RU165706U1

RU165706U1 - A SOLID LASER BASED ON AXICON REFLECTOR

Info

Publication number: RU165706U1
Application number: RU2015155326/28U
Authority: RU
Inventors: Евгений Николаевич Тельминов; Татьяна Александровна Солодова; Елена Николаевна Никонова; Татьяна Николаевна Копылова
Priority date: 2015-12-23
Filing date: 2015-12-23
Publication date: 2016-10-27

Abstract

1. Твердотельный лазер на основе аксиконового отражателя, содержащий лазер накачки, аксиконовый отражатель, оптический твердотельный лазерный элемент, резонатор, состоящий из двух зеркал: переднего выходного и заднего 100% отражающего, отличающийся тем, что торец твердотельного лазерного элемента, обращенный к 100% отражающему зеркалу, выполнен наклонно под углом (90°-β) к оптической оси аксиконового отражателя таким образом, чтобы ось твердотельного лазерного элемента была совмещена с оптической осью 100% отражающего зеркала, причем упомянутый угол наклона связан с углом установки 100% отражающего зеркала через коэффициент преломления материала твердотельного лазерного элемента по формуле sinα/sinβ=n, где α - угол падения излучения генерации на торец твердотельного лазерного элемента; β - угол преломления излучения накачки в лазерном твердотельном элементе; n - коэффициент преломления материала твердотельного лазерного элемента относительно воздуха.2. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что цилиндрический твердотельный лазерный элемент расположен на оптической оси аксиконового отражателя.3. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что 100% отражающее зеркало смещено относительно оптической оси асиконового отражателя таким образом, что оно не перекрывает излучение лазера накачки, падающее на основание аксиконового отражателя.1. A solid-state laser based on an axicon reflector, comprising a pump laser, an axicon reflector, an optical solid-state laser element, a resonator consisting of two mirrors: a front output and a rear 100% reflective, characterized in that the end face of the solid-state laser element facing 100% reflective the mirror is made obliquely at an angle (90 ° -β) to the optical axis of the axicon reflector so that the axis of the solid-state laser element is aligned with the optical axis of 100% of the reflecting mirror, the angle of inclination is related to the installation angle of a 100% reflecting mirror through the refractive index of the material of the solid-state laser element according to the formula sinα / sinβ = n, where α is the angle of incidence of the emission of radiation on the end face of the solid-state laser element; β is the angle of refraction of the pump radiation in the laser solid-state element; n is the refractive index of the material of the solid-state laser element relative to air. 2. The laser according to claim 1, characterized in that the cylindrical solid-state laser element is located on the optical axis of the axicon reflector. 3. The laser according to claim 1, characterized in that the 100% reflecting mirror is offset relative to the optical axis of the asicon reflector in such a way that it does not block the pump laser radiation incident on the base of the axicon reflector.

Description

Полезная модель относится к лазерным устройствам, в частности к твердотельным лазерам, в том числе и на основе органических соединений. Последние интересны с точки зрения применения в них твердотельных оптических элементов, состоящих из матриц, допированных лазерно-активными органическими соединениями [1]. В настоящее время такие устройства находят широкое применение в различных областях науки и техники: биологии, медицине, оптической локации, спектроскопии и т.д. Однако этот тип лазеров отличается небольшими энергиями и мощностями излучения, т.к. при увеличении уровня накачки возрастает неоднородности возбуждения и уменьшается ресурс работы активной среды лазеров из-за фотохимической деструкции. При этом лазеры на красителях имеют превосходную эффективность и возможности перестройки длины волны генерации в широком диапазоне видимого спектра излучения, недоступные для других типов лазеров. Для расширения областей применения лазеров на красителях необходимо улучшать однородность выходного излучения и увеличивать ресурс работы активной среды при больших значениях эффективности.The utility model relates to laser devices, in particular to solid-state lasers, including those based on organic compounds. The latter are interesting from the point of view of using solid-state optical elements in them, consisting of matrices doped with laser-active organic compounds [1]. Currently, such devices are widely used in various fields of science and technology: biology, medicine, optical location, spectroscopy, etc. However, this type of lasers is characterized by low energies and radiation powers, because with an increase in the pump level, the inhomogeneities of the excitation increase and the life of the active medium of the lasers decreases due to photochemical destruction. In this case, dye lasers have excellent efficiency and the ability to tune the generation wavelength in a wide range of the visible radiation spectrum, inaccessible to other types of lasers. To expand the applications of dye lasers, it is necessary to improve the uniformity of the output radiation and increase the working life of the active medium at high efficiency values.

