RU2607839C2 - Multi-pass laser amplifier on disc active element - Google Patents

Multi-pass laser amplifier on disc active element Download PDF

Info

Publication number
RU2607839C2
RU2607839C2 RU2015125271A RU2015125271A RU2607839C2 RU 2607839 C2 RU2607839 C2 RU 2607839C2 RU 2015125271 A RU2015125271 A RU 2015125271A RU 2015125271 A RU2015125271 A RU 2015125271A RU 2607839 C2 RU2607839 C2 RU 2607839C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
active element
laser
optical system
max
passes
Prior art date
Application number
RU2015125271A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2015125271A (en
Inventor
Олег Валентинович Палашов
Иван Борисович Мухин
Евгений Александрович Перевезенцев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН)
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 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН)
Priority to RU2015125271A priority Critical patent/RU2607839C2/en
Publication of RU2015125271A publication Critical patent/RU2015125271A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2607839C2 publication Critical patent/RU2607839C2/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/0602—Crystal lasers or glass lasers
    • H01S3/0604—Crystal lasers or glass lasers in the form of a plate or disc
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/23—Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
    • H01S3/2308—Amplifier arrangements, e.g. MOPA
    • H01S3/2316—Cascaded amplifiers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/23—Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
    • H01S3/2308—Amplifier arrangements, e.g. MOPA
    • H01S3/2325—Multi-pass amplifiers, e.g. regenerative amplifiers

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: multi-pass laser amplifier on disc active element has active element and two optical image transfer system from laser active element back to laser active element. In amplifier angle of normal deviation of active element from optical axis of first optical system, as well as angle between normal to laser active element and axis of second optical system and angle of incidence of input of laser radiation on laser active element are selected so, that number of passes of laser radiation through active element obtained by first optical system is reduced as compared with maximum possible Nmax.
EFFECT: technical result consists in providing resistance to vibrations, increasing of self-excitation limit, increasing efficiency of extraction of stored energy.
1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для эффективного усиления непрерывного и импульсного лазерного излучения.The invention relates to laser technology and can be used to effectively amplify continuous and pulsed laser radiation.

