать на лазерный элемент.

Дж. Р.Симпсоном (J.R. Simpson, "Continuous Sun - Pumped Room Temperature Glass Laser Operation", Applied Optics, vol. 3, N 6, pp 783 - 784, 1964) было предложено выполнить лазерное устройство с оптической накачкой путем размещения удлиненного лазерного элемента, имеющего продольную ось, в трубчатом волноводе, имеющем отражательную внутреннюю поверхность. При функционировании площадь поперечного сечения входящего активирующего светового луча соответствует площади поперечного сечения внутреннего полого пространства трубчатого волновода, при этом первая часть входящего светового излучения падает на торец лазерного элемента, вторая часть, которая косо падает на внутреннюю поверхность волновода, отражается в волноводе и поперек лазерного элемента так, чтобы пересекать его по меньшей мере один раз, производя в соответствии с этим эффект боковой накачки, в то время как третья часть, которая также косо падает на внутреннюю поверхность волновода, отражается так, чтобы вообще не пересекать лазерный элемент и, таким образом, становиться потерей.

Одновременно было предложено конструировать лазерное устройство для накачки концентрированным солнечным излучением путем размещения стержнеобразного лазерного элемента в коническую оболочку в форме усеченного раструба, имеющую внутреннюю отражательную поверхность, узкий конец которой плотно пригнан к дальней концевой части лазерного стержня. Размер входного отверстия раструба вокруг переднего накачиваемого торца лазерного элемента соответствует площади поперечного сечения входящего луча накачки, например, концентрированного солнечного излучения. Эффективность накачки такого лазера выше, хотя часть излучения, отклоненная раструбом, пропадает, в то время, как другая часть, которая отражается в раструбе поперек лазерного элемента, ослабляется в процессе отражения, приводя к понижению выходящей мощности лазера.

Целью настоящего изобретения является разработка генератора лазерного излучения с оптической накачкой, имеющего удлиненный лазерный элемент с улучшенной выходной мощностью.

Для достижения указанной цели предложено в лазерном устройстве с торцевой накачкой, содержащем удлиненный прозрачный лазерный элемент, имеющий продольную ось и установленный в трубчатом волноводе на расстоянии от его внутренней стенки, предложено по меньшей мере вдоль части лазерного элемента оптические расстояния между различными точками на поверхности лазерного элемента и внутренним контуром волновода в плоскости поперечного сечения, нормальной к продольной оси устройства, выполнены изменяющимися. Изменения оптических расстояний могут быть обеспечены посредством неоднородностей отражательной поверхности, причем предпочтительно неоднородности расположены равномерно в аксиальном направлении по отражательной поверхности. В частности, неоднородности могут быть выполнены в виде гофр. Изменения оптических расстояний могут быть обусловлены также и наличием тел в волноводе, имеющих показатель преломления или показатели преломления, отличающиеся от показателя преломления окружающей среды и от показателя преломления материала лазерного элемента. Предпочтительно в этом случае использовать тела, обладающие флюоресцирующими свойствами. Желательно удлиненный лазерный элемент плотно удерживать в трубчатом волноводе. Преимущественно концевую часть трубчатого волновода, противоположную месту подведения оптической накачки, выполняют конической и плотно пригнанной к прилегающей концевой части лазерного элемента. Предпочтительно, чтобы указанная концевая часть трубчатого волновода механически соединена со средством для отражения светового излучения. Устройство может содержать средство для прохождения охладителя через трубчатый волновод. Предпочтительно, охладитель обладает флюоресцирующими свойствами. Желательно выполнять внутреннюю поверхность трубчатого волновода с полным внутренним отражением. Удлиненный лазерный элемент может иметь цилиндрическую форму или иметь некруглое поперечное сечение. Желательно, чтобы площадь поперечного сечения трубчатого волновода S_tube была больше площади поперечного сечения S_las лазерного элемента, а длина l_s лазерного элемента была связана с площадью поперечного сечения трубчатого волновода соотношением: l_s = (l_abs/k) (S_tube/S_las), где l_abs - длина поглощения материала лазера для светового излучения накачки, a k = l или 2 в зависимости от того, является ли распространение возбуждающего светового излучения в трубчатом волноводе однонаправленное или двунаправленное. Устройство может быть выполнено с возможностью проведения накачки лампой, другим лазерным устройством или солнечным светом.