Аналогом предлагаемой полезной модели является лазер, описанный в [2]. В нем используется активный элемент цилиндрической формы в осветителе, выходное параметрическое зеркало, полностью отражающее излучение с длиной волны изучения активной среды и частично прозрачное зеркало для излучения сигнальной волны. Недостатком данной конструкции является применение сложных так называемых дихроичных зеркал, способных отражать и пропускать различные длины волн. An analogue of the proposed utility model is the laser described in [2]. It uses an active element of a cylindrical shape in the illuminator, an output parametric mirror, fully reflecting radiation with a wavelength of the study of the active medium, and a partially transparent mirror for emitting a signal wave. The disadvantage of this design is the use of complex so-called dichroic mirrors that can reflect and transmit various wavelengths.

В изобретении [3] предлагается использовать твердотельный активный элемент, выполненный в виде плоскопараллельной пластины из полимера, активированного красителем. Отражатели накачки выполнены в виде оптически согласованных между собой элементов, расположенных под некоторым углом к падению излучения накачки, которые отражают излучение на активный элемент по всей его длине. Недостатком данной конструкции является односторонняя накачка активного элемента, что приводит к неравномерности поглощения накачки и, в результате, к неоднородности распределения излучения генерации по поперечному сечению. In the invention [3], it is proposed to use a solid-state active element made in the form of a plane-parallel plate made of a dye-activated polymer. The pump reflectors are made in the form of optically matched elements located at an angle to the incidence of the pump radiation, which reflect the radiation to the active element along its entire length. The disadvantage of this design is the one-sided pumping of the active element, which leads to non-uniformity of the absorption of the pump and, as a result, to the heterogeneity of the distribution of the emission of radiation over the cross section.

Наиболее близким к заявляемой полезной модели является техническое решение, описанное в [4]. В описанном решении используются два зеркала, одно из которых имеет отверстие для прохождения излучения генерации на сложных органических соединениях, но само оно применяется для подачи излучения накачки на основание аксикона. Второе зеркало используется для отклонения излучения генерации лазера. Аксикон играет роль усилительной ячейки.Closest to the claimed utility model is the technical solution described in [4]. In the described solution, two mirrors are used, one of which has a hole for the passage of emission from complex organic compounds, but it is used to supply pump radiation to the axicon base. A second mirror is used to deflect the radiation from the laser generation. Axicon plays the role of an amplification cell.

Недостатком устройства является сложность конструкции зеркала накачки (изготовление отверстия в теле зеркала под углом), понижение эффективности из-за того, что излучение накачки частично теряется на отверстии, через которое проходит излучение генерации, причем в центральной части сечения пучка накачки, где оно, как правило, имеет большую интенсивность. Кроме того в данной конструкции лазерно-активная среда представляет собой раствор сложного органического соединения (красителя).The disadvantage of this device is the complexity of the design of the pump mirror (making an opening in the mirror body at an angle), a decrease in efficiency due to the fact that the pump radiation is partially lost at the hole through which the generation radiation passes, and in the central part of the pump beam cross section, where it usually has a lot of intensity. In addition, in this design, the laser-active medium is a solution of a complex organic compound (dye).

Целью настоящей полезной модели является разработка лазера с твердотельной активной средой на основе органических соединений с увеличением эффективности преобразования энергии, обеспечением равномерности накачки и однородности выходного излучения, при одновременном упрощении конструкции резонатора.The purpose of this utility model is to develop a laser with a solid-state active medium based on organic compounds with an increase in the energy conversion efficiency, ensuring uniform pumping and uniform output radiation, while simplifying the design of the resonator.