Одним из основных направлений развития современного лазеростроения является увеличение средней мощности излучения как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режиме. Одной из главных проблем, ограничивающих среднюю мощность, является тепловыделение в активных элементах, приводящее к негативным тепловым эффектам: тепловая линза и термодеполяризация (см., например, Мезенов, А.В. Термооптика твердотельных лазеров / А.В. Мезенов, Л.Н. Сомс, А.И. Степанов. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд., 1986. - 199 с; Koechner, W. Solid-state laser engineering / W. Koechner. - Berlin:Springer, 1999), а также увеличение средней по объему температуры, следствием чего могут быть расширение и смещение спектральной линии, уменьшение сечения перехода активного элемента (см., например, Bass, M. The temperature dependence of Nd3+ doped solid-state lasers / M. Bass, L. Weichman, S.Vigil, B.K. Brickeen //IEEE J.Quan. Electron. 2003. V. 39. P. 741-748; Rapaport, A. Temperature dependence of the 1.06-mm stimulated emission cross section of neodymium in YAG and in GSGG / A. Rapaport Α., Ζ. Zha, G. Xiao, A. Howard, M.Bass // Appl. Opt. 2002. V. 41. P. 7052.; Dong, J. Dependence of the Yb3+ emission cross section and lifetime on temperature and concentration in yttrium aluminum garnet / J. Dong, M.Bass, Y. Mao, P. Deng, F. Gan // J. Opt. Soc. Am. B. 2003. V. 20. P. 1975). Перспективным решением данной проблемы является использование активных элементов в форме тонких дисков. Большое отношение площади поверхности к объему позволяет эффективно отводить тепло, а небольшая длина взаимодействия излучения с активным элементом уменьшает самофокусировку. Стандартная схема дискового лазера представлена в работе Giesen, A. Scalable concept for diode-pumped high-power solid-state lasers / A Giesen, H Hügel, A Voss, К Wittig, U Brauch, et al. //Appl.Phys. В. 1994. V. 58. P. 365-372. На сегодняшний день получена средняя мощность излучения с одного диска 10 кВт в многомодовом режиме и 4 кВт в одномодовом (Gottwald, Τ Recent developments in high power thin disk lasers at TRUMPF Laser / Τ Gottwald, V Kuhn, SS Schad, С Stolzenburg, A Killi, et al. (2013) // SPIE Security+Defence. 2013).One of the main directions of development of modern laser engineering is to increase the average radiation power both in continuous and in pulse-periodic mode. One of the main problems limiting the average power is the heat release in the active elements, leading to negative thermal effects: a thermal lens and thermo-depolarization (see, for example, Mezenov, A.V. Thermooptics of solid-state lasers / A.V. Mezenov, L.N. Soames, A.I. Stepanov. - L.: Mechanical Engineering, Leningrad Dep., 1986. - 199 p .; Koechner, W. Solid-state laser engineering / W. Koechner. - Berlin: Springer, 1999), and an increase in the temperature average over the volume, which may result in the expansion and shift of the spectral line, a decrease in the cross section of the transition of the active element (cm ., for example, Bass, M. The temperature dependence of Nd 3+ doped solid-state lasers / M. Bass, L. Weichman, S. Vigil, BK Brickeen // IEEE J. Quan. Electron. 2003. V. 39. P. 741-748; Rapaport, A. Temperature dependence of the 1.06-mm stimulated emission cross section of neodymium in YAG and in GSGG / A. Rapaport Α., Ζ. Zha, G. Xiao, A. Howard, M. Bass // Appl. Opt. 2002. V. 41. P. 7052 .; Dong, J. Dependence of the Yb 3+ emission cross section and lifetime on temperature and concentration in yttrium aluminum garnet / J. Dong, M. Bass, Y . Mao, P. Deng, F. Gan // J. Opt. Soc. Am. B. 2003. V. 20. P. 1975). A promising solution to this problem is the use of active elements in the form of thin disks. A large ratio of surface area to volume allows heat to be effectively removed, and the small interaction length of radiation with the active element reduces self-focusing. A standard disk laser circuit is presented by Giesen, A. Scalable concept for diode-pumped high-power solid-state lasers / A Giesen, H Hügel, A Voss, K. Wittig, U Brauch, et al. //Appl.Phys. B. 1994. V. 58. P. 365-372. To date, the average radiation power from a single drive is 10 kW in multi-mode and 4 kW in single mode (Gottwald, Τ Recent developments in high power thin disk lasers at TRUMPF Laser / Τ Gottwald, V Kuhn, SS Schad, C Stolzenburg, A Killi , et al. (2013) // SPIE Security + Defense. 2013).

Одной из основных проблем активных элементов с малым аспектным соотношением (отношением длины к диаметру) является небольшой относительно стержневой геометрии коэффициент усиления излучения за один проход. В связи с этим возникает необходимость разработки различных оптических схем усилителей с большим количеством проходов через активный элемент. Существует целый ряд многопроходных лазерных усилителей, применяемых для решения данной задачи (см., например, Multipass light amplifier: patent US 5546222: H01S 3/23; H01S 5/40; H01S 5/50; H01S 5/00 / H. Plaessmann, W.M. Grossman, Т.E. Olson; Assignee: Lightwave Electronics Corporation (Mountain View, CA). - Appl. No.: 08/079,640; Filed: 18.06.1993; Publ. 13.08.1996. - 30 p., 3 fig. или Laser amplifier system: application WO 2012150257 A1: H01S 3/06; H01S 3/094 / A. Giesen, M. Larionov, K. Schuhmann; Assignee: Deutsches Zentrum Fuer Luft - und Raumfahrt E.V.; Dausinger & Giesen GMBH; Giesen, Adolf.; Larionov, Mikhail,; Schuhmann, Karsten. - Priority number(s): DE 20111075274; Filed: 05.04.2011; Publ. 08.11.2012. - 47 p., 14 fig.)One of the main problems of active elements with a small aspect ratio (length to diameter ratio) is the radiation gain in one pass, which is relatively small relative to the rod geometry. In this regard, there is a need to develop various optical circuits of amplifiers with a large number of passes through the active element. There are a number of multipass laser amplifiers used to solve this problem (see, for example, Multipass light amplifier: patent US 5546222: H01S 3/23; H01S 5/40; H01S 5/50; H01S 5/00 / H. Plaessmann, WM Grossman, T.E. Olson; Assignee: Lightwave Electronics Corporation (Mountain View, CA) .- Appl. No .: 08 / 079,640; Filed: 06/18/1993; Publ. 08/13/1996. - 30 p., 3 fig . or Laser amplifier system: application WO 2012 150257 A1: H01S 3/06; H01S 3/094 / A. Giesen, M. Larionov, K. Schuhmann; Assignee: Deutsches Zentrum Fuer Luft - und Raumfahrt EV; Dausinger & Giesen GMBH; Giesen , Adolf .; Larionov, Mikhail ,; Schuhmann, Karsten. - Priority number (s): DE 20111075274; Filed: 04/05/2011; Publ. 08.11.2012. - 47 p., 14 fig.)

