CZ306311B6

CZ306311B6 - Optické elementy pro konstrukci výkonových laserových systémů a jejich příprava

Info

Publication number: CZ306311B6
Application number: CZ2015-501A
Authority: CZ
Inventors: Michal Košelja
Original assignee: Fyzikální Ústav Av Čr, V. V. I.
Priority date: 2015-07-16
Filing date: 2015-07-16
Publication date: 2016-11-23
Also published as: IL256915A; EP3323178A1; IL256915B; JP6744915B2; WO2017008774A1; EP3323178B1; CZ2015501A3; JP2018527758A

Abstract

Dvojice aktivních optických elementů (D1 a D2), kde oba elementy (D1 a D2) vykazují gradient (4) koncentrace opticky aktivních center nad akceptovatelnou míru optické homogenity, jsou vzájemně zrcadlově a/nebo rotačně symetrické tvarem a současně rozložením gradientu (4) koncentrace opticky aktivních center alespoň v ploše a/nebo objemu určenému k odrazu a/nebo průchodu optického svazku (5). Při přípravě dvojice aktivních optických elementů se pro jejich výrobu použije výchozí materiál, který obsahuje alespoň jednu oblast zrcadlově a/nebo rotačně symetrického gradientu (4) koncentrace opticky aktivních center podle alespoň jedné osy (2) a současně podél této osy probíhá změna gradientu (4) koncentrace opticky aktivních center. Způsob přípravy dvojice aktivních optických elementů spočívá v tom, že výchozí materiál je zkrácen ve směru osy (2) symetrie a opatří se inspekčními čely. V objemu takto upraveného materiálu se vyberou dvě zrcadlově a/nebo rotačně symetrické části, které vykazují optickou homogenitu. Dále se alespoň třemi vzájemně rovnoběžnými řezy (3) vedenými ve směru rovnoběžném se směrem osy symetrie (2) zhotoví alespoň dva geometrické útvary, přičemž střední řez reprezentuje geometrické místo zrcadlové a/nebo rotační symetrie. Kompozitní optický materiál je tvořen alespoň jednou dvojicí aktivních optických elementů, přičemž jednotlivé elementy (D1 a D2) dvojice jsou vzájemně otočené o 180.degree. dle společné osy kolmé na směr gradientu (4).

Description

Optické elementy pro konstrukci výkonových laserových systémů a jejich příprava

Oblast techniky

Vynález se týká přípravy pevnolátkových optických aktivních prostředí (zejména monokrystalických) s přidanými opticky aktivními centry (dopanty) a jejich využití při konstrukci výkonových optických zesilovačů (zejména laserových systémů) a jejich komponent (například saturovatelný absorbér).

Dosavadní stav techniky

Pro přípravu aktivních optických elementů se mimo jiné používají materiály připravované řízenou krystalizací z taveniny nebo roztoku, které obsahují kromě stavebních elementů tvořících krystalickou strukturu daného krystalu i další příměsi. Ty slouží pro vytvoření opticky aktivních center, která při interakci s různými druhy záření, korpuskulámí a/nebo elektromagnetické povahy, absorbují jejich energii a následněji vyzařují, nebojí převádějí na jiná opticky aktivní centra, které ji následně vyzáří v podobě fotonů. Vyzářené fotony mohou být dále využívány/zpracovávány, případně detekovány.

Dosažitelná velikost optických elementů z monokrystalů s opticky aktivními centry je limitována povahou jejich výroby. Obvykle dochází při krystalizací ke vzniku koncentračního gradientu příměsí tvořících opticky aktivní centra (dále také dopantů) ve směru postupu krystalizačního frontu. Tento jev je způsoben tím, že v průběhu krystalizace dochází ke změně koncentrace podílu jak krystalotvomých, tak i příměsných prvků v tavenině nebo roztoku, a tedy i ve vzniklém krystalu. Tento jev je dán odlišnou velikostí poloměru příměsných prvků, respektive jejich iontů od krystalotvomých.

V případě, že je poloměr příměsného prvku větší než prvku stavebního, jeho schopnost účastnit se krystalotvomého procesuje menší, čímž dochází k postupnému narůstání koncentrace příměsného prvku v roztoku/tavenině, ze které krystal dále roste. Tento efekt má za následek postupné navyšování koncentrace příměsného prvku v pěstovaném krystalu ve směru jeho růstu. Pro případ menšího poloměru nastává opačný jev. Koncentrace příměsných prvků v tavenině nebo roztoku v průběhu krystalizace klesá a tedy i koncentrace příměsných prvků v pěstovaném krystalu klesá ve směru růstu. Změna koncentrace dopantů v průběhu pěstování monokrystalu je zásadní větší než 5 %.

