Инфракрасный твердотельный лазер

Авторы патента:

Дуванов Борис Николаевич (RU)

Воробьев Алексей Александрович (RU)

Астраускас Йонос Ионо (RU)

H01S3/094 - когерентным световым излучением

H01S3/08 - конструкция или форма оптических резонаторов или их элементов

Владельцы патента RU 2593819:

Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" Министерства обороны Российской Федерации (RU)

Изобретение относится к лазерной технике. Инфракрасный твердотельный лазер содержит лазер накачки, кристалл Fe²⁺:ZnSe - пассивный модулятор добротности и дополнительный резонатор. Резонатор лазера накачки выполнен «глухим», а пассивный модулятор добротности имеет вид кристалла Fe²⁺:ZnSe, установленного между зеркалами дополнительного резонатора внутри лазера накачки. Технический результат заключается в обеспечении компактности устройства, за счет использования одного кристалла Fe²⁺:ZnSe одновременно в качестве пассивного модулятора добротности и активного элемента. 1 ил.

Изобретение относится к области лазерной физики и может быть использовано при разработке источников лазерного излучения среднего инфракрасного (ИК) диапазона (3,95…5,05 мкм).

В [1] предлагается дисковый лазер с модулированной добротностью резонатора, содержащий оптически связанные дисковый активный элемент, резонатор, модулятор добротности резонатора, источник накачки активного элемента и систему охлаждения активного элемента. Новым, по мнению авторов, является то, что устройство дополнительно снабжено модулятором добротности с боковым выводом излучения, размещенным в дополнительном полуконцентрическом резонаторе, при этом плоское зеркало дополнительного резонатора имеет 100% отражение на длине волны лазерного излучения.

Данное техническое решение не позволяет получать длину волны излучения среднего ИК-диапазона.

В рамках работы [2] реализована генерация мощного малогабаритного Er:YLF-лазера с диодной накачкой в режиме модуляции добротности пассивным затвором на кристалле Fe²⁺:ZnSe. В качестве источника накачки использовалась матрица лазерных диодов Активный элемент лазера (Er:YLF, концентрация активатора 15 ат.%) имел форму цилиндра с размерами ⌀2×35 мм. На один из торцов активного элемента было нанесено диэлектрическое покрытие, выполняющее роль глухого зеркала для излучения генерации и просветляющего покрытия для излучения накачки. На второй торец было нанесено просветляющее покрытие.

Ввод излучения накачки в активный элемент осуществлялся по продольно-поперечной схеме, реализованной с помощью системы призм полного внутреннего отражения. Резонатор лазера был образован плоским глухим зеркалом, напыленным на торце активного элемента, и внешним сферическим выходным зеркалом (радиус кривизны 1,2 м, коэффициент отражения 0,85 или 0,95). В экспериментах использовались два Fe:²⁺ZnSe-затвора с различным начальным пропусканием.

В устройстве [3] излучение лазера на основе кристалла YAG:Er³⁺ с длиной волны генерации 2,94 мкм, работавшего в режиме активной модуляции добротности, фокусировалось цилиндрической линзой (в линию длиной около 10 мм и шириной ~100 мкм) на поверхность кристалла ZnSe, содержавшую обогащенный ионами Fe²⁺ слой, длительность импульса накачки составляла ~ 100 нс. Излучение суперлюминесценции регистрировалось в направлении вдоль линии фокусировки накачки в области кристалла, непосредственно прилегающей к его поверхности. Грани, через которые излучение выходило из кристалла, скалывались. Ось пучка излучения являлась продолжением линии накачки с учетом преломления на грани кристалла. Поэтому резонатор, обеспечивающий обратную связь для излучения, отсутствовал.

