Твердотельный лазер

(51)01 3/06, 3/081 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявители Государственное научное учреждение Институт физики им. Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси Государственное научное учреждение Институт молекулярной и атомной физики Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Орлов Лев Николаевич Некрашевич Ярослав Ильич Жуковский Виктор Владимирович(73) Патентообладатели Государственное научное учреждение Институт физики им. Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси Государственное научное учреждение Институт молекулярной и атомной физики Национальной академии наук Беларуси(57) Твердотельный лазер, включающий активный элемент в форме призмы и резонатор, зеркалами которого являются плоские грани активного элемента, отличающийся тем, что активный элемент выполнен в виде трехгранной призмы, усеченной непараллельно основанию,причем плоскость непараллельного сечения расположена под угломк ребру призмы, образованному двумя боковыми гранями, расположенными под углом 90 друг к другу и к основанию призмы, и составляющему уголс третьей боковой гранью, при этом поперечные сечения активного элемента имеют вид равнобедренных прямоугольных треугольников с плавно изменяющимися длинами сторон вдоль ребра призмы, расположенного перпендикулярно основанию, причем длина прохода луча по резонатору зависит от углови , отношение которых / - целое число, боковые грани призмы выполнены с покрытием с высоким коэффициентом отражения на частоте генерации лазера и с высоким коэффициентом пропускания излучения накачки, а плоскость непараллельного сечения выполнена с полупрозрачным для излучения генерации покрытием и является выходным зеркалом лазера. 7237 1 2005.09.30 Изобретение относится к области квантовой электроники и лазерной физики и может найти применение при разработке твердотельных лазеров, в медицине, технике и научных исследованиях. Известен твердотельный лазер, содержащий резонатор, образованный двумя зеркалами, одно из которых полностью отражает лазерное излучение, а другое, выходное для этого излучения, - полупрозрачно, и активный элемент в виде твердотельного стержня, помещенного на оптической оси резонатора 1. Недостатком этого устройства является высокая чувствительность к дефектам активного элемента, возникающим в процессе изготовления (свили, плоскости скольжения и др.), а также к тепловым деформациям и термооптическим эффектам, обусловленным неоднородностью излучения накачки и степени возбуждения ионов - активаторов в активном элементе. Генерация имеет нитевидный характер и это обуславливает нестационарную во времени пятнистую структуру распределения интенсивности лазерного излучения в поперечном сечении пучка, ограничение мощности генерации, увеличение расходимостилазерного пучка и искажение волнового фронта. Эти факторы приводят к ухудшению качества лазерного пучка, определяемого величиной числа 2 2. Известен также твердотельный лазер, который состоит из двух зеркал с помещенным между ними активным элементом, имеющим планарную конфигурацию в виде призмы прямоугольного поперечного сечения с плоскопараллельными полированными гранями 1. Световой пучок входит в призму под углом Брюстера к ее торцу, затем испытывает многократное полное внутреннее отражение от полированных боковых граней и выходит через другой торец призмы. Таким образом, реализуется зигзагообразный путь лазерного пучка в активном элементе. Это позволяет за счет усреднения неоднородностей в активном элементе в направлении распространения излучения уменьшить их влияние и повысить качество пучка, реализовать одномодовую генерацию с расходимостью пучка, близкой к дифракционной. Недостатками этого устройства являются низкое качество выходного излучения в одной плоскости распространения луча, высокая чувствительность к вибрации и необходимость тщательной юстировки. Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому изобретению является твердотельный лазер 3, содержащий активный элемент и резонатор, образованный четырьмя отражающими поверхностями активного элемента, выполненного в виде призмы прямоугольного поперечного сечения с полированными гранями и торцами. Две боковые грани активного элемента параллельны друг другу, перпендикулярны плоскости одного торца и ориентированы к плоскости другого торца под таким углом, что лучи, падающие на этот торец нормально, на параллельных гранях и другом торце испытывают полное внутреннее отражение, распространяясь по зигзагообразной траектории в активном элементе,что обеспечивает малую расходимость лазерного пучка только в одной плоскости. Недостатками этого устройства являются принципиальная невозможность коллимации лазерного пучка в двух ортогональных плоскостях, большие потери излучения генерации на усиленную люминесценцию между двумя параллельными боковыми гранями, приводящие к уменьшению выходной мощности лазера, а также неэффективность энергосъема со всего объема активного элемента, связанная с принципиально небольшим числом проходов лазерного излучения по активному элементу, ограничиваемых большим углом полного внутреннего отражения от боковых граней. Кроме того, устройство недостаточно компактно, поскольку эффективная длина пути генерируемого излучения в активном элементе может лишь враз( - показатель преломления материала активного элемента) превышать рабочую длину активного элемента, что является принципиальным препятствием при создании малогабаритных лазеров, особенно при малых коэффициентах усиления активного элемента. Задачей данного изобретения является создание малогабаритного