RU2339138C2 - Solid-body laser with diode pumping (versions) - Google Patents
Solid-body laser with diode pumping (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2339138C2 RU2339138C2 RU2006127504/28A RU2006127504A RU2339138C2 RU 2339138 C2 RU2339138 C2 RU 2339138C2 RU 2006127504/28 A RU2006127504/28 A RU 2006127504/28A RU 2006127504 A RU2006127504 A RU 2006127504A RU 2339138 C2 RU2339138 C2 RU 2339138C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- active medium
- medium
- laser
- diode
- solid
- Prior art date
Links
Landscapes
- Lasers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано при разработке лидарных систем, лазерных дальномеров, в научных исследованиях, в медицине.The invention relates to laser technology and can be used in the development of lidar systems, laser rangefinders, in scientific research, in medicine.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению и выбранному в качестве прототипа является твердотельный лазер (Патент США №5774489, опубл. 30.06.1998 г.) состоящий из активной твердотельной среды, характеризующейся размерами - длиной, шириной и толщиной, резонатора, обеспечивающего генерацию излучения вдоль продольной оси активной среды, блока накачки в виде диодной лазерной линейки и цилиндрической линзы для коллимации ее излучения поперечно продольной оси. На грань активной среды, противоположную грани ввода коллимированного излучения накачки, нанесены глухие зеркальные покрытия, что в два раза увеличивает длину распространения излучения накачки по активной среде.The closest to the proposed invention and selected as a prototype is a solid-state laser (US Patent No. 5,774,489, publ. 06/30/1998) consisting of an active solid-state medium characterized by dimensions - length, width and thickness of a resonator that generates radiation along the longitudinal axis active medium, a pumping unit in the form of a diode laser ruler and a cylindrical lens for collimating its radiation transversely to the longitudinal axis. On the face of the active medium, opposite the face of the input of collimated pump radiation, deaf mirror coatings are applied, which doubles the propagation length of the pump radiation through the active medium.
Недостатком прототипа является необходимость точной стабилизации температуры источника излучения накачки для попадания длины волны этого излучения в полосу поглощения активной среды вследствие ее малого поперечного размера.The disadvantage of the prototype is the need for accurate stabilization of the temperature of the pump radiation source to get the wavelength of this radiation into the absorption band of the active medium due to its small transverse size.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является снятие необходимости точной стабилизации температуры при отводе тепла от полупроводниковой лазерной линейки.The task to which the invention is directed is to remove the need for accurate temperature stabilization during heat removal from a semiconductor laser line.
Решение этой задачи обеспечивается при реализации изобретения за счет достижения технического результата, заключающегося в увеличении длины распространения излучения накачки по активной среде.The solution to this problem is provided by the implementation of the invention by achieving a technical result, which consists in increasing the propagation length of the pump radiation through the active medium.
