RU2693542C1 - Laser system and emitting radiation method - Google Patents

Laser system and emitting radiation method Download PDF

Info

Publication number
RU2693542C1
RU2693542C1 RU2018129058A RU2018129058A RU2693542C1 RU 2693542 C1 RU2693542 C1 RU 2693542C1 RU 2018129058 A RU2018129058 A RU 2018129058A RU 2018129058 A RU2018129058 A RU 2018129058A RU 2693542 C1 RU2693542 C1 RU 2693542C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
laser
master oscillator
power amplifier
pumping
diodes
Prior art date
Application number
RU2018129058A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Евгений Вячеславович Горский
Владимир Михайлович Кривцун
Константин Алексеевич Курчиков
Олег Борисович Христофоров
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Троицкий инженерный центр"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Троицкий инженерный центр" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Троицкий инженерный центр"
Priority to RU2018129058A priority Critical patent/RU2693542C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2693542C1 publication Critical patent/RU2693542C1/en
Priority to PCT/RU2019/000542 priority patent/WO2020032827A1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
    • H01S3/0941—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light of a laser diode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/23—Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
    • H01S3/2308—Amplifier arrangements, e.g. MOPA

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: invention relates to laser equipment. Infrared (IR) laser system includes a pulse master oscillator equipped with assemblies of quasi-continuous or QCW-laser pumping diodes, and a power amplifier equipped with assemblies of continuous or CW-laser pumping diodes. In embodiments of the invention, pumping of the active element of the power amplifier is performed by CW-laser diodes in continuous mode, and time interval t between pulses of the master oscillator is equal to or less than the effective life time τ upper laser level: t ≤ τ. Active elements of the laser system can contain base material doped with Tmions, or by ions Tmand No.EFFECT: technical result is enabling creation of laser systems with high pulse (2–5 kW) and average, 100 W and more, radiation power at wavelength selected in range of 1_85 - 2_1 mcm, intended, including, for laser surgery.15 cl, 5 dwg

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИTECHNICAL FIELD

Изобретение относится к лазерам преимущественно ближнего ИК диапазона и способу генерации лазерного ИК излучения преимущественно для применения в хирургической урологии.The invention relates to lasers mainly near infrared range and method of generating laser infrared radiation mainly for use in surgical urology.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИPRIOR ART

Для малоинвазивных хирургических операций на простате и для лазерной литотрипсии (фрагментации камней) нашли применение высокоэнергетичные (~ 1 Дж/импульс) импульсно - периодические гольмиевые лазеры с длиной волны излучения 2,09 мкм, импульсной мощностью 2-5 кВт и уровнем средней мощности излучения 30-100 Вт, доставляемой к операционному полю с помощью оптического волокна. Лазерное воздействие производит точную вапоризацию и/или резку ткани с проникновением лазерной энергии примерно до 0,4 мм в ткани предстательной железы с одновременной коагуляцией кровеносных сосудов с очень малым тепловым рассеянием. Также гольмиевые лазеры с энергией импульса 0,1-3 Дж и длительностью импульсов 200-300 мкс широко используются для дробления камней в почках in vivo (EAU Guidelines on Laser Technologies. European Urology 61(4), 2012). Гольмиевая литотрипсии и гольмиевая лазерная энуклеации предстательной железы (HoLEP - Holmium Laser Enucleation of Prostate) являются современными общепризнанными «золотыми» стандартами лечения основных урологических заболеваний, а гольмиевые лазеры - универсальным инструментом хирургической урологии.For minimally invasive surgery on the prostate and for laser lithotripsy (stone fragmentation), high-energy (~ 1 J / pulse) pulse-periodic holmium lasers with a radiation wavelength of 2.09 microns, a pulse power of 2-5 kW and an average radiation power level of 30 -100 watts delivered to the surgical field using optical fiber. The laser effect produces precise vaporization and / or cutting of tissue with penetration of laser energy of up to about 0.4 mm into the tissue of the prostate gland with simultaneous coagulation of blood vessels with very little thermal scattering. Also, holmium lasers with a pulse energy of 0.1–3 J and a pulse duration of 200–300 µs are widely used for crushing kidney stones in vivo (EAU Guidelines on Laser Technologies. European Urology 61 (4), 2012). Holmium lithotripsy and holmium laser enucleation of the prostate gland (HoLEP - Holmium Laser Enucleation of Prostate) are modern generally accepted "gold" standards for the treatment of major urological diseases, and holmium lasers are a universal tool for surgical urology.

Однако распространение гольмиевой лазерной хирургии сдерживается рядом существенных недостатков, присущих высокоэнергетичным гольмиевым лазерам. В них используется ламповая накачка активных элементов на основе базового материала YAG, легированного наряду с ионами Но3+, также ионами Tm3+ и Cr3+. Накачка осуществляется на длинах волн (450 нм) поглощения ионов хрома, далее передается на тулий, а с тулия через оптический канал (1,9 мкм) - на гольмий. Схема имеет достаточно низкий КПД (1-2%) и большое тепловыделение в активных элементах, поэтому в коммерческих версиях устройств используется до 4-х отдельных лазерных генераторов, работающих в параллель, либо в попеременном режиме, что негативно сказывается на их надежности, стоимости и эксплуатационных характеристиках. Низкая надежность обусловлена также малым (~ 107 импульсов) временем жизни ламп накачки.However, the spread of holmium laser surgery is hampered by a number of significant drawbacks inherent in high-energy holmium lasers. They use lamp pumping of active elements based on the YAG base material doped along with the Ho 3+ ions, as well as the Tm 3+ and Cr 3+ ions. Pumping is carried out at wavelengths (450 nm) of the absorption of chromium ions, then transferred to thulium, and from thulium through the optical channel (1.9 μm) to the holmium. The circuit has a rather low efficiency (1-2%) and a large heat dissipation in the active elements, therefore in the commercial versions of the devices up to 4 separate laser generators working in parallel or alternately are used, which negatively affects their reliability, cost and operational characteristics. Low reliability is also due to the short (~ 10 7 pulses) lifetime of the pump lamps.

Более эффективная накачка может быть осуществлена в гольмиевом лазере на основе волокна, активированного ионами Но3+ (US Patent 7170909, опубл. 30.01.2007). Лазер содержит двухоболочечное лазерное волокно, сердцевина которого легирована ионами трехвалентного гольмия (Но3+). В качестве источника накачки в такой конструкции выступает лазерный диод на длине волны 1,9 мкм. Волоконный лазер подобного типа способен иметь высокую эффективность в виду малого дефекта кванта, то есть малого различия длин волн накачки и генерации.More efficient pumping can be carried out in a holmium laser based on a fiber activated by ions of Ho 3+ (US Patent 7170909, publ. January 30, 2007). The laser contains a two-shell laser fiber, the core of which is doped with trivalent holmium ions (But 3+ ). The laser diode at a wavelength of 1.9 μm acts as a pump source in this design. A fiber laser of this type is capable of high efficiency in view of a small quantum defect, that is, a small difference in the pump and generation wavelengths.

Недостатком указанного лазера является использование лазерных диодов с длиной волны излучения 1,9 мкм, которые сами имеют достаточно низкую эффективность преобразования тока накачки в световое излучение, имеют малое время жизни при эксплуатации и очень высокую стоимость. Использование для накачки коммерчески доступных AlGaAs и InGaAs лазерных диодов невозможно, поскольку активная среда, легированная только ионами Но3+ не имеет интенсивных линий поглощения в диапазоне 780-980 нм.The disadvantage of this laser is the use of laser diodes with a wavelength of 1.9 microns, which themselves have a fairly low conversion efficiency of the pump current into light radiation, have a short lifetime during operation and a very high cost. The use of laser diodes for pumping commercially available AlGaAs and InGaAs is impossible, since the active medium doped only with But 3+ ions does not have intense absorption lines in the range of 780–980 nm.

