RU2361342C1 - Solid diode-pumped laser - Google Patents
Solid diode-pumped laser Download PDFInfo
- Publication number
- RU2361342C1 RU2361342C1 RU2008101510/28A RU2008101510A RU2361342C1 RU 2361342 C1 RU2361342 C1 RU 2361342C1 RU 2008101510/28 A RU2008101510/28 A RU 2008101510/28A RU 2008101510 A RU2008101510 A RU 2008101510A RU 2361342 C1 RU2361342 C1 RU 2361342C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- wedges
- laser
- active element
- diode
- radiation
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Lasers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано в различных отраслях, в частности при разработке и изготовлении лазерных устройств, для обработки материалов с высокой импульсной и средней мощностью излучения.The invention relates to the field of laser technology and can be used in various industries, in particular in the design and manufacture of laser devices, for processing materials with high pulsed and medium radiation power.
Для наиболее полного заполнения объема рабочей среды активного элемента твердотельного лазера излучением накачки широко используются диодные источники накачки, располагаемые со стороны малых противоположных торцевых граней активного элемента лазера и реализующие способ продольной накачки, когда направление формируемого ими пучка света направлено вдоль распространения основной моды, возбуждаемой в активном элементе. Диодные источники накачки выполнены, как правило, в виде одиночной лазерной диодной линейки или в виде двумерной матрицы лазерных диодных линеек.For the most complete filling of the volume of the working medium of the active element of a solid-state laser with pump radiation, diode pump sources are widely used located on the side of small opposite end faces of the active laser element and implementing the longitudinal pump method when the direction of the light beam formed by them is directed along the propagation of the main mode excited in the active element. Diode pump sources are made, as a rule, in the form of a single laser diode array or in the form of a two-dimensional matrix of laser diode arrays.
Способ продольной накачки имеет ряд существенных преимуществ по сравнению со способом поперечной накачки лазеров, когда источники накачки располагаются вдоль больших боковых сторон активного элемента лазера, - более высокая эффективность, значительно меньший уровень шума в выходном сигнале лазера. Однако при использовании продольной накачки возникает проблема однородной фокусировки излучения накачки в интенсивное пятно на торцевой грани активного элемента, причем размер пятна должен быть близок к диаметру основной моды. Это условие необходимо для обеспечения максимальной эффективности использования излучения накачки.The method of longitudinal pumping has a number of significant advantages compared to the method of transverse pumping of lasers, when the pump sources are located along the large sides of the active element of the laser — higher efficiency, significantly lower noise level in the laser output signal. However, when using longitudinal pumping, the problem arises of uniformly focusing the pump radiation into an intense spot on the end face of the active element, and the spot size should be close to the diameter of the main mode. This condition is necessary to ensure maximum efficiency of the use of pump radiation.
Угловая расходимость пучка, излучаемого лазерным диодом и имеющего, как правило, форму эллипса, в типичном случае составляет: по оси Y, т.е. в направлении р-n-перехода, - (30-40)° и по оси X, т.е. в направлении, перпендикулярном р-n-переходу, - (10-15)° (фиг.1).The angular divergence of a beam emitted by a laser diode and having, as a rule, an ellipse shape, in a typical case, is: along the Y axis, i.e. in the direction of the pn junction, - (30-40) ° and along the X axis, i.e. in the direction perpendicular to the pn junction, - (10-15) ° (Fig. 1).
Для фокусировки излучения лазерных диодов, организованных в виде линейки или матрицы, в пятно требуемого размера и интенсивности в апертурной плоскости активного элемента используются различные оптические системы. Основная задача указанных оптических систем заключается в уменьшении угловой расходимости лазерного пучка накачки до величины около (0,5×0,5)° с последующей фокусировкой излучения на вход активного элемента.Various optical systems are used to focus the radiation of laser diodes, organized in the form of a ruler or matrix, into a spot of the required size and intensity in the aperture plane of the active element. The main task of these optical systems is to reduce the angular divergence of the laser pump beam to a value of about (0.5 × 0.5) °, followed by focusing the radiation at the input of the active element.
Известен модуль твердотельного пластинчатого лазера с диодной накачкой, содержащий активный элемент твердотельного лазера, источник излучения накачки, выполненный в виде нескольких лазерных диодных линеек, расположенных со стороны торцевых противоположных граней активного элемента так, что направление формируемого ими пучка света коллинеарно с продольной осевой плоскостью активного элемента, оптические средства коллимирования излучения накачки в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и оптический элемент для фокусировки излучения накачки в апертурную плоскость активного элемента, выполненный в виде высокоапертурной цилиндрической линзы [1].A known module of a solid-state diode-pumped solid-state laser laser containing an active element of a solid-state laser, a pump radiation source made in the form of several laser diode arrays located on the opposite end faces of the active element so that the direction of the light beam formed by them is collinear with the longitudinal axial plane of the active element Optical means for collimating pump radiation in two mutually perpendicular planes and an optical element for focusing radiation pumping into the aperture plane of the active element, made in the form of a high aperture cylindrical lens [1].
