Лазер с диодной накачкой

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Безъязычная Татьяна Владимировна Богданович Максим Владимирович Жуков Олег Николаевич Кабанов Владимир Викторович Красковский Андрей Сергеевич Пожидаев Александр Викторович Рябцев Андрей Геннадьевич Рябцев Геннадий Иванович Щемелев Максим Анатольевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Лазер с диодной накачкой, состоящий из твердотельного активного элемента и пассивного затвора, помещенных в резонатор, образованный двумя зеркалами, одно из которых полностью, а второе частично отражает лазерное излучение, и модулей диодной накачки, отличающийся тем, что диодная накачка лазера осуществлена в поперечной схеме, содержит фотоприемное устройство, расположенное на расстоянии, достаточном для фиксации одиночного лазерного импульса, источник питания модулей диодной накачки и блок управления, через который фотоприемное устройство подключено к источнику питания модулей диодной накачки. 2. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что материал, из которого изготовлен твердотельный активный элемент, относится к классу кристаллов, или стекол, или керамических,или стеклокристаллических материалов, активированный ионами редкоземельных металлов. 55082009.08.30 3. Лазер по п. 1 или 2, отличающийся тем, что твердотельный активный элемент выполнен в виде цилиндра, или параллелепипеда, или в слэб-конфигурации. 4. Лазер по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что материал, из которого изготовлен пассивный затвор, относится к классу жидкостей, или кристаллов, или стекол, или керамических, или стеклокристаллических материалов.(56) 1. Международная заявка 2005/101594, МПК 01 3/113, 3/098, 3/106, 2005. 2. Международная заявка 2007/064298, МПК 01 3/11, 3/113, 2007 (прототип). Полезная модель относится к области лазерной техники, более конкретно к твердотельным лазерам с диодной накачкой, а также к устройствам управления параметрами лазерного излучения, и может найти применение при разработке лазеров для дальнометрии,лазерных систем передачи информации, научных исследований. Известен лазер с ламповой накачкой, состоящий из твердотельного активного элемента и пассивного затвора, помещенных в резонатор. Резонатор образован зеркалами, одно из которых полностью, а другое частично отражает лазерное излучение 1. Вне резонатора на определенном расстоянии от пассивного затвора расположен лазерный диод, длина волны излучения которого совпадает с полосой поглощения пассивного затвора. Для передачи излучения диода в пассивный затвор используется фокусирующая система. Использование дополнительной подсветки позволяет осуществлять управление временем просветления пассивного затвора, а следовательно, и выходными характеристиками самого лазера. Регулировка амплитуды и частоты излучения лазерного диода дает возможность управлять соответствующими лазерными параметрами при определенном согласовании всех характеристик системы. Недостатком данной системы является внешняя сложность и громоздкость конструкции, зависимость от внешних параметров (температуры, давления и т.п.), отсутствие четкого контроля за параметрами выходного излучения лазера. Наиболее близким по технической сущности является лазер с системой продольной диодной накачки, состоящий из твердотельного активного элемента и пассивного затвора,помещенных в резонатор, образованный зеркалами, одно из которых полностью, а другое частично отражает лазерное излучение 2. Оптическая накачка осуществляется в продольной схеме с помощью квазинепрерывного лазерного диода или диодной матрицы с волоконным выводом излучения. Излучение накачки в данном лазере вводится через глухое зеркало, прозрачное на длине волны накачки и полностью отражающее на длине волны генерации, посредством оптической системы, состоящей из фокусатора либо оптоволокна с фокусатором. На определенном расстоянии от резонатора лазера расположен фотодиод, фиксирующий появление одиночных лазерных импульсов. После того как фотодиод зарегистрирует появление лазерного импульса, на блок питания элементов накачки подается выключающий сигнал. Недостатками такой системы являются сложность изготовления зеркала, через которое осуществляется накачка, сложность доставки излучения накачки в активный элемент, недостаточная компактность всей системы, невозможность достижения высоких уровней мощности выходного пучка. Задачей полезной модели является создание мощного компактного лазера с диодной накачкой и пассивной модуляцией добротности с возможностью автоматического управления частотой, количеством и амплитудой выходящих подряд лазерных импульсов. Для решения поставленной задачи авторами был создан лазер с диодной накачкой, состоящий из твердотельного активного элемента и пассивного затвора, помещенных в резонатор, образованный двумя зеркалами, одно из которых полностью, а второе частично отражает лазерное излучение, и модулей диодной накачки, диодная накачка лазера осуще 2 55082009.08.30 ствлена в поперечной схеме, лазер содержит фотоприемное устройство, расположенное на расстоянии, достаточном для фиксации одиночного лазерного импульса, источник питания модулей диодной накачки и блок управления, через который фотоприемное устройство подключено к источнику питания модулей диодной накачки. Материал, из которого изготовлен твердотельный активный элемент лазера с диодной накачкой, относится к классу кристаллов, стекол, керамических и стеклокристаллических материалов. В качестве активатора выступают ионы редкоземельных элементов. Твердотельный активный элемент лазера с диодной накачкой выполнен в виде цилиндра, параллелепипеда, в слэб-конфигурации. В лазере с диодной накачкой материал, из которого изготовлен пассивный затвор, относится к классу жидкостей, кристаллов, стекол, керамических и стеклокристаллических материалов. Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена структурная схема лазера с диодной накачкой. На фиг. 2 изображен принцип работы лазера в виде графиков. На фиг. 3 изображена схема экспериментальной установки. Предлагаемый лазер с диодной накачкой состоит из активного элемента 1, накачиваемого модулями диодной накачки 2. В резонатор, образованный глухим зеркалом 3 и выходным зеркалом 4, также помещен пассивный затвор 5. На расстоянии, достаточном для четкой регистрации появления лазерного импульса, расположено фотоприемное устройство 6. Фотоприемное устройство 6 через блок управления 7 соединено с источником питания 8 модулей диодной накачки 2. Элементы 6, 7, 8 представляют собой схему управления и контроля. Модули диодной накачки могут иметь различные варианты исполнения - линейки лазерных диодов, лазерные диодные матрицы и т.п. Материал, из которого изготовлен активный элемент лазера, может относиться к классу кристаллов,стекол, керамических и стеклокристаллических материалов, легированных ионами редкоземельных элементов, и иметь форму цилиндра, параллелепипеда или быть выполненным в слэб-конфигурации. Материал, из которого изготовлен пассивный затвор, может относиться к классу жидкостей, кристаллов, стекол, керамических и стеклокристаллических материалов, легированных ионами редкоземельных элементов. На фиг. 2 (а), (в) показаны зависимости мощности Р накачки от временидо и после включения контура управления и контроля для случая генерации одиночного импульса, а соответствующие им временные зависимости интенсивности лазерного излученияизображены на фиг. 2 (б), (г). Экспериментальный образец (фиг. 3) включал активный элемент 1 на основе боросиликофосфатного стекла, соактивированного ионами эрбия (Е 3) и иттербия (3) в форме параллеллепипеда 2530 мм. Оптическая накачка активного элемента производилась с двух сторон активного элемента лазерными диодными линейками 2 (по три диодные линейки длиной 10 мм с каждой стороны). Линейки были расположены симметрично по обе стороны от активного элемента таким образом, что центральная ось активного элемента и активный слой диодных линеек лежат в одной плоскости, при этом выходные грани линеек параллельны между собой. В резонатор, образованный глухим зеркалом 3 и выходным зеркалом 4 с коэффициентом отражения 0,7 на длине волны генерации был помещен пассивный затвор 5 на основе кристалла шпинели, легированного кобальтом(24) размером 441,7 мм. На расстоянии, достаточном для четкой регистрации появления одиночного лазерного импульса, было расположено скоростное фотоприемное устройство 6, чувствительное на длине волны генерации. Фотоприемное устройство было соединено через блок управления 7 с устройством питания 8 с лазерными диодными линейками 2. Предлагаемый лазер работает следующим образом. Излучение лазерных диодных линеек через боковые поверхности попадает в активный элемент, это приводит к созданию инверсной населенности лазерных уровней энергии ионов эрбия. Рост инверсной населен 3 55082009.08.30 ности продолжается до тех пор, пока не происходит насыщение пассивного затвора. В результате насыщения затвора инверсная населенность сбрасывается и происходит генерация лазерного импульса. Затем снова происходит рост инверсной населенности в резонаторе. В зависимости от длительности импульса накачки может происходит генерация нескольких импульсов подряд. При помощи фотоприемного устройства и блока управления в зависимости от желаемого количества следующих подряд импульсов, их амплитуды и частоты осуществляется контроль и управление соответственно длительностью, амплитудой и частотой импульса накачки. При изменении внешних условий(например, нагрев активного элемента) происходит автоматическая подстройка на заранее выбранные характеристики выходного излучения. На фиг. 2 изображен принцип работы устройства для генерации одиночного лазерного импульса. Изначально длительность импульса накачки такова, что при заданных параметрах лазера происходит генерация пяти следующих подряд импульсов. Для обеспечения заданных условий после генерации одиночного импульса блок управления направляет сигнал на источник питания модулей диодной накачки, и импульс излучения накачки обрезается. При изменении внешних условий длительность импульса накачки, при которой происходит генерация одиночного лазерного импульса, может меняться. Соответственно блок управления обрезает импульс накачки раньше или позже. Таким образом, предложенный лазер позволяет вне зависимости от внешних условий поддерживать заданные параметры лазерного излучения. Это позволяет автоматически контролировать выходные параметры лазерного излучения при изменении внешних условий (температуры, давления и т.п.), что дает выигрыш в эффективности, позволяет увеличить ресурс работы всей системы. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4