CZ305155B6

CZ305155B6 - Laserový systém pro generaci laserového záření bezpečného pro oko na bázi Ramanovského stimulovaného rozptylu

Info

Publication number: CZ305155B6
Application number: CZ2014-224A
Authority: CZ
Inventors: Karel Nejezchleb; Nicklai Kapitch; Helena Jelínková
Original assignee: Crytur, Spol. S R.O.
Priority date: 2014-04-04
Filing date: 2014-04-04
Publication date: 2015-05-20
Also published as: CZ2014224A3

Abstract

Je řešen pevnolátkový laserový systém založený na principu stimulovaného Ramanovského rozptylu, generující laserové záření bezpečné pro oko na vlnové délce 1530 nm. Čerpací laser tohoto systému je vytvořen na bázi krystalu Nd.sup.3+.n.:YAP a Ramanovský optický oscilátor na bázi krystalu BaWO.sub.4.n.. Q-spínání čerpacího laseru je tvořeno saturovatelným absorbérem (2) z V.sup.3+.n.:YAG. Pro čerpání Ramanovského optického oscilátoru, umístěného uvnitř optického rezonátoru čerpacího laseru, se používá vlnová délka 1340 nm. Pro potlačení základní vlnové délky 1079 nm je tento laserový systém uspořádán ve tvaru písmena L.

Description

Předkládané řešení se týká nového laserového systému, který generuje laserové záření bezpečné pro oko. Systém je vytvořen na bázi Ramanovského stimulovaného rozptylu.

Dosavadní stav techniky

Vynález se vztahuje na laserový systém, přesněji řečeno na kompaktní pulsní laserový systém využívající spojený optický prostor rezonátoru.

Rozšířením použití laserů v posledních letech vznikly požadavky na lasery o vyšších výkonech, které jsou bezpečné pro lidské oko. Čím je výkon laseru větší, tím větší riziko představuje pro lidi, kteří mohou přijít do kontaktu s laserovým paprskem, jehož koherentní světelný paprsek projde rohovkou a následně buď projde, neboje pohlcen sklivcem. Část svazku, která není pohlcena sklivcem, je okem soustředěna na sítnici. Za normálních podmínek je světelná energie konvertována sítnicí na energii chemickou a stimuluje tak optický vjem. Pokud nemůže být soustředěná energie laserového paprsku pohlcena, může dojít ke zranění způsobené poškozením sítnice. K takovému zranění nedochází, pokud je oko vystaveno působení konvenčních světelných zdrojů, protože v takovém případě je světlo emitováno do všech směrů a vytváří značný, ale nekoncentrovaný obraz na sítnici, který tak může být bezpečně absorbován.

Laserové paprsky o vlnové délce v rozmezí 1500 nm až 2200 nm jsou pohlceny sklivcem, čímž je zmíněno poškození sítnice. Laserové systémy v radarových nebo komunikačních vysílačích používaných v obydlených oblastech musí být obsluhovány takovým způsobem, aby se zabránilo poškození zraku.

Lasery pracující s vlnovou délkou v rozmezí 1005 až 2200 nm byly v minulosti obecně zařízeními s nižší efektivitou a větších rozměrů. Dostupné lasery bezpečné pro oko jsou založené na emisi z pevných hostitelských materiálů dopovaných erbiem, které jsou čerpána pulzní výbojkou nebo na frekvenční konverzi neodymového laseru použitím stimulovaného Ramanovského rozptylu v molekulárním plynu nebo v optickém parametrickém oscilátoru založeném na různých druzích nelineárních krystalů.

Lasery s Ramanovským oscilátorem umístěným uvnitř optické dutiny jsou popsány v patentech US 4,327,337 „Intracavity raman frequency conversion in a high power laser“ 28.4.1982 Yung S. Liu, US 4,048,516 „Laser apparatus for producing stimulated Raman scattering“ 13.9.1977 Eugene O. Ammann a US 7,760,774“ Intracavity frequency conversion of laser radiation“, 20.7.2010 Fedor V, Karpushko.

Řešení dle US 4,327,337 využívá pro Ramanovskou konverzi plynné médium, které je umístěno uvnitř laserového rezonátoru, kde generuje laditelné laserové záření ve viditelných a v blízkých i dlouhých infračervených částech spektra, s vylepšenou účinností konverze a vyššími výkony. Kombinace laserového média a Ramanovského plynného média vytváří koherentní záření s jinou frekvencí, nežli je frekvence vyzářená laserovým médiem.

