перестраиваемый лазер

Формула изобретения

ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ЛАЗЕР, содержащий источник накачки на основе неодимсодержащего активного элемента и модуль перестройки, состоящий из активного элемента Li F : F₂^-, помещенного в дисперсионный резонатор, отличающийся тем, что неодимсодержащий активный элемент источника накачки выполнен из кристалла AlO₃: Nd³⁺ с длиной волны генерации 1,08 мкм для длинноволновой области спектра и из кристалла Li F₁:Nd³⁺ с длиной волны генерации 1,047 мкм для коротковолновой и длинноволновой областей спектра.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к лазерной технике и, в частности, может быть использовано в лазерном приборостроении при создании лазеров для лазерного спектрального анализа, диагностики, фотохимии, волоконной оптики, медицины.

Известен перестраиваемый лазер на основе кристалла фторида лития с F₂⁺ и F₂^- центрами окраски (ЦО), работающий при комнатной температуре [1]. Кристаллы LiF обладают хорошими теплофизическими свойствами F₂^- ЦО в них стабильно работают при комнатной и повышенных температурах, они не разрушаются под действием мощного лазерного излучения, имеют широкую полосу поглощения от 0,85 до 1,1 мкм с высоким сечением абсорбционного перехода. Полоса люминесценции F₂^- ЦО простирается от 1,0 до 1,3 мкм. Лазерную генерацию на F₂^- ЦО авторы получили используя поперечную схему накачки путем передачи энергии от возбужденных F₂⁺ ЦО. Перестройка осуществлялась от 0,88 до 1,0 мкм на F₂⁺ ЦО и от 1,1 до 1,2 мкм на F₂^- ЦО. Эффективность преобразования излучения накачки в перестраиваемое излучение была низкой и составила около 0,5% от падающей энергии лазера накачки.

К числу недостатков данного лазера относится низкий КПД преобразования излучения накачки в перестраиваемое излучение и узкая область перестройки.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является перестраиваемый лазер, включающий в себя лазерный источник накачки на основе активного элемента ИАГ:Nd³⁺ и модуль перестройки, состоящий из активного элемента LiF:F₂^-, помещенного в дисперсионный резонатор [2]. Лазерный источник накачки работал с частотой повторения 12,5-100 Гц с энергией в импульсе генерации до 60 мДж. Дисперсионный резонатор модуля перестройки состоял из входного дихроичного зеркала, призменного телескопа (3-кратного увеличения) и голографического селектора длин волн. Было получено перестраиваемое излучение в диапазоне 1,09-1,23 мкм, с КПД в максимуме перестроечной кривой, равным 10% по падающей на кристалл энергии излучения источника накачки.

К недостаткам устройства-прототипа относится низкая эффективность преобразования излучения источника накачки в модуле перестройки и узкий спектральный диапазон перестраиваемого излучения. Спектр люминесценции F₂^- ЦО простирается от 1 до 1,3 мкм и нет принципиальных ограничений на получение генерации во всей области люминесценции.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности и расширение спектрального диапазона перестраиваемого лазера.

Техническим результатом является расширение спектрального диапазона перестраиваемого лазера до области 1,065-1,29 мкм и повышение КПД модуля перестройки до 40% по отношению к энергии источника накачки.

Это достигается тем, что в перестраиваемом лазере неодимсодержащий активный элемент источника накачки выполнен из кристалла YAlO₃:Nd³⁺ с длиной волны генерации 1,08 мкм для длинноволновой области спектра и из кристалла YLiF₄:Nd³⁺ с длиной волны генерации 1.047 мкм для коротковолновой и длинноволновой областей спектра.

Решение технической задачи стало возможным благодаря использованию в качестве активных элементов лазерного источника накачки кристаллов YLiF₄ и YAlO₃ с примесью трехвалентных ионов неодима.

На чертеже изображена оптическая схема перестраиваемого лазера.

