RU2569904C1 - Laser device having laminar optical element - Google Patents
Laser device having laminar optical element Download PDFInfo
- Publication number
- RU2569904C1 RU2569904C1 RU2014125523/28A RU2014125523A RU2569904C1 RU 2569904 C1 RU2569904 C1 RU 2569904C1 RU 2014125523/28 A RU2014125523/28 A RU 2014125523/28A RU 2014125523 A RU2014125523 A RU 2014125523A RU 2569904 C1 RU2569904 C1 RU 2569904C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radiation
- plate
- angle
- laser
- wide
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Lasers (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Настоящее изобретение относится к лазерной технике, конкретно к компактным лазерным устройствам, в которых для генерации и преобразования лазерного излучения, включая короткие и ультракороткие импульсы света, используются пластинчатые оптические элементы (slab elements).The present invention relates to laser technology, specifically to compact laser devices in which slab elements are used to generate and convert laser radiation, including short and ultrashort light pulses.
Уровень техникиState of the art
Ультракороткие импульсы лазерного излучения с длительностью импульса менее чем 10 пикосекунд и высоким энергетическим уровнем выше 0,1 mJ на импульс полезны для широкого спектра приложений, таких как обработка материалов, оптические коммуникационные технологии, оптическое зондирование, оптическая абляция и тонкие хирургические операции, в том числе в офтальмологии, биомедицинские исследования и спектроскопия. Известны различные лазерные устройства, предназначенные для генерации ультракоротких импульсов света, например, в [1] описывается мощный источник лазерного излучения со сверхкороткими импульсами, который формирует импульсный свет, имеющий длительность импульса приблизительно от пикосекунд до фемтосекунд. Однако, как правило, в таких устройствах требуются большая длина оптического хода импульсного излучения, поэтому они имеют большой размер и обычно устанавливается и используется на оптическом столе, а соответствующие оптические компоненты источника лазерного излучения устанавливаются на регулируемых опорах во множестве точек и должны быть настроены, а такие настройки не являются простыми.Ultrashort laser pulses with a pulse duration of less than 10 picoseconds and a high energy level above 0.1 mJ per pulse are useful for a wide range of applications, such as material processing, optical communication technologies, optical sensing, optical ablation and thin surgical procedures, including in ophthalmology, biomedical research and spectroscopy. Various laser devices are known for generating ultrashort light pulses, for example, [1] describes a powerful laser source with ultrashort pulses that generates pulsed light having a pulse duration of approximately picoseconds to femtoseconds. However, as a rule, such devices require a large optical path of pulsed radiation, therefore they are large and are usually installed and used on an optical table, and the corresponding optical components of the laser radiation are mounted on adjustable supports at many points and must be tuned, and such settings are not simple.
С другой стороны, существует источник лазерного излучения на основе волокна, использующий оптическое волокно в качестве оптической усиливающей среды, которая усиливает энергию. Источник лазерного излучения на основе волокна обычно решает проблему компактности, однако в источнике лазерного излучения на основе волокна оптическое волокно имеет небольшое сечение, что ограничивает импульсную выходную энергию импульса приблизительно несколькими микроДж, и высокая выходная мощность не может быть реализована.On the other hand, there is a fiber-based laser source using an optical fiber as an optical amplifying medium that amplifies energy. A fiber-based laser source typically solves the compactness problem, however, in a fiber-based laser source, the optical fiber has a small cross section, which limits the pulse output energy of the pulse to approximately several microJ, and a high output power cannot be realized.
Альтернативное решение раскрыто в патентном документе [2], предлагающем компактное оптическое устройство, допускающее значительное увеличение оптической длины резонатора за счет использования малогабаритных оптических элементов, представляющих собой оптические линии задержки, выполненные в виде вытянутого прямоугольного стеклянного элемента с противоположно расположенными зеркальными поверхностями. При этом лазерный луч проходит вдоль всего элемента, поочередно отражаясь от зеркальных поверхностей. В результате оптическая длина пути увеличивается за счет зигзагообразного хода луча и за счет меньшей скорости распространения излучения в стекле по сравнению с воздухом. Это изобретение является аналогом предлагаемого изобретения. Важной особенностью аналога является возможность компенсации дисперсии групповых скоростей (ДГС), если в качестве зеркальных поверхностей используются многослойные покрытия, обладающие необходимыми дисперсионными характеристиками. В соответствии с фундаментальными публикациями [4÷6] эта функция принципиально необходима для получения ультракоротких импульсов высокой мощности.An alternative solution is disclosed in a patent document [2], which offers a compact optical device that allows a significant increase in the optical length of the resonator due to the use of small-sized optical elements, which are optical delay lines, made in the form of an elongated rectangular glass element with oppositely located mirror surfaces. In this case, the laser beam passes along the entire element, alternately reflecting from the mirror surfaces. As a result, the optical path length increases due to the zigzag path of the beam and due to the lower speed of radiation propagation in the glass compared to air. This invention is an analogue of the invention. An important feature of the analogue is the ability to compensate for group velocity dispersion (GVD), if multilayer coatings with the necessary dispersion characteristics are used as mirror surfaces. In accordance with the fundamental publications [4–6], this function is fundamentally necessary for obtaining ultrashort high-power pulses.
Недостаток аналога состоит в том, что при часто встречающейся необходимости реализации оптической длины резонатора около одного или более метра необходимо каскадное соединение нескольких оптических устройств. При этом должны использоваться дополнительные отражатели и конструкция становится громоздкой, менее стабильной и более сложной в настройке.The disadvantage of the analogue is that with the often encountered need to implement an optical cavity length of about one or more meters, a cascade connection of several optical devices is necessary. In this case, additional reflectors should be used and the design becomes bulky, less stable and more difficult to configure.
В другом известном устройстве, раскрытом в патентном документе [3] и предназначенном для использования при генерации и усилении ультракоротких оптических импульсов, задача создания компактных и стабильных лазерных устройств решается за счет использования пластинчатого оптического элемента, изготовленного из материала с показателем преломления большим показателя преломления воздуха. Внутри пластинчатого элемента лазерный луч распространяется, отражаясь от боковых поверхностей множество раз. Входное окно и выходное окно, примыкают к боковым поверхностям и позволяют лазерному лучу распространяться в объеме оптического элемента. С прозрачной средой объединены пропускающие или отражающие дифракционные решетки, отклоняющие излучение в плоскости, параллельной широким граням, под углом, зависящим от длины волны, что обеспечивает компенсацию дисперсии. Благодаря монолитной конструкции обеспечивается высокая стабильность работы компактного оптического элемента в составе генераторов и усилителей лазерного излучения. Это устройство выбрано в качестве прототипа предлагаемого изобретения.In another known device disclosed in patent document [3] and intended for use in the generation and amplification of ultrashort optical pulses, the task of creating compact and stable laser devices is solved by using a plate optical element made of a material with a refractive index of a large refractive index of air. Inside the plate element, the laser beam propagates, reflected from the side surfaces many times. The input window and the output window are adjacent to the side surfaces and allow the laser beam to propagate in the volume of the optical element. Transmission or reflective diffraction gratings are combined with a transparent medium, deflecting radiation in a plane parallel to wide faces, at an angle depending on the wavelength, which ensures dispersion compensation. Thanks to the monolithic design, high stability of the compact optical element in the composition of generators and amplifiers of laser radiation is ensured. This device is selected as a prototype of the invention.
