[go: up one dir, main page]

RU2239920C1 - Method for organizing inversion distribution in laser active element - Google Patents

Method for organizing inversion distribution in laser active element Download PDF

Info

Publication number
RU2239920C1
RU2239920C1 RU2003109222/28A RU2003109222A RU2239920C1 RU 2239920 C1 RU2239920 C1 RU 2239920C1 RU 2003109222/28 A RU2003109222/28 A RU 2003109222/28A RU 2003109222 A RU2003109222 A RU 2003109222A RU 2239920 C1 RU2239920 C1 RU 2239920C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
active element
laser
pump
active
diaphragm
Prior art date
Application number
RU2003109222/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2003109222A (en
Inventor
Ю.В. Сенатский (RU)
Ю.В. Сенатский
тахин М.В. П (RU)
М.В. Пятахин
Н.Е. Быковский (RU)
Н.Е. Быковский
Кен-ичи Уеда (JP)
Кен-ичи Уеда
Акира Ширакава (JP)
Акира Ширакава
Йохей Сато (JP)
Йохей Сато
Original Assignee
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН filed Critical Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН
Priority to RU2003109222/28A priority Critical patent/RU2239920C1/en
Publication of RU2003109222A publication Critical patent/RU2003109222A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2239920C1 publication Critical patent/RU2239920C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Lasers (AREA)

Abstract

FIELD: quantum electronics for laser technology, data transfer systems, medicine, and research work.
SUBSTANCE: proposed method used for solid state , liquid, and gas lasers includes organization of inversion distribution in laser active element of length 1 in direction of z, 0 < 1 < z, with characteristic size of input aperture a 0 along transverse coordinate r, while selectively pumping active element by beams in narrow spectral domain Δλ p near wavelength λ p , Δλ p << λ, into medium absorption band in infrared, visible, or ultraviolet spectrum range. Pumping beam having characteristic transverse size r 0 and wavefront curvature radius ρ passes through aperture of pumping energy concentration system, then advances in active element in direction z, and is absorbed in active medium thereby organizing inversion of n(r, z). Diaphragm having transverse size a, a < r 0 < a 0 is proposed for use as energy concentration system; active element is placed in Fresnel beam diffraction region on diaphragm so that integer Fresnel number N = a 2 /λZ ≥ 1, where Z = zρ((z + ρ), corresponds to distance z between diaphragm and input aperture of active element; active element length is chosen from expression l ≤ a 2 /λN(N + 1).
EFFECT: enhancing pumping power density in active medium by many times.
1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при работе с твердотельными, жидкостными и газовыми лазерами, применяемыми в лазерной технологии, системах передачи информации, медицине, в научных исследованиях.The invention relates to quantum electronics and can be used when working with solid-state, liquid and gas lasers used in laser technology, information transfer systems, medicine, in scientific research.

Известны традиционные способы формирования распределения инверсии в активных элементах твердотельных, жидкостных и газовых лазеров при их селективной накачке пучками излучения в ИК, видимом или УФ диапазонах спектра /1-12/. Источниками селективной накачки могут являться полупроводниковые лазерные диоды, лазеры на неодимовом стекле и кристаллах граната с неодимом, лазеры других типов /1-12/. Излучение накачки в узкой спектральной области Δ λ р около длины волны λ , Δ λ р<<λ , направляется в активную среду с шириной полосы поглощения Δ λ а и с коэффициентом поглощения к (λ ). Обычно, Δ λ р<Δ λ а, а длина среды 1 вдоль направления накачки z, 0<l<z, выбирается такой, что ее оптическая толщина, k(λ )1≥ 3. При плотности мощности накачки I(r) меньшей плотности мощности насыщения полосы поглощения, Iнас, это условие обеспечивает практически полное поглощение накачки в среде /3/. При I(r)>Iнас излучение накачки просветляет активную среду и частично выходит из нее, не поглощаясь /3/. Используются разнообразные схемы селективной накачки, различающиеся ориентацией направлений распространения накачки в среде по отношению к направлению рабочего лазерного пучка. Известными схемами являются “поперечная” - направление накачки перпендикулярно рабочему лазерному пучку и “продольная” - накачка вдоль лазерного пучка /1-12/. Практически в каждой из традиционных схем используется та или иная система концентрации излучения накачки на активный элемент, в состав которой могут входить отражатели, светопроводы, фокусирующая излучение оптика /1-12/. На фиг.1а представлена схема “продольной” накачки с фокусировкой излучения в активном элементе /7-12/. Цифрами на фиг.1а обозначены: 1 - пучок накачки; 3 - объектив, фокусирующий излучение накачки; 4 - активный элемент. Пучок накачки с характерным размером r0 по поперечной координате r, проходя через апертуру системы концентрации (объектив), попадает на входную апертуру активного элемента с размером а0, r0≤ a0, и распространяется затем в активной среде вдоль направления z, фиг.1а. Возникающие при накачке распределения инверсии в активной среде, n(r,z), зависят от распределения интенсивности накачки в поперечном сечении пучка, от применяемой системы концентрации, от величины коэффициента поглощения k(λ ). На фиг.1а исходный пучок накачки близок к параллельному, т.е. радиус кривизны его волнового фронта ρ ≈ ∞ . Для накачки могут использоваться, конечно, и пучки, имеющие определенную угловую расходимость, для которых ρ принимает конкретные (положительные) значения. Для сходящихся пучков ρ - отрицательны.Known are traditional methods of forming the inversion distribution in the active elements of solid-state, liquid, and gas lasers when they are selectively pumped by radiation beams in the IR, visible, or UV spectral ranges / 1-12 /. Sources of selective pumping can be semiconductor laser diodes, neodymium glass lasers and neodymium garnet crystals, and other types of lasers / 1-12 /. The pump radiation in a narrow spectral region Δ λ p near the wavelength λ, Δ λ p << λ, is directed into the active medium with an absorption bandwidth Δ λ a and with an absorption coefficient k (λ). Usually, Δ λ p <Δ λ a , and the length of the medium 1 along the pump direction z, 0 <l <z, is chosen such that its optical thickness, k (λ) 1≥ 3. At a pump power density I (r) less the saturation power density of the absorption band, I us , this condition provides almost complete absorption of the pump in the medium / 3 /. For I (r)> I us , the pump radiation enlightens the active medium and partially leaves it without being absorbed / 3 /. A variety of selective pumping schemes are used, which differ in the orientation of the pump propagation directions in the medium with respect to the direction of the working laser beam. Known schemes are “transverse” - the direction of pumping perpendicular to the working laser beam and “longitudinal” - pumping along the laser beam / 1-12 /. Practically in each of the traditional schemes, one or another system of concentration of the pump radiation on the active element is used, which may include reflectors, optical fibers, optical focusing radiation / 1-12 /. On figa presents a diagram of the "longitudinal" pump with focusing radiation in the active element / 7-12 /. The numbers in FIG. 1a indicate: 1 — pump beam; 3 - lens focusing the pump radiation; 4 - active element. A pump beam with a characteristic size r 0 along the transverse coordinate r, passing through the aperture of the concentration system (objective), enters the input aperture of the active element with a size a 0 , r 0 ≤ a 0 , and then propagates in the active medium along the z direction, FIG. 1a. The inversions occurring during pumping in the active medium, n (r, z), depend on the distribution of the pump intensity in the beam cross section, on the concentration system used, and on the absorption coefficient k (λ). In Fig. 1a, the initial pump beam is close to parallel, i.e. the radius of curvature of its wavefront is ρ ≈ ∞. For pumping, of course, beams with a certain angular divergence can also be used, for which ρ takes on specific (positive) values. For convergent beams, ρ are negative.

