RU2295184C2 - Solid-state laser - Google Patents

Solid-state laser Download PDF

Info

Publication number
RU2295184C2
RU2295184C2 RU2004117013/28A RU2004117013A RU2295184C2 RU 2295184 C2 RU2295184 C2 RU 2295184C2 RU 2004117013/28 A RU2004117013/28 A RU 2004117013/28A RU 2004117013 A RU2004117013 A RU 2004117013A RU 2295184 C2 RU2295184 C2 RU 2295184C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fiber
laser
solid
optic
active element
Prior art date
Application number
RU2004117013/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2004117013A (en
Inventor
ков Борис Тимофеевич Мещер (RU)
Борис Тимофеевич Мещеряков
Валерий Владимирович Крюков (RU)
Валерий Владимирович Крюков
Original Assignee
Борис Тимофеевич Мещеряков
Валерий Владимирович Крюков
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Борис Тимофеевич Мещеряков, Валерий Владимирович Крюков filed Critical Борис Тимофеевич Мещеряков
Priority to RU2004117013/28A priority Critical patent/RU2295184C2/en
Priority to PCT/RU2005/000308 priority patent/WO2005122347A1/en
Publication of RU2004117013A publication Critical patent/RU2004117013A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2295184C2 publication Critical patent/RU2295184C2/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06Construction or shape of active medium
    • H01S3/063Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/067Fibre lasers
    • H01S3/06708Constructional details of the fibre, e.g. compositions, cross-section, shape or tapering
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/14Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
    • H01S3/16Solid materials
    • H01S3/1601Solid materials characterised by an active (lasing) ion
    • H01S3/1603Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth
    • H01S3/1611Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth neodymium

Abstract

FIELD: quantum electronics; laser power installations, laser chemistry, laser medicine, metallurgy.
SUBSTANCE: proposed fully independent continuous-wave fiber-optic solid-state laser distinguished by steady characteristics has active element, resonator, and optical pump source. Active element is made in the form of fiber-optic element or stack of fiber-optic elements. Pump source is made of radio-luminescent material whose radio radiation is free from gamma-ray components. Pump source is disposed on each fiber-optic element throughout its entire length.
EFFECT: enhanced service life and generation power range of laser.
7 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к квантовой электронике, конкретнее к твердотельным лазерам с непрерывным излучением, и может быть использовано в энергетических лазерных установках, лазерной химии, лазерной медицине, металлургии и других лазерных технологических процессах на Земле и в космическом пространстве.The invention relates to quantum electronics, and more particularly to solid-state lasers with continuous radiation, and can be used in energy laser systems, laser chemistry, laser medicine, metallurgy and other laser technological processes on Earth and in outer space.

Известен лазер с солнечной накачкой (Патент РФ №1701082, H 01 S 3/09, 1994 г.), содержащий систему из двух софокусных вогнутых разноапертурных зеркал и активный элемент, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, в него введены вторая система из двух софокусных разноапертурных параболоцилиндрических зеркал и два крышеобразных возвратных отражателя, зеркала первой системы выполнены параболоцилиндрическими, в меньшем зеркале первой системы выполнена щель, параллельная фокальной линии системы с шириной, равной апертуре меньшего зеркала второй системы, апертура большего зеркала второй системы равна апертуре меньшего зеркала первой системы, фокальные линии обеих систем параллельны друг другу, меньшее зеркало второй системы оптически связано по ходу излучения накачки с ее большим зеркалом через расположенные последовательно два возвратных отражателя и щель в меньшем зеркале первой системы, а активный элемент расположен между указанными отражателями, при этом один из крышеобразных возвратных отражателей размещен между фокальной линией и большим зеркалом второй системы, при этом в ней выполнена продольная щель, параллельная фокальной линии второй системы с шириной, равной апертуре меньшего зеркала первой системы.A well-known solar-pumped laser (RF Patent No. 1701082, H 01 S 3/09, 1994) containing a system of two confocal concave multi-aperture mirrors and an active element, characterized in that, in order to increase the efficiency, a second system is introduced into it of two confocal different-aperture parabolic cylindrical mirrors and two roof-shaped return reflectors, the mirrors of the first system are made parabolic-cylindrical, in the smaller mirror of the first system there is a slit parallel to the focal line of the system with a width equal to the aperture of the smaller mirror of the second c themes, the aperture of the larger mirror of the second system is equal to the aperture of the smaller mirror of the first system, the focal lines of both systems are parallel to each other, the smaller mirror of the second system is optically connected along the pump radiation with its large mirror through two return reflectors arranged in series and the gap in the smaller mirror of the first system, and the active element is located between these reflectors, while one of the roof-shaped return reflectors is placed between the focal line and a large mirror of the second system, while formed therein a longitudinal slot parallel to the focal line of the second system with a width equal to the smaller aperture mirror of the first system.

Недостатком известного лазера является низкая эффективность накачки, поскольку спектр солнечного излучения близок к спектру теплового излучения черного тела, в котором интенсивность линий видимого диапазона везде одинаковая.A disadvantage of the known laser is the low pumping efficiency, since the spectrum of solar radiation is close to the spectrum of thermal radiation of a black body, in which the intensity of the lines of the visible range is the same everywhere.

Поэтому кроме линий, совпадающих с полосой поглощения активатора, вся остальная область солнечного спектра только нагревает матрицу активного элемента. Мощность накачки ограничена постоянством солнечной радиации, работа лазера полностью зависит от погоды, необходима постоянная переориентация лазера по Солнцу. Более эффективно лазер с солнечной накачкой работает в космосе и то периодически (в тени Земли не работает).Therefore, in addition to lines coinciding with the absorption band of the activator, the entire remaining region of the solar spectrum only heats the matrix of the active element. The pump power is limited by the constancy of solar radiation, the operation of the laser is completely dependent on the weather, a constant re-orientation of the laser along the Sun is necessary. More efficiently, a solar-pumped laser works in space even periodically (it does not work in the shadow of the Earth).

