RU226934U1

RU226934U1 - Laser

Info

Publication number: RU226934U1
Application number: RU2023135244U
Authority: RU
Inventors: Александр Николаевич Белоусов; Константин Вячеславович Кунгурцев; Никита Алексеевич Шадяк; Михаил Ильич Крымский
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "КВАНТ-ФОТОНИКС"
Filing date: 2023-12-26
Publication date: 2024-06-28

Abstract

Полезная модель относится к области квантовой электроники и лазерной техники. Согласно полезной модели, в лазерную систему, содержащую первый диодный модуль, подающий излучения накачки через первую фокусирующую линзу на Cr:YAG-кристалл с регулирующим температуру Cr:YAG-кристалла устройством и оптическим резонатором, образованным первой поверхностью с просветляющим на излучение накачки покрытием Cr:YAG-кристалла и глухим сферическим зеркалом, второй диодный модуль, подающий излучение накачки через вторую фокусирующую линзу на вторую, противоположную первой, поверхность с просветляющим на излучение накачки Cr:YAG-кристалла покрытием, дополнительно введены выходное диэлектрическое зеркало, первое диэлектрическое зеркало, установленное между первой фокусирующей линзой и кристаллом Cr:YAG, второе диэлектрическое зеркало, установленное между второй фокусирующей линзой и кристаллом Cr:YAG, и электрооптический модулятор, оптически сопряженный с глухим сферическим зеркалом, при этом просветляющее на излучение накачки покрытие на первой и второй поверхностях Cr:YAG-кристалла выполнено на длине волны λ=1535 нм. Первое и второе диэлектрические зеркала могут быть выполнены с просветляющим покрытием, нанесенным на поверхности, обращенные к излучению накачки, на длину волны накачки, а противоположные поверхности первого и второго диэлектрических зеркал выполнены с генерационным покрытием, отражающим с эффективностью 99-100% излучение генерации длиной волны 1535 нм, при этом первое и второе диэлектрические зеркала установлены под углом 30° к излучению накачки, подаваемому на них соответствующими диодными модулями через соответствующие фокусирующие линзы. Технический результат - расширение диапазона применений предлагаемой лазерной системы за счет возможности генерировать лазерные импульсы различной длительности с разной частотой следования импульсов при повышении безопасности ее использования за счет ее работы в безопасном для органов зрения спектральном диапазоне излучения. The utility model relates to the field of quantum electronics and laser technology. According to the utility model, in a laser system containing a first diode module that supplies pump radiation through a first focusing lens onto a Cr:YAG crystal with a device that regulates the temperature of the Cr:YAG crystal and an optical resonator formed by a first surface with a Cr coating antireflective for pump radiation: YAG crystal and a blind spherical mirror, a second diode module that supplies pump radiation through a second focusing lens to a second, opposite to the first, surface with a Cr:YAG crystal antireflective coating for pump radiation, an output dielectric mirror is additionally introduced, a first dielectric mirror installed between a first focusing lens and a Cr:YAG crystal, a second dielectric mirror installed between the second focusing lens and a Cr:YAG crystal, and an electro-optical modulator optically coupled to a blind spherical mirror, with an antireflective coating for pump radiation on the first and second Cr:YAG surfaces -crystal was performed at a wavelength λ=1535 nm. The first and second dielectric mirrors can be made with an antireflection coating applied to the surfaces facing the pump radiation at the pump wavelength, and the opposite surfaces of the first and second dielectric mirrors can be made with a lasing coating that reflects the lasing radiation at the wavelength with an efficiency of 99-100%. 1535 nm, with the first and second dielectric mirrors installed at an angle of 30° to the pump radiation supplied to them by the corresponding diode modules through the corresponding focusing lenses. The technical result is an expansion of the range of applications of the proposed laser system due to the ability to generate laser pulses of various durations with different pulse repetition rates while increasing the safety of its use due to its operation in the spectral range of radiation that is safe for the visual organs.

Description

Область техники, к которой относится полезная модельField of technology to which the utility model relates

Полезная модель относится к области квантовой электроники и лазерной техники, а именно к лазерам с непрерывной продольной диодной накачкой, и может быть использована при создании устройств, генерирующих лазерное излучение в безопасном для органов зрения спектральном диапазоне и частотно-импульсном режиме с частотами следования импульсов, удобными для применения в народнохозяйственных областях деятельности, связанных с изучением и контролем разных физических процессов, и том числе, для медицинских, обрабатывающих, информационных, станкоинструментальных и иных применений.The utility model relates to the field of quantum electronics and laser technology, namely to lasers with continuous longitudinal diode pumping, and can be used to create devices that generate laser radiation in a visually safe spectral range and pulse-frequency mode with pulse repetition rates convenient for use in national economic fields related to the study and control of various physical processes, including medical, processing, information, machine tool and other applications.