Недостаток прототипа состоит в необходимости очень точного выдерживания линейных размеров пластинчатого элемента. Фиг. 1а и фиг. 1б иллюстрируют влияние неточных линейных размеров на ход луча в прототипе. На фиг. 1а изображен ход лучей в точно изготовленном оптическом элементе с размерами 44×40 мм, а на фиг. 1б - оптический элемент с ошибкой линейных размеров, равной 0,1 мм, с размерами элемента 43,9×40,1 мм. Как видно из фиг. 1б, неточность линейных размеров в одну десятую миллиметра накапливается при каждом отражении и приводит к поперечному смещению выходного луча почти на 1.5 мм, что сопровождается потерей части усиливаемого луча из-за его виньетирования и рассеяния на притупленных кромках.The disadvantage of the prototype is the need for very accurate withstanding the linear dimensions of the plate element. FIG. 1a and FIG. 1b illustrate the effect of inaccurate linear dimensions on the beam path of the prototype. In FIG. 1a shows the path of the rays in a precisely made optical element with dimensions of 44 × 40 mm, and in FIG. 1b is an optical element with a linear dimension error of 0.1 mm, with an element size of 43.9 × 40.1 mm. As can be seen from FIG. 1b, an inaccuracy in linear dimensions of one tenth of a millimeter is accumulated at each reflection and leads to a transverse displacement of the output beam by almost 1.5 mm, which is accompanied by the loss of part of the amplified beam due to its vignetting and scattering at the blunt edges.
Из-за высокой трудоемкости изготовления пластин с полированными поверхностями достижение по сути интерференционной точности приводит к значительному удорожанию оптических элементов, особенно при наличии дифракционных отражателей.Due to the high complexity of manufacturing plates with polished surfaces, the achievement of essentially interference accuracy leads to a significant increase in the cost of optical elements, especially in the presence of diffraction reflectors.
Другой недостаток прототипа заключается в ограниченном диапазоне коррекции ДГС с помощью дифракционных решеток, отклоняющих излучение в плоскости, параллельной широким граням пластины. Решетка создает необходимую для компенсации ДГС угловую дисперсию, которая приводит к расходимости лазерного пучка в плоскости, параллельной широким граням, при этом расходимость тем больше, чем шире спектральный состав и чем большую ДГС необходимо компенсировать. Однако, как видно из хода лучей на развертке оптической пластины, показанной на фиг. 2, угловая расходимость излучения в прототипе ограничена размерами выходного окна 32 и не может превышать величины, определяемой по формуле:Another disadvantage of the prototype lies in the limited range of DGS correction using diffraction gratings deflecting radiation in a plane parallel to the wide faces of the plate. The lattice creates the angular dispersion necessary to compensate for the DGS, which leads to the divergence of the laser beam in a plane parallel to the wide faces, the divergence being greater, the wider the spectral composition and the larger the DGS must be compensated. However, as can be seen from the beam path on the scan of the optical plate shown in FIG. 2, the angular divergence of radiation in the prototype is limited by the size of the
Где:Where:
δ - угловая расходимость, равная разности углов дифракции для различных спектральных составляющих;δ is the angular divergence equal to the difference in diffraction angles for various spectral components;
d - ширина выходного окна 32;d is the width of the
L - длина оптического хода лучей между входным 31 и выходным 32 окнами.L is the length of the optical path of the rays between the
Из-за этого ограничения в компактной конструкции не реально обеспечить широкий диапазон компенсации ДГС, так как ширина выходного окна составляет несколько миллиметров, а оптическая длина пути, который проходит излучение между решетками, установленными на входном и выходном окнах, может достигать 50 см и более.Because of this limitation in a compact design, it is not realistic to provide a wide range of compensation for DGS, since the width of the output window is several millimeters, and the optical path length that the radiation passes between the gratings installed on the input and output windows can reach 50 cm or more.
Таким образом, в настоящее время отсутствуют лазерные устройства с большой длиной оптического хода, способные к усилению, задержке, расширению, сжатию и компенсации в широких пределах ДГС ультракоротких импульсов лазерного излучения, которые являются небольшими по размеру, пригодными для работы с мощным излучением и обладающими высокой стабильностью, взаимозаменяемостью, простотой в изготовлении и установке. Поэтому в действительности использование источника лазерного излучения со сверхкоротким импульсом и большой импульсной энергией ограничивается исследовательскими целями.Thus, at present, there are no laser devices with a large optical path length capable of amplifying, delaying, expanding, compressing, and compensating over a wide range of GVDs of ultrashort laser radiation pulses, which are small in size, suitable for working with high-power radiation, and having a high stability, interchangeability, ease of manufacture and installation. Therefore, in reality, the use of a laser source with an ultrashort pulse and high pulsed energy is limited by research purposes.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
Проблема, которая должна быть решена изобретением, состоит в том, чтобы в лазерном устройстве, предназначенном для генерации и преобразования лазерного излучения с помощью компактного пластинчатого оптического элемента с большой длиной оптического хода луча, обеспечить:The problem that must be solved by the invention is that in a laser device designed to generate and convert laser radiation using a compact plate-shaped optical element with a long optical path length of the beam, to provide:
а) взаимозаменяемость и простоту изготовления пластинчатого элемента за счет снижения влияния неизбежно возникающей неточности линейных размеров на положение выходного луча;a) the interchangeability and ease of manufacture of the plate element by reducing the influence of the inevitable inaccuracy of linear dimensions on the position of the output beam;
б) расширение пределов, в которых в лазерном устройстве с пластинчатым элементом может быть обеспечено изменение ДГС.b) the expansion of the limits in which a change in the GVD can be achieved in a laser device with a plate element.
Согласно предлагаемому изобретению задача снижения влияния ошибок линейных размеров, накапливающихся при большом числе отражений от боковых граней, решается за счет того, что в лазерном устройстве, имеющем в своем составе пластинчатый оптический элемент, преобразуемое излучение отражается от его боковых граней под углом, зависящим от фактических линейных размеров в соответствии с формулой:According to the invention, the task of reducing the influence of linear dimensions errors that accumulate with a large number of reflections from the side faces is solved due to the fact that in a laser device incorporating a plate optical element, the converted radiation is reflected from its side faces at an angle depending on the actual linear dimensions in accordance with the formula:
где:Where:
α - проекция на плоскость широкой грани угла отражения лазерного пучка от продольной боковой грани пластинчатого элемента;α is the projection onto the plane of the wide face of the angle of reflection of the laser beam from the longitudinal side face of the plate element;
А и В - соответственно фактические продольный и поперечный размеры этого элемента;A and B are the actual longitudinal and transverse dimensions of this element, respectively;
m и k - взаимно простые целые числа, которые могут быть различными для разных пучков, при этом k равно числу пересечений пучком продольной осевой линии пластинчатого элемента, а m равно числу пересечений пучком поперечной осевой линии этого элемента.m and k are mutually prime integers that can be different for different beams, with k equal to the number of times the beam intersects the longitudinal axis of the plate element, and m is the number of times the beam crosses the transverse axis line of this element.
Ход лучей в пластинчатом элементе показан в различных проекциях на фиг. 3. При угле отражения, соответствующем формуле (2), проекция следа луча на плоскость, параллельную широким граням пластинчатого элемента, имеет вид ромбовидной сетки, показанной на фиг. 4. Если какая-либо вершина прямоугольника, образующего широкую грань параллелепипеда, находится в узле этой сетки, а угол отражения соответствует значению, заданному формулой (2), то луч, вошедший через одну из вершин, выйдет через другую вершину при любых линейных размерах параллелепипеда. При этом ошибка не накапливается при каждом отражении, и разброс положения выходного луча будет совпадать с разбросом положения соответствующей вершины и не превысит значений, заданных допусками на линейные размеры пластинчатого элемента, составляющих в условиях обычного оптического производства около ±0,1 мм.The ray path in the plate element is shown in various projections in FIG. 3. At a reflection angle corresponding to formula (2), the projection of the beam trace onto a plane parallel to the wide faces of the plate element has the form of a diamond-shaped grid shown in FIG. 4. If any vertex of the rectangle that forms the broad face of the box is at the node of this grid, and the reflection angle corresponds to the value specified by formula (2), then the ray entering through one of the vertices will exit through the other vertex for any linear dimensions of the box . In this case, the error does not accumulate at each reflection, and the spread in the position of the output beam will coincide with the spread in the position of the corresponding vertex and will not exceed the values specified by the tolerances on the linear dimensions of the plate element, which in normal optical production are about ± 0.1 mm.
