RU2503105C1 - Diode-pumped alkali metal vapour laser - Google Patents
Diode-pumped alkali metal vapour laser Download PDFInfo
- Publication number
- RU2503105C1 RU2503105C1 RU2012130713/28A RU2012130713A RU2503105C1 RU 2503105 C1 RU2503105 C1 RU 2503105C1 RU 2012130713/28 A RU2012130713/28 A RU 2012130713/28A RU 2012130713 A RU2012130713 A RU 2012130713A RU 2503105 C1 RU2503105 C1 RU 2503105C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser
- chamber
- alkali metal
- pump radiation
- pump
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Lasers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к оптике и квантовой электронике и может быть использовано в лазерной локации, в системах наведения излучения, в технологических и медицинских лазерных установках.The invention relates to optics and quantum electronics and can be used in laser ranging, in radiation guidance systems, in technological and medical laser systems.
В 2003 году Крупке (William Krupke) была предложена новая концепция: непрерывный лазер на парах щелочных металлов с накачкой излучением лазерных диодов со столкновительным уширением D2 - линии гелием, в дополнение к столкновительному перемешиванию верхних уровней легкими углеводородами. Концепция предусматривала применение для накачки серийных и относительно дешевых лазерных диодов с шириной линии излучения до нескольких нанометров.In 2003, William Krupke introduced a new concept: a cw alkali-vapor laser pumped by laser diodes with collisional broadening of the D 2 helium line, in addition to collisional mixing of the upper levels with light hydrocarbons. The concept involved the use of serial and relatively cheap laser diodes with a radiation line width of up to several nanometers for pumping.
Известен щелочной лазер с диодной накачкой (W.F. Krupke, патент US 6643311 «Diode-pumped alkali laser», опубликован 04.11.2003), содержащий лазерную камеру с внутренней полостью с прозрачными торцевыми окнами, источник излучения накачки на основе лазерных диодов, оптические средства формирования и фокусировки излучения накачки во внутреннюю полость камеры, при этом активная среда удерживается статическим образом внутри полости, камера расположена между двумя торцевыми зеркалами резонатора, направления лазерного излучения и оптическая ось камеры совпадают, причем активная среда представляет собой смесь из, как минимум, одного буферного газа и пара щелочного металла, а длина волны накачки соответствует длине волны поглощения в парах щелочного металла. Активная среда накачивается лазерными диодами через оптическую систему в направлении, параллельном оптической оси камеры через торцевые окна камеры.Known alkaline diode-pumped alkaline laser (WF Krupke, patent US 6643311 "Diode-pumped alkali laser", published 04.11.2003), containing a laser chamber with an internal cavity with transparent end windows, a pump radiation source based on laser diodes, optical forming means and focusing the pump radiation into the inner cavity of the chamber, while the active medium is held in a static manner inside the cavity, the chamber is located between two end mirrors of the resonator, the directions of laser radiation and the optical axis of the chamber coincide, it active medium is a mixture of at least one buffer gas, and alkali metal vapor, and the pump wavelength corresponds to the absorption wavelength in the alkali metal vapor. The active medium is pumped by laser diodes through the optical system in a direction parallel to the optical axis of the camera through the end windows of the camera.
Недостатками данного устройства является то, что лазерная среда заключена в замкнутый объем и статична, что приводит к ее перегреву во время работы лазера, что ограничивает выходную мощность лазера.The disadvantages of this device is that the laser medium is enclosed in a closed volume and is static, which leads to its overheating during laser operation, which limits the output power of the laser.
Известен также лазер на парах щелочных металлов с диодной накачкой (W.F. Krupke et al., заявка US 2009/0022201 «Alkali-vapor laser with transverse pumping», опубликована 22.01.2009, МПК H01S 3/09, 3/0933), выбранный за прототип и содержащий лазерную камеру с внутренней полостью с прозрачными торцевыми окнами, замкнутый герметичный контур для циркуляции активной среды, проходящий через внутреннюю полость камеры в направлении, поперечном к оптической оси камеры, источник излучения накачки на основе лазерных диодов, оптические средства формирования и фокусировки излучения накачки во внутреннюю полость камеры, причем активная среда представляет собой смесь из, как минимум, одного буферного газа и пара щелочного металла, а длина волны накачки соответствует длине волны поглощения в парах щелочного металла. Направления лазерного излучения и оптическая ось камеры совпадают. Накачка активной среды происходит в направлении, поперечном направлению лазерного излучения.Also known is a diode-pumped alkali metal vapor laser (WF Krupke et al., Application US 2009/0022201 "Alkali-vapor laser with transverse pumping", published January 22, 2009, IPC
Недостатками прототипа является поперечная к направлению лазерного излучения накачка активной среды, при этом эффективная длина поглощения накачки оказывается меньшей, чем в случае с торцевой накачкой. В результате уменьшается эффективность преобразования энергии накачки в лазерную энергию и тем самым достигается меньший КПД лазера.The disadvantages of the prototype is transverse to the direction of the laser radiation pumping of the active medium, while the effective length of the absorption of the pump is shorter than in the case of end pumping. As a result, the efficiency of converting the pump energy into laser energy decreases, and thereby a lower laser efficiency is achieved.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение является создание непрерывного лазера киловаттного уровня с высоким ресурсом работы.The technical problem to be solved by the claimed invention is directed is the creation of a continuous kilowatt level laser with a high service life.