Данный технический результат достигается тем, что в твердотельном лазере с диодной накачкой, состоящем из активной твердотельной среды в виде шестигранного тела, имеющего по две попарно противоположные грани, из которых широкие определены длиной и шириной тела, узкие - его длиной и толщиной, а торцевые - шириной и толщиной, резонатора, образованного глухим и выходным зеркалами для генерации лазерного пучка вдоль продольной геометрической оси активной твердотельной среды через ее торцевую грань, блока накачки, включающего диодную лазерную линейку, расположенную в фокальной плоскости цилиндрической линзы, установленного с возможностью направления, коллимированного в плоскости, перпендикулярной широким граням активной среды, излучения во внутрь этой среды сквозь ее узкую грань, шестигранное тело выполнено в виде призмы, а к ее узкой грани прикреплен посредством посадки на оптический контакт своей плоской гранью оптический элемент, другая, обращенная к цилиндрической линзе поверхность которого, имеет либо цилиндрическую форму, либо форму, выполненную в виде растра, обеспечивающую концентрацию падающего на нее излучения во внутрь активной среды в плоскости, параллельной широким граням. Форма обращенной к цилиндрической линзе поверхности оптического элемента, а также угол между его оптической осью и узкой гранью, на которую он прикреплен, выбраны с функцией обеспечения падения концентрированного в активную среду излучения лазерной диодной линейки на внутреннюю поверхность противоположной узкой грани под углом, большим угла полного внутреннего отражения.This technical result is achieved in that in a diode-pumped solid-state laser, consisting of an active solid-state medium in the form of a hexagonal body, having two pairwise opposite faces, of which wide are defined by the length and width of the body, narrow - by its length and thickness, and end - the width and thickness of the cavity formed by the blind and output mirrors for generating a laser beam along the longitudinal geometric axis of the active solid-state medium through its end face, a pump unit including a diode laser a ruler located in the focal plane of a cylindrical lens installed with the possibility of direction collimated in a plane perpendicular to the wide faces of the active medium, radiation inside this medium through its narrow face, the hexagonal body is made in the form of a prism, and attached to its narrow face by landing on an optical contact with its flat face, an optical element, the other surface of which is facing a cylindrical lens, has either a cylindrical shape or a shape made in the form of a raster, echivayuschuyu concentration of incident radiation inside the active medium in a plane parallel to the broad faces. The shape of the surface of the optical element facing the cylindrical lens, as well as the angle between its optical axis and the narrow face to which it is attached, are selected with the function of ensuring that the laser diode array radiation concentrated in the active medium falls onto the inner surface of the opposite narrow face at an angle greater than the angle of the full internal reflection.
Так же как и прототип, предлагаемый лазер может содержать больше, чем два зеркала в резонаторе, а также более одного блока накачки и соответственно более одной цилиндрической линзы. В этом варианте для достижения технического результата число оптических элементов описанной формы и описанного расположения равно числу блоков накачки.Like the prototype, the proposed laser may contain more than two mirrors in the resonator, as well as more than one pumping unit and, accordingly, more than one cylindrical lens. In this embodiment, to achieve a technical result, the number of optical elements of the described shape and the described location is equal to the number of pump units.
Каждый оптический элемент может быть изготовлен из материала твердотельной активной среды без ее легирования ионами активатора, создающими в активной среде лазерный переход. Для получения максимального светопропускания излучения накачки во внутрь активной среды они могут быть прикреплены к активной среде посредством приклеивания на иммерсионном клее или посредством взаимной молекулярной диффузии веществ оптического элемента и активной среды при приведении их в соприкосновение и последующем нагреве до температуры, близкой к температуре плавления. При этом по крайней мере часть из общего количества оптических элементов может быть прикреплена на противоположные узкие грани активной среды попарно симметрично относительно ее продольной геометрической оси, причем геометрические размеры оптических элементов выбраны так, чтобы хотя бы основная часть излучения накачки после прохождения оптического элемента с одной стороны активной среды не попадала на прикрепленную на противоположной узкой грани активной среды грань другого оптического элемента. Кроме того, в одной паре симметрично прикрепленных к противоположным узким граням оптических элементов один из них может быть развернут на 180° вокруг оси, перпендикулярной этим граням и проходящей через геометрические центры приклеенных граней обоих оптических элементов. Торцевые грани активной твердотельной среды могут быть закошены относительно продольной геометрической оси этой среды на угол от 0° до угла Брюстера, а наличие в резонаторе дополнительных зеркал позволяет в режиме одномодовой генерации повысить эффективность лазера за счет более полного заполнения излучением генерации объема активной среды.Each optical element can be made of solid-state active medium material without doping it with activator ions, which create a laser transition in the active medium. To obtain the maximum light transmission of the pump radiation into the active medium, they can be attached to the active medium by gluing on an immersion adhesive or by mutual molecular diffusion of the substances of the optical element and the active medium when they come into contact and then heated to a temperature close to the melting temperature. At the same time, at least a part of the total number of optical elements can be attached to opposite narrow edges of the active medium in pairs symmetrically with respect to its longitudinal geometric axis, and the geometric dimensions of the optical elements are selected so that at least the main part of the pump radiation after passing through the optical element on one side active medium did not fall on the edge of another optical element attached on the opposite narrow edge of the active medium. In addition, in one pair of optical elements symmetrically attached to opposite narrow faces, one of them can be rotated 180 ° around an axis perpendicular to these faces and passing through the geometric centers of the glued faces of both optical elements. The end faces of the active solid-state medium can be skewed relative to the longitudinal geometric axis of this medium by an angle from 0 ° to the Brewster angle, and the presence of additional mirrors in the resonator makes it possible to increase the laser efficiency in single-mode generation due to a more complete filling of the volume of the active medium with radiation.
