Патент на изобретение №2300834

(54) НЕПРЕРЫВНЫЙ КОМПАКТНЫЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ВКР-ЛАЗЕР (ВАРИАНТЫ)

(57) Реферат:

Изобретение относится к области лазерной техники, в частности к непрерывным лазерам, генерация в которых осуществляется в процессе вынужденного комбинационного рассеяния – ВКР. Лазер содержит непрерывный источник лазерной накачки и резонатор, в котором находится ВКР-среда, дополнительно содержит твердотельную лазерную среду, расположенную внутри резонатора ВКР-лазера, причем зеркала резонатора имеют максимально высокие коэффициенты отражения на длине волны генерации лазерной среды и оптимальные на длине волны ВКР-излучения, а также максимально высокие коэффициенты пропускания на длине волны источника накачки. Кроме того, источник непрерывной лазерной накачки может быть расположен с боковой стороны лазерной среды, в этом случае зеркала резонатора выполнены с максимальными коэффициентами отражения на длине волны генерации лазерной среды. Технический результат – создание непрерывного компактного технологически простого в изготовлении полностью твердотельного ВКР-лазера. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к области лазерной техники, в частности к непрерывным ВКР-лазерам (лазерам, генерация в которых осуществляется в процессе вынужденного комбинационного рассеяния – ВКР), 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.

ВКР является широко распространенным методом преобразования частоты лазерного излучения в новые спектральные области. Разнообразие комбинационно активных (или так называемых рамановских) 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 ВКР. Типичные значения коэффициентов усиления ВКР составляют 1-3 см·ГВт^-1 для газообразных и жидких комбинационно активных сред и 3-50 см·ГВт^-1 для комбинационно активных кристаллов. Вследствие этого для достижения порога возбуждения ВКР требуется применение либо очень высоких интенсивностей накачки, либо активных сред большой длины [1].

В настоящее время, как правило, компактные твердотельные ВКР-лазеры являются импульсными излучателями, в которых высокая плотность мощности на частоте, преобразуемой в процессе ВКР, 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 ВКР-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 ВКР-активной средой и малого (несколько микрометров) диаметра волокна, позволяющего увеличить в нем плотность мощности накачки.

Известно устройство, генерирующее непрерывное ВКР-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 ВКР-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 ВКР-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 50000. Резонатор содержит ВКР-среду, в частности молекулярный водород. Получение непрерывной ВКР-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 ВКР-излучения являются для него резонансными. При этом возникают условия для эффективного преобразования энергии накачки в энергию ВКР-излучения. Недостатком устройства является высокая сложность его технической реализации, связанная с особой технологией нанесения высокоотражающих (R99,995%) зеркальных покрытий и необходимостью поддержания оптической длины резонатора с субмикронной точностью.

Задачей предлагаемого изобретения является создание непрерывного компактного технологически простого в изготовлении полностью твердотельного ВКР-лазера.

Задача решается в двух вариантах следующим образом.

В первом варианте ВКР-лазер, содержащий непрерывный источник лазерной накачки и резонатор, в котором находится ВКР-среда, дополнительно содержит твердотельную лазерную среду, расположенную внутри резонатора ВКР-лазера, причем зеркала резонатора имеют максимально высокие коэффициенты отражения на длине волны генерации лазерной среды и оптимальные на длине волны ВКР-излучения, а также входное зеркало выполнено с максимально высоким коэффициентом 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 ВКР-лазер, содержащий непрерывный источник лазерной накачки и резонатор, в котором находится ВКР-среда, дополнительно содержит твердотельную лазерную среду, расположенную внутри резонатора ВКР-лазера, 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 ВКР-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 хотя бы одним лазерным диодом.

Лазерная среда, расположенная внутри резонатора, может выбираться из кристаллов Nd³⁺:YVO₄, Nd³⁺:YAG, Nd³⁺:KGW, Nd³⁺:LSB.

ВКР-среда, расположенная внутри резонатора, может выбираться из кристаллов Ba(NO₃)₂, BaWO₄, KGW.

Твердотельная лазерная среда, расположенная внутри резонатора ВКР-лазера, может одновременно являться ВКР-средой.

Резонатор ВКР-лазера может быть “сложенным” за счет введения в резонатор дополнительного сферического зеркала, расположенного под углом 5-60° к оптической оси резонатора.

Резонатор ВКР-лазера может быть кольцевым.

На фиг.1 представлена основная схема предлагаемого ВКР-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 ВКР-лазера во втором варианте исполнения.