Технический результат заключается в обеспечении более эффективного преобразования энергии накачки в лазерную энергию и в повышении КПД лазера.The technical result consists in providing a more efficient conversion of pump energy into laser energy and in increasing the laser efficiency.
Данный технический результат достигается тем, что в лазере на парах щелочных металлов с диодной накачкой, содержащем лазерную камеру с внутренней полостью с прозрачными торцевыми окнами, замкнутый герметичный контур для циркуляции активной среды, проходящий через внутреннюю полость камеры в направлении, поперечном к оптической оси камеры, источник излучения накачки на основе лазерных диодов, оптические средства формирования и фокусировки излучения накачки во внутреннюю полость камеры, причем активная среда представляет собой смесь из, как минимум, одного буферного газа и пара щелочного металла, а длина волны накачки соответствует длине волны поглощения в парах щелочного металла, новым является то, что источник излучения накачки расположен со стороны по меньшей мере одного торцевого окна лазерной камеры таким образом, что направление формируемого им излучения накачки ориентировано продольно направлению оптической оси камеры, а оптические средства формирования и фокусировки излучения накачки выполнены и установлены с обеспечением построения в активной среде в одной и той же плоскости, поперечной оптической оси камеры, изображения излучающей зоны источника излучения накачки в направлении ее короткой стороны и Фурье-изображения излучающей зоны источника излучения накачки в направлении ее длинной стороны.This technical result is achieved by the fact that in an alkali metal vapor laser with diode pumping, comprising a laser chamber with an internal cavity with transparent end windows, a closed sealed circuit for circulating the active medium passing through the internal cavity of the chamber in a direction transverse to the optical axis of the chamber, a pump radiation source based on laser diodes, optical means for generating and focusing the pump radiation into the internal chamber cavity, the active medium being a mixture and h of at least one buffer gas and alkali metal vapor, and the pump wavelength corresponds to the absorption wavelength in alkali metal vapor, it is new that the pump radiation source is located on the side of at least one end window of the laser chamber in such a way that the direction the pump radiation generated by it is oriented longitudinally to the direction of the optical axis of the camera, and the optical means of generating and focusing the pump radiation are made and installed, ensuring that the active medium is constructed in one minutes and the same plane transverse to the optical axis of the camera, the image source emitting pump radiation zone in the direction of its short side and the image Fourier-emitting pumping radiation source zone in the direction of its long side.
Оптические средства формирования и фокусировки излучения накачки включают последовательно расположенные между источником излучения накачки и лазерной камерой сферическую и цилиндрическую линзы.Optical means for generating and focusing pump radiation include spherical and cylindrical lenses arranged sequentially between the pump radiation source and the laser camera.
Торцевые окна лазерной камеры расположены под углом Брюстера к оптической оси камеры.The end windows of the laser camera are located at a Brewster angle to the optical axis of the camera.
Лазер дополнительно содержит, по меньшей мере, один герметичный замкнутый контур обдува торцевых окон буферным газом, обеспечивающий направление потока газа вдоль окон в направлении, встречном или перпендикулярном направлению потока активной среды.The laser further comprises at least one sealed closed loop circuit for blowing the end windows with a buffer gas, which provides a direction of gas flow along the windows in a direction opposite or perpendicular to the direction of flow of the active medium.
Каждое из торцевых окон лазерной камеры состоит из двух и более прозрачных оптических пластин, пространство между которыми заполнено газом.Each of the end windows of the laser chamber consists of two or more transparent optical plates, the space between which is filled with gas.
Несмотря на то, что лазеры на парах щелочных металлов обладают очень высокой квантовой эффективностью, она ниже 100%. Потери энергии, обусловленные разницей между длиной волны накачки и длиной волны генерации (так называемый квантовый дефект) преобразуется в тепло. Соответственно, чем больше мощность накачки, тем большее количество теплоты выделяется в системе. В случае, когда среда статична, эта теплота будет основным ограничивающим фактором в работе лазера, т.к. это приведет с росту температуры активной среды. Температура определяет, во-первых, концентрацию паров щелочного металла, и при больших значениях концентрации имеющейся накачки станет недостаточно (для определенного уровня накачки существует оптимальная концентрация паров, а значит и оптимальная температура). Во-вторых, при увеличении температуры (более 400-500°С) начинается распад углеводородов, которые используются в качестве буферного газа. К тому же в случае замкнутой и статичной среды охлаждение среды осуществляется за счет теплообмена между средой и стенками камеры, а значит скорость отвода тепла ограничена коэффициентами теплопроводности газов, составляющих активную среду, и материала, из которого сделана камера. Поэтому организация замкнутого герметичного контура для обеспечения потока активной среды (т.е. основного контура) с контролируемой скоростью протока (скорость потока активной среды можно изменять) позволила эффективно отводить выделяющееся в процессе работы лазера тепло, сохраняя температуру активной среды, а значит и концентрацию паров щелочного металла на требуемом оптимальном уровне. Проток активной среды контролируется и при необходимости может изменяться, чтобы уменьшить или увеличить отвод тепла из активной области. Все это обеспечивает высокий и стабильный КПД лазера, а также увеличивает ресурс работы лазера, т.к. температура активной среды не достигает тех критических уровней, при которых начинается разложение углеводородов, либо начинают идти различные реакции взаимодействия активного щелочного металла с материалами, из которых состоит лазерная камера.Despite the fact that alkali metal vapor lasers have very high quantum efficiency, it is below 100%. Energy losses due to the difference between the pump wavelength and the generation wavelength (the so-called quantum defect) are converted to heat. Accordingly, the greater the pump power, the greater the amount of heat released in the system. In the case when the medium is static, this heat will be the main limiting factor in the laser operation, since this will lead to an increase in the temperature of the active medium. The temperature determines, firstly, the concentration of alkali metal vapors, and for large values of the concentration of the available pump it will not be enough (for a certain level of pumping, there is an optimal vapor concentration, and therefore an optimum temperature). Secondly, with increasing temperature (more than 400-500 ° C), the decomposition of hydrocarbons begins, which are used as a buffer gas. In addition, in the case of a closed and static medium, the medium is cooled by heat exchange between the medium and the chamber walls, which means that the heat removal rate is limited by the thermal conductivity of the gases that make up the active medium and the material of which the chamber is made. Therefore, the organization of a closed hermetic circuit to ensure the flow of the active medium (i.e., the main circuit) with a controlled flow rate (the flow rate of the active medium can be changed) made it possible to efficiently remove the heat generated during laser operation, while maintaining the temperature of the active medium, and hence the vapor concentration alkali metal at the required optimum level. The flow of the active medium is controlled and, if necessary, can be changed in order to reduce or increase heat removal from the active region. All this provides a high and stable laser efficiency, and also increases the laser resource, because the temperature of the active medium does not reach those critical levels at which decomposition of hydrocarbons begins, or various reactions of the interaction of the active alkali metal with the materials that make up the laser chamber begin to take place.