Известен лазер (Патент США 5313485, H 01 S 3/0915, 1994 г.), в котором для улучшения согласования спектров излучения накачки и поглощения активатора применяется спектральное преобразование света лампы в фотолюминесцентное свечение люминофора.A laser is known (US Patent 5,313,485, H 01 S 3/0915, 1994), in which spectral conversion of lamp light into a photoluminescent glow of a phosphor is used to improve the matching of the pump and absorption spectra of the activator.

Недостатком этого лазера является наличие лампы накачки, отсюда - низкий ресурс лазера, необходимость электропитания, размер активного элемента ограничен межэлектродным расстоянием лампы. Мощность генерации ограничен возможностями лампы накачки и потерями при спектральном преобразовании; лазер работает только в импульсном режиме на искусственных кристаллах.The disadvantage of this laser is the presence of a pump lamp, hence the low laser resource, the need for power, the size of the active element is limited by the interelectrode distance of the lamp. The generation power is limited by the capabilities of the pump lamp and losses during spectral conversion; the laser operates only in a pulsed mode on artificial crystals.

При ламповой накачке спектры согласованы слабо, к тому же сильное поглощение в матрице АИГ. Особенно вредно это в ультрафиолетовой области.Under vacuum pumping, the spectra are weakly matched, and besides, there is strong absorption in the AIG matrix. This is especially harmful in the ultraviolet region.

Известен непрерывный твердотельный лазер (Патенты Японии №57-177584, 57-177585, H 01 S 3/091, 1982 г.) с электролюминесцентной накачкой. На активный элемент из Nd:YAG (неодим - иттрий-алюминиевый гранат) нанесены электропроводящие пленки с выходными электродами. Между пленками размещен слой люминофора. Внутренняя пленка выполнена прозрачной, а внешняя - отражающей. Зеркала резонатора нанесены на торцы активного элемента.A continuous solid-state laser is known (Japanese Patents No. 57-177584, 57-177585, H 01 S 3/091, 1982) with electroluminescent pumping. An active element of Nd: YAG (neodymium - yttrium-aluminum garnet) is coated with conductive films with output electrodes. A layer of phosphor is placed between the films. The inner film is made transparent, and the outer one is reflective. The resonator mirrors are applied to the ends of the active element.

Недостатком лазера является необходимость электропитания, применение искусственного кристалла Nd:YAG и низкая мощность оптической накачки, которая ограничена тем, что на электроды нельзя подавать большую электрическую мощность из-за вероятности пробоя люминесцентного слоя. Свечение люминофора экранируется соседними слоями по толщине, поэтому на активный элемент эффективно работает только один внутренний слой. Неизбежны потери излучения накачки и в электропроводящей внутренней пленке.The disadvantage of the laser is the need for power supply, the use of an artificial Nd: YAG crystal and low optical pump power, which is limited by the fact that it is impossible to supply large electric power to the electrodes due to the probability of breakdown of the luminescent layer. The luminescence of the phosphor is shielded by adjacent layers in thickness, so only one inner layer effectively works on the active element. Inevitable loss of pump radiation in the electrically conductive inner film.

Наиболее близок по технической сущности к предлагаемому изобретению является непрерывный оптико-волоконный эрбиевый лазер ELD-15 производства НТО «ИРЭ-Полюс» (Россия, 141120, Московская область, г.Фрязино, пл.Введенского, д.1; т.526-90-83, ф.702-95-73). В лазерах серии ELD активным элементом является оптическое стекловолокно, легированное эрбием, а для накачки применяются лазерные диоды, работающие на длине волны 970 нм. Аналогичные физические принципы НТО «ИРЭ-Полюс» использует в мощных и сверхмощных (до 6 кВт) индустриальных неодимовых оптико-волоконных лазерах, которые на сегодня являются наиболее эффективными по преобразованию электрической энергии в оптическую.Closest to the technical nature of the present invention is a continuous fiber-optic erbium laser ELD-15 produced by NTO "IRE-Polyus" (Russia, 141120, Moscow region, Fryazino, Vvedensky square, 1; t.526-90 -83, F. 702-95-73). In the ELD series lasers, the active element is erbium-doped optical fiber, and laser diodes operating at a wavelength of 970 nm are used for pumping. The IRE-Polyus NTO uses similar physical principles in high-power and super-powerful (up to 6 kW) industrial neodymium fiber-optic lasers, which today are the most efficient in converting electrical energy into optical.

Однако все типы лазеров, разработанных НТО «ИРЭ-Полюс», так же, как и других производителей, не могут работать без электропитания. Даже при теоретически допустимом КПД 20%, о котором сообщается в рекламной информации этой фирмы, для 6-киловатной выходной мощности требуется не менее 30 кВт электрической мощности. Очевидно, что применение такого лазера ограничено возможностями получения большой электрической мощности для накачки и необходимостью отвода тепла от оставшихся 80% этой мощности. К недостаткам конструкции относится также и неизбежная при этом высокая расходимость луча, ограничивающая его дальность действия.However, all types of lasers developed by the NTE "IRE-Polyus", like other manufacturers, cannot work without power supply. Even with a theoretically acceptable efficiency of 20%, which is reported in the advertising information of this company, at least 30 kW of electric power is required for a 6-kilowatt output power. Obviously, the use of such a laser is limited by the possibility of obtaining large electric power for pumping and the need to remove heat from the remaining 80% of this power. The design flaws also include the inevitable high divergence of the beam, which limits its range.

Данное изобретение решает задачу создания непрерывного твердотельного полностью автономного лазера с большим ресурсом работы и широким диапазоном мощности генерации со стабильными характеристиками. Сущность изобретения заключается в том, что твердотельный оптико-волоконный лазер, содержит активный элемент, резонатор и источник оптической накачки, при этом источник накачки выполнен из радиолюминесцентного материала и размещен на каждом оптико-волоконном элементе по всей его длине.This invention solves the problem of creating a continuous solid state fully autonomous laser with a long service life and a wide range of lasing power with stable characteristics. The essence of the invention lies in the fact that a solid-state fiber-optic laser contains an active element, a resonator and an optical pump source, while the pump source is made of radioluminescent material and is placed on each fiber-optic element along its entire length.