В работе [4] приведена схема установки по исследованию Fe:ZnSe-лазера (концентрация ионов Fe²⁺ составляла 2,5×10¹⁸ см^-3) при накачке излучением Er:YAG-лазера, работающего в режиме свободной генерации. Активный элемент представлял собой параллелепипед с поперечными размерами 9,7×10,1 мм и длиной (длина усиления) 7,7 мм, торцы которого полировались и не просветлялись. Чтобы уменьшить сброс инверсии усиленным спонтанным шумом, распространяющимся в поперечном к оптической оси резонатора направлении, боковые поверхности кристалла были заматированы и покрыты (зачернены) аквадагом. Резонатор лазера Fe:ZnSe образован «глухим» сферическим зеркалом с радиусом кривизны 1000 мм и плоским полупрозрачным зеркалом. Коэффициент пропускания выходного зеркала на длине волны генерации составлял 72%, длина резонатора - 350 мм. Пучок излучения Er:YAG-лазера, сфокусированный в пятно диаметром 6 мм (95% энергии), падал на кристалл Fe:ZnSe под улом 3° к оптической оси резонатора.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство, описанное в [5, 6], где указано, что впервые достигнута генерация на кристалле Fe²⁺:ZnSe при комнатной температуре при накачке короткими (50 нс) импульсами лазера Er:YAG (2,94 мкм), запущенного в режиме модулированной добротности с помощью также кристалла Fe²⁺:ZnSe, но с меньшей концентрацией Fe [5].

В устройстве [6] активный элемент для Fe²⁺:ZnSe-лазера был изготовлен из монокристалла Fe²⁺:ZnSe, выращенного из паровой фазы методом свободного роста на монокристаллическую затравку. Легирование ионами Fe²⁺до концентрации ~ 1×10¹⁸ см^-3 проводилось непосредственно в процессе роста. Активный элемент лазера накачки имел длину 10 мм в поперечный размер 17×10 мм. Резонатор был образован задним сферическим зеркалом (радиус кривизны 50 см) и плоским выходным зеркалом с интерференционными покрытиями, нанесенными на подложку из CaF₂. Кристалл Fe²⁺:ZnSe был установлен вблизи выходного зеркала под углом Брюстера к оптической оси резонатора. Накачка Fe²⁺:ZnSe-лазера осуществлялась излучением Er:YAG-лазера с длиной волны излучения 2,94 мкм в режиме пассивной модуляции добротности резонатора. Пассивным затвором в Er:YAG-лазере служила плоскопараллельная пластинка из монокристалла Fe²⁺:ZnSe.

Общим недостатком устройств [2-6] является использование двух кристаллов Fe²⁺:ZnSe для получения лазерного излучения среднего ИК-диапазона. Один кристалл используется в качестве пассивного модулятора добротности резонатора лазера накачки для увеличения мощности импульса накачки. Второй - для непосредственного получения генерации лазерного излучения в среднем ИК-диапазоне. Причем в устройстве [4] специально предпринимают меры для срыва генерации в кристалле Fe²⁺:ZnSe в направлении, поперечном к оптической оси резонатора лазера накачки.

Задачей изобретения является получение компактного ИК-излучателя, в котором один кристалл Fe²⁺:ZnSe используется одновременно как пассивный модулятор добротности и как активный элемент. Для этого кристалл Fe²⁺:ZnSe имеет форму параллелепипеда и располагается внутри резонатора лазера накачки. Причем на грани кристалла, перпендикулярные оптической оси лазера накачки, наносится просветляющее диэлектрическое покрытие с максимумом пропускания на длине волны лазера накачки. На грани кристалла, параллельные оптической оси лазера накачки, наносится просветляющее диэлектрическое покрытие с максимумом пропускания на требуемой длине волны среднего ИК-диапазона (3,95…5,05 мкм). Для более эффективного использования кристалла Fe²⁺:ZnSe концентрация ионов Fe²⁺ может быть не равномерной вдоль оси накачки и иметь строго заданный закон распределения в зависимости от требований, предъявляемым к предполагаемому изобретению.

Резонатор лазера накачки представляет собой заднее сферическое и переднее плоскопараллельное зеркала с интерференционными покрытиями, нанесенными на подложку из CaF₂ либо какой-либо другой оптический материал, прозрачный в ИК-области спектра. Покрытия обоих зеркал имеют максимум отражения на длине волны лазера накачки, образуя «глухой» полуконфокальный резонатор. Резонатор и активная среда, выполненная из кристалла Er:YAG, представляют собой лазер накачки.