Излучающая зона источника накачки имеет размеры 120×6 мм по «быстрой» оси и «медленной» оси соответственно (Y. Wang, Т. Kasamatsu, Y. Zheng, Н. Miyajima, Н. Fukuoka, S. Matsuoka, M. Niigaki, H. Kubomura, Т. Hiruma, H. Kan, "Cesium vapor laser pumped by a volume-Bragg-grating coupled quasi-continuous-wave laser-diode array", Appl. Phys. Lett. 88, 141112, 2006). При этом расходимость излучения накачки составляет 0.003×0.1 рад (соответственно по «быстрой» и «медленной» осям). В связи с такой асимметрией в размере и расходимости излучения накачки становится крайне сложно с помощью достаточно простой оптической системы сформировать каустику накачки в центре лазерной камеры. Т.к. используется торцевая накачка, то для эффективного преобразования излучения накачки в лазерное излучение требуется следующее:The emitting zone of the pump source is 120 × 6 mm along the “fast” axis and “slow” axis, respectively (Y. Wang, T. Kasamatsu, Y. Zheng, N. Miyajima, N. Fukuoka, S. Matsuoka, M. Niigaki, H. Kubomura, T. Hiruma, H. Kan, "Cesium vapor laser pumped by a volume-Bragg-grating coupled quasi-continuous-wave laser-diode array", Appl. Phys. Lett. 88, 141112, 2006). In this case, the divergence of the pump radiation is 0.003 × 0.1 rad (along the “fast” and “slow” axes, respectively). Due to such an asymmetry in the size and divergence of the pump radiation, it becomes extremely difficult to form a pump caustic in the center of the laser chamber using a fairly simple optical system. Because Since end pumping is used, the following is required for the efficient conversion of pump radiation into laser radiation:
- накачка должна быть сфокусирована в как можно меньший размер, т.к. при этом увеличивается интенсивность накачки, а вместе с ней и общий КПД лазера;- the pump should be focused in the smallest possible size, because this increases the intensity of the pump, and with it the overall efficiency of the laser;
- каустика накачки должна быть как можно более пологая и иметь одинаковые размеры по обоим осям (в идеале каустика накачки должна представлять из себя цилиндр), одинаковые размеры по обоим осям упрощают подбор оптимальной конфигурации резонатора, что также увеличивает общий КПД лазера. Поэтому была разработана и экспериментально опробована оптическая система формирования каустики накачки, которая хорошо удовлетворяет поставленным выше условиям.- the pump caustic should be as flat as possible and have the same dimensions on both axes (ideally, the pump caustic should be a cylinder), the same dimensions on both axes simplify the selection of the optimal cavity configuration, which also increases the overall laser efficiency. Therefore, an optical system for the formation of a pumping caustic was developed and experimentally tested, which well satisfies the above conditions.
Спектр лазерных диодов, из которых состоят источники диодной накачки для лазера на парах щелочных металлов, даже с использованием внешних селективных отражателей (предназначенных для сужения спектра лазерных диодов), тем не менее, в несколько раз шире, чем линия поглощения атомов щелочного металла, даже столкновительно уширенная несколькими атмосферами буферного газа, такого как, например, гелий. Такое несогласование приводит к тому, что поглощается только центральная часть спектра накачки, оставляя «крылья» спектра, в которых находится значительная доля энергии, не поглощенными. Чтобы устранить это несоответствие в спектре накачки и ширине линии поглощения и тем самым увеличить эффективность поглощения света накачки применяется конфигурация с торцевой накачкой. Увеличение эффективности поглощения в такой конфигурации достигается за счет создания требуемой эффективной длины поглощения среды (эффективная длина поглощения - это произведение концентрации паров щелочного элемента на длину столба паров, вдоль которого распространяется излучение накачки) с сохранением достаточной интенсивности света накачки по всей ее длине. Поэтому общий КПД лазера увеличивается.The spectrum of laser diodes that make up the sources of diode pumping for an alkali metal vapor laser, even using external selective reflectors (designed to narrow the spectrum of laser diodes), is nevertheless several times wider than the absorption line of alkali metal atoms, even broadened by several atmospheres of a buffer gas, such as, for example, helium. Such a mismatch leads to the fact that only the central part of the pump spectrum is absorbed, leaving the “wings” of the spectrum, in which a significant fraction of the energy is located, not absorbed. In order to eliminate this discrepancy in the pump spectrum and the width of the absorption line and thereby increase the efficiency of absorption of the pump light, an end-pumped configuration is used. An increase in the absorption efficiency in this configuration is achieved by creating the required effective absorption length of the medium (the effective absorption length is the product of the vapor concentration of the alkaline element by the length of the vapor column along which the pump radiation propagates) while maintaining a sufficient intensity of the pump light along its entire length. Therefore, the total laser efficiency increases.
