Результат интеллектуальной деятельности: Многопроходный лазерный усилитель на дисковом активном элементе

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для эффективного усиления непрерывного и импульсного лазерного излучения.

Одним из основных направлений развития современного лазеростроения является увеличение средней мощности излучения как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режиме. Одной из главных проблем, ограничивающих среднюю мощность, является тепловыделение в активных элементах, приводящее к негативным тепловым эффектам: тепловая линза и термодеполяризация (см., например, Мезенов, А.В. Термооптика твердотельных лазеров / А.В. Мезенов, Л.Н. Сомс, А.И. Степанов. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд., 1986. - 199 с; Koechner, W. Solid-state laser engineering / W. Koechner. - Berlin:Springer, 1999), а также увеличение средней по объему температуры, следствием чего могут быть расширение и смещение спектральной линии, уменьшение сечения перехода активного элемента (см., например, Bass, M. The temperature dependence of Nd³⁺ doped solid-state lasers / M. Bass, L. Weichman, S.Vigil, B.K. Brickeen //IEEE J.Quan. Electron. 2003. V. 39. P. 741-748; Rapaport, A. Temperature dependence of the 1.06-mm stimulated emission cross section of neodymium in YAG and in GSGG / A. Rapaport Α., Ζ. Zha, G. Xiao, A. Howard, M.Bass // Appl. Opt. 2002. V. 41. P. 7052.; Dong, J. Dependence of the Yb³⁺ emission cross section and lifetime on temperature and concentration in yttrium aluminum garnet / J. Dong, M.Bass, Y. Mao, P. Deng, F. Gan // J. Opt. Soc. Am. B. 2003. V. 20. P. 1975). Перспективным решением данной проблемы является использование активных элементов в форме тонких дисков. Большое отношение площади поверхности к объему позволяет эффективно отводить тепло, а небольшая длина взаимодействия излучения с активным элементом уменьшает самофокусировку. Стандартная схема дискового лазера представлена в работе Giesen, A. Scalable concept for diode-pumped high-power solid-state lasers / A Giesen, H Hügel, A Voss, К Wittig, U Brauch, et al. //Appl.Phys. В. 1994. V. 58. P. 365-372. На сегодняшний день получена средняя мощность излучения с одного диска 10 кВт в многомодовом режиме и 4 кВт в одномодовом (Gottwald, Τ Recent developments in high power thin disk lasers at TRUMPF Laser / Τ Gottwald, V Kuhn, SS Schad, С Stolzenburg, A Killi, et al. (2013) // SPIE Security+Defence. 2013).

Одной из основных проблем активных элементов с малым аспектным соотношением (отношением длины к диаметру) является небольшой относительно стержневой геометрии коэффициент усиления излучения за один проход. В связи с этим возникает необходимость разработки различных оптических схем усилителей с большим количеством проходов через активный элемент. Существует целый ряд многопроходных лазерных усилителей, применяемых для решения данной задачи (см., например, Multipass light amplifier: patent US 5546222: H01S 3/23; H01S 5/40; H01S 5/50; H01S 5/00 / H. Plaessmann, W.M. Grossman, Т.E. Olson; Assignee: Lightwave Electronics Corporation (Mountain View, CA). - Appl. No.: 08/079,640; Filed: 18.06.1993; Publ. 13.08.1996. - 30 p., 3 fig. или Laser amplifier system: application WO 2012150257 A1: H01S 3/06; H01S 3/094 / A. Giesen, M. Larionov, K. Schuhmann; Assignee: Deutsches Zentrum Fuer Luft - und Raumfahrt E.V.; Dausinger & Giesen GMBH; Giesen, Adolf.; Larionov, Mikhail,; Schuhmann, Karsten. - Priority number(s): DE 20111075274; Filed: 05.04.2011; Publ. 08.11.2012. - 47 p., 14 fig.)

Наиболее близким по технической сущности заявляемому изобретению является частный случай реализации многопроходного лазерного усилителя с двойным переносом изображения, описанный в патенте Multi-pass optical system for a pump laser: United States Patent Application 2012/0212804 A1, 23.08.2012, Sarkisyan; Samvel et al. - 80p, FIGS. 49A-C, взятый за прототип.