Nevýhodou tohoto řešení je, že pro Ramanovský posun používá plynné médium, což neumožňuje v trubici postavit robustní konstrukci finálního laserového systému. Takto popsaný laserový systém s plynnou kyvetou není schopen fungovat s vyšší opakovači frekvencí generovaných pulsů. Další nevýhodou je, že laser s plynnou kyvetou má poměrně velké rozměry.

- 1 CZ 305155 B6

Patent US 4,048,516 prezentuje stimulovaný Ramanovský rozptyl při opakování kHz pulzů s podstatně vylepšenou laserovou konfigurací, ve které jsou odstraněna zrcadla Ramanovského optického oscilátoru uvnitř laserového rezonátoru a jak čerpací laser, tak Ramanovský rezonátor využívají zrcadla laseru. Toto sdílení laserového rezonátoru Ramanovským optickým oscilátorem zvýšilo celkový výkon a stabilitu primárních a sekundárních vlnových délek Stokesova posuvu, snížilo optické opotřebení zrcadel a mělo za následek podstatné zjednodušení designu rezonátoru.

Nevýhodou tohoto řešení je, že schéma laserového zařízení je popsáno jako přímé, čímž jsou prakticky vyloučena možnost generování záření bezpečného pro lidské oko při použití čerpacích laserových zdrojů na bázi krystalů Nd³⁺:YAG nebo Nd³⁺:YAP.

Třetí výše uvedený patent US 7,760,774 popisuje laserové zařízení s frekvenční konverzí, které se skládá z komplexní optické dutiny obsahující dvě části se dvěma různými úrovněmi cirkulující intrakavitní energie, kde je alespoň jeden nelineární krystal umístěn v částí optické dutiny s vyšší cirkulující energií a aktivní médium je umístěné v části optické dutiny s nižší cirkulující energií. Zvýšení výkonu je dosaženo ve dvou krocích a celkové zvýšení výkonu je výsledkem spojení faktorů zvyšujících výkon v jednotlivých krocích a systém tak umožňuje větší volnost v designu tak, že je zároveň splněna podmínka zvýšení energie interagujícího laseru uvnitř intrakavitního nelineárního krystalu a podmínka maximálního vyzářeného výkonu laseru.

Laserové zařízení popsané v patentu US 7,760,774 může být použito k získání laserového záření bezpečného pro oko pouze v případě použití Optického Parametrického Oscilátoru, což by zvýšilo komplikovanost uspořádání laserového rezonátoru. Schéma uvedené v tomto patentu je prakticky nevyužitelné pro generaci záření bezpečného pro oko způsobem využívajícím stimulovaný Ramanovský rozptyl, a to z důvodu čerpání laseru základní vlnovou délkou.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nevýhody odstraňuje laserový systém, používající Ramanovský stimulovaný rozptyl pro generaci laserového záření v rozsahu vlnových délek bezpečných pro oko, sestávající z primárního laserového rezonátoru a z Ramanovského optického oscilátoru podle předkládaného řešení. Podstatou nového řešení je, že primární laserový rezonátor obsahující uvnitř Ramanovský optický oscilátor je tvořen dielektrickým konkávním zrcadlem s vysokou reflektivitou pro čerpací vlnovou délku 1340 nm, výstupním dielektrickým rovinným zrcadlem pro čerpací vlnovou délku 1340 nm a oku bezpečnou vlnovou délku 1530 nm, saturovatelným absorbérem na bázi monokrystalického yttrito-hlintého granátu dotovaného ionty trojmocného vanadu V³⁺:YAG, laserovou tyčí na bázi monokrystalického yttrito-hlinitého perovskitu dotovaného ionty neodymu Nd³⁺:YAP, tvořící laserové médium a rovinným zrcadlem, které je uloženo šikmo v rozmezí od 30° do 60° vzhledem k optické ose primárního laserového rezonátoru. Toto rovinné zrcadlo je opatřeno dielektrickými vrstvami pro úhel dopadu od 30° do 60° s vysokou reflektivitou pro vlnovou délku 1340 nm a vysokou propustností pro vlnovou délku 1079 nm ve směru, kde je umístěn Ramanovský optický oscilátor. Ramanovský optický oscilátor je tvořen na společné optické ose ležícím dielektrickým rovinným zrcadlem s vysokou reflektivitou na oku bezpečné vlnové délce 1530 nm a s vysokou propustností na vlnové délce 1340 nm. Za tímto dielektrickým rovinným zrcadlem je umístěn Ramanovský krystal BaWO₄ opatřený antireflexní vrstvou pro vlnovou délku 1530 nm a výstupní dielektrické rovinné zrcadlo, které je společné i pro primární laserový rezonátor, a které má pro vlnovou délku 1340 nm reflektivitu v intervalu 50 až 98 % a pro vlnovou délku 1530 nm má reflektivitu 50 až 90 %.