Уровень техникиState of the art

Cr:YAG-лазеры широко исследовались с 1988 года, когда об этом материале впервые сообщили в работе [1]. Благодаря возможности работы лазера при комнатной температуре в диапазоне длин волн 1335-1635 нм с характерным временем жизни верхнего лазерного уровня ~ 12,0 мкс [2], он потенциально полезен, как для указанных применений, так и для более широкого класса использования - в области нелинейной оптики, спектроскопии, лидарных технологиях локального анализа и др. Хотя широкая полоса поглощения (850-1150 нм) [3] позволяет использовать различные источники накачки, важным ограничением этой лазерной среды является интенсивность насыщения накачки [4] 43 кВт/см² в сочетании с относительно низкой плотностью ионов Cr⁴⁺ в тетраэдрических узлах. При типичных коэффициентах поглощения накачки низкой интенсивности (~1,5 см^-1) кристаллы длиной ~20 мм часто используются для поглощения 70-80% излучения накачки, что позволяет накопить в среде приличный уровень генерации. Характерный энергопотенциал накачных непрерывных лазеров (Nd:YAG или Yb:YAG) составляет ~(10-15) Вт. При этом излучение накачки фокусируется на ось кристалла в перетяжку диаметром не более 200 мкм, что обеспечивает уверенное преодоление порога генерации. Наиболее предпочтительно применять двухстороннюю накачку с концентрацией излучения в каустику, укладывающуюся в объем основной моды на длине волны 1535 нм - в этом случае расходимость выходного излучения лазера Cr:YAG, будет находиться на уровне дифракционного предела, что будет еще больше расширять диапазон возможных применений такого лазера. Реализация указанных требований применительно к Cr:YAG c повышенной концентрацией Cr⁴⁺ в тетраэдрических узлах (~2 см^-1) [5], [6] позволила достичь выходной мощности 200 мВт.Cr:YAG lasers have been widely researched since 1988, when this material was first reported in [1]. Due to the ability of the laser to operate at room temperature in the wavelength range 1335-1635 nm with a characteristic lifetime of the upper laser level of ~ 12.0 μs [2], it is potentially useful both for these applications and for a wider class of use - in the field nonlinear optics, spectroscopy, lidar technologies for local analysis, etc. Although the wide absorption band (850-1150 nm) [3] allows the use of various pump sources, an important limitation of this laser medium is the pump saturation intensity [4] 43 kW/cm ² in combination with a relatively low density of Cr ⁴⁺ ions in tetrahedral sites. At typical low-intensity pump absorption coefficients (~1.5 cm ^-1 ), crystals ~20 mm long are often used to absorb 70-80% of the pump radiation, which allows a decent level of lasing to accumulate in the medium. The characteristic energy potential of continuous pump lasers (Nd:YAG or Yb:YAG) is ~(10-15) W. In this case, the pump radiation is focused onto the crystal axis into a waist with a diameter of no more than 200 μm, which ensures that the lasing threshold is confidently overcome. It is most preferable to use double-sided pumping with a radiation concentration into the caustic that fits into the volume of the fundamental mode at a wavelength of 1535 nm - in this case, the divergence of the output radiation of the Cr:YAG laser will be at the level of the diffraction limit, which will further expand the range of possible applications of such a laser . The implementation of these requirements in relation to Cr:YAG with an increased concentration of Cr ⁴⁺ in tetrahedral sites (~2 cm ^-1 ) [5], [6] made it possible to achieve an output power of 200 mW.

Известна лазерная система со стабилизацией частоты лазеров, содержащая установленные на плите первый и второй перестраиваемые диодные лазеры с внешними резонаторами, пучки излучения которых проходят через оптические изоляторы, соответствующие полуволновые пластины и юстировочными поворотными зеркалами направляются по следующим каналам: пучок первого диодного лазера накачки после отражения от поляризационного кубика поступает в систему стабилизации частоты по внутридоплеровскому резонансу и делится на два пучка посредством первой делительной пластины; пучок большей мощности после прохождения первой делительной пластины обходит вокруг опорной ячейки с атомами цезия (без буферного газа), которая находится в магнитном поле, создаваемом соленоидом, и возвращается через ячейку навстречу пробному пучку меньшей мощности, отраженному от первой делительной пластины; пробный пучок линейной поляризации проходит ячейку с атомами цезия, четвертьволновую пластину, поляризационный кубик, который разделяет поля ортогональных поляризаций, и пучки этих ортогональных поляризаций направляются на балансный фотоприемник «Балансный»; вторая часть пучка первого диодного лазера накачки, прошедшая через поляризационный кубик, отраженная от второй делительной пластины и прошедшая через второй поляризационный кубик, направляется на конфокальный сканирующий интерферометр, и после прохождения третьего поляризационного кубика регистрируется первым фотоприемником, сигнал которого, возникающий из-за гармонической модуляции длины конфокального интерферометра, после синхронного детектирования формирует сигнал ошибки, который поступает на регулятор, управляющий длиной резонатора интерферометра; третья часть пучка первого диодного лазера накачки, прошедшая через вторую делительную пластину, направляется на волоконный световод, который выводит излучение из системы; часть пучка второго зондирующего диодного лазера после отражения третьей делительной пластиной и отражении вторым поляризационным кубиком и третьим поляризационным кубиком попадает на второй фотоприемник, сигнал которого после синхронного детектирования приходит на регулятор, стабилизирующий частоту второго зондирующего диодного лазера по резонансу пропускания конфокального сканирующего интерферометра, отличающемуся по продольному индексу от резонанса пропускания, на который настроена частота первого диодного лазера накачки; вторая часть пучка второго зондирующего диодного лазера после прохождения третьей делительной пластины направляется в оптический волоконный световод [7].A known laser system with laser frequency stabilization, containing first and second tunable diode lasers with external resonators installed on a plate, the radiation beams of which pass through optical isolators, corresponding half-wave plates and adjusting rotating mirrors are directed through the following channels: the beam of the first diode pump laser after reflection from the polarizing cube enters the frequency stabilization system by intra-Doppler resonance and is divided into two beams by means of the first dividing plate; a beam of higher power, after passing through the first splitting plate, goes around the reference cell with cesium atoms (without a buffer gas), which is in the magnetic field created by the solenoid, and returns through the cell towards a test beam of lower power, reflected from the first splitting plate; a probe beam of linear polarization passes through a cell with cesium atoms, a quarter-wave plate, a polarization cube that separates the fields of orthogonal polarizations, and the beams of these orthogonal polarizations are directed to the “Balance” photodetector; the second part of the beam of the first diode pump laser, passed through the polarizing cube, reflected from the second dividing plate and passing through the second polarization cube, is directed to a confocal scanning interferometer, and after passing through the third polarization cube is recorded by the first photodetector, the signal of which arising due to harmonic modulation the length of the confocal interferometer, after synchronous detection, generates an error signal, which is sent to the regulator that controls the length of the interferometer resonator; the third part of the beam of the first diode pump laser, passing through the second dividing plate, is directed to a fiber light guide, which removes radiation from the system; part of the beam of the second probing diode laser, after reflection by the third diode laser and reflection by the second polarization cube and the third polarization cube, enters the second photodetector, the signal of which, after synchronous detection, arrives at a regulator that stabilizes the frequency of the second probing diode laser according to the transmission resonance of the confocal scanning interferometer, which differs in longitudinal index from the transmission resonance to which the frequency of the first diode pump laser is adjusted; the second part of the beam of the second probing diode laser, after passing through the third dividing plate, is directed into an optical fiber light guide [7].