Активный элемент лазера может быть выполнен из оптического волокна, легированного Nd3+. Кроме того, активный элемент может быть выполнен в виде пакета оптических волокон, собранных в жгут, бухту из этого жгута, а конечные участки оптико-волоконных элементов могут соприкасаться друг с другом.The active element of the laser can be made of optical fiber doped with Nd 3+ . In addition, the active element can be made in the form of a packet of optical fibers assembled into a bundle, a bay from this bundle, and the final sections of the fiber-optic elements can be in contact with each other.

Торцевые поверхности оптико-волоконных элементов покрыты светоотражающими интерференционными покрытиями, при этом светоотражающее покрытие на одной из торцевых поверхностей оптико-волоконных элементов выполнено с коэффициентом отражения 100%, а на другой с коэффициентом отражения 93-97%.The end surfaces of the optical fiber elements are coated with reflective interference coatings, while the reflective coating on one of the end surfaces of the optical fiber elements is made with a reflection coefficient of 100%, and on the other with a reflection coefficient of 93-97%.

Краткое описание чертежей.A brief description of the drawings.

Изобретение поясняется на примере предпочтительного варианта реализации заявляемого оптико-волоконного лазера.The invention is illustrated by the example of a preferred embodiment of the inventive fiber optic laser.

Фиг.1 - схема оптико-волоконного лазера.Figure 1 is a diagram of a fiber optic laser.

Фиг.2 - оптическое волокно в разрезе.Figure 2 is a sectional optical fiber.

Фиг.3 - схема оптико-волоконного лазера, собранного в виде пакета.Figure 3 is a diagram of an optical fiber laser assembled in a packet.

Фиг.4 - схема оптико-волоконного лазера, собранного в виде бухты.4 is a diagram of an optical fiber laser assembled in the form of a bay.

Фиг.5 - схема оптико-волоконного лазера с соприкасающимися конечными участками оптико-волоконными элементами.5 is a diagram of a fiber optic laser with adjacent end portions of the fiber optic elements.

Предлагаемый в данном изобретении источник накачки 1 практически не имеет размеров и не усложняет конструкцию, равномерно возбуждает активный элемент из стекловолокна 2 на всем его протяжении при любой длине, не требует электропитания и особого обслуживания, работает непрерывно с огромным и не имеющим аналогов ресурсом. Активный элемент 2 выполнен из оптического волокна, легированного Nd3+.The pump source 1 proposed in this invention is practically dimensionless and does not complicate the design, uniformly excites an active element of fiberglass 2 along its entire length at any length, does not require power supply and special maintenance, works continuously with a huge and unparalleled resource. Active element 2 is made of optical fiber doped with Nd 3+ .

Пакет оптико-волоконных элементов может быть изготовлен в виде жгута 3, который в свою очередь может быть собран, например, в виде бухты 4. На торцевые поверхности оптико-волоконных элементов нанесены интерференционные зеркала с коэффициентами отражения 100% 5 и 97% 6.The package of fiber-optic elements can be made in the form of a bundle 3, which in turn can be assembled, for example, in the form of a bay 4. Interference mirrors with reflection coefficients of 100% 5 and 97% 6 are applied to the end surfaces of the fiber-optic elements.

Плотно упакованные в оболочку волокна образуют жгут произвольной формы и длины. Количество волокон в жгуте и его длина прямо пропорционально определяют мощность генерации лазера. Для удобства в работе и надежности конструкции жгут укладывается в бухту и закрывается прочным внешним кожухом.Tightly packed fibers form a bundle of arbitrary shape and length. The number of fibers in the bundle and its length directly proportionally determine the laser power. For convenience in operation and reliability of the structure, the tourniquet is laid in a bay and closed with a durable outer casing.

Альфа/бета-радиолюминесцентное свечение, попадая через боковую поверхность внутрь световода, распространяется в нем по двум противоположным направлениям, отражаясь от границы раздела сред. При этом свет накачки возбуждает активаторы Nd3+ и возникает лавинообразный процесс усиления до появления стационарного состояния, при котором потери и усиление находятся в постоянном соотношении между собой. Как и в любом лазере, превышение усиления над потерями составляет величину мощности генерации.Alpha / beta-radioluminescent luminescence, falling through the side surface into the fiber, propagates in it in two opposite directions, reflected from the interface. In this case, the pump light excites Nd 3+ activators and an avalanche-like amplification process occurs until a stationary state appears, in which the losses and amplification are in a constant ratio to each other. As in any laser, the excess of gain over loss is the amount of lasing power.

