Квантрон твердотельного лазера

1681 А 1 СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 1 3 3/02 Н ИДЕТЕЛЬСТВ К АВТОРСКО ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ИСАНИЕ ИЗОБ(71) Институт общей физики АН СССР(56) Белостоцкий Б,Р. и др. Основы лазернойтехники. - . М.: Советское радио, 1972, с. 20.Данилов А.А. и др, Особенности поглощения излучения накачки и тепловыделенияв оптически плотных активных средах твердотельных лазеров. Препринт В 30, ИОФАН СССР. - М., 1988,ЯЬсЬегЬаКоа 1.А, Орс 1 са 11 у беме аст 1 четеб 1 а аког зоИбз 1 ате 1 азегз. - 1 ЕЕЕ,.1 оигпа оГ,Ооапт. Е 11988 ч. ОЕ, й 6, р. 979-984.КоесЬпег ЧЧ. Зо 11 б-з 1 ате 1 азегепд 1 пеег 1 пд. Ярг 1 пдег - Чег 1 ад, Иеа УойНе 1 бе Ьегд - Вег 1 и. 1976, рис. 6.40(А). КВАНТРОН ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕИзобретение относится к квантовой электронике, в частности к твердотельным лазерам, и может быть использовано в конструкциях высокоэффективных лазеров на основе концентрированных активных сред.Известен квантрон твердотельного лазера, содержащий цилиндрический отражатель, в котором размещены параллельно его продольной оси активный элемент.и лампа накачки (плОтная упоковка).Наиболее близким к изобретению является квантрон. твердотельного лазера, содержащий цилиндрический отражатель, в котором размещены параллельно и симмет(57) Изобретение относится к квантовойэлектронике, высокоэффективным твердотельным лазерам с однородным распределением интенсивности по сечению пучка.Цель - улучшение однородности распределения интенсивности по сечению пучка вы. ходного излучения лазера. Для этогопредлагаемый квантрон содержит осветитель с цилиндрической отражающей поверхностью, лампу каначки и твердотельныйактивный элемент цилиндрической формы,расположенные симметрично продольнойоси осветителя так, что линии, соединяю- .щие точки пересечения продольных осейсимметрии активного элемента и лампы накачки плоскостями, перпендикулярнымипродольной оси осветителя и проходящимийчерез его торцы, развернуты одна относительно другой на угол ух 2 агссофА,э ++Влн)84, где Яо - расстояние между продольными осями симметрии активного элемента и лампы накачки на торцахосветителя; ВА.э, Влн - радиусы активного фэлемента и лампы накачки. 7 ил,еюй рично относительно его продольной оси ак- О тивный элемент цилиндрической формы и трубчатая лампа каначки.евинНедостатками известных квантронов являются неоднородность освещенности излучением лампы накачки различных уча- д стков поперечного сечения активного элемента и, как следствие, получение неоднородного распределения коэффициента усиления по сечению активного элемента. Это приводит к появлению неоднородности распределения интенсивности по сечению пучка выходного излучения лазера, 1721681Целью изобретения является улучшение однородности распределения интенсивности по сечению пучка выходногоизлучения лазера за счет усреднения распределения поглощения излучения накачки 5по длине активного элемента.Поставленная цель достигается тем, чтолампа накачки и активный элемент располагаются внутри осветителя так, что линии,соединяющие точки пересечения продольных осей симметрии активного элемента илампц накачки плоскостями, перпендикулярными продольной оси осветителя и проходящими через его торцы, развернутыодин по отношению к другому на угол р 15где Во - расстояние между продольнымиосями симметрии активного элемента илампы накачки на торцах осветителя; 20Вд,э, Вл,н - радиусы активного элемен-та и лампы накачки, соответственно.Сущность предлагаемого изобретениязаключается в следующем.