В данном усилителе при помощи первой оптической системы (фиг. 49, поз. 5701 и 5702) реализуется набор проходов лазерного излучения через активный элемент с базовым количеством проходов лазерного излучения через активный элемент (фиг. 49, поз. 5715-1), определяемым апертурой первой оптической системы и диаметром пучка усиливаемого лазерного излучения (здесь и далее под базовым количеством проходов лазерного излучения через активный элемент подразумевается количество проходов, полученное при помощи только первой оптической системы вплоть до того момента, как излучение попадает во вторую оптическую систему). При помощи второй оптической системы (фиг. 49, поз. 5703 и 5705) удается значительно увеличить количество проходов, насколько это позволяют апертуры первой и второй оптических систем. Основными достоинствами усилителя являются большое количество проходов лазерного излучения через активный элемент, устойчивость к вибрациям и хорошее качество лазерного излучения, достигаемое за счет переноса изображения с активного элемента снова на активный элемент на каждом проходе лазерного излучения через активный элемент. Основным недостатком усилителя является появление эффекта самовозбуждения лазерного усилителя, начиная с некоторого количества проходов лазерного излучения через активный элемент, что не позволяет эффективно извлекать запасенную энергию из активного элемента. При этом еще необходимо отметить, что в предложенной схеме происходит фокусирование излучения параболическим зеркалом (фиг. 49, поз. 5702) на плоское зеркало (фиг. 49, поз. 5705), что на практике приведет к оптическому пробую плоского зеркала и выходу из строя усилителя.

Задачей, на которую направлено изобретение, является создание многопроходного лазерного усилителя на дисковом активном элементе, обладающего устойчивостью к вибрациям и хорошим качеством лазерного излучения, обеспечивающего не меньшее количество проходов, чем прототип, но позволяющего повысить порог самовозбуждения и увеличить эффективность извлечения запасенной энергии.

Технический результат в разработанном многопроходном лазерном усилителе на дисковом активном элементе достигается за счет того, что он содержит активный элемент и две оптические системы для переноса изображения с лазерного активного элемента обратно на лазерный активный элемент с сохранением расходимости и размера пучка лазерного излучения.

Новым в разработанном многопроходном лазерном усилителе на дисковом активном элементе является то, что угол отклонения нормали активного элемента от оптической оси первой оптической системы, а также угол между нормалью к лазерному активному элементу и осью второй оптической системы и угол падения входного лазерного излучения на лазерный активный элемент выбраны таким образом, что количество проходов лазерного излучения через активный элемент, полученное при помощи первой оптической системы, уменьшается по сравнению с максимально возможным N_max при имеющихся апертурах оптических элементов, составляющих первую оптическую систему для переноса изображения, и данном размере пучка лазерного излучения, причем для четного N_max количество проходов уменьшается до N_max/2, а для нечетного N_max - до (N_max+1)/2, при этом количество повторений этих проходов, осуществляемое при помощи второй оптической системы, увеличивается в 2 раза.

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами.

На фиг. 1 показан пример реализации многопроходного лазерного усилителя согласно п. 1 формулы.

На фиг. 2 показан порядок отражения лазерного излучения от сферических зеркал 2 и 5 на фиг. 1.

Изобретение определяется формулой и не ограничивается приведенным на фиг. 1, 2 примером частной реализации изобретения.

В общем случае предлагаемый многопроходный лазерный усилитель на дисковом активном элементе (по п. 1 формулы) содержит активный элемент 1 и две оптические системы для переноса изображения с активного элемента обратно на активный элемент с сохранением расходимости и размера пучка лазерного излучения. Таким образом, в общем случае вид и количество оптических элементов, составляющих упомянутые оптические системы, могут быть разными, главное, чтобы они осуществляли перенос изображения с активного элемента обратно на активный элемент с сохранением расходимости и размера пучка лазерного излучения. Поэтому удобнее рассматривать предлагаемое изобретение на примере его частной реализации.

Пример частной реализации многопроходного усилителя по п. 1 формулы показан на фиг. 1. Первая оптическая система образована сферическими зеркалами 2 и 3 и плоским зеркалом 4. Сферические зеркала 2 и 3 с радиусом кривизны R₁, расположенные на расстоянии R₁ друг от друга, являются телескопом, осуществляющим перенос изображения с активного элемента 1 на плоское зеркало 4. Для этого расстояния между активным элементом 1 и сферическим зеркалом 2, а также сферическим зеркалом 3 и плоским зеркалом 4 равны R₁/2. Вторая оптическая система образована сферическими зеркалами 5 и 6 и плоским зеркалом 7. Сферические зеркала 5 и 6 с радиусом кривизны R₂, расположенные на расстоянии R₂ друг от друга, являются телескопом, осуществляющим перенос изображения с активного элемента 1 на плоское зеркало 7. Для этого расстояния между активным элементом 1 и сферическим зеркалом 5, а также сферическим зеркалом 6 и плоским зеркалом 7 равны R₂/2.

В общем случае вместо приведенного в примере набора зеркал могут быть использованы другие оптические системы для переноса изображения с активного элемента 1 обратно на него без изменения размера пучка лазерного излучения. При этом расходимость лазерного излучения, отраженного от активного элемента 1 в любой из телескопов, и излучения, пришедшего назад из телескопа, должны совпадать. Например, плоские зеркала 4 и 7 могут стоять вплотную к телескопам и фактически отсутствовать в схеме.