Многие схемы накачки ориентированы на получение близкого к однородному распределения инверсии по объему активной среды. Такие распределения часто используются и в генераторах, и в усилителях лазерного излучения. В работе /4/ применена поперечная накачка кристалла LiF:F - 2 с апертурой 80 см2 и толщиной 1=4 см излучением лазера на неодимовом стекле с энергией 700 Дж. В работе /5/ осуществлена продольная накачка усилителя на пластине из кристалла Yb:S-FAP с апертурой 6× 6 мм и l=44 мм излучением лазера на кристалле Cr:LiSAF, а в работе /6/ для накачки 8 пластин из этого кристалла с размерами 4× 6× 0,75 см использовалось несколько батарей полупроводниковых диодов с общей мощностью 80 кВт. Для концентрации излучения накачки на активные элементы в /4-6/ использовались зеркала, линзы, светопроводы. В работах /7, 8/ применялась продольная накачка активных элементов (кристалла LiF:F + 2 /7/ и иттербий-эрбиевого стекла /8/) излучением неодимового лазера. Для концентрации излучения накачки на активные элементы пучок накачки сжимался с помощью телескопической системы /8/ или использовалось расположение активной среды в каустике длиннофокусной линзы /7/. В работах /4-8/ в активных элементах формировалось близкое к однородному распределение накачки и инверсии.Many pump schemes are oriented toward obtaining a nearly uniform distribution of inversion over the volume of the active medium. Such distributions are often used in both generators and laser amplifiers. The transverse pumping of a LiF: F crystal was applied in / 4 / - 2 with an aperture of 80 cm 2 and a thickness of 1 = 4 cm by radiation from a neodymium glass laser with an energy of 700 J. In / 5 /, the amplifier was longitudinally pumped on a plate made of a Yb: S-FAP crystal with an aperture of 6 × 6 mm and l = 44 mm radiation from a Cr: LiSAF crystal laser, and / 6 / used several batteries of semiconductor diodes with a total power of 80 kW to pump 8 plates of this crystal with dimensions of 4 × 6 × 0.75 cm. To concentrate the pump radiation on the active elements in / 4-6 /, mirrors, lenses, and optical fibers were used. In works / 7, 8 /, longitudinal pumping of active elements (LiF: F crystal was used + 2 / 7 / and ytterbium-erbium glass / 8 /) by the radiation of a neodymium laser. To concentrate the pump radiation on the active elements, the pump beam was compressed using the telescopic system / 8 / or the location of the active medium in the caustic of a telephoto lens / 7 / was used. In [4–8 /, in the active elements, a nearly uniform distribution of pumping and inversion was formed.

Одной из широко применяемых схем селективной накачки является также фокусировка с помощью объектива пучка излучения внутрь объема лазерной среды в резонаторе, причем в фокальной области объектива стараются сформировать распределение инверсии, соответствующее основному типу колебаний резонатора. В этом случае создаются условия, благоприятные для получения в резонаторе одномодовой генерации на этом типе колебаний. Такие схемы накачки описаны в работах /9-12/.One of the widely used selective pumping schemes is also the focusing of the radiation beam with the lens into the volume of the laser medium in the cavity, and in the focal region of the lens they try to form an inversion distribution corresponding to the main type of resonator vibrations. In this case, favorable conditions are created for obtaining single-mode oscillations in this resonator in this type of oscillations. Such pumping circuits are described in / 9-12 /.

В известных схемах селективной накачки достаточно сложно сформировать в поперечном сечении активной среды распределения инверсии с несколькими максимумами и минимумами, которые соответствовали бы условиям селективного возбуждения в генераторе не основного, а одного из высших типов колебаний или условиям усиления в активной среде лазерных пучков с профилированным распределением интенсивности. В то же время формирование в активной среде таких распределений инверсии для получения одномодовой генерации на высших типах колебаний и для усиления профилированных лазерных пучков представляет значительный интерес для многих областей применения лазеров. Интерес представляет также разработка новых методов концентрации излучения накачки на активные элементы лазеров.In the known selective pumping schemes, it is quite difficult to form inverse cross sections of the active medium with several maxima and minima that would correspond to the conditions of selective excitation in the generator, not of the main one, but of one of the highest modes of amplification or amplification conditions in the active medium of laser beams with a profiled intensity distribution . At the same time, the formation of such inversion distributions in the active medium for obtaining single-mode lasing at higher types of oscillations and for amplifying profiled laser beams is of considerable interest for many applications of lasers. Of interest is also the development of new methods for concentrating pump radiation on active laser elements.