В соответствии с поставленной целью предлагаемый твердотельный лазер на основе аксиконового отражателя содержит лазер накачки, аксиконовый отражатель, оптический твердотельный лазерный элемент, резонатор, состоящий из двух зеркал: переднего выходного и заднего глухого 100% отражающего. Новым является то, что торец твердотельного лазерного элемента, обращенный к 100% отражающему зеркалу, выполнен наклонно под углом (90°-β) к оптической оси аксиконового отражателя таким образом, чтобы оптическая ось 100% отражающего зеркала была совмещена с осью твердотельного лазерного элемента, причем упомянутый угол наклона связан с углом установки 100% отражающего зеркала относительно через коэффициент преломления материала твердотельного лазерного элемента по формуле sinα/sinβ=n, где α - угол падения излучения генерации на торец твердотельного лазерного элемента; β - угол преломления излучения накачки в лазерном твердотельном элементе; n - коэффициент преломления материала твердотельного лазерного элемента относительно воздуха.In accordance with the goal, the proposed solid-state laser based on the axicon reflector contains a pump laser, axicon reflector, optical solid-state laser element, and a resonator consisting of two mirrors: front output and rear deaf 100% reflective. What is new is that the end face of the solid-state laser element facing the 100% reflecting mirror is made obliquely at an angle (90 ° -β) to the optical axis of the axicon reflector so that the optical axis of 100% of the reflecting mirror is aligned with the axis of the solid-state laser element, moreover, the said angle of inclination is associated with the installation angle of a 100% reflecting mirror relative to the refractive index of the material of the solid-state laser element according to the formula sinα / sinβ = n, where α is the angle of incidence of the emission of radiation on the solid-state end oh laser element; β is the angle of refraction of the pump radiation in the laser solid-state element; n is the refractive index of the material of the solid-state laser element relative to air.

Входная грань оптического твердотельного лазерного элемента (т.е. его торец) выполнена под углом β к оптической оси аксиконового отражателя, значение которого определяется в соответствии с законом преломления света

. Угол преломления β излучения накачки в лазерном элементе связан со значением показателя преломления конкретного материала твердотельного лазерного элемента соотношением

, где α - угол падения излучения генерации на торец твердотельного лазерного элемента; n - коэффициент преломления твердотельного лазерного элемента относительно воздуха.The input face of the optical solid-state laser element (i.e., its end face) is made at an angle β to the optical axis of the axicon reflector, the value of which is determined in accordance with the law of light refraction

. The angle of refraction β of the pump radiation in the laser element is related to the refractive index of a specific material of the solid-state laser element by the ratio

where α is the angle of incidence of the generation radiation at the end face of the solid-state laser element; n is the refractive index of the solid-state laser element relative to air.

Таким образом, лазер содержит наклонное 100% отражающее зеркало лазерного резонатора, нормаль которого, в соответствии с указанным выше условием, образует угол β с направлением излучения накачки. В качестве второго зеркала резонатора используется полированная торцевая выходная грань твердотельного лазерного элемента. Сам активный элемент может быть выполнен в виде цилиндра, размещенного внутри аксиконового отражателя.Thus, the laser contains an inclined 100% reflecting mirror of the laser resonator, whose normal, in accordance with the above condition, forms an angle β with the direction of the pump radiation. As a second resonator mirror, a polished end output face of a solid-state laser element is used. The active element itself can be made in the form of a cylinder placed inside an axicon reflector.

Ввиду отклонения оптической оси на угол β, который был определен из вышеописанных соображений, целесообразно сместить 100% отражающее зеркало и расположить его так, чтобы зеркало не перекрывало излучение накачки, падающее на основание аксикона. Полезная модель поясняется чертежами фиг. 1, фиг. 2. На Фиг. 1 показана блок-схема предлагаемого твердотельного лазера на основе аксиконового отражателя.Due to the deviation of the optical axis by the angle β, which was determined from the above considerations, it is advisable to move a 100% reflecting mirror and position it so that the mirror does not block the pump radiation incident on the axicon base. The utility model is illustrated by the drawings of FIG. 1, FIG. 2. In FIG. 1 shows a block diagram of a proposed solid-state laser based on an axicon reflector.