На фиг.9 приведен график зависимости выходной мощности непрерывного ВКР-лазера, реализованного по первому варианту исполнения, от мощности накачки.

На фиг.10 показан спектр излучения непрерывного ВКР-лазера, реализованного по первому варианту исполнения.

Схема предлагаемого непрерывного компактного твердотельною технологически простого ВКР-лазера в первом варианте (фиг.1) включает в себя лазерный диод 1 в качестве источника непрерывной лазерной накачки, оптическую фокусирующую систему 2 и лазерную твердотельную активную среду 3 и твердотельную комбинационно активную среду 4, помещенные в резонатор, образованный входным зеркалом 5 и выходным зеркалом 6. В качестве источника непрерывной лазерной накачки может быть использован как единичный лазерный диод 1, как в настоящем примере, так и система лазерных диодов. 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 ВКР-среды 4. Торцы лазерной активной среды 3 и комбинационно активной среды 4 имеют антиотражающие покрытия для длин волн генерации лазерной среды 3 и излучения ВКР-среды 4. Выходное зеркало 6 выполнено с максимальным отражением на длине волны генерации твердотельной лазерной среды 3 и оптимальным отражением на длине волны излучения ВКР-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 ВКР-среды 4 – “просветленными” на длину волны генерации твердотельной лазерной среды и на длину волны ВКР-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 ВКР-среды являются “просветленными” на длину волны генерации твердотельной лазерной среды и на длину волны ВКР-излучения.

Лазерная активная среда 3, размещенная в резонаторе ВКР-лазера, может являться одновременно ВКР-средой, а резонатор может быть выполнен по одной из схем фиг.1-4 (см., например, фиг.5).

Резонатор ВКР-лазера может быть “сложенным” (фиг.6). В этом случае он содержит дополнительное сферическое зеркало 7, расположенное так, что угол падения на него генерируемого в резонаторе излучения лежит в диапазоне 5-60°, в частности 45°. Сферическое зеркало 7 является высокоотражающим для излучения с длиной волны генерации лазерной среды и ВКР-излучения. Зеркала 6 и 7 выполнены с такими радиусами кривизны, что генерируемая лазерной активной средой 3 пространственная мода излучения имеет перетяжку в ВКР-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 ВКР-лазера может быть кольцевым (фиг.7). В этом случае резонатор образован зеркалами 8, 9, 10, расположенными так, что углы падения на них генерируемого в резонаторе излучения лежат в интервале 5-70°, 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 ВКР-излучения, а два других являются высокоотражающими для этой длины волны.

Схема предлагаемого непрерывного компактного твердотельного технологически простого ВКР-лазера во втором варианте исполнения (фиг.8) включает в себя лазерный диод 1 в качестве источника непрерывной лазерной накачки, оптическую фокусирующую 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. Зеркала 5 и 6 должны образовывать устойчивый генератор. Зеркало 5 в данном примере является плоским, а 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 ВКР-среды 4. Торцы лазерной активной среды 3 и комбинационно активной среды 4 имеют антиотражающие покрытия для длин волн генерации лазерной среды 3 и излучения ВКР среды 4. Выходное зеркало 6 выполнено с максимальным отражением на длине волны генерации твердотельной лазерной среды 3 и оптимальным отражением на длине волны излучения ВКР-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 ВКР-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 ВКР-лазере.

Дополнительное внесение генерирующей лазерной среды в резонатор для ВКР-излучения и использование в резонаторе зеркал с максимальными коэффициентами отражения на длине волны генерации лазерной среды и оптимальными для ВКР-излучения позволяет создать в резонаторе ВКР-лазера высокую плотность мощности на длине волны генерации лазерной среды, достаточную для достижения порога ВКР-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 ВКР-среды с модами резонатора. Генерация излучения лазерной средой может происходить на нескольких частотах, при этом, в отличие от прототипа, генерация ВКР-излучения также будет осуществляться в многочастотном режиме.

При размещении лазерной активной среды внутри резонатора ВКР-лазера происходит также самосогласование пространственных мод лазерного и ВКР-резонаторов, что улучшает эффективность преобразования энергии источника непрерывной лазерной накачки в энергию ВКР-излучения.

Внесение внутрь резонатора ВКР-лазера дополнительной лазерной активной среды, генерация которой при первом варианте исполнения лазера, как правило, происходит на пространственной моде наинизшего порядка (ТЕМ₀₀), 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 R99,995) также дополнительно упрощает технологию изготовления предлагаемого непрерывного ВКР-лазера по сравнению с прототипом.

Можно привести следующий неограничивающий пример реализации настоящего изобретения.