Известны устройства для диодной накачки, предназначенные, в частности, для формирования интенсивного лазерного пятна в апертурной плоскости волоконного лазера и содержащие источник излучения в виде линейки лазерных диодов, средства коллимирования излучения накачки, выполненные в виде двух цилиндрических линз, и линзу для фокусировки излучения в апертурную плоскость волоконного лазера [2, 3].Known devices for diode pumping, intended, in particular, for the formation of an intense laser spot in the aperture plane of a fiber laser and containing a radiation source in the form of a line of laser diodes, means for collimating the pump radiation made in the form of two cylindrical lenses, and a lens for focusing radiation into the aperture the plane of a fiber laser [2, 3].
Известно устройство для формирования излучения нескольких лазерных диодов в сфокусированное интенсивное пятно, включающее источник излучения в виде лазерной диодной линейки, формирующую оптическую систему в виде двух цилиндрических линз и оптического элемента, осуществляющего поворот траекторий лазерных пучков на 90°, и оптического элемента для фокусировки излучения накачки, который может быть выполнен в виде одной сферической линзы или двух цилиндрических линз [4].A device is known for generating radiation of several laser diodes into a focused intense spot, including a radiation source in the form of a laser diode array, forming an optical system in the form of two cylindrical lenses and an optical element that rotates the paths of laser beams by 90 °, and an optical element for focusing pump radiation , which can be made in the form of one spherical lens or two cylindrical lenses [4].
Известно устройство для диодной накачки волоконного лазера, содержащее источник излучения в виде лазерной диодной линейки и оптическую систему для коллимирования и фокусировки излучения накачки, включающую цилиндрические и сферические линзы [5].A device for diode pumping a fiber laser is known, comprising a radiation source in the form of a laser diode array and an optical system for collimating and focusing pump radiation, including cylindrical and spherical lenses [5].
Известно также устройство для диодной накачки, предназначенное для фокусировки излучения накачки в апертурную плоскость активного элемента лазера и содержащее в одном из вариантов устройства источник излучения накачки, выполненный в виде комбинации нескольких лазерных диодных матриц, и формирующую оптическую систему, включающую цилиндрические линзы и зеркала по числу диодных матриц и линзу для фокусировки излучения накачки указанных диодных матриц в апертурную плоскость активного элемента [6].A device for diode pumping is also known, designed to focus the pump radiation into the aperture plane of the active element of the laser and containing in one embodiment of the device a pump radiation source made in the form of a combination of several laser diode arrays and forming an optical system including cylindrical lenses and mirrors in number diode arrays and a lens for focusing the pump radiation of the indicated diode arrays into the aperture plane of the active element [6].
Недостатки известных устройств обусловлены, в основном, неоднородностью пятна накачки по поперечному сечению активного элемента, которое приводит также к неоднородной накачке и по длине активной среды твердотельного лазера, что существенно ухудшает выходные характеристики лазера. В том случае, когда источник излучения накачки содержит большое количество излучающих элементов (лазерных диодов), например, когда он выполнен в виде нескольких диодных матриц высокой мощности (более 2000 Вт каждая), суммарная мощность излучения, падающая на выходную фокусирующую линзу, существенно увеличивается. Поскольку распределение интенсивности излучения Ir, прошедшего через линзу, осуществляющую фокусировку излучения на вход активного элемента, имеет резко выраженный максимум с боковыми лепестками значительно меньшей интенсивности (фиг.2), оптические системы в упомянутых выше устройствах фокусируют излучение в пятно малого диаметра относительно поперечного сечения активного элемента, что существенно ухудшает однородность накачки.The disadvantages of the known devices are mainly due to the inhomogeneity of the pump spot along the cross section of the active element, which also leads to inhomogeneous pumping and the length of the active medium of the solid-state laser, which significantly degrades the output characteristics of the laser. In the case when the pump radiation source contains a large number of emitting elements (laser diodes), for example, when it is made in the form of several high-power diode arrays (more than 2000 W each), the total radiation power incident on the output focusing lens increases significantly. Since the distribution of the radiation intensity I r passing through the lens focusing the radiation at the input of the active element has a pronounced maximum with side lobes of much lower intensity (Fig. 2), the optical systems in the above devices focus the radiation into a spot of small diameter relative to the cross section active element, which significantly impairs pump uniformity.
Кроме того, существенное увеличение мощности падающего на линзу излучения может привести к локальному разрушению просветляющего покрытия торцевой поверхности активного элемента. Тем самым ограничивается эффективность накачки, так как вероятность такого локального разрушения обуславливает необходимость уменьшения падающей на линзу мощности, в результате чего снижается максимально достижимый уровень плотности мощности накачки в апертурной плоскости активного элемента.In addition, a significant increase in the power of radiation incident on the lens can lead to local destruction of the antireflection coating of the end surface of the active element. This limits the pumping efficiency, since the probability of such local destruction causes the need to reduce the power incident on the lens, which reduces the maximum achievable level of the pump power density in the aperture plane of the active element.
