RU2397586C2 - Pulsed solid-state laser - Google Patents

Pulsed solid-state laser Download PDF

Info

Publication number
RU2397586C2
RU2397586C2 RU2007139168/28A RU2007139168A RU2397586C2 RU 2397586 C2 RU2397586 C2 RU 2397586C2 RU 2007139168/28 A RU2007139168/28 A RU 2007139168/28A RU 2007139168 A RU2007139168 A RU 2007139168A RU 2397586 C2 RU2397586 C2 RU 2397586C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
state laser
laser
aig
pulsed solid
output mirror
Prior art date
Application number
RU2007139168/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2007139168A (en
Inventor
Денис Анатольевич Кузнецов (RU)
Денис Анатольевич Кузнецов
Елена Александровна Левчук (RU)
Елена Александровна Левчук
Андрей Гордеевич Охримчук (RU)
Андрей Гордеевич Охримчук
Александр Валентинович Шестаков (RU)
Александр Валентинович Шестаков
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственный центр "ЭЛС-94"
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 Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственный центр "ЭЛС-94" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственный центр "ЭЛС-94"
Priority to RU2007139168/28A priority Critical patent/RU2397586C2/en
Publication of RU2007139168A publication Critical patent/RU2007139168A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2397586C2 publication Critical patent/RU2397586C2/en

Links

Landscapes

  • Lasers (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: pulsed solid-state laser has a pumping source and a microchip element inside the resonator consisting of diffusion welded YAG:Nd3+ and YAG:Cr4+ crystals, in which the output mirror of the resonator is formed by a dielectric coating on a substrate made from a birefringent crystal whose principal crystallographic axis lies in the plane of the reflecting surface of the output mirror.
EFFECT: design of a pulsed solid-state laser based on a microchip element which generates linearly polarised radiation with sub-nanosecond pulse duration and a fixed polarisation plane.
1 dwg

Description

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к импульсным твердотельным лазерам.The invention relates to laser technology, in particular to pulsed solid-state lasers.

Ряд современных импульсных твердотельных лазеров [1], [2] на основе кристалла АИГ:Nd3+, решающих различные задачи из областей нелинейной оптики, микрохирургии, оптической локации, обработки материалов и т.д., используют пассивную модуляцию добротности резонатора фототропным затвором одновременно с внутрирезонаторным нелинейным преобразованием длины волны излучения, что позволяет получать лазерные импульсы с требуемой длиной волны и длительностью несколько наносекунд за счет малой длины резонатора. Но в связи с постоянным ростом требований к точности и импульсной мощности лазерных систем, необходима длительность импульса менее 1 нс. Однако в лазерах с внутрирезонаторным преобразованием длины волны внутри резонатора кроме активной среды и фототропного затвора должен также располагаться нелинейный элемент, из-за чего минимально возможная длина резонатора равна нескольким сантиметрам, а это определяет предельно малую длительность импульса более 1 нс.A number of modern pulsed solid-state lasers [1], [2] based on an AIG: Nd 3+ crystal, which solve various problems from the fields of nonlinear optics, microsurgery, optical location, material processing, etc., use passive Q-switching of the cavity with a phototropic shutter simultaneously with intracavity nonlinear conversion of the radiation wavelength, which makes it possible to obtain laser pulses with the required wavelength and duration of several nanoseconds due to the small cavity length. But due to the constantly growing requirements for accuracy and pulsed power of laser systems, a pulse duration of less than 1 ns is required. However, in lasers with intracavity wavelength conversion, a nonlinear element must also be located inside the resonator, in addition to the active medium and the phototropic shutter, due to which the minimum possible cavity length is several centimeters, and this determines the extremely short pulse duration of more than 1 ns.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является импульсный твердотельный лазер [3] с длиной волны генерации 1064 нм, включающий активную среду из кристалла АИГ:Nd3+, соединенного с пассивным затвором из кристалла АИГ:Cr4+ высокотемпературной диффузионной сваркой в монолитный микрочип-элемент. Ориентация пассивного затвора такова, что направление кристаллографической оси [100] кристалла АИГ:Cr4+ совпадает с направлением распространения излучения. Резонатор образован диэлектрическими отражающими покрытиями, нанесенными на торцы микрочип-элемента АИГ:Nd3+/АИГ:Cr4+. Плотная упаковка активной среды, пассивного затвора и зеркал резонатора позволяет уменьшить длину резонатора до нескольких миллиметров и получить длительность лазерного импульса от ста до тысячи пикосекунд, что при энергии импульса порядка 1 мДж соответствует импульсной мощности от одного до десяти мегаватт. При такой длительности и пиковой мощности лазерного излучения возможен, в частности, отказ от внутрирезонаторного преобразования длины волны в пользу высокоэффективного внерезонаторного преобразования. Полученные таким образом энергия и длительность лазерного импульса, кроме прочих возможных применений, оптимальны для создания оптического локатора дальнего действия с разрешающей способностью порядка 10 см.The closest in technical essence to the present invention is a pulsed solid-state laser [3] with a generation wavelength of 1064 nm, including an active medium from an AIG: Nd 3+ crystal connected to a passive gate from an AIG: Cr 4+ crystal by high-temperature diffusion welding into a monolithic microchip -element. The orientation of the passive shutter is such that the direction of the crystallographic axis [100] of the AIG: Cr 4+ crystal coincides with the direction of radiation propagation. The resonator is formed by dielectric reflective coatings deposited on the ends of the microchip element AIG: Nd 3+ / AIG: Cr 4+ . The dense packing of the active medium, the passive shutter, and the resonator mirrors makes it possible to reduce the cavity length to several millimeters and obtain a laser pulse duration of one hundred to one thousand picoseconds, which at a pulse energy of the order of 1 mJ corresponds to a pulse power of one to ten megawatts. With such a duration and peak power of laser radiation, in particular, the rejection of the intracavity wavelength conversion in favor of a highly efficient non-resonant conversion is possible. The energy and duration of the laser pulse thus obtained, among other possible applications, are optimal for creating a long-range optical locator with a resolution of about 10 cm.