Для вывода излучения среднего ИК-диапазона устанавливают резонатор, параллельно граням кристалла Fe²⁺:ZnSe с нанесенным просветляющим диэлектрическим покрытием с максимумом пропускания на требуемой длине волны среднего ИК-диапазона (3,95…5,05 мкм). На фиг. 1 представлена схема предлагаемого изобретения, где цифрами обозначены: 1 - активная среда - кристалл Er:YAG; 2 - излучение накачки; 3 - полуконфокальный «глухой» резонатор для длины волны 2,94 мкм; 4 -кристалл Fe²⁺:ZnSe (пассивный модулятор добротности - лазерная активная среда); 5 - дополнительный резонатор для длины волны среднего ИК-диапазона (3,95…5,05 мкм); 6 - грани кристалла Fe²⁺:ZnSe, просветленные для длины волны 2,94 мкм; 7 - грани кристалла Fe²⁺:ZnSe, просветленные для длины волны среднего ИК-диапазона; 8 - излучение лазера накачки (2,94 мкм); 9 - лазерное излучение среднего ИК-дипазона.

Литература

1. Чивель Ю.А., Затягин Д.А., Никончук И.С. Дисковый лазер с модулированной добротностью резонатора (варианты). Патент на изобретение RU 2365006. Опубликовано 20.08.2009. Бюл. №23.

2. Иночкин М.В., Назаров В.В., Сачков Д.Ю., Хлопонин Л.В., Храмов В.Ю., Коростелин Ю.В., Ландман А.И., Подмарьков Ю.П., Фролов М.П. Малогабаритный Er:YLF-лазер с пассивным Fe²⁺:ZnSe-затвором. "Оптический журнал", 79, 6, 2012, с. 31-35.

3. Ильичев Н.Н., Данилов В.П., Калинушкин В.П., Студеникин М.И., Шапкин П.В., Насибов А.С. Суперлюминесцентный ИК-излучатель на кристалле ZnSe:Fe²⁺, работающий при комнатной температуре. Квантовая электроника. 2008, том 38, №2, с. 95-96.

4. Великанов С.Д., Зарецкий Н.А., Зотов Е.А., Козловский В.И., Коростелин Ю.В., Крохин О.Н., Манешкин А.А., Подмарьков Ю.П., Савинова С.А., Скасырский Я.К., Фролов М.П., Чуваткин Р.С., Юткин И.М. Исследование работы Fe:ZnSe-лазер в импульсном и импульсно-периодическом режимах. Квантовая электроника. 45, №1 (2015), С. 1-7.

5. Ландман А.И. Парофазный рост монокристаллов соединений A^IIB^VI, легированных переходными металлами, для лазеров среднего ИК-диапазона. Диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. М.: Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН. 2008 г. 118 с.

6. Акимов В.А., Воронов А.А., Созловский В.И., Соростелин Ю.В., Ландман А.И., Подмарысов Ю.П., Фролов М.П. Эффективная лазерная генерация кристалла Fe²⁺:ZnSe при комнатной температуре. Квантовая электроника. 36, №4 (2006).

Инфракрасный твердотельный лазер, содержащий лазер накачки, кристалл Fe²⁺:ZnSe - пассивный модулятор добротности, дополнительный резонатор, отличающийся тем, что резонатор лазера накачки выполнен «глухим», а пассивный модулятор добротности имеет вид кристалла Fe²⁺:ZnSe, установленного между зеркалами дополнительного резонатора внутри лазера накачки.

Высокомощный сверхъяркий малошумящий источник накачки содержит затравочный источник, который генерирует малошумящий световой сигнал, множество высокомощных полупроводниковых лазерных диодов, объединенных для испускания излучения вспомогательной накачки, и легированный Yb мультимодовый волоконный преобразователь длин волн излучения вспомогательной накачки.