Výhoda předkládaného řešení je, že kombinací aktivního prostředí Nd³⁺:YAP, tedy monokrystalického yttrito-hlinitého perovskitu, který je dotován ionty neodymu, generujícího záření na vlnové délce 1340 nm a Ramanovského krystalu BaWO₄ lze dosáhnout generace laserového záření v okolí oku bezpečné vlnové délky 1530 nm. Další výhodou je, že je vytvořeno schéma ve tvaru L, čímž dochází k efektivnímu potlačení základní vlnové délky.

-2CZ 305155 B6

Objasnění výkresů

Laserový systém pro generaci laserového záření, které je bezpečné pro okolo a je založen na Ramanovském stimulovaném rozptylu, bude dále objasněn pomocí přiložených výkresů. Na Obr. 1 je schematicky uveden Ramanovský laser buzený uvnitř lineárního rezonátoru čerpacího laseru a na Obr. 2 je uvedeno řešení podle předkládaného vynálezu.

Příklady uskutečnění vynálezu

Pevnolátkový Ramanovský laser využívá při generaci záření stimulovaného Ramanovského rozptylu, čerpaného laserovým zářením, přičemž generované Ramanovské záření má oproti čerpacímu záření nižší frekvenci, respektive delší vlnovou délku. Posun frekvence je dán použitím Ramanovským prostředkem. Tímto způsobem je možné s použitím existujících laserů dosáhnout generace záření s novými vlnovými délkami. Bylo zjištěno, že kombinací aktivního prostředí Nd³⁺:YAP, monokrystalického yttrito-hlinitého perovskitu, který je dotován ionty neodymu, generujícího záření na vlnové délce 1340 nm, a Ramanovského krystalu BaWO₄ lze dosáhnout generace laserového záření v okolí „oku bezpečné“ vlnové délky 1530 nm.

Vzhledem k nelineární povaze stimulovaného Ramanovského rozptylu je k účinné konverzi čerpacího záření na Ramanovské záření potřebná vysoká intenzita čerpání a proces konverze vyžaduje určitou minimální, prahovou, hodnotu čerpání. Snížení prahu generace a zvýšení účinnosti konverze lze dosáhnout vložením Ramanovský aktivního prostředí do rezonátoru. Tak vznikne Ramanovský laser.

Pro dosažené vysoké výstupní energie byl nejprve navržen Ramanovský laser buzený uvnitř rezonátoru čerpacího laseru. V tomto uspořádání je Ramanovský rezonátor součástí rezonátoru čerpacího laseru a tvoří tak vzájemně propojené a ovlivňující se systémy. Základní schéma takového uspořádání je na Obr. 1.

Dielektrické konkávní zrcadlo 1 a dielektrické rovinné zrcadlo 7 mají vysoce reflexí vrstvy pro čerpací záření s vlnovou délkou 1340 nm, dielektrické rovinné zrcadlo 5 je propustné pro vlnovou délku 1340 nm a vysoce reflexní pro Ramanovské záření s vlnovou délkou 1530 nm, zrcadlo 7 je částečně propustné pro vlnovou délku 1530 nm.

