RU2626723C2 - Solid amplifier of laser radiation with diode pump with large amplification coefficient and high average power - Google Patents
Solid amplifier of laser radiation with diode pump with large amplification coefficient and high average power Download PDFInfo
- Publication number
- RU2626723C2 RU2626723C2 RU2015147452A RU2015147452A RU2626723C2 RU 2626723 C2 RU2626723 C2 RU 2626723C2 RU 2015147452 A RU2015147452 A RU 2015147452A RU 2015147452 A RU2015147452 A RU 2015147452A RU 2626723 C2 RU2626723 C2 RU 2626723C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- active element
- solid
- radiation
- pump radiation
- optical system
- Prior art date
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
- H01S3/061—Crystal lasers or glass lasers with elliptical or circular cross-section and elongated shape, e.g. rod
Landscapes
- Lasers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для усиления непрерывного, импульсного или импульсно-периодического лазерного излучения. Устройство может быть использовано в качестве конечного усилителя для увеличения мощности задающих лазерных генераторов, а также в качестве предусилителя в крупных высокомощных лазерных установках. В том числе устройство может быть применено для усиления излучения волоконного лазера.The invention relates to laser technology and can be used to amplify continuous, pulsed or pulsed-periodic laser radiation. The device can be used as a final amplifier for increasing the power of master laser oscillators, as well as as a preamplifier in large high-power laser systems. Including the device can be used to amplify the radiation of a fiber laser.
Твердотельные лазерные усилители с диодной накачкой - это бурно развивающаяся технология современной лазерной техники. Основными требованиями, предъявляемыми к данным устройствам, является возможность работы при высокой средней и пиковой мощности и большое усиление. Кроме того, такие усилители должны быть стабильны и надежны, а для этого они должны иметь простую оптическую схему и не подвергаться влиянию тепловых эффектов. Важнейшим параметром при разработке усилителя является выбор геометрии активного элемента, позволяющей сочетать эффективное усиление сигнала и эффективное охлаждение активной среды, необходимое для работы при высокой средней мощности. Можно выделить три наиболее успешных геометрии активного элемента: тонкий стержень, тонкий слэб и тонкий диск.Solid-state laser amplifiers with diode pumping is a rapidly developing technology of modern laser technology. The main requirements for these devices is the ability to work with high average and peak power and high gain. In addition, such amplifiers must be stable and reliable, and for this they must have a simple optical circuit and not be affected by thermal effects. The most important parameter in the design of the amplifier is the choice of the geometry of the active element, which allows combining the effective amplification of the signal and the effective cooling of the active medium, necessary for operation at high average power. Three most successful geometries of the active element can be distinguished: a thin rod, a thin slab, and a thin disk.
Известны усилители, в которых в качестве активного элемента использованы тонкие стержни, в роли которых выступает оптическое волокно (см., например, заявку JP 2012104748 (А) МПК H01S 3/04, 3/067, опубл. 31.05.2012; патент JP 4793311 (В2) МПК H01S 3/06 публ. 23.10.2008). Усилители на тонком стержне (X. 