Высокими КПД, надежностью и ресурсом характеризуется хирургическая оптоволоконная лазерная система с активным элементом, легированным ионами Tm3+ (Патент РФ 2535454, опубл. 10.07.2014). В оптоволоконных тулиевых лазерах, применяемых для лазерной хирургии, накачка осуществляется относительно дешевыми непрерывными или CW (англ. - continuous wave(CW))-лазерными диодами с излучением на длине волны, выбираемой в диапазоне 775-850 нм. Генерация излучения в диапазоне длин волн 1,87-2,05 мкм осуществляется в непрерывном или модулированном режиме с мощностью на уровне ~ 100 Вт. К преимуществам тулиевых лазеров с характерной длиной волны излучения 1,94 мкм относятся: эффективное рассечение тканей, сравнимое с гольмиевым лазером; хорошая остановка кровотечения, минимальная травматизация тканей за счет того, что луч проникает на небольшую глубину, ~ 0,1 мм, благодаря этому практически отсутствует риск повреждения крупных артерий и нервов. Поэтому тулиевый лазер рекомендовано использовать для лечения доброкачественной гиперплазии предстательной железы (ДГПЖ) небольшой или средней степени.High efficiency, reliability and resource are characterized by a surgical fiber-optic laser system with an active element doped with Tm 3+ ions (Patent RF 2535454, publ. 07.07.2014). In fiber optic thulium lasers used for laser surgery, pumping is carried out by relatively cheap continuous or CW (eng. - continuous wave (CW)) laser diodes with radiation at a wavelength selected in the range of 775-850 nm. The generation of radiation in the wavelength range of 1.87-2.05 μm is carried out in continuous or modulated mode with a power of ~ 100 W. The advantages of thulium lasers with a characteristic radiation wavelength of 1.94 μm include: effective tissue dissection, comparable to a holmium laser; good stop of bleeding, minimal tissue trauma due to the fact that the beam penetrates to a small depth, ~ 0.1 mm, due to this there is practically no risk of damage to large arteries and nerves. Therefore, the thulium laser is recommended to be used for the treatment of benign prostatic hyperplasia (BPH) of a small or moderate degree.

Однако тулиевые лазеры не столь эффективны для лечения мочекаменной болезни методом лазерной литотрипсии, как гольмиевые лазеры. Это связано с тем, что в тулиевых лазерах с накачкой CW - лазерными диодами не осуществлены режимы с высокими энергией (~ 1 Дж/импульс) и импульсной мощностью (2-5 кВт).However, thulium lasers are not as effective for the treatment of urolithiasis by laser lithotripsy as holmium lasers. This is due to the fact that in Tulium lasers pumped with CW - laser diodes, the modes with high energy (~ 1 J / pulse) and pulsed power (2-5 kW) are not implemented.

Этого недостатка лишена лазерная система задающий генератор- усилитель мощности (англ. - master oscillator - power amplifier (МОРА)) с боковой накачкой стержневых активных элементов, одновременно легированных Но и Tm, квазинепрерывными или QCW (англ. - quasi-continuous wave (QCW))-лазерными диодами (Optics Letters Vol. 31, Issue 4, pp. 462-464 (2006) https://doi.org/10.1364/OL.31.000462). В лазерной системе, содержащей задающий генератор с энергией генерации 0,14 Дж/импульс в режиме с модулированной добротностью и два усилителя мощности, достигнута выходная энергия лазерного излучения более 1,2 Дж/ импульс на длине волны 2,09 мкм.This disadvantage is deprived of a laser system that drives a generator-power amplifier (eng - master oscillator - power amplifier (MORA)) with side pumping of core active elements, simultaneously doped with Ho and Tm, quasi-continuous or QCW (eng. - quasi-continuous wave (QCW) ) laser diodes (Optics Letters Vol. 31, Issue 4, pp. 462-464 (2006) https://doi.org/10.1364/OL.31.000462). In the laser system containing a master oscillator with a generation energy of 0.14 J / pulse in the Q-switched mode and two power amplifiers, the output laser energy exceeding 1.2 J / pulse at a wavelength of 2.09 microns was achieved.

Однако лазерное устройство не позволяет осуществлять вывод излучения через оптоволокно из-за его лазерно-индуцированного разрушения вследствие высокой импульсной мощности, характерной для лазерных систем с модулированной добротностью. В лазерных системах с модулированной добротностью для активных элементов, одновременно легированных Но и Tm, накачку производят в течение достаточно малого, около 1 мс, времени, что требует высокой пиковой мощности накачки и большого количества QCW лазерных диодов накачки, что приводит к слишком высокой стоимости лазерной системы, делая ее коммерчески малодоступной. Кроме этого, при работе QCW-лазерных диодов с длительностью импульсов ~ 1 мс, не оптимальной (слишком большой) с точки зрения обеспечения их высокого времени жизни, ресурс лазерной системы резко снижается (F. Amzajerdian et al. Qualification Testing of Laser Diode Pump Arrays for Space-based 2-micron Coherent Doppler LIDAR 14th Coherent Laser Radar Conference 2007, p. 234).However, the laser device does not allow the output radiation through the optical fiber due to its laser-induced destruction due to the high pulse power characteristic of Q-switched laser systems. In Q-switched laser systems for active elements simultaneously doped with Ho and Tm, pumping is performed for a sufficiently small, about 1 ms, time, which requires a high peak pump power and a large number of QCW laser pumping diodes, which leads to too high a laser cost. system, making it commercially inaccessible. In addition, when QCW laser diodes with a pulse duration of ~ 1 ms, not optimal (too long) from the point of view of ensuring their high lifetime, the laser system resource sharply decreases (F. Amzajerdian et al. Qualification Testing of Laser Diode Pump Arrays for Space-based 2-micron Coherent Doppler LIDAR 14th Coherent Laser Radar Conference 2007, p. 234).

Здесь и далее лазерные диоды, предназначенные для работы в непрерывном режиме будем называть непрерывными лазерными диодами или CW-лазерными диодами. Другой тип диодов, предназначеных для работы в квазинепрерывном режиме здесь и далее будем называть квазинепрерывными лазерными диодами или QCW-лазерными диодами. Термин "квазинепрерывный режим работы" лазерного диода означает, что он находится в состоянии "включено" в течение настолько коротких интервалов времени, насколько это необходимо для снижения эффектов, связанных с выделением тепла в структуре, но все же достаточно длительными для стабильного излучения, близкого к непрерывному. Работа в квазинепрерывном режиме приводит к повышению пиковой мощности за счет падения средней мощности. QCW-лазерные диоды с более высокой по сравнению с CW-лазерными диодами пиковой мощностью используются для работы с большой частотой следования импульсов при длительности импульсов, как правило, не более 500 мкс и рабочем цикле, не превышающем нескольких процентов.Hereinafter, laser diodes designed for continuous operation will be called continuous laser diodes or CW laser diodes. Another type of diodes designed to operate in a quasi-continuous mode will be referred to hereinafter as quasi-continuous laser diodes or QCW laser diodes. The term "quasi-continuous operation" of a laser diode means that it is in the "on" state for as short time intervals as is necessary to reduce the effects associated with heat generation in the structure, but still long enough for stable radiation close to continuous. Work in a quasi-continuous mode leads to an increase in peak power due to a drop in average power. QCW laser diodes with a higher peak power compared to CW laser diodes are used to work with a high pulse repetition rate with a pulse duration of, as a rule, no more than 500 μs and a duty cycle not exceeding a few percent.

Также, здесь и далее «лазерные диоды накачки» означает «лазерные диоды для накачки» или «лазерные диоды, предназначенные для накачки».Also, hereinafter "pump laser diodes" means "laser diodes for pumping" or "laser diodes designed for pumping."

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDISCLOSURE OF INVENTION

Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, относится к разработке новых способов генерации лазерного излучения и созданию на их основе мощных высокоэнергетичных лазерных систем ближнего ИК диапазона с лазерно-диодной накачкой, характеризующихся высокими ресурсом и надежностью, коммерческой доступностью, низкой стоимостью эксплуатации и, в частности, наиболее полным удовлетворением требованиям, предъявляемым к универсальным лазерным системам для хирургической урологии.The technical problem addressed by the invention relates to the development of new methods for generating laser radiation and the creation on their basis of high-power high-energy laser systems of the near IR range with laser-diode pumping, characterized by high resource and reliability, commercial availability, low cost of operation and, in in particular, the most complete satisfaction of the requirements for universal laser systems for surgical urology.

Выполнение поставленной задачи возможно с помощью лазерной системы, включающей в себя импульсный задающий генератор и, по меньшей мере, один усилитель мощности, в которой активные элементы задающего генератора и усилителя мощности содержат базовый материал, легированный ионами редкоземельного элемента.The task is possible using a laser system that includes a pulsed master oscillator and at least one power amplifier in which the active elements of the master oscillator and power amplifier contain the base material doped with rare-earth ions.

Система характеризуется тем, что задающий генератор снабжен сборками квазинепрерывных или QCW-лазерных диодов накачки, а усилитель снабжен сборками непрерывных или CW-лазерных диодов накачки.The system is characterized in that the master oscillator is equipped with assemblies of quasi-continuous or QCW laser pumping diodes, and the amplifier is equipped with assemblies of continuous or CW laser pumping diodes.