Эффективность этого технического решения поставленной задачи иллюстрируется фиг. 5а÷5в. На фиг. 5а показан ход луча в точно изготовленном пластинчатом элементе с размерами 35×30 мм, а на фиг. 5б в реально изготовленном элементе с несколько утрированными для наглядности ошибками линейных размеров и с теми же углами отражения от боковых граней, что и в точно изготовленном элементе. Как видно из фиг. 5б при размерах пластинчатого элемента 34,5×30,25 мм ошибка положения выходного луча во много раз превышает допущенные ошибки линейных размеров. При изменении, например, с помощью оптических клиньев угла падения луча на входную поверхность пластинчатого элемента, так чтобы угол отражения от продольной узкой грани соответствовал формуле 2 (для указанных размеров этот угол равен 44,35°), ошибка положения выходного луча становится меньше допуска на линейные размеры, что показано на фиг. 5в.The effectiveness of this technical solution to the problem is illustrated in FIG. 5a ÷ 5c. In FIG. 5a shows the beam path in a finely made plate element with dimensions of 35 × 30 mm, and in FIG. 5b in a real-made element with somewhat exaggerated for clarity errors of linear dimensions and with the same angles of reflection from the side faces as in a precisely-made element. As can be seen from FIG. 5b, with the dimensions of the plate element 34.5 × 30.25 mm, the error of the position of the output beam is many times greater than the allowed errors of linear dimensions. When changing, for example, using optical wedges, the angle of incidence of the beam on the input surface of the plate element, so that the angle of reflection from the longitudinal narrow face corresponds to formula 2 (for the indicated dimensions, this angle is 44.35 °), the error in the position of the output beam becomes less than the tolerance by linear dimensions as shown in FIG. 5c.
Задача расширения пределов, в которых возможно изменение дисперсии групповых скоростей обеспечивается в предлагаемом изобретении за счет использования внешних или выгравированных непосредственно на пластинчатом элементе дифракционных решеток, отклоняющих излучение в плоскости, перпендикулярной широким граням этого элемента, и обеспечивающих волноводный характер распространения преобразуемого излучения. По сравнению с прототипом, в котором дифракционные решетки, отклоняют луч параллельно широким граням, предлагаемое техническое решение имеет следующие преимущества:The problem of expanding the limits in which the dispersion of group velocities is possible is provided in the present invention by using diffraction gratings external or engraved directly on the plate element, deflecting radiation in a plane perpendicular to the wide faces of this element and providing the waveguide nature of the propagation of the converted radiation. Compared with the prototype, in which diffraction gratings deflect the beam parallel to wide faces, the proposed technical solution has the following advantages:
- наличие дифракционных решеток не влияет на ход луча в плоскости, параллельной широким граням пластинчатого оптического элемента, что исключает геометрические ограничения на диапазон изменения ДГС, имеющиеся в прототипе;- the presence of diffraction gratings does not affect the path of the beam in a plane parallel to the wide faces of the plate optical element, which eliminates the geometric restrictions on the range of variation of the DGS available in the prototype;
- вследствие угловой дисперсии преобразуемого излучения, его спектральные составляющие распространяются в пластинчатом элементе в плоскости, перпендикулярной широким граням, в виде отдельных волноводных мод, различающихся фазовыми характеристиками, что может быть использовано для расширения диапазона изменения ДГС;- due to the angular dispersion of the converted radiation, its spectral components propagate in the plate element in a plane perpendicular to wide faces, in the form of separate waveguide modes that differ in phase characteristics, which can be used to expand the range of variation of the GVD;
- в плоском волноводе могут распространяться симметричные волноводные моды, направляемые на противоположные широкие грани пластинчатого элемента, что позволяет значительно повысить энергетическую эффективность предлагаемого лазерного устройства за счет одновременного использования двух симметричных пучков излучения, создаваемых дифракционной решеткой в направлениях, соответствующих порядкам дифракции одной величины, но с разными знаками.- symmetrical waveguide modes can be propagated in a plane waveguide, directed to opposite wide edges of the plate element, which can significantly increase the energy efficiency of the proposed laser device due to the simultaneous use of two symmetrical radiation beams generated by the diffraction grating in directions corresponding to diffraction orders of the same magnitude, but with different signs.
Для иллюстрации предлагаемого технического решения на фиг. 6 и фиг. 7 показан ход лучей для двух спектральных составляющих в пластинчатом оптическом элементе с парой фазовых дифракционных решеток типа эшелетт с симметричным профилем штрихов. На фиг. 6 показан вариант, в котором пропускающие решетки 51, совмещены с входным 31 и выходным 32 окнами, при нормальном падении входного луча. На фиг. 7 показан вариант, в котором используются отражающие дифракционные решетки 51. В этом варианте решетки 51 размещены на плоскостях, срезающих узкие боковые кромки пластинчатого элемента 10 под углом к одной из узких граней 21. Входной луч 4 вводится через противоположную узкую грань 21 и после преломления на ее поверхности нормально падает на первую отражающую дифракционную решетку 51 с симметричными штрихами, нарезанными вдоль широких граней пластинчатого элемента. Отраженное от решетки 51 излучение распространяется в пластинчатом элементе 10 к другой дифракционной решетке 51 в виде симметричных волноводных мод. Волноводное распространение может быть обеспечено, например, за счет полного внутреннего отражения от широких и узких граней пластинчатого элемента благодаря оптимизации дифракционных углов решетки. От второй решетки 51 спектральные составляющие излучения отражаются под углом 90 градусов и направляются к узкой грани 21, расположенной напротив решетки, а после преломления на ее поверхности выходят из пластинчатого элемента.To illustrate the proposed technical solution in FIG. 6 and FIG. 7 shows the path of the rays for two spectral components in a plate-like optical element with a pair of echelette phase diffraction gratings with a symmetrical line profile. In FIG. 6 shows an embodiment in which the
Одновременно с решением поставленных задач при осуществлении предлагаемого изобретения дополнительно могут быть реализованы эффективные методы оптической накачки пластинчатого элемента, если он изготовлен из активированных материалов, особенно трехуровневых. За счет детерминированного положения траектории лазерного луча в пластинчатом элементе возбуждающее излучение может быть сконцентрировано в узком коридоре по пути усиливаемого излучения или в точечных областях, совпадающих с местами самопересечения пучка усиливаемого излучения. Способы такой накачки раскрыты, например, в патентных документах [7÷10]. Локализация накачанных областей по ходу усиливаемого излучения позволяет эффективно подавлять высокие поперечные моды и практически исключить потери на усиление паразитного и спонтанного излучений.Simultaneously with the solution of the tasks in the implementation of the present invention, effective methods of optical pumping of the plate element can additionally be realized if it is made of activated materials, especially three-level ones. Due to the determinate position of the trajectory of the laser beam in the plate element, the exciting radiation can be concentrated in a narrow corridor along the path of the amplified radiation or in point regions coinciding with the places of self-intersection of the amplified radiation beam. Methods of such pumping are disclosed, for example, in patent documents [7 ÷ 10]. The localization of the pumped regions along the amplified radiation makes it possible to efficiently suppress high transverse modes and practically eliminate the gain due to spurious and spontaneous radiation.
