Жидкостный лазер с оптической накачкой

(51)01 3/05 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявители Государственное научное учреждение Институт молекулярной и атомной физики Национальной академии наук Беларуси Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Жуковский Виктор Владимирович Некрашевич Ярослав Ильич(73) Патентообладатели Государственное научное учреждение Институт молекулярной и атомной физики Национальной академии наук Беларуси Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Жидкостный лазер с оптической накачкой, содержащий резонатор, образованный двумя плоскими боковыми стенками (1, 2) кюветы, заполненной раствором активной среды(7), с высокоотражающими для излучения лазерной генерации зеркальными покрытиями(8, 9) на поверхности каждой из них, отличающийся тем, что две указанные стенки установлены под угломдруг к другу, торцевая стенка (5) кюветы, установленная под угломк стенке (2), выполнена с полупрозрачным для излучения лазерной генерации покрытием (10) на поверхности, боковые (3, 4) и торцевая (6) стенки кюветы выполнены с возможностью осуществления через них оптической накачки, причем углыисвязаны с числомотражений лазерного луча от отражающих покрытий до момента первого обратного отражения от одного из них выражением/- 1,при этом боковые (1, 2) и торцевая (5) стенки кюветы, внешние плоские поверхности которых параллельны внутренним, выполнены из прозрачного для излучения генерации, а боковые (3, 4) и торцевая (6) стенки кюветы - из прозрачного для излучения накачки материала. 9071 1 2007.04.30 Предлагаемое изобретение относится к области квантовой электроники и лазерной физики и может найти применение при разработке лазеров с активными веществами на растворах органических соединений или других химических элементов, в научных исследованиях, технике, медицине и т.д. Известен жидкостный лазер на красителе с поперечной лазерной накачкой, содержащий резонатор, образованный двумя зеркалами, одно из которых имеет высокий коэффициент отражения на длине волны излучения лазера, а второе частично прозрачно для этого излучения, и активную среду в виде раствора, помещенную в кювету, расположенную между зеркалами на оптической оси резонатора 1. Недостатком данного лазера является неоднородность распределения интенсивности лазерного излучения по сечению пучка. Известен также жидкостный лазер на красителе с ламповой накачкой, резонатор которого образован двумя выносными зеркалами, в котором, как и в лазере 1, кювета с раствором красителя расположена на оптической оси резонатора 2. Недостатком данного лазера является невозможность осуществления равномерного по всему объему лазерной кюветы нагрева жидкости при поглощении излучения накачки, что приводит к ее значительной оптической неоднородности, а следовательно, и к неоднородности распределения лазерного излучения по сечению пучка и увеличению его расходимости. Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому изобретению является жидкостный лазер с оптической накачкой 3, который содержит резонатор и активную среду. Кювета с красителем имеет планарную конфигурацию, позволяющую повысить однородность возбуждения всего объема раствора с красителем и улучшить условия его охлаждения. Это, а также использование резонатора типа -, в котором лазерное излучение распространяется практически ортогонально направлению накачки, позволяет существенно уменьшить влияние термооптических эффектов в растворе красителя на качество пучка излучения лазера. Основными недостатками данного устройства являются ограничение мощности накачки из-за ее невысокой однородности, большие потери излучения генерации на усиленную люминесценцию между двумя боковыми стенками кюветы, а также неэффективность энергосъема со всего объема раствора с красителем, обусловленная принципиально небольшим числом проходов лазерного излучения в растворе с красителем, ограничиваемым большим углом полного внутреннего отражения излучения от боковых стенок кюветы кроме того, устройство сложно технически и недостаточно компактно. Задачей предлагаемого изобретения является создание компактного жидкостного лазера с высокой мощностью и однородностью накачки, приводящими к увеличению выходной мощности генерации, повышению качества пучка излучения, и позволяющего увеличить эффективную длину прохода лазерного излучения по активной среде, что дает возможность использовать в качестве активных сред растворы веществ с относительно небольшими коэффициентами усиления и интенсивностью насыщения. Для выполнения поставленной задачи авторами был создан жидкостный лазер с оптической накачкой, содержащий резонатор, образованный двумя плоскими боковыми стенками (1, 2) кюветы, заполненной раствором активной среды (7), с высокоотражающими для излучения лазерной генерации зеркальными покрытиями (8, 9) на поверхности каждой из них (фиг. 1-3). Новым, по мнению авторов, является то, что две указанные стенки установлены под угломдруг к другу, торцевая стенка (5) кюветы, установленная под угломк стенке (2),выполнена с полупрозрачным для излучения лазерной генерации покрытием (10) на поверхности, боковые (3, 4) и торцевая (6) стенки кюветы выполнены с возможностью осуществления через них оптической накачки, причем углыисвязаны с числомотражений лазерного луча от отражающих покрытий до момента первого обратного отражения от одного из них выражением 9071 1 2007.04.30 при этом боковые (1, 2) и торцевая (5) стенки кюветы, внешние плоские поверхности которых параллельны внутренним, выполнены из прозрачного для излучения генерации материала, а боковые (3, 4) и торцевая (6) стенки кюветы - из прозрачного для излучения накачки материала. Предлагаемое устройство изображено на фиг. 1, 2 и 3, где фиг. 1 показывает вид жидкостного лазера спереди, фиг. 2 - слева и фиг. 3 - сверху. Жидкостный лазер содержит кювету, образованную герметически или на оптическом контакте соединенными плоскопараллельными боковыми (1-4) и торцевыми (5-6) стенками, заполненную жидкой активной средой (7). Все стенки кюветы выполнены из материалов, прозрачных в спектральных областях лазерного излучения и излучения накачки. В качестве активных сред могут быть использованы растворы различных органических или неорганических химических веществ (активаторов), например молекул красителей, комплексов редкоземельных элементов и т.