Наиболее близким к изобретению является способ формирования распределения инверсии в активном элементе на кристалле Yb:YAG, описанный в работе /10/. Коллимированный пучок накачки с диаметром около 10 мм от лазера на кристалле сапфира с титаном, работавшего в узком спектральном диапазоне, Δ λ р≈ 1 нм, около длины волны λ ≈ 0,94 мкм, проходил через апертуру линзы с фокусным расстоянием 150 мм и фокусировался на пластину из Yb:YAG в резонаторе. Ширина полосы поглощения кристалла Yb:YAG с центром вблизи длины волны 0,94 мкм, Δ λ a>10 нм. В пластине толщиной 1=2 мм обеспечивалось практически полное поглощение накачки. Область фокусировки излучения накачки в пластине хорошо перекрывалась с объемом активной среды, занимаемым модой ТЕМ00, что и обеспечивало условия одномодовой генерации иттербиевого лазера на длине волны 1,03 мкм. При фокусировке пучка накачки в объеме активной среды формируется, как правило, колоколообразное распределение интенсивности, характерное для дальней (фраунгоферофой) зоны распространения пучка накачки. В этих условиях преимущественное развитие в резонаторе получает основной тип колебаний с максимумом интенсивности на оси, что и демонстрируют результаты работы /10/ и других публикаций /9, 11, 12/.Closest to the invention is a method of forming the distribution of inversion in the active element on a Yb: YAG crystal, described in / 10 /. A collimated pump beam with a diameter of about 10 mm from a laser on a sapphire crystal with titanium operating in a narrow spectral range, Δ λ p ≈ 1 nm, near a wavelength of λ ≈ 0.94 μm, passed through an aperture of a lens with a focal length of 150 mm and focused on a plate of Yb: YAG in the cavity. The absorption bandwidth of a Yb: YAG crystal with a center near a wavelength of 0.94 μm, Δ λ a > 10 nm. An almost complete absorption of the pump was ensured in a plate with a thickness of 1 = 2 mm. The focus area of the pump radiation in the plate well overlapped with the volume of the active medium occupied by the TEM 00 mode, which provided the conditions for single-mode generation of an ytterbium laser at a wavelength of 1.03 μm. When focusing the pump beam in the volume of the active medium, as a rule, a bell-shaped intensity distribution is formed that is characteristic of the far (Fraunhoferophae) zone of propagation of the pump beam. Under these conditions, the main type of oscillations with maximum intensity on the axis receives predominant development in the resonator, which is demonstrated by the results of / 10 / and other publications / 9, 11, 12 /.

Техническая задача изобретения - создание способа формирования распределения инверсии в активном элементе лазера, который обеспечивал бы концентрацию излучения накачки на активный элемент и получение в активной среде наряду с традиционным колоколообразным распределением интенсивности в поперечном сечении пучка накачки профили более сложного вида, включая профили с несколькими максимумами и минимумами, которые соответствовали бы условиям возбуждения в резонаторе лазера не основного, а высших типов колебаний, а для усилителя - условиям транспортировки профилированных лазерных пучков.The technical task of the invention is to provide a method for generating the inversion distribution in the active element of the laser, which would provide a concentration of pump radiation on the active element and obtain, in the active medium, along with the traditional bell-shaped intensity distribution in the cross section of the pump beam, profiles of a more complex form, including profiles with several maxima and the minima that would correspond to the excitation conditions in the laser cavity of not the main but higher types of vibrations, and for the amplifier, pits for transporting profiled laser beams.

Поставленная задача решается следующим образом. Предлагается способ формирования инверсии в активном элементе лазера на основе твердотельной, жидкой или газообразной среды длиной 1 по направлению z, 0<l<z, с характерным размером входной апертуры а0 по поперечной координате r, включающий селективную накачку активного элемента излучением в узкой спектральной области Δ λ р около длины волны λ , Δ λ р<<λ , в полосу поглощения среды в ИК, видимом или УФ диапазонах спектра, причем пучок накачки с характерным поперечным размером r0 и радиусом кривизны волнового фронта ρ проходит через апертуру системы концентрации энергии накачки и распространяется затем в активном элементе вдоль направления z, поглощаясь в активной среде и формируя распределение инверсии n(r,z). В качестве системы концентрации излучения предлагается диафрагма с поперечным размером а, а≤ r0≤ а0, активный элемент размещают в зоне дифракции Френеля пучка на диафрагме, так, что расстоянию z от диафрагмы до входной апертуры активного элемента соответствует целое число Френеля N=a2/λ Z≥ 1, Z=zρ /(z+ρ ), а длину активного элемента выбирают в соответствии с соотношением 1≤ a2/λ N(N+l). Схема формирования распределения инверсии в активном элементе лазера с использованием дифракции Френеля пучка накачки на круглой диафрагме (2) представлена на фиг.1б.The problem is solved as follows. A method is proposed for forming an inversion in an active element of a laser based on a solid-state, liquid, or gaseous medium with a length of 1 in the z direction, 0 <l <z, with a characteristic input aperture size a 0 along the transverse coordinate r, including selective pumping of the active element by radiation in a narrow spectral region Δ λ r approximately λ wavelength, Δ λ p << λ, in the absorption medium band in the IR, visible and UV spectral ranges, wherein the pump beam to the characteristic transverse dimension r 0 and a radius of curvature ρ wavefront passes through aperture ICI emy pump energy concentration and then propagates in the active element along the direction z, absorbed in the active medium and forming an inversion distribution n (r, z). A diaphragm with a transverse dimension a, а≤ r 0 ≤ а 0 is proposed as a radiation concentration system, the active element is placed in the beam Fresnel diffraction zone on the diaphragm, so that the distance z from the diaphragm to the input aperture of the active element corresponds to an integer Fresnel number N = a 2 / λ Z≥ 1, Z = zρ / (z + ρ), and the length of the active element is selected in accordance with the ratio 1≤ a 2 / λ N (N + l). A diagram of the formation of the inversion distribution in the active element of the laser using Fresnel diffraction of a pump beam on a circular diaphragm (2) is shown in Fig. 1b.