Дополнительно в состав лазера может быть включен усилитель излучения, установленный вне резонатора лазера по ходу его выходного излучения и состоящий из идентичных лазеру по составу и расположению элементов, кроме глухого и выходного зеркал резонатора.In addition, a radiation amplifier may be included in the composition of the laser, mounted outside the laser cavity along its output radiation and consisting of elements identical to the laser in composition and arrangement, except for the blind and output mirrors of the resonator.
Падение излучения лазерной диодной линейки на внутреннюю поверхность активного элемента под углом, большим угла полного внутреннего отражения, обеспечивает многократные последовательные отражения излучения накачки от внутренних поверхностей узких граней, вплоть до его полного поглощения в твердотельной активной среде. Симметричное расположение оптических элементов на противоположных узких гранях активной среды позволяет уменьшить требуемую длину активной среды, необходимую для полного поглощения энергии накачки. Разворот на 180° одного из элементов в паре симметрично приклеенных элементов позволяет направить излучение накачки, прошедшее через противоположные оптические элементы, так, что оно распространяется в волноводном режиме вдоль продольного размера активной среды, но в противоположных направлениях. Это дает возможность, в некоторых случаях (при минимальной длине активной среды и нечетном количестве симметрично расположенных пар оптических элементов), более равномерно распределить выделяемое стоксово тепло вдоль длины активной среды, уменьшая термооптические искажения выходного излучения.The incidence of laser diode array radiation on the inner surface of the active element at an angle greater than the angle of total internal reflection provides multiple successive reflections of pump radiation from the inner surfaces of narrow faces, up to its complete absorption in a solid-state active medium. The symmetric arrangement of the optical elements on the opposite narrow faces of the active medium makes it possible to reduce the required length of the active medium necessary for the complete absorption of the pump energy. A 180 ° rotation of one of the elements in a pair of symmetrically glued elements allows one to direct the pump radiation transmitted through the opposite optical elements so that it propagates in the waveguide mode along the longitudinal size of the active medium, but in opposite directions. This makes it possible, in some cases (with a minimum length of the active medium and an odd number of symmetrically arranged pairs of optical elements), to more evenly distribute the released Stokes heat along the length of the active medium, reducing the thermo-optical distortions of the output radiation.
Сущность изобретения раскрывается на чертеже, где схематически представлена оптическая схема твердотельного лазера с вводом диодного излучения накачки под углом и простейшим двухзеркальным резонатором. Этот лазер состоит из диодной лазерной линейки 1, расположенной в фокальной плоскости цилиндрической линзы 2. Оптический элемент 3 приклеен своей плоской поверхностью с помощью прозрачного иммерсионного клея к узкой боковой грани активной твердотельной среды 4. Зеркала 5 и 6 образуют резонатор, обеспечивающий генерацию выходного излучения перпендикулярно выходному зеркалу 6. Для ясности отметим, что плоскость листа с изображением фигуры параллельна широким боковым граням активной среды 4.The invention is disclosed in the drawing, which schematically shows an optical circuit of a solid-state laser with an input of diode pump radiation at an angle and a simple two-mirror resonator. This laser consists of a diode laser line 1 located in the focal plane of a cylindrical lens 2. The optical element 3 is glued with its flat surface using a transparent immersion adhesive to the narrow side face of the active solid-state medium 4. The mirrors 5 and 6 form a resonator that generates output radiation perpendicularly output mirror 6. For clarity, we note that the plane of the sheet with the image of the figure parallel to the wide side faces of the active medium 4.