Усилители на тонких дисках способны работать при средней мощности более 1 кВт и выдерживать импульсы энергией 1 Дж, но обладают очень малым усилением за проход (~1.15). Это вынуждает использовать разные варианты многопроходных и регенеративных схем усилителя, что существенно усложняет и удорожает устройство (см., например, М. Larionov et. Al., ASSL-2014 OSA Technical Digest, p. ATh2A.51; пат. US 8908737 МПК H01S 3/16, 3/042, 3/06 опубл. 09.12.2014).Thin-disk amplifiers are capable of operating at an average power of more than 1 kW and can withstand pulses of 1 J energy, but have very low gain per pass (~ 1.15). This forces the use of different versions of multipass and regenerative amplifier circuits, which significantly complicates and increases the cost of the device (see, for example, M. Larionov et. Al., ASSL-2014 OSA Technical Digest, p. ATh2A.51; US Pat. US 8908737 IPC
В геометрии тонкого слэба поперечный размер пучка сигнального излучения ограничен лишь по одной координате, что позволяет наращивать энергию импульсов и среднюю мощность на выходе усилителя. При этом благодаря существенной длине пути излучения в кристалле достигается большое усиление за один проход. Таким образом, усилители на тонком слэбе представляют собой перспективную технологию с большим потенциалом развития в области лазеров высокой средней и пиковой мощности.In the geometry of a thin slab, the transverse size of the signal beam is limited by only one coordinate, which allows one to increase the pulse energy and the average output power of the amplifier. Moreover, due to the significant length of the radiation path in the crystal, a large gain is achieved in one pass. Thus, thin-slab amplifiers are a promising technology with great development potential in the field of high average and peak power lasers.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является взятый за прототип твердотельный усилитель лазерного излучения с большим коэффициентом усиления и высокой средней мощностью на основе твердотельного активного элемента геометрии тонкого слэба с продольной диодной накачкой (патент US 6351477 МПК H01S 3/042, 3/067, опубл. 26.02.2002). Такой усилитель часто называют усилителем на «Иннослэбе». Он используется как в однопроходной, так и в многопроходной конфигурациях (Russbueldt et. al. "Compact diode-pumped 1.1 kW Yb:YAG Innoslab femtosecond amplifier", Optics letters 35 (24) pp. 4169-4171 (2010).The closest in technical essence to the claimed device is a solid-state laser amplifier with a high gain and high average power taken as a prototype based on the solid-state active element of the thin slab geometry with longitudinal diode pumping (patent US 6351477 IPC
Конструкция однопроходного усилителя включает твердотельный активный элемент, систему охлаждения активного элемента, один или два диодных источника излучения накачки, оптическую систему для формирования и заведения излучения накачки в твердотельный активный элемент, оптическую систему для заведения усиливаемого лазерного излучения в твердотельный активный элемент, а также оптическую систему для вывода усиливаемого лазерного излучения из усилителя.The design of a single-pass amplifier includes a solid-state active element, a cooling system for the active element, one or two diode pump radiation sources, an optical system for generating and introducing pump radiation into a solid-state active element, an optical system for introducing amplified laser radiation into a solid-state active element, and an optical system to output the amplified laser radiation from the amplifier.
Твердотельный активный элемент выполнен в форме тонкого прямоугольного параллелепипеда - слэба. Две торцевые грани служат для ввода в твердотельный активный элемент и вывода из твердотельного активного элемента излучения накачки и усиливаемого лазерного излучения. Две большие боковые грани активного элемента служат для его охлаждения. Оптические системы для заведения излучения накачки и усиливаемого лазерного излучения в активный элемент обеспечивают их свободное распространение и максимальное перекрытие в активном элементе, а также максимальное заполнение объема активного элемента излучением. Благодаря тому, что активный элемент имеет малую толщину, он эффективно охлаждается, и, следовательно, усилитель может работать при высокой средней мощности. Для заведения усиливаемого лазерного излучения в усилитель и вывода усиливаемого лазерного излучения из усилителя используются дихроичные зеркала, разделяющие в пространстве излучение накачки и усиливаемое излучение.The solid-state active element is made in the form of a thin rectangular parallelepiped - slab. Two end faces are used to enter into the solid-state active element and output from the solid-state active element pump radiation and amplified laser radiation. Two large side faces of the active element serve to cool it. Optical systems for introducing pump radiation and amplified laser radiation into the active element provide their free propagation and maximum overlap in the active element, as well as maximum filling of the volume of the active element with radiation. Due to the fact that the active element has a small thickness, it is effectively cooled, and, therefore, the amplifier can operate at high average power. For introducing amplified laser radiation into the amplifier and outputting the amplified laser radiation from the amplifier, dichroic mirrors are used that separate the pump radiation and the amplified radiation in space.