Дисковый лазер (варианты) // 2582909

Изобретение относится к лазерной технике. Дисковый лазер состоит из оптического резонатора с первой оптической осью, активной пластины, имеющей первую поверхность и вторую поверхность, размещенной внутри оптического резонатора и закрепленной на хладопроводящей подложке своей первой поверхностью, лазера накачки, системы фокусировки излучения лазера накачки и многопроходной оптической системы накачки.

Способ управления импульсным режимом генерации лазерного излучения в лазерной установке на основе твердотельного лазера на кристалле nd:yag с диодной накачкой активной среды // 2573619

Изобретение относится к способу управления импульсным режимом генерации лазерного излучения в лазерной установке на основе твердотельного лазера на кристалле Nd:YAG с диодной накачкой активной среды.

Способ генерации электромагнитного излучения в терагерцовом диапазоне и устройство для получения электромагнитного излучения в терагерцовом диапазоне // 2539678

Изобретение относится к оптоэлектронике. Способ генерации электромагнитного излучения в терагерцовом диапазоне заключается во взаимодействии направленного возбуждающего излучения с активной средой образца и получении вторичного электромагнитного излучения.

Твердотельный лазер дисковидной формы // 2517963

Изобретение относится к лазерной технике. Твердотельный лазер дисковидной формы включает в себя матрицу (1) полупроводниковых лазеров накачки, резонатор с кристаллом (6) дисковидной формы и выходной линзой (8), ударно-струйную систему (10) охлаждения лазерного кристалла (6) и коллиматор (2) пучка накачки.

Твердотельный ап-конверсионный лазер // 2497249

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано при создании коротковолновых источников когерентного излучения Твердотельный ап-конверсионный лазер включает ап-конверсионную лазерную среду, помещенную в оптический резонатор, и устройство накачки, включающее два полупроводниковых источника излучения на длинах волн λ1 и λ2 и волоконный модуль, расположенный таким образом, что оптические выходы обоих источников излучения накачки сопряжены с волоконным модулем, а фокусирующая система выполнена ахроматической на длинах волн λ1 и λ2 и расположена таким образом, что выход волоконного модуля сопряжен через нее с ап-конверсионной лазерной средой.

Способ генерации ультракоротких световых импульсов // 2469450

Изобретение относится к физике лазеров, в частности к оптическим генераторам ультракоротких световых импульсов, и может быть использовано для создания лазерных источников стабильных импульсов света фемто-аттосекундного диапазона длительности.

Полупроводниковый дисковый лазер // 2461932

Изобретение относится к квантовой электронике и электронной технике и может быть использовано в приборах с мощным коллимированным световым лучом, в частности в телепроекторах, лазерных локаторах, медицине, фотолитографии.

Способ синтеза диамагнитной оптически активной среды // 2320979

Изобретение относится к самоорганизации света в нелинейных молекулах с обратной связью между наведенными энергиями на двух переходах, преимущественно на двух вращательных переходах основного колебательного терма или на двух колебательно-вращательных переходах основного электронного терма и может быть использовано в квантовой электронике для генерации винтовой волны с большим орбитальным моментом количества движения материи; в молекулярной энергетике для приготовления электромагнитных ловушек, разделения изотопов молекул и организации физико-химических и биологических форм материи; в геофизике для прогноза зарождения шаровых молний, смерчей и радиационных потерь в молекулярных каналах при аномальных макропараметрах атмосферы.

Твердотельный лазер с поперечной накачкой линейками лазерных диодов // 2315404

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к конструкциям твердотельных лазеров с накачкой лазерными диодами. .

Способ настройки зеркал резонатора // 2592051

Способ настройки зеркал резонатора заключается в том, что устанавливают оправы с зеркалами с прижатием в трех точках на несущую часть резонатора и совмещают рабочие поверхности зеркал.