На Фиг. 2 показан ход лучей накачки и преломление излучения генерации в твердотельном лазерном элементе. Здесь ∠α - угол падения излучения от заднего глухого зеркала, ∠β - угол преломления, ∠β′ - угол наклона входной грани твердотельного элемента относительно основания аксикона (∠β≡∠β′), n - коэффициент преломления элемента относительно воздуха, Oo - оптическая ось аксикона, N - нормаль к поверхности входной грани.In FIG. Figure 2 shows the course of the pump rays and the refraction of the generation radiation in a solid-state laser element. Here, ∠α is the angle of incidence of radiation from the rear deaf mirror, ∠β is the angle of refraction, ∠β ′ is the angle of inclination of the input face of the solid element relative to the base of the axicon (∠β≡∠β ′), n is the refractive index of the element relative to air, Oo is the optical axis of the axicon, N is the normal to the surface of the input face.

Устройство содержит лазер накачки (1), на пути излучения которого последовательно установлены 100% отражающее зеркало (2), аксиконовый отражатель (3), содержащий активный твердотельный лазерный элемент (4).The device comprises a pump laser (1), a 100% reflecting mirror (2), an axicon reflector (3) containing an active solid-state laser element (4) are sequentially mounted on the radiation path of which.

На фиг. 2 показаны: ход лучей накачки на основание аксикона и на наклонную грань твердотельного лазерного элемента; угол среза входной грани лазерного элемента (β′), благодаря которому удается расположить 100% отражающее зеркало (2) вне зоны накачки лазера 1, Оо - оптическая ось аксикона, N - нормаль к входной грани твердотельного лазерного элемента 4.In FIG. 2 shows: the course of the pump rays to the axicon base and to the inclined face of the solid-state laser element; the cut-off angle of the input face of the laser element (β ′), thanks to which it is possible to place a 100% reflecting mirror (2) outside the laser pump zone 1, Oo is the optical axis of the axicon, N is the normal to the input face of the solid-state laser element 4.

В предпочтительном исполнении твердотельный лазерный элемент выполнен цилиндрическим и расположен вдоль оптической оси аксиконового отражателя.In a preferred embodiment, the solid-state laser element is cylindrical and is located along the optical axis of the axicon reflector.

В предпочтительном исполнении предлагаемого устройства диаметр канала в аксиконе и диаметр цилиндрического твердотельного лазерного элемента подбираются оптимальным образом под апертуру и мощность накачивающего излучения.In a preferred embodiment of the proposed device, the diameter of the channel in the axicon and the diameter of the cylindrical solid-state laser element are optimally selected for the aperture and power of the pumping radiation.

Предлагаемый твердотельный лазер на основе аксиконового отражателя работает следующим образом. Излучение лазера накачки 1 поступает на основание аксикона 3 и частично на входную грань активного твердотельного лазерного элемента 4. При распространении внутри аксикона 3 после полного внутреннего отражения от боковой конусной поверхности излучение фокусируется в объем активного твердотельного лазерного элемента 4, где после поглощения этого излучения создается инверсия населенности. При преодолении порога генерации излучение начинает формироваться в резонаторе, образованном полированной выходной гранью активного твердотельного элемента и 100% отражающим зеркалом. Благодаря тому, что входная грань активного твердотельного лазерного элемента выполнена под углом к его оптической оси и к оптической оси накачки, для излучения генерации, выходящего из активного элемента на пути к глухому зеркалу, произойдет отклонение луча на угол β согласно закону преломления sinα/sinβ=n. После отражения от глухого зеркала излучение генерации пойдет по обратному пути. Таким образом, за счет выполнения грани наклонной, 100% отражающее зеркало может быть смещено в сторону от главной оптической оси накачки и не перекрывает излучение накачки.The proposed solid-state laser based on the axicon reflector operates as follows. The radiation of the pump laser 1 enters the base of the axicon 3 and partially to the input face of the active solid-state laser element 4. When propagating inside the axicon 3 after total internal reflection from the lateral conical surface, the radiation focuses in the volume of the active solid-state laser element 4, where an inversion is created after absorption of this radiation population. Upon overcoming the generation threshold, radiation begins to form in the cavity formed by the polished output face of the active solid-state element and a 100% reflecting mirror. Due to the fact that the input face of the active solid-state laser element is made at an angle to its optical axis and to the optical axis of the pump, for radiation emitting from the active element on the way to a deaf mirror, the beam will be deflected by angle β according to the law of refraction sinα / sinβ = n After reflection from a deaf mirror, the generation radiation will go along the return path. Thus, by performing the oblique face, a 100% reflecting mirror can be shifted away from the main optical pump axis and does not overlap the pump radiation.