Наиболее близким по технической сущности заявляемому изобретению является частный случай реализации многопроходного лазерного усилителя с двойным переносом изображения, описанный в патенте Multi-pass optical system for a pump laser: United States Patent Application 2012/0212804 A1, 23.08.2012, Sarkisyan; Samvel et al. - 80p, FIGS. 49A-C, взятый за прототип. The closest in technical essence of the claimed invention is a special case of the implementation of a multi-pass laser amplifier with double image transfer, described in the patent Multi-pass optical system for a pump laser: United States Patent Application 2012/0212804 A1, 08.23.2012, Sarkisyan; Samvel et al. - 80p, FIGS. 49A-C, taken as a prototype.

В данном усилителе при помощи первой оптической системы (фиг. 49, поз. 5701 и 5702) реализуется набор проходов лазерного излучения через активный элемент с базовым количеством проходов лазерного излучения через активный элемент (фиг. 49, поз. 5715-1), определяемым апертурой первой оптической системы и диаметром пучка усиливаемого лазерного излучения (здесь и далее под базовым количеством проходов лазерного излучения через активный элемент подразумевается количество проходов, полученное при помощи только первой оптической системы вплоть до того момента, как излучение попадает во вторую оптическую систему). При помощи второй оптической системы (фиг. 49, поз. 5703 и 5705) удается значительно увеличить количество проходов, насколько это позволяют апертуры первой и второй оптических систем. Основными достоинствами усилителя являются большое количество проходов лазерного излучения через активный элемент, устойчивость к вибрациям и хорошее качество лазерного излучения, достигаемое за счет переноса изображения с активного элемента снова на активный элемент на каждом проходе лазерного излучения через активный элемент. Основным недостатком усилителя является появление эффекта самовозбуждения лазерного усилителя, начиная с некоторого количества проходов лазерного излучения через активный элемент, что не позволяет эффективно извлекать запасенную энергию из активного элемента. При этом еще необходимо отметить, что в предложенной схеме происходит фокусирование излучения параболическим зеркалом (фиг. 49, поз. 5702) на плоское зеркало (фиг. 49, поз. 5705), что на практике приведет к оптическому пробую плоского зеркала и выходу из строя усилителя.In this amplifier, using the first optical system (Fig. 49, items 5701 and 5702), a set of laser radiation passes through the active element with the basic number of laser radiation passes through the active element (Fig. 49, item 5715-1), determined by the aperture, is realized the first optical system and the diameter of the beam of amplified laser radiation (hereinafter, the base number of passes of laser radiation through the active element means the number of passes obtained using only the first optical system up to instant, as radiation enters the second optical system). Using the second optical system (Fig. 49, items 5703 and 5705), it is possible to significantly increase the number of passes, as far as the apertures of the first and second optical systems allow. The main advantages of the amplifier are a large number of passages of laser radiation through the active element, vibration resistance and good quality of laser radiation, achieved by transferring the image from the active element again to the active element at each pass of the laser radiation through the active element. The main disadvantage of the amplifier is the appearance of the self-excitation effect of the laser amplifier, starting with a certain number of passes of laser radiation through the active element, which does not allow efficiently extracting the stored energy from the active element. It should also be noted that in the proposed scheme, the radiation is focused by a parabolic mirror (Fig. 49, pos. 5702) onto a flat mirror (Fig. 49, pos. 5705), which in practice will lead to optical testing of a flat mirror and failure amplifier.

Задачей, на которую направлено изобретение, является создание многопроходного лазерного усилителя на дисковом активном элементе, обладающего устойчивостью к вибрациям и хорошим качеством лазерного излучения, обеспечивающего не меньшее количество проходов, чем прототип, но позволяющего повысить порог самовозбуждения и увеличить эффективность извлечения запасенной энергии.The objective of the invention is to create a multi-pass laser amplifier on a disk active element, which is resistant to vibration and good quality of laser radiation, providing no less passes than the prototype, but allowing to increase the threshold of self-excitation and increase the efficiency of extraction of stored energy.