Но из-за отсутствия у такого лазера в резонаторе каких-либо анизотропных элементов кроме кристалла АИГ:Cr4+ поляризация выходного излучения определяется внутренней структурой этого кристалла и может иметь одно из двух различных направлений, совпадающих с кристаллографическими осями [010] и [001] АИГ:Cr4+. В силу специфики расположения ионов Cr4+ в кристаллической решетке АИГ, вероятность генерации излучения, поляризованного по направлению любой из этих осей, одинакова и равна, соответственно, 50% [4]. Следовательно, выходная поляризация данного лазера может неконтролируемым образом скачкообразно изменяться от импульса к импульсу между этими двумя ортогональными направлениями. Для большинства практических применений, требующих строго определенной линейной поляризации лазерного излучения, это недопустимо.But due to the absence of any anisotropic elements in the cavity of such a laser, in addition to an AIG: Cr 4+ crystal, the polarization of the output radiation is determined by the internal structure of this crystal and can have one of two different directions coinciding with the crystallographic axes [010] and [001] AIH: Cr 4+ . Due to the specific location of Cr 4+ ions in the AIG crystal lattice, the probability of generation of radiation polarized in the direction of any of these axes is the same and equal to 50%, respectively [4]. Consequently, the output polarization of a given laser can change in an uncontrolled manner from one pulse to another between these two orthogonal directions. For most practical applications requiring a strictly defined linear polarization of laser radiation, this is unacceptable.

Задачей настоящего изобретения является создание импульсного твердотельного лазера на основе микрочип-элемента АИГ:Nd3+/АИГ:Cr4+, генерирующего линейно поляризованное излучение с субнаносекундной длительностью импульса и неизменной плоскостью поляризации.The objective of the present invention is to provide a pulsed solid-state laser based on the microchip element AIG: Nd 3+ / AIG: Cr 4+ , generating linearly polarized radiation with a subnanosecond pulse duration and an invariable plane of polarization.