Všechny průmyslově používané průmyslové technologie krystalizace (například Czochralského, Kyropoulose, Bridgmana, Bagdasarova, HEM (Heat Exchange Method), CRIG (CRystal Improved Growth) a dalších) pro přípravu vysokoteplotních monokrystalů (například yttrito—hlinitý granát dopovaný neodymem (Nd:YAG - Nd³⁺:Y3A15OI2), titanem dopovaný safír (Ti:S Ti³⁺:A12O₃ a další), yterbiem dopovaný kalcium difluorid (Yb:CaF - Yb³⁺:CaF₂ a další) vykazují výše uvedené jevy.

V některých případech (dle použité technologie pěstování) má na gradient koncentrace příměsných prvků v monokrystalu vliv také příčná vzdálenost od osy krystalu. Obecně je směr koncentračního gradientu vždy kolmý na krystalizační front. V případě plochého krystalizačního frontu odpovídá pak směr gradientu koncentrace dopantů ose růstu, v případě rotačně symetrického krystalického frontu, který má tvar plochy kužele s vrcholovým úhlem ε 180° je směr růstu krystalu totožný s rotační osou tohoto kuželu a koncentrační gradienty dopantů jsou jak ve směru osy růstu, tak ve směru kolmém na tuto osu.

V praxi je pro výrobu optických, zejména laserových, elementů akceptovatelný příčný rozdíl koncentrace ± 5 % opticky aktivních center proti požadované koncentraci. Dříve uvedená fakta

- 1 CZ 306311 B6 tedy ukazují na to, že pro výrobu optických elementů dle stávajícího stavu techniky je obvykle limitující nerovnoměrné rozložení dopantů dané procesem krystalizace.

Velikost optických, zejména laserových, elementů s požadovanými vlastnostmi kladenými na konkrétní opticky aktivní centra z takto vypěstovaných monokrystalů je dle současného stavu techniky limitována dvěma faktory:

1) celkové rozměry pěstovaných monokrystalů,

2) rozměr objemu splňující podmínku optické homogenity - koncentrační gradienty zásadně omezují použitelné části těchto monokrystalů, přičemž pro výrobu optického, zejména laserového elementu je zásadní výběr oblasti, která splňuje podmínku maximálního příčného rozdílu koncentrace gradientu dopantu ± 5 %.

Postup přípravy optických, zejména laserových, elementů a jejich geometrické uspořádání pro využití dle vynálezu umožňuje překročení těchto limitujících podmínek, souvisejících s existencí koncentračních gradientů opticky aktivních prvků (dopantů) a tím zásadním způsobem zvětšit jejich využitelnou plochu. Využitelná plocha aktivních optických elementů je jedním ze zásadních faktorů omezujících výkon optických zesilovačů, zejména výkonových laserových systémů.

Podstata vynálezu

Vynález se týká dvojice aktivních optických elementů s gradientem koncentrace opticky aktivních center, způsobu její přípravy a její využití pro výrobu materiálu s eliminovanou nehomogenitou pro přípravu velkoplošných optických elementů, způsobu jeho přípravy a dále zařízení aktivního optického prvku zejména optického zesilovače, absorbérů nebo detektoru využívajícího geometrické uspořádání této dvojice aktivních optických elementů.

Dvojice aktivních optických elementů ze shodného materiálu, které jsou vzájemně zrcadlově a/nebo rotačně symetrické geometrickým tvarem a rozložením gradientu koncentrace opticky aktivních center alespoň v ploše/objemu určené k odrazu/průchodu optického svazku.

Použití dvojice aktivních optických elementů dle vynálezu pro přípravu kompozitního materiálu s eliminovanou nehomogenitou gradientu koncentrace opticky aktivních center.

Použití dvojice aktivních optických elementů dle vynálezu jako aktivní optické prostředí v optickém prvku. Tímto prvkem může být libovolný aktivní optický prvek dle stavu techniky, například optický zesilovač, saturovatelný absorbér nebo optický detektor.

Příprava dvojice aktivních optických elementů podle vynálezu z výchozího materiálu, který obsahuje alespoň jednu oblast zrcadlově a/nebo rotačně symetrického gradientu koncentrace dopantů podle jedné osy a současně podél této osy probíhala změna gradientu koncentrace dopantu. Postup přípravy dále spočívá v tom, že:

1) výchozí materiál se ve směru osy symetrie koncentračního gradientu dopantu zkrátí na požadovanou délku a opatří se inspekčními čely.

2) v objemu materiálu se vyberou dvě zrcadlově symetrické části, které nevykazují optické defekty viděné prostým okem, ani za pomoci zkřížených poiarizátorů. Identifikují se tak vhodné oblasti vykazující dostatečnou optickou homogenitu.

