Твердотельный лазер с внутрирезонаторной накачкой

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт молекулярной и атомной физики Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Жуковский Виктор Владимирович Некрашевич Ярослав Ильич Орлов Лев Николаевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт молекулярной и атомной физики Национальной академии наук Беларуси(57) Твердотельный лазер с внутрирезонаторной накачкой, содержащий два находящихся на оптическом контакте активных элемента (1, 2), первый (1) из которых активирован ионами тулия, а второй (2) - ионами гольмия, помещенные внутри двухзеркального резонатора лазера накачки на первом активном элементе, одно из зеркал которого образовано гранью (3) первого активного элемента с высокоотражающим на длине волны излучения лазера накачки покрытием и служит для ввода излучения накачки от внешнего источника,при этом плоскость оптического контакта параллельна грани (3) первого активного элемента и грани (4) второго активного элемента, отличающийся тем, что содержит резонатор лазера на втором активном элементе, зеркала которого образованы гранями (8, 9, 10) с зеркальными покрытиями (5, 6, 7) второго активного элемента, расположенными параллельно оптической оси резонатора лазера накачки на первом активном элементе под углами друг к другу, причем плоскость грани (3) с зеркальным покрытием (5) первого активного элемента параллельна плоскости нормалей к зеркалам резонатора лазера на втором активном элементе, величины углов связаны соотношением 1/,где- число отражений излучения лазера на ионах гольмия за половину обхода резонатора на втором активном элементе, - угол между гранями (8) и (10), - угол между гранями (9) и (10), Фиг. 1 6258 1 покрытия (6, 7) граней (9, 10) имеют максимально высокий для излучения лазера на ионах гольмия коэффициент отражения, а покрытие (8) грани (5) - полупрозрачно для него, при этом второе зеркало двухзеркального резонатора лазера накачки на первом активном элементе образовано гранью (4) второго активного элемента с высокоотражающим на длине волны излучения лазера накачки покрытием.(56).. .- , 1992, .13,.114-118.180782 1, 1995.2593615 1, 1987. Предполагаемое изобретение относится к области квантовой электроники и лазерной физики и может найти применение в научных исследованиях, технике, медицине и т.д. Известен твердотельный лазер с внутрирезонаторной накачкой, содержащий два активных элемента, резонатор которого образован тремя зеркалами, причем два зеркала имеют высокий коэффициент отражения на одной длине волны излучения активных элементов и частично прозрачны для излучения другой длины волны, а одно из них располагается между активными элементами 1. Недостатком данного лазера является наличие зеркала между активными элементами,что усиливает интерференционную структуру спектра излучения. Известен также твердотельный лазер с внутрирезонаторной накачкой, содержащий два активных элемента, резонатор которого образован двумя выносными зеркалами, одно из которых прозрачно для излучения внешнего источника накачки одного активного элемента и полностью отражающее излучение генерации обоих активных элементов, а другое полностью отражает излучение одного активного элемента и полупрозрачно для излучения генерации второго активного элемента и является выходным зеркалом 2. Недостатком данного лазера является сложность изготовления зеркал резонатора, обладающих различными коэффициентами отражения на двух близких длинах волн излучения,а также неоднородность накачки активного элемента, приводящая к большим термооптическим искажениям, следствием чего является ограничение мощности генерации. Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому изобретению является твердотельный лазер с внутрирезонаторной оптической накачкой 3, содержащий два активных элемента, первый из которых активирован ионами тулия, а второй - ионами гольмия, находящихся на оптическом контакте, резонаторы которых образованы двумя зеркалами, одно из которых выносное, а вторым является наружная грань с диэлектрическим покрытием активного элемента, активированного ионами тулия. Активный элемент на тулии накачивается лазерным излучением на длине волны 785 нм от внешнего лазера, в результате чего лазер на активном элементе с тулием генерирует на длине волны 1,9 мкм. Излучение лазера на тулии поглощается активным элементом с ионами гольмия, который расположен в этом же оптическом резонаторе. Это приводит к созданию инверсной заселенности рабочих уровней иона гольмия, и в активной среде на ионах гольмия возникает лазерная генерация на длине волны 2,1 мкм. Основными недостатками данного устройства являются невысокая мощность генерации, обусловленная неоднородностью накачки в активном элементе и сравнительно небольшой площадью зоны накачки активной среды. Задачей предполагаемого изобретения является создание компактного твердотельного лазера с высокой мощностью и однородностью накачки, приводящей к увеличению выходной мощности генерации, повышению качества пучка излучения и позволяющего увеличить эффективную длину прохода лазерного излучения по активному элементу, что дает возможность использовать в качестве активных элементов кристаллы с относительно небольшими коэффициентами усиления и интенсивностью насыщения. 