Поставленная задача решается за счет того, что в импульсном твердотельном лазере, включающем источник накачки и расположенный внутри резонатора микрочип-элемент, состоящий из соединенных диффузионной сваркой кристаллов АИГ:Nd3+ и АИГ:Cr4+, выходное зеркало резонатора образовано диэлектрическим покрытием, нанесенным на подложку из двулучепреломляющего кристалла, главная кристаллографическая ось которого лежит в плоскости отражающей поверхности выходного зеркала.The problem is solved due to the fact that in a pulsed solid-state laser, including a pump source and a microchip element located inside the cavity, consisting of AIG: Nd 3+ and AIG: Cr 4+ crystals connected by diffusion welding, the output mirror of the resonator is formed by a dielectric coating deposited on a substrate of a birefringent crystal, the main crystallographic axis of which lies in the plane of the reflecting surface of the output mirror.

На чертеже представлена принципиальная схема предлагаемого устройства.The drawing shows a schematic diagram of the proposed device.

Источник накачки 1 осуществляет торцевую накачку лазера сквозь глухое зеркало 2, представляющее собой диэлектрическое покрытие, отражающее излучение лазерной генерации и пропускающее излучение накачки, нанесенное на торец активного кристалла 3, соединенного диффузионной сваркой с пассивным затвором 4. Выходное зеркало 5 образовано диэлектрическим покрытием, нанесенным на двулучепреломляющую подложку 6, главная кристаллографическая ось которой лежит в плоскости отражающей поверхности выходного зеркала.The pump source 1 carries out the end pumping of the laser through a blind mirror 2, which is a dielectric coating that reflects laser radiation and transmits pump radiation deposited on the end face of the active crystal 3 connected by diffusion welding with a passive shutter 4. The output mirror 5 is formed by a dielectric coating deposited on birefringent substrate 6, the main crystallographic axis of which lies in the plane of the reflective surface of the output mirror.

Предлагаемый лазер работает следующим образом:The proposed laser operates as follows:

Источник накачки 1 создает инверсную населенность в активном кристалле 3. Когда из-за спонтанного излучения в инверсно населенной активной среде просветляется пассивный затвор 4, между зеркалами 2 и 5 резонатора начинается развитие лазерного импульса. Коэффициент отражения диэлектрического выходного зеркала 5 на двулучепреломляющей подложке 6 зависит от угла между плоскостью поляризации излучения и главной кристаллографической осью кристалла, из которого сделана подложка. А именно, он минимален (максимален, в зависимости от толщины и величин показателей преломления слоев диэлектрического покрытия) для излучения, вектор напряженности электрического поля которого параллелен главной кристаллографической оси, и максимален (минимален) для ортогонального вектора напряженности. Максимально отражаемые поперечные моды резонатора имеют минимальный порог генерации и начинают раньше развиваться в активной среде, а все прочие моды оказываются подавленными. Таким образом происходит селекция поперечных мод по направлению плоскости поляризации, то есть лазер генерирует импульсы выходного излучения с одинаковым направлением вектора напряженности электрического поля. Субнаносекундная длительность лазерного импульса при этом сохраняется, поскольку двулучепреломляющая подложка 6 располагается за пределами резонатора 2, 5 и не увеличивает его длину.The pump source 1 creates an inverse population in the active crystal 3. When a passive shutter 4 is illuminated due to spontaneous emission in an invertedly populated active medium, the development of a laser pulse begins between the mirrors 2 and 5. The reflection coefficient of the dielectric output mirror 5 on the birefringent substrate 6 depends on the angle between the plane of polarization of the radiation and the main crystallographic axis of the crystal from which the substrate is made. Namely, it is minimal (maximum, depending on the thickness and refractive indices of the layers of the dielectric coating) for radiation whose electric field vector is parallel to the main crystallographic axis, and maximum (minimum) for the orthogonal intensity vector. The maximum reflected transverse resonator modes have a minimum generation threshold and begin to develop earlier in the active medium, and all other modes are suppressed. Thus, the selection of transverse modes in the direction of the plane of polarization occurs, that is, the laser generates pulses of output radiation with the same direction of the electric field vector. The subnanosecond laser pulse duration is preserved, since the birefringent substrate 6 is located outside the resonator 2, 5 and does not increase its length.