3) minimálně třemi vzájemně rovnoběžnými řezy vedenými ve směru rovnoběžném se směrem osy symetrie, přičemž střední řez, respektive střední rovina 3 mezi středovými řezy reprezentuje geometrické místo zrcadlové a/nebo rotační symetrie materiálu a také samotné stře

-2CZ 306311 B6 dové řezy reprezentují geometrické místo zrcadlové a/nebo rotační symetrie, se zhotoví alespoň dva geometrické útvary splňující podmínku zrcadlové a/nebo rotační symetrie (obr. 1),

4) rozměry a povrch takto zhotovených geometrických útvarů se následně upraví v oboru běžně známými postupy do optické kvality dle jejich dalšího užití, přičemž i po opracování musí všechny útvary vykazovat vzájemnou symetrii vzhledem k normále ploch zrcadlové, respektive rotační symetrie.

Ve výhodném provedení se způsobem přípravy podle vynálezu připraví dvojice optických elementů z monokrystalu vyrobeného metodou krystalizace, která vykazuje jednosměrný postup krystalizace z taveniny nebo roztoku, který kromě krystalotvomých složek obsahuje další příměsi pro vytvoření opticky aktivních center. Takto připravený monokrystal vykazuje koncentrační gradient ve směru růstu tohoto monokrystalu. Osa symetrie je totožná s osou růstu monokrystalu.

Ve výhodném provedení se dvojice optických elementů připraví z monokrystalu, který je opticky izotropní (například YAG, LuAG apod.) nebo opticky jednoosý (například safír A1₂O₃ apod.), a který obsahuje opticky aktivní centra tvořená ionty vzácných zemin (například Nd, Ce, Pr, Tm a dalších) a/nebo přechodových kovů (například Cr, Ti, V a dalších) vykazující koncentrační gradient ve směru růstu krystalu.

Kompozitní homogenní materiál pro výrobu především velkoplošných optických elementů, zejména laserových slabů, jež je tvořen alespoň jednou dvojicí aktivních optických elementů s gradientem koncentrace opticky aktivních prvků dle vynálezu, přičemž jednotlivé prvky dvojice jsou vzájemně otočené o 180° dle společné osy kolmé na směr gradientu koncentrace opticky aktivních center a následně opticky spojené.

Takto připravený materiál lze s výhodou použít pro přípravu velkoplošných aktivních optických elementů, zejména laserových slabů, které jsou dále využity ve výkonových laserových systémech, kterým umožňují zásadní zvýšení dosažitelného výkonu. Kompozitní materiál lze opracovat technikami v oboru běžnými.

Způsob přípravy kompozitního homogenního materiál pro výrobu především velkoplošných optických elementů, zejména laserových slabů z alespoň jedné dvojice aktivních optických elementů s gradientem koncentrace opticky aktivních prvků spočívající v tom, že se jeden element z této dvojice otočí vůči druhému podél společné osy kolmé na směr gradientu koncentrace opticky aktivních center o 180° a následně se oba prvky dvojice opticky spojí postupy v oboru běžnými.

Aktivní optický prvek, zejména optický zesilovač, optický absorbér nebo detektor záření obsahuje alespoň jednu dvojici aktivních optických elementů dle vynálezu, které jsou geometricky uspořádány ve směru alespoň jednoho procházejícího optického svazku tak, aby součet hodnot gradientů koncentrace dopantů dosahoval ve směru procházejícího/odrážejícího se optického svazku ve všech místech příčného průřezu svazku hodnot odpovídajících toleranci na optickou homogenitu. Tato podmínka je splněna, pokud jsou elementy uspořádány v prostoru tak, že jsou vzájemně centrosymetrické (prosté a na) nebo zrcadlově převrácené.

Ve výhodném provedení aktivní optický prvek obsahuje alespoň jednu dvojici aktivních optických elementů dle vynálezu, přičemž prvky této dvojice jsou vzájemně rotačně otočené kolem normály plochy řezu tak, aby jejich koncentrační gradienty byly vzájemně protisměrné. V prostoru jsou uspořádány za sebou ve směru procházejícího optického svazku tak, že je zachováno umístění společné osy rotace obou elementů, tedy osy obou vzájemně rovnoběžných ploch jsou shodné a současně odpovídají ose rotace (obr. 2).