Особенность предлагаемого оптического усилителя по п. 1 формулы состоит в уменьшении базового количества проходов лазерного излучения через активный элемент 1 от максимально возможного N_max до N_max/2 раз в случае четного N_max и до (N_max+1)/2 раз в случае нечетного N_max и соответствующем увеличении количества повторений базового количества проходов лазерного излучения через активный элемент 1 в 2 раза при помощи второй оптической системы (смотри фиг. 1, 2). Таким образом, общее количество проходов лазерного излучения через активный элемент 1 получается таким же, как в многопроходном лазерном усилителе-прототипе, и хотя количество базовых проходов не является максимально возможным, однако при этом апертуры оптических элементов опять-таки используются наиболее эффективно. Данный усилитель отличается от прототипа большим углом отклонения нормали активного элемента 1 от оптической оси телескопа на базе сферических зеркал 2 и 3 и порядком отражения лазерного излучения от оптических элементов, что позволяет рассчитывать на повышение порога самовозбуждения усилителя и, соответственно, более эффективное извлечение запасенной в активном элементе 1 энергии.

Многопроходный лазерный усилитель на дисковом активном элементе, представленный на фиг. 1, работает следующим образом.

В случае отсутствия тепловой линзы в активном элементе 1 на него падает входящий коллимированный пучок лазерного излучения, проходящий над сферическим зеркалом 2. Далее излучение отражается на сферическое зеркало 2, далее на сферическое зеркало 3, далее на плоское зеркало 4. При этом пучок снова становится коллимированным, а на плоском зеркале 4 появляется изображение пучка, отраженного от активного элемента 1. После отражения от плоского зеркала 4 излучение отражается от сферических зеркал 3 и 2 и попадает снова на активный элемент 1. Таким образом, мы получаем реализуемую с помощью первой оптической системы многопроходную схему, в которой в течение нескольких проходов лазерное излучение всегда приходит в одну и ту же область на активном элементе 1 с одним и тем же профилем и коллимированное. На фиг. 2 показан порядок отражения лазерного излучения от сферических зеркал 2 и 5, приведенных на фиг. 1. В данном примере реализуется три базовых прохода лазерного излучения через активный элемент 1 ((N_max+1)/2=3), пока лазерное излучение не выйдет над сферическим зеркалом 2 и не попадет на сферическое зеркало 5 (цифра 5 на фиг. 2). После отражения от сферических зеркал 5 и 6 коллимированное лазерное излучение попадает на зеркало 7 с переносом изображения пучка лазерного излучения, отраженного от активного элемента 1. Отражаясь далее от сферических зеркал 6 и 5, лазерное излучение снова попадает в многопроходную схему, но в другом месте над сферическим зеркалом 2 (цифра 6 на фиг. 2). После следующих трех базовых проходов лазерного излучения через активный элемент 1 лазерное излучение снова попадает на сферическое зеркало 5 (цифра 11 на фиг. 2), дважды проходит через телескоп на базе сферических зеркал 5 и 6 и возвращается в многопроходную схему (цифра 12 на фиг. 2). После следующих трех базовых проходов лазерного излучения через активный элемент 1 лазерное излучение снова попадает на сферическое зеркало 5 (цифра 17 на фиг. 2), дважды проходит через телескоп на базе сферических зеркал 5 и 6 и возвращается в многопроходную схему (цифра 18 на фиг. 2). После следующих трех базовых проходов лазерного излучения через активный элемент 1 лазерное излучение снова попадает на сферическое зеркало 5 (цифра 23 на фиг. 2), дважды проходит через телескоп на базе сферических зеркал 5 и 6 и возвращается в многопроходную схему (цифра 24 на фиг. 2). После следующих трех базовых проходов лазерного излучения через активный элемент 1 лазерное излучение покидает усилитель.

Усилитель по п. 1, приведенный в примере, может быть модифицирован для случая наличия тепловой линзы в активном элементе 1, что характерно при работе с высокой средней мощностью лазерного излучения. Для этого достаточно нужным образом подобрать расходимость входного лазерного излучения и заменить плоские зеркала 4 и 7 на сферические. Схема прохождения излучения через оптические элементы при этом не изменится.

Из приведенного примера частной реализации изобретения видно, что при помощи выбора необходимых углов между нормалью к активному элементу 1 и осями оптических систем, переносящих изображение, а также углов падения излучения на активный элемент 1 можно изменить порядок отражения лазерного излучения от оптических элементов, увеличив базовое количество отражений от активного элемента 1 в сколько угодно большое количество раз, ограниченное лишь габаритами оптических элементов, составляющих оптические системы для переноса изображения, и диаметром пучка лазерного излучения. При этом предлагаемое устройство обладает устойчивостью к вибрациям, хорошим качеством лазерного излучения, поскольку осуществляется перенос изображения с лазерного активного элемента обратно на лазерный активный элемент, и обладает высоким порогом самовозбуждения, что позволяет увеличить эффективность извлечения запасенной энергии.

Таким образом, предлагаемый многопроходный лазерный усилитель на дисковом активном элементе обладает всеми достоинствами прототипа, но при этом позволяет повысить порог самовозбуждения и увеличить эффективность извлечения запасенной энергии.