При изготовлении макетного образца были проведены расчеты, которые показывают, что для получения наибольшей возможной разницы (3-4%) между коэффициентами отражения для обыкновенной и необыкновенной поляризации излучения на длине волны 1064 нм необходимо использовать двулучепреломляющий материал подложки со значениями показателей преломления no и ne в диапазоне 1.4…1.7. В таблице приведены коэффициенты отражения обыкновенной Ro и необыкновенной Re волн и их разница Re - Ro для зеркал, образованных покрытием из различного числа чередующихся четвертьволновых слоев из Al2O3 (n=1.63) и SiO2 (n=1.45), нанесенных на подложку из СаСО3 (no=1.64, ne=1.48). Из таблицы видно, что для данных материалов оптимальное число слоев, соответствующее максимальной разнице Re-Ro, равно 7.In the manufacture of the prototype sample, calculations were performed that show that in order to obtain the largest possible difference (3-4%) between the reflection coefficients for ordinary and extraordinary polarization of radiation at a wavelength of 1064 nm, it is necessary to use a birefringent substrate material with refractive indices n o and n e in the range 1.4 ... 1.7. The table shows the reflection coefficients of ordinary R o and extraordinary R e waves and their difference R e - R o for mirrors formed by a coating of different numbers of alternating quarter-wave layers of Al 2 O 3 (n = 1.63) and SiO 2 (n = 1.45) deposited on a substrate of CaCO 3 (n o = 1.64, n e = 1.48). The table shows that for these materials the optimal number of layers corresponding to the maximum difference R e -R o equal to 7.

Число слоевNumber of layers 55 77 99 11eleven 1313 Re, %R e ,% 23.323.3 32.232.2 41.141.1 49.749.7 57.757.7 Ro, %R o ,% 19.619.6 28.328.3 37.237.2 46.046.0 54.354.3 Re-Ro, %R e -R o ,% 3.73.7 3.93.9 3.93.9 3.73.7 3.43.4

Предлагаемый лазер может применяться в лазерных системах промышленного, медицинского, технического и научного назначения, требующих длительности лазерного импульса менее 1 нс с неизменной плоскостью линейной поляризации для управления излучением или для его технологического применения. Кроме того, энергия импульса субнаносекундного лазера с неизменной плоскостью поляризации на основе диффузионно сваренного АИГ:Nd3+/АИГ:Cr4+ элемента может быть многократно увеличена в системе поляризационно развязанных усилительных каскадов, что позволяет наиболее простым способом из известных получать импульсы с пиковой мощностью порядка гигаватта и осуществлять внерезонаторное нелинейное преобразование длины волны с эффективностью до 70%.The proposed laser can be used in laser systems for industrial, medical, technical and scientific purposes, requiring a laser pulse duration of less than 1 ns with an invariable plane of linear polarization to control the radiation or for its technological application. In addition, the pulse energy of a subnanosecond laser with an invariable plane of polarization based on diffusion-welded AIG: Nd 3+ / AIG: Cr 4+ elements can be multiply increased in a system of polarized decoupled amplification stages, which makes it possible to obtain pulses with peak power in the simplest way known about gigawatts and carry out non-resonant nonlinear wavelength conversion with an efficiency of up to 70%.

Источники информацииInformation sources

1. Bradley W. Schilling, Stephen R. Chinn, A.D. Hays, Lew Goldberg and Ward Trussell, "End-pumped 1.5 µm monoblock laser for broad temperature operation", Applied Optics, Vol. 45, No. 25, 6607-6615 (2006).1. Bradley W. Schilling, Stephen R. Chinn, A.D. Hays, Lew Goldberg and Ward Trussell, "End-pumped 1.5 µm monoblock laser for broad temperature operation", Applied Optics, Vol. 45, No. 25, 6607-6615 (2006).

2. Yuri Yashkir and Henry M. van Driel, "Passively Q-switched 1.57-µm intracavity optical parametric oscillator", Applied Optics, Vol. 38, No. 12, 6607-6615 (1999).2. Yuri Yashkir and Henry M. van Driel, "Passively Q-switched 1.57-µm intracavity optical parametric oscillator", Applied Optics, Vol. 38, No. 12, 6607-6615 (1999).