Недостатком данного технического решения является отсутствие в конструкции элементов, обеспечивающих возможность реализации режима модуляции добротности и, как следствие, невозможность осуществить частотный режим генерации.The disadvantage of this technical solution is the absence in the design of elements that provide the possibility of implementing the Q-switching mode and, as a consequence, the impossibility of implementing the frequency generation mode.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению (прототипом) является лазерная система, содержащая последовательно установленные первый диодный модуль накачки, подающий лазерное излучение через первую фокусирующую линзу на кристалл Cr:YAG с термоэлектрическим водяным охладителем, обеспечивающим регулирование температуры кристалла Cr:YAG в пределах 14-16°C, и оптическим резонатором, образованным одной из поверхностей Cr:YAG-кристалла с просветляющим AR-покрытием для накачки и для лазерных длин волн, глухим сферическим зеркалом, двулучепреломляющим фильтром и плоским выходным соединителем, при этом глухое сферическое зеркало установлено с возможностью отражения пучка излучения от первого диодного модуля лазера накачки через двулучепреломляющий фильтр на плоский выходной соединитель, вторая фокусирующая линза и второй диодный модуль лазера накачки, подающий на дихроичное покрытие с противоположной стороны кристалла Cr:YAG лазерное излучение через вторую фокусирующую линзу [8].The closest to the claimed technical solution (prototype) is a laser system containing a first diode pump module installed in series, supplying laser radiation through the first focusing lens onto a Cr:YAG crystal with a thermoelectric water cooler that provides temperature control of the Cr:YAG crystal within 14-16 °C, and an optical resonator formed by one of the surfaces of a Cr:YAG crystal with an AR coating for pumping and for laser wavelengths, a blind spherical mirror, a birefringent filter and a flat output connector, while the blind spherical mirror is installed with the ability to reflect the beam radiation from the first diode pump laser module through a birefringent filter to a flat output connector, a second focusing lens and a second diode pump laser module supplying laser radiation to the dichroic coating on the opposite side of the Cr:YAG crystal through the second focusing lens [8].

Недостатком данного технического решения является то, что известное техническое решение генерирует лазерное излучение в непрерывном режиме и не обеспечивает возможность генерации лазерных импульсов различной длительности с разной частотой следования, что ограничивает возможности применения предлагаемой лазерной системы.The disadvantage of this technical solution is that the known technical solution generates laser radiation in a continuous mode and does not provide the ability to generate laser pulses of different durations with different repetition rates, which limits the possibilities of using the proposed laser system.

Раскрытие полезной моделиDisclosure of utility model

Новым достигаемым техническим результатом предполагаемой полезной модели является расширение возможности применения предлагаемой лазерной системы за счет возможности генерировать лазерные импульсы различной длительности с разной частотой следования при повышении безопасности ее использования за счет ее работы в безопасном для органов зрения спектральном диапазоне излучения.The new achieved technical result of the proposed utility model is the expansion of the possibility of using the proposed laser system due to the ability to generate laser pulses of various durations with different repetition rates while increasing the safety of its use due to its operation in the spectral range of radiation that is safe for the visual organs.

Новый технический результат достигается тем, что в лазерной системе, содержащей первый диодный модуль, подающий излучения накачки через первую фокусирующую линзу на Cr:YAG-кристалл с регулирующим температуру Cr:YAG-кристалла устройством и оптическим резонатором, образованным первой поверхностью с просветляющим на излучение накачки покрытием Cr:YAG-кристалла и глухим сферическим зеркалом, второй диодный модуль, подающий излучение накачки через вторую фокусирующую линзу на вторую, противоположную первой, поверхность с просветляющим на излучение накачки Cr:YAG-кристалла покрытием, в отличие от прототипа, в нее дополнительно введены выходное диэлектрическое зеркало, первое диэлектрическое зеркало, установленное между первой фокусирующей линзой и кристаллом Cr:YAG, второе диэлектрическое зеркало, установленное между второй фокусирующей линзой и кристаллом Cr:YAG и электрооптический модулятор, оптически сопряженный с глухим сферическим зеркалом, при этом просветляющее покрытие на первой и второй поверхностях Cr:YAG-кристалла выполнено на длине волны λ = 1535 нм.A new technical result is achieved in that in a laser system containing a first diode module that supplies pump radiation through a first focusing lens to a Cr:YAG crystal with a device that regulates the temperature of the Cr:YAG crystal and an optical cavity formed by a first surface antireflecting the pump radiation coating of a Cr:YAG crystal and a blind spherical mirror, a second diode module supplying pump radiation through a second focusing lens to a second, opposite to the first, surface with a coating antireflecting the pump radiation of the Cr:YAG crystal, unlike the prototype, additionally introduced into it an output dielectric mirror, a first dielectric mirror mounted between the first focusing lens and the Cr:YAG crystal, a second dielectric mirror mounted between the second focusing lens and the Cr:YAG crystal, and an electro-optical modulator optically coupled to the blind spherical mirror, with an antireflection coating on the first and the second surfaces of the Cr:YAG crystal was performed at a wavelength λ = 1535 nm.