Излучение накачки линейно поляризовано,, поэтому расположение окон лазерной камеры под углом Брюстера к оптической оси камеры для такого линейно поляризованного излучения уменьшает френелевские потери на отражение. Это значит, что большая часть излучения накачки будет доставлена до активной среды, тем самым, увеличивая общий КПД лазера.The pump radiation is linearly polarized, therefore, the location of the windows of the laser chamber at a Brewster angle to the optical axis of the camera for such a linearly polarized radiation reduces the Fresnel reflection loss. This means that most of the pump radiation will be delivered to the active medium, thereby increasing the overall laser efficiency.
Использование контура обдува увеличивает ресурс работы лазера, т.к. поток газа в этом контуре препятствует, во-первых, осаждению паров щелочного металла на окнах лазерной камеры, во-вторых, осаждению продуктов распада углеводородов в виде сажи из основного контура. Поэтому окна более длительное время остаются чистыми. Это также означает, что внутрирезонаторные потери не растут во время работы лазера, что приводит к увеличению КПД лазера.Using a blower circuit increases the life of the laser, because the gas flow in this circuit prevents, firstly, the deposition of alkali metal vapors on the windows of the laser chamber, and secondly, the deposition of hydrocarbon decomposition products in the form of soot from the main circuit. Therefore, the windows remain clean for a longer time. This also means that intracavity losses do not increase during laser operation, which leads to an increase in laser efficiency.
Применение окон, состоящих из двух и более прозрачных оптических пластин, пространство между которыми заполнено газом (окно с блок-пакетом), увеличивает ресурс работы лазера. В случае, когда используется обычная конструкция окна с одной оптической пластиной, одна поверхность этой пластины контактирует с окружающим воздухом, температура которого значительно ниже температуры активной среды внутри кюветы. В этом случае возможно, что температура другой поверхности пластины (внутри кюветы) будет также ниже температуры активной среды, и на нее будут садиться пары щелочного металла. Это приведет к выходу окон лазерной камеры из строя. В конструкции окна с блок-пакетом газ, находящийся между двумя пластинами, разогревается до температуры немного выше, чем температура активной среды. Отсюда следует, что пластина, обращенная к активной среде, будет горячее самой среды, что препятствует осаждению щелочного металла на ней. Поэтому окна более длительное время остаются чистыми. Это также означает, что внутрирезонаторные потери не растут во время работы лазера, что приводит к увеличению КПД лазера. Оптические пластины, из которых состоит блок-пакет, могут быть изготовлены из разных материалов (стекло, кварц, сапфир). Кроме того, на них может быть нанесено просветляющее покрытие. Газ между пластинами изолирован от активной среды и не содержит паров щелочного металла. Сам газ может быть любым (воздух, азот, инертный газ).The use of windows consisting of two or more transparent optical plates, the space between which is filled with gas (a window with a block package), increases the life of the laser. In the case where the usual window design with one optical plate is used, one surface of this plate is in contact with ambient air, the temperature of which is much lower than the temperature of the active medium inside the cell. In this case, it is possible that the temperature of the other surface of the plate (inside the cuvette) will also be lower than the temperature of the active medium, and alkali metal vapors will sit on it. This will lead to the failure of the laser camera windows. In the design of a window with a block package, the gas located between the two plates is heated to a temperature slightly higher than the temperature of the active medium. It follows that the plate facing the active medium will be hotter than the medium itself, which prevents the deposition of alkali metal on it. Therefore, the windows remain clean for a longer time. This also means that intracavity losses do not increase during laser operation, which leads to an increase in laser efficiency. The optical plates that make up the block package can be made of different materials (glass, quartz, sapphire). In addition, they can be coated with antireflection. The gas between the plates is isolated from the active medium and does not contain alkali metal vapor. The gas itself can be anything (air, nitrogen, inert gas).