Система регулировки периметра зеемановского лазерного гироскопа // 2589756

Изобретение относится к гироскопам и измерительной технике и может быть использовано для регулировки периметра зеемановского лазерного гироскопа. Система содержит фотоприемник излучения кольцевого лазера, вход которого является входом излучения кольцевого лазера, оснащенного пьезоприводом и содержащего блок частотной подставки, вход которого является входом сигнала знакопеременной подставки, а выход соединен с невзаимным устройством кольцевого лазера, включенным в его резонатор.

Лазерная система с многопетлевым резонатором // 2572659

Лазерная система одномодового одночастотного излучения содержит систему поворотных зеркал, установленных с возможностью образования кольцевого резонатора и по меньшей мере одной дополнительной петли излучения в нём.

Лазерный излучатель // 2571883

Лазерный излучатель содержит отражатель с размещенными в нем активным элементом и лампой накачки активного элемента. При этом зеркала оптического резонатора нанесены на торцы активного элемента, торцы оптического резонатора выполнены под углом друг к другу.

Универсальный резонатор лазера // 2570366

Изобретение относится к резонатору твердотельного лазера с диодной накачкой. Указанный резонатор содержит две плиты, с закрепленными на них зеркалами, связанных между собой стержнями, и снабженные подвижными и неподвижными опорами.

Резонатор лазера // 2570341

Изобретение относится к резонатору твердотельного лазера с диодной накачкой. Резонатор лазера содержит опорную конструкцию и закрепленную на ней с помощью двух крепежных устройств несущую конструкцию с установленными на ней зеркалами.

Способ отбраковки кольцевых резонаторов лазерных гироскопов // 2570096

Изобретение касается отбраковки кольцевых резонаторов лазерных гироскопов по величине порога зоны нечувствительности (порога захвата) и значениям нелинейных искажений масштабного коэффициента.

Мультиэлементный излучатель на парах металлов и их соединений // 2557328

Изобретение относится к лазерной технике. В оптический резонатор излучателя на парах металлов и их соединений установлено две или более соосных друг другу газоразрядных трубок таким образом, что зеркала резонатора оптически связаны друг с другом через объемы газоразрядных трубок, в каждой из упомянутых трубок содержится своя активная среда на парах металлов или их соединений, при этом активные среды и материалы выходного зеркала и окон газоразрядных трубок взаимно прозрачны для генерируемых длин волн, а электроды каждой трубки электрически связаны с выходом своего импульсного высоковольтного источника питания.

Узкополосный кольцевой волоконный лазер // 2554337

Узкополосный кольцевой волоконный лазер состоит из диода накачки, элемента Пельтье и кольцевого однонаправленного резонатора. Указанный резонатор включает активное волокно, делитель излучения, поляризационный циркулятор, волоконно-оптический изолятор и спектральный уплотнитель с линейной частью в виде насыщающего поглотителя из ненакачиваемого активного волокна и волоконной брэгговской решетки.

Импульсный твердотельный лазер // 2554315

Изобретение относится к лазерной технике. Импульсный твердотельный лазер содержит активный элемент, осветитель, включающий лампу накачки и отражатель, а также резонатор, включающий призму-крышу и плоское зеркало, установленные с противоположных торцов активного элемента таким образом, что ребро призмы-крыши и грань плоского зеркала перпендикулярны оптической оси активного элемента, размещенного рядом с лампой накачки в отражателе.

Устройство юстировки оправы оптического элемента // 2596906

Изобретение относится к области лазерной техники и касается устройства юстировки оправы оптического элемента. Устройство содержит закрепленный на кронштейне корпус, в отверстии которого установлен оптический элемент, фиксирующие элементы, фиксатор юстировки и пружину. В корпусе выполнены отверстия для установки фиксирующих элементов, оптический элемент установлен в корпусе в оправе. Фиксирующие элементы выполнены в виде подпружиненного со стороны кронштейна и зафиксированного крышкой штока и штырей. Шток и штыри расположены равномерно относительно оправы с возможностью взаимодействия с ней. В качестве фиксатора юстировки используется клей, который размещен в посадочном отверстии для оправы. Технический результат заключается в повышении точности юстировки с последующей фиксацией настройки. 4 ил.