В предлагаемом квантроне расстояние 25между активным элементом (АЭ), лампойнакачки и продольной осью симметрии осветителя изменяется на всей длине осветителя. При, этом, распределениепоглощенного излучения лампы накачки по 30сечению активного элемента изменяет своюформу при переходе по длине активногоэлемента от одного поперечного сечениякдругому. Кроме того, за счет взаимного наклона активного элемента и лампы накачки 35плоскость симметрии распределения поглощенного излучения накачки по сечению активного элемента поворачивается вокругпродольной оси активного элемента,По мере распространения вдоль активного элемента излучение проходит черезучастки активного элемента с отличающимися распределениями поглощенного излучения накачки (и, соответственно;плотностью инверсной населенности) как 45по форме, так и по углу поворота плоскости. симметрии. В результате происходитусреднение неоднородностей распределения поглощенного излучения накачки по длинеактивного элемента, Соответственно улучшается однородность распределения коэффициента усиления по сечению активногоэлемента и за счет этого однородность распределения интенсивности по сечению пучка выходного излучения лазера, так как они 5в первом приближении пропорциональныплотности энергии излучения накачки, поглощенного в области сечения активногоэлемента по пути распространения луча.Чем больше угол взаимного разворота активного элемента и лампы накачки, тем больше эффект усреднения. Наибольший предельный угол ограничен размерами отражателя, активного элемента и лампы накачки. Предельный угол, когда активный элемент и лампа накачки соприкасаются на их половинной длине, рассчитывается из . простых геометрических соображений и равен ъред = 2 агссоз ()Вд,э + Вл,нС увеличением спектрально среднего коэффициента поглощения излучения накачки, например путем увеличения концентрации ионов активатора, увеличивается неоднородность распределения поглощенной энергии излучения накачки и соответственно уменьшается однородность распределения коэффициента усиления по сечению активного элемента: Р -ЙЙмакск;,/ и б . макс п б 1. где Р Чд.э И Имакс =Ед.э соответственно средняя и максимальная плотность инверсной населенности в поперечном сечении активного элемента, усредненная по объему Чдэ и длинеА.э активного элемента; и - плотность инверсной населенности. Наибольшая неоднородность наблюдается в оптически плотных активных средах, характеризующихся высоким спектрально средним коэффициентом поглощения излучения накачки. Общепринятым критерием высокого коэффициента поглощения накачки в активном элементе (оптически плотные активные среды) является условиеПдАЗ 1 где бд.э = 2 ВА,э -диаметр активного элемента. Предлагаемое техническое решение обеспечивает значительный положительный эффект для оптически плотных сред;1,2 - 1,5 где Р (р =Ъред) И Р(р = 0) - коэффициенты характеризующие однородность рас- пределения коэффициента усиления Р при О = фпред и= 0;При малых значениях коэффициента поглощения ( а бд.э (1) часть излучения лампы накачки проходит через активный элемент, не поглотившись, затем после одного или нескольких переотражений ототражающей поверхности осветителя попадает опять в АЭ. За счет двух и более проходов излучения накачки через АЭ подразными углами и через разные области происходит улучшение однородности накачкиОднако и в этомслучае предлагаемое техническое решение дает положительный эффект, но несколько меньший:Отражающая поверхность цилиндрического осветителя может быть любой, но для увеличения его эффективности (КПД) при сохранении эффекта улучшения однородности распределения коэффициета усиления и интенсивности выходного излучения осветитель может быть выполнен с отражающей поверхностью и нецилиндрической формы,На фиг. 1 приведен квантрон твердотельного лазера с круговым цилиндрическим осветителем и скрещенными друг относительно друга и продольной оси осветителя активным элеменом и лампой накачки; на фиг, 2 - распределение плотности инверсной населенности Й в поперечном сечении активного элемента ИСГГ; Сг, Йбб.усредненное по длине АЭ для известного квантрона; на фиг. 3 - то же, для предлагаемого квантрона; на фиг, 4 - зависимость коэффициента однородности Р распределения коэффициента усиления от угла р для АЭ из кристалла ИСГГ: Мб, Сг; на фиг, 5 - распределение интенсивности по сечению пучка выходного излучения ИСГГ; Сг, Иб .