На фиг.1 показана конструкция лазера на парах щелочных металлов с диодной накачкой, где:Figure 1 shows the design of a diode-pumped alkali metal vapor laser, where:
1 - лазерная камера;1 - laser camera;
2 - торцевые окна;2 - end windows;
3 - источник излучения накачки на основе лазерных диодов;3 - a pump radiation source based on laser diodes;
4 - сферическая линза в составе оптических средств формирования и фокусировки излучения накачки во внутреннюю полость камеры;4 - a spherical lens as part of optical means for generating and focusing the pump radiation into the internal chamber cavity;
5 - цилиндрическая линза в составе оптических средств формирования и фокусировки излучения накачки во внутреннюю полость камеры;5 - a cylindrical lens in the composition of the optical means of forming and focusing the pump radiation into the internal cavity of the chamber;
6 - основной замкнутый контур с активной средой;6 - main closed loop with an active medium;
7 - нагнетатель, обеспечивающий прокачку активной среды в основном контуре;7 - a supercharger that provides pumping of the active medium in the main circuit;
8 - высокоотражающее зеркало плоскопараллельного резонатора;8 - highly reflective mirror of a plane-parallel resonator;
9 - выходное зеркало плоскопараллельного резонатора;9 - output mirror of a plane-parallel resonator;
10 - дополнительный замкнутый контур обдува торцевых окон;10 - additional closed loop blowing end windows;
11 - нагнетатель, обеспечивающий прокачку газа в контуре обдува;11 - a supercharger for pumping gas in the blowing circuit;
12 - модуль для загрузки щелочного металла.12 - module for loading alkali metal.
На фиг.2 показана оптическая схема лазера на парах щелочных металлов, где:Figure 2 shows the optical diagram of an alkali metal vapor laser, where:
13 - поворотное зеркало, выводящее лазерное излучение;13 - a rotary mirror that displays laser radiation;
На фиг.3 показана принципиальная схема оптической системы формирования излучения накачки, где:Figure 3 shows a schematic diagram of an optical system for generating pump radiation, where:
14 - излучающая зона источника накачки по «медленной» оси;14 - emitting zone of the pump source along the "slow" axis;
15 - изображение излучающей зоны источника накачки по «медленной» оси в центре лазерной камеры;15 - image of the emitting zone of the pump source along the "slow" axis in the center of the laser chamber;
16 - излучающая зона источника накачки по «быстрой» оси;16 - emitting zone of the pump source along the "fast" axis;
17 - Фурье-изображение излучающей зоны источника накачки по «быстрой» оси в центре лазерной камеры;17 - Fourier image of the emitting zone of the pump source along the "fast" axis in the center of the laser chamber;
L - расстояние от излучающей зоны источника накачки до середины лазерной камеры;L is the distance from the emitting zone of the pump source to the middle of the laser chamber;
F - фокусное расстояние первой сферической линзы;F is the focal length of the first spherical lens;
а - расстояние от излучающей зоны источника до сферической линзы;a is the distance from the emitting zone of the source to the spherical lens;
b - расстояние между сферической и цилиндрической линзой;b is the distance between the spherical and cylindrical lens;
с - расстояние от цилиндрической линзы до середины лазерной камеры.C is the distance from the cylindrical lens to the middle of the laser chamber.
Лазер на парах щелочных металлов включает лазерную камеру 1 с внутренней полостью с прозрачными торцевыми окнами 2, источник 3 излучения накачки на основе лазерных диодов, оптические средства формирования и фокусировки излучения накачки во внутреннюю полость камеры, состоящие из двух линз - сферической 4 и цилиндрической 5, при этом поток активной среды организован в замкнутом герметичном контуре 6 через полость лазерной камеры 1 в направлении, поперечном к оптической оси камеры, при помощи нагнетателя 7, плоскопараллельный резонатор, состоящий из двух зеркал: высокоотражающего зеркала 8, выходного зеркала 9 и выводящего излучение генерации зеркала 13. Дополнительно в состав лазера входят еще один герметичный замкнутый контур 10 обдува торцевых окон буферным газом и модуль 12 загрузки щелочного металла. В контуре 10 обдува торцевых окон при помощи нагнетателя 11 организован поток буферного газа. Направление лазерного излучения и оптическая ось камеры совпадают.The alkali metal vapor laser includes a laser chamber 1 with an internal cavity with transparent end windows 2, a
Источники диодной накачки на основе линеек лазерных диодов таковы, что их излучающая зона имеет размеры 120×6 мм по «быстрой» оси и «медленной» оси соответственно. При этом расходимость излучения накачки составляет 0.003×0.1 рад (соответственно по «быстрой» и «медленной» осям). В связи с такой асимметрией в размере и расходимости накачки становиться крайне сложно с помощью достаточно простой оптической системы сформировать каустику накачки в центре лазерной камеры. Поэтому была предложена, разработана и создана следующая оптическая система формирования каустики накачки, которая хорошо удовлетворяет поставленным выше условиям.The sources of diode pumping based on the lines of laser diodes are such that their emitting zone has dimensions 120 × 6 mm along the “fast” axis and “slow” axis, respectively. In this case, the divergence of the pump radiation is 0.003 × 0.1 rad (along the “fast” and “slow” axes, respectively). In connection with such an asymmetry in the size and divergence of the pump, it becomes extremely difficult to form a pump caustic in the center of the laser chamber using a fairly simple optical system. Therefore, the following optical system for the formation of a pumping caustic was proposed, developed and created, which well satisfies the above conditions.