3. Патент США №5394413 - прототип.3. US patent No. 5394413 - prototype.

4. A.G.Okhrimchuk, A.V.Shestakov, "Absorption saturation mechanism for YAG:Cr+4 crystals", Physical Reviews B, Vol. 61, No. 2, 988-995 (2000).4. AGOkhrimchuk, AVShestakov, “Absorption saturation mechanism for YAG: Cr +4 crystals,” Physical Reviews B, Vol. 61, No. 2, 988-995 (2000).

Claims (1)

Импульсный твердотельный лазер, включающий источник накачки и расположенный внутри резонатора микрочип-элемент, состоящий из соединенных диффузионной сваркой кристаллов АИГ:Nd3+ и АИГ:Cr4+, отличающийся тем, что выходное зеркало резонатора образовано диэлектрическим покрытием, нанесенным на подложку из двулучепреломляющего кристалла, главная кристаллографическая ось которого лежит в плоскости отражающей поверхности выходного зеркала. A pulsed solid-state laser including a pump source and a microchip element located inside the cavity, consisting of AIG: Nd 3+ and AIG: Cr 4+ crystals connected by diffusion welding, characterized in that the output mirror of the resonator is formed by a dielectric coating deposited on a birefringent crystal substrate whose main crystallographic axis lies in the plane of the reflecting surface of the output mirror.
RU2007139168/28A 2007-10-24 2007-10-24 Pulsed solid-state laser RU2397586C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007139168/28A RU2397586C2 (en) 2007-10-24 2007-10-24 Pulsed solid-state laser

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007139168/28A RU2397586C2 (en) 2007-10-24 2007-10-24 Pulsed solid-state laser

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2007139168A RU2007139168A (en) 2009-04-27
RU2397586C2 true RU2397586C2 (en) 2010-08-20

Family

ID=41018557

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007139168/28A RU2397586C2 (en) 2007-10-24 2007-10-24 Pulsed solid-state laser

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2397586C2 (en)

Also Published As

Publication number Publication date
RU2007139168A (en) 2009-04-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2020207434A1 (en) Laser and laser radar
US9318867B2 (en) Laser device with Kerr effect based mode-locking and operation thereof
SE510442C2 (en) microchip Laser
US7187703B2 (en) Intracavity sum-frequency mixing laser
EP2312706A1 (en) Solid-state laser device
DK2147487T3 (en) PULSING MICROCHIPLASES
CN111509552A (en) Passive Q-switched solid laser
Messner et al. Acousto-optically Q-switched diode side-pumped Er: YLF laser generating 50-kW peak power in 70-ns pulses
WO2022246967A1 (en) Multi-wavelength mid-infrared laser pulse serial cavity emptying laser based on nd:mgo:apln crystal
US9431785B2 (en) High power ultra-short laser device
RU203286U1 (en) Monopulse solid-state laser with parametric light generator
WO2024001392A1 (en) Solid-state laser based on nonlinear amplifying loop mirror
RU2593819C1 (en) Infrared solid-state laser
CN104393474A (en) Narrow-pulse-width laser device
RU2397586C2 (en) Pulsed solid-state laser
CN107069414B (en) Small hundred picosecond laser beauty instrument
RU203208U1 (en) Monopulse solid state laser
US10145737B1 (en) Laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) probe for simplified light collection and laser operation
Cole et al. Compact and efficient 2µm Tm: YAP lasers with mechanical or passive Q-switching
CN115939919B (en) Solid laser based on Kerr lens mode locking
CN217934552U (en) Nanosecond-picosecond combined laser
RU2638078C1 (en) Compact infrared solid-state laser
CN112993729B (en) Low-quantum-loss 1.6-micrometer high-peak-power pumping source of medium-wave optical parametric oscillator
Goldberg et al. Passively Q-switched Tm: YLF laser generating 15 mJ, 500 kW peak power pulses
Tarasov et al. Sub-nanosecond lasers for cosmetics and dermatology

Legal Events

Date Code Title Description
FA94 Acknowledgement of application withdrawn (non-payment of fees)

Effective date: 20091121

FZ9A Application not withdrawn (correction of the notice of withdrawal)

Effective date: 20091210

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20151025