Малогабаритный инфракрасный твердотельный лазер

Изобретение относится к области лазерной физики и может быть использовано при разработке источников лазерного излучения среднего инфракрасного (ИК) диапазона (3,95...5,05 мкм).

В рамках работы [1] реализована генерация мощного малогабаритного Er:YLF-лазера с диодной накачкой в режиме модуляции добротности пассивным затвором на кристалле Fe²⁺:ZnSe. В качестве источника накачки использовалась матрица лазерных диодов Активный элемент лазера (Er:YLF, концентрация активатора 15 ат.%) имел форму цилиндра с размерами 02x35 мм. На один из торцов активного элемента было нанесено диэлектрическое покрытие, выполняющее роль глухого зеркала для излучения генерации и просветляющего покрытия для излучения накачки. На второй торец было нанесено просветляющее покрытие.

Ввод излучения накачки в активный элемент осуществлялся по продольно-поперечной схеме, реализованной с помощью системы призм полного внутреннего отражения. Резонатор лазера был образован плоским глухим зеркалом, напыленным на торце активного элемента, и внешним сферическим выходным зеркалом (радиус кривизны 1,2 м, коэффициент отражения 0,85 или 0,95). В экспериментах использовались два Fe²⁺:ZnSe-затвора с различным начальным пропусканием.

В устройстве [2] излучение лазера на основе кристалла YAG: Er³⁺ с длиной волны генерации 2,94 мкм, работавшего в режиме активной модуляции добротности, фокусировалось цилиндрической линзой (в линию длиной около 10 мм и шириной ~100 мкм) на поверхность кристалла ZnSe, содержавшую обогащенный ионами Fe²⁺ слой, длительность импульса накачки составляла ~100 нс. Излучение суперлюминесценции регистрировалось в направлении вдоль линии фокусировки накачки в области кристалла, непосредственно прилегающей к его поверхности. Грани, через которые излучение выходило из кристалла, скалывались. Ось пучка излучения являлась продолжением линии накачки с учетом преломления на грани кристалла. Поэтому резонатор, обеспечивающий обратную связь для излучения, отсутствовал.

В работе [3] приведена схема установки по исследованию Fe:ZnSe-лазера (концентрация ионов Fe²⁺ составляла 2,5×10¹⁸ см^-3) при накачке излучением Er:YAG-лазера, работающего в режиме свободной генерации. Активный элемент представлял собой параллелепипед с поперечными размерами 9,7×10,1 мм и длиной (длина усиления) 7,7 мм, торцы которого полировались и не просветлялись. Чтобы уменьшить сброс инверсии усиленным спонтанным шумом, распространяющимся в поперечном к оптической оси резонатора направлении, боковые поверхности кристалла были заматированы и покрыты (зачернены) аквадагом. Резонатор лазера Fe:ZnSe образован «глухим» сферическим зеркалом с радиусом кривизны 1000 мм и плоски полупрозрачным зеркалом. Коэффициент пропускания выходного зеркала на длине волны генерации составлял 72%, длина резонатора - 350 мм. Пучок излучения Er:YAG-лазера, сфокусированный в пятно диаметром 6 мм (95% энергии), падал на кристалл Fe:ZnSe под углом 3° к оптической оси резонатора.

Наиболее близким к предполагаемому изобретению является устройство, описанное в [4, 5], где указано, что впервые достигнута генерация на кристалле Fe²⁺:ZnSe при комнатной температуре при накачке короткими (50 нс) импульсами лазера Er:YAG (2,94 мкм), запущенного в режиме модулированной добротности с помощью также кристалла Fe²⁺:ZnSe, но с меньшей концентрацией Fe [4].

В устройстве [5] активный элемент для Fe²⁺:ZnSe-лазера был изготовлен из монокристалла Fe²⁺:ZnSe, выращенного из паровой фазы методом свободного роста на монокристаллическую затравку. Легирование ионами Fe²⁺ до концентрации ~1×10¹⁸ см^-3 проводилось непосредственно в процессе роста. Активный элемент лазера накачки имел длину 10 мм в поперечный размер 17×10 мм. Резонатор был образован задним сферическим зеркалом (радиус кривизны 50 см) и плоским выходным зеркалом с интерференционными покрытиями, нанесенными на подложку из CaF₂. Кристалл Fe²⁺:ZnSe был установлен вблизи выходного зеркала под углом Брюстера к оптической оси резонатора. Накачка Fe²⁺:ZnSe-лазера осуществлялась излучением Er:YAG-лазера с длиной волны излучения 2,94 мкм в режиме пассивной модуляции добротности резонатора. Пассивным затвором в Er:YAG-лазере служила плоскопараллельная пластинка из монокристалла Fe²⁺:ZnSe.

