Непрерывный компактный твердотельный ВКР-лазер (варианты)

(51)01 3/30 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ НЕПРЕРЫВНЫЙ КОМПАКТНЫЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ВКР-ЛАЗЕР(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Грабчиков Александр Степанович Демидович Александр Анатольевич Лисинецкий Виктор Александрович Орлович Валентин Антонович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Непрерывный компактный твердотельный лазер на вынужденном комбинационном рассеянии (ВКР-лазер), содержащий источник непрерывной лазерной накачки и резонатор, в котором находится ВКР-среда, образованный зеркалами, коэффициенты отражения которых оптимальны для генерации на длине волны ВКР-излучения, отличающийся тем,что содержит расположенную внутри резонатора дополнительную твердотельную лазерную активную среду, имеющую высокий коэффициент поглощения на длине волны излучения источника лазерной накачки и высокую эффективность преобразования излучения источника лазерной накачки в лазерное излучение, причем источник непрерывной лазерной накачки является источником накачки для лазерной среды, а зеркала резонатора выполнены с максимальными коэффициентами отражения на длине волны генерации лазерной среды и максимальными коэффициентами пропускания на длине волны лазерного источника накачки. 7778 1 2006.02.28 2. Непрерывный ВКР-лазер по п. 1, отличающийся тем, что источник лазерной накачки выполнен в виде лазерного диода. 3. Непрерывный ВКР-лазер по п. 1, отличающийся тем, что лазерная среда, расположенная внутри резонатора, выполнена в виде кристалла 34 или 3, или 3, или 3. 4. Непрерывный ВКР-лазер по п. 1, отличающийся тем, что ВКР-среда, расположенная внутри резонатора, выполнена в виде кристалла Ва(3)2 или 4, или . 5. Непрерывный ВКР-лазер по п. 1, отличающийся тем, что твердотельная лазерная среда одновременно является ВКР-средой. 6. Непрерывный ВКР-лазер по п. 1, отличающийся тем, что резонатор содержит дополнительное сферическое зеркало, расположенное под углом 30-60 к оптической оси резонатора, высокоотражающее на длине волны генерации лазерной среды и длине волны ВКР-излучения, причем выходное зеркало ВКР-лазера и дополнительное зеркало выполнены с такими радиусами кривизны, что генерируемая в резонаторе лазерной активной средой пространственная мода излучения имеет перетяжку в ВКР-среде. 7. Непрерывный ВКР-лазер по п. 1 или п. 5, отличающийся тем, что резонатор является кольцевым. 8. Непрерывный ВКР-лазер, содержащий источник непрерывной лазерной накачки и резонатор, в котором находится ВКР-среда, образованный зеркалами, коэффициенты отражения которых оптимальны для генерации на длине волны ВКР-излучения, отличающийся тем, что содержит расположенную внутри резонатора дополнительную твердотельную лазерную активную среду, имеющую высокий коэффициент поглощения на длине волны излучения источника лазерной накачки и высокую эффективность преобразования излучения источника лазерной накачки в лазерное излучение, причем источник непрерывной лазерной накачки является источником накачки для лазерной среды и расположен с боковой стороны лазерной среды, а зеркала резонатора выполнены с максимальными коэффициентами отражения на длине волны генерации лазерной среды. 9. Непрерывный ВКР-лазер по п. 8, отличающийся тем, что источник лазерной накачки выполнен в виде лазерного диода. 10. Непрерывный ВКР-лазер по п. 8, отличающийся тем, что лазерная среда, расположенная внутри резонатора, выполнена в виде кристалла 34 или 3,или 3, или 3. 11. Непрерывный ВКР-лазер по п. 8, отличающийся тем, что ВКР-среда, расположенная внутри резонатора, выполнена в виде кристалла Ва(3)2 или 4, или . 12. Непрерывный ВКР-лазер по п. 8, отличающийся тем, что твердотельная лазерная среда одновременно является ВКР-средой. 13. Непрерывный ВКР-лазер по п. 8, отличающийся тем, что резонатор содержит дополнительное сферическое зеркало, расположенное под углом 30-60 к оптической оси резонатора, высокоотражающее на длине волны генерации лазерной среды и длине волны ВКР-излучения, причем выходное зеркало ВКР-лазера и дополнительное зеркало выполнены с такими радиусами кривизны, что генерируемая в резонаторе лазерной активной средой пространственная мода излучения имеет перетяжку в ВКР-среде. 