В качестве ближайшего аналога заявляемого технического решения выбран твердотельный лазер с диодной накачкой, содержащий активный элемент, резонатор, образованный двумя зеркалами, источники излучения накачки на основе лазерных диодов, расположенные со стороны торцевых противоположных граней активного элемента так, что направление формируемого ими пучка света ориентировано вдоль оси резонатора лазера, оптические средства для коллимирования излучения накачки, выполненные в виде линз с гиперболическим профилем, и линзу для фокусировки излучения накачки на торцевую грань активного элемента [7].As the closest analogue of the claimed technical solution, a diode-pumped solid-state laser containing an active element, a resonator formed by two mirrors, pump radiation sources based on laser diodes located on the opposite end faces of the active element so that the direction of the light beam formed by them is oriented along laser resonator axes, optical means for collimating pump radiation made in the form of lenses with a hyperbolic profile, and a focusing lens and pump radiation to the end face of the active element [7].
Недостатком указанного устройства является недостаточная однородность распределения излучения накачки в активном элементе лазера, обусловленная формой пятна на торцевой грани активного элемента и неоднородным распределением интенсивности излучения в нем, которая приводит к сравнительно невысокому КПД такого лазера, в том случае, когда источник излучения накачки выполнен в виде нескольких лазерных диодных матриц.The disadvantage of this device is the lack of uniformity in the distribution of pump radiation in the active element of the laser, due to the shape of the spot on the end face of the active element and the inhomogeneous distribution of the radiation intensity in it, which leads to a relatively low efficiency of such a laser, in the case when the pump radiation source is made in the form several laser diode arrays.
Задача, решаемая изобретением, - повышение однородности распределения излучения накачки в активном элементе лазера и увеличение его КПД.The problem solved by the invention is to increase the uniformity of the distribution of the pump radiation in the active element of the laser and increase its efficiency.
Указанная задача решается тем, что в твердотельном лазере с диодной накачкой, содержащем активный элемент, резонатор, образованный глухим и полупрозрачным зеркалами; источники излучения накачки на основе лазерных диодов, расположенные, по меньшей мере, с одной стороны торцевых противоположных граней активного элемента так, что направление формируемого ими пучка накачки ориентировано вдоль оси резонатора лазера, оптические средства для коллимирования излучения накачки и оптический элемент для фокусировки излучения накачки на торцевые грани активного элемента, упомянутый оптический элемент для фокусировки излучения накачки выполнен в виде призменного растра, состоящего из двух рядов оптических клиньев, последовательно расположенных по ходу распространения излучения накачки, при этом клинья каждого ряда расположены параллельно друг другу и ортогонально относительно клиньев другого ряда; преломляющие грани клиньев второго ряда обращены к активному элементу, а преломляющие грани клиньев первого ряда ориентированы в противоположном направлении; величины преломляющих углов θk1, θk2 клиньев в каждом ряду уменьшаются в направлении от края ряда к его центру в соответствии с формулами:This problem is solved by the fact that in a solid-state laser with a diode pump containing an active element, a resonator formed by a blind and translucent mirrors; laser diode-pumped radiation sources located at least on one side of opposite end faces of the active element so that the direction of the pump beam they form is oriented along the axis of the laser cavity, optical means for collimating the pump radiation, and an optical element for focusing the pump radiation on end faces of the active element, said optical element for focusing pump radiation is made in the form of a prism raster, consisting of two rows of optical inev sequentially arranged along the propagation of the pump radiation, wherein the wedges of each row are parallel to each other and orthogonally with respect to the other series of wedges; the refracting faces of the wedges of the second row are facing the active element, and the refracting faces of the wedges of the first row are oriented in the opposite direction; the values of the refracting angles θ k1 , θ k2 of the wedges in each row decrease in the direction from the edge of the row to its center in accordance with the formulas:
где θk1, θk2 - величины преломляющих углов клиньев в первом и втором ряду клиньев соответственно, hk1, hk2 - расстояния от оси резонатора лазера до наиболее удаленной от оси резонатора грани k-ого клина в первом и втором ряду клиньев соответственно, f - фокусное расстояние оптического элемента для фокусировки излучения накачки на торцевые грани активного элемента, состоящего из двух рядов оптических клиньев, определяемое как расстояние между торцевой гранью активного элемента и средней плоскостью упомянутого оптического элемента, a1, a2 - размеры лазерного пятна излучения накачки на торцевой грани активного элемента, соответствующие первому и второму ряду клиньев, n - показатель преломления клиньев.where θ k1 , θ k2 are the refractive angles of the wedges in the first and second row of wedges, respectively, h k1 , h k2 are the distances from the laser resonator axis to the edges of the kth wedge farthest from the cavity axis in the first and second row of wedges, respectively, f - focal length optical element for focusing the pumping radiation on the end faces of the active element consisting of two rows of optical wedges, defined as the distance between the end face of the active element and the median plane of said optical element, a 1, a 2 - time EASURES pumping radiation of the laser spot on the end face of the active element corresponding to the first and second series of wedges, n - refractive index of the wedge.
В варианте технического решения источники излучения накачки состоят из лазерных диодных матриц.In an embodiment of the technical solution, the pump radiation sources consist of laser diode arrays.
В варианте технического решения источники излучения накачки состоят из лазерных диодных матриц, расположенных симметрично относительно оси резонатора лазера.In a technical solution, the pump radiation sources consist of laser diode arrays located symmetrically with respect to the axis of the laser cavity.