Чтобы такая конструкция работала как лазерный излучатель, необходима положительная обратная связь в виде резонатора. Для этого все волокна у торца сплавляются в монолитную стеклянную массу, и оба торца полируются в плоскости, перпендикулярной оси каждого волокна. На одну из плоскостей наносится многослойное интерференционное зеркало со 100% коэффициентом отражения на длине волны 1,064 микрона. На вторую торцевую плоскость наносится просветляющее покрытие на эту же длину волны. Другое интерференционное зеркало резонатора наносится на стеклянную подложку отдельно. Это зеркало является выходным для луча генерации и имеет коэффициент отражения 93-97%. Зеркало перемещается в плоскости перпендикулярно выходящему лучу и позволяет включать и выключать лазер механически. Установка выходного зеркала в рабочее положение должна точно воспроизводить юстировку резонатора, чтобы не возникало дополнительных потерь из-за разъюстировки. Однако такое устройство в волоконно-оптическом лазере все равно малоэффективно. Это обусловлено тем, что свечение с торцов активного элемента (жгута) в каждом волокне происходит в виде рассеянных лучей с большим диапазоном углов на выходе, то есть в виде широкого конуса. Интерференционный эффект в зеркалах отражения имеет место только для параллельных лучей, падающих нормально к плоскости зеркала. Только при таком условии зеркала обеспечивают необходимый коэффициент отражения. Поэтому до подхода к торцам все зигзагообразные лучи в световоде должны быть выпрямлены, параллельны и нормальны к плоскостям зеркал. Это возможно достичь плавным, но значительным изменением коэффициента преломления по поперечному сечению волокна от боковой поверхности к центру. Причем у боковой поверхности коэффициент преломления должен быть больше, а в центре меньше. Само волокно при этом должно быть прямолинейным и жестким, не изгибаться на отрезке 50-80 сантиметров до торца. Тогда колебания проходящих по световоду лучей на этом участке постепенно затухают, лучи не доходят до боковой поверхности, а загибаются все ближе к центру и полностью выпрямляются, проходя по геометрической оси волокна.For such a design to work as a laser emitter, positive feedback in the form of a resonator is necessary. To do this, all the fibers at the end are fused into a monolithic glass mass, and both ends are polished in a plane perpendicular to the axis of each fiber. A multilayer interference mirror with a 100% reflection coefficient at a wavelength of 1.064 microns is applied to one of the planes. An antireflection coating is applied to the second end plane at the same wavelength. Another interference mirror of the resonator is applied to the glass substrate separately. This mirror is the output for the generation beam and has a reflection coefficient of 93-97%. The mirror moves in a plane perpendicular to the output beam and allows you to turn the laser on and off mechanically. The installation of the output mirror in the working position should accurately reproduce the alignment of the resonator, so that there are no additional losses due to misalignment. However, such a device in a fiber optic laser is still ineffective. This is due to the fact that the luminescence from the ends of the active element (bundle) in each fiber occurs in the form of scattered rays with a large range of angles at the exit, that is, in the form of a wide cone. The interference effect in reflection mirrors takes place only for parallel rays incident normally to the plane of the mirror. Only under such a condition mirrors provide the necessary reflection coefficient. Therefore, before approaching the ends, all zigzag beams in the fiber must be straightened, parallel and normal to the planes of the mirrors. This can be achieved by a smooth, but significant change in the refractive index over the cross section of the fiber from the side surface to the center. Moreover, the refractive index at the side surface should be greater, and less in the center. The fiber itself should be straightforward and rigid, not bent over a section of 50-80 centimeters to the end. Then the oscillations of the rays passing through the fiber in this section gradually damp, the rays do not reach the lateral surface, but bend closer to the center and completely straighten, passing along the geometric axis of the fiber.

Другим вариантом резонатора для лазера с гибким активным элементом может быть конструкция с одним выходным (93-97%) зеркалом, если оба конца жгута совместить в один общий жгут и отполировать его торец 7. Другого торца нет, потому что жгут изогнут и повернут назад к началу. Далее все также как в описанном выше варианте.Another embodiment of a resonator for a laser with a flexible active element may be a design with one output (93-97%) mirror, if both ends of the bundle are combined into one common bundle and polished its end 7. There is no other end because the bundle is bent and turned back to to the beginning. Further, everything is the same as in the embodiment described above.

Данное устройство представляет собой многокомпонентный лазер, то есть в одной конструкции скомпоновано множество лазеров, количество которых равно количеству волокон в жгуте. В зависимости от назначения такого лазера, можно по-разному использовать полученное на выходе излучение.This device is a multicomponent laser, that is, many lasers are arranged in one design, the number of which is equal to the number of fibers in the bundle. Depending on the purpose of such a laser, the radiation received at the output can be used in different ways.

Если установить собирающую линзу, то с точностью до аберраций все лучи соберутся в одну точку, за которой они снова разойдутся. Тогда в этой точке будет сосредоточена почти вся мощность генерации лазера, и его можно использовать для высокотемпературных воздействий на материалы (сварка, резка, закалка, гравировка и так далее).If you install a collecting lens, then, up to aberrations, all the rays will be collected at one point, beyond which they again disperse. Then at this point almost all the laser power will be concentrated, and it can be used for high-temperature effects on materials (welding, cutting, hardening, engraving, and so on).

Кроме того, можно все параллельные лучи свести в один луч малого диаметра с высокой плотностью мощности и минимальной расходимостью. Такой луч имеет более широкий диапазон применений (локация, связь, дальнометрия, хирургия, геодезические и маркшейдерские работы, строительные работы, лучевое оружие, передача энергии на расстоянии, метеорология, астрономия, навигация и многое другое). Чтобы все лучи свести в один на выходе лазера, необходимо применить оптический смеситель. Его принцип действия такой же, как и при выпрямлении зигзагообразного луча в световоде, то есть используется градиентный коэффициент преломления по поперечному сечению смесителя, который позволяет все лучи на входе свести на выходе в один прямолинейный с минимально возможным диаметром. Причем выходное зеркало резонатора может быть расположено на входном торце смесителя.In addition, all parallel beams can be reduced to a single beam of small diameter with high power density and minimal divergence. Such a beam has a wider range of applications (location, communications, long-range measurements, surgery, surveying and surveying, construction work, beam weapons, energy transmission from a distance, meteorology, astronomy, navigation, and much more). In order to reduce all the beams into one at the laser output, it is necessary to use an optical mixer. Its principle of operation is the same as when rectifying a zigzag beam in a fiber, that is, using a gradient refractive index over the cross section of the mixer, which allows all the input beams to be reduced at the output into one rectilinear with the smallest possible diameter. Moreover, the output mirror of the resonator can be located on the input end of the mixer.

В резонаторе такого лазера нет стоячей волны, вместо нее - бегущая. А потому нет эффекта «выгорания дырок» в объеме активного элемента, нет термической линзовости и термической разъюстировки, существует значительно более равномерный съем мощности по объему, дифракционные явления усреднены, модовая структура излучения в поперечном сечении на выходе также сильно усреднена по пространству и времени. Таким образом, имеет место высокоэффективная согласованная работа резонатора с активным элементом, позволяющая получить стабильное равномерное излучение.There is no standing wave in the cavity of such a laser; instead, a traveling wave. Therefore, there is no “burnout” effect in the volume of the active element, there is no thermal lensism and thermal misalignment, there is a much more uniform removal of power in volume, diffraction effects are averaged, the mode structure of the radiation in the output cross section is also strongly averaged in space and time. Thus, there is a highly efficient coordinated operation of the resonator with the active element, which allows to obtain stable uniform radiation.

