RU165729U1

RU165729U1 - SOLID LASER BASED ON ORGANIC COMPOUNDS WITH LED PUMPING

Info

Publication number: RU165729U1
Application number: RU2015155379/28U
Authority: RU
Inventors: Евгений Николаевич Тельминов; Алексей Евгеньевич Тельминов; Татьяна Александровна Солодова; Елена Николаевна Никонова; Татьяна Николаевна Копылова
Priority date: 2015-12-24
Filing date: 2015-12-24
Publication date: 2016-11-10

Abstract

Твердотельный лазер на основе органических соединений со светодиодной накачкой, содержащий аксиконовый отражатель, резонатор, состоящий из полупрозрачного переднего выходного зеркала и заднего 100%-отражающего зеркала, твердотельный лазерный элемент на основе органических соединений и светодиодный источник накачки, отличающийся тем, что в качестве источника накачки выбраны светодиодные матрицы с длиной волны излучения, совпадающей с полосой поглощения используемого органического соединения, которые равномерно расположены на поверхности основания аксиконового отражателя и работают в импульсном режиме.A solid-state laser based on organic compounds with LED pumping, containing an axicon reflector, a resonator consisting of a translucent front output mirror and a rear 100% reflective mirror, a solid-state laser element based on organic compounds and an LED pump source, characterized in that as a pump source LED matrices with a wavelength of radiation matching the absorption band of the used organic compound, which are uniformly located on top of the base of the axicon reflector and operate in a pulsed mode.

Description

H01S 3/213H01S 3/213

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР НА ОСНОВЕ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ SOLID LASER BASED ON ORGANIC COMPOUNDS

СО СВЕТОДИОДНОЙ НАКАЧКОЙLED PUMPED

Полезная модель относится лазерным устройствам, на основе органических соединений, в частности к твердотельным лазерам. В таких лазерах применяются твердотельные оптические элементы, состоящие из матриц (как правило, из полимерного материала) допированных лазерно-активными органическими соединениями [1]. Стремительное развитие спектроскопических методов анализа веществ, применений лазеров в биологии, медицине и других областях науки и техники стимулировало внимание к лазерам на органических соединениях (красителях) поскольку, последние имеют уникальные характеристики по диапазону перестройки линии генерации (десятки нанометров при ширине линии генерации доли нанометра). Применение нескольких активных сред в лазерах на органических соединениях позволяет перекрыть весь видимый диапазон длин волн. Лазеры на основе органических соединений накачиваются световыми источниками, как правило, это другие лазеры или мощные газоразрядные лампы т.к. для накачки необходимы высокие плотности мощности и импульсный режим работы таких источников света, порядка десятков наносекунд. Также известны проблемы импульсного питания ламп накачки. Кроме того, газоразрядные лампы имеют широкий спектр излучения от УФ до ИК диапазона, при полосе поглощения активной среды порядка десятков нанометров. Поэтому эффективность лазеров с ламповой некогерентной накачкой заведомо ниже лазеров на красителях с когерентной лазерной накачкой. В настоящее время уже известно достаточно много лазерно-активных сред на сложных органических соединениях в твердотельных полимерных матрицах [2], которые накачиваются твердотельными импульсными лазерами, например YAG-Nd³⁺(2-ая гармоника). The utility model relates to laser devices based on organic compounds, in particular to solid-state lasers. In such lasers, solid-state optical elements are used, consisting of matrices (usually a polymer material) doped with laser-active organic compounds [1]. The rapid development of spectroscopic methods for the analysis of substances, the use of lasers in biology, medicine, and other fields of science and technology has stimulated attention to lasers based on organic compounds (dyes) because the latter have unique characteristics in the range of tuning of the generation line (tens of nanometers with a generation line width of a fraction of a nanometer) . The use of several active media in organic compound lasers allows you to cover the entire visible wavelength range. Organic compound lasers are pumped by light sources, as a rule, these are other lasers or high-power discharge lamps, because For pumping, high power densities and pulsed operation of such light sources, of the order of tens of nanoseconds, are required. Also known are the problems of switching power supply of the pump lamps. In addition, gas discharge lamps have a wide spectrum of radiation from UV to IR, with an active medium absorption band of the order of tens of nanometers. Therefore, the efficiency of incoherent-pumped lasers is notably lower than coherent laser-pumped dye lasers. At present, quite a lot of laser-active media on complex organic compounds in solid-state polymer matrices [2], which are pumped by solid-state pulsed lasers, for example, YAG-Nd ³⁺ (2nd harmonic), are already known.