Оптическая система состоит из (фиг.2) сферической линзы 4, которая строит Фурье-изображение 17 излучающей зоны источника накачки в центре лазерной камеры по «быстрой» оси и цилиндрической линзы 5, которая вместе со сферической строит в центре камеры просто изображение 15 излучающей зоны источника накачки с некоторым коэффициентом перестроения по «медленной» оси.The optical system consists of (Fig. 2) a
В соответствии с фиг.3 имеем: L - расстояние от излучающей зоны источника накачки до середины лазерной камеры, F - фокусное расстояние первой сферической линзы, f - фокусное расстояние второй цилиндрической линзы, а - расстояние от излучающей зоны источника до сферической линзы, b - расстояние между сферической и цилиндрической линзой, с - расстояние от цилиндрической линзы до середины лазерной камеры. Примем также, что L>F>0, F>f>0.In accordance with figure 3 we have: L is the distance from the emitting zone of the pump source to the middle of the laser chamber, F is the focal length of the first spherical lens, f is the focal length of the second cylindrical lens, and the distance from the emitting zone of the source to the spherical lens, b - the distance between the spherical and cylindrical lens, s is the distance from the cylindrical lens to the middle of the laser chamber. We also assume that L> F> 0, F> f> 0.
Рассмотрим сначала плоскость в направлении «быстрой» оси. Т.к. в этой плоскости строится Фурье-изображение, то сферическая линза должна стоять так, чтобы ее фокус был в центре лазерной камеры. Отсюда сразу можно определить расстояние:We first consider the plane in the direction of the "fast" axis. Because In this plane a Fourier image is constructed, then the spherical lens should stand so that its focus is in the center of the laser camera. From here you can immediately determine the distance:
a=L-F.a = L-F.
Также выполняется соотношение b+с=F.The relation b + c = F also holds.
Размер Фурье-изображения 17 определяется выражением Dx=F·θx, где θx - расходимость излучения по «быстрой» оси. Видно, что размер Фурье-изображения не зависит от размера источника накачки, а определяется только фокусным расстоянием линзы и расходимостью излучения источника накачки. Однако, в этом случае существенную роль начинают играть аберрации на линзе, которые приводят к тому, что размер Фурье-изображения увеличивается. Это увеличение зависит от линзы, т.е. от ее фокусного расстояния, размеров, толщины, материала и качества изготовления.The size of the
В плоскости «медленной» оси в середине лазерной камеры при помощи системы двух линз строится изображение излучающей зоны источника накачки. Для выбранных значений L, F и f соответствующие расстояния между линзами будут следующие:In the plane of the “slow” axis in the middle of the laser chamber, an image of the emitting zone of the pump source is constructed using a system of two lenses. For the selected values of L, F and f, the corresponding distances between the lenses will be as follows:
a=L-Fa = L-F
c=F-b. Величину b можно определить из квадратного уравнения (имеются два решения квадратного уравнения, мы выбирали так, чтобы удовлетворялось условие L>F>0, F>f>0):c = F-b. The value of b can be determined from the quadratic equation (there are two solutions of the quadratic equation, we chose so that the condition L> F> 0, F> f> 0 is satisfied):
b2-(F+z)·b+(F·f+z·F-f·z)=0, где z=F·(L-F)/(L-2F)b 2 - (F + z) · b + (F · f + z · Ff · z) = 0, where z = F · (LF) / (L-2F)
Размер изображения 15 (фиг.3) в этой плоскости будет Dy=D·K, где D - размер излучающей зоны 14 источника накачки, К - коэффициент перестроения, который определяется соотношением:The image size 15 (figure 3) in this plane will be D y = D · K, where D is the size of the emitting
K=[F·(F-b)]/[(L-2F)·(b-z)].K = [F · (F-b)] / [(L-2F) · (b-z)].
Эти формулы выполняются при L≠2F, когда L=2F коэффициент перестроения упрощается K=f/F и b=L-F-f.These formulas are satisfied at L ≠ 2F, when L = 2F, the conversion factor is simplified K = f / F and b = L-F-f.
Зная исходные размеры излучающей зоны источника накачки, фокусные расстояния линз F и f, расстояние L и требуемые размеры середины каустики, можно по приведенным формулам определить все расстояния оптической схемы.Knowing the initial dimensions of the emitting zone of the pump source, the focal lengths of the lenses F and f, the distance L and the required sizes of the middle of the caustic, one can determine all the distances of the optical scheme using the above formulas.
Параметры оптической схемы в примере конкретного выполнения были следующими:The parameters of the optical scheme in the example of a specific implementation were as follows:
Расстояние L=1,4 м - выбиралось исходя из конструктивных особенностей системы;The distance L = 1.4 m - was chosen based on the design features of the system;
Фокусные расстояния линз 4 и 5: F=0,7 м и f=0,35 м соответственно;Focal lengths of
Размер Фурье-изображения оказался равным Dx=3,8 мм, вместо расчетных 2,1 мм;The Fourier image size turned out to be equal to D x = 3.8 mm, instead of the calculated 2.1 mm;
Поэтому в соответствии с формулами расстояния между линзами получились следующие а=0,7 м, b=0,35 м, с=0,35 м, при этом размер изображения источника накачки оказался равным Dy=3,6 мм.Therefore, in accordance with the distance formulas between the lenses, the following a = 0.7 m, b = 0.35 m, c = 0.35 m were obtained, while the image size of the pump source turned out to be D y = 3.6 mm.