14. Непрерывный ВКР-лазер по п. 8 или п. 12, отличающийся тем, что резонатор является кольцевым. Изобретение относится к области лазерной техники, в частности к непрерывным лазерам (лазерам, генерация в которых осуществляется в процессе вынужденного комбинационного рассеяния- ), и может быть применено в нелинейной оптике, аналитической спектроскопии, оптическом приборостроении, медицине, экологии, оптических коммуникационных системах, в системах лазерного анализа состава атмосферы и т.д. 2 7778 1 2006.02.28 является широко распространенным методом преобразования частоты лазерного излучения в новые спектральные области. Разнообразие комбинационно активных (или так называемыхрамановских) сред в сочетании с различными по частоте лазерами накачки позволяет получать излучение, в том числе перестраиваемое, в диапазоне от УФ до ИК области спектра. Сложность, однако, состоит в том, что сечение двухфотонных оптических процессов, к которым относится комбинационное рассеяние, весьма мало (кр 10-30 см-1), и это, в свою очередь, приводит к низкому коэффициенту усиления . Типичные значения коэффициентов усилениясоставляют 1-3 смГВт-1 для газообразных и жидких комбинационно активных сред и 3-50 смГВт-1 для комбинационно активных кристаллов. Вследствие этого для достижения порога возбуждениятребуется применение либо очень высоких интенсивностей накачки, либо активных сред большой длины 1. В настоящее время, как правило, все компактные твердотельные -лазеры являются импульсными излучателями, в которых высокая плотность мощности на частоте, преобразуемой в процессе , достигается за счет использования мощных лазерных импульсов с длительностями менее 200 нс 2. Проблемой является создание непрерывных компактных полностью твердотельных эффективных источников лазерного излучения, генерирующих в нужных спектральных областях, что позволило бы более широко использовать их, например, в аналитической спектроскопии, в частности, в системах лазерного анализа состава атмосферы с целью выявления загрязнений. Генерация в непрерывном режиме может быть достигнута в -лазерах с комбинационно активной средой в виде оптического волокна. В этом случае необходимое усиление достигается за счет большой (десятки метров) длины взаимодействия лазерного излучения накачки с -активной средой и малого (несколько микрометров) диаметра волокна, позволяющего увеличить в нем плотность мощности накачки. Известно устройство, генерирующее непрерывное -излучение в резонаторе,включающем в себя твердотельное оптическое волокно 3. Устройство состоит из источника непрерывной лазерной накачки, резонатора, образованного выходным зеркалом лазера накачки и высокоотражающим зеркалом и включающего в себя стеклянное оптическое волокно, являющееся ВКР-средой, и оптических средств выведения -излучения из резонатора. Для эффективного введения излучения накачки в оптическое волокно используются микрообъективы (например, 20 х), состыкованные с оптическим волокном. Оптическое волокно имеет низкие потери (менее 50 дБ/км) и длину - несколько десятков метров. Недостатком устройства является необходимость использования в качестве источника накачки лазера с низкой расходимостью для эффективного введения излучения накачки в волокно и относительно большие размеры устройства, связанные с использованием длинной комбинационно активной среды. Наиболее близким к заявляемому лазеру в обоих вариантах является непрерывный-лазер с высокодобротным резонатором 4. Устройство содержит источник непрерывной лазерной накачки и перестраиваемый с помощью пьезоэлемента внешний (по отношению к источнику лазерной накачки) резонатор, образованный высокоотражающими зеркалами, обеспечивающими резкость создаваемого интерферометра Фабри-Перо более 50 000. Резонатор содержит -среду, в частности молекулярный водород. Получение непрерывной -генерации в таком устройстве достигается за счет накопления излучения поля накачки в высокодобротном резонаторе, который с помощью пьезоэлемента настраивается таким образом, что длины волн как накачки, так и -излучения являются для него резонансными. При этом возникают условия для эффективного преобразования энергии накачки в энергию -излучения. Недостатком устройства является высокая сложность его технической реализации, связанная с особой технологией нанесения высокоотражающих (99,995 ) зеркальных покрытий и необходимостью поддержания оптической длины резонатора с субмикронной точностью. 