Лазерный излучатель

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к импульсным твердотельным лазерам.

Известны твердотельные лазеры, содержащие активный элемент и параллельно расположенный источник оптической накачки в виде газорязрядной лампы [1]. Такие лазеры имеют значительные энергетические потери ввиду несовпадения спектра излучения ламп со спектром поглощения активного элемента.

Этот недостаток устранен в лазерах с полупроводниковой накачкой. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является лазерный излучатель, описанный в [2].

Указанный лазерный излучатель содержит активный элемент с параллельно расположенным источником накачки в виде линейки лазерных диодов. Такая конфигурация устройства характеризуется неравномерным распределением излучения накачки в поперечном сечении активного элемента - во-первых, из-за высокой расходимости излучения лазерных диодов в поперечном сечении устройства, во-вторых, вследствие колоколообразного характера распределения интенсивности излучения лазерных диодов в этом сечении. Вследствие этого имеют место апертурные потери энергии излучения накачки. Кроме того, ввиду неравномерности накачки в активном элементе, в процессе накачки образуются так называемые горячие точки или области с аномально высокой плотностью накачки, препятствующие эффективному съему инверсной населенности со всего объема активного элемента из-за ограниченной фотостойкости оптических элементов, входящих в состав лазерного излучателя. Это заставляет снижать плотность накачки, а следовательно, выходную энергию лазера.

Задачей изобретения является повышение КПД и выходной энергии лазера

Поставленная задача решается за счет того, что в известном лазерном излучателе, содержащем активный элемент и параллельно расположенный источник накачки в виде линейки лазерных диодов, между источником накачки и активным элементом введена призма, в поперечном сечении представляющая собой два клина с общим основанием, лежащим в плоскости, проходящей через линейку лазерных диодов и оптическую ось активного элемента.

Конструктивные параметры лазерного излучателя связаны ориентировочным соотношением.

S₁tg(ϕ)~S₂[tg(α)-tg(ϕ-α)],

где

α=arctg(r/S₂)=(n-1)Θ;

Θ - угол при вершине каждого клина;

n - показатель преломления призмы;

r - радиус (половина диаметра) активного элемента;

S₁ и S₂ - соответственно расстояния от линейки лазерных диодов до эквивалентного оптического сечения призмы и от этой плоскости до центра активного элемента;

2ϕ - расходимость излучения лазерных диодов линейки в поперечном сечении лазерного излучателя.

На фиг. 1 представлена оптическая схема лазерного излучателя. Фиг. 2 иллюстрирует формирование светового поля накачки в активном элементе. На фиг. 3 показано влияние параметров устройства на форму светового пучка накачки.

Лазерный излучатель (фиг. 1) включает источник накачки 1, призму 2 и активный элемент 3.

Устройство работает следующим образом.

Излучение источника накачки 1 расщепляется призмой 2 на два пучка А (фиг. 1а) и Б (фиг. 1б), направляемых на активный элемент 3. При этом приосевой луч в верхней полуплоскости направляется верхним клином призмы 2 в сторону нижней кромки активного элемента, а крайний луч - в сторону верхней кромки (фиг. 1а). В нижней полуплоскости происходит обратное: нижний параксиальный луч излучения накачки отклоняется нижним клином призмы 2 в сторону верхней кромки активного элемента, а крайний луч - в сторону нижней кромки (фиг. 1б). На фиг. 1в) показан ход лучей от действительного источника накачки с центром в точке О, образование клином мнимого источника накачки с центром в точке О', а также эквивалентная оптическая поверхность клина 4, образуемая пересечением одноименных лучей от действительного и мнимого источников.

Таким образом, происходит взаимное наложение верхней и нижней части пучков А и Б, причем, в отличие от исходного распределения интенсивности излучения, имеющего максимум в направлении оптической оси (фиг. 2а), распределение энергии накачки А'+В' в сечении активного элемента 3 размером D имеет равномерный характер (фиг. 2б).

Схема фиг. 3 позволяет рассчитать необходимые параметры устройства. На схеме показан ход лучей в верхней части пучка излучения накачки. При этом клин представлен своей эквивалентной оптической поверхностью 4. В обозначениях фиг. 3 справедливы следующие соотношения.

Из (1) и (3) получается основное расчетное соотношение, при соблюдении которого обеспечиваются минимальные габариты устройства при максимальном КПД.

Пример.

ϕ=15°; r=2 мм; S₂=10 мм.

Из (1): tg(α)=2/10=0,2.

α=arctg(0,2)=11,3°.

Угол при вершине клина θ~2α=22,6°.

Из (5): S₁=[S₂tg(α)-S₂tg(ϕ-α)]/ tg(ϕ)=10[0,2-tg(15-11,3)]/0,27=5,01.

Минимальная толщина призмы в осевом сечении

Т=htg(θ)=S₁tg(ϕ)tg(θ)~5⋅0,27⋅0,42=0,57 мм <<S₂.

Предлагаемый лазерный излучатель имеет следующие преимущества.

- Благодаря введению призмы излучение накачки фокусируется на активном элементе более узким пучком, чем без призмы.

- Боковые ветви диаграммы направленности излучения накачки не уходят за пределы активного элемента, благодаря чему повышается эффективность использования излучения накачки.

- Распределение излучения накачки в сечении активного элемента получается более однородным, что обеспечивает равномерную прокачку активного элемента и, соответственно, оптимальное использование энергии накачки для возбуждения активного элемента во всем его объеме.

Указанные преимущества обеспечивают решение поставленной задачи: повышение КПД и увеличение выходной энергии лазера

Данный вывод подтвержден положительными результатами изготовления и испытаний макетного образца лазера. После корректировки документации по результатам испытаний лазер будет запущен в производство.

Источники информации

1. Справочник по лазерной технике. Киев, «Технiка», 1978 г., с. 60.

2. В.Н. Быков и др. Излучатель на эрбиевом стекле с поперечной полупроводниковой накачкой и пассивной модуляцией добротности. «Квантовая электроника», 38, №3 (2008), с. 209-212 - прототип.