В заявляемом способе предлагается использовать для формирования профилей инверсии в активной среде распределения интенсивности излучения, которые возникают в ближней (френелевой) зоне дифракции лазерного пучка (пучка накачки) на апертурной диафрагме. Как известно, см. например /13/, при дифракции пучка излучения с длиной волны λ на круглой диафрагме с радиусом а<r0, где r0 - радиус пучка, по трассе распространения пучка по оси z возникают распределения интенсивности с чередующимися вдоль z максимумами и минимумами. Положения этих экстремальных точек на оси z, а также число максимумов (минимумов) в поперечном сечении пучка для данной координаты z определяются целочисленными значениями параметра N=a2/λ Z (числа Френеля). Для коллимированного пучка накачки Z=z. На фиг.2-4 представлены расчетные кривые распределения интенсивности по координатам r и z для коллимированного пучка накачки на длине волны 0,53 мкм, дифрагировавшего на круглой диафрагме ⌀ 1 мм. Исходное распределение интенсивности в поперечном сечении пучка на диафрагме считалось равномерным с начальным уровнем I0=1. Фиг.2 иллюстрирует характерное для дифракции Френеля на круглой диафрагме расположение максимумов и минимумов интенсивности вдоль оси z. Наибольшую ширину вдоль z имеет максимум, соответствующий N=1. По мере роста N ширина максимумов (минимумов) и расстояние между ними по оси z уменьшаются. Выбирая длину активного элемента 1 в соответствии с изменением числа Френеля, 1≤ a2/λ N(N+l), можно располагать активный элемент в пределах ширины конкретного максимума (минимума) интенсивности и формировать в пределах апертуры активного элемента с характерным поперечником а0≥ r0 соответствующее данному N распределение интенсивности накачки. При дифракции Френеля сходящихся (или расходящихся) пучков зона дифракции сокращается (удлиняется), что можно использовать для решения конкретных задач по формированию распределений инверсии в активных элементах.In the inventive method, it is proposed to use for the formation of inversion profiles in the active medium the distribution of radiation intensities that occur in the near (fresnel) zone of diffraction of the laser beam (pump beam) on the aperture diaphragm. As is known, see, for example, / 13 /, in the case of diffraction of a radiation beam with a wavelength λ on a circular aperture with a radius a <r 0 , where r 0 is the beam radius, intensity distributions arise along the beam propagation path along the z axis along maxima alternating along z and lows. The positions of these extreme points on the z axis, as well as the number of maxima (minima) in the beam cross section for a given z coordinate, are determined by integer values of the parameter N = a 2 / λ Z (Fresnel numbers). For a collimated pump beam, Z = z. Figure 2-4 presents the calculated curves of the intensity distribution along the coordinates r and z for the collimated pump beam at a wavelength of 0.53 μm, diffracted on a circular aperture ⌀ 1 mm The initial intensity distribution in the beam cross section at the diaphragm was considered uniform with the initial level I 0 = 1. Figure 2 illustrates the characteristic of Fresnel diffraction on a circular diaphragm, the location of the maxima and minima of intensity along the z axis. The maximum width along z has a maximum corresponding to N = 1. As N grows, the width of the maxima (minima) and the distance between them along the z axis decrease. Choosing the length of the active element 1 in accordance with the change in the Fresnel number, 1≤ a 2 / λ N (N + l), you can position the active element within the width of a specific maximum (minimum) of intensity and form within the aperture of the active element with a characteristic diameter a 0 ≥ r 0 the distribution of the pump intensity corresponding to a given N. During Fresnel diffraction of converging (or diverging) beams, the diffraction zone shrinks (lengthens), which can be used to solve specific problems of generating inversion distributions in active elements.

Существенным обстоятельством для накачки активной среды является тот факт, что на оси распространения дифрагировавшего пучка, а также вблизи от оси в зоне Френеля возможно получить увеличение исходной интенсивности (плотности мощности) излучения I0 до 4 раз (для круглой диафрагмы, при равномерном распределении интенсивности I0 на ее входе). При N=1, фиг.3, распределение накачки имеет максимум на оси, I=4 I0. При N=2, фиг.4а, получается распределение с минимумом на оси и двумя максимумами с интенсивностью ≈ 2 I0. При N=3, фиг.4б, - распределение с тремя максимумами: центральным с интенсивностью 4 I0 и двумя боковыми ≈ 1,5 I0 и т.д.An essential circumstance for pumping the active medium is the fact that on the propagation axis of the diffracted beam, and also close to the axis in the Fresnel zone, it is possible to obtain an increase in the initial radiation intensity (power density) I 0 up to 4 times (for a circular diaphragm, with a uniform intensity distribution I 0 at its entrance). When N = 1, Fig. 3, the pump distribution has a maximum on the axis, I = 4 I 0 . At N = 2, Fig. 4a, a distribution is obtained with a minimum on the axis and two maxima with an intensity of ≈ 2 I 0 . At N = 3, Fig. 4b, the distribution with three maxima: central with an intensity of 4 I 0 and two lateral ≈ 1.5 I 0 , etc.