-3CZ 306311 B6

V jiném výhodném provedení obsahuje aktivní optický prvek alespoň jednu dvojici aktivních optických elementů, dle vynálezu, přičemž prvky dvojice jsou geometricky uspořádané v prostoru tak, že vzájemně svírají pravý úhel (obr. 3), přičemž jejich prostorové uspořádání současně splňuje podmínku převrácené zrcadlové symetrie obou prvků dvojice. Gradient koncentrace jednoho z disků směřuje k vrcholu pravého úhlu, druhý disk je orientován tak, aby gradient koncentrace směřoval směrem od vrcholu pravého úhlu. Takto uspořádané disky tvoří aktivní prostředí optického zesilovače, kdy mohou být s výhodou čerpány ze zadní strany. Procházející alespoň jeden optický svazek je orientován paralelně s geometrickou osou úhlu, který svírají oba elementy.

V jiném výhodném provedení aktivního optického prvku jsou prvky alespoň jedné dvojice aktivních optických elementů dle vynálezu v prostoru geometricky uspořádány tak, že normály vzájemně si odpovídajících ploch jsou vzájemně rovnoběžné a současně splňují podmínku centrosymetrické orientace gradientu koncentrace dopantu dle vynálezu. Alespoň jeden procházející optický svazek je orientován vůči alespoň jedné z ploch, jejichž normály jsou rovnoběžné, pod úhlem, který se pohybuje v intervalu od 22 do 75° vzhledem k normále každé z ploch (obr. 4 nebo obr. 5).

Speciálním provedením předchozího případu je, kdy alespoň jeden optický svazek procházející alespoň jednou dvojicí aktivních optických elementů uspořádanými tak, že normály vzájemně odpovídajících ploch jsou vzájemně rovnoběžné a současně splňují podmínku centrosymetrické orientace gradientu koncentrace dopantu dle vynálezu je orientován vůči alespoň jedné z ploch, jejichž normály směřují od sebe pod Brewsterovým úhlem a prochází tak postupně objemem alespoň jedné dvojice aktivních optických elementů (obr. 5).

Aktivní optický prvek obsahující libovolnou kombinaci geometrických uspořádání dvojic aktivních optických elementů dle vynálezu, které jsou popsány výše.

Aktivním optickým prvkem podle vynálezu může být saturovatelný absorber, velkoplošný a/nebo dlouhý detektor záření, nebo laserový zesilovač.

Objasnění výkresů

Vynález bude dále přiblížen pomocí výkresů, které znázorňují:

Obr. 1 představuje příklad vedení řezů pro přípravu dvojice aktivních optických elementů dle vynálezu v případě krystalu s centrální optickou nehomogenitou.

Obr. 2 představuje geometrické uspořádání zrcadlově symetrických desek dle příkladu 2.

Obr. 3 představuje geometrické uspořádání zrcadlově symetrických desek dle příkladu 4.

Obr. 4 představuje geometrické uspořádání zrcadlově symetrických desek a orientaci optického svazku dle příkladu 5.

Obr. 5 představuje geometrické uspořádání zrcadlově symetrických desek a orientaci optického svazku dle příkladu 6.

-4CZ 306311 B6

Příklady uskutečnění vynálezu

Příklad 1

Krystal YAG vypěstovaný metodou Czochralského o průměru 80 mm s kónickým (kuželovým) krystalizačním frontem o vrcholovém úhlu 120° byl vypěstován v orientaci <111> o celkové délce 150 mm. Jako opticky aktivní centra byl zvolen trojmocný iont neodymu (Nd³⁺), který je běžně užíván pro výrobu laserových materiálů. Po odřezání začátku a konce krystalu a naleštění ploch se vytvořil krystal s inspekčními čely 1 o délce 120 mm. Koncentrace dopantu ve vrchní části je 0,9 at% iontů Nd a v dolní části 1,04 at% iontů Nd. Průměrný koncentrační gradient 4 iontů Nd je 0,0117 at% na lem. Při optické inspekci je identifikována centrální nehomogenita ve tvaru rovnostranného trojúhelníku o straně 4 mm. Další optické nehomogenity, které zasahovaly radiálním směrem k centru krystalu do hloubky 5 mm, jsou zaznamenány na vnějších okrajích krystalu s inspekčními čely 1.

V případě obvyklého postupu výroby laserového elementu ve tvaru disku, při zachování podmínky stejné průměrné hodnoty iontů Nd, se musí vést radiální řez kolmo na osu růstu krystalu 2. Maximální průměr laserového disku je 33 mm, tj. celková plocha je 8,55 cm². Podle výběru části krystalu, ze které se laserový element vyrobí, se průměrná koncentrace Nd iontů může pohybovat mezi 0,93 až 1,00 at%.