Первое и второе диэлектрические зеркала могут быть выполнены с просветляющим покрытием, нанесенным на поверхности, обращенные к излучению накачки, на длину волны накачки, а противоположные поверхности первого и второго диэлектрических зеркал выполнены с генерационным покрытием, отражающим с эффективностью 99-100% излучение генерации длиной волны 1535 нм, при этом первое и второе диэлектрические зеркала установлены под углом 30° (показано на фиг. 1) к излучению накачки, подаваемому на них соответствующими диодными модулями через соответствующие фокусирующие линзы.The first and second dielectric mirrors can be made with an antireflection coating applied to the surfaces facing the pump radiation at the pump wavelength, and the opposite surfaces of the first and second dielectric mirrors can be made with a lasing coating that reflects the lasing radiation at the wavelength with an efficiency of 99-100%. 1535 nm, with the first and second dielectric mirrors installed at an angle of 30° (shown in Fig. 1) to the pump radiation supplied to them by the corresponding diode modules through the corresponding focusing lenses.

Регулирующее температуру Cr:YAG-кристалла устройство может быть выполнено в виде термоэлектрического водяного охладителя, обеспечивающего возможность регулировать температуру Cr:YAG-кристалла в диапазоне 14-16°С.The device that regulates the temperature of the Cr:YAG crystal can be made in the form of a thermoelectric water cooler, providing the ability to regulate the temperature of the Cr:YAG crystal in the range of 14-16°C.

В лазерную систему могут быть дополнительно введены юстировочные лазеры, генерирующие излучение на длине волны λ=640-660 нм, снабженные оптоволоконным выводом и коннектором, аналогичным коннектору оптоволокна, передающего излучение накачки с диодных модулей на Cr:YAG-кристалл, и установленные с возможностью юстировки оптической схемы лазерной системы.Adjustment lasers can be additionally introduced into the laser system, generating radiation at a wavelength of λ=640-660 nm, equipped with a fiber-optic output and a connector similar to the fiber-optic connector transmitting pump radiation from the diode modules to the Cr:YAG crystal, and installed with the possibility of adjustment optical design of the laser system.

Краткое описание чертежейBrief description of drawings

На фиг. 1 представлена принципиальная схема лазерной системы.In fig. Figure 1 shows a schematic diagram of the laser system.

Длина свободных промежутков между элементами схемы рассчитываются в программной среде WinLase и зависит от их конструктивных размеров и используемой оптомеханики.The length of free gaps between circuit elements is calculated in the WinLase software environment and depends on their design dimensions and the optomechanics used.

Осуществление полезной моделиImplementation of a utility model

Лазерная система (фиг. 1) содержит первый диодный модуль 1, подающий лазерное излучение через первую фокусирующую линзу 2 и дополнительно введенное диэлектрическое зеркало 3 на оптическую ось Cr:YAG-кристалла, где это излучение, в соответствии с параметрами первой фокусирующей линзы 2, концентрируется в перетяжку ~200 мкм, второй диодный модуль 5, подающий лазерное излучение через вторую фокусирующую линзу 6 и дополнительно введенное диэлектрическое зеркало 7 на оптическую ось Cr:YAG-кристалла 4 со стороны второй, противоположной первой его поверхности, где в соответствии с параметрами второй фокусирующей линзы 6, оно концентрируется в перетяжку, аналогичную перетяжке, сформированной излучением от первого диодного модуля 1. Суммируясь на оси Cr:YAG-кристалла 4 пучки излучения первого и второго диодных модулей 1, 5, включаемых одновременно через устройство синхронизации драйвера из состава лазера накачки (на фиг. 1 не показан), обеспечивают условия преодоления порога генерации в Cr:YAG-кристалле 4 излучения длины волны λ=1535 нм. Это излучение в резонаторе, образованным диэлектрическими зеркалами 3, 7, глухим сферическим зеркалом 8 и выходным диэлектрическим зеркалом 9, модулируется электрооптическим модулятором 10, оптически сопряженным с глухим сферическим зеркалом 8. Выход с волокон первого и второго диодных модулей накачки 1, 5: диаметр волокна - 64 мкм, апертурное число NA=0,15.The laser system (Fig. 1) contains the first diode module 1, which supplies laser radiation through the first focusing lens 2 and an additionally introduced dielectric mirror 3 onto the optical axis of the Cr:YAG crystal, where this radiation, in accordance with the parameters of the first focusing lens 2, is concentrated waist ~200 μm, the second diode module 5, which supplies laser radiation through the second focusing lens 6 and an additionally introduced dielectric mirror 7 onto the optical axis of the Cr:YAG crystal 4 from the side of the second, opposite its first surface, where, in accordance with the parameters of the second focusing lens 6, it is concentrated into a waist similar to the waist formed by radiation from the first diode module 1. Summing up on the axis of the Cr:YAG crystal 4, the radiation beams of the first and second diode modules 1, 5, turned on simultaneously through the driver synchronization device from the pump laser ( not shown in Fig. 1), provide conditions for overcoming the generation threshold in the Cr:YAG crystal 4 of wavelength λ=1535 nm. This radiation in the resonator formed by dielectric mirrors 3, 7, a blind spherical mirror 8 and an output dielectric mirror 9, is modulated by an electro-optical modulator 10, optically coupled with a blind spherical mirror 8. Output from the fibers of the first and second diode pump modules 1, 5: fiber diameter - 64 microns, aperture number NA=0.15.

Первый и второй диодные модули 1, 5 предназначены для создания в лазерном Cr:YAG-кристалле 4 инвертированного состояния активной среды, поглощающей излучение от этих модулей.The first and second diode modules 1, 5 are designed to create in the Cr:YAG laser crystal 4 an inverted state of the active medium that absorbs radiation from these modules.