д. Ортогональные стенкам (2, 3, 4) кюветы поперечные сечения активной среды в направлении длины кюветы имеют вид прямоугольников с плавно меняющимися размерами сторон на боковых стенках (3, 4). Резонатор жидкостного лазера образован двумя противолежащими боковыми плоскопараллельными стенками (1, 2), имеющими высокоотражающие для излучения генерации зеркальные покрытия (8, 9) и наклоненными под угломдруг к другу, и третьей плоскопараллельной торцевой стенкой (5), имеющей полупрозрачное для излучения генерации зеркальное покрытие (10) и расположенной под угломк боковой стенке (2). В варианте жидкостного лазера, представленном на фиг. 1-3, зеркальные покрытия (8, 9, 10), отражающие лазерное излучение, нанесены на внутренние поверхности стенок (1, 2, 5) кюветы, однако в случае использования жидких активных сред, приводящих к разрушению отражающих покрытий, последние наносятся на внешние поверхности стенок (1, 2, 5) кюветы. В случае необходимости прокачки жидкой активной среды, например при работе лазера с высокой частотой повторения импульсов, в боковых стенках кюветы могут быть сделаны отверстия для подключения к проточной системе. Оптическая накачка активной среды (например, с помощью газоразрядных импульсных ламп или лазерных источников излучения) осуществляется через стенки (3, 4 или 6) кюветы. Теплоотвод со всего объема активной среды в зависимости от конфигурации использования и свойств источника накачки осуществляется через стенки (1-4, 6) или прокачкой активной среды в кювете. Устройство работает следующим образом. Через стенки (3, 4 или 6) кюветы в жидкую активную среду (7), содержащую ионы, молекулы или комплексы вещества активатора,например молекулы красителя родамина 4 С (активатор), растворенные в этиловом спирте 1, вводят излучение от внешнего источника, например излучение 2-й гармоники лазера на неодимовом стекле (0,53 мкм) 1, для оптической накачки вещества активатора. Излучение накачки поглощается ионами, молекулами или комплексами (активаторами) в растворе и создает в них инверсную заселенность энергетических уровней. В результате вынужденных переходов между этими уровнями в активной среде жидкостного лазера возникает генерация когерентного электромагнитного излучения (например, в лазере на красителе родамина 4 С в этиловом спирте генерация осуществляется в спектральном диапазоне 588-606 нм). Начиная от выходного зеркала (10) световой луч распространяется в кювете, попеременно отражаясь от каждого из боковых зеркал (8, 9) (с уменьшением угла падения после каждой пары отражений на 2) и усиливаясь за счет вынужденного испускания при его распространении в активной среде (7). Ход светового луча в активной среде (7) изображен пунктирной линией на фиг. 1. Послеотражений угол падения луча на одно из высокоотражающих зеркал (8 или 9) становится равным нулю, происходит обратное отражение и самовоспроизведение всего пути распространения вплоть до исходной точки на зеркале(10). Варьируя углыи , можно изменять число проходовтем самым можно получить полную длинупути одного прохода луча по такому резонатору, намного превышающую рабочую длинуактивной среды, отношение / определяется выражением 3/При достаточно малых величинахмогут быть реализованы значения (210), что приводит к более полному по сравнению с прототипом 3 использованию энергии, накопленной внутри жидкой активной среды, и повышению компактности жидкостного лазера, а также позволяет использовать жидкие активные среды с малыми коэффициентами усиления и интенсивностью насыщения. Заметим при этом, что в устройстве 3 отношение / невелико, оно ограничено величиной показателя преломленияматериала стенки кюветы /. В предложенной конструкции существенно улучшается энергосъем со всего объема активной среды и легко решается проблема ввода излучения накачки, при этом площадь зоны накачки может охватывать всю поверхность сторон (3, 4 и 6) кюветы. Сохраняются и основные преимущества прототипа - использование планарной конфигурации активного элемента обеспечивает высокую эффективность теплоотвода, что в сочетании с зигзагообразным распространением генерируемого излучения в активной среде практически ортогонально направлению излучения накачки позволяет минимизировать влияние термооптических искажений. Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет создать компактный жидкостный лазер, обладающий высокой однородностью и мощностью накачки, приводящими к увеличению мощности генерируемого излучения, и обеспечивающий увеличение эффективной длины прохода лазерного излучения в активной среде, что дает возможность использовать жидкие активные среды с небольшими коэффициентом усиления и интенсивностью насыщения. Источники информации 1. Бураков В.С., Самсон А.М., Жуковский В.В., Исаевич А.В. Журнал прикладной спектроскопии. - 1987. - Т.46. -6. - С. 912 - 917. 2. Шеффер Ф.П. Принципы действия лазеров на красителях. В кн. Лазеры на красителях / Под ред. Ф.П. Шефера. - М. Мир, 1976. - С. 75 - 79. 3..,. . . - 1996. - . 32. - 3. - . 378 - 382. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4