Metodou podle vynálezu se vyrobí dva laserové elementy Dl a D2, které při vzájemném uspořádání v aktivním optickém prvku dle vynálezu splňují podmínku zachování průměrné koncentrace iontů Nd, tak, že se alespoň dvěma tětivovými řezy 3 vedenými mimo středovou šlíru vyříznou dvě zrcadlově symetrické desky (viz obr. 1). Tloušťka desky je variabilní dle požadavků. Při tloušťce desky 5mm bude délka vnější tětivy 65 mm.

Obě desky následně vzájemně otočíme o 180° podél normály řezných ploch řezů 3 a sesadíme je na sebe, tak, že obě protilehlé plochy tvoří optický kontakt. Metodou podle vynálezu jsme připravili kompozitní materiál, který vykazuje homogenní průměrnou koncentraci Nd iontů 0,97 at% v celé ploše. Z takto připraveného deskového kompozitního materiálu je možné následně zhotovit tři různé typy optických aktivních prvků, zejména laserových slabů:

1. Největší plochu má laserový element tvaru obdélníku o stranách 6,5 a 12 cm. Celková plocha je tedy 78 cm².

2. Laserový element kruhového tvaru o průměru 6,5 cm, jehož celková plocha bude 33,18 cm². V optimálním případě lze dále ze zbývající části deskového materiálu vyrobit další laserový element menších rozměrů, čímž se zásadním způsobem zvýší efektivní výtěžnost materiálu.

3. Laserový element čtvercového tvaru o straně 6,5 cm; celková plocha bude 42,25 cm². V optimálním případě lze dále ze zbývající části deskového materiálu vyrobit další laserový element menších rozměrů.

Ve všech případech jsou laserové elementy opracovány do finální podoby a kvality v oboru běžnými metodami.

Při srovnání dosažitelné velikosti plochy laserových elementů kruhového průřezu, vidíme, že užitím postupu podle vynálezu, při stejných velikostech vypěstovaného monokrystalu se využitelná plocha zvýší téměř 3,9 krát. V případě využití maximální velikosti plochy připravitelného laserového elementu je nárůst plochy 9,12 krát. Takto zhotovené disky Dl a D2 mají významnou úlohu pro konstrukci výkonnějších zesilovačů.

- 5 CZ 306311 B6

Příklad 2

Krystal CaF₂ vypěstovaný metodou podle Brídgmana s opticky aktivními centry tvořenými ionty Yb³⁺ válcového tvaru o průměru 150 mm a délkou 200 mm. Při optické inspekci nebyly identifikovány žádné růstové defekty. Díky rozdílné velikosti iontů yterbia a vápníku vykazuje vypěstovaný krystal koncentrační gradient 4 kolmý na krystalizační front. Ten je kolmý na rotační osu, která je identická s osou 2 růstu.

Tradiční metodou přípravy laserových elementů, při splnění akceptovatelné homogennosti rozložení opticky aktivních center zhotovovaných laserových slabů, může být dosaženo maximální velikosti průměru základního materiálu až 145 mm s tloušťkou do 20 mm. Z tohoto polotovaru lze následně připravit laserový element o celkové ploše od 105,1 cm² (čtvercový průřez) do 227,8 cm² (kruhový průřez).

Při použití metody dle vynálezu lze připravit laserový element vedením alespoň tří vzájemně rovnoběžných řezů 3 vedených rovnoběžně s osou 2 růstu krystalu a následným opracováním do optické kvality běžnými metodami. Celková dosažitelná plocha jednotlivého elementu je pak až 290 cm², což odpovídá 127% nárůstu dosažitelné velikosti aktivní plochy laserového elementu.

Pro využití dvojice aktivních optických elementů Dl a D2 v aktivním optickém prvku dle vynálezu otočíme vzájemně oba prvky dvojice vzájemně symetrických disků o 180° podél normály řezných ploch řezů 3 a zachováme umístění společné osy rotace obou ploch, tedy osy obou vzájemně rovnoběžných ploch jsou shodné a odpovídají ose rotace. (Obr. 2). Alespoň jeden optický svazek 5 pak vedeme paralelně s osou rotace, přičemž dochází k jeho zesilování při postupném průchodu oběma prvky dvojice.

Příklad 3

Monokrystal safíru s opticky aktivními centry iontů titanu vypěstovaný metodou HEM (Heat Exchange Method), válcového tvaru o průměru 250 mm a délce 400 mm. Vzhledem k použité technologii pěstování vytváří rotačně symetrický parabolický krystalizační front, který se na počátku a na konci krystalizace liší poloměrem proložené oskulační kružnice. Poloměr oskulační kružnice vzrůstá s postupem času, resp. s postupující krystalizací. V limitním případě přechází do nekonečna a oblouk kružnice tak přechází v přímku. Stejně tak i krystalizační front se postupně napřimuje s postupujícím růstem krystalu.