В варианте технического решения длина L и ширина b клиньев выбираются из условий:In a technical solution, the length L and width b of the wedges are selected from the conditions:
где Dx, Dy - поперечные совокупные размеры пучков излучения накачки после прохождения средств коллимирования.where D x , D y are the transverse total dimensions of the pump radiation beams after passing through the collimation means.
В варианте технического решения в оптическом элементе для фокусировки излучения на торцевые грани активного элемента образована сквозная полость.In an embodiment of the technical solution, a through cavity is formed in the optical element for focusing radiation on the end faces of the active element.
В варианте технического решения клинья имеют одинаковую ширину.In the embodiment of the technical solution, the wedges have the same width.
В варианте технического решения клинья имеют различную ширину.In the embodiment of the technical solution, the wedges have a different width.
В варианте технического решения оптические средства для коллимирования излучения накачки выполнены в виде двух рядов последовательно и ортогонально расположенных цилиндрических микролинз.In an embodiment of the technical solution, optical means for collimating the pump radiation are made in the form of two rows of cylindrical microlenses arranged in series and orthogonally.
В варианте технического решения активный элемент выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда.In a variant of the technical solution, the active element is made in the form of a rectangular parallelepiped.
Сущность изобретения заключается в выполнении оптического элемента, фокусирующего излучение накачки на торцевую грань активного элемента лазера, в виде призменного растра, состоящего из двух рядов оптических клиньев, причем геометрия клиньев и их взаимное расположение позволяет осуществить суммирование излучения накачки от всех лазерных диодных матриц и фокусировку суммарного излучения в пятно требуемого размера на торцевой грани активного элемента с «квазиплоским» распределением интенсивности Ir по поперечному сечению пятна (фиг.3).The invention consists in the implementation of an optical element focusing the pump radiation on the end face of the active element of the laser, in the form of a prism raster, consisting of two rows of optical wedges, and the geometry of the wedges and their relative position allows the summation of the pump radiation from all laser diode arrays and focusing the total radiation to a spot of the required size on the end face of the active element with a “quasi-flat” intensity distribution I r over the cross section of the spot (Fig. 3).
Применение в качестве фокусирующего оптического элемента призменного растра в сочетании со световодными свойствами активного элемента прямоугольного сечения позволяет использовать явление полного внутреннего отражения от боковых граней стержня. Излучение накачки, попавшее в активный элемент (YAG-Nd) под углом, меньшим критического, остается «сфокусированным» на всей его длине, и активный элемент, выполненный в виде прямоугольного параллелепипеда, играет роль световода. Коэффициент пропускания такого световода ηL зависит от отношения апертуры к длине светопровода (a/L), от величины фокуса призменного растра f и от качества отражающей поверхности световода.The use of a prism raster as a focusing optical element in combination with the optical fiber properties of an active rectangular element allows the use of the phenomenon of total internal reflection from the side faces of the rod. The pump radiation entering the active element (YAG-Nd) at an angle less than the critical one remains “focused” along its entire length, and the active element, made in the form of a rectangular parallelepiped, plays the role of a fiber. The transmittance of such a fiber η L depends on the ratio of the aperture to the length of the fiber (a / L), on the magnitude of the focus of the prism raster f and on the quality of the reflective surface of the fiber.
Критический угол падения излучения накачки на торец активной среды, при котором излучение накачки все еще будет распространяться вдоль световода, как это следует из фиг.4, определяется выражением:The critical angle of incidence of the pump radiation at the end of the active medium, at which the pump radiation will still propagate along the fiber, as follows from figure 4, is determined by the expression:
где n1 и n2 - показатели преломления соответствующих сред.where n 1 and n 2 are the refractive indices of the corresponding media.
Зная расположение диодных матриц (рис.5) и расходимость их излучения, можно определить оптимальный фокус призменного растра, при котором пятно в фокусе растра будет согласовано с апертурой поперечного сечения активного элемента. При этом падающее излучение будет распространяться по активному элементу как по световоду.Knowing the location of the diode arrays (Fig. 5) and the divergence of their radiation, it is possible to determine the optimal focus of the prism raster at which the spot at the raster focus will be consistent with the aperture of the cross section of the active element. In this case, the incident radiation will propagate through the active element as a fiber.