Предлагаемый лазер реализован по схеме, приведенной на фиг.2, в которой в качестве лазерной активной среды 3 использовался кристалл Nd:YVO₄ с концентрацией ионов Nd³⁺ 1 ат.% длиной 2 мм, вырезанный вдоль оптической оси b. Кристалл Nd:YVO₄ накачивался излучением лазерного диода 1 с длиной волны 0,808 мкм. Входное и выходное зеркала резонатора имели коэффициенты отражения R99,95% на длинах волн 1,064 мкм и 1,196 мкм. Входное зеркало было нанесено на входной торец кристалла Nd:YVO₄ и имело максимальное пропускание для излучения лазерного диода на длине волны 0,808 мкм. Выходное зеркало являлось сферическим с радиусом кривизны r=50 мм. Лазерная генерация кристалла Nd:YVO₄ осуществлялась на длине волны 1,064 мкм в непрерывном режиме с одновременной ВКР-генерацией излучения на длине волны 1,196 мкм. В качестве комбинационно активной среды 4 использовался кристалл нитрата бария (Ba(NO₃)₂) длиной 35 мм. Выходная грань кристалла Nd:YVO₄ и обе грани кристалла Ва(NO₃)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 ВКР-излучения за выходным зеркалом ВКР-лазера составила 2 мВт при мощности лазерного диода ˜1 Вт. Спектр выходного излучения ВКР-лазера приведен на фиг.9. Зависимость выходной мощности ВКР-излучения от мощности лазерного диода приведена на фиг.10.

Таким образом, реализован компактный твердотельный непрерывный ВКР-лазер, при изготовлении элементов которого были применены стандартные технологии.

Источники информации

1. Т.Т.Басиев. Спектроскопия новых ВКР-активных кристаллов и твердотельные ВКР-лазеры. Успехи физических наук, т.169, №10, с.1149-1155, 1999.

2. W.Koechner. Springer Series in Optical Sciences, v.1. Solid-State Laser Engineering. Fourth Edition (1996) Ch.10.3 Raman Laser, pp.618-626.

3. Hill K.O., Kawasaki B.S., Johnson D.C. Continuous wave Raman oscillator. Canadian Patent No.1115395. Int. Cl. H01S 3/07, 3/08, публ. 29.12.1981.

4. Carlsten J., Repasky К., Brasseur J. Continuous-wave Raman laser having a high-finess cavity. United States Patent No.6151337. Int. Cl. H01S 3/30, публ. 21.11.2000.

Формула изобретения

1. Непрерывный компактный твердотельный 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 ВКР-лазер дополнительно содержит твердотельную лазерную активную среду, расположенную внутри резонатора, 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 имеют коэффициенты отражения на длине волны генерации лазерной среды, обеспечивающие накопление лазерной мощности, достаточной для развития ВКР генерации.

2. Непрерывный ВКР-лазер по п.1, отличающийся тем, что источник лазерной накачки выполнен в виде хотя бы одного лазерного диода.

3. Непрерывный ВКР-лазер по п.1, отличающийся тем, что лазерная среда, расположенная внутри резонатора, выполнена в виде кристалла Nd³⁺:YVO₄, или Nd³⁺:YAG, или Nd³⁺:KGW, или Nd³⁺:LSB.

4. Непрерывный ВКР-лазер по п.1, отличающийся тем, что ВКР-среда, расположенная внутри резонатора, выполнена в виде кристалла Ba(NO₃)₂, или BaWO₄, или KGW.

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 дополнительно содержит сферическое зеркало, расположенное так, что угол падения на него генерируемого в резонаторе излучения лежит в диапазоне 5-60°, 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 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 ВКР-лазер дополнительно содержит твердотельную лазерную активную среду, расположенную внутри резонатора, 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, при этом зеркала резонатора имеют коэффициенты отражения на длине волны генерации лазерной среды, обеспечивающие накопление лазерной мощности, достаточной для развития ВКР генерации.

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 Nd³⁺:YVO₄, или Nd³⁺:YAG, или Nd³⁺:KGW, или Nd³⁺:LSB.

11. Непрерывный ВКР-лазер по п.8, отличающийся тем, что ВКР-среда, расположенная внутри резонатора, выполнена в виде кристалла Ba(NO₃)₂, или BaWO₄, или KGW.

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 дополнительно содержит сферическое зеркало, расположенное так, что угол падения на него генерируемого в резонаторе излучения лежит в диапазоне 5-60°, 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 12, отличающийся тем, что резонатор является кольцевым.

РИСУНКИ