Перестраиваемый лазер содержит источник накачки 1 на основе неодимсодержащей среды, за которым установлен модуль перестройки 2. Модуль перестройки 2 содержит активный элемент 3, изготовленный из кристалла фторида лития с F₂^- центрами окраски, помещенный в дисперсионный резонатор. Дисперсионный резонатор содержит входное дихроичное зеркало 4, установленное в модуле перестройки 2 между источником накачки 1 и активным элементом 3, и дифракционную решетку 5, установленную за активным элементом.

Перестраиваемый лазер работает следующим образом. Источник накачки 1 работает в импульсно-периодическом режиме с частотой повторения 0-100 Гц. Используется стандартный блок накачки МИЛ-31. Модуляция добротности осуществляется электрооптическим затвором. Длина волны генерации источника накачки определяется материалом активного элемента. Длина волны генерации в зависимости от материала неодимсодержащей среды представлена в таблице. Во всех проведенных ниже экспериментах длительность импульса источника накачки составляет 25 нс, энергия в импульсе равняется 20 мДж. Излучение источника накачки 1 имеет вертикальную поляризацию.

Дисперсионный резонатор модуля перестройки 2 состоит из входного дихроичного зеркала 4 и дифракционной решетки 5. Диэлектрическое покрытие дихроичного зеркала 4 обеспечивает пропускание не менее 90% излучения накачки и отражение в резонатор не менее 99% излучения генерации. Дифракционная решетка 5, имеющая 1200 штр/мм, работает в автоколлимационной схеме в первом порядке дифракции. Нулевой порядок дифракции на решетке 5 используется для выведения перестраиваемого излучения из резонатора. Длина модуля перестройки 2 составляет 23 см. Настройка дисперсионного резонатора осуществляется поворотом дифракционной решетки 5 на соответствующий угол, определяемый условиями дифракции.

Излучение источника накачки 1 с длиной волны, определяемой материалом неодимсодержащей среды, проходя через входное дихроичное зеркало 4 возбуждает активные центры окраски, находящиеся в кристалле фторида лития, из которого изготовлен активный элемент 3. В процессе релаксации активные центры окраски излучают фотоны с различной частотой. Активный элемент представляет собой кристалл LiF:F₂^-, вырезанный под углом Брюстера, длиной 8 см. Коэффициент начального поглощения на длине волны 1.064 мкм равняется 0,23 см^-1. Дисперсионный резонатор позволяет селектировать определенную длину волны из спектра люминесценции F₂^- центров окраски.

Проведены исследования диапазона перестройки и эффективности работы перестраиваемого лазера с источником накачки, использующим различные неодимсодержащие среды YAG:Nd³⁺, YAlO₃:Nd³⁺, YLiF₄:Nd³⁺, длины волн генерации которых, соответственно, равняются 1.064, 1.080, 1.047 мкм. Полоса поглощения F₂^- центров окраски в кристалле LiF простирается от 0,85 до 1,1 мкм с максимумом около 0,96 мкм. Поэтому начальное поглощение на различных длинах волн генерации источника накачки заметно отличается.

В таблице показаны диапазоны перестройки и КПД модуля перестройки по отношению к энергии источника накачки в максимуме перестроечной кривой. Видно, что наибольшим КПД преобразования излучения источника накачки в перестраиваемое излучение в модуле перестройки обладает лазер с источником накачки на основе кристалла YLiF₄:Nd³⁺. Это связано с тем, что коэффициент поглощения F₂^-центров окраски на длине волны 1,047 мкм больше по сравнению с другими длинами волн. Использование источника накачки с различными длинами волн генерации позволяет изменять спектральный диапазон перестраиваемого лазера. Из таблицы видно, что использование в источнике накачки активного элемента из кристалла YAlO₃:Nd³⁺ (длина волны генерации 1,08 мкм) позволяет получать перестраиваемое излучение в более длинноволновой области спектра, использование кристалла YLiF₄:Nd³⁺ позволяет получать перестраиваемое излучение в коротковолновой и длинноволновой областях спектра.