3 7778 1 2006.02.28 Задачей предлагаемого изобретения является создание непрерывного компактного технологически простого в изготовлении полностью твердотельного -лазера. Задача решается в двух вариантах следующим образом. В первом варианте -лазер, содержащий непрерывный источник лазерной накачки и резонатор, в котором находится -среда, содержит расположенную внутри резонатора дополнительную твердотельную лазерную среду, причем зеркала резонатора имеют максимально высокие коэффициенты отражения на длине волны генерации лазерной среды и оптимальные на длине волны -излучения, а также максимально высокие коэффициенты пропускания на длине волны источника накачки. Лазерная среда, расположенная внутри резонатора, имеет высокий коэффициент поглощения на длине волны излучения источника лазерной накачки и высокую эффективность преобразования излучения источника лазерной накачки в лазерное излучение. Во втором варианте -лазер, содержащий непрерывный источник лазерной накачки и резонатор, в котором находится -среда, содержит расположенную внутри резонатора дополнительную твердотельную лазерную среду, причем источник лазерной накачки расположен с боковой стороны лазерной твердотельной среды, а зеркала резонатора имеют максимально высокие коэффициенты отражения на длине волны генерации лазерной среды и оптимальные на длине волны -излучения. Лазерная среда, расположенная внутри резонатора, имеет высокий коэффициент поглощения на длине волны излучения источника лазерной накачки и высокую эффективность преобразования излучения источника лазерной накачки в лазерное излучение. В обоих вариантах реализуется единый изобретательский замысел энергия источника лазерной накачки передается в дополнительную твердотельную лазерную среду. Для максимальной передачи энергии в первом варианте ВКР-лазера зеркала резонатора имеют максимально высокие коэффициенты пропускания на длине волны источника накачки, а во втором варианте зеркала между источником лазерной накачки и лазерной средой отсутствуют. Источник лазерной накачки предпочтительно является лазерным диодом. Лазерная среда, расположенная внутри резонатора, выбирается из кристаллов 34, 3, 3, 3.-среда, расположенная внутри резонатора, выбирается из кристаллов (3)2,4, . Твердотельная лазерная среда, расположенная внутри резонатора ВКР-лазера, может одновременно являться -средой. Резонатор -лазера может быть сложенным за счет введения в резонатор дополнительного сферического зеркала, расположенного под углом 30-60 к оптической оси резонатора. Резонатор ВКР-лазера может быть кольцевым. На фиг. 1 представлена основная схема предлагаемого -лазера в первом варианте исполнения. На фиг. 2-7 представлены иные возможные схемы предлагаемого ВКР-лазера в первом варианте исполнения. На фиг. 8 представлена основная схема предлагаемого -лазера во втором варианте исполнения. На фиг. 9 показан спектр излучения непрерывного -лазера, реализованного по первому варианту исполнения. На фиг. 10 приведен график зависимости выходной мощности непрерывного лазера, реализованного по первому варианту исполнения, от мощности накачки. Схема предлагаемого непрерывного компактного твердотельного технологически простого -лазера в первом варианте (фиг. 1) включает в себя лазерный диод 1 в качестве источника непрерывной лазерной накачки, оптическую фокусирующую систему 2 и 4 7778 1 2006.02.28 лазерную твердотельную активную среду 3 и твердотельную комбинационно активную среду 4, помещенные в резонатор, образованный входным зеркалом 5 и выходным зеркалом 6. Лазерный диод 1 и оптическая система 2 размещены со стороны входного зеркала 5. Лазерная активная среда 3 расположена за входным зеркалом 5 и имеет высокий коэффициент поглощения на длине волны излучения источника лазерной накачки 1 и высокую эффективность преобразования излучения источника лазерной накачки в лазерное излучение. Входное зеркало 5 является плоским. Выходное зеркало 6 является сферическим. Зеркала 5 и 6 расположены друг относительно друга так, что резонатор является полусферическим. Входное зеркало 5 выполнено с максимальным пропусканием на длине волны излучения лазерного диода 1 и максимальным отражением на длине волны генерации твердотельной лазерной среды 3 и на длине волны излучения -среды 4. Торцы лазерной активной среды 3 и комбинационно активной среды 4 имеют антиотражающие покрытия для длин волн генерации лазерной среды 3 и излучениясреды 4. Выходное зеркало 6 выполнено с максимальным отражением на длине волны генерации твердотельной лазерной среды 3 и оптимальным отражением на длине волны излучения -среды 4. Оптическая система 2 может быть заменена или дополнена оптическим волокном. Зеркало 5 может быть нанесено непосредственно на входной торец лазерной среды 3(фиг. 2). Зеркало 5 может быть нанесено непосредственно на входной торец лазерной среды 3,а зеркало 6 - на выходной торец комбинационно активной среды 4 (фиг. 3). Зеркала 5 и 6 в этом случае являются плоскими, а выходной торец лазерной среды 3 и входной торец-среды 4 - просветленными на длину волны генерации твердотельной лазерной среды и на длину волны -излучения. Зеркало 5 может быть нанесено непосредственно на входной торец лазерной среды 3,а зеркало 6 - на выходной сферический торец комбинационно активной среды 4 (фиг. 4). Выходной торец лазерной среды и входной торец -среды являются просветленными на длину волны генерации твердотельной лазерной среды и на длину волны -излучения. Лазерная активная среда 3, размещенная в резонаторе ВКР-лазера, может являться одновременно -средой, а резонатор может быть выполнен по одной из схем фиг. 1-4(см., например, фиг. 5). Резонатор -лазера может быть сложенным (фиг. 6). В этом случае зеркало 5 расположено перпендикулярно оптической оси лазерной активной среды 3, а зеркало 6 - перпендикулярно оптической оси комбинационно активной среды 4. Резонатор содержит дополнительное сферическое зеркало 7, расположенное под углом 30-60, в частности 45, к оптической оси лазерной среды, являющееся высокоотражающим для излучения с длиной волны генерации лазерной среды и -излучения. Зеркала 6 и 7 выполнены с такими радиусами кривизны, что генерируемая лазерной активной средой 3 пространственная мода излучения имеет перетяжку в -среде 4. Зеркала 5 и 6 могут быть выполнены как в виде отдельных элементов, так и нанесены на входной торец лазерной среды 3 и выходной торец комбинационно активной среды 4. Резонатор -лазера может быть кольцевым (фиг. 7). В этом случае резонатор образован зеркалами 8, 9, 10, расположенными под углами 30-60 к оптическим осям резонатора ВКР-лазера и являющимися высокоотражающими для излучения с длиной волны генерации лазерной среды. Зеркало 8 выполнено с максимальным пропусканием для длины волны источника лазерной накачки 1. Одно из зеркал (предпочтительно 9 или 10) имеет оптимальное пропускание на длине волны -излучения, а два других являются высокоотражающими для этой длины волны. Схема предлагаемого непрерывного компактного твердотельного технологически простого -лазера во втором варианте исполнения (фиг. 8) включает в себя лазерный диод 1 в качестве источника непрерывной лазерной накачки, оптическую фокусирующую 5 7778 1 2006.02.28 систему 2 и лазерную твердотельную активную среду 3, и твердотельную комбинационно активную среду 4, помещенные в резонатор, образованный зеркалом 5 и выходным зеркалом 6. Лазерный диод 1 с оптической фокусирующей системой 2 расположен с боковой стороны твердотельной лазерной среды 4. Лазерная активная среда 3 расположена за зеркалом 5 и имеет высокий коэффициент поглощения на длине волны излучения источника лазерной накачки 1 и высокую эффективность преобразования излучения источника лазерной накачки в лазерное излучение. Зеркало 5 является плоским. Выходное зеркало 6 является сферическим. Зеркала 5 и 6 расположены друг относительно друга так, что резонатор является полусферическим. Зеркало 5 выполнено с максимальным отражением на длине волны генерации твердотельной лазерной среды 3 и на длине волны излучения-среды 4. Торцы лазерной активной среды 3 и комбинационно активной среды 4 имеют антиотражающие покрытия для длин волн генерации лазерной среды 3 и излучениясреды 4. Выходное зеркало 6 выполнено с максимальным отражением на длине волны генерации твердотельной лазерной среды 3 и оптимальным отражением на длине волны излучения -среды 4. Оптическая система 2 может отсутствовать в этом случае выходное окно источника лазерной накачки находится в непосредственном контакте с твердотельной лазерной средой. В обоих вариантах заявляемый лазер функционирует