Z dřívějších zkušeností bylo ale známo, že uspořádání podle Obr. 1 není možné použít při čerpání Ramanovského rezonátoru na vlnové délce 1340 nm, protože i při minimální reflektivitě R prvků tvořících Ramanovský laser na vlnové délce 1079 nm (R < 0,1 %) dojde vzhledem k vysokému zisku aktivního prostředí k parazitní generaci na této vlnové délce a generace požadovaného záření s vlnovou délkou 1530 nm vůbec nenastane. Proto byl místo lineárního rezonátoru čerpacího laseru použit rezonátor ve tvaru L podle předkládaného vynálezu. Obr. 2, doplněný dielektrickým rovinným zrcadlem 4 s úhlem dopadu od 30° do 60°. Toto dielektrické rovinné zrcadlo 4 bylo vyrobeno tak, aby bylo co nejvíce propustné pro záření v okolí vlnové délky 1079 nm, čímž se podařilo eliminovat parazitní odrazy od prvků Ramanovského rezonátoru a tak zamezit vzniku oscilací na vlnové délce 1079 nm. Současně je toto dielektrické rovinné zrcadlo 4 maximálně reflexní pro vertikálně polarizované zářením s vlnovou délkou 1340 nm, zatímco horizontálně polarizované záření na této vlnové délce zrcadlo propouštělo. To zajistilo lineární polarizaci generovaného čerpacího záření a tak i lepší účinnost Ramanovské konverze.

Nový laserový systém používající Ramanovský stimulovaný rozptyl, kde tento systém generuje laserový systém používající Ramanovský stimulovaný rozptyl, kde tento systém generuje laserové záření v rozsahu vlnových délek bezpečných pro oko, Obr. 2, je tedy vytvořen následujícím způsobem.

-3 CZ 305155 B6

Laserový systém sestává z primárního laserového rezonátoru a z Ramanovského optického oscilátoru. Primární laserový rezonátor obsahující uvnitř Ramanovský optický oscilátor je tvořen několika prvky. Na vstupu je umístěno dielektrické konkávní zrcadlo 1 s vysokou reflektivitou pro čerpací vlnovou délku 1340 nm. Dalším prvkem je výstupní dielektrické rovinné zrcadlo 7 pro čerpací vlnovou délku 1340 nm a oku bezpečnou vlnovou délku 1530 nm. Za dielektrickým konkávním zrcadlem ije umístěn na společné optické ose saturovatelný absorbér 2, který je zrcadlem ije umístěn na společné optické ose saturovatelný absorbér 2, který je tvořen monokrystalickým yttrito-hlinitým granátem dotovaným ionty trojmocného vanadu V³⁺:YAG. Za ním pak následuje, laserová tyč 3 na bázi monokrystalického yttrito-hlinitého perovskitu dotovaného iontu neodymu, Nd³⁺:YAP, tvořící laserové médium a šikmo uložené dielektrické rovinné zrcadlo 4 v rozmezí 30° až 60° k optické ose primárního laserového rezonátoru, v uváděném příkladu 45°. Toto dielektrické rovinné zrcadlo 4 je opatřeno dielektrickými vrstvami pro úhel od 30° do 60° s vysokou reflektivitou pro vlnovou délku 1340 nm a vysokou propustností pro vlnovou délku 1079 nm ve směru, kde je umístěn Ramanovský optický oscilátor. Tento Ramanovský oscilátor je tvořen na společné optické ose ležícím dielektrickým rovinným zrcadlem 5 s vysokou reflektivitou na oku bezpečné vlnové délce 1530 nm a s vysokou propustností na vlnové délce 1340 nm, za ním umístěným Ramanovským krystalem 6 BaWO₄ opatřeným antireflexní vrstvou pro vlnovou délku 1530 nm a výstupním dielektrickým rovinným zrcadlem 7. Toto výstupní dielektrické rovinné zrcadlo 7, jak vyplývá z výše popsaného, je společné i pro primární laserový rezonátor a které má pro vlnovou délku 1340 nm reflektivitu v intervalu 50 až 98 % a pro vlnovou délku 1530 nm má reflektivitu 50 až 90 %.

V konkrétním příkladu provedení bylo použito dielektrické konkávní zrcadlo i s rádiusem 5m. Sdružené výstupní dielektrické rovinné zrcadlo 7 mělo reflektivitu pro vlnovou délku 1340 nm R134 = 80 % a pro vlnovou délku 1530 nm R) ₅₃ = 70 %. Laserový tyč 3 na bázi Nd³⁺:YAP čerpaná Xenonovou impulsní výbojkou byla použita o průměru 4 mm a o délce 105 mm. Saturovatelný Absorbér 2, který je tvořen krystalem V³⁺:YAG, měl průměr 6,3 mm. Dielektrické rovinné zrcadlo 4 je zrcadlo, sloužící jako filtr základní vlnové délky 1079 nm s vysoce reflexní vrstvou pro vlnovou délku 1340 nm a vysoce propustnou vrstvou pro vlnovou délku 1079 nm. Toto dielektrické rovinné zrcadlo 4 směřuje čerpací vlnovou délku 1340 nm do Ramanovského rezonátoru a potlačuje generaci základní vlnové délky 1079 nm.