Устройство работает следующим образом. Излучение накачки лазерных диодных линеек 1 коллимируется цилиндрическими линзами 2 и направляется через концентрирующие оптические элементы 3 под углом к продольной геометрической оси активной среды 4 на внутреннюю поверхность узкой грани под углом, большим угла полного внутреннего отражения для всех лучей, концентрированных оптическим элементом накачки. В результате полного внутреннего отражения от указанной грани излучение под такими же углами попадает на противоположную внутреннюю поверхность призмы. Последовательные переотражения излучения накачки внутри активной среды приводят к полному поглощению энергии накачки. При выборе мощности накачки выше порога генерации лазера происходит генерация излучения в резонаторе вдоль продольной геометрической оси через выходную грань активной среды перпендикулярно выходному зеркалу резонатора.The device operates as follows. The pump radiation of laser diode arrays 1 is collimated by cylindrical lenses 2 and directed through the concentrating optical elements 3 at an angle to the longitudinal geometric axis of the active medium 4 to the inner surface of a narrow face at an angle greater than the total internal reflection angle for all rays concentrated by the optical pump element. As a result of total internal reflection from the indicated face, radiation at the same angles hits the opposite inner surface of the prism. Successive reflections of pump radiation inside the active medium lead to complete absorption of the pump energy. When the pump power is selected above the laser generation threshold, radiation is generated in the cavity along the longitudinal geometric axis through the output face of the active medium perpendicular to the output mirror of the resonator.
Для выяснения преимущества предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом в требуемой точности поддержания температуры рассмотрим, например, активную кристаллическую среду YLF:Nd. Зависимость поглощения от длины волны λ излучения накачки, в этой среде, имеет максимум при λ=807 нм. Ширина этого максимума по уровню 0,5 от максимального значения Δλ1≅7 нм (в диапазоне 803÷810 нм) (James R Ryan and Ray Beach, «Optical absorption and stimulated emission of neodymium in yttrium lithium fluoride», JOSA B, Vol. 9, №10, pp.1883-1887).To clarify the advantages of the invention in comparison with the prototype in the required accuracy of temperature maintenance, consider, for example, the active crystalline medium YLF: Nd. The dependence of the absorption on the wavelength λ of the pump radiation in this medium has a maximum at λ = 807 nm. The width of this maximum at a level of 0.5 of the maximum value Δλ 1 ≅ 7 nm (in the range of 803 ÷ 810 nm) (James R Ryan and Ray Beach, “Optical absorption and stimulated emission of neodymium in yttrium lithium fluoride”, JOSA B, Vol 9, No. 10, pp. 1883-1887).
