Способ генерации лазерного излучения на вынужденном комбинационном рассеянии

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ВЫНУЖДЕННОМ КОМБИНАЦИОННОМ РАССЕЯНИИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики им. Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики им. Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Способ генерации лазерного излучения на вынужденном комбинационном рассеянии, включающий возбуждение активной среды, лазерную генерацию излучения на рабочем переходе активной среды в режиме модуляции добротности резонатора и преобразование этого излучения в излучение компонент вынужденного комбинационного рассеяния в той же активной среде, отличающийся тем, что возбуждение активной среды осуществляют лазерным излучением. 4627 1 Изобретение относится к области лазерной техники, в частности к способам генерации излучения на основе вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР), и может быть использовано для одновременной генерации набора частот или отдельной линии в различных областях спектра, в том числе в диапазоне безопасном для человеческого глаза, в лазерной дальнометрии, телекоммуникации, экологии, нелинейной оптике, спектроскопии и т.д. ВКР является широко распространенным методом преобразования частоты лазерного излучения в новые спектральные диапазоны. В настоящее время с помощью ВКР генерации перекрыт лазерным излучением спектральный диапазон от УФ до ИК области. Проблема повышения эффективности преобразования электрической мощности в мощность светового излучения в нужном спектральном интервале становится наиболее актуальной. В этой связи перспективным является подход, основанный на ВКР в лазерном резонаторе,дающий возможность прямого использования высокой внутрирезонаторной интенсивности для ВКРгенерации. Его частным случаем является ВКР на основе самопреобразования, заключающееся в том, что процессы лазерной генерации и ВКР происходят в одной и той же среде, что также способствует повышению эффективности. Известен способ генерации на ВКР 1, включающий лазерную генерацию излучения на рабочем переходе активной среды в режиме активной модуляции добротности с последующим преобразованием длины волны на ВКР в дополнительном нелинейном кристалле, помещенном внутрь лазерного резонатора. При этом возбуждение активной среды осуществляется излучением полупроводникового лазера. Использование двух различных активных сред усложняет и повышает стоимость технологии. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ генерации излучения на ВКР с самопреобразованием 2, включающий возбуждение активной среды, лазерную генерацию излучения на длине волны рабочего перехода активной среды в режиме модуляции добротности резонатора и ВКР-самопреобразование этого излучения в той же активной среде. При этом возбуждение активной среды производится излучением импульсных ламп. Использование такого типа накачки отличается невысокой эффективностью, так как ее энергия излучения распределена в спектральном интервале, существенно превышающем спектральную ширину полосы поглощения активной среды, что приводит к высоким тепловым потерям и необходимости их компенсации путем водяного охлаждения. КПД при этом составляет 0,17 . Задачей настоящего изобретения является получение эффективной генерации на ВКР при самопреобразовании частоты. Поставленная задача решается таким образом, что в способе генерации лазерного излучения на ВКР,включающем возбуждение активной среды, лазерную генерацию излучения на рабочем переходе активной среды в режиме модуляции добротности резонатора и преобразование этого излучения в излучение компонент вынужденного комбинационного рассеяния в той же активной среде, возбуждение активной среды осуществляют лазерным излучением. В предложенном способе используется эффект самопреобразования частоты лазерного излучения на основе ВКР, при этом возбуждение лазерной генерации в активной среде производится лазерным излучением с длиной волны, попадающей в полосу поглощения активной среды. Это уменьшает тепловые потери и увеличивает эффективность преобразования мощности возбуждающего излучения в мощность лазерной генерации. Уменьшение тепловых потерь избавляет от необходимости использования водяного охлаждения. Решение поставленной задачи обусловлено возможностью использования в предлагаемом способе лазерных пучков возбуждающего излучения с различной расходимостью, в том числе и со значительно превышающей дифракционную. Использование лазерных пучков с разной расходимостью для возбуждения характерно