Предлагаемый твердотельный лазер на основе аксиконового отражателя позволяет преодолеть недостатки прототипа и, при простоте конструктивных элементов, получить излучение с увеличенной эффективностью преобразования энергии, улучшить равномерность накачки и однородность выходного излучения.The proposed solid-state laser based on an axicon reflector allows to overcome the disadvantages of the prototype and, with the simplicity of the structural elements, to obtain radiation with increased energy conversion efficiency, to improve the uniformity of the pump and the uniformity of the output radiation.

Литература.Literature.

1. Копылова Т.Н., Ануфрик С.С., Майер Г.В., Солодова Т.А., Тельминов Е.Н., Дегтяренко К.М. Исследование характеристик твердотельных активных сред на основе пиррометена 567 // Известия Высших Учебных Заведений. ФИЗИКА. - 2012. - Т. 55. - №10. - С. 32-37.1. Kopylova T.N., Anufrik S.S., Mayer G.V., Solodova T.A., Telminov E.N., Degtyarenko K.M. A study of the characteristics of solid-state active media based on pyromethene 567 // Bulletin of Higher Educational Institutions. PHYSICS. - 2012. - T. 55. - No. 10. - S. 32-37.

2. Патент РФ №2101817, МПК H01S 3/10, Импульсный твердотельный лазер с перестройкой длины волны излучения; опубл. 10.01.1998.2. RF patent No. 2101817, IPC H01S 3/10, Pulse solid-state laser with a tunable radiation wavelength; publ. 01/10/1998.

3. Патент РФ №2091941, МПК H01S 3/10, Твердотельный мини-лазер на красителе. Опубл. 27.09.1997.3. RF patent No. 2091941, IPC H01S 3/10, Solid-state mini dye laser. Publ. 09/27/1997.

4. Kuhnle G., Marowsky G., Reider G. A. Laser amplification using axicon reflectors //Applied optics. - 1988. - Т. 27. - №. 13. - С. 2666-2670.4. Kuhnle G., Marowsky G., Reider G. A. Laser amplification using axicon reflectors // Applied optics. - 1988. - T. 27. - No. 13. - S. 2666-2670.

Claims

1. A solid-state laser based on an axicon reflector, comprising a pump laser, an axicon reflector, an optical solid-state laser element, a resonator consisting of two mirrors: a front output and a rear 100% reflective, characterized in that the end face of the solid-state laser element facing 100% reflective the mirror is made obliquely at an angle (90 ° -β) to the optical axis of the axicon reflector so that the axis of the solid-state laser element is aligned with the optical axis of 100% of the reflecting mirror, the angle of inclination is related to the installation angle of a 100% reflecting mirror through the refractive index of the material of the solid-state laser element according to the formula sinα / sinβ = n, where α is the angle of incidence of the emission of radiation on the end face of the solid-state laser element; β is the angle of refraction of the pump radiation in the laser solid-state element; n is the refractive index of the material of the solid-state laser element relative to air.

2. The laser according to claim 1, characterized in that the cylindrical solid-state laser element is located on the optical axis of the axicon reflector.

3. The laser according to claim 1, characterized in that the 100% reflecting mirror is shifted relative to the optical axis of the asicon reflector in such a way that it does not block the pump laser radiation incident on the base of the axicon reflector.