Rozdělovači koeficient iontů titanu je roven 0,04, čímž vzniká velmi silný koncentrační gradient 4 v lokálním směru růstu krystalu. Směr gradientu 4 se mění také díky změně tvaru krystalizačního frontu - směřuje vždy ve směru normály v každém místě.

Z tohoto důvodu je nutné, při použití tradičních metod výroby laserových elementů o požadovaných rozměrech a koncentraci, omezit se jen na velmi úzkou část vypěstovaného krystalu. Polotovar, na zhotovení laserového elementu, se musí vyříznout tak, aby rovina řezu 3 odpovídala tečně ke krystalizačnímu frontu v bodech reprezentující geometrické místo rotační symetrie pěstovaného kiystalu. Obvykle se využije maximálně 20 % objemu původní hmotnosti krystalu. Z takto vypěstovaného krystalu se může zhotovit laserový element kruhového tvaru o průměru až 230 mm a tloušťce maximálně 25 mm. Plocha vyrobitelného laserového elementu (až 415,50 cm²) je v tomto případě silně závislá na požadované tloušťce.

Metodou dle vynálezu je možné získat alespoň dva prvky Dl a D2 dvojice aktivních optických elementů obdélníkového tvaru o maximálních rozměrech 230 x 380 mm což odpovídá ploše 874,00 cm², při zachování průměrné koncentrace iontů titanu po celé ploše při geometrickém uspořádání dle vynálezu. Dvojici takto připravených aktivních optických elementů Dl a D2 lze

-6CZ 306311 B6 využít jak v aktivním optickém prvku (zejména laserovém zesilovači) dle vynálezu, tak pro výrobu kompozitního materiálu pro další výrobu zejména laserových slabů. Zvýšení velikosti plochy odpovídá dvojnásobku plochy dosažitelné současnými technickými prostředky.

Příklad 4

Z krystalu YAG, který byl vypěstován metodou CRIG s optickými aktivními centry neodymu byly podle vynálezu zhotoveny dva disky obdélníkového tvaru o rozměrech 80 mm x 100 x 10 10 mm. Disky Dl a D2 jsou geometricky uspořádány v prostoru tak, že vzájemně svírají pravý úhel (obr. 3), přičemž současně splňují podmínku převrácené zrcadlové symetrie. Gradient 4 koncentrace jednoho z disků Dl nebo D2 směřuje k vrcholu pravého úhlu, druhý disk je orientován tak, aby gradient 4 koncentrace směřoval směrem od vrcholu pravého úhlu. Takto uspořádané disky Dl a D2 tvoří aktivní prostředí optického zesilovače.

Oba disky Dl a D2 jsou ze zadní strany stejnoměrně čerpány IR diodami. Dopadající laserové svazky 5 jsou orientovány paralelně s geometrickou osou úhlu, který svírají oba disky Dl a D2. Svazek 5 tak postupně prochází oběma disky Dl a D2 a je možné měřit jeho výslednou energii. Postupným proměřením 80% plochy obou disků Dl a D2 se ukázalo, že bez ohledu na místo 20 dopadu, absolutní odchylky měřených hodnot energií pulzů, v závislosti na úrovni čerpání, nepřesáhly hodnotu 1,5 %.

Z těchto výsledků lze dovodit, že zesílení skenovacího pulzu po odrazech na obou discích Dl. a D2 je v rámci přesnosti měření shodné a proto průměrný součet koncentrací Nd iontů po prů25 chodu oběma disky Dl a D2 je shodné také a splňují tak podmínku dle vynálezu.

Příklad 5

Z krystalu YAG, který byl vypěstován metodou uvedenou v příkladu 4 s opticky aktivními centry iontů neodymu, byly podle vynálezu zhotoveny dva disky Dl a D2 obdélníkového tvaru o rozměrech 10 x 120 x 10 mm. Disky Dl a D2 jsou v prostoru geometricky uspořádány tak, že normály vzájemně odpovídajících plochou jsou vzájemně rovnoběžné a současně splňují podmínku centrosymetrické orientace gradientu 4 koncentrace dopantu dle vynálezu. Oba disky Dl a D2 jsou ekvivalentně čerpány.

Vstupní laserový svazek 5 dopadá na alespoň jednu z ploch, jejichž normály směřují k sobě, pod úhlem, který se pohybuje v intervalu od 22 do 75° vzhledem k normále každé z ploch, prochází/odráží se od prvního disku Dl směrem ke druhému disku D2, kde dochází ke druhému průcho40 du/odrazu (obr. 4). Také v tomto případě bylo proměřením energie v ploše laserového svazku 5 ověřeno, že k zesílení dochází rovnoměrně v celé jeho ploše.