В работе [3] предлагается накачивать лазерно-активную среду второй гармоникой YAG-Nd³⁺ лазера 532 нм в поперечной схеме с фокусировкой цилиндрической линзой. Активная среда состоит из твердотельной полиуретановой матрицы содержащей органическое соединение Родамин 6Ж. Однако, такой схеме свойственны следующие недостатки: неоднородность накачки по объему образца и как следствие появление неоднородностей в выходном излучении, неоднородный нагрев тела элемента и расстройка резонатора из-за влияния на сам процесс формирования генерации в нем. In [3], it was proposed to pump a laser-active medium with the second harmonic of a 532-nm YAG-Nd ³⁺ laser in a transverse pattern with a cylindrical lens focusing. The active medium consists of a solid-state polyurethane matrix containing the organic compound Rhodamine 6G. However, such a scheme is characterized by the following disadvantages: pump nonuniformity over the sample volume and, as a result, the appearance of inhomogeneities in the output radiation, inhomogeneous heating of the element body, and resonator detuning due to the influence of the generation generation in it.

В следующем изобретении [4] предлагается использовать для накачки две диодные линейки, расположенные с двух сторон твердотельного активного элемента. Такое расположение выбрано с целью улучшения равномерности накачки и последующей однородности выходного излучения. Однако при таком расположении накачивающих элементов боковые грани активного элемента не прокачиваются и кроме того через них может выходить не поглощенная часть излучения накачки, особенно в углах схождения граней.In the following invention [4] it is proposed to use two diode arrays located on both sides of the solid-state active element for pumping. This arrangement was chosen in order to improve the uniformity of the pump and the subsequent uniformity of the output radiation. However, with such an arrangement of the pumping elements, the lateral faces of the active element do not pump and, in addition, the unabsorbed part of the pump radiation can escape through them, especially at the angles of convergence of the faces.

Наиболее близким к заявляемой полезной модели является техническое решение в [5]. В работе предложена схема с использованием аксиконового отражателя. По оптической оси аксикона расположена кювета с активной средой (предлагается твердотельный YAG-Nd³⁺кристалл), накачка осуществляется от ксеноновой лампы вспышки, находящейся в параболическом отражателе. При таком решении происходит круговая накачка объема активного элемента, что улучшает равномерность поглощения излучения накачки и однородность выходного излучения.Closest to the claimed utility model is a technical solution in [5]. The paper proposes a scheme using an axicon reflector. A cell with an active medium is located along the optical axis of the axicon (a solid-state YAG-Nd ³⁺ crystal is proposed); pumping is carried out from a xenon flash lamp located in a parabolic reflector. With this solution, the volume of the active element is circularly pumped, which improves the uniformity of absorption of the pump radiation and the uniformity of the output radiation.

Недостатком такого устройства является применение для накачки широкополосного источника света, где только небольшая часть излучения накачки используется для создания инверсии населенности, а другая большая часть переходит в тепло. В связи с этим происходит дополнительный нагрев лазерной среды и как правило уменьшение ресурса работы лазерного элемента, кроме того возникают дополнительные неоднородности из-за неравномерного нагрева оптического элемента, которые приводят к расстройке резонатора и появлению неоднородностей в излучении генерации. Сам источник накачки устанавливается в параболический отражатель, предназначенный для формирования однородного потока излучения, пригодного для использования в аксиконовом отражателе с активным элементом. Причем установка такого источника накачки должна быть выполнена строго по оптической оси отражателя. Также существуют известные проблемы питанием газоразрядных ламп при наносекундных импульсных режимах.The disadvantage of this device is the use for pumping a broadband light source, where only a small part of the pump radiation is used to create an inversion of the population, and the other most part goes into heat. In this regard, additional heating of the laser medium occurs and, as a rule, a decrease in the operating life of the laser element, in addition, additional inhomogeneities arise due to uneven heating of the optical element, which lead to mismatch of the resonator and the appearance of inhomogeneities in the radiation of the generation. The pump source itself is installed in a parabolic reflector, designed to form a uniform radiation flux suitable for use in an axicon reflector with an active element. Moreover, the installation of such a pump source should be performed strictly along the optical axis of the reflector. There are also known problems with the power of discharge lamps in nanosecond pulsed modes.

Задачей настоящей полезной модели является упрощение системы накачки лазерно-активной среды лазера на основе органических соединений, увеличение ресурса работы лазера при сохранении высокой эффективности генерации и однородности выходного излучения.The objective of this utility model is to simplify the pumping system of a laser-active laser medium based on organic compounds, to increase the laser resource while maintaining high generation efficiency and output radiation uniformity.