Технический результат в разработанном многопроходном лазерном усилителе на дисковом активном элементе достигается за счет того, что он содержит активный элемент и две оптические системы для переноса изображения с лазерного активного элемента обратно на лазерный активный элемент с сохранением расходимости и размера пучка лазерного излучения.The technical result in the developed multi-pass laser amplifier based on a disk active element is achieved due to the fact that it contains an active element and two optical systems for transferring the image from the laser active element back to the laser active element while maintaining the divergence and size of the laser beam.

Новым в разработанном многопроходном лазерном усилителе на дисковом активном элементе является то, что угол отклонения нормали активного элемента от оптической оси первой оптической системы, а также угол между нормалью к лазерному активному элементу и осью второй оптической системы и угол падения входного лазерного излучения на лазерный активный элемент выбраны таким образом, что количество проходов лазерного излучения через активный элемент, полученное при помощи первой оптической системы, уменьшается по сравнению с максимально возможным Nmax при имеющихся апертурах оптических элементов, составляющих первую оптическую систему для переноса изображения, и данном размере пучка лазерного излучения, причем для четного Nmax количество проходов уменьшается до Nmax/2, а для нечетного Nmax - до (Nmax+1)/2, при этом количество повторений этих проходов, осуществляемое при помощи второй оптической системы, увеличивается в 2 раза.New in the developed multi-pass laser amplifier based on a disk active element is that the angle of deviation of the normal of the active element from the optical axis of the first optical system, as well as the angle between the normal to the laser active element and the axis of the second optical system and the angle of incidence of the input laser radiation on the laser active element chosen in such a way that the number of passes of laser radiation through the active element obtained using the first optical system decreases compared to the maximum can be N max if available apertures of the optical elements constituting the first optical system for image transfer, and this size laser beam, wherein for even N max the number of passes is reduced to N max / 2, and for odd N max - to (N max +1 ) / 2, while the number of repetitions of these passes, carried out using the second optical system, increases by 2 times.

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами.The invention is illustrated by the following drawings.

На фиг. 1 показан пример реализации многопроходного лазерного усилителя согласно п. 1 формулы.In FIG. 1 shows an example implementation of a multi-pass laser amplifier according to claim 1 of the formula.

На фиг. 2 показан порядок отражения лазерного излучения от сферических зеркал 2 и 5 на фиг. 1.In FIG. 2 shows the order of reflection of laser radiation from spherical mirrors 2 and 5 in FIG. one.

Изобретение определяется формулой и не ограничивается приведенным на фиг. 1, 2 примером частной реализации изобретения.The invention is defined by the claims and is not limited to those shown in FIG. 1, 2 an example of a private implementation of the invention.

В общем случае предлагаемый многопроходный лазерный усилитель на дисковом активном элементе (по п. 1 формулы) содержит активный элемент 1 и две оптические системы для переноса изображения с активного элемента обратно на активный элемент с сохранением расходимости и размера пучка лазерного излучения. Таким образом, в общем случае вид и количество оптических элементов, составляющих упомянутые оптические системы, могут быть разными, главное, чтобы они осуществляли перенос изображения с активного элемента обратно на активный элемент с сохранением расходимости и размера пучка лазерного излучения. Поэтому удобнее рассматривать предлагаемое изобретение на примере его частной реализации.In general, the proposed multi-pass laser amplifier based on a disk active element (according to claim 1) contains an active element 1 and two optical systems for transferring an image from the active element back to the active element while maintaining the divergence and size of the laser beam. Thus, in the general case, the type and number of optical elements that make up the mentioned optical systems can be different, the main thing is that they transfer the image from the active element back to the active element while maintaining the divergence and size of the laser beam. Therefore, it is more convenient to consider the present invention as an example of its private implementation.