В вариантах изобретения накачка активного элемента усилителя мощности осуществляется CW-лазерными диодами в непрерывном режиме, а временной интервал t между импульсами задающего генератора равен или меньше эффективного времени жизни τ верхнего лазерного уровня: t≤τ.In embodiments of the invention, the active element of the power amplifier is pumped by CW-laser diodes in continuous mode, and the time interval t between the pulses of the master oscillator is equal to or less than the effective lifetime τ of the upper laser level: t≤τ.

Предпочтительно задающий генератор работает в режиме свободной генерации при длительности импульса накачки QCW-лазерными диодами от 200 до 600 мкс.Preferably, the master oscillator operates in the free-running mode with a pump pulse duration of QCW laser diodes from 200 to 600 μs.

Предпочтительно вывод излучения лазерной системы осуществляется в оптоволокно.Preferably, the output radiation of the laser system is carried out in the optical fiber.

Активные элементы лазерной системы могут содержать базовый материал, легированный ионами Tm3+ и Но3+.The active elements of the laser system may contain a base material doped with Tm 3+ and But 3+ ions.

В этих вариантах накачка активного элемента усилителя мощности может осуществляться в непрерывном режиме, а частота f повторения импульсов задающего генератора быть равна или больше величины, обратной эффективного времени жизни τHo верхнего лазерного уровня 5I7Ho3+:f≥1/τHo.In these embodiments, the active element of the power amplifier can be pumped in a continuous mode, and the pulse repetition frequency f of the driving oscillator be equal to or greater than the reciprocal of the effective lifetime τ Ho of the upper laser level 5 I 7 Ho 3+ : f≥1 / τ Ho .

В других вариантах изобретения активные элементы содержат базовый материал, легированный ионами Tm3+.In other embodiments of the invention, the active elements comprise a base material doped with Tm 3+ ions.

В этих вариантах накачка активного элемента усилителя мощности может осуществляться в непрерывном режиме, а частота f повторения импульсов задающего генератора быть равна или больше величины, обратной эффективного времени жизни τTm верхнего лазерного уровня 3F4 Tm3+:f≥1/τTm.In these embodiments, the active element of the power amplifier can be pumped in continuous mode, and the pulse repetition frequency f of the driving oscillator be equal to or greater than the reciprocal of the effective lifetime τ Tm of the upper laser level 3 F 4 Tm 3+ : f≥1 / τ Tm .

Базовый материал активных элементов может быть выбран из группы: Y3Al5O12 (YAG), Y3AlO3 (YAP), LiYF4 (YLF), Y3GeO5, Lu2O3, Y3Sc2Ga3O12 (YSGG), Gd3Sc2Ga3O12 (GSGG), Y3Ga5O12(YGG), LaF3, Y2O3, BaY2F8, KCaF3, SiO2, кварцевое оптоволокно.The base material of the active elements can be selected from the group: Y 3 Al 5 O 12 (YAG), Y 3 AlO 3 (YAP), LiYF 4 (YLF), Y 3 GeO 5 , Lu 2 O 3 , Y 3 Sc 2 Ga 3 O 12 (YSGG), Gd 3 Sc 2 Ga 3 O 12 (GSGG), Y 3 Ga 5 O 12 (YGG), LaF 3 , Y 2 O 3 , BaY 2 F 8 , KCaF 3 , SiO 2 , quartz optical fiber.

В вариантах изобретения активный элемент задающего генератора выполнен в виде стержня.In embodiments of the invention, the active element of the master oscillator is made in the form of a rod.

В вариантах изобретения активный элемент усилителя выполнен в виде стержня.In embodiments of the invention, the active element of the amplifier is made in the form of a rod.

В другом аспекте изобретение относится к способу генерации лазерного ИК излучения, включающему накачку активных элементов задающего генератора и усилителя характеризующемуся тем, что накачку активных элементов усилителя мощности осуществляют сборками CW-лазерных диодов, а накачку активного элемента задающего генератора осуществляют сборками QCW-лазерных диодов.In another aspect, the invention relates to a method of generating IR laser radiation, including pumping the active elements of a master oscillator and amplifier characterized in that the active elements of the power amplifier are pumped by CW-laser diode assemblies, and the active element of the master oscillator is pumped by QCW-laser diodes.

В вариантах изобретения осуществляют работу задающего генератора режиме свободной генерации с частотой следования импульсов f, равной или большей величине, обратной эффективному времени жизни τ верхнего лазерного уровня: f≥1/τ, при этом накачку активного элемента усилителя мощности осуществляют в непрерывном режиме.In embodiments of the invention, a master oscillator is operated in a free-running mode with a pulse repetition rate f equal to or greater than the reciprocal of the effective lifetime τ of the upper laser level: f≥1 / τ, while the active element of the power amplifier is pumped in a continuous mode.

В вариантах изобретения генерацию лазерного излучения осуществляют на переходе 5I7→5I8 ионов Но3+ In embodiments of the invention, the generation of laser radiation is carried out at the transition 5 I 7 → 5 I 8 ions But 3+

В других вариантах изобретения генерацию лазерного излучения осуществляют на переходе 3Н4→3Н6 ионов Tm3+.In other embodiments of the invention, the generation of laser radiation is performed at the 3 H 4 → 3 H 6 transition of Tm 3+ ions.

Техническим результатом изобретения является создание коммерчески доступных высокоресурсных лазерных систем, с высокими импульсной (2-5 кВт) и средней, ~ 100 Вт и более, мощностью излучения на длине волны, варьируемой в диапазоне 1,85-2,1 мкм, предназначенных, в том числе, для хирургического лечения основных урологических заболеваний.The technical result of the invention is the creation of commercially available high-life laser systems with high pulsed (2-5 kW) and medium, ~ 100 W and more, radiation power at a wavelength varying in the range of 1.85-2.1 μm, designed in including for the surgical treatment of major urological diseases.

Указанные объекты, особенности и преимущества изобретения, а также само изобретение будет более понятным из последующего описания вариантов реализации изобретения, иллюстрируемых прилагаемыми чертежами.These objects, features and advantages of the invention, as well as the invention itself, will be clearer from the following description of embodiments of the invention illustrated by the accompanying drawings.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Существо изобретение поясняется чертежами.The essence of the invention is illustrated by drawings.

Фиг. 1 - схематичное изображение лазерной системыFIG. 1 is a schematic depiction of a laser system

Фиг. 2, Фиг. 3 - иллюстрации режимов работы лазерных диодов накачкиFIG. 2, FIG. 3 - illustrations of the operating modes of laser pumping diodes

Фиг. 4 - схема энергетических уровней и процессов переноса в активном элементе, легированном Tm3+и Но3+.FIG. 4 is a diagram of energy levels and transfer processes in the active element doped with Tm 3+ and Ho 3+ .

Фиг. 5 - схема энергетических уровней и процессов переноса в активном элементе, легированном ионами Tm3+.FIG. 5 is a diagram of energy levels and transfer processes in an active element doped with Tm 3+ ions.

ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯEMBODIMENTS OF THE INVENTION

Данное описание служит для иллюстрации осуществления изобретения и ни в коей мере объема настоящего изобретения.This description serves to illustrate the implementation of the invention and in no way the scope of the present invention.

В соответствии с изобретением (Фиг. 1) лазерная система 1 включает в себя импульсный задающий генератор 2 и, по меньшей мере, один усилитель мощности 3. Активные элементы 4, 5 задающего генератора 2 и усилителя мощности 3 содержат прозрачный для ИК излучения базовый материал, легированный ионами редкоземельного элемента. При переходах этих ионов с верхнего лазерного уровня на нижний лазерный уровень осуществляются генерация и усиление излучения. Лазерная система характеризуется тем, что задающий генератор 2 снабжен сборками QCW-лазерных диодов 6 накачки, а усилитель мощности 3 снабжен сборками CW-лазерных диодов 7 накачки.In accordance with the invention (FIG. 1), the laser system 1 includes a pulse driver oscillator 2 and at least one power amplifier 3. The active elements 4, 5 of the master oscillator 2 and power amplifier 3 contain a base material transparent to IR radiation, doped with rare earth ions. During the transitions of these ions from the upper laser level to the lower laser level, radiation is generated and amplified. The laser system is characterized by the fact that the master oscillator 2 is equipped with assemblies of QCW-laser pump diodes 6, and the power amplifier 3 is equipped with assemblies of CW-laser pump diodes 7.

При выполнении лазерной системы в предложенном виде высокая энергия излучения и высокая выходная мощность лазерной системы достигаются при значительно меньшем (почти на порядок величины) количестве лазерных диодов по сравнению с импульсными лазерными системами, использующими для накачки усилителя только QCW лазерные диоды. Это значительно снижает стоимость системы накачки и лазерной системы в целом, обеспечивая ее коммерческую доступность.When performing a laser system in the proposed form, high radiation energy and high output power of the laser system are achieved with a significantly smaller (almost an order of magnitude) number of laser diodes compared to pulsed laser systems that use only QCW laser diodes to pump the amplifier. This significantly reduces the cost of the pumping system and the laser system as a whole, ensuring its commercial availability.

