RU2239920C1 - Method for organizing inversion distribution in laser active element - Google Patents
Method for organizing inversion distribution in laser active element Download PDFInfo
- 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
Links
- 238000009826 distribution Methods 0.000 title claims abstract description 45
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 14
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims abstract description 20
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 13
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims abstract description 7
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 31
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 abstract description 4
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 abstract description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 abstract description 2
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 abstract 1
- 238000002329 infrared spectrum Methods 0.000 abstract 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 abstract 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000002211 ultraviolet spectrum Methods 0.000 abstract 1
- 238000001429 visible spectrum Methods 0.000 abstract 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 12
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 6
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 5
- 229910052779 Neodymium Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- QEFYFXOXNSNQGX-UHFFFAOYSA-N neodymium atom Chemical compound [Nd] QEFYFXOXNSNQGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 2
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 2
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 2
- 241001415849 Strigiformes Species 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052769 Ytterbium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012190 activator Substances 0.000 description 1
- 238000004061 bleaching Methods 0.000 description 1
- 239000003518 caustics Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- KWMNWMQPPKKDII-UHFFFAOYSA-N erbium ytterbium Chemical compound [Er].[Yb] KWMNWMQPPKKDII-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002223 garnet Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000000803 paradoxical effect Effects 0.000 description 1
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- NAWDYIZEMPQZHO-UHFFFAOYSA-N ytterbium Chemical compound [Yb] NAWDYIZEMPQZHO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Lasers (AREA)
Abstract
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
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
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
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
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
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
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"
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)
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)
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)
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 |
-
2003
- 2003-04-02 RU RU2003109222/28A patent/RU2239920C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
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)
Title |
---|
GIESEN A. et al. Appl. Phys. - 1994, N 58, р.365. * |
Cited By (2)
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 |