Пример частной реализации многопроходного усилителя по п. 1 формулы показан на фиг. 1. Первая оптическая система образована сферическими зеркалами 2 и 3 и плоским зеркалом 4. Сферические зеркала 2 и 3 с радиусом кривизны R1, расположенные на расстоянии R1 друг от друга, являются телескопом, осуществляющим перенос изображения с активного элемента 1 на плоское зеркало 4. Для этого расстояния между активным элементом 1 и сферическим зеркалом 2, а также сферическим зеркалом 3 и плоским зеркалом 4 равны R1/2. Вторая оптическая система образована сферическими зеркалами 5 и 6 и плоским зеркалом 7. Сферические зеркала 5 и 6 с радиусом кривизны R2, расположенные на расстоянии R2 друг от друга, являются телескопом, осуществляющим перенос изображения с активного элемента 1 на плоское зеркало 7. Для этого расстояния между активным элементом 1 и сферическим зеркалом 5, а также сферическим зеркалом 6 и плоским зеркалом 7 равны R2/2.An example of a particular implementation of a multi-pass amplifier according to claim 1 is shown in FIG. 1. The first optical system is formed by spherical mirrors 2 and 3 and a flat mirror 4. Spherical mirrors 2 and 3 with a radius of curvature R 1 located at a distance R 1 from each other are a telescope that transfers images from the active element 1 to a flat mirror 4 For this, the distances between the active element 1 and the spherical mirror 2, as well as the spherical mirror 3 and the planar mirror 4 are equal to R 1/2 . The second optical system is formed by spherical mirrors 5 and 6 and a flat mirror 7. Spherical mirrors 5 and 6 with a radius of curvature R 2 located at a distance of R 2 from each other are a telescope that transfers the image from the active element 1 to a flat mirror 7. For this distance between the active element 1 and the spherical mirror 5 and the spherical mirror 6 and flat mirror 7 are equal to R 2/2.

В общем случае вместо приведенного в примере набора зеркал могут быть использованы другие оптические системы для переноса изображения с активного элемента 1 обратно на него без изменения размера пучка лазерного излучения. При этом расходимость лазерного излучения, отраженного от активного элемента 1 в любой из телескопов, и излучения, пришедшего назад из телескопа, должны совпадать. Например, плоские зеркала 4 и 7 могут стоять вплотную к телескопам и фактически отсутствовать в схеме.In the general case, instead of the set of mirrors shown in the example, other optical systems can be used to transfer the image from the active element 1 back to it without changing the size of the laser beam. In this case, the divergence of the laser radiation reflected from the active element 1 in any of the telescopes and the radiation that came back from the telescope should coincide. For example, flat mirrors 4 and 7 can stand close to the telescopes and actually be absent in the circuit.

Особенность предлагаемого оптического усилителя по п. 1 формулы состоит в уменьшении базового количества проходов лазерного излучения через активный элемент 1 от максимально возможного Nmax до Nmax/2 раз в случае четного Nmax и до (Nmax+1)/2 раз в случае нечетного Nmax и соответствующем увеличении количества повторений базового количества проходов лазерного излучения через активный элемент 1 в 2 раза при помощи второй оптической системы (смотри фиг. 1, 2). Таким образом, общее количество проходов лазерного излучения через активный элемент 1 получается таким же, как в многопроходном лазерном усилителе-прототипе, и хотя количество базовых проходов не является максимально возможным, однако при этом апертуры оптических элементов опять-таки используются наиболее эффективно. Данный усилитель отличается от прототипа большим углом отклонения нормали активного элемента 1 от оптической оси телескопа на базе сферических зеркал 2 и 3 и порядком отражения лазерного излучения от оптических элементов, что позволяет рассчитывать на повышение порога самовозбуждения усилителя и, соответственно, более эффективное извлечение запасенной в активном элементе 1 энергии.A feature of the proposed optical amplifier according to claim 1 of the formula is to reduce the basic number of passes of laser radiation through the active element 1 from the maximum possible N max to N max / 2 times in the case of even N max and up to (N max +1) / 2 times in the case odd N max and a corresponding increase in the number of repetitions of the base number of passes of the laser radiation through the active element 1 2 times using the second optical system (see Fig. 1, 2). Thus, the total number of passes of the laser radiation through the active element 1 is the same as in the multi-pass laser amplifier prototype, and although the number of base passes is not the maximum possible, however, the apertures of the optical elements are again used most effectively. This amplifier differs from the prototype in a large deviation angle of the normal of the active element 1 from the optical axis of the telescope based on spherical mirrors 2 and 3 and the order of reflection of laser radiation from optical elements, which allows one to expect an increase in the threshold of self-excitation of the amplifier and, accordingly, more efficient extraction of the stored in the active element 1 of energy.

Многопроходный лазерный усилитель на дисковом активном элементе, представленный на фиг. 1, работает следующим образом.The multi-pass disk-active laser amplifier shown in FIG. 1, works as follows.