Профили инверсии, формируемые в активном элементе при разных значениях N, зависят также и от плотности мощности накачки. Для получения в активной среде распределений инверсии подобных распределениям интенсивности накачки во френелевой зоне дифракции пучка накачки существенным является ограничение на плотность мощности падающего на среду излучения. Плотность мощности накачки I не должна превышать уровень плотности мощности насыщения Iнас полосы поглощения активной среды. В этих условиях, как показывает расчет, профили инверсии практически повторяют распределения интенсивности накачки. На распределениях, представленных на фиг.3, 4, указаны (по осям ординат) значения усредненной по z плотности инверсии, n(r), которые могут быть достигнуты в кристалле YAG:Nd3+ при накачке его излучением на длине волны 0,53 мкм во френелевой зоне дифракции пучка накачки на диафрагме ⌀ 1 мм. Для кристалла с начальной концентрацией активатора ≈ 5× 1019 см-3 при интенсивностях накачки <50 кВт/см2 при N=1 может быть достигнута на оси пучка плотность инверсии n(0)≈ 1018 см-3. При I>Iнас распределения инверсии будут деформироваться (сглаживаться) вследствие эффекта просветления активной среды. Однако и при I>Iнас возникающие в среде распределения инверсии могут представлять интерес для формирования профилей лазерных пучков в генераторах и усилителях.The inversion profiles formed in the active element at different values of N also depend on the pump power density. In order to obtain inversion distributions in the active medium similar to pump intensity distributions in the Fresnel zone of diffraction of the pump beam, the restriction on the power density of the radiation incident on the medium is essential. The density of the pump power I should not exceed the level of the density of the saturation power I us of the absorption band of the active medium. Under these conditions, as the calculation shows, the inversion profiles practically repeat the distribution of the pump intensity. The distributions shown in Figs. 3 and 4 show (along the ordinates) the values of the inversion density averaged over z, n (r), which can be achieved in a YAG: Nd 3+ crystal when it is pumped by radiation at a wavelength of 0.53 μm in the fresnel zone of diffraction of the pump beam at a diaphragm ⌀ 1 mm. For a crystal with an initial activator concentration of ≈ 5 × 10 19 cm -3 at pump intensities <50 kW / cm 2 at N = 1, the inversion density n (0) ≈ 10 18 cm -3 can be achieved on the beam axis. When I> I inversion distribution we will deform (flatten) the active medium due to bleaching effect. However, when I> I have encountered in the inversion distribution medium may be of interest for forming laser beams of profiles in oscillators and amplifiers.

Другим существенным требованием к параметрам накачки является ограничение на ширину спектра излучения, Δ λ р. Спектр излучения накачки должен “укладываться” в пределах ширины полосы поглощения активной среды Δ λ a, обычно Δ λ р≤ Δ λ а. Кроме того, чтобы исключить деформирование профиля распределения накачки (и профиля инверсии), связанное с наложением различных дифракционных распределений интенсивности, получающихся при изменении длины волны излучения накачки, необходимо, как нетрудно показать, выполнение условия Δ λ p<<λ . Для большинства рассматриваемых нами случаев селективной накачки активных сред это неравенство хорошо выполняется.Another essential requirement for the pump parameters is the limitation on the width of the radiation spectrum, Δ λ p . The pump radiation spectrum should “fit” within the absorption bandwidth of the active medium Δ λ a , usually Δ λ p ≤ Δ λ a . In addition, in order to exclude deformation of the pump distribution profile (and the inversion profile) associated with the superposition of various diffraction intensity distributions resulting from a change in the pump radiation wavelength, it is easy to show that the condition Δ λ p << λ is fulfilled. For most cases of selective pumping of active media under consideration, this inequality is well satisfied.

Помимо дифракционных распределений интенсивности с круговой симметрией (фиг.2-4) хорошо известны распределения интенсивности в зоне Френеля при дифракции пучков на прямоугольных, эллиптических и раде других диафрагм /13/. Эти распределения также могут быть использованы для формирования профилей инверсии в активных средах.In addition to the diffraction intensity distributions with circular symmetry (Fig.2-4) are well known intensity distribution in the Fresnel zone when the diffraction of beams on rectangular, elliptical and a number of other diaphragms / 13 /. These distributions can also be used to form inversion profiles in active media.

Достоинством предлагаемого способа формирования инверсии является его простота. Несмотря на некоторые потери энергии, связанные с диафрагмированием, для увеличения плотности энергии накачки кроме самой диафрагмы не требуется никакой другой оптики. Существенным моментом в предлагаемом способе является также возможность его применения для концентрации энергии накачки в коротковолновом диапазоне длин волн, где не может использоваться обычная оптика. Привлекательным представляется использование предлагаемого способа формирования инверсии для микролазеров. Для пучков малого размера протяженность зоны дифракции Френеля невелика (например, при λ =1 мкм, N=1, а=0,1 мм, z=1 см) и источник накачки вместе с активной средой могут быть размещены в пределах небольшой по размерам схемы.The advantage of the proposed method of forming the inversion is its simplicity. Despite some energy loss associated with aperture, no other optics are required to increase the pump energy density except the diaphragm itself. An essential point in the proposed method is also the possibility of its application for the concentration of pump energy in the short wavelength range of wavelengths, where conventional optics cannot be used. It seems attractive to use the proposed method of forming an inversion for microlasers. For small beams, the length of the Fresnel diffraction zone is small (for example, at λ = 1 μm, N = 1, a = 0.1 mm, z = 1 cm) and the pump source together with the active medium can be placed within a small-sized scheme .