Известно, что поглощенная в активной среде энергия накачки определяется формулой Бугера:It is known that the pump energy absorbed in the active medium is determined by the Bouguer formula:
РПОГЛ=РНАК [1-exp(-k (λ)×L)],R POGL = R NAC [1-exp (-k (λ) × L)],
где РПОГЛ - поглощенная в активной среде мощность накачки, РНАК - мощность излучения накачки, падающая на активную среду, k (λ) - коэффициент поглощения, зависящий от длины волны излучения накачки, L - длина распространения излучения в активной среде. Предположим теперь, что температура лазерного диода в лазере прототипа установлена на максимум полосы поглощения, а в предлагаемом изобретении установим ее соответствующей краю полосы поглощения по уровню 0,5 от максимальной величины. При таких температурах, а также при выборе длины L, в предлагаемом изобретении в два раза большей, чем в прототипе, где за счет зеркал, нанесенных в шахматном порядке на узкие грани активной среды, L равна двойной ширине активной среды, мы получим одинаковое поглощение излучения накачки в прототипе и предлагаемом изобретении и соответственно одинаковую эффективность генерации лазера (поскольку, как это следует из приведенной выше формулы, при указанных условиях произведение k (λ)×L в прототипе и предлагаемом изобретении окажутся одинаковыми). Для энергетически эффективного поглощения накачки в лазере прототипа зададимся интервалом длин волн, в котором коэффициент поглощения не меньше 0,95 от поглощения в максимуме. Это соответствует длине волны накачки в интервале 806-808 нм или допустимому интервалу длин волн излучения накачки Δλ2=2 нм. Допустимая точность поддержания температуры, в этом случае, для прототипа составит ΔТ2=Δλ2/η, где η - температурный коэффициент спектрального сдвига полосы излучения диодной лазерной линейки (примерно 0,25 нм/градус), а для предлагаемого изобретения соответственно ΔТ1=Δλ1/η (центр указанного интервала соответствует температуре, при которой длина волны накачки попадает в максимум полосы поглощения и поэтому общее поглощение энергии излучения накачки в активной среде предлагаемого изобретения внутри указанного интервала температур может быть лишь только больше, чем на краях этого интервала). Таким образом, точность поддержания температуры в предлагаемом изобретении меньше, чем в прототипе, не более чем в три раза (ΔТ1/ΔТ2=Δλ1/Δλ2≥3). Реально длина распространения излучения в активной среде предлагаемого изобретения может быть значительно больше, чем равная двум ширинам длина распространения в активной среде прототипа. Это позволяет осуществить в лазере предлагаемого изобретения отвод тепла от лазерных диодных линеек путем простого кондуктивного сброса тепла на воздушно-охлаждаемый радиатор.where R POGL is the pump power absorbed in the active medium, P NAC is the pump radiation power incident on the active medium, k (λ) is the absorption coefficient depending on the pump radiation wavelength, and L is the radiation propagation length in the active medium. Suppose now that the temperature of the laser diode in the laser of the prototype is set to the maximum absorption band, and in the present invention, we set it to the corresponding edge of the absorption band at a level of 0.5 of the maximum value. At such temperatures, as well as when choosing the length L, in the present invention is two times greater than in the prototype, where due to the mirrors staggered on the narrow edges of the active medium, L is equal to the double width of the active medium, we obtain the same radiation absorption pumping in the prototype and the present invention and, accordingly, the same laser generation efficiency (since, as follows from the above formula, under the above conditions, the product k (λ) × L in the prototype and the present invention will be the same ). For the energy-efficient absorption of the pump in the laser of the prototype, we set the wavelength interval in which the absorption coefficient is not less than 0.95 of the absorption at maximum. This corresponds to a pump wavelength in the range of 806-808 nm or an acceptable range of pump radiation wavelengths Δλ 2 = 2 nm. The permissible accuracy of maintaining the temperature, in this case, for the prototype is ΔТ 2 = Δλ 2 / η, where η is the temperature coefficient of the spectral shift of the radiation band of the diode laser line (approximately 0.25 nm / degree), and for the present invention, respectively, ΔT 1 = Δλ 1 / η (center of this range corresponds to the temperature at which the pump wavelength falls in the absorption band maximum and so the total absorption of the pump radiation energy in the active medium of the invention within the indicated temperature range mozh t be only just greater than at the edges of this range). Thus, the accuracy of maintaining the temperature in the present invention is less than in the prototype, no more than three times (ΔT 1 / ΔT 2 = Δλ 1 / Δλ 2 ≥3). Actually, the propagation length of radiation in the active medium of the present invention can be significantly greater than the propagation length in the active medium of the prototype equal to two widths. This makes it possible to carry out heat removal from the laser diode arrays in the laser of the present invention by a simple conductive discharge of heat to an air-cooled radiator.
Многочисленные расчеты и исследования показали, что угол ориентации оптической оси приклеенного оптического элемента с узкой гранью призмы для, например, YLF:Nd должен лежать в пределах 20÷31° при оптических элементах, сделанных из стекла К-8.Numerous calculations and studies have shown that the orientation angle of the optical axis of the glued optical element with a narrow prism face for, for example, YLF: Nd should lie within 20 ÷ 31 ° for optical elements made of K-8 glass.
