устройство для частотного преобразования лазерного излучения на основе вынужденного комбинационного рассеяния

Формула изобретения

Устройство для частотного преобразования лазерного излучения на основе вынужденного комбинационного рассеяния, содержащее оптически связанные и размещенные на одной оптической оси вогнутое зеркало резонатора лазера, затвор для модуляции добротности, активный элемент, снабженный источником боковой накачки, установленным параллельно геометрической оси активного элемента, отличающееся тем, что в него введена отражательная призма, содержащая две отражающие грани, образующие между собой угол , и одну преломляющую грань, составляющую с отражательными гранями равные острые углы, и установленную под углом к падающему из активной среды излучению, позволяющая отраженное излучение выводить одновременно под углом 180° к падающему излучению без параллельного смещения и под углом к падающему излучению, а на преломляющую грань призмы нанесено покрытие с коэффициентом отражения ₁ 0,5% для угла падения на длину волны ₁ и с коэффициентом отражения ₂ для угла падения на длину волны ₂, на отражающие грани для нормального падения луча нанесено покрытие с коэффициентом отражения ₄ 99% на длины волн ₁ и ₂ и одновременно с коэффициентом отражения ₃ 0,5% для длины волны ₃, а углы и определяются соотношениями: =180°-2 arcsin[(cos( /2))/n], =90°- /2, где - угол между направлением падающего на призму луча и направлением, в котором луч выводится из призмы; n - показатель преломления материала призмы.

Описание изобретения к патенту

Изобретения относятся к оптическому приборостроению, а именно к лазерной технике и ее элементам, и могут быть использованы в различных оптических приборах, дальномерах и лазерной технике, работающей на безопасной длине волны, применяемых для оптической связи, лазерной локации и навигации.

Из уровня техники известно устройство для частотного преобразования лазерного излучения на основе вынужденного комбинационного рассеяния - ВКР (патент РФ № 2012116, МПК Н01S 3/104, публ. 30.04.1994 г.), включающее оптически связанные источник накачки, фокусирующий элемент и ВКР-активную среду, размещенные на одной оптической оси с фокусирующим элементом, выполненным перекрывающим пучок накачки и частично прозрачным за счет имеющихся в нем отверстий.

Однако в указанном устройстве источник волны накачки расположен отдельно от среды, в которой осуществляется ВКР-преобразование, что приводит к увеличению линейных габаритов устройства и появлению возможных нестабильностей излучения при угловых перемещениях источника накачки относительно ВКР-активной среды.

Эти недостатки исключены в устройстве (наиболее близком к заявляемому изобретению) для частотного преобразования лазерного излучения на основе вынужденного комбинационного рассеяния (патент РФ № 2304830, МПК H01S 3/10, публ. 20.08.2007 г.), которое включает оптически связанные и размещенные последовательно на одной оптической оси вогнутое зеркало резонатора лазера, затвор, активный элемент, снабженный источником боковой накачки, и выходное зеркало, отражающее на рабочей длине волны лазерного перехода и полупрозрачное на длине волны вынужденного комбинационного рассеяния, а вогнутое зеркало является отражающим на длине волны накачки и на длине волны вынужденного комбинационного рассеяния.

Для лазера с ВКР-преобразованием активной средой из кристалла калий-гадолиниевого вольфрамата, луч на рабочем лазерном переходе с длиной волны излучения ₁=1.35 мкм преобразуется в луч с длиной волны ₂=1.54 мкм, безопасный для глаз. Лазерный переход с длиной волны ₃=1,067 мкм является конкурирующим по отношению к лазерному переходу с длиной волны ₁=1.35 мкм, которая претерпевает ВКР-преобразование; ₂ - длина волны вынужденного комбинационного рассеяния света; ₃ - длина волны конкурирующего с ₁ лазерного перехода активной среды. В данном устройстве существует сложность изготовления выходного зеркала, требующего нанесения светоделительного покрытия, отражающего на длине волны накачки, полупрозрачного на длине волны вынужденного комбинационного рассеяния и прозрачного на длине волны конкурирующего лазерного перехода.

Задача данного изобретения - создание стабильного малогабаритного лазерного устройства, безопасного для глаз, с высокой стабильностью параметров выходного излучения.