Результат изобретенияResult of invention
Результат предлагаемого изобретения состоит в значительном снижении влияния ошибок линейных размеров пластинчатого оптического элемента на положение выходного лазерного луча и в расширенном, по сравнению с аналогами, диапазоном изменения ДГС, а так же в возможности эффективной накачки активной среды, если пластинчатый элемент изготовлен из активированных материалов. Этот результат дает возможность создавать компактные, коммерчески эффективные лазерные устройства для генерации, усиления и других видов преобразования мощного лазерного излучения, в том числе коротких и ультракоротких световых импульсов большой мощности.The result of the invention consists in a significant reduction in the influence of linear dimensions of the plate optical element on the position of the output laser beam and in the wider, in comparison with analogs, range of variation of the GVD, as well as in the possibility of efficient pumping of the active medium if the plate element is made of activated materials. This result makes it possible to create compact, commercially effective laser devices for generating, amplifying, and other types of conversion of high-power laser radiation, including short and ultra-short high-power light pulses.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Фиг. 1а - схематичный вид хода лучей в оптическом элементе-прототипе предлагаемого изобретения.FIG. 1a is a schematic view of a ray path in an optical prototype element of the present invention.
Фиг. 1б - схематичный вид оптического элемента, иллюстрирующий влияние ошибок линейных размеров на ход луча в прототипе предлагаемого изобретения.FIG. 1b is a schematic view of an optical element illustrating the effect of linear dimensions errors on the beam path in the prototype of the invention.
Фиг. 2 - развертка оптического элемента, иллюстрирующая ограничения на величину угловой дисперсии в прототипе предлагаемого изобретения.FIG. 2 is a scan of an optical element illustrating the limitations on the magnitude of the angular dispersion in the prototype of the invention.
Фиг. 3 - схематичный вид в различных проекциях хода лучей в пластинчатом оптическом элементе согласно предлагаемому изобретению.FIG. 3 is a schematic view in various projections of the ray path in a plate optical element according to the invention.
Фиг. 4 - схематичный вид проекции следа луча на широкую грань пластинчатого элемента согласно предлагаемому изобретениюFIG. 4 is a schematic view of a projection of a beam trace onto a wide face of a plate element according to the invention.
Фиг. 5а - схематичный вид хода луча в точно изготовленном пластинчатом оптическом элементе.FIG. 5a is a schematic view of a beam path in a finely fabricated plate optical element.
Фиг. 5б - схематичный вид хода луча в пластинчатом оптическом элементе, изготовленном с ошибками линейных размеров.FIG. 5b is a schematic view of the beam path in a plate optical element made with linear dimensions errors.
Фиг. 5в - схематичный вид хода луча в пластинчатом оптическом элементе при устранении влияния ошибок линейных размеров согласно предлагаемому изобретению.FIG. 5c is a schematic view of a beam path in a plate optical element while eliminating the influence of linear dimensions errors according to the invention.
Фиг. 6 - схематичный вид в различных проекциях хода лучей с различной длиной волны в пластинчатом оптическом элементе с прозрачными дифракционными решетками, согласно предлагаемому изобретению.FIG. 6 is a schematic view in various projections of the path of rays with different wavelengths in a plate optical element with transparent diffraction gratings, according to the invention.
Фиг. 7 - схематичный вид в различных проекциях хода лучей с различной длиной волны в пластинчатом оптическом элементе с отражающими дифракционными решетками, согласно предлагаемому изобретению.FIG. 7 is a schematic view in various projections of the path of rays with different wavelengths in a plate-shaped optical element with reflective diffraction gratings, according to the invention.
Фиг. 8 - схематичный вид лазерного устройства по первому варианту реализации предлагаемого изобретения.FIG. 8 is a schematic view of a laser device according to a first embodiment of the invention.
Фиг. 9а - схематичный вид хода лучей в пластинчатом оптическом элементе при четном m.FIG. 9a is a schematic view of the path of rays in a plate optical element with even m.
Фиг. 9б - схематичный вид хода лучей в пластинчатом оптическом элементе при четном k.FIG. 9b is a schematic view of the path of rays in a plate optical element with even k.
Фиг. 9в - схематичный вид хода лучей в пластинчатом оптическом элементе при нечетных m и k.FIG. 9c is a schematic view of a ray path in a plate optical element with odd m and k.
Фиг. 10 - схематичный вид лазерного устройства по второму варианту реализации предлагаемого изобретения.FIG. 10 is a schematic view of a laser device according to a second embodiment of the invention.
Фиг. 11 - схематичный вид лазерного устройства по третьему варианту реализации предлагаемого изобретения.FIG. 11 is a schematic view of a laser device according to a third embodiment of the invention.
Фиг. 12 - схематичный общий вид лазерного устройства по четвертому варианту реализации предлагаемого изобретения.FIG. 12 is a schematic general view of a laser device according to a fourth embodiment of the invention.
Фиг. 13 - схематичный вид сверху лазерного устройства по четвертому варианту реализации предлагаемого изобретения.FIG. 13 is a schematic top view of a laser device according to a fourth embodiment of the invention.
Фиг. 14а - схематичный вид лазерного устройства по пятому варианту реализации предлагаемого изобретения.FIG. 14a is a schematic view of a laser device according to a fifth embodiment of the invention.
Фиг. 14б - схематичный вид лазерного устройства по пятому варианту реализации предлагаемого изобретения с устраненным сносом лучей.FIG. 14b is a schematic view of a laser device according to a fifth embodiment of the invention with eliminated beam drift.
Фиг. 15а - схематичный вид лазерного устройства по шестому варианту реализации предлагаемого изобретения.FIG. 15a is a schematic view of a laser device according to a sixth embodiment of the invention.
Фиг. 15б - схематичный вид лазерного устройства по шестому варианту реализации предлагаемого изобретения с устраненным сносом лучей.FIG. 15b is a schematic view of a laser device according to a sixth embodiment of the invention with eliminated beam drift.
Фиг. 16 - схематичный вид лазерного устройства по седьмому варианту реализации предлагаемого изобретения.FIG. 16 is a schematic view of a laser device according to a seventh embodiment of the invention.
Описание обозначенийDescription of symbols
1: лазерное устройство1: laser device
2: источник энергии2: energy source
3: активные и/или пассивные лазерные компоненты3: active and / or passive laser components
4: пучок лазерного излучения4: laser beam
5: выходной пучок лазерного излучения5: laser output beam
6: спектральные составляющие лазерного излучения6: spectral components of laser radiation
7: глухое зеркало оптического резонатора7: blank mirror optical resonator
8: полупрозрачное (выходное) зеркало оптического резонатора8: translucent (output) mirror of the optical resonator
9: выходные лазерные компоненты9: laser output components
10: пластинчатый оптический элемент10: plate optical element
21: продольная узкая грань пластинчатого оптического элемента21: longitudinal narrow face of the plate optical element
22: поперечная узкая грань пластинчатого оптического элемента22: transverse narrow face of the plate optical element
23: широкая грань пластинчатого оптического элемента23: wide face of the plate optical element
24: продольная ось пластинчатого оптического элемента24: longitudinal axis of the plate optical element
25: поперечная ось пластинчатого оптического элемента25: transverse axis of a plate optical element
31: входное окно31: input window
32: выходное окно32: output window
40: источник излучения накачки40: pump radiation source
41: пучок излучения накачки41: pump beam
42: лазерные диоды накачки42: laser pump diodes
43, 44: цилиндрические линзы43, 44: cylindrical lenses
51: дифракционная решетка51: diffraction grating
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
Настоящее изобретение предлагает усовершенствованное лазерное устройство с пластинчатым оптическим элементом (slab element) для генерации и преобразования лазерного излучения, отличающееся большой длиной хода лазерного луча и возможностью изменения в широком диапазоне дисперсии групповых скоростей лазерных импульсов, а также толерантностью к ошибкам линейных размеров, неизбежно возникающим при изготовлении полированных оптических пластин.The present invention provides an improved laser device with a slab element for generating and converting laser radiation, characterized by a long laser beam path and the ability to change in a wide dispersion range of group velocities of laser pulses, as well as tolerance to linear dimensions errors that inevitably occur when manufacturing polished optical plates.