В случае отсутствия тепловой линзы в активном элементе 1 на него падает входящий коллимированный пучок лазерного излучения, проходящий над сферическим зеркалом 2. Далее излучение отражается на сферическое зеркало 2, далее на сферическое зеркало 3, далее на плоское зеркало 4. При этом пучок снова становится коллимированным, а на плоском зеркале 4 появляется изображение пучка, отраженного от активного элемента 1. После отражения от плоского зеркала 4 излучение отражается от сферических зеркал 3 и 2 и попадает снова на активный элемент 1. Таким образом, мы получаем реализуемую с помощью первой оптической системы многопроходную схему, в которой в течение нескольких проходов лазерное излучение всегда приходит в одну и ту же область на активном элементе 1 с одним и тем же профилем и коллимированное. На фиг. 2 показан порядок отражения лазерного излучения от сферических зеркал 2 и 5, приведенных на фиг. 1. В данном примере реализуется три базовых прохода лазерного излучения через активный элемент 1 ((Nmax+1)/2=3), пока лазерное излучение не выйдет над сферическим зеркалом 2 и не попадет на сферическое зеркало 5 (цифра 5 на фиг. 2). После отражения от сферических зеркал 5 и 6 коллимированное лазерное излучение попадает на зеркало 7 с переносом изображения пучка лазерного излучения, отраженного от активного элемента 1. Отражаясь далее от сферических зеркал 6 и 5, лазерное излучение снова попадает в многопроходную схему, но в другом месте над сферическим зеркалом 2 (цифра 6 на фиг. 2). После следующих трех базовых проходов лазерного излучения через активный элемент 1 лазерное излучение снова попадает на сферическое зеркало 5 (цифра 11 на фиг. 2), дважды проходит через телескоп на базе сферических зеркал 5 и 6 и возвращается в многопроходную схему (цифра 12 на фиг. 2). После следующих трех базовых проходов лазерного излучения через активный элемент 1 лазерное излучение снова попадает на сферическое зеркало 5 (цифра 17 на фиг. 2), дважды проходит через телескоп на базе сферических зеркал 5 и 6 и возвращается в многопроходную схему (цифра 18 на фиг. 2). После следующих трех базовых проходов лазерного излучения через активный элемент 1 лазерное излучение снова попадает на сферическое зеркало 5 (цифра 23 на фиг. 2), дважды проходит через телескоп на базе сферических зеркал 5 и 6 и возвращается в многопроходную схему (цифра 24 на фиг. 2). После следующих трех базовых проходов лазерного излучения через активный элемент 1 лазерное излучение покидает усилитель.In the absence of a thermal lens in the active element 1, an incoming collimated laser beam incident on the spherical mirror 2 is incident on it. Next, the radiation is reflected on the spherical mirror 2, then on the spherical mirror 3, then on the flat mirror 4. In this case, the beam again becomes collimated and, on a flat mirror 4, an image of the beam reflected from the active element 1 appears. After reflection from the flat mirror 4, the radiation is reflected from the spherical mirrors 3 and 2 and again falls on the active element 1. Thus all at once, we obtain a multi-pass scheme implemented with the first optical system, in which, over several passes, the laser radiation always arrives in the same region on the active element 1 with the same profile and collimated. In FIG. 2 shows the order of reflection of laser radiation from spherical mirrors 2 and 5 shown in FIG. 1. In this example, three basic passages of laser radiation through the active element 1 ((N max +1) / 2 = 3) are realized until the laser radiation emerges above the spherical mirror 2 and hits the spherical mirror 5 (number 5 in FIG. 2). After reflection from the spherical mirrors 5 and 6, the collimated laser radiation enters the mirror 7 with the image transfer of the laser beam reflected from the active element 1. Reflecting further from the spherical mirrors 6 and 5, the laser radiation again enters the multi-pass circuit, but in a different place above spherical mirror 2 (number 6 in Fig. 2). After the following three basic passages of laser radiation through the active element 1, the laser radiation again enters the spherical mirror 5 (figure 11 in FIG. 2), passes through the telescope twice on the basis of spherical mirrors 5 and 6, and returns to the multi-pass circuit (number 12 in FIG. 2). After the following three basic passes of laser radiation through the active element 1, the laser radiation again enters the spherical mirror 5 (number 17 in FIG. 2), passes through the telescope twice on the basis of spherical mirrors 5 and 6, and returns to the multi-pass circuit (number 18 in FIG. 2). After the next three basic passes of laser radiation through the active element 1, the laser radiation again enters the spherical mirror 5 (number 23 in FIG. 2), passes through the telescope twice on the basis of spherical mirrors 5 and 6, and returns to the multi-pass circuit (number 24 in FIG. 2). After the next three basic passes of the laser radiation through the active element 1, the laser radiation leaves the amplifier.