По сравнению с аналогами, использующими ламповую накачку, в несколько раз повышается КПД лазерной системы, ее надежность и удобство эксплуатации, поскольку время жизни системы накачки, исчисляемое количеством лазерных импульсов, возрастает почти на два порядка величины.In comparison with analogues using lamp pumping, the efficiency of a laser system, its reliability and ease of operation increases several times, since the lifetime of the pumping system, calculated by the number of laser pulses, increases by almost two orders of magnitude.

В соответствии с примером осуществления изобретения (Фиг. 1) активный элемент 4 задающего генератора 2 и активный элемент 5 усилителя мощности 3 могут быть выполнены в виде стержней с боковой диодной накачкой. Активные элементы 4, 5 в виде стержней вместе с соответствующими сборками лазерных диодов 6 и 7 могут быть размещены в герметичных корпусах 8, 9 и охлаждаться протоком жидкого теплоносителя, в частности, дистиллированной водой с помощью системы охлаждения 10. В других вариантах изобретения сборки лазерных диодов 6, 7 могут охлаждаться кондуктивным теплоотводом. Таким образом, лазерная система может быть построена на основе лазерных модулей или квантронов с боковой лазерно-диодной накачкой.In accordance with an example embodiment of the invention (FIG. 1), the active element 4 of the driving oscillator 2 and the active element 5 of the power amplifier 3 can be made in the form of rods with side diode pumping. The active elements 4, 5 in the form of rods together with the corresponding assemblies of laser diodes 6 and 7 can be placed in sealed housings 8, 9 and cooled by a heat-transfer fluid channel, in particular, distilled water using a cooling system 10. In other embodiments of the invention, laser diode assemblies 6, 7 can be cooled by conductive heat sink. Thus, the laser system can be built on the basis of laser modules or quantum dots with lateral laser-diode pumping.

В других вариантах изобретения накачка активных элементов лазерной системы может быть продольной. В вариантах изобретения накачка задающего генератора и усилителя мощности может быть различной, например, продольной у задающего генератора и боковой у усилителя мощности.In other embodiments of the invention, the pumping of the active elements of the laser system may be longitudinal. In embodiments of the invention, the pumping of the master oscillator and the power amplifier may be different, for example, the longitudinal with the master oscillator and the side generator with the power amplifier.

В вариантах изобретения активные элементы лазерной системы могут быть волоконными.In embodiments of the invention, the active elements of the laser system may be fiber.

Для питания сборок лазерных диодов 6, 7, а также для питания системы охлаждения 10 и других узлов лазерной системы предназначен блок источников питания 11, в свою очередь, управляемый процессором 12.To power the laser diode assemblies 6, 7, as well as to power the cooling system 10 and other nodes of the laser system, the power supply unit 11 is used, in turn, controlled by the processor 12.

Торцы каждого из активных элементов 4, 5 лазерной системы выведены наружу герметичных корпусов 8,9 для прохождения через них лазерного излучения.The ends of each of the active elements 4, 5 of the laser system are brought outside of the sealed enclosures 8.9 for the passage of laser radiation through them.

Полностью отражающее зеркало 13 резонатора и частично прозрачное зеркало 14 резонатора служат для формирования лазерного пучка 15 задающего генератора 2, энергия которого усиливается при проходе через активный элемент 5 усилителя 4, формируя лазерный пучок 16 на выходе лазерной системы.A fully reflective resonator mirror 13 and a partially transparent resonator mirror 14 serve to form a laser beam 15 of a master oscillator 2, whose energy is amplified when passing through the active element 5 of the amplifier 4, forming a laser beam 16 at the output of the laser system.

В вариантах реализации изобретения для формирования лазерного пучка 15 задающего генератора 2 могут применяться дополнительные оптические элементы, в частности, внутрирезонаторный поляризатор 17.In embodiments of the invention for the formation of the laser beam 15 of the master oscillator 2 can be used additional optical elements, in particular, intracavity polarizer 17.

Предпочтительно вывод излучения усилителя 4 осуществляется через оптоволокно 18. При этом лазерный пучок 16 на выходе усилителя 4 вводится с помощью оптической системы или оптического элемента 19 в гибкое оптоволокно 18, что позволяет транспортировать энергию излучения лазерная система к мишени, например, к оперируемой ткани.Preferably, the output of the radiation of the amplifier 4 is carried out through the optical fiber 18. At the same time, the laser beam 16 at the output of the amplifier 4 is introduced using an optical system or optical element 19 into the flexible optical fiber 18, which allows the laser system to transfer the radiation energy to the target, for example, to the tissue being operated.

Оптоволокно 18, предназначенное для транспортировки лазерного излучения может быть сменным, присоединяемым к лазерному устройству посредством оптического коннектора 20.Optical fiber 18 for transporting laser radiation can be removable, attached to the laser device through the optical connector 20.

Для обеспечения возможности вывода излучения через оптоволокно 18 задающий генератор 2 работает в режиме свободной генерации. В отличие от лазерных систем с модулированной добротностью, генерируемые в режиме свободной генерации лазерные импульсы имеют достаточно большую (субмиллисекундную) длительность. В результате лазерные импульсы на выходе лазерной системы с большими энергией, ~ 1 Дж/импульс, и импульсной мощностью, ~ 2-5 кВт, можно передавать по оптоволокну в отличие от лазерных систем с модулированной добротностью, характеризующихся высокой импульсной мощностью излучения, приводящей к лазерно-индуцированному разрушению оптоволокна.To provide the possibility of outputting radiation through the optical fiber 18, the master oscillator 2 operates in the free-running mode. In contrast to Q-switched laser systems, laser pulses generated in the free-running mode have a sufficiently long (submillisecond) duration. As a result, laser pulses at the output of a high-energy laser system, ~ 1 J / pulse, and a pulse power, ~ 2-5 kW, can be transmitted over optical fiber, in contrast to Q-switched laser systems, which are characterized by a high pulse radiation power, which leads to -induced destruction of fiber.

Для обеспечения высокого ресурса оптоволокна при передаче импульса излучения с большими энергией и импульсной мощностью, необходимыми для ряда применений в хирургической урологии, длительность импульсов накачки задающего генератора обеспечивают не меньше 200 мкс. Верхняя граница длительности импульсов определяется номинальным режимом работы квазинепрерывных QCW-лазерных диодов 6 накачки задающего генератора 2, в соответствии с которым длительность импульсов накачки задающего генератора предпочтительно не превышает 600 мкс.To ensure a high fiber resource when transmitting a radiation pulse with high energy and pulse power required for a number of applications in surgical urology, the pump pulse duration of the master oscillator provides at least 200 μs. The upper limit of the pulse duration is determined by the nominal mode of operation of quasi-continuous QCW laser diodes 6 pumping the master oscillator 2, according to which the duration of the pump pulses of the master oscillator preferably does not exceed 600 μs.

В соответствии с изобретением накачку относительно низкоэнергетичного задающего генератора 2 осуществляют сборками мощных QCW-лазерных диодов 6, обеспечивая работу задающего генератора 2 в режиме свободной генерации, а накачку высокоэнергетичного усилителя 3 осуществляют сборками CW-лазерных диодов 7 относительно небольшой мощности и потому не столь дорогих, что позволяет минимизировать стоимость лазерной системы 1, обеспечивая ее коммерческую доступность. В соответствии с этим предпочтительно, что выходная энергия лазерной системы многократно, более чем в три раза, превосходит энергию лазерного излучения на выходе задающего генератора, что позволяет уменьшить количество относительно дорогих QCW-лазерных диодов. В вариантах изобретения лазерная система может содержать несколько усилителей мощности. Кроме этого усилители мощности могут быть многопроходными. Все это позволяет масштабировать выходные параметры лазерной системы.In accordance with the invention, the pumping of a relatively low-energy master oscillator 2 is performed by assembling high-power QCW laser diodes 6, ensuring that the master oscillator 2 operates in a free-running mode, and the high-energy amplifier 3 is pumped by assemblies of CW laser diodes 7 of relatively low power and not so expensive what allows to minimize the cost of the laser system 1, ensuring its commercial availability. In accordance with this, it is preferable that the output energy of the laser system repeatedly, more than three times, exceeds the energy of the laser radiation at the output of the master oscillator, which makes it possible to reduce the number of relatively expensive QCW laser diodes. In embodiments of the invention, the laser system may comprise several power amplifiers. In addition, power amplifiers can be multi-pass. All this allows you to scale the output parameters of the laser system.