Настоящее изобретение позволяет создавать коммерчески доступные компактные и мощные непрерывные и импульсные лазерные устройства, в том числе генерирующие мощные ультракороткие импульсы за счет использования в предлагаемом лазерном устройстве пластинчатого оптического элемента отличающегося простотой изготовления, установки и взаимозаменяемостью.The present invention allows the creation of commercially available compact and powerful continuous and pulsed laser devices, including those generating powerful ultrashort pulses due to the use of a plate optical element in the proposed laser device, which is characterized by ease of manufacture, installation and interchangeability.
Ниже приведено определение терминов, используемых в этом документе.The following is a definition of the terms used in this document.
Осевые линии и размеры оптического элемента, представляющего собой прямоугольный параллелепипед, определяются следующим образом:The axial lines and dimensions of the optical element, which is a rectangular parallelepiped, are determined as follows:
- продольная осевая линия - прямая, проходящая внутри оптического элемента параллельно более длинным противоположным узким граням параллелепипеда;- longitudinal axial line is a straight line passing inside the optical element parallel to the longer opposite narrow edges of the parallelepiped;
- поперечная осевая линия - прямая, проходящая внутри оптического элемента перпендикулярно продольной осевой линии в одной плоскости с ней;- transverse center line - a straight line passing inside the optical element perpendicular to the longitudinal center line in the same plane with it;
- продольный размер оптического элемента - расстояние между более короткими противоположными узкими гранями;- the longitudinal size of the optical element is the distance between shorter opposing narrow faces;
- поперечный размер оптического элемента - расстояние между более длинными противоположными узкими гранями;- the transverse size of the optical element is the distance between the longer opposing narrow faces;
- продольная боковая грань - узкая грань параллелепипеда, параллельная продольной осевой линии;- longitudinal side face - a narrow face of the parallelepiped, parallel to the longitudinal center line;
- поперечная боковая грань - узкая грань параллелепипеда, параллельная поперечной осевой линии.- transverse side face - a narrow face of the parallelepiped, parallel to the transverse center line.
Длина грани определяется соответствующим размером оптического элемента независимо от наличия фасок, срезающих узкие боковые кромки параллелепипеда. При равенстве длины всех узких граней продольная осевая линия проходит в плоскости распространения лазерного излучения внутри оптического элемента параллельно произвольно выбранной паре противоположных узких граней.The length of the face is determined by the corresponding size of the optical element, regardless of the presence of chamfers cutting off the narrow lateral edges of the box. If the length of all narrow faces is equal, the longitudinal axial line runs in the plane of laser radiation propagation inside the optical element in parallel to an arbitrarily selected pair of opposite narrow faces.
Число пересечений осевых линий лазерным лучом определяется по проекции следа лазерного луча на плоскость, по которой проходят осевые линии.The number of intersections of the axial lines by the laser beam is determined by the projection of the trace of the laser beam on the plane along which the axial lines pass.
Для однозначного определения числа пересечений лазерным лучом продольной и поперечной осевых линий предпочтительно проводить эти линии между местами самопересечения следа пучка лазерного излучения.To unambiguously determine the number of intersections of the longitudinal and transverse axial lines by the laser beam, it is preferable to draw these lines between the places of self-intersection of the trace of the laser beam.
Термин - материал с нормальной дисперсией относится к оптическому материалу, у которого показатель преломления увеличивается с увеличением частоты излучения. Такой материал может применяться при изготовлении предлагаемого оптического элемента, если он предназначен для расширения импульсов света. Предпочтительными материалами являются: плавленый кварц, синтетический диоксид кремния, обладающий высокой прозрачностью в широком диапазоне волн от ультрафиолетовой области до инфракрасной области и к тому же имеющий небольшой коэффициентом теплового расширения, а также другие материалы, например, боросиликатное стекло, пластмассы, например акрил и полипропилен, монокристаллические материалы, например сапфир и алмаз.The term “material with normal dispersion” refers to an optical material in which the refractive index increases with increasing radiation frequency. Such material can be used in the manufacture of the proposed optical element, if it is designed to expand the pulses of light. Preferred materials are fused silica, synthetic silicon dioxide, which has high transparency in a wide wavelength range from ultraviolet to infrared and also has a small coefficient of thermal expansion, as well as other materials, such as borosilicate glass, plastics, such as acrylic and polypropylene , single crystal materials, for example sapphire and diamond.
Термин - материал с аномальной дисперсией относится к оптическому материалу, у которого эффективный показатель преломления уменьшается с увеличением частоты излучения. Такой материал может применяться при изготовлении предлагаемого оптического элемента, если он предназначен для сжатия импульсов света, например, так как предложено в патентном документе [13]. Предпочтительным может быть композитный материал на основе фотоннокристаллических волокон плавленого кварца, как это предложено в патентной заявке [13] или композитный наноматериал описанный в непатентном источнике [14].The term “material with anomalous dispersion” refers to an optical material in which the effective refractive index decreases with increasing radiation frequency. Such material can be used in the manufacture of the proposed optical element, if it is designed to compress light pulses, for example, as proposed in the patent document [13]. A composite material based on photonic crystal fibers of fused silica may be preferred, as proposed in patent application [13] or a composite nanomaterial described in a non-patent source [14].
Термин - активированный материал относится к оптическому материалу, состоящему из кристаллической или аморфной матрицы, легированной подходящими ионами, которые возбуждаются излучением накачки. Предпочтительными материалами являются алюмоиттриевый гранат (YAG), гадолиний-галлиевый гранат (GGG), гадолиний-скандий-галлиевый гранат (GSGG), фторид иттрия-лития (YLF), ванадат иттрия, фосфатное лазерное стекло, силикатное лазерное стекло, сапфир и другие. Подходящие легирующие примеси для этих лазерных генерирующих сред включают в себя Ti, Cu, Co, Ni, Cr, Се, Pr, Nd, Sm, Eu, Yb, Но, Dy и Tm, но не ограничены ими.The term “activated material” refers to an optical material consisting of a crystalline or amorphous matrix doped with suitable ions that are excited by pump radiation. Preferred materials are yttrium aluminum garnet (YAG), gadolinium gallium garnet (GGG), gadolinium scandium gallium garnet (GSGG), yttrium lithium fluoride (YLF), yttrium vanadate, phosphate laser glass, silicate laser glass, sapphire, and others. Suitable dopants for these laser generating media include, but are not limited to, Ti, Cu, Co, Ni, Cr, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Yb, Ho, Dy and Tm.
Термин неактивированный материал относится к оптическому материалу, не содержащему легирующих добавок, предпочтительно использование того же материала, что используется в качестве матрицы в активированном материале или материала с таким же или близким значением показателя преломления, если его величина не оговаривается особо.The term non-activated material refers to an optical material that does not contain dopants, it is preferable to use the same material that is used as a matrix in the activated material or material with the same or similar value of the refractive index, unless its value is specified otherwise.