компактного твердотельного лазера, обладающего существенно большей длиной прохода лазерного излу 2 7237 1 2005.09.30 чения по активному элементу, что увеличивает энергосъем со всего объема активного элемента и позволяет использовать для создания лазеров активные вещества с относительно небольшими коэффициентами усиления и интенсивностью насыщения, возможностью применения как поперечной, так и продольной накачки активного элемента, имеющего узкую диаграмму направленности в двух ортогональных плоскостях и улучшенную однородность распределения излучения по сечению пучка. Для решения поставленной задачи авторами был создан твердотельный лазер, включающий активный элемент в форме призмы и резонатор, зеркалами которого являются плоские грани активного элемента. Новым, по мнению авторов, является то, активный элемент выполнен в виде трехгранной призмы, усеченной непараллельно основанию, причем плоскость непараллельного сечения расположена под угломк ребру призмы, образованному двумя боковыми гранями, расположенными под углом 90 друг к другу и к основанию призмы, и составляющему уголс третьей боковой гранью, при этом поперечные сечения активного элемента имеют вид равнобедренных прямоугольных треугольников с плавно изменяющимися длинами сторон вдоль ребра призмы, расположенного перпендикулярно основанию,причем длина прохода луча по резонатору зависит от углови , отношение которых /- целое число, боковые грани призмы выполнены с покрытием с высоким коэффициентом отражения на частоте генерации лазера и с высоким коэффициентом пропускания излучения накачки, а плоскость непараллельного сечения выполнена с полупрозрачным для излучения генерации покрытием и является выходным зеркалом лазера. Предлагаемое устройство изображено на фигуре, где 1, 2 и 3 - боковые, а 4, 5 торцевые грани активного элемента, 6 - ребро, образованное пересечением граней 1 и 2. Торцевая грань 4, имеющая полупрозрачное для лазерного излучения покрытие, наклонена под угломк ребру 6 и является выходным зеркалом лазера, а полированная грань 5 перпендикулярна ребру 6. Грани 1-3 имеют покрытие с высоким коэффициентом отражения на частоте генерации лазера и высоким коэффициентом пропускания излучения накачки. Грань 3 с ребром 6 образует угол , при этом отношение углов / - целое число. Поперечные сечения активного элемента имеют вид равнобедренных прямоугольных треугольников с плавно изменяющимися длинами сторон вдоль длины ребра 6. На этом же чертеже показан ход одного из лучей в резонаторе активного элемента, распространяющегося от точки А грани 4 до точки Б грани 3 и обратно от точки Б до точки А. Оптическая накачка (например, с помощью лазерного диода) осуществляется через грани 1-3 или 5. Эти же грани используются для эффективного теплоотвода со всего объема активного элемента. Устройство работает следующим образом. Через грани 1, 2, 3 или 5 в активный элемент вводят излучение источника накачки, например, лазерного диода. Это излучение создает инверсную населенность уровней энергии примесных ионов (активаторов), введенных в основную матрицу активного элемента, и в нем возникает стимулированное когерентное электромагнитное излучение на вынужденных переходах этих ионов. Падая на грань 4 под прямым углом, оно отражается от нее и распространяется, попеременно отражаясь от каждой из боковых граней 1, 2 и 3, усиливаясь за счет вынужденного испускания при его распространении через активный элемент. После некоторого числа отражений от граней 1-3, которое определяется угламии , угол падения излучения на грань 3 становится равным нулю, происходит его отражение от грани 3 и распространение в активном элементе в обратном направлении до грани 4. Затем цикл повторяется. Если число 1/ - четное, то пути распространения излучения в активном элементе от грани 4 до нормального отражения от грани 3 и обратно совпадают, в случаенечетного они симметричны в активном элементе. Варьируя углыи , можно изменять число отражений от граней 1-3 тем самым можно получить полную длинупути одного прохода луча 3 7237 1 2005.09.30 по такому резонатору, намного превышающую его рабочую длину . В соответствии с соотношением при достаточно малых величинахмогут быть реализованы значения(210). Это позволяет примерно в / раз уменьшить длину активного элемента, а следовательно и габариты лазера. Использование граней активного элемента в качестве отражателей резонатора лазера повышает его компактность и виброустойчивость. Распространение лазерного излучения в активном элементе по зигзагообразному пути в двух ортогональных плоскостях позволяет минимизировать влияние термических искажений и неоднородностей активного элемента, обеспечить малую расходимость пучка излучения в этих плоскостях, повысить однородность распределения излучения по сечению пучка, то есть качество пучка. Предлагаемая конструкция дает возможность эффективно использовать поперечную и продольную накачку активного элемента, что позволяет повысить мощность накачки и однородность ее распределения в активном элементе, энергосъем с единицы объема активного элемента и мощность лазерного излучения. Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет создать компактный твердотельный лазер, обладающий высоким качеством пучка при возможности использования в качестве активного элемента твердотельных веществ с небольшими коэффициентом усиления и интенсивностью насыщения. Источники информации 1.,. -. -- , 1992. - . 79, 425. 2.,.,, 1992. - . 132-142. 3. Бойко Б.Б., Н Петров.С., Валявко В.В., Вашкевич И.М. ЖПС. - Т. 7. - Вып. 2, 1968. С. 351-353. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4