В вариантах реализации изобретения, иллюстрируемых Фиг. 2, накачка CW-лазерными диодами 7 активного элемента 5 усилителя мощности 3 осуществляется в непрерывном режиме. При этом временной интервал t между импульсами задающего генератора 2 равен или меньше эффективного времени жизни τ верхнего лазерного уровня активного элемента 5 усилителя мощности 3: t≤τ. Это означает, что частота f (f=1/t) повторения импульсов задающего генератора 2 равна или больше величины, обратной эффективному времени жизни τ верхнего лазерного уровня: f≥1/τ.In embodiments of the invention illustrated in FIG. 2, the CW laser diodes 7 of the active element 5 of the power amplifier 3 are pumped in a continuous mode. The time interval t between the pulses of the master oscillator 2 is equal to or less than the effective lifetime τ of the upper laser level of the active element 5 of the power amplifier 3: t≤τ. This means that the frequency f (f = 1 / t) of the pulse repetition of the master oscillator 2 is equal to or greater than the reciprocal of the effective lifetime τ of the upper laser level: f≥1 / τ.

Здесь и далее под эффективным временем жизни понимается характерное время опустошения заселенности верхнего лазерного уровня в отсутствие интенсивных оптических полей накачки или излучения. Это время приблизительно равно экспериментально определяемому радиационному времени жизни верхнего лазерного уровня, известному из научно-технической литературы.Hereinafter, the effective lifetime is the characteristic time of emptying the population of the upper laser level in the absence of intense optical pump or radiation fields. This time is approximately equal to the experimentally determined radiation lifetime of the upper laser level, known from scientific literature.

При выполнении лазерной системы в указанном виде обеспечивается высокая эффективность накачки усилителя мощности 3 за счет обеспечения малого уровня потерь, обусловленных процессами спонтанного излучения с верхнего лазерного уровня. В этом варианте требуемая средняя мощность лазерной системы достигается при оптимально малом количестве CW-лазерных диодов, работающих в номинальном режиме, что также способствует снижению стоимости системы накачки и лазерной системы в целом, а также снижению стоимости ее эксплуатации.When performing a laser system in the specified form, a high efficiency of pumping of the power amplifier 3 is ensured by ensuring a low level of losses due to spontaneous emission processes from the upper laser level. In this embodiment, the required average power of the laser system is achieved with an optimally small number of CW laser diodes operating in the nominal mode, which also contributes to reducing the cost of the pumping system and the laser system as a whole, as well as reducing the cost of its operation.

Для применений, требующих максимальной энергии лазерного импульса при заданной средней мощности лазерного излучения в импульсно-периодическом режиме, предпочтителен вариант, при котором t≈τ или f=1/τ.For applications that require the maximum energy of a laser pulse at a given average power of laser radiation in a pulse-periodic mode, it is preferable that t≈τ or f = 1 / τ.

Указанный режим работы лазерной системы не является ограничивающим. В вариантах реализации изобретения лазерная система может работать в режиме генерации пачек или пакетов импульсов (англ.- burst mode), иллюстрируемом Фиг. 3. Такой режим позволяет без снижения энергии импульсов лазерного излучения при необходимости предотвращать появление нежелательных тепловых эффектов в активных элементах 4, 5 или на мишени, к которой доставляется лазерное излучение. Предпочтительно в таком режиме накачку осуществляют с модуляцией тока CW-лазерных диодов 7 усилителя мощности 3, обеспечивая соответствующие паузы в перерыве между пачками импульсов задающего генератора 2. В частном варианте реализации такого режима работы пачка импульсов может содержать только один импульс, что, при необходимости, позволяет уменьшать частоту следования импульсов лазерного излучения без снижения эффективности лазерной системы.The specified mode of operation of the laser system is not limiting. In embodiments of the invention, the laser system can operate in the burst mode generation mode (illustrated in FIG. 2). 3. This mode allows you to prevent the occurrence of unwanted thermal effects in the active elements 4, 5 or on the target, to which the laser radiation is delivered, without reducing the energy of the laser radiation pulses. Preferably, in this mode, the pumping is carried out with the modulation of the current of the CW-laser diodes 7 of the power amplifier 3, providing corresponding pauses in the interval between the bursts of pulses of the master oscillator 2. In a particular embodiment of this mode of operation, the pulse pack can contain only one pulse, which, if necessary allows you to reduce the pulse repetition rate of laser radiation without reducing the efficiency of the laser system.

В этих и других вариантах реализации изобретения при генерации каждого импульса лазерного излучения длительность t накачки активного элемента 5 усилителя мощности 3 не превышает эффективное время жизни τ верхнего лазерного уровня: t≤τ.In these and other embodiments of the invention when generating each laser pulse, the duration t of pumping the active element 5 of the power amplifier 3 does not exceed the effective lifetime τ of the upper laser level: t≤τ.

В соответствии с изобретением базовый материал активного элемента выбран из группы: Y3Al5O12 (YAG), Y3AlO3 (YAP), LiYF4 (YLF), Y3GeO5, Lu2O3, Y3Sc2Ga3O12 (YSGG), Gd3Sc2Ga3O12 (GSGG), Y3Ga5O12 (YGG), LaF3, Y2O3, BaY2F8, KCaF3, SiO2, кварцевое оптоволокно. Это позволяет оптимизировать характеристики лазерной системы, в частности, время жизни верхнего лазерного уровня τ, частоту следования импульсов f, диапазон перестройки длины волны лазерного излучения λ. Базовый материал определяет также теплофизические и механические свойства активных элементов лазерной системы.In accordance with the invention, the base material of the active element is selected from the group: Y 3 Al 5 O 12 (YAG), Y 3 AlO 3 (YAP), LiYF 4 (YLF), Y 3 GeO 5 , Lu 2 O 3 , Y 3 Sc 2 Ga 3 O 12 (YSGG), Gd 3 Sc 2 Ga 3 O 12 (GSGG), Y 3 Ga 5 O 12 (YGG), LaF 3 , Y 2 O 3 , BaY 2 F 8 , KCaF 3 , SiO 2 , Quartz optical fiber. This allows you to optimize the characteristics of the laser system, in particular, the lifetime of the upper laser level τ, the pulse repetition frequency f, the tuning range of the laser wavelength λ. The base material also determines the thermophysical and mechanical properties of the active elements of the laser system.

В вариантах реализации изобретения активный элемент 4 задающего генератора 2 и активный элемент 5 усилителя мощности 3 содержат базовый материал, легированный одновременно ионами Tm3+ и Но3+. При этом в соответствии с изобретением накачка активного элемента 5 усилителя мощности 3 может осуществляться CW-лазерными диодами 7 в непрерывном режиме при частоте f повторения импульсов задающего генератора равной или большей величины, обратной эффективному времени жизни τHo верхнего лазерного уровня 5I7Ho3+:f≥1/τHo.In embodiments of the invention, the active element 4 of the master oscillator 2 and the active element 5 of the power amplifier 3 contain a base material doped simultaneously with Tm 3+ and Ho 3+ ions. Thus, in accordance with the invention, the active pumping element 5 power amplifier 3 can be CW-laser diode 7 in a continuous manner at a repetition frequency f of the master oscillator of equal or greater magnitude pulses, reverse the effective lifetime τ Ho upper laser level 5 7 I Ho 3+ : f≥1 / τ Ho .

Как иллюстрируется Фиг. 4, в этих вариантах изобретения излучение накачки коммерчески доступных лазерных AlGaAs диодов в диапазоне около 800 нм переводит ионы Tm3+ на возбужденный уровень 3F4. Затем следует процесс кросс-релаксации между соседними ионами возбужденного 3F4 и основного состояния 3Н6. Этот процесс преобразует один возбужденный ион Tm в состоянии 3F4 в два возбужденных иона Tm в состоянии 3Н4. Энергия возбужденных ионов Tm в состоянии 3Н4 очень близка к энергии верхнего лазерного состояния 5I7 иона Но3+. В результате передачи возбуждения ионы гольмия (их характерная концентрация 0,5%) переходят в возбужденное состояние, создавая инверсию заселенности в активной среде с последующей генерацией лазерного излучения на переходе 5I7→5I8 ионов Но3+ с длиной волны около 2,09 мкм.As illustrated in FIG. 4, in these embodiments of the invention, the pumping radiation of commercially available AlGaAs laser diodes in the range of about 800 nm converts Tm 3+ ions to an excited level of 3 F 4 . Then follows the process of cross-relaxation between neighboring ions of the excited 3 F 4 and the 3 H 6 ground state. This process converts one excited Tm ion in the 3 F 4 state into two excited Tm ions in the 3 H 4 state. The energy of excited Tm ions in the 3 H 4 state is very close to the energy of the 5 I 7 upper laser state of the Ho 3+ ion. As a result of excitation transfer, holmium ions (their typical concentration is 0.5%) pass into an excited state, creating population inversion in the active medium with subsequent generation of laser radiation at the 5 I 7 → 5 I 8 transition of Ho 3+ ions with a wavelength of about 2, 09 microns