В дальнейшем описание изобретения будет приведено со ссылками на сопровождающие чертежи, где на фиг. 1 приведена схематическая иллюстрация лазерного устройства с торцевой накачкой предшествующего уровня техники, где лазерный элемент размещен в цилиндрическом волноводе; на фиг. 2 приведена схематическая иллюстрация одного из вариантов реализации лазерного устройства согласно заявленному изобретению, на фиг. 3 - 8 приведены схематические иллюстрации дополнительных вариантов реализации.

На фиг. 1 приведена конструкция лазерного устройства, используемого в качестве ближайшего аналога. Оно содержит удлиненный прозрачный лазерный элемент 1, имеющий форму цилиндрического стержня, установленный в круглом трубчатом волноводе 2, имеющем отражательную внутреннюю поверхность 3. Площадь поперечного сечения трубки 2 значительно больше площади поперечного сечения лазерного элемента 1. Для облучения ближних концов зубчатого волновода 2 и лазерного элемента 1 используют торцевую накачку внешним источником концентрированного светового излучения (не показано), например, концентрированного солнечного излучения, причем площадь поперечного сечения луча накачки, входящего в волновод 2, практически соответствует пощади поперечного сечения трубки 2.

Если внутренняя поверхность 3 трубки 2 является отражательной поверхностью, то трубка 2 действует как волновод, в частности, для лучей светового излучения накачки, которые образуют с отражательной поверхностью острые углы. Эти лучи отражаются между противоположными сторонами отражательной поверхности 3, одновременно распространяясь от одного конца трубки к другому и пересекаясь с лазерным элементом 1 по меньшей мере 1 раз, а возможно и более.

Некоторые лучи входящего пучка излучения накачки образуют с отражательной поверхностью 3 такие острые углы, что отраженные лучи не пересекают вообще лазерный элемент 1, т. е. эта часть излучения пропадает.

Чтобы гарантировать эффективную накачку в этом случае, необходимо делать площадь поверхности лазерного элемента, подвергаемую воздействию возбуждающего светового излучения, больше площади прилегающего торца трубки.

Лазерное устройство, соответствующее изобретению, относится к тому же типу, что и лазерное устройство, описанное со ссылкой на фиг. 1, но с добавлением средств повышения эффективности накачки.

На фиг. 2 показан один из вариантов реализации лазерного устройства, выполненный в соответствии с изобретением.

Как показано, трубчатый волновод 4 выполнен гофрированным, так что внутренняя отражательная поверхность 5 волновода 4 имеет множество чередующихся канавок 6 и выступов 7. В результате этой модификации поверхности, в любой плоскости поперечного сечения этого устройства оптическое расстояние между точками на удлиненном цилиндрическом лазерном элементе 8 и внутренней поверхности 5 волновода 4 изменяются вдоль контура волновода 4, т.е. в аксиальном направлении. Поэтому значительно больше светового излучения накачки пересекается с лазерным элементом 8 и используется для накачки по сравнению с устройством, приведенным на фиг. 1.

На фиг. 3 приведен другой вариант реализации изобретения. В этом случае устройство содержит удлиненный цилиндрический лазерный элемент 10, введенный в трубчатый волновод 11, имеющий внутреннюю отражательную поверхность 12. В промежутке между элементом 10 и волноводом 11 расположено множество прозрачных цилиндрических стержней 13, имеющих показатель преломления, отличающийся от показателя преломления окружающей среды 14 и от показателя преломления лазерного элемента 10. Из-за наличия указанных стержней 13 оптические расстояния между точками на лазерном элементе 10 и отражательной поверхности 12 изменяются. При работе устройства большая часть светового излучения накачки отклоняются стержнями 13 и световое излучение, которое не используется для торцевой накачки, заставляют выполнять накачку вдоль лазерного элемента 10. Стержни 13 могут быть выполнены из флюоресцирующего материала.

В варианте реализации, приведенном на фиг. 4, удлиненный цилиндрический лазерный элемент 16 эксцентрично установлен в трубчатом волноводе 17 вблизи его стенки, в соответствии с чем оптические расстояния между точками на лазерном элементе и отражательной поверхности волновода 17 изменяются. Устройство может дополнительно содержать цилиндрический прозрачный стержень 18, установленный в волноводе 17 (как показано). Показатель преломления стержня 18 отличается от показателя преломления лазерного элемента 16 и от показателя преломления окружающей среды. Работа этого варианта реализации по существу аналогична предыдущему варианту реализации, охарактеризованному со ссылкой на фиг. 3.