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006127504/28A RU2339138C2 (en) | 2006-07-19 | 2006-07-19 | Solid-body laser with diode pumping (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006127504/28A RU2339138C2 (en) | 2006-07-19 | 2006-07-19 | Solid-body laser with diode pumping (versions) |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2006127504A RU2006127504A (en) | 2008-01-27 |
| RU2339138C2 true RU2339138C2 (en) | 2008-11-20 |
Family
ID=39109814
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006127504/28A RU2339138C2 (en) | 2006-07-19 | 2006-07-19 | Solid-body laser with diode pumping (versions) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2339138C2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU185969U1 (en) * | 2017-06-05 | 2018-12-25 | Открытое Акционерное Общество "Пеленг" | SOLID LASER |
| RU2750838C1 (en) * | 2020-08-20 | 2021-07-05 | Николай Анатольевич Алексеев | Forced-cooled diode laser emitter for executing therapeutic and cosmetological measures |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2448746C2 (en) * | 2010-06-07 | 2012-04-27 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Новые Энергетические Технологии" | Multiwave laser system with bactericidal and therapeutic action for treatment of infectious diseases |
-
2006
- 2006-07-19 RU RU2006127504/28A patent/RU2339138C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU185969U1 (en) * | 2017-06-05 | 2018-12-25 | Открытое Акционерное Общество "Пеленг" | SOLID LASER |
| RU2750838C1 (en) * | 2020-08-20 | 2021-07-05 | Николай Анатольевич Алексеев | Forced-cooled diode laser emitter for executing therapeutic and cosmetological measures |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2006127504A (en) | 2008-01-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7515625B2 (en) | Multipath laser apparatus using a solid-state slab laser rod | |
| US7042631B2 (en) | Power scalable optical systems for generating, transporting, and delivering high power, high quality, laser beams | |
| EP1646117B1 (en) | Optical amplifier comprising an end pumped zig-zag slab gain medium | |
| EP0821453B1 (en) | Solid-state laser amplifier | |
| KR102344775B1 (en) | High Efficiency Laser System for Third Harmonic Generation | |
| US6667999B2 (en) | Cooling of high power laser systems | |
| EP2475054A1 (en) | Collinearly pumped multiple thin disk active medium and its pumping scheme | |
| US5048044A (en) | Optically pumped lasers | |
| US5774489A (en) | Transversely pumped solid state laser | |
| CN110943366B (en) | Dual-wavelength alternating Q-switching output group pulse laser and laser output method | |
| US20120027043A1 (en) | High power multi-chip pump modules with protection filter for 1060nm, and pump modules including the same | |
| JPH0621539A (en) | Laser system | |
| RU2339138C2 (en) | Solid-body laser with diode pumping (versions) | |
| CN113258424B (en) | Dual-wavelength pulse synchronous Tm, Ho, LLF passive Q-switched solid laser | |
| US20080080584A1 (en) | Solid-state laser gain module | |
| EP1180836A2 (en) | Microlaser assembly having a microresonator and aligned electro-optic components | |
| WO2002073759A1 (en) | Diode-pumped solid-state laser in a polyhedronal geometry | |
| CN104201551A (en) | Laser and polarization compensating direct end pumping device thereof | |
| EP0847115A1 (en) | Light amplifier with two incident beams | |
| RU2593819C1 (en) | Infrared solid-state laser | |
| CN210201153U (en) | Medium-long wave infrared laser | |
| KR20180023132A (en) | Slab solid laser amplifier | |
| CN113794093B (en) | Multi-wavelength Raman laser | |
| RU2269848C1 (en) | Solid-state laser with a zigzag ray path | |
| CN113540952B (en) | LD pumping structure capable of being opened and used immediately under high and low temperature environment and Q-switched laser |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100720 |