Первый недостаток прототипа заключается в том, что погонное усиление в дальней по ходу распространения излучения накачки части слэба существенно меньше, чем в ближней. Это объясняется тем, что по мере распространения излучения накачки в активном элементе происходит поглощение этого излучения, и его интенсивность существенно уменьшается от той части слэба, куда вводилось излучение накачки до противоположного конца слэба. Снижение интенсивности накачки ограничивает усиление в активном элементе. Для устранения этого недостатка обычно используют схему усилителя, где излучение накачки заводится в активный элемент с двух противоположных торцов. Это можно реализовать, используя два отдельных источника излучения накачки или разделяя идущий от одного источника пучок накачки на два. Такое решение существенно усложняет конструкцию усилителя.The first disadvantage of the prototype is that the linear gain in the far part of the slab along the propagation of the pump radiation is substantially less than in the near one. This is explained by the fact that, as the pump radiation propagates in the active element, this radiation is absorbed, and its intensity decreases significantly from the part of the slab where the pump radiation was introduced to the opposite end of the slab. A decrease in the pump intensity limits the gain in the active element. To eliminate this drawback, an amplifier circuit is usually used, where pump radiation is introduced into the active element from two opposite ends. This can be realized using two separate pump radiation sources or by dividing the pump beam coming from one source into two. This solution significantly complicates the design of the amplifier.
Второй недостаток прототипа заключается в том, что эффективность извлечения мощности из ближней по ходу распространения усиливаемого лазерного излучения части слэба существенно меньше, чем из дальней. Это связано с тем, что интенсивность усиливаемого лазерного излучения в ближней по ходу распространения части слэба существенно ниже, чем в дальней из-за усиления. В результате в усилителе, где усиливаемое излучение проходит через активный элемент только один раз, мощность извлекается малоэффективно. Для решения этой проблемы обычно используют схему усилителя, в которой усиливаемое излучение проходит через активный элемент несколько раз, что также существенно усложняет конструкцию усилителя.The second disadvantage of the prototype is that the efficiency of power extraction from the near part along the propagation of amplified laser radiation part of the slab is significantly less than from the far. This is due to the fact that the intensity of the amplified laser radiation in the near part of the slab along the propagation path is significantly lower than in the far part due to amplification. As a result, in the amplifier, where the amplified radiation passes through the active element only once, the power is extracted inefficiently. To solve this problem, an amplifier circuit is usually used, in which the amplified radiation passes through the active element several times, which also significantly complicates the design of the amplifier.
Третий недостаток прототипа заключается в том, что при усилении лазерных импульсов до больших энергий В-интеграл усилителя и вероятность оптического пробоя в толще активного элемента или на его торцах существенно возрастают. Это связано с тем, что энергия импульса при распространении в активном элементе растет, а размер пучка излучения остается неизменным. Поэтому энергия и пиковая мощность импульсов на выходе усилителя ограничены. Для увеличения мощности импульсов излучения можно использовать схему усиления чирпированных импульсов, но это существенно усложняет и удорожает конструкцию усилителя.The third disadvantage of the prototype is that when laser pulses are amplified to high energies, the B-integral of the amplifier and the probability of optical breakdown in the thickness of the active element or at its ends increase significantly. This is due to the fact that the pulse energy during propagation in the active element increases, and the size of the radiation beam remains unchanged. Therefore, the energy and peak power of the pulses at the output of the amplifier are limited. To increase the power of radiation pulses, you can use the amplified circuit of chirped pulses, but this significantly complicates and increases the cost of the amplifier design.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка способного работать при высокой средней и пиковой мощности твердотельного усилителя лазерного излучения, который обеспечивал бы большой коэффициент усиления и эффективное извлечение запасенной мощности вдоль всей длины активного элемента усилителя при одном проходе усиливаемого лазерного излучения и излучения накачки через активный элемент усилителя.The problem to which the present invention is directed, is to develop a solid-state laser amplifier capable of operating at high average and peak power, which would provide a large gain and efficient extraction of the stored power along the entire length of the active element of the amplifier with one pass of amplified laser radiation and pump radiation through the active element of the amplifier.