В варианте реализации, приведенном на фиг. 5, удлиненный лазерный элемент 20 установлен под углом в волноводе 21, что вызывает непрерывное изменение оптических расстояний лазерного элемента от внутренней отражательной поверхности волновода, при этом различные части светового излучения накачки пересекаются с различными частями лазерного элемента 20.

В варианте реализации, приведенном на фиг. 6, лазерный элемент 22 выполнен трубчатым и плотно удерживается в трубчатом волноводе 23. Оптическое расстояние каждой точки на внутренней поверхности лазерного элемента до ближайшей точки волновода отличается от расстояния до наружной поверхности лазерного элемента. Все световое излучение, распространяемое в трубчатом волноводе 23, по существу пересекается с лазерным элементом 22.

В варианте реализации, приведенном на фиг. 7, цилиндрический удлиненный лазерный элемент 25 установлен в волноводе 26, имеющем коническую торцевую часть, удаленную от точки введения светового излучения накачки и плотно прилегающую поверх дальней, относительно точки ввода светового излучения накачки, концевой части лазерного элемента 25. Волновод 26 может при этом иметь гофрированную конфигурацию, которая аналогично показанной на фиг. 2. В этом варианте поглощение мощности светового излучения, распространяющегося в волноводе 26, компенсируется концентрационными свойствами конического конца 27, что приводит к максимальной эффективности генерации.

В варианте реализации, приведенном на фиг. 8. цилиндрический удлиненный лазерный элемент 29 установлен в трубчатом двустенном волноводе 30, который сконструирован с возможностью охлаждения, причем охладитель поступает через впускные отверстия 31, проходит во внутреннем трубчатом промежутке волновода 30 в направлениях, показанных стрелками, и выходит через выпускные отверстия 32. Кроме того, охладитель может иметь свойства флюоресценции. Прозрачное окно 33 пропускает входящее световое излучение, проходящее волновод 30, отражается назад наклонным или неплоским, например, вогнутым зеркалом 34.

Необходимо указать, что во всех вариантах реализации изобретения лазерный элемент может не иметь круглого поперечного сечения, например, он может быть выполнен в форме бруска. Отражение от внутренней поверхности волновода может быть достигнуто обеспечением полного внутреннего отражения.

Ниже приведен вариант изготовления устройства, при котором использованы признаки, приведенные на фиг. 5 и 8.

Стержень 29 лазера на иттрий алюминиевом гранате с неодимом, имеющий диаметр 3 мм и длину 30 мм, был встроен в кварцевую трубку 30. Наружный диаметр трубки 30 составил 6 мм, внутренний диаметр - 5 мм, а длина трубки составила 25 мм. Наружная поверхность трубки окружена воздухом. Торцы трубки приварены к кварцевым дискам, которые вклеены в алюминиевый корпус. Лазерный стержень имеет наклон относительно оси кварцевой трубки, составляющий 3,5^o. Органический охладитель, имеющий показатель преломления 1,5, проходит в направлении стрелок 31, 32 и уменьшает отражения Френеля на поверхности лазерного стержня. Кварцевое окно 33, на которое нанесено отражающее покрытие, толщиной 2 мм отделяет каналы охлаждения от внешней атмосферы. Лазерный стержень имеет на обоих концах отражательное диэлектрическое покрытие, образующее лазерный резонатор. Торец стержня, расположенный у окна 33, имеет высокоотражательное покрытие (R > 99,5% при длине волны 1,064 нм). Другой торец имеет частично прозрачное покрытие (R > 95% при длине волны 1,064 нм) и служит в качестве выходного лазерного зеркала. На расстоянии 1 мм от трубки расположено вогнутое алюминиевое зеркало 34, имеющее радиус кривизны 10 мм. Зеркало имеет отверстие диаметром 3 мм и соединено с лазерным стержнем (на чертеже не показано). Лазерное выходное излучение проходит через это отверстие к ваттметру. Кварцевую трубку 30 облучают через окно 33 концентрированным солнечным излучением. Это излучение собирают алюминиевым параболическим зеркалом, имеющим диаметр 600 мм и фокусное расстояние 350 мм, в световое пятно диаметром 6 мм. Измеренная мощность концентрированного солнечного излучения составила 150 Вт при прямой солнечной изоляции 866 Вт/м². Солнечное излучение поглощается в кварцевой трубке вследствие эффекта полного внутреннего отражения на наружной поверхности трубки. Излучение накачки, распространяемое в трубке к алюминиевому зеркалу 34, отразилось и возвратилось к окну 33, много раз пройдя через лазерный стержень 29. При использовании такого способа накачки плотность мощности накачки в материале лазера составила 1 кВт/см². Измеренная выходная мощность лазера составила 9,2 Вт, а дивергенция лазерного излучения была менее 15 мрад. Лазер работал в 8 раз выше порога генерации лазерного излучения. Коэффициент полезного действия лазера составил 6,1%, что в два раза выше обычного. Таким образом, использование изобретения позволяет значительно повысить коэффициент полезного действия лазера.