Для того чтобы полностью прокачать достаточно большую длину активного элемента (lак=110-120 мм - максимально возможная длина стержня YAG-Nd с хорошим качеством оптических параметров), необходимо достичь эффекта насыщения (на длине 55-60 мм в рассматриваемом случае - при двухсторонней накачке). Предельная плотность энергии накачки, при которой отсутствует повреждение просветляющего покрытия активного элемента (лазерного стержня), достигает значения Eпор=5…10 Дж/см2. Если энергия импульса накачки от одной лазерной диодной матрицы равна 0,25 Дж, то максимальная суммарная энергия, например, от восьми матриц составит 2 Дж. Коэффициент пропускания призменного растра обычно равен 0,9. Из этих данных можно найти минимальное поперечное сечение стержня с квадратным поперечным сечением, которое можно использовать в этом случае: Smin=а×а≈4×4 мм. Следовательно, минимально возможное сечение световода, роль которого выполняет активный элемент, в нашем случае составляет 16 мм2.In order to fully pump a sufficiently large length of the active element (l ak = 110-120 mm - the maximum possible length of a YAG-Nd rod with good quality optical parameters), it is necessary to achieve the saturation effect (on a length of 55-60 mm in the case under consideration - with a two-sided pumped). The maximum energy density of the pump, at which there is no damage to the antireflection coating of the active element (laser rod), reaches a value of E pore = 5 ... 10 J / cm 2 . If the energy of the pump pulse from one laser diode array is 0.25 J, then the maximum total energy, for example, from eight matrices will be 2 J. The transmittance of the prism raster is usually 0.9. From these data, one can find the minimum cross-section of the rod with a square cross-section, which can be used in this case: S min = a × a≈ 4 × 4 mm. Therefore, the minimum possible cross section of the fiber, the role of which is played by the active element, in our case is 16 mm 2 .
Зная интенсивность насыщения Is и коэффициент линейного поглощения α0 среды активного элемента, можно найти максимальную длину активного элемента lmax при заданном сечении S или для заданной длины l найти максимальное сечение активного элемента Smax.Knowing the saturation intensity I s and the linear absorption coefficient α 0 of the active element medium, one can find the maximum length of the active element l max for a given section S or for a given length l find the maximum cross section of the active element S max .
Таким образом, применение растр-световодной системы позволяет сочетать высокую интенсивность и пространственную однородность излучения накачки. Это дает возможность накачивать достаточно большие длины активной среды до нескольких десятков миллиметров. Кроме того, фокусировка в пятно заданного квадратного сечения частично устраняет нежелательное явление возникновения оптического пробоя, которое имеет место при фокусировке излучения накачки обычной линзой.Thus, the use of a raster-waveguide system makes it possible to combine high intensity and spatial uniformity of pump radiation. This makes it possible to pump sufficiently large lengths of the active medium to several tens of millimeters. In addition, focusing into a spot of a given square cross section partially eliminates the undesirable phenomenon of the occurrence of optical breakdown, which occurs when the pump radiation is focused by a conventional lens.
Изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг.1 иллюстрируется характер излучения, эмитируемого лазерным диодом, на фиг.2, 3 показано распределение интенсивности излучения в пятне, фокусируемом на торцевую грань активного элемента лазера с помощью линзы и призменного растра, на фиг.4 иллюстрируется расчет критического угла для явления полного внутреннего отражения, на фиг.5 иллюстрируется расчет геометрии клиньев призменного растра, на фиг.6 схематически показано расположение рядов клиньев, их положение относительно оси резонатора и взаимная геометрия четырех пучков излучения накачки, на фиг.7 показано расположение двух рядов клиньев относительно активного элемента, на фиг.8 схематически изображен заявляемый твердотельный лазер с расположением источников накачки с одной стороны торцевой грани активного элемента, на фиг.9 схематически изображен твердотельный лазер с расположением источников излучения накачки с противоположных торцевых граней активного элемента.The invention is illustrated by drawings. Figure 1 illustrates the nature of the radiation emitted by the laser diode, figure 2, 3 shows the distribution of the radiation intensity in the spot focused on the end face of the active element of the laser using a lens and a prism raster, figure 4 illustrates the calculation of the critical angle for the full phenomenon internal reflection, figure 5 illustrates the calculation of the geometry of the wedges of the prism raster, figure 6 schematically shows the location of the rows of wedges, their position relative to the axis of the resonator and the mutual geometry of the four radiation beams pump, in Fig.7 shows the location of two rows of wedges relative to the active element, Fig.8 schematically shows the inventive solid-state laser with the location of the pump sources on one side of the end face of the active element, Fig.9 schematically shows a solid-state laser with the location of the pump radiation sources with opposite end faces of the active element.