лазера при использовании извф.стного кван- трона; на фиг, 6 - то же для предлагаемого квантрона; на фиг, 7 - зависимость энергии импульсов излучения ИСГГ: Сг, Мб лазера Ог от энергии накачки С 4 для известного и предлагаемого квантрона при р = 90 град.Квантрон твердотельного лазера (фиг,1) содержит осветитель 1 цилиндрической формы, в котором размен ены активный элемент 2 и лампа 3 накачки, Активный элемент 2 и лампа 3 накачки расположены осесимметрично продольной оси симметрии осветителя а - а. Продольнь:е ос симметрии активного элемента б - б и лампы накачки в - в наклонены друг по отношению к другу и продольной оси осветителя а - а так, что линии б 1 - в 1 и б 2 - в 2, соединяющие точки пересечения продольньх осей симметрии активного элемента и лампы накачки плоскостями -и- . , перпендикулярными продольной оси осветителя и проходящими через его торцы, развернуты друг по отношению к друу на угол оПредлагаемое устройство квантронатвердотельного лазера работает следующим образом.Излучение лампы 3акачкс помощьюотражающей поверхности осветителя на 15 20 25 30 40 тивный элементРОх 80 мм из кристалла иттрий-алюминиевого граната, активированного ионами неоима Кб (АИГ:Йб).с концентрацией 0,6 10 см . Такой кристалл 45 АИГ:чб обладает типично низким коэффициентом поглощения адиг = 0,2 см, а так 50 лучателя И 3-25. 55 5 10 правляется в активный элемент 2 фиг, 1), Активный элемент поглощает излучение лампы накачки, причем распределение поглощенной в нем световой энергии распределяется по его сечению неравномерно. За счет взаимного наклона продольных осей симметрии осветителя 1, активного элемента 2 и лампы 3 накачки профиль распределения неоднородностей поглощенной в активном элементе энергии излучения накачки изменяется в различных сечениях вдоль активного элемента. Лазерное излучение при распространении вдоль активного элемента проходит через участки с различным распределением плотности поглощенной энергии накачки. В результате такого усреднения. неоднородностей по длине активного элемента происходит улучшение однородности распределения коэффициента усиления по сечению активного элемента и однородности распределения интенсивности по сечению пучка выходного излучения, В квантроне используют цилиндрический осветитель длиной 60 мм, выполненный в виде полой кварцевой трубки, с серебряным отражающим покрытием, нанесенным на внешнюю цилиндрическую поверхность диаметром 30 мм, Активный элемент Ф 9,575 мм, выполнен из кристалла иттрий-скандий-галлиевого граната, активированного ионами неодима с концентрацией 3 10 сми сенсибилизированного2 о ионами хрома с концентрацией 1 10" см(ИСГГ: Сг, йб). Таким образом, элемент выполнен из материала с типично высоким спектрально средним коэффициентом поглощения излучения накачки аисгг " 2,5 см так, что условие (2) заведомо выполняетсяДля сравнения использует также акже трубчатую лампу накачки типа И Н П/60 А.Осветитель, активный элемент и лампа накачки размещены в корпусе квантрона изУсловия испытания квантрона сЛедующие.Сравнивают различные конфигурации квантрона в при измененни угла р до 1090. Лампа накачки работает от серийного блока электропитания твердотельных лазеров типа СВЭП. Длительность импульса лампынакачки по уровню составля,.0,5 с ставля-г 10, мкс, деления интенсивности достигается вблизиЭнергия накачки изменяется в пр,яе-ся в пределарцг,д, когда превышение максимальной ин 30 д, ования импульсов - в тенсивности 1 кс в сечении пучка излучениядж, частота следонад средним уровнем интенсивности по сеИзмерение распределения плотности 5 ценив в 1,3 - 1,8 раза меньше, чем при сринверсной населенности, однозначно опре- О, рад,деляющеи распраспределение коэффициента Предлагаемый квантрон твердотельноусиления по сечению активного элемента, го лазера так же эффективен, как квантроносуществляют с помощью телевизионной прототипр == О град), На Фиг, 7 видно, чтосистемы, Оптическая система с малым уг энергия импульсов выходного излучения лалом зрения проектирует изображение ак- эеров,отличающихся только конфигурациейтивного элемента на видикон приемной квантронов, совпадают .