Příklad 6

Dva disky Dl a D2 připravené metodou dle vynálezu z krystalu Nd:YAG jsou v prostoru geometricky uspořádány tak, aby normály odpovídajících si ploch byly vzájemně rovnoběžné a současně je splněna podmínka centrosymetrické orientace gradientu 4 koncentrace dopantu. Oba disky Dl a D2 jsou ekvivalentně čerpány.

Vstupní laserový svazek 5 dopadá pod Brewsterovým úhlem (pro laserové záření o λ=1,03μιτι nabývá B_w = arctg(l/n) = 61,151°, kde n je index lomu příslušného krystalu YAG pro tuto použitou vlnovou délku), na alespoň jednu z ploch, jejichž normály směřují opačnými směry (obr. 5). Při tomto uspořádání laserový svazek 5 prochází postupně oběma disky Dl a D2. Pro

-7 CZ 306311 B6 měřením energie v ploše laserového svazku 5 bylo ověřeno, že k zesílení dochází rovnoměrně v celé jeho ploše.

Průmyslová využitelnost

V praxi se obvykle využívá aktivní plocha do 80% celkové plochy optického elementu. Běžnými metodami lze připravit laserový element z monokrystalického materiálu o efektivní laserové ploše maximálně 32 cm². Přípravou a uspořádáním laserových elementů podle vynálezu lze dosáhnout dvoj až devítinásobného zesílení oproti stávajícímu technicko-technologickému stavu, což zásadním způsobem ovlivňuje dosažitelné výkony pevnolátkových laserů založených na monokrystalických aktivních prostředích.

Vynález lze použít při konstrukci aktivních optických prvků při návrhu a konstrukci vysokovýkonných pevnolátkových laserových systémů jaké se konstruují například v projektu ELlBeamlines, HiLASE a dalších možných laserových systémů pro další vědecké, průmyslové, medicinální případně dalších aplikací laserů v technice či technologii.

Claims

1. Dvojice aktivních optických elementů (Dl a D2), vyznačujících se tím, že oba elementy (Dl a D2) z dvojice vykazují gradient (4) koncentrace opticky aktivních center nad akceptovatelnou míru optické homogenity, jsou vzájemně zrcadlově a/nebo rotačně symetrické tvarem a současně rozložením gradientu (4) koncentrace opticky aktivních center alespoň v ploše a/nebo objemu určenému k odrazu a/nebo průchodu optického svazku (5).

2. Dvojice aktivních optických elementů (Dl a D2) podle nároku 1, vyznačující se tím, že se použije pro přípravu kompozitního materiálu s eliminovanou nehomogenitou koncentrace opticky aktivních center.

3. Dvojice aktivních optických elementů (Dl a D2) podle nároku 1, vyznačující se tím, že se použije jako pevnolátkové aktivní prostředí v optickém prvku určeném pro zesílení a/nebo detekci a/nebo řízení optického záření (5).

4. Způsob přípravy dvojice aktivních optických elementů (Dl a D2) podle nároku 1, vyznačující se tím, že se pro jejich výrobu použije výchozí materiál, který obsahuje alespoň jednu oblast zrcadlově a/nebo rotačně symetrického gradientu (4) koncentrace opticky aktivních center podle alespoň jedné osy (2) a současně podél této alespoň jedné osy (2) probíhá změna gradientu (4) koncentrace opticky aktivních center, přičemž následně příprava spočívá v tom, že výchozí materiál se ve směru osy (2) symetrie gradientu (4) koncentrace opticky aktivních center zkrátí na požadovanou délku a opatří se inspekčními čely (1), v objemu takto upraveného výchozího materiálu se vyberou dvě zrcadlově a/nebo rotačně symetrické části, které vykazují optickou homogenitu, alespoň třemi vzájemně rovnoběžnými řezy (3) vedenými ve směru rovnoběžném se směrem osy symetrie (2), přičemž střední řez, respektive střední rovina mezi středovými řezy (3) reprezentuje geometrické místo zrcadlové a/nebo rotační symetrie výchozího materiálu a také samotný středový řez, respektive středové řezy reprezentuje geometrické místo zrcadlové a/nebo rotační symet

-8CZ 306311 B6 rie, se zhotoví alespoň dva geometrické útvary splňující podmínku zrcadlové a/nebo rotační symetrie, přičemž rozměry a povrch takto zhotovených geometrických útvarů se následně upraví běžnými postupy při zachování podmínky vzájemné symetrie podle nároku 1.