Твердотельный лазер с диодной накачкой (фиг.8) содержит активный элемент (стержень-световод) 1, резонатор, образованный глухим (полностью отражающим на длине волны генерируемого излучения) зеркалом 2 и выходным полупрозрачным на длине волны генерируемого излучения зеркалом 3; источники излучения накачки, выполненные, например, в виде четырех или восьми лазерных диодных матриц 4, расположенных в плоскости, перпендикулярной оси резонатора лазера, симметрично относительно оси резонатора, оптические средства для коллимирования излучения накачки, состоящие из двух рядов последовательно и ортогонально расположенных цилиндрических микролинз 5, и оптический элемент (призменный растр) 6 для фокусировки излучения накачки на торцевую грань активного элемента 1, состоящий из двух рядов оптических клиньев, расположенных соответственно по ходу распространения излучения накачки. Зеркало 2 расположено за плоскостью призменного растра 6, если смотреть со стороны активного элемента 1.A diode-pumped solid-state laser (Fig. 8) contains an active element (fiber-optic rod) 1, a resonator formed by a deaf mirror (fully reflecting at the wavelength of the generated radiation) 2, and a
Первый и второй ряды клиньев 7 и 8 (рис.7) состоят соответственно из 2Р и 2Q оптических клиньев (Р и Q - целые числа), расположенных в каждом ряду 7 и 8 параллельно друг другу, при этом преломляющие грани 9 клиньев в ряду 7 обращены к зеркалу 2, а преломляющие грани 9 клиньев в ряду 8 обращены к активному элементу 1. Плоские грани 10 клиньев ряда 7 обращены к плоским граням 10 клиньев в ряду 8 так, что зазор между ними отсутствует, и среднюю плоскость А призменного растра можно определить как плоскость, проходящую через плоские грани клиньев в рядах 7 и 8. В центре рядов 7 и 8 соответствующие клинья отсутствуют, вследствие чего в призменном растре 6 образуется сквозная полость. В том случае, когда все клинья имеют одинаковую ширину b, размер указанной сквозной полости равен b×b. Таким образом, с каждой стороны от указанной сквозной полости располагаются по Р клиньев в ряду 7 и Q клиньев в ряду 8. Преломляющие грани 9 клиньев в каждом ряду 7 и 8 ориентированы в одном направлении, при этом направление ориентации клиньев в ряду 7 ортогонально направлению ориентации клиньев в ряду 8 (на фиг.7 в целях лучшего понимания геометрии клиньев ряды 7 и 8 разнесены друг от друга).The first and second rows of
Оптические клинья представляют собой призмы с преломляющим углом θk (фиг.5). Для обеспечения фокусировки излучения накачки, выходящего из последнего ряда цилиндрических микролинз 5, на торцевую грань активного элемента 1 в пятно требуемого размера а×а с высокой плотностью мощности и «квазиплоским» распределением интенсивности по поперечному сечению активного элемента 1, клинья в рядах 7 и 8 ориентированы, как было отмечено выше, ортогонально относительно друг друга (например, клинья в ряду 7 ориентированы в горизонтальном направлении, а клинья в ряду 8 - в вертикальном направлении или наоборот) и выполнены с переменной величиной углов преломления θk1, θk2, так что указанные величины преломляющих углов θk1, θk2 клиньев в каждом ряду уменьшаются в направлении от края ряда к его центру в соответствии с формулами (2) и (3):Optical wedges are prisms with a refractive angle θk (Fig. 5). To ensure focusing of the pump radiation emerging from the last row of
где θk1, θk2 - величины преломляющих углов клиньев в первом и втором ряду клиньев, соответственно, hk1, hk2 - расстояния от оси резонатора лазера до наиболее удаленной от оси резонатора грани k-ого клина в первом и втором ряду клиньев соответственно, f - фокусное расстояние оптического элемента для фокусировки излучения накачки на торцевые грани активного элемента, состоящего из двух рядов оптических клиньев, определяемое как расстояние между торцевой гранью активного элемента и средней плоскостью упомянутого оптического элемента, a1, а2 - размеры лазерного пятна.where θ k1 , θ k2 are the refractive angles of the wedges in the first and second row of wedges, respectively, h k1 , h k2 are the distances from the laser resonator axis to the edges of the kth wedge farthest from the resonator axis in the first and second row of wedges, respectively, f - focal length optical element for focusing the pumping radiation on the end faces of the active element consisting of two rows of optical wedges, defined as the distance between the end face of the active element and the median plane of said optical element, a 1, a 2 - pa action of the laser spot.
В результате преломляющие грани 6 клиньев образуют многогранную поверхность, огибающая которой по форме близка к цилиндрической поверхности.As a result, the refracting faces of 6 wedges form a multifaceted surface whose envelope is close in shape to a cylindrical surface.
Ширина b клиньев выбирается существенно меньшей длины клиньев L, которая, в свою очередь, выбирается из условияThe width b of the wedges is chosen substantially less than the length of the wedges L, which, in turn, is selected from the condition
где Dx, Dy - поперечные совокупные размеры пучков излучения накачки после прохождения средств коллимирования. Клинья могут иметь как одинаковую, так и различную ширину, что позволяет варьировать форму лазерного пятна на торцевой грани активного элемента, согласуя ее с формой поперечного сечения активного элемента. При этом все клинья в каждом ряду имеют одинаковую ширину, но в общем случае отличную от ширины клиньев в другом ряду, например bx и by.where D x , D y are the transverse total dimensions of the pump radiation beams after passing through the collimation means. Wedges can have the same or different widths, which allows you to vary the shape of the laser spot on the end face of the active element, matching it with the cross-sectional shape of the active element. Moreover, all the wedges in each row have the same width, but in the general case, different from the width of the wedges in the other row, for example, b x and b y .