Эффективное время жизни τHo верхнего лазерного уровня 5I7 Но3+ зависит от базового материала. Так, τHo≈8,5 мс для базового материала YAG и τHo≈15 мс для базового материала YLF. Накачка активных элементов 5 усилителя в течение времени, не превосходящего эффективное время жизни верхнего лазерного уровня, наиболее эффективна, так как при этом роль процесса спонтанного излучения с верхнего лазерного уровня невелика. Однако в присутствии Tm достаточно велика роль процессов ап- конверсии и обратной передачи ионам Tm энергии с верхнего лазерного уровня 5I7; Но3+. Характерное время этих процессов ~ 1 мс. Тем не менее, эти процессы, критичные в лазерных системах с модуляцией добротности и коротким, менее 1 мкс, импульсом лазерного излучения, не столь пагубны в лазерной системе, выполненной в соответствии с настоящим изобретением. В соответствии с предпочтительными вариантами настоящего изобретения длительность импульса вынужденного излучения достаточно велика, не менее 200 мкс, что больше характерного времени обмена энергии между состояниями ионов 3H4 Tm3+ и 5I7 Но3+. В результате энергия, накопленная в активном элементе усилителя на энергетических уровнях ионов Tm3+ и Но3, обеспечивает эффективную генерацию лазерного излучения на переходе 5I7→5I8 Но3+ с длиной волны около 2,1 мкм в течение достаточно длительного импульса вынужденного излучения.The effective lifetime τ Ho of the upper laser level is 5 I 7 But 3+ depends on the base material. So, τ Ho ≈8.5 ms for the base material YAG and τ Ho ≈15 ms for the base material YLF. The pumping of active elements 5 of the amplifier for a time not exceeding the effective lifetime of the upper laser level is most effective, since the role of the spontaneous emission process from the upper laser level is small. However, in the presence of Tm, the upconversion and reverse transfer of Tm ions to energy from the 5 I 7 upper laser level is quite large; But 3+ . The characteristic time of these processes is ~ 1 ms. However, these processes, critical in laser systems with Q-switching and short, less than 1 μs, laser pulse, are not so detrimental in a laser system made in accordance with the present invention. In accordance with the preferred embodiments of the present invention, the stimulated emission pulse duration is sufficiently long, not less than 200 μs, which is longer than the characteristic time of energy exchange between the 3 H 4 Tm 3+ ion states and 5 I 7 But 3+ . As a result, the energy accumulated in the active element of the amplifier at the energy levels of the Tm 3+ and Ho 3 ions provides efficient generation of laser radiation at the 5 I 7 → 5 I 8 junction But 3+ with a wavelength of about 2.1 μm for a sufficiently long pulse stimulated radiation.

В этих вариантах изобретения предпочтительная частота f повторения импульсов задающего генератора выбирается равной величине или больше величины, обратной эффективному времени жизни τHo верхнего лазерного уровня 5I7Ho3+:f≥1/τHo≈100 Гц. При таких частотах повторения импульсов достигается максимальная эффективность лазерной системы. КПД гольмиевой лазерной системы может быть 7-9%.In these embodiments of the invention, the preferred pulse repetition frequency f of the master oscillator is chosen equal to or greater than the reciprocal of the effective lifetime τ Ho of the upper laser level 5 I 7 Ho 3+ : f≥1 / τ Ho ≈100 Hz. At such pulse repetition rates, the maximum efficiency of the laser system is achieved. The efficiency of the holmium laser system can be 7-9%.

Большей, примерно в два раза, эффективностью характеризуется лазерная система, выполненная в соответствии с вариантами реализации изобретения, в которых активный элемент 3 задающего генератора 2 и активный элемент 5 каждого усилителя мощности 3 содержат базовый материал, легированный ионами Tm3+.Greater, about two times, the efficiency is characterized by a laser system made in accordance with embodiments of the invention in which the active element 3 of the master oscillator 2 and the active element 5 of each power amplifier 3 contain a base material doped with Tm 3+ ions.

Для накачки активных элементов 4, 5 из базового материала, легированного ионами Tm3+, используются сборки лазерных диодов 6, 7. Как иллюстрируется Фиг. 5, излучение накачки с длиной волны около 800 нм, переводит ионы Tm3+ на возбужденный уровень 3F4, после чего следует переход на верхний лазерный уровень 3Н4 в результате одного из следующих процессов:For pumping active elements 4, 5 from a base material doped with Tm 3+ ions, laser diode assemblies 6, 7 are used. As illustrated in FIG. 5, pumping radiation with a wavelength of about 800 nm, transforms Tm 3+ ions to an excited level of 3 F 4 , followed by a transition to the upper laser level of 3 H 4 as a result of one of the following processes:

- безызлучательный переход 3F4→3H5 и безызлучательный переход 3H5→3Н4,- nonradiative transition 3 F 4 → 3 H 5 and nonradiative transition 3 H 5 → 3 H 4 ,

- излучательный переход 3F4→3H5 и безызлучательный переход 3H5→3H4,- radiative transition 3 F 4 → 3 H 5 and nonradiative transition 3 H 5 → 3 H 4 ,

- излучательный переход 3F4→3Н4 - radiative transition 3 F 4 → 3 H 4

- кросс-релаксация, при которой ион Tm3+, который перешел с уровня 3F4 на уровень- cross-relaxation, in which the ion Tm 3+ , which moved from level 3 F 4 to level

3Н4, отдает часть своей энергии соседнему иону Tm3+, находящемуся на основном уровне 3Н6, и в результате оба иона оказываются на верхнем лазерном уровне 3Н4. 3 H 4 , gives a part of its energy to the neighboring Tm 3+ ion located at the main level of 3 H 6 , and as a result, both ions are at the upper laser level of 3 H 4 .

Процесс кросс-релаксации приводит к высокой, до 80%, квантовой эффективности накачки, если концентрация Tm3+ достаточно высокая (~ 5%).The process of cross-relaxation leads to a high, up to 80%, quantum pump efficiency, if the concentration of Tm 3+ is high enough (~ 5%).

Далее, переход 3Н4→3Н 6 иона Tm3+ дает лазерную генерацию.Further, the 3 H 4 → 3 H 6 transition of the Tm 3+ ion produces lasing.

Длина волны λ лазерного излучения, а также эффективное время жизни τ верхнего лазерного уровня зависят от сорта базового материала активных элементов 4, 5. Так, значения длин волн излучения λTm Tm - лазерной системы и времени жизни τTm верхнего лазерного уровня находятся в диапазонах соответственно от λTm=1,84 мкм для Y3GeO5 до λTm=2,07 мкм для Tm: LU2O3 и от τTm=4,0 мс для Tm:Sc2O3 до τTm =15,6 мс для Tm:YLF.The wavelength λ of laser radiation, as well as the effective lifetime τ of the upper laser level depends on the grade of the base material of the active elements 4, 5. Thus, the wavelengths of the λ Tm Tm laser system and the lifetime τTm of the upper laser level are in the ranges respectively from λ Tm = 1.84 μm for Y 3 GeO 5 to λ Tm = 2.07 μm for Tm: LU 2 O 3 and from τ Tm = 4.0 ms for Tm: Sc 2 O 3 to τ Tm = 15.6 ms for Tm: YLF.

Эти варианты изобретения позволяют с высокой эффективностью получать лазерное излучение с длиной волны в диапазоне 1,84-2,07 мкм.These variants of the invention allow high-efficiency to obtain laser radiation with a wavelength in the range of 1.84-2.07 microns.

В соответствии с изобретением для Tm- лазерной системы частота f повторения импульсов задающего генератора может быть равна величине или больше величины, обратной эффективному времени жизни τTm верхнего лазерного уровня 3F4Tm3+:f≥1/τTm.In accordance with the invention for a Tm-laser system, the pulse frequency f of the master oscillator can be equal to or greater than the reciprocal of the effective lifetime τ Tm of the upper laser level 3 F 4 Tm 3 : f≥1 / τ Tm .