Излучение от источника 3 диодной накачки проходит через описанную нами оптическую систему, формируя каустику накачки с размерами, описанными выше. В примере конкретного выполнения использовались два источника диодной накачки и, соответственно, две оптических системы формирования каустики накачки. Все это располагалось так, чтобы каустики обоих источников совпали пространственно, и их центры совпали с центром лазерной камеры. Т.е. имеет место встречная схема накачки.The radiation from the
Лазерная кювета выполнена из нержавеющей стали и состоит из двух контуров. Первый контур 6 - основной, в котором происходит циркуляция активной среды через лазерную камеру 1. Второй контур 10 - контур обдува торцевых окон 2. В обоих контурах организован поток активной среды. Поток создается при помощи нагнетателей 7 и 11. Скорость потока может варьироваться от 0 до 30 м/с. Нагнетатель представляет собой крыльчатку, соединенную с управляемым через компьютер двигателем посредством магнитной муфты (лазерная кювета полностью герметична). По всей поверхности лазерной кюветы распределены нагреватели и датчики температуры, которые включены в систему автоматического терморегулирования. Это позволяет устанавливать на каждом требуемом участке трубы определенную требуемую температуру и поддерживать ее с точность ±1°С. В контуре 10 обдува происходит циркуляция среды, но уже без паров щелочного металла. Это достигается тем, что температура контура обдува всегда поддерживается на 10-20°С выше, чем температура в основном контуре 6. В результате пары цезия не идут в контур обдува. Направление потока в этом контуре происходит перпендикулярно основному потоку и вдоль окон. Окна 2, через которые излучение накачки попадает в полость лазерной камеры, в которой происходит генерация излучения, могут быть выполнены из стекла, кварца или сапфира. Также на них может быть нанесено просветляющее покрытие.The laser cuvette is made of stainless steel and consists of two circuits. The first circuit 6 is the main circuit in which the active medium circulates through the laser chamber 1. The second circuit 10 is the circuit for blowing the end windows 2. The flow of the active medium is organized in both circuits. The flow is created using blowers 7 and 11. The flow velocity can vary from 0 to 30 m / s. The supercharger is an impeller connected to a computer-controlled engine by means of a magnetic coupling (the laser cell is completely sealed). Heaters and temperature sensors are distributed over the entire surface of the laser cell, which are included in the automatic thermal control system. This allows you to set at each desired section of the pipe a certain desired temperature and maintain it with an accuracy of ± 1 ° C. In the circuit 10 blowing medium is circulating, but already without alkali metal vapor. This is achieved by the fact that the temperature of the blowing circuit is always maintained at 10-20 ° C higher than the temperature in the main circuit 6. As a result, cesium vapor does not go into the blowing circuit. The direction of flow in this circuit occurs perpendicular to the main stream and along the windows. Windows 2, through which pump radiation enters the cavity of the laser chamber in which the radiation is generated, can be made of glass, quartz or sapphire. They can also be coated with antireflection.
Длина лазерной камеры составляет 36 мм.The length of the laser camera is 36 mm.
В процессе работы лазера через лазерную камеру 1 протекала смесь паров щелочного металла с буферными газами, концентрация паров определялась заданной температурой лазерной кюветы. В результате поглощения излучения накачки в лазерной камере 1 образовывалась инверсная населенность на верхнем лазерном уровне атома щелочного металла. Благодаря плоскопараллельному резонатору возникала лазерная генерация, которая отводилась при помощи зеркала 13. Преимущество плоскопараллельного резонатора заключается в том, что при его применении размер моды резонатора подбирается автоматически по размеру накачиваемой активной области.During the operation of the laser, a mixture of alkali metal vapors with buffer gases flowed through the laser chamber 1, and the vapor concentration was determined by the preset temperature of the laser cell. As a result of the absorption of pump radiation in the laser chamber 1, an inverse population was formed at the upper laser level of the alkali metal atom. Due to the plane-parallel resonator, laser generation arose, which was diverted using
За счет протока активной среды через лазерную камеру 1 происходит постоянная смена среды и отвод тепла выделяющегося в процессе генерации. Перпендикулярно протоку активной среды происходит циркуляция буферного газа по контуру обдува окон, около окон организован поток, который не дает парам щелочного металла и химическим продуктам, возникающим в лазерной камере, осесть на окна.Due to the flow of the active medium through the laser chamber 1, the medium constantly changes and the heat released during generation is removed. Perpendicular to the flow of the active medium, the buffer gas circulates along the window blowing circuit, a stream is organized near the windows, which prevents alkali metal vapors and chemical products arising in the laser chamber from settling on the windows.