Усилитель по п. 1, приведенный в примере, может быть модифицирован для случая наличия тепловой линзы в активном элементе 1, что характерно при работе с высокой средней мощностью лазерного излучения. Для этого достаточно нужным образом подобрать расходимость входного лазерного излучения и заменить плоские зеркала 4 и 7 на сферические. Схема прохождения излучения через оптические элементы при этом не изменится.The amplifier according to claim 1, shown in the example, can be modified for the case of the presence of a thermal lens in the active element 1, which is typical when working with a high average laser radiation power. To do this, it is sufficient to select the divergence of the input laser radiation in the necessary way and replace the flat mirrors 4 and 7 with spherical ones. The pattern of radiation passing through the optical elements will not change.

Из приведенного примера частной реализации изобретения видно, что при помощи выбора необходимых углов между нормалью к активному элементу 1 и осями оптических систем, переносящих изображение, а также углов падения излучения на активный элемент 1 можно изменить порядок отражения лазерного излучения от оптических элементов, увеличив базовое количество отражений от активного элемента 1 в сколько угодно большое количество раз, ограниченное лишь габаритами оптических элементов, составляющих оптические системы для переноса изображения, и диаметром пучка лазерного излучения. При этом предлагаемое устройство обладает устойчивостью к вибрациям, хорошим качеством лазерного излучения, поскольку осуществляется перенос изображения с лазерного активного элемента обратно на лазерный активный элемент, и обладает высоким порогом самовозбуждения, что позволяет увеличить эффективность извлечения запасенной энергии.From the above example of a private implementation of the invention, it can be seen that by choosing the necessary angles between the normal to the active element 1 and the axes of the optical systems that carry the image, as well as the angles of incidence of radiation on the active element 1, you can change the order of reflection of laser radiation from optical elements, increasing the base number reflections from the active element 1 in an arbitrarily large number of times, limited only by the dimensions of the optical elements that make up the optical system for image transfer, and ametrom laser beam. Moreover, the proposed device is resistant to vibration, good quality of laser radiation, since the image is transferred from the laser active element back to the laser active element, and has a high threshold of self-excitation, which allows to increase the efficiency of extraction of stored energy.

Таким образом, предлагаемый многопроходный лазерный усилитель на дисковом активном элементе обладает всеми достоинствами прототипа, но при этом позволяет повысить порог самовозбуждения и увеличить эффективность извлечения запасенной энергии.Thus, the proposed multi-pass laser amplifier on a disk active element has all the advantages of a prototype, but it allows you to increase the threshold of self-excitation and increase the efficiency of extraction of stored energy.

Claims (1)

Многопроходный лазерный усилитель на дисковом активном элементе, содержащий активный элемент и две оптические системы для переноса изображения с лазерного активного элемента обратно на лазерный активный элемент с сохранением расходимости и размера пучка лазерного излучения, отличающийся тем, что угол отклонения нормали активного элемента от оптической оси первой оптической системы, а также угол между нормалью к лазерному активному элементу и осью второй оптической системы и угол падения входного лазерного излучения на лазерный активный элемент выбраны таким образом, что количество проходов лазерного излучения через активный элемент, полученное при помощи первой оптической системы, уменьшается по сравнению с максимально возможным Nmax при имеющихся апертурах оптических элементов, составляющих первую оптическую систему для переноса изображения, и данном размере пучка лазерного излучения, причем для четного Nmax количество проходов уменьшается до Nmax/2, а для нечетного Nmax - до (Nmax+1)/2, при этом количество повторений этих проходов, осуществляемое при помощи второй оптической системы, увеличивается в 2 раза.A multi-pass laser amplifier on a disk active element containing an active element and two optical systems for transferring an image from the laser active element back to the laser active element while maintaining the divergence and size of the laser beam, characterized in that the angle of deviation of the normal of the active element from the optical axis of the first optical system, as well as the angle between the normal to the laser active element and the axis of the second optical system and the angle of incidence of the input laser radiation on the laser the obvious element is chosen in such a way that the number of passes of the laser radiation through the active element obtained with the first optical system decreases compared to the maximum possible N max with the available apertures of the optical elements constituting the first optical system for image transfer and the given laser beam size , wherein for even N max the number of passes is reduced to N max / 2, and for odd N max - to (N max +1) / 2, the number of repetitions of these passes, carried by a second opti eskoy system is increased by 2 times.
RU2015125271A 2015-06-25 2015-06-25 Multi-pass laser amplifier on disc active element RU2607839C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015125271A RU2607839C2 (en) 2015-06-25 2015-06-25 Multi-pass laser amplifier on disc active element