Для снижения потерь при отражении лучей внутри световодного волокна из-за иммерсии на границе раздела сред стекло-радиолюминесцентная светящаяся краска (пудра, капсулы с газом), боковая поверхность волокна до нанесения краски покрывается прозрачной для света накачки тонкой пленкой с коэффициентом преломления значительно большим, чем в остальном объеме. Тогда вошедший в волокно свет накачки начинает испытывать световодный эффект, уже отражаясь от этой пленки, не доходя до границы раздела и не поглощаясь там.In order to reduce losses due to the reflection of rays inside the light guide fiber due to immersion at the interface of the glass, a radioluminescent luminous paint (powder, capsules with gas), the side surface of the fiber is coated with a thin film transparent to pumping light with a refractive index much larger than in the rest of the volume. Then the pumping light entering the fiber begins to experience the light guide effect, already being reflected from this film, not reaching the interface and not being absorbed there.

Относительно невысокая удельная мощность альфа/бета-радиолюминесцентного свечения накачки в предлагаемой конструкции компенсируется ее эффективным распределением по объему активного элемента. Как видно из описания конструкции, жгут из волокон пронизан свечением накачки снаружи и изнутри, тогда как в обычном твердотельном лазере активный элемент возбуждается только через боковую поверхность. Кроме того, достаточно высокое усиление света и большую мощность генерации позволяет получить недостижимая в других конструкциях огромная длина активного элемента с непрерывной по всей длине накачкой. И, наконец, весомым фактором повышения КПД лазера является эффективное спектральное согласование излучения накачки с поглощением активатора Nd3+.The relatively low specific power of the alpha / beta-radioluminescent glow of the pump in the proposed design is compensated by its effective distribution over the volume of the active element. As can be seen from the design description, the fiber bundle is penetrated by a pump glow from the outside and from the inside, while in an ordinary solid-state laser, the active element is excited only through the side surface. In addition, a sufficiently high light amplification and a large generation power makes it possible to obtain a huge length of the active element, which is unattainable in other designs, with continuous pumping over the entire length. And finally, a significant factor in increasing the laser efficiency is the effective spectral matching of the pump radiation with the absorption of the Nd 3+ activator.

Для этих целей подбирается люминофор с узким спектральным диапазоном излучения и максимально совпадающим с наиболее интенсивными линиями спектра поглощения Nd3+. В частности, это относится к трем основным линиям 810; 750 и 580 нанометров. Кроме узких диапазонов около этих линий свечения на всех других длинах волн быть не должно. Например, альфа/бета-радиолюминесцентная самосветящаяся краска, состоит из смеси трех компонентов: люминофор (источник оптического излучения для накачки активного элемента лазера), активатор (источник альфа/бета-излучения для возбуждения люминофора) и клеевой состав, который скрепляет компоненты и обладает хорошей адгезией к стекловолокну (типа SiO2).For these purposes, a phosphor is selected with a narrow spectral range of radiation and maximally coinciding with the most intense lines of the absorption spectrum of Nd 3+ . In particular, this applies to the three main lines 810; 750 and 580 nanometers. In addition to narrow ranges, these luminosity lines should not be at all other wavelengths. For example, alpha / beta-radioluminescent self-luminous paint consists of a mixture of three components: a phosphor (an optical radiation source for pumping an active laser element), an activator (an alpha / beta radiation source for exciting a phosphor) and an adhesive composition that holds components together and has good adhesion to fiberglass (type SiO 2 ).

В качестве люминофора, например, можно использовать легированные кристаллы сульфида кадмия (CdS), теллурида кадмия (CdTe) и селенида цинка (ZnSe). В статье В.П.Махний, Я.Н.Барасюк «Интегральный детектор ионизирующих излучений на основе гетероперехода сульфид-теллурид кадмия», опубликованной в «Письма в ЖТФ», 1997, том 23, стр.14, сообщается об эффективном применении их для индикации (обнаружения) ионизирующих излучений. Они обладают высоким энергетическим выходом, то есть сильным свечением под воздействием радиации, быстродействием и высокой прозрачностью для радиолюминесцентного излучения, стойкостью к воздействию влаги, температуры и радиации. Кроме того, спектры альфа-радиолюминесценции этих люминофоров имеют максимумы, почти совпадающие с двумя из трех основных линий в спектре поглощения неодима.As a phosphor, for example, doped crystals of cadmium sulfide (CdS), cadmium telluride (CdTe) and zinc selenide (ZnSe) can be used. The article by V. P. Makhniy, Ya. N. Barasyuk “Integrated ionizing radiation detector based on the cadmium sulfide-telluride heterojunction”, published in “Letters to the ZhTF”, 1997, volume 23, p. 14, reports on their effective use for indication (detection) of ionizing radiation. They have a high energy output, that is, a strong glow under the influence of radiation, speed and high transparency for radioluminescent radiation, resistance to moisture, temperature and radiation. In addition, the alpha-radioluminescence spectra of these phosphors have maxima that almost coincide with two of the three main lines in the absorption spectrum of neodymium.

Источниками альфа-излучения можно использовать устойчивые долгоживущие изотопы 238Pu, 239Pu, 241 Am или 244Cm. В этом качестве они предлагаются как продукция ЗАО «Ритверц» ФГУП НПО «Радиевый институт имени В.Г.Хлопина» (194021, Россия, г.Санкт-Петербург, 2-й Мичуринский пр., дом 28).Sources of alpha radiation can use the stable long-lived isotopes 238Pu, 239Pu, 241 Am or 244Cm. As such, they are offered as products of ZAO Ritverts FSUE NPO Radium Institute named after V.G. Khlopin (194021, Russia, St. Petersburg, 2nd Michurinsky Prospect, Building 28).