В соответствии с поставленной задачей лазер содержит твердотельный лазерный элемент на основе органических соединений, аксиконовый отражатель, резонатор, состоящий из полупрозрачного переднего выходного зеркала и заднего 100% отражающего зеркала, и светодиодный источник накачки. В отличие от прототипа предлагаемом лазере в качестве источника накачки выбраны светодиодные матрицы с длиной волны излучения, совпадающей с полосой поглощения используемого органического соединения, которые равномерно расположены на поверхности основания аксиконового отражателя и работают в импульсном режиме.In accordance with the task, the laser contains a solid-state laser element based on organic compounds, an axicon reflector, a resonator consisting of a translucent front output mirror and a rear 100% reflective mirror, and an LED pump source. In contrast to the prototype of the proposed laser, LED matrices with a radiation wavelength that matches the absorption band of the used organic compound, which are uniformly located on the base surface of the axicon reflector and operate in a pulsed mode, are selected as the pump source.

Целесообразно подобрать типы светодиодных матриц так, чтобы длина волны их излучения по отношению к используемому лазерно-активному органическому соединению совпадала по полосе поглощения с лазерно-активным элементом. Кроме того, физические процессы создания инверсии в органических лазерно-активных средах требуют импульсного режима накачки.It is advisable to select the types of LED arrays so that the wavelength of their radiation with respect to the laser-active organic compound used coincides in the absorption band with the laser-active element. In addition, the physical processes of creating an inversion in organic laser-active media require a pulsed pump mode.

Установка светодиодных матриц равномерно на поверхности основания аксиконового отражателя целесообразна для обеспечения однородной равномерной накачки. В случае большой расходимости излучения светодиодных матриц поверхность аксикона может быть покрыта отражающим на длине волны накачки материалом. The installation of LED arrays evenly on the surface of the base of the axicon reflector is advisable to ensure uniform uniform pumping. In the case of a large divergence of the emission of LED matrices, the surface of the axicon can be coated with material reflecting at the pump wavelength.

Полезная модель поясняется чертежом. The utility model is illustrated in the drawing.

На фиг.1 показано устройство предлагаемого твердотельного лазера на основе органических соединений со светодиодной накачкой. Предлагаемый лазер содержит: 1 - лазерно-активное тело, 2 - аксиконовый отражатель, 3 - источник накачки (ряд равномерно расположенных светодиодных матриц), 4 - полупрозрачное выходное зеркало, 5 - заднее 100% отражающее зеркало.Figure 1 shows the device of the proposed solid-state laser based on organic compounds with LED pumping. The proposed laser contains: 1 - a laser-active body, 2 - an axicon reflector, 3 - a pump source (a series of evenly spaced LED arrays), 4 - a translucent output mirror, 5 - a rear 100% reflective mirror.

Концентрация органических соединений подбирается оптимальным образом под плотность мощности излучения накачки с учетом поглощения ее на всей протяженности оптического элемента. Длительность импульса накачки также оптимизируется по отношению к органическому соединению.The concentration of organic compounds is optimally selected for the power density of the pump radiation, taking into account its absorption over the entire length of the optical element. The duration of the pump pulse is also optimized with respect to the organic compound.

Предлагаемый твердотельный лазер на основе органических соединений со светодиодной накачкой работает следующим образом.The proposed solid-state laser based on organic compounds with LED pumping operates as follows.

Излучение накачки от светодиодных матриц, проходя через основание аксикона, отражается от боковой конусной поверхности, попадает на цилиндрический активный элемент. При этом излучение фокусируется на его поверхности и после поглощения создает в нем инверсию населенности.The pump radiation from the LED arrays, passing through the base of the axicon, is reflected from the lateral conical surface and falls on the cylindrical active element. In this case, the radiation is focused on its surface and after absorption creates an inversion of the population in it.

Светодиодные матрицы в отличие от прототипа имеют низковольтное питание (единицы вольт) и полосу излучения существенно более узкую (десятки нанометров) по сравнению с прототипом (сотни нанометров). LED matrices, unlike the prototype, have low-voltage power (units of volts) and the emission band is significantly narrower (tens of nanometers) compared to the prototype (hundreds of nanometers).