Количество клиньев в каждом ряду 7 и 8 определяется требуемым размером пятна изображения на торцевой грани активного элемента 1 и максимально возможной плотностью мощности излучения накачки. В общем случае число Р не равно Q, что связано с различными размерами излучающей области диодной матрицы по двум ортогональным осям.The number of wedges in each
Твердотельный лазер с диодной накачкой работает следующим образом. Излучение лазерных диодных матриц 4 коллимируется посредством двух рядов цилиндрических микролинз 5 в двух перпендикулярных плоскостях и имеет после них форму прямоугольного растра, образованного совокупностью лазерных пятен, излученных диодными матрицами 4, с размерами Dx и Dy. Затем посредством оптических клиньев в рядах 7 и 8 осуществляется суммирование излучения накачки от всех лазерных диодных матриц 4 и фокусировка суммарного излучения в пятно, имеющее, например, форму квадрата с размерами b×b, согласованного с размерами а×а торцевой грани активного элемента 1. За счет преломления лучей в каждом клине в двух ортогональных плоскостях указанное пятно имеет «квазиплоское» распределение интенсивности излучения. Такой характер распределения интенсивности минимизирует вероятность разрушения просветляющего покрытия торцевой грани активного элемента при достижении наиболее однородной и наиболее высокой плотности мощности излучения накачки.A diode-pumped solid-state laser operates as follows. The radiation of the
Возбуждаемое в активном элементе 1 излучение усиливается резонатором при отражении от зеркал 2 и 3 до уровня генерации. Наличие в рядах клиньев 7 и 8 сквозной полости исключает потери при прохождении излучения между зеркалами 2 и 3 и увеличивает эффективность работы заявляемого лазера.The radiation excited in the
Существенное повышение выходной мощности лазерного излучения реализуется при использовании схемы твердотельного лазера с двумя источниками излучения накачки (фиг.9), когда излучение накачки вводится в активный элемент через две противоположные торцевые грани активного элемента.A significant increase in the output power of laser radiation is realized when using a solid-state laser circuit with two sources of pump radiation (Fig.9), when the pump radiation is introduced into the active element through two opposite end faces of the active element.
Таким образом, выполнение в заявляемом твердотельном лазере фокусирующего оптического элемента в виде двух рядов оптических клиньев с определенной геометрией и взаимным расположением согласно изобретению позволяет сформировать на торцевой грани активного элемента пятно требуемой формы с «квазиплоским» распределением интенсивности излучения, что приводит к повышению однородности поперечного и продольного распределения излучения накачки в активном элементе, и, как следствие, к увеличению мощности лазерного излучения, генерируемого твердотельным лазером, и его КПД.Thus, the implementation of the inventive solid-state laser focusing optical element in the form of two rows of optical wedges with a certain geometry and relative position according to the invention allows to form on the end face of the active element a spot of the desired shape with a “quasiplane” distribution of radiation intensity, which increases the uniformity of the transverse and longitudinal distribution of pump radiation in the active element, and, as a consequence, to increase the power of laser radiation generated by a solid state laser, and its efficiency.
Кроме того, реализация в заявляемом лазере однородного распределения излучения накачки в активном элементе позволяет применить более эффективную систему охлаждения активного элемента по сравнению со случаем поперечной накачки, за счет использования жидкостного хладагента, находящегося в непосредственном контакте с активным элементом по наиболее большой из возможных площадей соприкосновения, равной площади боковых граней активного элемента.In addition, the implementation in the inventive laser of a uniform distribution of pump radiation in the active element allows you to apply a more efficient cooling system of the active element compared to the case of transverse pumping, due to the use of liquid refrigerant in direct contact with the active element over the largest possible contact area, equal to the area of the side faces of the active element.
Использованная литератураReferences
1. Патент РФ 2200361, МКИ 7 H01S 3/0933, 2002 г.1. RF patent 2200361,
2. Патент США 5802092, НКИ 372/50, 1998 г.2. US patent 5802092, NKI 372/50, 1998
3. Патент США 5541951, НКИ 372/101, 1996 г.3. US patent 5541951, NKI 372/101, 1996
4. Патент США 5243619, НКИ 372/97, 1993 г.4. US patent 5243619, NKI 372/97, 1993
5. Патент США 6700709, НКИ 359/641, 2004 г.5. US patent 6700709, NKI 359/641, 2004
6. Патент США 6377410, НКИ 359/837, 2002 г.6. US patent 6377410, NKI 359/837, 2002
7. Патент США 5139609, НКИ 156/643, 1992 г. (прототип).7. US patent 5139609, NKI 156/643, 1992 (prototype).