Как активатор, можно также использовать и другие материалы с подобными свойствами, например Тритий (ЗН), как источник бета-радиолюминесценции (http://www.gpi.ru: http: //betabatt.com: http://boysstuff.co.uk; http://uk.gizmodo.com; http://armytechnology.com).As an activator, you can also use other materials with similar properties, for example Tritium (ZN), as a source of beta-radioluminescence (http://www.gpi.ru: http: //betabatt.com: http://boysstuff.co .uk; http://uk.gizmodo.com; http://armytechnology.com).

В качестве активатора могут использоваться и отходы атомной промышленности, которые подлежат утилизации или хранятся в могильниках. Это должен быть предельно дешевый материал с особыми свойствами: период полураспада длительностью до сотни лет и более, а в его радиоизлучении должна отсутствовать гамма-составляющая, используются только альфа- и/или бета-излучения. Радиолюминесцентная (самосветящаяся) краска (или пудра) изначально проверяется на радиационную безопасность в соответствии с требованиями нормативных актов, регулирующих безопасность подобного рода материалов (стандарты, необходимая сертификация и т.д.). Люминофор не должен снижать яркости свечения в пределах времени периода полураспада активатора. Рабочая смесь должна быть максимально мелкодисперсной, чтобы при нанесении ее на поверхность волоконного световода толщина пленки составляла не более 0,1 миллиметра при хорошей адгезии к материалу световода (возможно также впаивание капсул с газом в поверхность световода). Все перечисленные требования не должны зависеть от воздействия температуры в диапазоне, как минимум, плюс-минус 50 градусов по Цельсию.Waste from the nuclear industry that can be disposed of or stored in repositories can also be used as an activator. This should be an extremely cheap material with special properties: a half-life of up to hundreds of years or more, and there should be no gamma component in its radio emission, only alpha and / or beta radiation should be used. Radioluminescent (self-luminous) paint (or powder) is initially checked for radiation safety in accordance with the requirements of regulatory acts regulating the safety of such materials (standards, necessary certification, etc.). The phosphor should not reduce the brightness of the glow within the half-life of the activator. The working mixture should be as finely dispersed so that when applied to the surface of the fiber, the film thickness should be no more than 0.1 millimeters with good adhesion to the material of the fiber (it is also possible to solder capsules with gas into the surface of the fiber). All of these requirements should not depend on the influence of temperature in the range of at least plus or minus 50 degrees Celsius.

Для первого экспериментального образца волоконно-оптического лазера можно использовать стеклянное волокно диаметром 0,2-0,3 мм. С активацией Nd3+ в 1 атомный %. Число волокон в жгуте не менее 10, длина жгута 100 метров. Дальнейшие подробные исследования принципов работы такого лазера и оптимизация его конструкции могут быть темой отдельной диссертации.For the first experimental sample of a fiber optic laser, glass fiber with a diameter of 0.2-0.3 mm can be used. With activation of Nd 3+ in 1 atomic%. The number of fibers in the bundle is at least 10, the length of the bundle is 100 meters. Further detailed studies of the principles of operation of such a laser and optimization of its design may be the subject of a separate dissertation.

Высокая надежность и стабильность генерации, огромный ресурс и полная автономность (отсутствие электропитания и водяного охлаждения), практически неограниченные (только размерами лазера) возможности повышения выходной мощности и ее плотности выгодно отличают предлагаемую конструкцию от существующих сегодня промышленных и военных лазеров в областях применений, себестоимости, квалификации и объемов обслуживания, эффективности и перспективы дальнейших разработок.High reliability and stability of generation, a huge resource and complete autonomy (lack of power supply and water cooling), almost unlimited (only by the size of the laser) possibilities of increasing the output power and its density distinguish the proposed design from the existing industrial and military lasers in the fields of applications, cost price, qualifications and volumes of service, efficiency and prospects for further developments.

Отсутствие электропитания для накачки делает лазер полностью независимым и автономным, что позволяет резко расширить области его применения.The lack of power for pumping makes the laser completely independent and autonomous, which can dramatically expand its field of application.

Промышленностью освоено производство люминофоров, излучение которых лежит в узких диапазонах и в совокупности перекрывает области спектра от ультрафиолетовой до инфракрасной. Поэтому можно выбрать в качестве источника оптической накачки такой радиолюминесцентный материал, спектральный максимум излучения которого совпадает, например, с основными линиями поглощения активатора Nd3+. Реально получить весьма эффективное согласование спектров излучения накачки и поглощения активатора, а в области поглощения матрицы потери свести к минимуму. Таким образом значительно повышается КПД оптической накачки.The industry has mastered the production of phosphors, the radiation of which lies in narrow ranges and collectively covers the spectral region from ultraviolet to infrared. Therefore, one can choose as a source of optical pumping such a radioluminescent material, the spectral emission maximum of which coincides, for example, with the main absorption lines of the Nd 3+ activator. It is realistically to obtain a very effective agreement between the pump and absorption spectra of the activator, and to minimize the losses in the absorption region of the matrix. Thus, the optical pump efficiency is significantly increased.

Температурный баланс, существующий при накачке твердотельного активного элемента радиолюминесцентным методом, выгодно отличается от известных технических решений. Здесь нет высокотемпературной плазмы, а спектр излучения накачки оптимально согласован с линиями поглощения активатора. Следовательно, внутренний и внешний нагрев активного элемента многократно меньше. Отпадает необходимость водяного охлаждения. Упрощается конструкция лазера, достигается полная его автономность.The temperature balance that exists when pumping a solid-state active element by the radioluminescent method compares favorably with known technical solutions. There is no high-temperature plasma, and the spectrum of the pump radiation is optimally matched with the absorption lines of the activator. Therefore, the internal and external heating of the active element is many times less. There is no need for water cooling. The laser design is simplified, its full autonomy is achieved.