следующим образом. Излучение лазерного диода 1 фокусируется оптической системой 2 в лазерную активную среду 3,помещенную в резонатор -лазера, образованный зеркалами 5 и 6, накачивая ее. Лазерная среда 3 генерирует на частоте рабочего перехода в непрерывном режиме. Генерируемое лазерной средой излучение возбуждает генерацию в -лазере. Внесение дополнительной генерирующей лазерной среды в резонатор для излучения и использование в резонаторе зеркал с максимальными коэффициентами отражения на длине волны генерации лазерной среды и оптимальными для -излучения позволяет создать в резонаторе ВКР-лазера высокую плотность мощности на длине волны генерации лазерной среды, достаточную для достижения порога -генерации. Предлагаемый непрерывный ВКР-лазер компактен и технологически прост в реализации, т.к. в отличие от прототипа 4 не требуется прецизионное поддержание оптической длины резонатора. При длине резонатора, составляющей несколько сантиметров, межмодовый спектральный диапазон, как правило, значительно меньше, чем ширина спектра испускания лазерной среды и ВКР-излучения. Поэтому при возникновении генерации лазерной среды происходит самосогласование частот генерации лазерной среды и ВКРсреды с резонансными модами резонатора. Генерация излучения лазерной средой может происходить на нескольких частотах, при этом, в отличие от прототипа, генерация излучения также будет осуществляться в многочастотном режиме. При размещении лазерной активной среды внутри резонатора -лазера происходит также самосогласование пространственных мод лазерного и -резонаторов, что улучшает эффективность преобразования энергии источника непрерывной лазерной накачки в энергию -излучения. Внесение внутрь резонатора -лазера дополнительной лазерной активной среды,генерация которой при первом варианте исполнения лазера всегда происходит на пространственной моде наинизшего порядка (ТЕМ 00), позволяет по сравнению с прототипом существенно снизить требования к спектральным и пространственным характеристикам излучения источника лазерной непрерывной накачки и использовать в этом качестве многомодовые лазерные диоды. Существенное снижение требований к отражающим покрытиям зеркал резонатора (не требуется достижения очень высоких коэффициентов отражения 99,995) также дополнительно упрощает технологию изготовления предлагаемого непрерывного -лазера по сравнению с прототипом. Можно привести следующий неограничивающий пример реализации настоящего изобретения. 6 7778 1 2006.02.28 Предлагаемый лазер реализован по схеме, приведенной на фиг. 2, в которой в качестве лазерной активной среды 3 использовался кристалл 4 с концентрацией ионов 3 1 ат.длиной 2 мм, вырезанный вдоль оптической оси . Кристалл 4 накачивался излучением лазерного диода 1 с длиной волны 0,808 мкм. Входное и выходное зеркала резонатора имели коэффициенты отражения 99,95 на длинах волн 1,064 мкм и 1,196 мкм. Входное зеркало было нанесено на входной торец кристалла 4 и имело максимальное пропускание для излучения лазерного диода на длине волны 0,808 мкм. Выходное зеркало являлось сферическим с радиусом кривизны 50 мм. Лазерная генерация кристалла 4 осуществлялась на длине волны 1,064 мкм в непрерывном режиме с одновременной -генерацией излучения на длине волны 1,196 мкм. В качестве комбинационно активной среды 4 использовался кристалл нитрата бария 3)2) длиной 35 мм. Выходная грань кристалла 4 и обе грани кристалла (3)2 были просветлены для длин волн 1,06 мкм и 1,196 мкм (остаточное отражение было не более чем 0,1 ). Геометрическая длина резонатора лазера составляла не более 40 мм. Максимальная мощность -излучения за выходным зеркалом -лазера составила 2 мВт при мощности лазерного диода 1 Вт. Спектр выходного излучения -лазера приведен на фиг. 9. Зависимость выходной мощности -излучения от мощности лазерного диода приведена на фиг. 10. Таким образом реализован компактный твердотельный непрерывный -лазер, при изготовлении элементов которого были применены стандартные технологии. Источники информации 1. Басиев Т.Т. Спектроскопия новых -активных кристаллов и твердотельные лазеры // Успехи физических наук. - Т. 169. -10. - С. 1149-1155, 1999. 2... - . . -., 1996. .10.3. - . 618-626. 3.1 115 395, МПК 01 3/07, 3/08, 1981. 4.6 151 337, МПК 01 3/30, 2000. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.