В одном из вариантов реализации предлагаемого изобретения, показанном на фиг. 8, лазерное устройство 1 включает в себя пассивные и/или активные лазерные компоненты 3, формирующие пучок излучения 4, пластинчатый оптический элемент 10 и выходные лазерные компоненты 9, формирующие выходной пучок 5. Элемент 10 имеет вид прямоугольного параллелепипеда с двумя срезанными боковыми кромками, например, прилегающими к одной из поперечных боковых граней 22. Этот элемент может быть изготовлен из материала с нормальной или аномальной дисперсией и выполнять, например, функцию линейной обработки лазерных импульсов аналогично тому, как это предложено в патентных документах [11, 12, 13]. В диспергирующей среде вследствие того, что разные спектральные компоненты бегут с разной скоростью, длительность короткого импульса изменяется. Величина этого изменения определяется дисперсией групповых скоростей, которая в свою очередь обусловлена зависимостью от длины волны показателя преломления материала выбранного для изготовления пластинчатого оптического элемента. Эта зависимость имеет вид:In one embodiment of the invention shown in FIG. 8, the
Где:Where:
λ - длина волны;λ is the wavelength;
с - скорость света;c is the speed of light;
n - показатель преломления;n is the refractive index;
L - оптическая длина пути излучения в пластинчатом элементе.L is the optical path length of the radiation in the plate element.
Если элемент 10 изготовлен из материала с нормальной дисперсией, то возникает положительная ДГС, приводящая к расширению импульсов излучения 4 [11, 12], а при использовании материала с аномальной дисперсией возникает отрицательная дисперсия, сопровождающаяся сжатием оптических импульсов [13].If
В этом варианте реализации предлагаемого изобретения для снижения влияния ошибок линейных размеров, допущенных при изготовлении пластинчатого элемента, лазерный пучок 4 направляется в пластинчатый оптический элемент 10 так, что после преломления на поверхности входного окна излучение проходит, отражаясь многократно от боковых граней под углом, зависящим от фактических линейных размеров пластинчатого элемента в соответствии с формулой (2).In this embodiment of the invention, in order to reduce the influence of linear dimensions errors made in the manufacture of the plate element, the
Угол отражения излучения от продольной боковой узкой грани α может иметь различные значения, например, близкое к 45°. Если не используются отражающие покрытия на узких гранях, то на этот угол должно быть наложено дополнительное ограничение, гарантирующее проход лучом пластинчатого элемента с полным внутренним отражением от боковых поверхностей:The angle of reflection of radiation from the longitudinal lateral narrow face α can have different values, for example, close to 45 °. If reflective coatings on narrow faces are not used, then an additional restriction must be imposed on this angle, which guarantees the beam to pass through the plate element with full internal reflection from the side surfaces:
Где: αkr - предельный угол полного внутреннего отражения.Where: αkr is the limiting angle of total internal reflection.
Длина оптического пути в пластинчатом элементе для каждой спектральной составляющей определяется по формуле:The optical path length in the plate element for each spectral component is determined by the formula:
Где: ni(λ) - показатель преломления материала, из которого изготовлен оптический элемент.Where: ni (λ) is the refractive index of the material of which the optical element is made.
В зависимости от значений m и k, возможны следующие особенности рассматриваемой реализации предлагаемого изобретения, показанные на фиг. 9а … 9в.Depending on the values of m and k, the following features of the considered implementation of the present invention, shown in FIG. 9a ... 9c.
1. Если m - четное, то входное окно 31 и выходное окно 32 примыкают к одной из поперечных боковых граней 22, как показано на фиг. 9а1. If m is even, then the
2. Если k - четное, то входное окно 31 и выходное окно 32 примыкают к одной из продольных боковых граней 21, как показано на фиг. 9б.2. If k is even, then the
3. Если k и m - нечетные, то входное и выходное окна располагаются на поверхностях, срезающих боковые кромки, примыкающие к противоположным боковым граням, как показано на фиг. 9в.3. If k and m are odd, then the input and output windows are located on surfaces that cut off the side edges adjacent to the opposite side faces, as shown in FIG. 9th century
Второй вариант реализации предлагаемого изобретения, показанный на фиг 10, отличается тем, что в нем отсутствует настройка угла падения пучка излучения на поверхность входного окна пластинчатого оптического элемента 10 для компенсации ошибок линейных размеров. Вместо этого для обеспечения взаимозаменяемости, поверхности входного окна 31 и выходного окна 32 наклонены к продольным боковым граням 21 пластинчатого элемента под углом, зависящим от фактических линейных размеров в соответствии с формулой:The second embodiment of the invention, shown in FIG. 10, is characterized in that it does not have a setting for the angle of incidence of the radiation beam on the surface of the input window of the plate
Где:Where:
φ - угол наклона поверхности входного (выходного) окна к продольной боковой грани пластинчатого элемента;φ is the angle of inclination of the surface of the input (output) window to the longitudinal side face of the plate element;
na - показатель преломления внешней среды;n a is the refractive index of the external environment;
ni - показатель преломления материала из которого изготовлен пластинчатый элемент;ni is the refractive index of the material of which the plate element is made;
β - установленный при проектировании угол между лучом, поступающим в оптическое устройство и продольной боковой гранью пластинчатого элемента;β is the angle established during design between the beam entering the optical device and the longitudinal side face of the plate element;
α - проекция угла отражения лазерного пучка от продольной боковой грани на плоскость, параллельную широкой грани, определяемая в зависимости от линейных размеров пластины, в соответствии с формулой (2).α is the projection of the angle of reflection of the laser beam from the longitudinal side face onto a plane parallel to the wide face, determined depending on the linear dimensions of the plate, in accordance with formula (2).
В этом варианте реализации предлагаемого изобретения взаимное пространственное положение лазерных компонентов 3, 9 и пластинчатого элемента 10 практически не зависит от ошибок линейных размеров пластинчатого элемента, что повышает стабильность и обеспечивает более простую настройку лазерного устройства. Используемое в этом варианте техническое решение основано на том, что существует большой арсенал доступных средств измерений, позволяющих с малыми ошибками (менее 0,01 мм) измерить фактические линейные размеры плоскопараллельных оптических деталей, а существующие технологии дают возможность изготавливать оптические детали с очень малыми ошибками угловых размеров (менее 30 угловых секунд). Пластинчатый элемент, с предлагаемым в этом варианте реализации изобретения соотношением размеров, обеспечивает его взаимозаменяемость при меньшей трудоемкости изготовления по сравнению с вариантом, обеспечивающим прецизионную точность линейных размеров.In this embodiment of the invention, the mutual spatial position of the
Третий вариант реализации предлагаемого изобретения, показанный на фиг. 11, отличается от первого или второго варианта тем, что пластинчатый элемент 10 изготовлен из активированного материала, способного усиливать непрерывное или импульсное лазерное излучение после возбуждения его оптической накачкой. При этом для повышения плотности мощности излучения накачки, а также для снижения потерь, связанных с усилением спонтанного и паразитного излучений, используется источник накачки 40, создающий массив регулярно расположенных отдельных пучков излучения накачки 41. Каждый из этих пучков направляется в пластинчатый элемент через широкие грани пластинчатого элемента и концентрируется в местах самопересечения следа усиливаемого пучка лазерного излучения 4. Регулярные массивы пучков излучения накачки могут быть получены, например, с помощью массива вертикально излучающих диодов, как это предложено в патентных документах [8, 10] или другими известными способами.A third embodiment of the invention shown in FIG. 11 differs from the first or second embodiment in that the
Четвертый вариант реализации предлагаемого изобретения, показанный на фиг. 12 и фиг. 13, отличается от первого или второго варианта тем, что пластинчатый элемент 10 изготовлен из композитного материала, состоящего из чередующихся вдоль боковых граней активированных слоев 11 и не активированных слоев 12. В этом варианте лазерное устройство является оптическим квантовым генератором благодаря наличию резонатора, образованного глухим 7 и полупрозрачным 8 зеркалами. Излучение накачки 41 лазерных диодов 42 с помощью цилиндрических линз 43 и 44 преобразуется в узкие плоские пучки, слабо расходящиеся в направлении, параллельном широкой грани 23, и вводится в пластинчатый элемент 10 через входные окна 31 и/или через выходные окна 32. В пластинчатом элементе 10 это излучение распространяется вместе с генерируемым излучением 4 в узком слое 13, перпендикулярном широким граням пластины, отражаясь от боковых и широких граней. Представленный вариант способен генерировать непрерывное лазерное излучение. Для реализации генератора импульсного излучения в полости резонатора могут быть установлены модуляторы добротности и/или другие элементы обеспечивающие импульсную модуляцию.A fourth embodiment of the invention shown in FIG. 12 and FIG. 13 differs from the first or second embodiment in that the
Пятый вариант реализации предлагаемого изобретения, показанный на фиг. 14а, отличается тем, что на входном 31 и выходном 32 окнах пластинчатого элемента 10 размещены прозрачные дифракционные решетки 51, отклоняющие вошедшее в пластину излучение 4 в плоскости, перпендикулярной широким граням элемента 10.A fifth embodiment of the invention shown in FIG. 14a, characterized in that
Пара дифракционных решеток создает отрицательную дисперсию, обусловленную зависимостью от параметров решетки длины пути и, соответственно, времени задержки различных спектральных составляющих от длины волны. Эта зависимость имеет вид:A pair of diffraction gratings creates a negative dispersion due to the dependence on the lattice parameters of the path length and, accordingly, the delay time of various spectral components on the wavelength. This dependence has the form:
Где:Where:
λ - длина волны;λ is the wavelength;
с - скорость света;c is the speed of light;
n - показатель преломления;n is the refractive index;
dg - шаг решетки;d g is the grid pitch;
θ угол дифракции;θ diffraction angle;
L - длина оптического пути, которое излучение проходит между решетками.L is the length of the optical path that radiation passes between the gratings.