Без водяного охлаждения небольшое количества тепла равномерно распределено по объему твердотельного активного элемента, поэтому в нем нет больших внутренних напряжений. Появляется возможность использовать стекло с Nd3+ для получения непрерывного режима генерации. Оптически чистая стеклянная матрица активного элемента значительно снижает вредные потери на поглощение. Стекло во много раз дешевле искусственно выращенных кристаллов АИГ. Активные элементы из стекловолокна можно изготавливать значительных размеров без ущерба качеству. В стекло более равномерно входит активатор Nd3+, есть возможность широко варьировать его концентрацию без потери качества матрицы.Without water cooling, a small amount of heat is evenly distributed over the volume of the solid-state active element, therefore, it does not have large internal stresses. It becomes possible to use glass with Nd 3+ to obtain a continuous generation mode. The optically pure glass matrix of the active element significantly reduces harmful absorption losses. Glass is many times cheaper than artificially grown AIG crystals. Fiberglass active elements can be made in large sizes without sacrificing quality. The activator Nd 3+ more evenly enters the glass, it is possible to widely vary its concentration without loss of matrix quality.

Для многих применений лазерного излучения решающим фактором является стабильность мощности генерации (связь, управление химическими реакциями и др.), которая, в основном, зависит от стабильности накачки. При ламповой накачке газоразрядная лампа не является стабильной по свечению из-за физического состояния плазмы разряда. Ситуация усугубляется турбулентностью потока охлаждения вдоль активного элемента, которая фактически приводит к шумовой модуляции потерь в резонаторе лазера из-за термической нестабильности активного элемента.For many applications of laser radiation, the decisive factor is the stability of the generation power (communication, control of chemical reactions, etc.), which mainly depends on the stability of the pump. During lamp pumping, a gas discharge lamp is not stable in luminosity due to the physical state of the discharge plasma. The situation is exacerbated by the turbulence of the cooling flow along the active element, which actually leads to noise modulation of losses in the laser cavity due to thermal instability of the active element.

При диодной накачке стабильность ее значительно выше, но и она полностью зависит от стабильности электропитания. Радиолюминесцентная накачка полностью свободна от этих недостатков и является идеально стабильной. Никакими другими методами превзойти такую стабильность невозможно. Очевидно, что область применения высокостабильных лазеров значительно шире.With diode pumping, its stability is much higher, but it also completely depends on the stability of the power supply. Radioluminescent pumping is completely free from these shortcomings and is ideally stable. No other methods can surpass such stability. Obviously, the field of application of highly stable lasers is much wider.

Поскольку активаторы имеют огромные сроки (сотни лет) периода полураспада, значит, существование самого факта радиолюминесценции и наличие энергии накачки равно этим же срокам. Недостижимый никакими другими способами ресурс такого источника накачки делает лазер практически вечным. В нем нет элементов, которые деградируют во времени.Since activators have huge half-lives (hundreds of years), it means that the very fact of radioluminescence and the presence of pump energy are equal to the same periods. Unreachable by any other means, the resource of such a pump source makes the laser almost eternal. There are no elements that degrade over time.

Высокая чистота и однородность стекла в волоконном световоде обеспечивают его высокую радиационную стойкость к воздействию активатора радиолюминесцентного люминофора. Более того, невосприимчивость стеклянной матрицы к радиации обусловлена составом радиации, поскольку в нем нет γ -составляющей, а β- и α-излучения имеют корпускулярный характер с очень малой проникающей способностью (например, α-излучение задерживает лист бумаги). К тому же радиолюминесцентные (самосветящиеся) краски, пудра, капсулы с газом, например, на основе отходов атомной промышленности выпускаются изначально радиационно-безопасными в соответствии с требованиями стандарта к такого рода материалам.The high purity and uniformity of the glass in the optical fiber provide its high radiation resistance to the effects of the activator of the radioluminescent phosphor. Moreover, the immunity of the glass matrix to radiation is due to the composition of radiation, since it does not have a γ component, and β and α radiation are corpuscular in nature with very low penetrating power (for example, α radiation delays a sheet of paper). In addition, radioluminescent (self-luminous) paints, powders, gas capsules, for example, based on nuclear waste, are initially radiation-safe in accordance with the requirements of the standard for such materials.

Таким образом, применение радиолюминесцентного световодного метода накачки позволяет создать устройство, которое не требует обслуживания полностью автономно и независимо, обладает огромным ресурсом и выдает непрерывное лазерное излучение.Thus, the use of the radioluminescent fiber-optic pumping method allows you to create a device that does not require maintenance completely autonomously and independently, has a huge resource and produces continuous laser radiation.

Claims (7)

1. Твердотельный оптико-волоконный лазер, содержащий активный элемент, резонатор и источник оптической накачки, отличающийся тем, что активный элемент выполнен из оптико-волоконного элемента или пакета оптико-волоконных элементов, источник накачки выполнен из радиолюминесцентного материала, в радиоизлучении которого отсутствует гамма-составляющая, и размещен на каждом оптико-волоконном элементе по всей его длине.1. A solid-state fiber-optic laser containing an active element, a resonator and an optical pump source, characterized in that the active element is made of an optical fiber element or a packet of optical fiber elements, the pump source is made of radio-luminescent material, in the radio emission of which there is no gamma component, and placed on each fiber optic element along its entire length. 2. Твердотельный оптико-волоконный лазер по п.1, отличающийся тем, что оптико-волоконные элементы легированы Nd3+.2. The solid-state optical fiber laser according to claim 1, characterized in that the optical fiber elements are doped with Nd 3+ . 3. Твердотельный лазер по п.1, отличающийся тем, что пакет оптико-волоконных элементов собран в виде жгута.3. The solid state laser according to claim 1, characterized in that the packet of fiber optic elements is assembled in the form of a bundle. 4. Твердотельный лазер по п.1, отличающийся тем, что пакет оптико-волоконных элементов собран, например, в виде бухты.4. The solid-state laser according to claim 1, characterized in that the packet of fiber optic elements is assembled, for example, in the form of a bay. 5. Твердотельный лазер по п.1, отличающийся тем, что конечные участки оптико-волоконных элементов соприкасаются друг с другом.5. The solid-state laser according to claim 1, characterized in that the final sections of the fiber-optic elements are in contact with each other. 6. Твердотельный лазер по п.1, отличающийся тем, что торцевые поверхности оптико-волоконных элементов покрыты светоотражающими интерференционными покрытиями.6. The solid state laser according to claim 1, characterized in that the end surfaces of the fiber optic elements are coated with reflective interference coatings. 7. Твердотельный лазер по п.7, отличающийся тем, что светоотражающее покрытие на одной из торцевых поверхностей оптико-волоконных элементов выполнено с коэффициентом отражения 100%, а на другой с коэффициентом отражения 93-97% на длине волны генерации.7. The solid-state laser according to claim 7, characterized in that the reflective coating on one of the end surfaces of the optical fiber elements is made with a reflection coefficient of 100%, and on the other with a reflection coefficient of 93-97% at the generation wavelength.
RU2004117013/28A 2004-06-07 2004-06-07 Solid-state laser RU2295184C2 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004117013/28A RU2295184C2 (en) 2004-06-07 2004-06-07 Solid-state laser
PCT/RU2005/000308 WO2005122347A1 (en) 2004-06-07 2005-06-06 Solid-state laser