Первая и вторая фокусирующие линзы 2, 6 предназначены для фокусировки излучения накачки на оптической оси Cr:YAG-кристалла 4 в объеме перетяжки с диаметром 200 мкм.The first and second focusing lenses 2, 6 are designed to focus the pump radiation on the optical axis of the Cr:YAG crystal 4 in a waist volume with a diameter of 200 μm.

В качестве фокусирующих линз 2, 6 могут быть использованы линзы из стекла К-8 с фокусом F=30 мм, имеющие просветляющее покрытие на излучение накачки длиной волны - 1064 нм.Lenses made of K-8 glass with a focus F=30 mm, having an antireflection coating for pump radiation with a wavelength of 1064 nm, can be used as focusing lenses 2, 6.

Первое и второе диэлектрические зеркала 3,7 предназначены для отражения с эффективностью ~ 99-100% выходящего из Cr:YAG-кристалла 4 излучения генерации с длиной волны - 1535 нм.The first and second dielectric mirrors 3.7 are designed to reflect with an efficiency of ~99-100% the generation radiation emerging from the Cr:YAG crystal 4 with a wavelength of 1535 nm.

В качестве диэлектрических зеркал 3, 7 могут быть использованы, например, плоские зеркала, одна поверхность которых просветлена на длину волны накачки - 1064 нм, а вторая - имеет напыление, обеспечивающее эффективное отражение излучения с длиной волны - 1535 нм.As dielectric mirrors 3, 7, for example, flat mirrors can be used, one surface of which is coated with a pump wavelength of 1064 nm, and the second has a sputter coating that provides effective reflection of radiation with a wavelength of 1535 nm.

Первое и второе диэлектрические зеркала 3, 7, при необходимости, могут быть выполнены с просветляющим покрытием, нанесенным на поверхности, обращенные к излучению накачки, на длину волны накачки, а противоположные поверхности первого и второго диэлектрических зеркал выполнены с генерационным покрытием, отражающим с эффективностью 99-100% излучение генерации длиной волны 1535 нм, при этом первое и второе диэлектрические зеркала установлены под углом 30° к излучению накачки, подаваемому на них соответствующими диодными модулями через соответствующие фокусирующие линзы.The first and second dielectric mirrors 3, 7, if necessary, can be made with an antireflective coating applied to the surfaces facing the pump radiation at the pump wavelength, and the opposite surfaces of the first and second dielectric mirrors can be made with a lasing coating reflecting with an efficiency of 99 -100% lasing radiation with a wavelength of 1535 nm, with the first and second dielectric mirrors installed at an angle of 30° to the pump radiation supplied to them by the corresponding diode modules through the corresponding focusing lenses.

Cr:YAG-кристалл 4 предназначен для генерации безопасного для органов зрения излучения с длиной волны - 1535 нм.Cr:YAG crystal 4 is designed to generate vision-safe radiation with a wavelength of 1535 nm.

В качестве Cr:YAG-кристалла 4 может быть использован, например, Cr:YAG-кристалл цилиндрической конфигурации с длиной 20 мм и апертурой 5 мм, имеющий коэффициент поглощения на длине волны 1064 нм - 2 см^-1 и ориентацию (по длинной стороне) - [001] (компенсатор заряда при легировании - двухкомпонентная смесь), выполненный с просветляющими на первой и второй его поверхностях (торцах) на длинах волн 1064 нм и 1535 нм покрытиями. Cr:YAG-кристалл 4 может быть установлен на медном основании (держателе) с пористой структурой для его термоохлаждения водным хладоагентом с использованием индиевой фольги (или термопасты) для обеспечения хорошего теплового контакта между Cr:YAG-кристалом 4 и медью. Термоохладитель, регулирующий температуру Cr:YAG-кристалла 4, поддерживает ее в пределах 14-16°С.As a Cr:YAG crystal 4, for example, a Cr:YAG crystal of a cylindrical configuration with a length of 20 mm and an aperture of 5 mm, having an absorption coefficient at a wavelength of 1064 nm - 2 cm ^-1 and an orientation (along the long side) can be used. - [001] (charge compensator during doping - a two-component mixture), made with antireflective coatings on its first and second surfaces (ends) at wavelengths of 1064 nm and 1535 nm. The Cr:YAG crystal 4 can be mounted on a copper base (holder) with a porous structure for thermal cooling with an aqueous coolant using indium foil (or thermal paste) to ensure good thermal contact between the Cr:YAG crystal 4 and the copper. The thermal cooler, which regulates the temperature of the Cr:YAG crystal 4, maintains it within 14-16°C.

Глухое сферическое зеркало 8 предназначено для обеспечения обратной связи в оптическом резонаторе лазерной системы за счет эффективного отражения генерируемого излучения (λ=1535 нм) в направлении Cr:YAG-кристалла 4 с эффективностью 99-100%.The fixed spherical mirror 8 is designed to provide feedback in the optical cavity of the laser system due to the effective reflection of the generated radiation (λ=1535 nm) in the direction of the Cr:YAG crystal 4 with an efficiency of 99-100%.

В качестве глухого сферического зеркала 8 может быть использовано, например, глухое (100%-ные отражения на длине волны 1535 нм) сферическое зеркало резонатора с радиусом кривизны R=160 мм.As a blind spherical mirror 8, for example, a blind (100% reflection at a wavelength of 1535 nm) spherical resonator mirror with a radius of curvature R=160 mm can be used.

Выходное диэлектрическое зеркало 9 предназначено для реализации определенного (требуемого) уровня полезных потерь в резонаторе лазерной системы в виде выходного излучения из нее.The output dielectric mirror 9 is designed to realize a certain (required) level of useful losses in the resonator of the laser system in the form of output radiation from it.