2 6258 1 Для выполнения поставленной задачи авторами был создан твердотельный лазер с внутрирезонаторной накачкой, содержащий два находящихся на оптическом контакте активных элемента (1, 2), первый (1) из которых активирован ионами тулия, а второй (2) ионами гольмия, помещенные внутри двухзеркального резонатора лазера накачки на первом активном элементе, одно из зеркал которого образовано гранью (3) первого активного элемента с высоко отражающим на длине волны излучения лазера накачки покрытием и служит для ввода излучения накачки от внешнего источника, при этом плоскость оптического контакта параллельна грани (3) первого активного элемента и грани (4) второго активного элемента. Новым, по мнению авторов, является то, что твердотельный лазер с внутрирезонаторной накачкой содержит резонатор лазера на втором активном элементе, зеркала которого образованы гранями (8, 9, 10) с зеркальными покрытиями (5, 6, 7) второго активного элемента, расположенными параллельно оптической оси резонатора лазера накачки на первом активном элементе под углами друг к другу, причем плоскость грани (3) с зеркальным покрытием первого активного элемента параллельна плоскости нормалей к зеркалам резонатора лазера на втором активном элементе, величины углов связаны соотношением 1/,где- число отражений излучения лазера на ионах гольмия за половину обхода резонатора на втором активном элементе,- угол между гранями 8 и 10,- угол между гранями 9 и 10, покрытия (6, 7) граней (9, 10) имеют максимально высокий для излучения лазера на ионах гольмия коэффициент отражения, а покрытие (5) грани (8) - полупрозрачно для него, при этом второе зеркало двухзеркального резонатора лазера накачки на первом активном элементе образовано гранью (4) второго активного элемента с высокоотражающим на длине волны излучения лазера накачки покрытием. Предлагаемое устройство изображено на фиг. 1, 2 и 3, где фиг. 1 показывает вид лазера спереди, фиг. 2 - слева и фиг. 3 - сверху. Твердотельный лазер содержит активный элемент 1 с ионами одного химического элемента, например тулия, активный элемент 2 с ионами другого химического элемента,например гольмия. Резонатор лазера на активном элементе 1 образован высокоотражающими на длине волны излучения лазера накачки покрытиями на гранях 3 активного элемента 1 и 4 - активного элемента 2. Резонатор лазера на активном элементе 2 образован тремя зеркалами, представляющими собой отражающие покрытия 5, 6 и 7 на гранях 8, 9 и 10 активного элемента 2. Отражающие покрытия на гранях обоих активных элементов на фиг. 1-3 изображены жирными линиями. Зеркала 6 и 7 имеют максимально высокий коэффициент отражения для излучения лазера на ионах другого химического элемента, например гольмия, на длине волны 2.1 мкм, а зеркало 5 полупрозрачно для этого излучения и является выходным зеркалом для заявляемого лазера. Грани 11-15 активного элемента 1 и 16-17 активного элемента 2 отражающих покрытий не имеют. Активные элементы 1 и 2 находятся на оптическом контакте между собой, причем плоскость контакта параллельна грани 3 активного элемента 1 и грани 4 активного элемента 2. Устройство работает следующим образом. Через грань 3 активного элемента 1 вводят излучение от внешнего источника для накачки этого элемента, причем коэффициент отражения грани 3 для этого излучения минимален. В результате в лазере на активном элементе 1 в резонаторе, образованном зеркалами 3 и 4, возникает стимулированное излучение на легированных ионах, например тулия, на длине волны 1,9 мкм. Это излучение возбуждает активаторы, введенные в матрицу активного элемента 2, - примесные ионы другого химического элемента, например гольмия, и возникает генерация когерентного электромагнитного излучения на вынужденных переходах этих ионов (для гольмия, например,длина волны 2,1 мкм). Начиная от выходного зеркала 5, лазерное излучение на этой длине волны распространяется, попеременно отражаясь от каждого из боковых зеркал 6 и 7 (с уменьшением угла падения после каждой пары отражений на 2) и усиливаясь за счет вынужденного испускания при его распространении через активный элемент 2. Ход этого 3 6258 1 излучения в активном элементе 2 изображен ломаной линией на фиг. 1. Послеотражений (1/ - число отражений за половину обхода резонатора) угол падения становится равным нулю, происходит обратное отражение и самовоспроизведение всего пути распространения вплоть до исходной точки на зеркале 5. Варьируя углыи , можно изменять число проходов , тем самым можно получить полную длинупути одного прохода луча по такому резонатору, намного превышающую его рабочую длину 1. Длиныи 1 определяются соотношениями гдеи- угол и максимальное расстояние между гранями 9 и 10 активного элемента 2, - угол между гранями 8 и 10, 1 - длина грани 10 (фиг. 1). При достаточно малых величинахмогут быть реализованы значения -(210)1,что приводит к более полному использованию энергии, накопленной внутри кристаллического активного элемента и повышению компактности этих устройств, а также позволяет использовать твердотельные активные элементы с малыми коэффициентами усиления и интенсивностью насыщения. В предложенной конструкции существенно улучшается энергосъем со всего объема активного элемента и легко решается проблема ввода излучения накачки, при этом площадь зоны накачки может охватывать всю поверхность грани активного элемента 1 параллельной грани 4. Использование планарной конфигурации активного элемента обеспечивает высокую эффективность теплоотвода, что в сочетании с зигзагообразным распространением генерируемого излучения в активной среде в плоскости, ортогональной направлению излучения накачки, позволяет минимизировать влияние термооптических искажений. Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет создать компактный твердотельный лазер, обладающий высокой однородностью и мощностью накачки, приводящий к увеличению мощности генерации и обеспечивающий увеличение эффективной длины прохода лазерного излучения по твердотельному активному элементу, что дает возможность использовать твердотельные активные элементы с небольшими коэффициентами усиления и интенсивностью насыщения. Источники информации 1. , . . //. - 2000. - . 39,15. - . 2428-2432. 2. ., . . //. - 1998. - . 23,22. - . 1757-1762. 3. , //.. - . - 1992. - . 13. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.