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015125271A RU2607839C2 (en) 2015-06-25 2015-06-25 Multi-pass laser amplifier on disc active element

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2015125271A RU2015125271A (en) 2017-01-10
RU2607839C2 true RU2607839C2 (en) 2017-01-20

Family

ID=57955932

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015125271A RU2607839C2 (en) 2015-06-25 2015-06-25 Multi-pass laser amplifier on disc active element

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2607839C2 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100195196A1 (en) * 2009-01-14 2010-08-05 Nowak Krzysztof Laser beam amplifier and laser apparatus using the same
US20120212804A1 (en) * 2009-11-24 2012-08-23 Samvel Sarkisyan Multi-pass optical system for a pump laser
US20140016662A1 (en) * 2011-02-16 2014-01-16 Trumpf Laser Gmbh + Co. Kg Pump light assembly for a disc laser
RU2013146435A (en) * 2013-10-18 2015-04-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) DISK LASER

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100195196A1 (en) * 2009-01-14 2010-08-05 Nowak Krzysztof Laser beam amplifier and laser apparatus using the same
US20120212804A1 (en) * 2009-11-24 2012-08-23 Samvel Sarkisyan Multi-pass optical system for a pump laser
US20140016662A1 (en) * 2011-02-16 2014-01-16 Trumpf Laser Gmbh + Co. Kg Pump light assembly for a disc laser
RU2013146435A (en) * 2013-10-18 2015-04-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) DISK LASER

Also Published As

Publication number Publication date
RU2015125271A (en) 2017-01-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6347109B1 (en) High average power scaleable thin-disk laser
US8014433B2 (en) Laser apparatuses with large-number multi-reflection pump systems
US20070053403A1 (en) Laser cavity pumping configuration
JP5603880B2 (en) Novel optical devices based on conical refraction
EP2475054A1 (en) Collinearly pumped multiple thin disk active medium and its pumping scheme
WO2016182723A1 (en) High pulse energy and high beam quality mini laser
CN103928831A (en) Dot matrix output solid laser based on Dammann grating
US20170117681A1 (en) Solid-state laser
JP2020096180A (en) Solid laser
US8035892B2 (en) Reliable startup of high power thin-disk laser resonators
KR20150079675A (en) Device for amplifying a laser pulse having improved temporal contrast
RU2607839C2 (en) Multi-pass laser amplifier on disc active element
US7003011B2 (en) Thin disk laser with large numerical aperture pumping
KR20180023132A (en) Slab solid laser amplifier
Zapata et al. Composite Thin-Disk Laser Scaleable to 100 kW Average Power Output and Beyond
Glukhikh et al. Powerful solid-state transversely diode-pumped YAG: Nd lasers with improved radiation quality
CN102882117A (en) All-solid-state picosecond laser multipass amplifier
Van Leeuwen et al. VCSEL-pumped passively Q-switched monolithic solid-state lasers
US10574024B2 (en) Optical module, laser amplifier system, method and use
WO2004098001A2 (en) Zigzag slab laser amplifier with integral reflective surface and method
RU2105399C1 (en) Solid-body laser which is pumped by laser diodes
RU74011U1 (en) SOLID LASER PUMPED WITH LASER DIODES
JP2019207989A (en) Laser device
CN110932077B (en) End pump multi-pass lath laser amplifier
Li et al. Multiplexing and Amplification of 2-$\mu\text {m} $ Vortex Beams With a Ho: YAG Rod Amplifier

Legal Events

Date Code Title Description
TK4A Correction to the publication in the bulletin (patent)

Free format text: AMENDMENT TO CHAPTER -FG4A- IN JOURNAL: 02-2017 FOR TAG: (45)

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

Effective date: 20190626