В качестве выходного диэлектрического зеркала 9 может быть использовано, например, диэлектрическое сферическое (или плоское - в случае большой термолинзы в Cr:YAG-кристалле 4) выходное зеркало с R=200 мм. Оптимальный коэффициент пропускания Т (на длине волны 1535 нм) подбирается экспериментально с использованием ряда зеркал с Т (на длине волны 1535 нм) порядка 1,5%, 1,0%, 0,5%.As the output dielectric mirror 9, for example, a dielectric spherical (or flat - in the case of a large thermal lens in the Cr:YAG crystal 4) output mirror with R=200 mm can be used. The optimal transmittance T (at a wavelength of 1535 nm) is selected experimentally using a number of mirrors with T (at a wavelength of 1535 nm) of the order of 1.5%, 1.0%, 0.5%.

Электрооптический модулятор 10 предназначен для организации режима модуляции добротности резонатора с генерацией лазерных импульсов разной длительности и различной частоты следования.Electro-optical modulator 10 is designed to organize the Q-switching mode of the resonator with the generation of laser pulses of different durations and different repetition rates.

В качестве электрооптического модулятора 10 может быть использован, например, электрооптический модулятор (затвор) на основе кристалла КТР (титанил фосфат калия KTIOPO4) с напылением на длину волны 1535 нм с длиной оптической зоны - 23 мм. Параметры электрооптического модулятора 10 (затвора) для обеспечения требуемых параметров лазерной системы: длина волны лазерного излучения, подлежащего модуляции - 1535 нм; коэффициент контрастности при параллельном положении поляризатора относительно анализатора на длине волны лазерного излучения - не менее 30; коэффициент пропускания на длине волны лазерного излучения - не менее 94%; статическое запирающее напряжение на длине волны лазерного излучения - не менее 2,5 кВ и не более 3,5 кВ; максимально допустимая плотность мощности на длине волны лазерного излучения - 400 МВт/см²; максимальная частота повторения импульсов лазерного излучения - 50 Гц.As an electro-optical modulator 10, for example, an electro-optical modulator (gate) based on a KTP crystal (titanyl potassium phosphate KTIOPO4) sputtered at a wavelength of 1535 nm with an optical zone length of 23 mm can be used. Parameters of the electro-optical modulator 10 (gate) to ensure the required parameters of the laser system: wavelength of laser radiation to be modulated - 1535 nm; the contrast ratio with a parallel position of the polarizer relative to the analyzer at the wavelength of laser radiation is not less than 30; transmittance at the wavelength of laser radiation is not less than 94%; static blocking voltage at the wavelength of laser radiation is not less than 2.5 kV and not more than 3.5 kV; the maximum permissible power density at the wavelength of laser radiation is 400 MW/cm ² ; The maximum repetition rate of laser pulses is 50 Hz.

В лазерную систему могут быть дополнительно введены юстировочные лазеры (на фиг. 1 не показаны), генерирующие излучение на длине волны λ = 640-660 нм, снабженные оптоволоконным выводом и коннектором, аналогичным коннектору оптоволокна, передающего излучение накачки с диодных модулей на Cr:YAG-кристалл, и установленные с возможностью юстировки оптической схемы лазерной системы.Adjustment lasers (not shown in Fig. 1) can be additionally introduced into the laser system, generating radiation at a wavelength λ = 640-660 nm, equipped with a fiber-optic output and a connector similar to the fiber-optic connector transmitting pump radiation from diode modules to Cr:YAG -crystal, and installed with the possibility of adjusting the optical circuit of the laser system.

Лазерная система работает следующим образом.The laser system works as follows.

Осуществляют юстировку оптической схемы лазерной системы безопасного для органов зрения спектрального диапазона с помощью юстировочных лазеров (на фиг.1 не показаны) с излучением в диапазоне длин волн λ=640-660 нм с оптоволоконным выводом и коннектором, аналогичным коннектору оптоволокна, выходящего из первого и второго диодных модулей 1, 5, и двух держателей, имеющих ответную резьбу (резьбе, на коннекторах оптоволокон юстировочных лазеров и оптоволокон первого и второго диодных модулей 1, 5). Результатом юстировки является ориентация с требуемой точностью втулок-держателей относительно оптической оси Cr:YAG-кристалла 4 с выполнением требований, обеспечивающих сдвиг формируемой перетяжки ближе к левому краю внутри Cr:YAG-кристалла 4 (для юстировочного излучения, поступающего в Cr:YAG-кристалл 4 справа) и - ближе к правому краю внутри Cr:YAG-кристалла 4 (для юстировочного излучения, поступающего в Cr:YAG-кристалл 4 слева) для более равномерного заполнения объема внутри Cr:YAG-кристалла 4 лазерным излучением накачки, которое после выкручивания из втулок-держателей наконечников коннекторов юстировочных лазеров и вкручивания на их место коннекторов оптоволокон включенных первого и второго диодных модулей 1, 5 сконцентрируется в зонах на оптической оси Cr:YAG-кристалла 4 определенных в процессе юстировки. Включение первого и второго диодных модулей 1, 5 осуществляется одновременно посредством устройства синхронизации, входящего в состав драйвера лазера накачки (на фиг. 1 не показан). Расчетное значение для описанного расположения перетяжек составляет 3,2 мм. Сконцентрированное на оси Cr:YAG-кристалла 4 излучение эффективно поглощается им и Cr:YAG-кристалл 4 переходит в инвертированное состояние (когда населенность рабочего лазерного уровня значительно превосходит населенность нижнего). Возникает спонтанное излучение на рабочем переходе с формированием квантов с частотой, соответствующей длине волны ~1535 нм, которое попадает в резонатор, образованный диэлектрическими зеркалами 3, 7, глухим сферическим зеркалом 8 и выходным диэлектрическим зеркалом 9, усиливается в нем, а при включении электрооптического модулятора 10 переходит из непрерывного режима генерации, который был задан непрерывной накачкой соответствующего лазера, переходит в режим модуляции добротности резонатора с заданными (установленными в драйвере электрооптического модулятора 10), временными (длительность одиночного импульса) и частотными (частота следования импульсов) характеристиками модуляции - выходное излучение с длиной волны 1535 нм приобретает частотно-импульсный характер.The optical circuit of the laser system is adjusted in a visually safe spectral range using alignment lasers (not shown in Fig. 1) with radiation in the wavelength range λ=640-660 nm with a fiber optic output and a connector similar to the fiber optic connector coming from the first and second diode modules 1, 5, and two holders having a matching thread (thread on the connectors of the optical fibers of the alignment lasers and optical fibers of the first and second diode modules 1, 5). The result of the adjustment is the orientation with the required accuracy of the holder bushings relative to the optical axis of the Cr:YAG crystal 4 with the fulfillment of the requirements ensuring the shift of the formed waist closer to the left edge inside the Cr:YAG crystal 4 (for the alignment radiation entering the Cr:YAG crystal 4 on the right) and - closer to the right edge inside the Cr:YAG crystal 4 (for the alignment radiation entering the Cr:YAG crystal 4 on the left) for a more uniform filling of the volume inside the Cr:YAG crystal 4 with pump laser radiation, which after unscrewing from the bushings holding the tips of the alignment laser connectors and screwing into their place the fiber optic connectors of the included first and second diode modules 1, 5 will be concentrated in zones on the optical axis of the Cr:YAG crystal 4 determined during the alignment process. The first and second diode modules 1, 5 are turned on simultaneously by means of a synchronization device included in the pump laser driver (not shown in Fig. 1). The calculated value for the described arrangement of constrictions is 3.2 mm. The radiation concentrated on the axis of the Cr:YAG crystal 4 is effectively absorbed by it and the Cr:YAG crystal 4 goes into an inverted state (when the population of the working laser level significantly exceeds the population of the lower one). Spontaneous emission occurs at the working transition with the formation of quanta with a frequency corresponding to a wavelength of ~1535 nm, which enters the resonator formed by dielectric mirrors 3, 7, a blind spherical mirror 8 and an output dielectric mirror 9, is amplified in it, and when the electro-optical modulator is turned on 10 switches from the continuous generation mode, which was set by continuous pumping of the corresponding laser, switches to the Q-switching mode of the resonator with the specified (set in the driver of the electro-optical modulator 10), time (duration of a single pulse) and frequency (pulse repetition rate) modulation characteristics - output radiation with a wavelength of 1535 nm acquires a frequency-pulse character.