Предлагаемый способ формирования инверсии в активном элементе лазера был подтвержден экспериментально. Эксперимент проводился по схеме фиг.1б. Пучок излучения на длине волны 0,53 мкм от лазера на кристалле YAG:Nd3+ с преобразованием во вторую гармонику направлялся на активный элемент из керамики YAG:Nd3+ ⌀ 8× 40 мм, установленный в резонаторе из двух зеркал с коэффициентами отражения по ≈ 15% на длине волны 1,06 мкм. Лазер накачки работал в режиме однократных импульсов с длительностью 3,5 нс и энергией до 200 мДж. При накачке таким коротким импульсом излучения инверсия в активной среде формируется также за короткое время и в резонаторе развивается “гигантский” импульс генерации. Пучок накачки ⌀ 6 мм мог ограничиваться ирисовой диафрагмой, которая располагалась на расстоянии ≈ 50 см от активного элемента. Было установлено, что при уменьшении диаметра ирисовой диафрагмы (т.е. при уменьшении энергии накачки) наблюдается рост энергии генерации лазера на керамике, сокращение длительности импульса генерации и уменьшение времени задержки этого импульса относительно импульса накачки. Так, например, при использовании для ограничения пучка накачки диафрагмы ⌀ 2 мм энергия генерации не превышала 3 мкДж, длительность импульса составляла ≈ 200 нс, а его задержка - ≈ 350 нс. В то же время для диафрагмы ⌀ 1 мм энергия генерации керамического лазера достигала 130 мкДж, длительность импульса и его задержка составляли ≈ 20 нс. Таким образом, при уменьшении энергии накачки наблюдалось резкое увеличение энергии и мощности генерации керамического лазера. Этот парадоксальный, на первый взгляд, факт находит свое объяснение при учете особенностей распределения интенсивности в поперечном сечении пучка накачки при его дифракции на апертурной диафрагме. Действительно, для диафрагмы ⌀ 1 мм при λ =0,53 мкм на расстоянии z=47 см от нее находится максимум распределения интенсивности (N=1) с пиковым значением на оси z в ≈ 4 раза превышающим интенсивность лазера накачки на ирисовой диафрагме. Активный элемент находится в наиболее благоприятной для формирования высокого уровня инверсии области френелевой зоны дифракции пучка накачки - в зоне протяженного максимума при N=1. Это приводит к росту энергии и мощности излучаемого керамическим лазером “гигантского” импульса и сокращению времени задержки генерации. В то же время для диафрагмы ⌀ 2 мм активный элемент оказывается в зоне минимума накачки (N≈ 4), уровень инверсии в среде невысокий и энергия и мощность “гигантского” импульса невелики, а время задержки генерации - большое. Проведенный эксперимент подтверждает возможность концентрации излучения накачки в активном элементе лазера при расположении его во френелевой зоне дифракции пучка накачки на ограничивающей пучок апертурной диафрагме. Прямые измерения распределения интенсивности накачки в зоне дифракции Френеля при N=1 с помощью матричного фотоприемника показали его соответствие расчетным значениям, фиг.3.The proposed method of forming an inversion in the active element of the laser was confirmed experimentally. The experiment was conducted according to the scheme figb. A beam of radiation at a wavelength of 0.53 μm from a YAG: Nd 3+ crystal laser with conversion to the second harmonic was directed to an active element made of YAG ceramic: Nd 3+ ⌀ 8 × 40 mm, mounted in a resonator of two mirrors with reflection coefficients ≈ 15% at a wavelength of 1.06 μm. The pump laser operated in the mode of single pulses with a duration of 3.5 ns and an energy of up to 200 mJ. When such a short pulse of radiation is pumped, an inversion in the active medium is also formed in a short time and a “giant” generation pulse develops in the resonator. A pump beam of ⌀ 6 mm could be limited by an iris diaphragm, which was located at a distance of ≈ 50 cm from the active element. It was found that with a decrease in the diameter of the iris diaphragm (i.e., with a decrease in the pump energy) there is an increase in the generation energy of a ceramic laser, a decrease in the duration of the generation pulse and a decrease in the delay time of this pulse relative to the pump pulse. For example, when using a diaphragm ⌀ 2 mm to limit the pump beam, the generation energy did not exceed 3 μJ, the pulse duration was ≈200 ns, and its delay was ≈ 350 ns. At the same time, for a diaphragm ⌀ 1 mm, the generation energy of a ceramic laser reached 130 μJ, the pulse duration and its delay were ≈ 20 ns. Thus, with a decrease in the pump energy, a sharp increase in the energy and lasing power of the ceramic laser was observed. This paradoxical, at first glance, fact is explained by taking into account the features of the intensity distribution in the cross section of the pump beam during its diffraction by the aperture diaphragm. Indeed, for a diaphragm ⌀ 1 mm at λ = 0.53 μm at a distance z = 47 cm from it, there is a maximum of the intensity distribution (N = 1) with a peak value on the z axis ≈ 4 times higher than the intensity of the irradiation pump laser. The active element is in the most favorable region for the formation of a high level of inversion of the Fresnel region of diffraction of the pump beam — in the zone of an extended maximum at N = 1. This leads to an increase in the energy and power of the “giant” pulse emitted by the ceramic laser and a reduction in the delay time of the generation. At the same time, for a diaphragm ⌀ 2 mm, the active element is in the zone of the pump minimum (N≈ 4), the inversion level in the medium is low and the energy and power of the “giant” pulse are small, and the generation delay time is long. The experiment confirms the possibility of concentration of pump radiation in the active element of the laser when it is located in the Fresnel zone of diffraction of the pump beam on the aperture diaphragm bounding the beam. Direct measurements of the distribution of the pump intensity in the Fresnel diffraction zone at N = 1 using an array photodetector showed its correspondence to the calculated values, Fig. 3.