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004117013/28A RU2295184C2 (en) 2004-06-07 2004-06-07 Solid-state laser

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2004117013A RU2004117013A (en) 2005-11-20
RU2295184C2 true RU2295184C2 (en) 2007-03-10

Family

ID=35503412

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2004117013/28A RU2295184C2 (en) 2004-06-07 2004-06-07 Solid-state laser

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2295184C2 (en)
WO (1) WO2005122347A1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2663971C1 (en) * 2017-11-14 2018-08-14 Валерий Владимирович Крюков Method of nuclear energy conversion (energy of radioactive decay and/or split) to electric energy and device for its implementation
RU2729064C1 (en) * 2019-11-14 2020-08-04 Валерий Владимирович Крюков Method of converting nuclear energy (energy of radioactive decay and/or fission) into optical energy and device for implementation thereof
RU2773109C1 (en) * 2021-06-03 2022-05-30 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва" Multifunctional fiber laser source of noise-like pulses

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4908832A (en) * 1985-05-01 1990-03-13 Spectra-Physics, Inc. High efficiency mode-matched solid-state laser with transverse pumping
SU1645922A1 (en) * 1988-05-04 1991-04-30 Предприятие П/Я Г-4367 Fibre-optical coupler
SU1669025A1 (en) * 1989-04-11 1991-08-07 Горьковский государственный университет им.Н.И.Лобачевского Single-frequency laser
RU2107976C1 (en) * 1996-04-11 1998-03-27 Акционерное общество закрытого типа "Технолазер" Method for generation of beam of multiple- channel laser
RU2158458C1 (en) * 2000-02-08 2000-10-27 Научный центр волоконной оптики при Институте общей физики РАН Raman fiber laser
RU2217850C2 (en) * 2001-08-24 2003-11-27 Военная академия Ракетных войск стратегического назначения им. Петра Великого Portable condensed explosive laser emitter
US6975791B2 (en) * 2002-07-25 2005-12-13 Ceramoptec Industries, Inc. Fiber laser pumping device

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
. *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2663971C1 (en) * 2017-11-14 2018-08-14 Валерий Владимирович Крюков Method of nuclear energy conversion (energy of radioactive decay and/or split) to electric energy and device for its implementation
RU2729064C1 (en) * 2019-11-14 2020-08-04 Валерий Владимирович Крюков Method of converting nuclear energy (energy of radioactive decay and/or fission) into optical energy and device for implementation thereof
RU2773109C1 (en) * 2021-06-03 2022-05-30 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва" Multifunctional fiber laser source of noise-like pulses

Also Published As

Publication number Publication date
WO2005122347A1 (en) 2005-12-22
RU2004117013A (en) 2005-11-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9127201B2 (en) Optical devices including resonant cavity structures
ES2648256T3 (en) Luminescent materials that emit light in the visible range or in a range close to that of infrared and their methods of formation
EP2471108B1 (en) Luminescent solar energy concentrator
EP2880721B1 (en) Energy conversion system
US20100236625A1 (en) Solar Modules Including Spectral Concentrators and Related Manufacturing Methods
US20100224248A1 (en) Solar Modules Including Spectral Concentrators and Related Manufacturing Methods
US8634444B2 (en) Self-contained random scattering laser devices
Mateen et al. Improvement in the performance of luminescent solar concentrator using array of cylindrical optical fibers
US20080273570A1 (en) Optically Pumped Waveguide Laser With a Tapered Waveguide Section
US9778447B2 (en) Luminescent solar concentrator
CN101409963B (en) Apparatus and method for generating ultraviolet light by electron beam pump crystal material
Kulish et al. Luminescent converter of solar light into electrical energy. Review
RU2295184C2 (en) Solid-state laser
RU2247451C1 (en) Solid state laser
Masuda et al. Light Management for Enhancing Optical Gain in a Solar‐Pumped Fiber Laser Employing a Solid‐State Luminescent Solar Concentrator
WO2011064311A2 (en) A luminescent solar concentrator device
JPS6141154B2 (en)
Johnson Solar pumping converts broadband sunlight into efficient laser light
Meyer et al. Ray racing techniques applied to the modelling of fluorescent solar collectors
US20230236349A1 (en) 3d concentrator
CN106990677B (en) A kind of speculum and exposure device
Kadhim et al. Flexible cascade luminescent solar concentrator for enhancing light harvesting in solar cells
CN117515470A (en) Wavelength conversion module and light-emitting device
AU2012278913B2 (en) A spectrally selective panel
Danil'chuk et al. Investigation of the efficiency of luminescence optical filters made of activated quartz glass in neodymium laser applications

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200608