- для предлагаетелевизионной камерь 1, Полученные дан- мого квантрона, ., - для известного кванные выводятся и обрабатываются на ЭБУ трона).типа ВМ РС, 15 В экспериментах получено и улучшениеРаспределение интенсивности по сече- Однородности распределения коэффициеннио пучка выходного излучения лазера ре- та усиления и интенсивности, а также улучгистрируют сю с помощью той же шение радиальной симметрии этихизмерительнойельной системы, Лазер состоит из параметров по сечению при использованиидвух плоских зеркал - зеркала с коэффици кристалла АИГ: Кб, Оцнако этот эффектентом отражения 100% и выходного полу- улучшен,.я значиельно меньше, чем при испрозрачного зеркала, пользовании кристалла ИСГГ; Сг, Кб с высоНа фиг. 2 приведено распределение ким коэффициентом поглощения излученияплотности инверсной населенности К в се- накачки, Эффективность ла ера на АИГ. Кбчении активного элемента ИСГГ; Сг, Кб для 25 при переходе от известного к предлагаемор= О град; на фиг, 3 - распределение плот- му квантрону также сохраняется,ности инверсной населенности К в сечении Таким образом, предлагаемый квантактивного элемента ИСГГ; Сг, Ко для ц =- рон позволяет существенно улучшить одно=90 град. родность распределения коэффициентаИз сравнения фиг, 2 и 3 следует, что для 30 усиления по сечению активного элемента ипредлагаемой конфигурации квантрона при однородность распределения интенсивноср = 90 град однородность распределения сти по сечению пучка выходного излучениякоэффициента усиления по сечению актив- лазера без уменьшения эффективности ланого элемента значительно выше, чем в зара(квантрона).обычномквантронепригр =Оград.Приор 35 Формула изобретения=90 градраспределениевцеломболеесгла-Квантрон твердотельного лазера; сожено. держащий осветитель сцилиндрической отНа фиг. 4 приведена зависимость коэф- ражающей поверхностью, внутри которогофициента однородности распределения ко- симметрично продольной оси расположеныэффициента усил нисиления по сечению 40 трубчатая лампа накачки и твердотельныйактивного элемента Р, полученная экспери- активный элемент цилиндрической формы,ментально для активного элемо элемента ИСГГ: выполненный из оптически плотного матеСг,Кдвзависимостиотугла у, риала, отличающийся тем,что,сцельюКак следует из фиг. 4,.однородность рас- улучшения однородности распределенияффи иента усиления по се интенсивности посечению пучка выходногочениюактивного элементаувеличивается во излучения лазера за счет усреднения расвсем исследуемом диапазоне углов от О до пределения поглощения излучения накачки109 град, пс длине активного элемента, лампа накач сивностиизлуче- ки и активный элемент расположены внутриРаспределение интенсивнния (фиг, 5, 6) по сечению пучка выходного 50 осветителя так, что линии, соединяющиеизлучения повторяет характерные особен- точки пересечения продольных осей симности и офиля аспределения коэффициен- метрии активного элемента и лампы накачта усиления по сечению активного ки плоскостями, перпендикулярнымиэлемента. Как следует из сравнения Фиг. 2 и продольной оси осветителя и проходящими53 и 6 увеличение однородности распреде через его торцы, развернуты друг по отно 3ления интенсивности так же, как для плот- вению к другу на уголности инверсной населенностидостигается при увеличении угла р, Наир 2 агссоз(. ),Ъ.з + Рл.нбольшее улучшение однородности распрегде Во - расстояние между продольнымиосями симметрии активного элемента и лампы накачки на торцах осветителя,Вд.э, Вл.н - радиусы активного элемента и лампы накачки соответственно,1721681 аж аи изб Риг Составитель В. Ми Техред М,Моргентал ов орректор Н, Король нько актор Заказ 957 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 11303, Москва, Ж; Раушская наб 4/5