Способ генерации лазерного ИК излучения посредством лазерной системы (Фиг. 1) реализуют следующим образом. Осуществляют накачку активных элементов 4, 5 задающего генератора 2 и усилителя мощности 3. При этом накачку активных элементов 5 усилителя мощности 3 осуществляют сборками CW-лазерных диодов 7, а накачку активного элемента 3 задающего генератора 2 осуществляют сборками QCW-лазерных диодов 5.The method of generating laser infrared radiation through a laser system (Fig. 1) is implemented as follows. The active elements 4, 5 of the master oscillator 2 and the power amplifier 3 are pumped. In this case, the active elements 5 of the power amplifier 3 are pumped by assemblies of CW laser diodes 7, and the active element 3 of the master oscillator 2 is pumped by assemblies of QCW laser diodes 5.

Предпочтительно осуществляют работу задающего генератора 2 в режиме свободной генерации с частотой следования импульсов f, равной или большей величине, обратной эффективному времени жизни τ верхнего лазерного уровня: f≥1/τ, при этом накачку активных элементов 5 усилителя мощности 3 осуществляют в непрерывном режиме. Фиг. 2 иллюстрирует соответствующий этому варианту изобретения непрерывный режим работы CW-лазерных диодов накачки усилителя (вверху на Фиг. 2) и импульсно- периодический режим работы QCW-лазерных диодов накачки задающего генератора (внизу на Фиг. 2).Preferably, the work of the master oscillator 2 is performed in the free generation mode with a pulse repetition rate f equal to or greater than the reciprocal of the effective lifetime τ of the upper laser level: f≥1 / τ, while the active elements 5 of the power amplifier 3 are pumped in a continuous mode. FIG. Figure 2 illustrates the continuous operation mode of the amplifier CW laser diodes (above in Fig. 2) and the periodic repetitive mode of operation of the QCW laser pump diodes (below in Fig. 2) corresponding to this variant of the invention.

В процессе работы активные элементы 4, 6 лазерной системы (Фиг. 1), предпочтительно выполненные в виде стержней с боковой диодной накачкой и размещенные в герметичных корпусах 8, 9 вместе со сборками лазерных диодов 6 и 7, охлаждаются с помощью системы охлаждения 10. Электропитание сборок лазерных диодов 6, 7, а также питание системы охлаждения 10 осуществляют с помощью блока источников питания 11, управляемого процессором 12. Зеркала 13, 14 резонатора служат для формирования лазерного пучка 15 задающего генератора 2, энергия которого усиливается при проходе через усилитель, формируя лазерный пучок 16 на выходе усилителя мощности 3. Длительность импульсов лазерного излучения задающего генератора 2 обеспечивают в диапазоне от 200 до 500 мкс.Лазерный пучок 16 на выходе усилителя мощности 3 с помощью оптического элемента или элементов 19 вводится в гибкое оптоволокно 18, посредством которого излучение лазерная система транспортируется к мишени, например, к оперируемой ткани.During operation, the active elements 4, 6 of the laser system (Fig. 1), preferably made in the form of rods with side diode pumping and placed in sealed enclosures 8, 9 together with laser diode assemblies 6 and 7, are cooled using the cooling system 10. Power supply laser diode assemblies 6, 7, as well as the power supply to the cooling system 10, is performed using a power supply unit 11 controlled by a processor 12. The resonator mirrors 13, 14 are used to form the laser beam 15 of the master oscillator 2, the energy of which is amplified when Go through the amplifier, forming a laser beam 16 at the output of the power amplifier 3. The pulse duration of the laser radiation from the master oscillator 2 is provided in the range from 200 to 500 μs. The laser beam 16 at the output of the power amplifier 3 is inserted into the flexible optical fiber 18 with the help of an optical element or elements 19 by means of which the radiation of the laser system is transported to the target, for example, to the operated tissue.

В вариантах изобретения генерацию лазерного ИК излучения с длиной волны 2,1 мкм осуществляют на переходе 5I7→5I8 ионов Но3. При этом каждый активный элемент лазерной системы состоит из базового материала, легированного одновременно ионами тулия Tm3+ и ионами Но3+.In embodiments of the invention, the generation of laser infrared radiation with a wavelength of 2.1 μm is carried out at the 5 I 7 → 5 I 8 transition of Ho 3 ions. In addition, each active element of the laser system consists of a base material doped simultaneously with thulium ions Tm 3+ and ions But 3+ .

В других вариантах изобретения каждый активный элемент лазерной системы состоит из базового материала, легированного ионами тулия Tm3+, и генерацию лазерного излучения с длиной волны 1,8-2,07 мкм осуществляют на переходе 3Н4→3Н6 ионов Tm3+.In other embodiments of the invention, each active element of the laser system consists of a base material doped with thulium ions Tm 3+ , and the generation of laser radiation with a wavelength of 1.8-2.07 μm is carried out at the 3 H 4 → 3 H 6 transition of Tm 3+ ions .

В вариантах изобретения лазерную систему переключают с импульсно-периодического режима, Фиг. 2, на режим генерации пачек импульсов. Фиг. 3 иллюстрирует соответствующий этому варианту изобретения модулированный режим работы CW-лазерных диодов накачки усилителя (вверху на Фиг. 3) и режим генерации пачек импульсов QCW-лазерных диодов накачки задающего генератора (внизу на Фиг. 3).In embodiments of the invention, the laser system is switched from a repetitively pulsed mode, FIG. 2, on the burst generation mode. FIG. 3 illustrates the modulated mode of operation of the amplifier CW laser diodes (above in Fig. 3) and the generation mode of the pulse packets of QCW laser pump diodes (below in Fig. 3) corresponding to this variant of the invention.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей лазерных систем ближнего ИК диапазона за счет обеспечения их высокой импульсной (2-5 кВт) и средней мощности излучения (~ 100 Вт и более) в диапазоне длин волн 1,85-2,1 мкм наряду высокой эффективностью, большим временем жизни, коммерческой доступностью и низкой стоимостью эксплуатации.The technical result of the invention is to expand the functionality of the laser systems of the near IR range by providing them with a high pulsed (2-5 kW) and average radiation power (~ 100 W and more) in the 1.85-2.1 μm wavelength range along with high efficiency , long lifetime, commercial availability and low cost of operation.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬINDUSTRIAL APPLICABILITY

Лазерные системы, выполненные в соответствии с изобретением, предназначены для применения в таких областях, как лазерная хирургия, лидары, спектральный анализ газов, биопринтинг, протезирование; обработка пластиков и др.Laser systems made in accordance with the invention are intended for use in such areas as laser surgery, lidars, spectral analysis of gases, bioprinting, prosthetics; plastics processing, etc.

Claims (17)