Если полоса излучения светодиодных матриц совпадает с полосой поглощения лазерно-активной среды, происходит селективное резонансное поглощение излучения накачки и тепловая энергия выделяется только за счет стоксовых потерь и, как следствие, отсутствует сильных нагрев активного элемента. В такой ситуации возникает значительно меньше неоднородностей в выходном излучении генерации, не происходит расстройки резонатора, а также повышается ресурс работа лазерно-активной среды. Резонатор образованный частично отражающим зеркалом и 100%-отражающим зеркалом формирует лазерное излучение, которое выходит через частично отражающее выходное зеркало.If the emission band of the LED matrices coincides with the absorption band of the laser-active medium, selective resonance absorption of the pump radiation occurs and thermal energy is released only due to Stokes losses and, as a result, there is no strong heating of the active element. In such a situation, there are significantly fewer inhomogeneities in the output radiation of the generation, there is no detuning of the resonator, and the life of the laser-active medium increases. A resonator formed by a partially reflective mirror and a 100% reflective mirror generates laser radiation that exits through the partially reflective output mirror.

Технический результат - в лазере упрощена система накачки лазерно-активной среды, увеличен ресурс работы лазера при сохранении высокой эффективности генерации и высокой однородности выходного излучения.EFFECT: laser system for pumping a laser-active medium is simplified, the laser life is increased while maintaining high generation efficiency and high uniformity of output radiation.

ЛитератураLiterature

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. Investigation of the characteristics of solid-state active media based on pyromethene 567 // Izvestiya Vysshikh Educational Institutions. PHYSICS. - 2012. - T. 55. - No. 10. - S. 32-37.

2. Costela A., Garcia-Moreno I., Sastre R. Polymeric solid-state dye lasers: Recent developments // Physical Chemistry Chemical Physics. - 2003. - Vol. 5. - P. 4745-4763.2. Costela A., Garcia-Moreno I., Sastre R. Polymeric solid-state dye lasers: Recent developments // Physical Chemistry Chemical Physics. - 2003. - Vol. 5. - P. 4745-4763.

3. Николаев С. В., Пожар В. В., Дзюбенко М. И. Лазерная генерация микросекундных импульсов на полиуретановых матрицах, активированных красителями //Квантовая электроника. - 2006. - Т. 36. - №. 8. - С. 758-762.3. Nikolaev S. V., Pozhar V. V., Dzyubenko M. I. Laser generation of microsecond pulses on dye-activated polyurethane matrices // Quantum Electronics. - 2006. - T. 36. - No. 8. - S. 758-762.

4. Патент № 94771 РФ МПК H01S3/08 Лазер с поперечной диодной накачкой / Безъязычная Т. В. (BY), Богданович М.В. (BY), Григорьев А. В. (BY), Кабанов В. В. (BY), Микаелян Г. Т. (RU), Паращук В. В. (BY), Рябцев А. Г. (BY), Рябцев Г. И. (BY), Соколов С. Н. (RU), Тепляшин Л. Л. (BY), Щемелев М. А.(BY); Патентообладатель: Государственное научное учреждение "Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси" (BY), Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "ИНЖЕКТ" (RU). - № 2009147739/22; заявл. 22.12.2009; опубл. 27.05.2010.4. Patent No. 94771 of the Russian Federation IPC H01S3 / 08 Laser with transverse diode pumping / Bezyazychnaya T. V. (BY), M. Bogdanovich (BY), Grigoryev A.V. (BY), Kabanov V.V. (BY), Mikaelyan G.T. (RU), Parashchuk V.V. (BY), Ryabtsev A.G. (BY), Ryabtsev G.I. (BY), Sokolov S.N. (RU), Teplyashin L. L. (BY), Schemelev M.A. (BY); Patent holder: State Scientific Institution "Institute of Physics named after B.I. Stepanov of the National Academy of Sciences of Belarus" (BY), Open Joint-Stock Company "Scientific and Production Enterprise" INJECT "(RU). - No. 2009147739/22; Declared December 22, 2009; published on May 27, 2010.

5. Schäfer F. P. On some properties of axicons // Applied Physics B. - 1986. - Т. 39. - №. 1. - С. 1-8.5. Schäfer F. P. On some properties of axicons // Applied Physics B. - 1986. - T. 39. - No. 1. - S. 1-8.

Claims

A solid-state laser based on organic compounds with LED pumping, containing an axicon reflector, a resonator consisting of a translucent front output mirror and a rear 100% reflective mirror, a solid-state laser element based on organic compounds and an LED pump source, characterized in that as a pump source LED matrices with a wavelength of radiation matching the absorption band of the used organic compound, which are uniformly located on top of the base of the axicon reflector and operate in a pulsed mode.