Полная дисперсия, создаваемая пластинчатым оптическим элементом, будет равна алгебраической сумме ДГС определяемым по формулам (3) и (9).The total dispersion created by the plate optical element will be equal to the algebraic sum of the GVD determined by formulas (3) and (9).
Для снижения потерь на дифракционных решетках предпочтительно использовать дифракционную решетку со штрихами симметричной формы, с углом наклона штрихов, при котором излучение 4 нормально падающее на плоскость решетки, подходит к поверхности каждого штриха под углом Брюстера. Для устранения сноса лучей, возникающего на выходе любого действующего на основе угловой дисперсии компенсатора ДГС, может быть использован второй пластинчатый элемент 10, как показано на фиг. 14б. Снос лучей не проявляется, если поперечный размер входного пучка равен толщине пластинчатого оптического элемента 10.To reduce losses on diffraction gratings, it is preferable to use a diffraction grating with strokes of a symmetrical shape, with an angle of inclination of the strokes at which
Шестой вариант реализации предлагаемого изобретения, показанный на фиг. 15а и фиг. 15б, отличается от первого варианта тем, что у пластинчатого элемента 10 срезаны в виде фасок две боковые кромки и на гранях, образованных этими фасками размещены отражательные дифракционные решетки 51 с симметричным профилем штрихов, отклоняющие излучение в плоскости перпендикулярной широким граням элемента 10. Формируемый лазерными компонентами 3 широкополосный лазерный пучок 4 вводится в пластинчатый элемент через узкую грань, лежащую напротив первой отражательной решетки 51 так, чтобы он после преломления на поверхности узкой грани падал на первую отражательную решетку 51 под прямым углом. Вследствие угловой дисперсии происходит разделение излучения, отраженного от первой дифракционной решетки, на спектральные составляющие, которые в виде симметричных волноводных мод идут ко второй дифракционной решетке однотипной с первой. При этом проекция на плоскость широкой грани угла отражения от узких граней 21 зависит от фактических линейных размеров пластинчатого элемента 10 в соответствии с формулой (2); Это обеспечивается за счет среза боковых кромок для размещения дифракционных решеток под углом, зависящим от фактических размеров пластинчатого элемента 10 в соответствии с формулой (2).The sixth embodiment of the invention shown in FIG. 15a and FIG. 15b, differs from the first embodiment in that two lateral edges are cut off in the form of chamfers in the form of
Волноводное распространение спектральных составляющих обеспечивается за счет их отражения от широких граней 23 пластинчатого элемента. При необходимости на эти грани может быть нанесено отражающее покрытие. Параметры дифракционных решеток оптимизируются таким образом, чтобы угол отражения от решетки всех спектральных составляющих превышал угол полного внутреннего отражения для материала, из которого изготовлен пластинчатый элемент 10. Это условие необходимо для того, чтобы обеспечивалось отражение излучения от узких граней, лежащих напротив дифракционных решеток. При выполнении перечисленных условий спектральные составляющие входного излучения подходят ко второй дифракционной решетке 51 с различной задержкой, обеспечивающей компенсацию ДГС?. и отражаются от нее под прямым углом в направлении противоположной узкой грани. После преломления на поверхности этой грани излучение выходит из пластинчатого элемента 10. Для устранения сноса лучей, может быть использован второй пластинчатый элемент 10, как показано на фиг. 15б. Снос лучей не проявляется, если поперечный размер входного пучка равен толщине пластинчатого оптического элемента 10.The waveguide propagation of the spectral components is provided due to their reflection from the wide faces 23 of the plate element. If necessary, a reflective coating may be applied to these faces. The parameters of diffraction gratings are optimized so that the angle of reflection from the grating of all spectral components exceeds the angle of total internal reflection for the material of which the
Седьмой вариант реализации предлагаемого изобретения, показанный на фиг. 16, отличается от пятого или шестого варианта тем, что пластинчатый оптический элемент изготовлен из активированного материала, способного усиливать импульсное лазерное излучение, при этом излучение накачки формируется в виде множества узких пучков и направляется в пластинчатый элемент через широкие грани так, чтобы накачанные участки располагались по пути усиливаемого излучения в плоскости распространения его спектральных составляющих. Такая накачка возможна благодаря тому, что в пятом и шестом вариантах реализации предлагаемого изобретения симметричные спектральные составляющие излучения 6, отражаясь от широких граней, в совокупности образуют длинную ленту, сложенную внутри пластинчатого элемента. Объем активной среды, занимаемый этой лентой, можно накачивать излучением от большого числа лазерных источников накачки узкими сфокусированными лучами большой плотности мощности. Высокая плотность мощности требуется для накачки лазерных сред, используемых для усиления широкополосного импульсного излучения, таких как сапфир, активированный титаном, или материалы, активированные иттербием. Накачка многочисленными узкими пучками позволяет накачивать до режима насыщения достаточно большой объем активной среды по пути распространения усиливаемого излучения с минимальными потерями от влияния вредных термооптических эффектов и/или усиления спонтанного и паразитного излучений. Благодаря большой длине, которую излучение проходит в пластинчатом оптическом элементе суммарная поглощенная энергия накачки может быть достаточно большой. При этом, как правило, стоимость, эффективность и качество излучения большого числа относительно маломощных лазеров накачки выше, чем у единичного лазерного источника с такой же суммарной мощностью.A seventh embodiment of the invention shown in FIG. 16 differs from the fifth or sixth embodiment in that the plate-shaped optical element is made of activated material capable of amplifying pulsed laser radiation, wherein the pump radiation is generated in the form of many narrow beams and is directed into the plate element through wide faces so that the pumped sections are located along ways of amplified radiation in the plane of propagation of its spectral components. Such pumping is possible due to the fact that in the fifth and sixth embodiments of the invention, the symmetric spectral components of the
Эти варианты не исчерпывают возможные примеры реализации предлагаемого лазерного устройства с пластинчатым элементом, используемым для получения и преобразования мощного непрерывного и импульсного лазерного излучения. Специалистам должно быть понятно, как можно использовать предлагаемые технические решения для разработки лазерных устройств, используемых в составе телекоммуникационных, исследовательских или технологических систем.These options do not exhaust the possible examples of the implementation of the proposed laser device with a plate element used to obtain and convert powerful continuous and pulsed laser radiation. Professionals should understand how the proposed technical solutions can be used to develop laser devices used in telecommunication, research or technological systems.