На основании изложенного новый достигаемый технический результат предполагаемой полезной модели обеспечивается следующими по сравнению с прототипом техническими преимуществамиBased on the above, the new achieved technical result of the proposed utility model is provided with the following technical advantages compared to the prototype

1. Предлагаемое техническое решение обеспечивает расширение диапазона его применения за счет возможности генерировать лазерные импульсы различной длительности с разной частотой следования в медицинских, обрабатывающих, информационных, исследовательских, станкоинструментальных, а с учетом появившейся возможности получать излучение гармоник - и телекоммуникационных областях, не менее чем на порядок.1. The proposed technical solution ensures an expansion of the range of its application due to the ability to generate laser pulses of various durations with different repetition rates in medical, processing, information, research, machine tool, and taking into account the emerging opportunity to receive harmonic radiation - and telecommunications areas, no less than order.

2. Обеспечивается повышение безопасности использования предполагаемой лазерной системы за счет ее работы в безопасном для органов зрения спектральном диапазоне излучения не менее чем на 50%.2. The safety of using the proposed laser system is increased due to its operation in the spectral range of radiation that is safe for the visual organs by at least 50%.

3. Предлагаемое техническое решение, использующее двухстороннюю продольную накачку (с возможностью регулирования энергоуровня накачки): во-первых, может обеспечить более высокие энергетические характеристики выходного излучения по средней мощности излучения (~ в 1,5-2 раза), и, во-вторых, имея возможность функционирования в режиме модуляции добротности резонатора с характерными значениями длительности генерируемых импульсов порядка десятков наносекунд, приобретает новое значение в части обеспечения импульсных сигналов с высокой (~ до 1 МВт) пиковой мощностью, что широко востребовано (в том числе и на длине волны излучения 2-й гармоники - 0,76-0,77 мкм) в медицинских, обрабатывающих отраслях и при создании устройств помехового типа.3. The proposed technical solution using double-sided longitudinal pumping (with the ability to regulate the pumping energy level): firstly, it can provide higher energy characteristics of the output radiation in terms of average radiation power (~ 1.5-2 times), and, secondly , having the ability to operate in the Q-switching mode of the resonator with characteristic values of the duration of the generated pulses of the order of tens of nanoseconds, takes on new significance in terms of providing pulsed signals with high (~ 1 MW) peak power, which is widely in demand (including at the emission wavelength 2nd harmonic - 0.76-0.77 µm) in the medical, manufacturing industries and when creating interference-type devices.

4. Предлагаемое техническое решение за счет использования двухсторонней продольной накачки позволяет сфокусировать ее в каустику, укладывающуюся в объем основной моды и (за счет некоторого энергетического ущерба) автоматически получить выходной сигнал с качеством, близким дифракционному пределу, что, как минимум, на 50% превосходит аналогичный параметр по прототипу.4. The proposed technical solution, through the use of double-sided longitudinal pumping, makes it possible to focus it into a caustic that fits into the volume of the fundamental mode and (due to some energy damage) automatically obtain an output signal with a quality close to the diffraction limit, which is at least 50% higher similar parameter to the prototype.

Пример реализации.Example implementation.

Был изготовлен макет лазерной системы. В результате было установлено, что предлагаемая конструкция устройства дает возможность генерировать лазерные импульсы различной длительности с разной частотой следования, а также повышает безопасность использования за счет работы в безопасном для органов зрения диапазоне излучения.A prototype of the laser system was made. As a result, it was found that the proposed design of the device makes it possible to generate laser pulses of various durations with different repetition rates, and also increases the safety of use due to operation in the radiation range that is safe for the visual organs.