1. Лазерная система инфракрасного (ИК) диапазона (1), включающая в себя импульсный задающий генератор (2) и по меньшей мере один усилитель мощности (3), в которой активные элементы (4), (5) задающего генератора (2) и усилителя мощности (3) содержат базовый материал, легированный ионами редкоземельного элемента, характеризующаяся тем, что1. Laser system infrared (IR) range (1), which includes a pulsed master oscillator (2) and at least one power amplifier (3), in which the active elements (4), (5) master oscillator (2) and power amplifier (3) contain a base material doped with rare earth ions, characterized in that задающий генератор (2) снабжен сборками квазинепрерывных или QCW-лазерных диодов (6) накачки, а усилитель мощности (3) снабжен сборками непрерывных или CW-лазерных диодов (7) накачки.the master oscillator (2) is equipped with assemblies of quasi-continuous or QCW-laser pumping diodes (6), and the power amplifier (3) is equipped with assemblies of continuous or CW-laser pumping diodes (7). 2. Система по п. 1, в которой накачка активного элемента (5) усилителя мощности (3) осуществляется в непрерывном режиме, а временной интервал t между импульсами задающего генератора (2) равен или меньше эффективного времени жизни τ верхнего лазерного уровня активного элемента (5) усилителя мощности (3): t≤τ.2. The system of claim 1, wherein the active element (5) of the power amplifier (3) is pumped in a continuous mode, and the time interval t between pulses of the master oscillator (2) is equal to or less than the effective lifetime τ of the upper laser level of the active element ( 5) power amplifier (3): t≤τ. 3. Система по п. 1, в которой задающий генератор (2) работает в режиме свободной генерации при длительности импульса накачки QCW-лазерными диодами (6) от 200 до 600 мкс.3. The system of claim 1, in which the master oscillator (2) operates in a free-running mode with a pump pulse duration of QCW-laser diodes (6) from 200 to 600 μs. 4. Система по п. 1 с выводом излучения в оптоволокно (16).4. The system according to claim 1 with the output radiation in the optical fiber (16). 5. Система по п. 1, в которой активные элементы (4), (5) содержат базовый материал, легированный ионами Tm3+ и Но3+.5. The system of claim 1, in which the active elements (4), (5) contain a base material doped with Tm 3+ and Ho 3+ ions. 6. Система по п. 5, в которой накачка активного элемента (5) усилителя мощности (3) осуществляется в непрерывном режиме, а частота f повторения импульсов задающего генератора (2) равна или больше величины, обратной эффективному времени жизни τHo верхнего лазерного уровня 5I7 Но3+: f≥1/τHo.6. The system of claim 5, wherein the active element (5) of the power amplifier (3) is pumped in a continuous mode and the pulse repetition frequency f of the master oscillator (2) is equal to or greater than the reciprocal of the effective lifetime τ Ho of the upper laser level 5 I 7 But 3+ : f≥1 / τ Ho . 7. Система по п. 1, в которой активные элементы (4), (5) содержат базовый материал, легированный ионами Tm3+.7. The system of claim 1, wherein the active elements (4), (5) contain a base material doped with Tm 3+ ions. 8. Система по п. 7, в которой накачка активного элемента (5) усилителя мощности (3) осуществляется в непрерывном режиме, а частота f повторения импульсов задающего генератора (2) равна или больше величины, обратной эффективному времени жизни τTm верхнего лазерного уровня 3F4 Tm3+: f≥1/τTm.8. The system of claim 7, in which the pumping of the active element (5) of the power amplifier (3) is carried out in continuous mode, and the pulse repetition frequency f of the master oscillator (2) is equal to or greater than the reciprocal of the effective lifetime τ Tm of the upper laser level 3 F 4 Tm 3+ : f≥1 / τ Tm . 9. Система по п. 1, в которой базовый материал активных элементов (4), (5) выбран из группы: Y3Al5O12 (YAG), Y3AlO3 (YAP), LiYF4 (YLF), Y3GeO5, Lu2O3, Y3Sc2Ga3O12 (YSGG), Gd3Sc2Ga3O12 (GSGG), Y3Ga5O12 (YGG), LaF3, Y2O3, BaY2F8, KCaF3, SiO2, кварцевое оптоволокно.9. The system of claim 1, wherein the base material of the active elements (4), (5) is selected from the group: Y 3 Al 5 O 12 (YAG), Y 3 AlO 3 (YAP), LiYF 4 (YLF), Y 3 GeO 5 , Lu 2 O 3 , Y 3 Sc 2 Ga 3 O 12 (YSGG), Gd 3 Sc 2 Ga 3 O 12 (GSGG), Y 3 Ga 5 O 12 (YGG), LaF 3 , Y 2 O 3 , BaY 2 F 8 , KCaF 3 , SiO 2 , quartz optical fiber. 10. Система по п. 1, в которой активный элемент (4) задающего генератора (2) выполнен в виде стержня.10. The system of claim 1, wherein the active element (4) of the master oscillator (2) is made in the form of a rod. 11. Система по п. 1, в которой активный элемент (5) усилителя мощности (3) выполнен в виде стержня.11. The system of claim 1, wherein the active element (5) of the power amplifier (3) is made in the form of a rod. 12. Способ генерации лазерного ИК излучения, включающий накачку активных элементов импульсного задающего генератора и усилителя мощности, характеризующийся тем, что12. The method of generating laser infrared radiation, including the pumping of the active elements of a pulsed master oscillator and a power amplifier, characterized in that накачку активных элементов усилителя мощности осуществляют сборками CW-лазерных диодов (7), а накачку активного элемента задающего генератора осуществляют сборками QCW-лазерных диодов (6).the active elements of the power amplifier are pumped by assemblies of CW laser diodes (7), and the active element of the master oscillator is pumped by assemblies of QCW laser diodes (6). 13. Способ по п. 12, при котором осуществляют работу задающего генератора в режиме свободной генерации с частотой следования импульсов f, равной или большей величине, обратной эффективному времени жизни τ верхнего лазерного уровня: f≥1/τ, при этом накачку активного элемента усилителя мощности осуществляют в непрерывном режиме.13. The method according to claim 12, wherein the work of the master oscillator in the free generation mode with a pulse repetition rate f equal to or greater than the reciprocal of the effective lifetime τ of the upper laser level: f≥1 / τ, while pumping the active element of the amplifier power carried out in continuous mode. 14. Способ по п. 12, при котором осуществляют генерацию лазерного излучения на переходе 5I7→5I8 в ионов Но3+.14. The method according to p. 12, in which carry out the generation of laser radiation at the transition 5 I 7 → 5 I 8 in ions of Ho 3+ . 15. Способ по п. 12, при котором осуществляют генерацию лазерного излучения на переходе 3Н4→3Н6 ионов Tm3+.15. The method according to claim 12, wherein the laser radiation is generated at the 3 H 4 → 3 H 6 transition of Tm 3+ ions.
RU2018129058A 2018-08-08 2018-08-08 Laser system and emitting radiation method RU2693542C1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018129058A RU2693542C1 (en) 2018-08-08 2018-08-08 Laser system and emitting radiation method
PCT/RU2019/000542 WO2020032827A1 (en) 2018-08-08 2019-08-01 Laser device, method of generating ir radiation and surgical laser system using same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018129058A RU2693542C1 (en) 2018-08-08 2018-08-08 Laser system and emitting radiation method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2693542C1 true RU2693542C1 (en) 2019-07-03

Family

ID=67252293

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018129058A RU2693542C1 (en) 2018-08-08 2018-08-08 Laser system and emitting radiation method

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2693542C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2785283C1 (en) * 2022-01-27 2022-12-06 Акционерное Общество "Наука И Инновации" Optically pumped inrete gas laser

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5485482A (en) * 1993-12-08 1996-01-16 Selker; Mark D. Method for design and construction of efficient, fundamental transverse mode selected, diode pumped, solid state lasers
US5742634A (en) * 1994-08-24 1998-04-21 Imar Technology Co. Picosecond laser
WO2009155712A1 (en) * 2008-06-27 2009-12-30 Institut National D'optique Digital laser pulse shaping module and system
RU2592065C2 (en) * 2012-03-02 2016-07-20 Академи Оф Опто-Электроникс, Чайниз Академи Оф Сайенсиз Single-cavity two-electrode discharge chamber and excimer laser

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5485482A (en) * 1993-12-08 1996-01-16 Selker; Mark D. Method for design and construction of efficient, fundamental transverse mode selected, diode pumped, solid state lasers
US5742634A (en) * 1994-08-24 1998-04-21 Imar Technology Co. Picosecond laser
WO2009155712A1 (en) * 2008-06-27 2009-12-30 Institut National D'optique Digital laser pulse shaping module and system
RU2592065C2 (en) * 2012-03-02 2016-07-20 Академи Оф Опто-Электроникс, Чайниз Академи Оф Сайенсиз Single-cavity two-electrode discharge chamber and excimer laser

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2785283C1 (en) * 2022-01-27 2022-12-06 Акционерное Общество "Наука И Инновации" Optically pumped inrete gas laser

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2377482B1 (en) A laser system for treatment of skin
US6998567B2 (en) Generation and application of efficient solid-state laser pulse trains
US7970027B2 (en) Electromagnetic energy distributions for electromagnetically induced mechanical cutting
US20080065057A1 (en) High-efficiency, side-pumped diode laser system
US5287380A (en) Method and apparatus for generating long output pulses from flashlamp-excited lasers
US20070060917A1 (en) High-efficiency, side-pumped diode laser system
US20060245460A1 (en) Vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) arrays pumped solid-state lasers
US6235017B1 (en) Device for ablation of material by means of laser radiation
ATE215275T1 (en) MODE-LOCKED SOLID STATE LASER AND METHOD FOR GENERATING PULSED LASER RADIATION
US6631153B2 (en) Light generating device and laser device using said light generating device
Wetter et al. Efficient and compact diode-side-pumped Nd: YLF laser operating at 1053 nm with high beam quality
Jabczynski et al. Actively Q‐switched, diode pumped thulium laser
Hagen et al. High-power, diode-dumped Er: YAG for dentistry
RU2693542C1 (en) Laser system and emitting radiation method
US20110216801A1 (en) Process for emission of pulsed laser radiation and associated laser source
Strassl et al. Ultrashort Laser Pulses in Dentistry.
Deana et al. Pulse-energy-enhanced, strongly modulated Er: YLF laser for medical applications
WO2020032827A1 (en) Laser device, method of generating ir radiation and surgical laser system using same
RU2694126C1 (en) Surgical laser system
US20230178956A1 (en) Method for operating diode-pumped pulsed lasers
Kim et al. Understanding the Instruments: Intracorporeal Lithotripsy—Laser
Steiner Basic laser physics
Gaponenko et al. Microchip Tm: KYW laser with 2.5 W of output power
Bass et al. Operation of the high dopant density Er: YAG at 2.94 μ m
Berger et al. Direct modulation of a Nd: YAG laser by combined side and end laser diode pumping