Использованные источникиUsed sources
1. В.Г. Беспалов, С.А. Козлов, В.Н. Крылов, С.Э. Путилин. Фемтосекундная оптика и фемтотехнологии, - СПб: СПбГУ ИТМО 2010 - 234 с. 1. V.G. Bespalov, S.A. Kozlov, V.N. Krylov, S.E. Putilin. Femtosecond optics and femtotechnologies, - St. Petersburg: St. Petersburg State University ITMO 2010 - 234 p.
2. Патентный документ US 20080013587 (аналог).2. Patent document US 20080013587 (analogue).
3. Патентный документ US 20110222289 (прототип).3. Patent document US 20110222289 (prototype).
4. Koechner, W., Solid-State Laser Engineering, Sixth Revised and Updated Edition, 2006, W.T. Rhodes et al., eds.. Springer Science + Business Media.4. Koechner, W., Solid-State Laser Engineering, Sixth Revised and Updated Edition, 2006, W.T. Rhodes et al., Eds .. Springer Science + Business Media.
5. П.Г. Крюков. Лазеры ультракоротких импульсов. «Квантовая электроника», 31, №2 (2001).5. P.G. Hooks. Ultrashort pulse lasers. “Quantum Electronics”, 31, No. 2 (2001).
6. О. Звелто. Принципы лазеров. Под ред. Т.А. Шмаонова. 4_е изд. СПб.: Издательство «Лань», 2008. - 800 с.: ил.6. O. Zvelto. The principles of lasers. Ed. T.A. Shmaonova. 4th ed. St. Petersburg: Publishing House "Lan", 2008. - 800 p.: Ill.
7. Патентный документ US 5485482.7. Patent document US 5485482.
8. Патентный документ US 7130111.8. Patent document US 7130111.
9. Патентный документ US 7535633.9. Patent document US 7535633.
10. Патентный документ US 7949022.10. Patent document US 7949022.
11. Патентный документ RU 2475908.11. Patent document RU 2475908.
12. Патентный документ US 2010/00913 5912. Patent Document US 2010/00913 59
13. Патентный документ US 2013/0250982.13. Patent document US 2013/0250982.
14. U. Levy and Y. Fainman., Dispersion properties of inhomogeneous nanostructures. Vol. 21, No. 5 / May 2004/ J. Opt. Soc. Am. A14. U. Levy and Y. Fainman., Dispersion properties of inhomogeneous nanostructures. Vol. 21, No. 5 / May 2004 / J. Opt. Soc. Am. A
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014125523/28A RU2569904C1 (en) | 2014-06-25 | 2014-06-25 | Laser device having laminar optical element |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014125523/28A RU2569904C1 (en) | 2014-06-25 | 2014-06-25 | Laser device having laminar optical element |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2569904C1 true RU2569904C1 (en) | 2015-12-10 |
Family
ID=54846325
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014125523/28A RU2569904C1 (en) | 2014-06-25 | 2014-06-25 | Laser device having laminar optical element |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2569904C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2635400C1 (en) * | 2016-06-24 | 2017-11-13 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Solid state laser |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2231879C1 (en) * | 2002-10-11 | 2004-06-27 | Закрытое акционерное общество Научно-производственное акционерное общество "ЭПОЛАР" | Multiway amplifier of laser radiation |
| US6822994B2 (en) * | 2001-06-07 | 2004-11-23 | Northrop Grumman Corporation | Solid-state laser using ytterbium-YAG composite medium |
| US6904069B2 (en) * | 2000-12-29 | 2005-06-07 | The Regents Of The University Of California | Parasitic oscillation suppression in solid state lasers using optical coatings |
| US7515625B2 (en) * | 2005-06-21 | 2009-04-07 | National Institute Of Information And Communications Technology, Incorporated Administrative Agency | Multipath laser apparatus using a solid-state slab laser rod |
| WO2014022635A1 (en) * | 2012-08-03 | 2014-02-06 | Stuart Martin A | Slab laser and amplifier and method of use |
-
2014
- 2014-06-25 RU RU2014125523/28A patent/RU2569904C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6904069B2 (en) * | 2000-12-29 | 2005-06-07 | The Regents Of The University Of California | Parasitic oscillation suppression in solid state lasers using optical coatings |
| US6822994B2 (en) * | 2001-06-07 | 2004-11-23 | Northrop Grumman Corporation | Solid-state laser using ytterbium-YAG composite medium |
| RU2231879C1 (en) * | 2002-10-11 | 2004-06-27 | Закрытое акционерное общество Научно-производственное акционерное общество "ЭПОЛАР" | Multiway amplifier of laser radiation |
| US7515625B2 (en) * | 2005-06-21 | 2009-04-07 | National Institute Of Information And Communications Technology, Incorporated Administrative Agency | Multipath laser apparatus using a solid-state slab laser rod |
| WO2014022635A1 (en) * | 2012-08-03 | 2014-02-06 | Stuart Martin A | Slab laser and amplifier and method of use |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2635400C1 (en) * | 2016-06-24 | 2017-11-13 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Solid state laser |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TWI430527B (en) | Q-switching-induced gain-switched erbium pulse laser system | |
| EP2341588A1 (en) | Optical element, laser beam oscillation device and laser beam amplifying device | |
| US9337609B2 (en) | Passively Q-switched element and passively Q-switched laser device | |
| US10359687B2 (en) | Method to generate terahertz radiation and terahertz radiation source | |
| EP2928030B1 (en) | Planar waveguide laser pumping module and planar waveguide wavelength conversion laser device | |
| EP2475055A1 (en) | Pulse-width converting apparatus and optical amplifying system | |
| EP3089287A1 (en) | Flat waveguide-type laser device | |
| Thomson et al. | Efficient operation of a 400 W diode side-pumped Yb: YAG planar waveguide laser | |
| CN111509552A (en) | Passive Q-switched solid laser | |
| CN103036143B (en) | Method and device for laser coherence length continuous adjustment | |
| RU2569904C1 (en) | Laser device having laminar optical element | |
| EP4064467B1 (en) | Planar waveguide amplifier and laser radar device | |
| EP2835881B1 (en) | Optical amplifier arrangement | |
| WO2011027471A1 (en) | Solid laser-exciting module for flat waveguide laser | |
| JP6190318B2 (en) | Laser oscillator | |
| CN113794093B (en) | Multi-wavelength Raman laser | |
| JP2008047790A (en) | Pulse laser apparatus | |
| EP3322049B1 (en) | Planar waveguide type laser device | |
| CN109510059B (en) | Q-switched laser for outputting long pulse | |
| JP4665374B2 (en) | Optical waveguide and laser amplifier | |
| Kurilchik et al. | Characterisation and laser performance of a Yb: LuAG double-clad planar waveguide grown by pulsed laser deposition | |
| RU2632745C2 (en) | Multi-beam laser radiation source and device for handling materials with its use | |
| CN113794092B (en) | High-energy supercontinuum laser | |
| CN104505706B (en) | A kind of 1134nm wavelength Yb：YVO4 femto-second lasers | |
| JP6202316B2 (en) | Chirp pulse amplifier |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160626 |