Технический результат достигается тем, что в устройство для частотного преобразования лазерного излучения на основе вынужденного комбинационного рассеяния, содержащее оптически связанные и размещенные на одной оптической оси вогнутое зеркало резонатора лазера, затвор для модуляции добротности, активный элемент, снабженный источником боковой накачки, установленным параллельно геометрической оси активного элемента, введена отражательная призма, содержащая две отражающие грани, образующие между собой угол , и одну преломляющую грань, составляющую с отражательными гранями равные острые углы и установленную под углом к падающему из активной среды излучению, позволяющая отраженное излучение выводить одновременно под углом 180° к падающему излучению без параллельного смещения и под углом к падающему излучению. На преломляющую грань призмы нанесено покрытие с коэффициентом отражения ₁ 0,5% для угла падения на длину волны ₁ и с коэффициентом отражения ₂ для угла падения на длину волны ₂. На отражающие грани для нормального падения луча нанесено покрытие с коэффициентом отражения ₄ 99% на длины волн ₁ и ₂ и одновременно с коэффициентом отражения ₃ 0,5% для длины волны ₃, а углы и определяются соотношениями:

где - угол между направлением падающего на призму луча и направлением, в котором луч выводится из призмы;

n - показатель преломления материала призмы.

Причем призма позволяет без параллельного смещения выводить отраженный луч под углом 180° к падающему.

Эффективные значения коэффициента отражения призмой под углом 180° и под углом к падающему лучу получаются равными:

где ₁₈₀ - результирующий коэффициент отражения луча призмы под углом 180° к падающему;

- отражение призмы под углом к падающему лучу.

На чертеже представлена схема заявляемого устройства для частотного преобразования лазерного излучения на основе ВКР-преобразования.

Устройство содержит активный элемент 1, расположенный на оптической оси устройства и снабженный источником боковой накачки 2 и осветителем 3. На одной оптической оси с активным элементом 1 установлены затвор 4, вогнутое зеркало 5 и отражательная призма 6. Вогнутое зеркало 5 имеет коэффициент отражения на длине волны накачки ₁ и на длине волны ₂ ВКР-преобразования более 99%. Отражательная призма 6 имеет две отражающие грани 7 и 8, образующие между собой угол , и одну преломляющую грань 9, образующую с отражающими гранями 7 и 8 равные углы и установленную под углом к оптической оси (к падающему излучению). На преломляющую грань 9 призмы 6 нанесено покрытие с коэффициентом отражения ₁ 0,5% для угла падения на длину волны ₁ и с коэффициентом отражения ₂ для угла падения на длину волны ₂, а на отражающие грани 7 и 8 нанесено покрытие с коэффициентом отражения ₄ 99% для длин волн ₁ и ₂ и одновременно с коэффициентом отражения ₃ 0,5%, а углы и определяются соотношениями (1) и (2).

Устройство работает следующим образом. В активном элементе 1, например калий-гадалиниевом вольфрамате (KGW), легированном ионами неодима (Nd³⁺ ), возбуждается квантовый переход ⁴F_3/2 -⁴I_13/2 с помощью источника боковой накачки 2. Чтобы убрать генерацию на конкурирующем переходе ⁴ F_3/2-⁴I_11/2 с длиной волны излучения ₃=1,067 мкм, вогнутое зеркало 5 и отражающие грани 7 и 8 призмы 6 просветлены на эту длину волны до остаточного отражения ₃ 0,5%. В результате воздействия на активный элемент 1 излучением боковой накачки 2 возникает излучение с длиной волны ₁=1,35 мкм. После нескольких проходов между вогнутым зеркалом 5 и отражательной призмой 6 излучение с ₁=1,35 мкм в момент открытия затвора 4 мощным световым импульсом возбуждает оптические колебания кристаллической решетки KGW, которые отбирают часть энергии светового кванта с длиной волны ₁=1,35 мкм и преобразуют его в квант световой энергии с длиной волны ₂=1,54 мкм. Преобразованное излучение при распространении внутри резонатора формируется в лазерное излучение с параметрами, определяемыми кривизной вогнутого зеркала 5 резонатора лазера и расстоянием между вогнутым зеркалом 5 и призмой 6. Например, при использовании отражательной призмы 6 с плоской преломляющей гранью 9 и вогнутого зеркала 5 с радиусом кривизны R=1,5 м, расположенного на расстоянии 100 мм от призмы 6, диаметр каустики волнового фронта излучения, выходящего из лазера, составляет ~1 мм, а угловая расходимость излучения составляет ~6 млрад. В отражательной призме входной луч с длинами волн ₁, ₂ и ₃ падает на преломляющую грань 9 под углом падения .