Laserová tyč z krystalu Nd³⁺:YAP 3 čerpaná xenonovou impulsní výbojkou generuje záření na čerpací vlnové délce 1340 nm. Toto záření je modulováno saturovatelným absorbérem 2 z V³⁺:YAG pro dosažení generace laserových pulsů s hustotou výkonu vyšší než práh vzniku. Ramanovského stimulovaného rozptylu v Ramanovském krystalu 6 BaWO₄. Toto záření čerpá Ramanovský krystal BaWO₄ 6, v němž se laserové záření transformuje v oko bezpečnou vlnovou délku 1530 nm. Tato délka zesiluje svůj výkon v Ramanovském rezonátoru a vystupuje z rezonátoru přes výstupní dielektrické rovinné zrcadlo 7.

Výstupní čerpací záření o vlnové délce 1340 nm primárního laserového rezonátoru je posunuto do oblasti bezpečné pro oko pomocí krystalu 6 BaWO₄ o rozměrech 6x6x10 mm v Ramanovském optickém oscilátoru který je, jak bylo výše popsáno, tvořen dielektrickým rovinným zrcadlem 5 a výstupním dielektrickým rovinným zrcadlem 7. Design, ve kterém jsou sdruženy optické rezonátory, Obr. 2, umožňuje zachování vysoké účinnosti intrakavitního zařízení. Tento Ramanovský laserový systém se sdruženými optickými rezonátory splňuje požadavky na výstupní efektivitu a umožňuje konstrukci velmi kompaktního laserového vysílače.

Průmyslová využitelnost

Vynález se týká kompaktního pulsního laseru schopného generovat 20 až 30 mJ na vlnové délce 1530 nm, který vyžívá intrakavitní Ramanovský Optický Oscilátor unikátního designu k dosažení vysoké účinnosti v kompaktním mechanicky i opticky stabilním uspořádání. Popsaný Ramanovský laserový systém je využitelný pro konstrukci ručních dálkoměrů a podobných zařízeních díky

-4CZ 305155 B6 kompaktní konfiguraci a možnosti generace laserového záření bezpečného pro oko s délkou pulsu

Claims

1. Laserový systém pro generaci laserového záření bezpečného pro oko na bázi Ramanovského stimulovaného rozptylu, sestávající z primárního laserového rezonátoru a z Ramanovského optického oscilátoru, vyznačující se tím, že primární laserový rezonátor obsahující uvnitř Ramanovský optický oscilátor je tvořen dielektrickým konkávním zrcadlem (1) s vysokou reflektivitou pro čerpací vlnovou délku 1340 nm, a výstupním dielektrickým rovinným zrcadlem (7) s vysokou reflektivitou pro čerpací vlnovou délku 1340 nm a částečně propustným pro oku bezpečnou vlnovou délku 1530 nm, saturovatelným absorbérem (2), který je tvořen monokrystalickým yttrito-hlinitým granátem dotovaným ionty trojmocného vanadu V³⁺:YAG, laserovou tyčí (3) na bázi monokrystalického yttrito—hlinitého perovskitu dotovaného ionty neodymu, Nd³⁺:YAP, tvořící laserové médium a dielektrickým rovinným zrcadlem (4) uloženým šikmo v rozmezí od 30° do 60° vzhledem k optické ose primárního laserového rezonátoru, opatřeným dielektrickými vrstvami pro úhel od 30°do 60° s vysokou reflektivitou pro vlnovou délku 1340 nm a vysokou propustností pro vlnovou délku 1079 nm ve směru, kde je umístěn Ramanovský optický oscilátor tvořený na společné optické ose ležícím dielektrickým rovinným zrcadlem (5) s vysokou reflektivitou na oku bezpečné vlnové délce 1530 nm a s vysokou propustností na vlnové délce 1340 nm, za ním umístěným Ramanovským krystalem (6) BaWO₄ opatřeným antireflexní vrstvou pro vlnovou délku 1530 nm a výstupním dielektrickým rovinným zrcadlem (7), které je společné i pro primární laserový rezonátor a které má pro vlnovou délku 1340 nm reflektivitu v intervalu 50 až 98 % a pro vlnovou délku 1530 nm má reflektivitu 50 až 90 %.