тем, что с возрастанием расходимости пучка длина каустики, в которой плотность мощности излучения максимальна, уменьшается. В предлагаемом способе независимо от того, происходит ли лазерная генерация в части активной среды (при использовании пучка возбуждающего излучения с большой расходимостью) или во всей среде (при использовании пучка возбуждающего излучения с малой расходимостью),генерируемое лазерное излучение заполняет весь резонатор, в том числе и всю длину активной среды, обеспечивая тем самым возможность ВКР генерации также на всей длине среды. Таким образом создается возможность эффективного преобразования низкокачественного лазерного излучения (с большой расходимостью) в промежуточное лазерное излучение с высоким качеством пучка (малой расходимостью) с последующим также эффективным его ВКР преобразованием. Предлагаемый способ поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана схема его реализации, на фиг. 2 показан спектр генерируемого излучения, на фиг. 3 представлены зависимости выходных мощностей лазерного излучения и стоксового излучения от входной мощности возбуждающего излучения. Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Излучение возбуждающего лазера 1 фокусируют оптической системой 2 на активную среду 3, помещенную в резонатор, образованный зеркалами 4 и 5. Модуляция добротности резонатора осуществляется просветляющимся затвором 6. Генерируемое на рабо 2 4627 1 чем переходе активной среды 3 излучение преобразуется посредством ВКР в этой же среде 3 в набор ВКР компонент (стоксовых и антистоксовых), которые выводятся через частично отражающее на этих длинах волн зеркало 5. Измеряют спектр выходного излучения монохроматором 6, соединенным с ПЗС линейкой 7,мощность излучения - измерителем мощности 8, частоту следования и форму импульсов - осциллографом 9. Отдельные длины волн выходного излучения выделяют спектральными фильтрами 10. Спектр, представленный на фиг. 2, наглядно иллюстрирует наличие в выходном излучении стоксовой и антистоксовой компонент. Из зависимости, представленной на фиг. 3, видно, что максимально достигнутая средняя мощность стоксового излучения 8,9 мВт, что составляет 1,3 от входной мощности возбуждения. Предлагаемый способ реализован на конкретной схеме, в которой в качестве активной среды использован кристалл 3, длиной 10 мм и диаметром 4 мм, вырезанный вдоль кристаллографической осии возбуждаемый сильнорасходящимся, с высокой степенью астигматизма (1240 градусов) излучением диодного лазера-4100 с длиной волны 0,81 мкм и мощностью 1 Вт. Лазерная генерация осуществлялась на длине волны 1,067 мкм, с последующим преобразованием в стоксову (1,181 мкм) и антистоксо ву (0,973 мкм) компоненты. Оптическая система состояла из коллиматора с апертурой, равной 0,5, двух 4,5 цилиндрических линз, компенсирующих астигматизм, и сферической линзы с фокусным расстоянием 10 мм и фокусировала пучок накачки в круглое пятно диаметром 100 мкм. Резонатор был образован плоским и сферическим зеркалами. Плоское зеркало было нанесено на торец кристалла и имело пропускание на длине волны 0,81 мкм, равное 95 , и отражения на длинах волн 1,067 мкм и 1,181 мкм, равные 99,9 и 99,5 ,соответственно. Другой торец кристалла был просветлен на длины волн 1,067 мкм и 1,181 мкм. Сферическое зеркало имело радиус кривизны, равный 50 мм и коэффициент отражения на длинах волн 1,067 мкм и 1,181 мкм 99,9 и 99,5 , соответственно. Затвор был выполнен на кристаллеи имел начальное пропускание на длине волны 1,067 мкм, равное 90 . Порог генерации стоксового излучения в данной схеме совпадал с порогом генерации лазерного излучения и составлял не более 12 МВт/см 2. Таким образом, в данном примере при использовании для возбуждения активной среды сильнорасходящегося пучка многомодового полупроводникового лазера было достигнуто эффективное ВКР преобразование. Поскольку уменьшение расходимости возбуждающего излучения не ухудшает в предложенном способе условий развития ВКР (длина каустики возбуждающего излучения увеличивается вплоть до размеров активной среды), можно сделать вывод, что предложенный способ будет также эффективен и для меньших расходимостей. Предлагаемый способ по сравнению с прототипом позволяет снизить на порядок порог генерации на основе ВКР и увеличить КПД преобразования в 8 раз, причем возможно дальнейшее повышение КПД путем оптимизации параметров резонатора. Источники информации 1. . , , . ,99. - Р. 133. 2. Патент РФ 2115983, МПК 01 3/30, 1998. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.