5. Způsob přípravy dvojice aktivních optických elementů (Dl a D2) podle nároku 4, vyznačující se tím, že výchozím materiálem je monokrystal vyrobený metodou jednosměrného postupu krystalizace z taveniny nebo roztoku, vykazující koncentrační gradient (4) ve směru růstu tohoto monokrystalu.

6. Způsob přípravy dvojice aktivních optických elementů (Dl a D2) podle nároku 5, vyznačující se tím, že výchozím materiálem je monokrystal, který je opticky izotropní nebo opticky jednoosý, a který obsahuje opticky aktivní centra tvořená ionty vzácných zemin a/nebo přechodových kovů vykazující koncentrační gradient (4) alespoň ve směru růstu krystalu.

7. Kompozitní optický materiál, vyznačující se tím, že je tvořen alespoň jednou dvojicí aktivních optických elementů (Dl a D2) s gradientem (4) koncentrace opticky aktivních center podle nároku 1, přičemž jednotlivé elementy (Dl a D2) dvojice jsou vzájemně otočené o 180° dle společné osy kolmé na směr gradientu (4) koncentrace opticky aktivních center a následně opticky spojeny.

8. Kompozitní optický materiál podle nároku 7, vyznačující se tím, že se použije pro výrobu aktivních optických elementů (Dl a D2), zejména velkoplošných laserových slabů,

9. Způsob přípravy kompozitního optického materiálu podle nároku 7, vyznačující se tím, že se alespoň jeden z elementů (Dl nebo D2) alespoň jedné dvojice s gradientem (4) koncentrace opticky aktivních center podle nároku 1 otočí vůči druhému elementu (D2 nebo Dl) dvojice podél společné osy kolmé na směr gradientu (4) koncentrace opticky aktivních center o 180° a následně se oba elementy (Dl a D2) alespoň té jedné dvojice opticky spojí.

10. Aktivní optický prvek s pevnolátkovým aktivním prostředím, vyznačující se tím, že obsahuje alespoň jednu dvojici aktivních optických elementů (Dl a D2) podle nároku 1, které jsou geometricky uspořádány centro-symetricky, tj. zobrazeny prostě a na, nebo zrcadlově převráceně a současně součet hodnot gradientů (4) koncentrace opticky aktivních center této alespoň jedné dvojice aktivních optických elementů (Dl a D2) je ve směru procházejícího alespoň jednoho optického svazku (5) ve všech bodech příčného průřezu tohoto svazku (5) v intervalu optické homogenity.

11. Aktivní optický prvek podle nároku 10, vyznačující se tím, že elementy (Dl a D2) alespoň jedné dvojice podle nároku 1 jsou vzájemně rotačně otočené kolem normály vzájemně si odpovídajících ploch tak, že gradienty (4) koncentrace opticky aktivních center jsou vzájemně protisměrné a současně jsou v prostoru uspořádány ve směru procházejícího alespoň jednoho optického svazku (5) za sebou tak, že je zachováno umístění společné osy rotace obou prvků alespoň jedné dvojice aktivních optických elementů (Dl a D2) podle nároku 1.

12. Aktivní optický prvek podle nároku 10, vyznačující se tím, že elementy (Dl a D2) alespoň jedné dvojice podle nároku 1 jsou geometricky v prostoru uspořádané tak, že vzájemně svírají pravý úhel, přičemž procházející alespoň jeden optický svazek (5) je na svém vstupu do alespoň jedné dvojice takto geometricky uspořádaných elementů (Dl a D2) orientován paralelně s geometrickou osou úhlu, kterou tyto elementy (Dl a D2) svírají.

13. Aktivní optický prvek podle nároku 10, vyznačující se tím, že elementy (Dl a D2) alespoň jedné dvojice podle nároku 1 jsou geometricky v prostoru uspořádány tak, že normály vzájemně si odpovídajících ploch jsou vzájemně obecně rovnoběžné, přičemž alespoň jeden

-9CZ 306311 B6 procházející optický svazek (5) je orientován vůči alespoň jedné z ploch, jejichž normály jsou rovnoběžné pod úhlem, který se pohybuje v intervalu 22 až 75° vzhledem k normále každé z těchto ploch.

5

14. Aktivní optický prvek podle nároku 13, vyznačující se tím, že alespoň jeden procházející optický svazek (5) je orientován vůči alespoň jedné z ploch elementu (Dl nebo D2) alespoň jedné dvojice podle nároku 1, jejichž normály jsou rovnoběžné a směřují od sebe, pod Brewsterovým úhlem a prochází tak postupně objemem obou elementů (DI a D2) alespoň jedné dvojice.

15. Aktivní optický prvek podle některého z nároků 10 až 14, vyznačující se tím, že je součástí optického laserového zesilovače a/nebo saturovatelného absorbéru a/nebo detektoru záření.