Луч с длиной волны ₁ при достижении грани 9 преломляется, проходит внутри призмы к грани 8, отражается на 180° с коэффициентом отражения ₄ 99% и после вторичного преломления на грани 9 выходит из призмы под углом 180° к падающему. Поскольку поверхность грани 9 просветлена на длину волны ₁, ослабления луча при прохождении волны с ₁ через грань 9 практически не происходит.

Луч с длиной волны ₂ на грани 9 раздваивается. Первая составляющая луча с коэффициентом ₂ отражается от поверхности грани 9 под углом к падающему лучу, а вторая составляющая с коэффициентом пропускания (1- ₂) проходит через покрытия поверхности грани 9, преломляется, проходит внутри призмы к поверхности грани 8, с коэффициентом отражения ₄ 99%, отражается обратно и подходит к грани 9, где опять раздваивается на две составляющие. Одна составляющая преломляется и с коэффициентом пропускания (1- ₂) возвращается под углом 180° к падающему, а вторая составляющая луча отражается поверхностью грани 9 в сторону поверхности грани 7 и с коэффициентом ₄ 99% отражается обратно, проходит к грани 9, где этот луч снова раздваивается. Одна составляющая его преломляется и с коэффициентом пропускания (1- ₂) выходит наружу из призмы под углом к падающему лучу, а вторая составляющая отражается и проходит внутри призмы снова к поверхности грани 8. Процесс этот продолжается многократно.

В результате эффективные значения коэффициента отражения призмой под углом 180° и под углом к падающему лучу получаются равными:

₁₈₀=(1- ₂)/(1+ ₂);

=2 ₂/(1+ ₂);

где ₁₈₀ - результирующий коэффициент отражения луча призмы под углом 180° к падающему,

- отражение призмы под углом к падающему лучу.

Луч с длиной волны ₃ не отражается поверхностью грани 9 призмы в сторону падающего луча, а после преломления на поверхности грани 9 преломленный луч проходит к поверхности грани 8 и отражается в обратном направлении с предельно малым остаточным отражением ₃ 0,5%. Таким образом, вклада излучения с длиной волны ₃ в результирующем отражении призмой ₁₈₀ нет.

В применении к лазеру на ВКР-преобразовании с активным элементом из кристалла калий-гадолиниевого вольфрамата (KGW) для вывода луча из резонатора лазера по конструктивным соображениям выбираем угол отражения =90°. Тогда для отражательной призмы с показателем преломления n=1.5 (стекло К8) угол =23° 45'.

Для применяемых в лазерах на ВКР-преобразовании с активным элементом из KGW выходное зеркало имеет обычно коэффициент отражения на ₂~0,5-0,6, что эквивалентно в нашем случае ₁₈₀.

Если, например, для максимальной выходной мощности необходимо ₁₈₀=0,54, то из соотношений (3) и (4) получим ₂=0,3, ₉₀=0,46, а падающий луч будет направлен под углом падения 45° к поверхности грани 9 призмы.

Таким образом, достигнут технический результат - создано малогабаритное лазерное устройство для частотного преобразования лазерного излучения на основе вынужденного комбинационного рассеяния, с высокой стабильностью параметров выходного излучения, безопасного для глаз, в котором отражательная призма работает в качестве выходного зеркала лазера с ВКР-преобразованием с избирательным отражением на длинах волн лазерных переходов активной среды лазера и преобразованного луча за счет нанесения на грани призмы оптических покрытий, обеспечивающих заданную величину коэффициента отражения. Введение в заявляемое устройство предлагаемой конструкции отражательной призмы позволяет наносить напыление покрытия одинакового с покрытием на отражающую поверхность вогнутого зеркала резонатора лазера в едином техпроцессе.