Сопоставительный анализ заявляемой полезной модели показал, что совокупность существенных признаков заявленного устройства не известна из уровня техники и значит, соответствует условию патентоспособности «Новизна».A comparative analysis of the claimed utility model showed that the set of essential features of the claimed device is not known from the prior art and, therefore, meets the “Novelty” patentability condition.

Приведенные сведения подтверждают возможность применения заявленного устройства для генерирования лазерного излучения в областях деятельности, связанных с изучением и контролем разных физических процессов, в том числе, для медицинских, обрабатывающих, информационных, станкоинструментальных и иных применений, и поэтому соответствует условию патентоспособности «Промышленная применимость».The information provided confirms the possibility of using the claimed device for generating laser radiation in areas of activity related to the study and control of various physical processes, including for medical, processing, information, machine-tool and other applications, and therefore meets the patentability condition “Industrial applicability”.

Используемые источникиSources used

1. N.B. Angert, N.I. Borodin, V.M. Garmash, V.A. Zhitnyuk, A.G. Okrimchuk, O.G. Siyuchenko, A.V. Shestakov, Sov. J. Quantum Electron. 18 (1988) 73.1. N.B. Angert, N.I. Borodin, V.M. Garmash, V.A. Zhitnyuk, A. G. Okrimchuk, O.G. Siyuchenko, A.V. Shestakov, Sov. J. Quantum Electron. 18 (1988) 73.

2. D.J. Ripin, C. Chudoba, J.T. Gopinath, J.G. Fujimoto, E.P. Ippen, U. Morgner, F.X. Keartner, V. Scheuer, G. Angelow, T. Tschudi, Opt. Lett. 27 (2002) 61.2. D.J. Ripin, C. Chudoba, J.T. Gopinath, J.G. Fujimoto, E.P. Ippen, U. Morgner, F.X. Keartner, V. Scheuer, G. Angelow, T. Tschudi, Opt. Lett. 27 (2002) 61.

3. H. Eilers, W.M. Dennis, W.M. Yen, S. Kuck, K. Peterman, E G. Huber, W. Jia, IEEE J. Quantum Electron. 29 (1993) 2508.3. H. Eilers, W.M. Dennis, W.M. Yen, S. Kuck, K. Peterman, E G. Huber, W. Jia, IEEE J. Quantum Electron. 29 (1993) 2508.

4. A. Sennaroglu, C.R. Pollock, H. Nathel, J. Opt. Soc. Am. B 12 (1995) 930.4. A. Sennaroglu, C.R. Pollock, H. Nathel, J. Opt. Soc. Am. B 12 (1995) 930.

5. I.T. Sorokina, S. Naumov, E. Sorokin, E. Wintner, A.V. Shestakov, CLEO/Europe 98, Technical Digest paper CTuK7, 1998, p. 131; I.T. Sorokina, S. Naumov, E. Sorokin, E. Wintner, A.V. Shestakov, OSA TOPS 26 (1999) 331.5. I.T. Sorokina, S. Naumov, E. Sorokin, E. Wintner, A.V. Shestakov, CLEO/Europe 98, Technical Digest paper CTuK7, 1998, p. 131; I.T. Sorokina, S. Naumov, E. Sorokin, E. Wintner, A.V. Shestakov, OSA TOPS 26 (1999) 331.

6. I.T. Sorokina, S. Naumov, E. Sorokin, E. Wintner, A.V. Shestakov, Opt. Lett. 24 (1999) 1578.6. I.T. Sorokina, S. Naumov, E. Sorokin, E. Wintner, A.V. Shestakov, Opt. Lett. 24 (1999) 1578.

7. Патент RU 2723230, опубл. 09.06.2020, МПК H01S 3/10, H01S 5/065.7. Patent RU 2723230, publ. 06/09/2020, IPC H01S 3/10, H01S 5/065.

8. A.J. Alcock, P. Scorah, K. Hnatovsky. Broadly tunable continuous-wave diode-pumped Cr4+:YAGlaser,Optics Communications 215 (2003) 153-157.8. A.J. Alcock, P. Scorah, K. Hnatovsky. Broadly tunable continuous-wave diode-pumped Cr4+:YAGlaser, Optics Communications 215 (2003) 153-157.

Claims

1. A laser comprising a first diode module supplying pump radiation through a first focusing lens onto a Cr:YAG crystal with a temperature regulating device for the Cr:YAG crystal and an optical resonator formed by a first surface with a pump radiation antireflective coating of the Cr:YAG crystal and a blank spherical mirror, a second diode module supplying pump radiation through a second focusing lens to a second, opposite to the first, surface with a coating antireflecting the pump radiation of the Cr:YAG crystal, characterized in that an output dielectric mirror, a first dielectric mirror, are additionally introduced into it, installed between the first focusing lens and the Cr:YAG crystal, a second dielectric mirror installed between the second focusing lens and the Cr:YAG crystal, and an electro-optical modulator optically coupled with a blind spherical mirror, with a pump radiation antireflective coating on the first and second Cr surfaces :YAG crystal is performed at a wavelength of λ=1535 nm.

2. The laser according to claim 1, characterized in that the first and second dielectric mirrors are made with an antireflective coating applied to the surfaces facing the pump radiation at the pump wavelength, and the opposite surfaces of the first and second dielectric mirrors are made with a lasing coating that reflects with an efficiency of 99-100% lasing radiation with a wavelength of 1535 nm, while the first and second dielectric mirrors are installed at an angle of 30° to the pump radiation supplied to them by the corresponding diode modules through the corresponding focusing lenses.

3. Laser according to claim 1, characterized in that the device regulating the temperature of the Cr:YAG crystal is made in the form of a thermoelectric water cooler, providing the ability to regulate the temperature of the Cr:YAG crystal in the range of 14-16°C.