Уровень концентрации энергии накачки и характер распределения инверсии в среде зависят от выбранного месторасположения активного элемента (числа Френеля). Сопоставление распределений инверсии, представленных на фиг.3 и 4, со структурой поля излучения круговых типов колебаний лазера с плоскими зеркалами /14/ показывает, что эти распределения можно использовать для селекции поперечных мод резонатора лазера. Распределение инверсии при N=1 возможно использовать для селекции основного типа колебаний ТЕМ00, при N=2 -для селекции моды ТЕМ * 01 , при N=3 - моды ТЕМ10 и т.д. При использовании для ограничения пучка накачки диафрагм некруглой формы (прямоугольных, эллиптических и др.) возможно будет сформировать профили инверсии для поддержания преимущественного развития в резонаторе лазера поперечных мод других видов.The level of concentration of the pump energy and the nature of the inversion distribution in the medium depend on the selected location of the active element (Fresnel number). A comparison of the inversion distributions shown in Figs. 3 and 4 with the structure of the radiation field of circular types of oscillations of a laser with plane mirrors / 14 / shows that these distributions can be used to select the transverse modes of the laser cavity. The inversion distribution at N = 1 can be used for selection of the main type of TEM 00 oscillations, at N = 2, for the selection of the TEM mode * 01 , for N = 3 - TEM 10 modes, etc. When using non-circular apertures (rectangular, elliptical, etc.) to limit the pump beam, it will be possible to form inversion profiles to maintain the predominant development of other types of transverse modes in the laser cavity.

ЛитератураLiterature

1. Н.Алексеев и др. “Лазерные фосфатные стекла” М., “Наука” (1980).1. N. Alekseev et al. “Laser phosphate glasses” M., “Science” (1980).

2. А.Мак и др. “Лазеры на неодимовом стекле” М., “Наука” (1990).2. A.Mack et al. “Neodymium glass lasers” M., “Science” (1990).

3. W.Krupke et al. "Ground-state depleted solid-state lasers:principles, characteristics and scaling" Optical and Quantum Electronics 22, S1-S22 (1990).3. W. Krupke et al. "Ground-state depleted solid-state lasers: principles, characteristics and scaling" Optical and Quantum Electronics 22, S1-S22 (1990).

4. Т.Басиев и др. “Лазер на центрах окраски в кристалле LiF с выходной энергией 100 Дж” Квантовая электроника 12,6.1125 (1985).4. T. Basiev et al. “Color-center laser in a LiF crystal with an output energy of 100 J” Quantum Electronics 12.6.1125 (1985).

5. C.Marshall et al. "Diode-pumped solid-state laser driver experiments for inertial fusion energy applications" Proc. SPIE 2633 pp.282-289 (1997)5. C. Marshall et al. "Diode-pumped solid-state laser driver experiments for inertial fusion energy applications" Proc. SPIE 2633 pp. 282-289 (1997)

6. А.Bayramian et al. "Initial experiments on Mercury, a 100J/10ns/10Hz diode pumped solid-state laser" Technical papers of the ASSL Conference, Quebec City, Quebec, Canada Febr.4-8, 2002; report MDl-l.6. A. Bayramian et al. "Initial experiments on Mercury, a 100J / 10ns / 10Hz diode pumped solid-state laser" Technical papers of the ASSL Conference, Quebec City, Quebec, Canada Febr. 4-8, 2002; report MDl-l.

7. Т.Басиев и др. “Импульсно-периодический, перестраиваемый лазер на кристалле LiF с F + 2 - центрами, возбуждаемый излучением второй гармоники лазера на гранате с Nd3+” ДАН СССР, 246, 72 (1979).7. T. Basiev et al. “Pulse-periodic, tunable LiF crystal laser with F + 2 - centers excited by the radiation of the second harmonic of a garnet laser with Nd 3+ ”DAN USSR, 246, 72 (1979).

8. Г.Максимова и др. “Генерационные исследования нового иттербий-эрбиевого лазерного стекла, накачиваемого неодимовыми лазерами”. Квантовая электроника 18, 12, 1437-1438 (1991).8. G. Maksimova et al. “Generational studies of a new ytterbium-erbium laser glass pumped by neodymium lasers”. Quantum Electronics 18, 12, 1437-1438 (1991).

9. P.Moulton "An investigation of the Co:MgF2 laser system" IEEE J of QE, QE-21, 10, pp.l582-1595 (1985).9. P. Moulton "An investigation of the Co: MgF 2 laser system" IEEE J of QE, QE-21, 10, pp.l582-1595 (1985).

10. A.Giesen et. al. "Scalable concept for diode-pumped high-power solid-state lasers" Appl. Phys.B, 58, 365 (1994).10. A. Giesen et. al. "Scalable concept for diode-pumped high-power solid-state lasers" Appl. Phys. B, 58, 365 (1994).

11. R.Koch et al. "Efficient room temperature cw Yb:glass laser pumped by a 946 nm Nd:YAG laser" Opt. Comm. 134, 175 (1997).11. R. Koch et al. "Efficient room temperature cw Yb: glass laser pumped by a 946 nm Nd: YAG laser" Opt. Comm. 134, 175 (1997).

12. A.Mak et al. "Solid-state lasers with longitudinal laser-diode pumping: efficiency, scaling, dynamics, and noise" Laser Physics 6, 3, 431 (1996).12. A. Mak et al. "Solid-state lasers with longitudinal laser-diode pumping: efficiency, scaling, dynamics, and noise" Laser Physics 6, 3, 431 (1996).

13. М.Борн, Э.Вольф “Основы оптики”. - М. Наука, 1970.13. M. Born, E. Wolf “Fundamentals of Optics”. - M. Science, 1970.

14. Дж. Бирнбаум “Оптические квантовые генераторы”. - М. Сов. Радио, 1967.14. J. Birnbaum “Optical quantum generators”. - M. Owls. Radio, 1967.