В результате был создан лазер киловаттного уровня имеющий КПД ~ 48%.As a result, a kilowatt-level laser with an efficiency of ~ 48% was created.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012130713/28A RU2503105C1 (en) | 2012-07-18 | 2012-07-18 | Diode-pumped alkali metal vapour laser |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012130713/28A RU2503105C1 (en) | 2012-07-18 | 2012-07-18 | Diode-pumped alkali metal vapour laser |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2503105C1 true RU2503105C1 (en) | 2013-12-27 |
Family
ID=49817828
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012130713/28A RU2503105C1 (en) | 2012-07-18 | 2012-07-18 | Diode-pumped alkali metal vapour laser |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2503105C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105715793A (en) * | 2014-12-05 | 2016-06-29 | 中国科学院大连化学物理研究所 | Glass window piece and pool wall metal sealing structure of alkali vapor pool |
| CN114075047A (en) * | 2020-08-12 | 2022-02-22 | 中国科学院大连化学物理研究所 | Hollow photonic crystal fiber and air chamber sealing structure |
| CN114199831A (en) * | 2020-09-02 | 2022-03-18 | 中国科学院大连化学物理研究所 | Device and method for filling alkali metal vapor in hollow-core photonic crystal fiber and detecting alkali metal vapor and application of device and method |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030099272A1 (en) * | 2001-10-23 | 2003-05-29 | Krupke William F. | Diode-pumped Alkali laser |
| RU2230409C2 (en) * | 2000-10-09 | 2004-06-10 | Томский государственный университет | Pulsed chemical element vapor laser |
| WO2005069450A2 (en) * | 2004-01-07 | 2005-07-28 | Spectra-Physics, Inc. | Ultraviolet, narrow linewidth laser system |
| US20090022201A1 (en) * | 2007-05-17 | 2009-01-22 | General Atomics | Alkali-Vapor Laser with Transverse Pumping |
| CN202268596U (en) * | 2011-09-02 | 2012-06-06 | 浙江大学 | MOPA (master oscillator power amplifier) system for semi-conductor diode-pumped alkali metal vapor lasers |
-
2012
- 2012-07-18 RU RU2012130713/28A patent/RU2503105C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2230409C2 (en) * | 2000-10-09 | 2004-06-10 | Томский государственный университет | Pulsed chemical element vapor laser |
| US20030099272A1 (en) * | 2001-10-23 | 2003-05-29 | Krupke William F. | Diode-pumped Alkali laser |
| WO2005069450A2 (en) * | 2004-01-07 | 2005-07-28 | Spectra-Physics, Inc. | Ultraviolet, narrow linewidth laser system |
| US20090022201A1 (en) * | 2007-05-17 | 2009-01-22 | General Atomics | Alkali-Vapor Laser with Transverse Pumping |
| CN202268596U (en) * | 2011-09-02 | 2012-06-06 | 浙江大学 | MOPA (master oscillator power amplifier) system for semi-conductor diode-pumped alkali metal vapor lasers |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105715793A (en) * | 2014-12-05 | 2016-06-29 | 中国科学院大连化学物理研究所 | Glass window piece and pool wall metal sealing structure of alkali vapor pool |
| CN105715793B (en) * | 2014-12-05 | 2018-06-29 | 中国科学院大连化学物理研究所 | The glass window piece in vapour of an alkali metal pond and pool wall shape metallic leak-proof structure |
| CN114075047A (en) * | 2020-08-12 | 2022-02-22 | 中国科学院大连化学物理研究所 | Hollow photonic crystal fiber and air chamber sealing structure |
| CN114075047B (en) * | 2020-08-12 | 2022-08-30 | 中国科学院大连化学物理研究所 | Hollow photonic crystal fiber and air chamber sealing structure |
| CN114199831A (en) * | 2020-09-02 | 2022-03-18 | 中国科学院大连化学物理研究所 | Device and method for filling alkali metal vapor in hollow-core photonic crystal fiber and detecting alkali metal vapor and application of device and method |
| CN114199831B (en) * | 2020-09-02 | 2023-08-04 | 中国科学院大连化学物理研究所 | Device, method and application for filling and detecting alkali metal vapor in hollow-core photonic crystal fiber |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zhdanov et al. | Review of alkali laser research and development | |
| US7103078B2 (en) | Laser containing a distributed gain medium | |
| Bibeau et al. | High-average-power 1-/spl mu/m performance and frequency conversion of a diode-end-pumped Yb: YAG laser | |
| Contag et al. | Theoretical modelling and experimental investigations of the diode-pumped thin-disk Yb: YAG laser | |
| Inoue et al. | Diode-pumped Nd: YAG laser producing 122-W CW power at 1.319/spl mu/m | |
| US5301203A (en) | Scalable and stable, CW photolytic atomic iodine laser | |
| Krupke et al. | New class of cw high-power diode-pumped alkali lasers (DPALs)(Plenary Paper) | |
| RU2503105C1 (en) | Diode-pumped alkali metal vapour laser | |
| JPH06224500A (en) | Semiconductor laser pumping multiplex molecule gas laser | |
| Zhdanov et al. | Demonstration of a diode pumped continuous wave potassium laser | |
| Zhdanov et al. | DPAL: historical perspective and summary of achievements | |
| US4956843A (en) | Simultaneous generation of laser radiation at two different frequencies | |
| JPH06296053A (en) | Semiconductor laser pumping molecule gas laser | |
| KR101857751B1 (en) | Slab solid laser amplifier | |
| Yamaguchi et al. | Efficient Nd: YAG laser end-pumped by a 1 cm aperture laser-diode bar with a GRIN lens array coupling | |
| US5425044A (en) | Compact, burst mode, pulsed, high energy, blowdown flow photolytic atomic iodine laser | |
| CN119154081A (en) | Multi-wavelength visible light laser based on single gain medium and polarization separate control | |
| US9293885B2 (en) | Ultraviolet triply-optically-pumped atomic lasers (TOPAL) | |
| JPH10294512A (en) | Solid-state laser device | |
| CA3037232A1 (en) | Cascaded, long pulse and continuous wave raman lasers | |
| CN113948953B (en) | Cascade pumped erbium doped laser | |
| Lee et al. | Reducing temperature dependence of the output energy of a quasi-continuous wave diode-pumped Nd: YAG laser | |
| Speiser et al. | Thin disk laser in the 2μm wavelength range | |
| Song et al. | Common Lasers in Laser Cleaning | |
| Abazadze et al. | Highly efficient minilaser with transverse pulsed semiconductor pumping for eye-safe laser range-finding |