Формула изобретения

1. Лазерное устройство с торцевой накачкой, содержащее удлиненный прозрачный лазерный элемент, имеющий продольную ось и установленный в трубчатом волноводе на расстоянии от его внутренней стенки, имеющей отражательную поверхность, отличающееся тем, что по меньшей мере вдоль части лазерного элемента оптические расстояния между различными точками на поверхности лазерного элемента и внутренним контуром волновода в плоскости поперечного сечения, нормальной к продольной оси устройства, выполнены изменяющимися.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что изменения оптических расстояний между точками на лазерном элементе и отражательной внутренней поверхности трубчатого волновода обеспечены посредством неоднородностей отражательной поверхности.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что неоднородности в аксиальном направлении расположены равномерно по отражательной внутренней поверхности.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что отражательная внутренняя поверхность выполнена гофрированной.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что изменения оптических расстояний между точками на лазерном элементе и отражательной внутренней поверхности трубчатого волновода обеспечены наличием тел в волноводе, имеющих показатель преломления или показатели преломления, отличающиеся от показателя преломления окружающей среды и от показателя преломления материала лазерного элемента.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что использованы тела, обладающие флюоресцирующими свойствами.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что удлиненный лазерный элемент выполнен плотно удерживаемым в трубчатом волноводе.

8. Устройство по любому из пп.1 - 7, отличающееся тем, что концевая часть трубчатого волновода, противоположная месту подведения оптической накачки, выполнена конической и плотно пригнанной к прилегающей концевой части лазерного элемента.

9. Устройство по любому из пп.1 - 7, отличающееся тем, что концевая часть трубчатого волновода, противоположная месту подведения оптической накачки, механически соединена со средством для отражения светового излучения.

10. Устройство по любому из пп.1 - 9, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит средство для прохождения охладителя через трубчатый волновод.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что использован охладитель, обладающий флюоресцирующими свойствами.

12. Устройство по любому из пп.1 - 11, отличающееся тем, что внутренняя поверхность трубчатого волновода выполнена с полным внутренним отражением.

13. Устройство по любому из пп.1 - 12, отличающееся тем, что использован удлиненный лазерный элемент цилиндрической формы.

14. Устройство по любому из пп.1 - 12, отличающееся тем, что использован удлиненный лазерный элемент с некруглым поперечным сечением.

15. Устройство по любому из пп.1 - 14, отличающееся тем, что площадь поперечного сечения трубчатого волновода S_tube больше площади поперечного сечения S_las лазерного элемента, а длина l_s лазерного элемента связана с площадью поперечного сечения трубчатого волновода уравнением l_s = (l_abs/K) (S_tube / S_las), где l_abs - длина поглощения материала лазера для светового излучения накачки; K = 1 или 2, в зависимости от того, является ли распространение возбуждающего светового излучения в трубчатом волноводе однонаправленным или двунаправленным.

16. Устройство по любому из пп.1 - 15, отличающееся тем, что оно выполнено таким образом, что в качестве источника светового излучения накачки использована лампа.

17. Устройство по любому из пп.1 - 15, отличающееся тем, что оно выполнено таким образом, что в качестве источника светового излучения накачки использовано другое лазерное устройство.

18. Устройство по любому из пп.1 - 15, отличающееся тем, что оно выполнено таким образом, что в качестве источника светового излучения накачки использован солнечный свет.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8