Claims (2)

1. Способ формирования распределения инверсии в активном элементе лазера длиной 1 по направлению z, 0<1<z, с характерным размером входной апертуры а0 по поперечной координате r, включающий селективную накачку активного элемента излучением в узкой спектральной области Δλр около длины волны λ, Δλр<<λ, в полосу поглощения среды в ИК, видимом или УФ диапазонах спектра, причем пучок накачки с характерным поперечным размером r0 и с радиусом кривизны волнового фронта ρ проходит через апертуру системы концентрации энергии накачки и распространяется затем в активном элементе вдоль направления z, поглощаясь в активной среде и формируя распределение инверсии n(r,z), отличающийся тем, что пучок накачки проходит через диафрагму с поперечным размером а, а<r00, активный элемент размещают в зоне дифракции Френеля пучка на диафрагме так, что расстоянию z от диафрагмы до входной апертуры активного элемента соответствует целое число Френеля N=a2/λZ≥1, где Z=zρ/(z+ρ), а длину активного элемента выбирают из соотношения 1≤a2/λN(N+l).1. The method of forming the inversion distribution in the active element of the laser with a length of 1 in the z direction, 0 <1 <z, with a characteristic input aperture size a 0 along the transverse coordinate r, including selective pumping of the active element by radiation in a narrow spectral region Δλ p near the wavelength λ , Δλ p << λ, into the absorption band of the medium in the IR, visible or UV ranges of the spectrum, and a pump beam with a characteristic transverse size r 0 and with a radius of curvature of the wavefront ρ passes through the aperture of the pump energy concentration system and propagates then in the active element along the z direction, being absorbed in the active medium and forming the inversion distribution n (r, z), characterized in that the pump beam passes through the diaphragm with a transverse dimension a, and <r 0 <a 0 , the active element is placed in the zone Fresnel diffraction of the beam at the diaphragm so that the distance z from the diaphragm to the input aperture of the active element corresponds to a Fresnel integer N = a 2 / λZ≥1, where Z = zρ / (z + ρ), and the length of the active element is selected from the relation 1≤ a 2 / λN (N + l). 2. Способ формирования распределения инверсии в активном элементе лазера по п.1, отличающийся тем, что плотность мощности пучка накачки I<Iнас, где Iнас - плотность мощности насыщения полосы поглощения активной среды.2. The method of forming the inversion distribution in the active element of the laser according to claim 1, characterized in that the power density of the pump beam I <I us , where I us is the density of the saturation power of the absorption band of the active medium.
RU2003109222/28A 2003-04-02 2003-04-02 Method for organizing inversion distribution in laser active element RU2239920C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003109222/28A RU2239920C1 (en) 2003-04-02 2003-04-02 Method for organizing inversion distribution in laser active element

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003109222/28A RU2239920C1 (en) 2003-04-02 2003-04-02 Method for organizing inversion distribution in laser active element

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2003109222A RU2003109222A (en) 2004-10-27
RU2239920C1 true RU2239920C1 (en) 2004-11-10

Family

ID=34310632

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2003109222/28A RU2239920C1 (en) 2003-04-02 2003-04-02 Method for organizing inversion distribution in laser active element

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2239920C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2320979C2 (en) * 2006-03-28 2008-03-27 Владимир Павлович Лопасов Method of synthesizing of diamagnetic optical active medium
RU175979U1 (en) * 2017-03-06 2017-12-25 Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И. Шокина" (АО "НПП "Исток" им. Шокина") Pulsed laser

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1322415A (en) * 1970-04-01 1973-07-04 Western Electric Co Apparatus for the stimulated emission of radiation
US4446556A (en) * 1980-10-23 1984-05-01 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Off-axis coherently pumped laser
RU2046477C1 (en) * 1993-07-06 1995-10-20 Лажинцев Борис Васильевич Method of generation of pulse radiation in travelling wave laser and device for its realization

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1322415A (en) * 1970-04-01 1973-07-04 Western Electric Co Apparatus for the stimulated emission of radiation
US4446556A (en) * 1980-10-23 1984-05-01 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Off-axis coherently pumped laser
RU2046477C1 (en) * 1993-07-06 1995-10-20 Лажинцев Борис Васильевич Method of generation of pulse radiation in travelling wave laser and device for its realization

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
GIESEN A. et al. Appl. Phys. - 1994, N 58, р.365. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2320979C2 (en) * 2006-03-28 2008-03-27 Владимир Павлович Лопасов Method of synthesizing of diamagnetic optical active medium
RU175979U1 (en) * 2017-03-06 2017-12-25 Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И. Шокина" (АО "НПП "Исток" им. Шокина") Pulsed laser

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2614440B2 (en) Laser diode pumped solid state laser
KR101324265B1 (en) A laser apparatus
JPH07507901A (en) High power compact diode pump tunable laser
KR102344775B1 (en) High Efficiency Laser System for Third Harmonic Generation
US7991028B1 (en) Tunable solid state laser system
US7440477B2 (en) Solid-state laser generator
JP2020096180A (en) Solid laser
US20050036531A1 (en) Laser device
KR102083267B1 (en) High power ultrashort laser device
CN1323468C (en) Laser device, method of exciting the same, and laser processing machine
RU2239920C1 (en) Method for organizing inversion distribution in laser active element
RU2304332C2 (en) Micro-laser
JP5001598B2 (en) Solid-state laser oscillation device and solid-state laser amplification device
Deana et al. High-efficiency Q-switched and diffraction-limited Nd: YLF side-pumped laser
JPH02185082A (en) Laser die auto-pumped solid-state laser
US8315283B2 (en) Wavelength selectable laser systems and related methods
CN113872030A (en) A 266nm Pulsed Solid State Laser
JP3845687B2 (en) Raman laser oscillator
JP2005158886A (en) Optical amplifier, laser oscillator, and mopa laser device
CN216390021U (en) 266nm pulse solid laser
JPH09331097A (en) Solid-state laser device
JP5831896B2 (en) Optical vortex laser beam oscillation device and oscillation method
RU2300834C2 (en) Compact continuous solid-state fcd laser (alternatives)
JP2006203117A (en) Solid-state laser device
JP6267837B2 (en) Laser equipment

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20060403