Общим недостатком устройств [1-5] является использование двух кристаллов Fe²⁺:ZnSe для получения лазерного излучения среднего ИК-диапазона. Один кристалл используется в качестве пассивного модулятора добротности резонатора лазера накачки для увеличения мощности импульса накачки. Второй - для непосредственного получения генерации лазерного излучения в среднем ИК-диапазоне. Причем в устройстве [3] специально предпринимают меры для срыва генерации в кристалле Fe²⁺:ZnSe в направлении, поперечном к оптической оси резонатора лазера накачки.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является инфракрасный твердотельный лазер [6], в котором один кристалл Fe²⁺:ZnSe используется одновременно как пассивный модулятор добротности и как активный элемент. Для этого кристалл Fe²⁺:ZnSe имеет форму параллелепипеда и располагается внутри резонатора лазера накачки. Причем на грани кристалла, перпендикулярные оптической оси лазера накачки, наносится просветляющее диэлектрическое покрытие с максимумом пропускания на длине волны лазера накачки. На грани кристалла, параллельные оптической оси лазера накачки, наносится просветляющее диэлектрическое покрытие с максимумом пропускания на требуемой длине волны среднего ИК-диапазона (3,95…5,05 мкм). Резонатор лазера накачки представляет собой заднее сферическое и переднее плоскопараллельное зеркала с интерференционными покрытиями, нанесенными на подложку из CaF₂ либо какой-либо другой оптический материал, прозрачный в ИК области спектра. Покрытия обоих зеркал имеют максимум отражения на длине волны лазера накачки, образуя «глухой» полуконфокальный резонатор. Резонатор и активная среда, выполненная из кристалла Er:YAG, представляют собой лазер накачки.

Для вывода излучения среднего ИК-диапазона устанавливают резонатор, параллельно граням кристалла Fe²⁺:ZnSe с нанесенным просветляющим диэлектрическим покрытием с максимумом пропускания на требуемой длине волны среднего ИК-диапазона (3,95…5,05 мкм). Недостатком устройства [6] является наличие дополнительного резонатора, который требует дополнительной трудоемкой юстировки, а также увеличивает количество оптических элементов устройства, в целом снижая его надежность.

Задачей предлагаемого изобретения является получение малогабаритного лазерного излучателя ИК-диапазона со сниженным количеством дорогостоящих оптических элементов. Для этого на грани кристалла Fe²⁺:ZnSe (пассивный модулятор добротности - лазерная активная среда), параллельные оптической оси лазера накачки, наносят полупрозрачное и отражающее оптические покрытия (диэлектрические или металлические интерференционные покрытия) для длины волны среднего ИК-диапазона (3,95…5,05 мкм).

Устройство работает следующим образом. Кристалл Fe²⁺:ZnSe имеет форму параллелепипеда и располагается внутри резонатора лазера накачки. Резонатор лазера накачки представляет собой заднее сферическое и переднее плоскопараллельное зеркала с интерференционными покрытиями, нанесенными на подложку из CaF₂ либо какой-либо другой оптический материал, прозрачный в ИК области спектра. Покрытия обоих зеркал имеют максимум отражения на длине волны лазера накачки, образуя «глухой» полуконфокальный резонатор. Резонатор и активная среда, выполненная из кристалла Er:YAG, представляют собой лазер накачки. Наличие полупрозрачного и отражающего оптических покрытий обеспечивает наличие обратной положительной связи в кристалле Fe²⁺:ZnSe, формируя таким образом лазерное излучение среднего ИК-диапазона.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого изобретения, где цифрами обозначены: 1 - активная среда - кристалл Er:YAG; 2 - излучение накачки; 3 - полуконфокальный «глухой» резонатор для длины волны 2,94 мкм; 4 - кристалл Fe²⁺:ZnSe (пассивный модулятор добротности - лазерная активная среда); 5 - полупрозрачное оптическое покрытие для длины волны среднего ИК-диапазона (3,95…5,05 мкм); 6 - отражающее оптическое покрытие для длины волны среднего ИК-диапазона (3,95…5,05 мкм); 7 - грани кристалла Fe²⁺:ZnSe, просветленные для длины волны 2,94 мкм; 8 - излучение лазера накачки (2,94 мкм); 9 - лазерное излучение среднего ИК-дипазона.

Литература

1. Иночкин М.В., Назаров В.В., Сачков Д.Ю., Хлопонин Л.В., Храмов В.Ю., Коростелин Ю.В., Ландман А.И., Подмарьков Ю.П., Фролов М.П. Малогабаритный Er:YLF-лазер с пассивным Fe²⁺:ZnSe-затвором. "Оптический журнал", 79, 6, 2012, с. 31-35.

2. Ильичев Н.Н., Данилов В.П., Калинушкин В.П., Студеникин М.И., Шапкин П.В., Насибов А.С. Суперлюминесцентный ИК излучатель на кристалле ZnSe:Fe, работающий при комнатной температуре. Квантовая электроника. 2008, том 38, №2, с. 95-96.

3. Великанов С.Д., Зарецкий Н.А., Зотов Е.А., Козловский В.И., Коростелин Ю.В., Крохин О.Н., Манешкин А.А., Подмарьков Ю.П., Савинова С.А., Скасырский Я.К., Фролов М.П., Чуваткин Р.С., Юткин И.М. Исследование работы Fe:ZnSe-лазера в импульсном и импульсно-периодическом режимах. Квантовая электроника. 45, №1 (2015), с. 1-7.

4. Ландман А.И. Парофазный рост монокристаллов соединений A^IIB^VI, легированных переходными металлами, для лазеров среднего ИК диапазона. Диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. М.: Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН. 2008 г., 118 с.

5. Акимов В.А., Воронов А.А., Козловский В.И., Коростелин Ю.В., Ландман А.И., Подмарьков Ю.П., Фролов М.П. Эффективная лазерная генерация кристалла Fe²⁺:ZnSe при комнатной температуре. Квантовая электроника. 36, №4 (2006).

6. RU №2593819, 2016 г.