Claims (9)
источники излучения накачки на основе лазерных диодов, расположенные, по меньшей мере, с одной стороны торцевых противоположных граней активного элемента так, что направление формируемого им пучка накачки ориентировано вдоль оси резонатора лазера, оптические элементы для коллимирования излучения накачки и оптический элемент для фокусировки излучения накачки на торцевые грани активного элемента, отличающийся тем, что упомянутый оптический элемент выполнен в виде двух рядов оптических клиньев, последовательно расположенных по ходу распространения излучения накачки, при этом клинья каждого ряда расположены параллельно друг другу и ортогонально относительно клиньев другого ряда; преломляющие грани клиньев второго ряда обращены к активному элементу, а преломляющие грани клиньев первого ряда ориентированы в противоположном направлении; величины преломляющих углов θk1, θk2 клиньев в каждом ряду уменьшаются в направлении от края ряда к его центру в соответствии с формулой
где θk1, θk2 - величины преломляющих углов клиньев в первом и втором рядах клиньев соответственно, hk1, hk2 - расстояния от оси резонатора лазера до наиболее удаленной от упомянутой оси грани k-го клина в первом и втором рядах клиньев соответственно, f - фокусное расстояние оптического элемента для фокусировки излучения накачки на торцевые грани активного элемента, состоящего из двух рядов оптических клиньев, определяемое как расстояние между торцевой гранью активного элемента и средней плоскостью упомянутого оптического элемента, a1, а2 - размеры лазерного пятна излучения накачки на торцевой грани активного элемента, соответствующие первому и второму рядам клиньев, n - показатель преломления клиньев.1. A diode-pumped solid-state laser containing an active element, a resonator formed by blind and translucent mirrors;
laser radiation diode-based pump sources located at least on one side of opposite end faces of the active element so that the direction of the pump beam formed by it is oriented along the axis of the laser resonator, optical elements for collimating the pump radiation, and an optical element for focusing the pump radiation on end faces of the active element, characterized in that the said optical element is made in the form of two rows of optical wedges arranged in series along the propagation of pump radiation, while the wedges of each row are parallel to each other and orthogonal to the wedges of the other row; the refracting faces of the wedges of the second row are facing the active element, and the refracting faces of the wedges of the first row are oriented in the opposite direction; the refractive angles θ k1 , θ k2 of the wedges in each row decrease in the direction from the edge of the row to its center in accordance with the formula
where θ k1 , θ k2 are the refractive angles of the wedges in the first and second rows of wedges, respectively, h k1 , h k2 are the distances from the laser resonator axis to the edges of the kth wedge in the first and second rows of wedges, respectively, f - the focal length of the optical element for focusing the pump radiation on the end faces of the active element, consisting of two rows of optical wedges, defined as the distance between the end face of the active element and the middle plane of the said optical element, a 1 , and 2 - RA the sizes of the laser spot of the pump radiation at the end face of the active element, corresponding to the first and second rows of wedges, n is the refractive index of the wedges.
L≥Dx, Dy; b<<L,
где Dx, Dy - размеры пучка накачки в плоскости ряда клиньев, обращенного к источнику излучения накачки.4. A diode-pumped solid-state laser according to claim 1, characterized in that the lengths L and the width b of the wedges are selected from the conditions
L≥Dx, Dy; b << L,
where D x , D y are the sizes of the pump beam in the plane of a series of wedges facing the pump radiation source.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008101510/28A RU2361342C1 (en) | 2008-01-14 | 2008-01-14 | Solid diode-pumped laser |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008101510/28A RU2361342C1 (en) | 2008-01-14 | 2008-01-14 | Solid diode-pumped laser |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2361342C1 true RU2361342C1 (en) | 2009-07-10 |
Family
ID=41045924
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008101510/28A RU2361342C1 (en) | 2008-01-14 | 2008-01-14 | Solid diode-pumped laser |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2361342C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2657125C1 (en) * | 2017-03-10 | 2018-06-08 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method of transverse pumping of the active laser medium |
-
2008
- 2008-01-14 RU RU2008101510/28A patent/RU2361342C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2657125C1 (en) * | 2017-03-10 | 2018-06-08 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method of transverse pumping of the active laser medium |
| RU2657125C9 (en) * | 2017-03-10 | 2018-10-08 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method of transverse pumping of the active laser medium |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7010194B2 (en) | Method and apparatus for coupling radiation from a stack of diode-laser bars into a single-core optical fiber | |
| KR100640127B1 (en) | Semiconductor laser device and solid state laser device using same | |
| US5185758A (en) | Multiple-laser pump optical system | |
| US5636239A (en) | Solid state optically pumped laser head | |
| US5590147A (en) | Side-pumped lasers | |
| EP1318578A2 (en) | Laser device for pumping a solid state laser medium | |
| US8014433B2 (en) | Laser apparatuses with large-number multi-reflection pump systems | |
| US8477825B2 (en) | Polarization maintaining multi-pass imaging system for thin-disk amplifiers and oscillators | |
| ES2886896T3 (en) | Homogeneous illumination device comprising an array of laser diodes | |
| US20030161376A1 (en) | Edge-facet pumped, multi-aperture, thin-disk laser geometry for very high average power output scaling | |
| EP3048678A1 (en) | Laser beam amplification by homogenous pumping of an amplification medium | |
| US5249196A (en) | Internally folded scalable laser | |
| US6738407B2 (en) | Semiconductor laser light emitting apparatus and solid-state laser rod pumping module | |
| KR101033759B1 (en) | Semiconductor laser device | |
| US9306365B2 (en) | Pump device for pumping an amplifying laser medium | |
| US6160934A (en) | Hollow lensing duct | |
| US6865213B2 (en) | Diode-pumped solid-state laser in a polyhedronal geometry | |
| KR101857751B1 (en) | Slab solid laser amplifier | |
| RU2361342C1 (en) | Solid diode-pumped laser | |
| JP7534318B2 (en) | Fiber-coupled diode laser module and method of assembling same - Patents.com | |
| US9496678B2 (en) | Device for reducing optical feedback into laser amplifier | |
| US6529657B2 (en) | Angle selective side-pumping of fiber amplifiers and lasers | |
| CN214899327U (en) | Multi-tube semiconductor laser | |
| CN110994353A (en) | A beam shaping module and optical device | |
| JP4927051B2 (en) | Semiconductor laser light output device and solid-state laser rod excitation module |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110115 |