Технический результат в предлагаемом изобретении достигается за счет того, что предложенный твердотельный усилитель лазерного излучения с диодной накачкой с большим коэффициентом усиления и высокой средней мощностью, так же как и устройство-прототип, содержит, по крайней мере, один основанный на лазерных диодах источник излучения накачки, твердотельный активный элемент в форме шестигранника с двумя параллельными торцевыми гранями, служащими для ввода излучения в активный элемент и вывода излучения из активного элемента и изготовленными в форме тонких прямоугольников, расположенных так, что оптическая ось усилителя проходит через центры торцевых граней и перпендикулярна им, с двумя другими противоположными друг другу большими боковыми гранями в форме равных прямоугольников, служащими для отвода тепла от активного элемента, систему охлаждения указанных больших боковых граней активного элемента, оптическую систему для формирования пучка излучения накачки и заведения его в твердотельный активный элемент, оптическую систему для формирования пучка усиливаемого лазерного излучения и заведения его в твердотельный активный элемент, а также оптическую систему для вывода усиливаемого лазерного излучения из усилителя.The technical result in the present invention is achieved due to the fact that the proposed solid-state laser amplifier with diode pumping with a high gain and high average power, as well as the prototype device, contains at least one laser radiation source based on diodes , a solid-state active element in the form of a hexagon with two parallel end faces, used to introduce radiation into the active element and output radiation from the active element and is made of shaped in the form of thin rectangles arranged so that the optical axis of the amplifier passes through the centers of the end faces and is perpendicular to them, with two other opposing large side faces in the form of equal rectangles, which serve to remove heat from the active element, the cooling system of these large side faces active element, an optical system for forming a pump beam and introducing it into a solid-state active element, an optical system for forming a beam of amplified laser radiation and introducing it into a solid-state active element, as well as an optical system for outputting amplified laser radiation from an amplifier.
Новым в разработанном твердотельном усилителе лазерного излучения с диодной накачкой с большим коэффициентом усиления и высокой средней мощностью является то, что ширина торцевых граней активного элемента разная, при этом оптическая система для заведения излучения накачки в твердотельный активный элемент расположена со стороны большей торцевой грани, а оптическая система для заведения усиливаемого лазерного излучения в твердотельный активный элемент расположена со стороны меньшей торцевой грани. Большие боковые грани активного элемента покрыты отражающим материалом, что обеспечивает волноводное распространение излучения накачки в части активного элемента со стороны меньшей торцевой грани.New in the developed solid-state laser amplifier with diode pumping with a high gain and high average power is that the width of the end faces of the active element is different, while the optical system for introducing pump radiation into the solid-state active element is located on the side of the larger end face, and the optical a system for introducing amplified laser radiation into a solid-state active element is located on the side of a smaller end face. Large lateral faces of the active element are covered with reflective material, which ensures waveguide propagation of pump radiation in the part of the active element from the side of the smaller end face.
В первом частном случае реализации разработанного устройства целесообразно в качестве отражающего материала выбрать металл.In the first particular case of the implementation of the developed device, it is advisable to choose metal as the reflective material.
В другом частном случае реализации изобретения в качестве отражающего материала целесообразно выбрать диэлектрик с меньшим, чем у твердотельного активного элемента, показателем преломления. Диэлектрическая оболочка обеспечивает волноводное распространение излучения накачки за счет эффекта полного внутреннего отражения на границе твердотельного активного элемента и диэлектрика. При этом оптическую систему для заведения излучения накачки в твердотельный активный элемент следует выполнить так, чтобы угол падения излучения накачки на границу твердотельного активного элемента и отражающего материала был больше критического угла полного внутреннего отражения.In another particular case of the invention, it is advisable to choose a dielectric with a lower refractive index than that of a solid-state active element. The dielectric sheath provides waveguide propagation of pump radiation due to the effect of total internal reflection at the interface between the solid-state active element and the dielectric. In this case, the optical system for introducing pump radiation into the solid-state active element should be performed so that the angle of incidence of the pump radiation at the interface between the solid-state active element and the reflecting material is greater than the critical angle of total internal reflection.
В третьем частном случае реализации изобретения в качестве отражающего материала целесообразно использовать непосредственно слой жидкости, циркулирующей в системе охлаждения и имеющей меньший показатель преломления, чем у активного элемента. Жидкостная оболочка обеспечивает волноводное распространение излучения накачки за счет эффекта полного внутреннего отражения на границе твердотельного активного элемента и слоя охлаждающей жидкости. Оптическую систему для заведения излучения накачки в твердотельный активный элемент в таком случае следует изготовить так, чтобы угол падения излучения накачки на границу твердотельного активного элемента и отражающего материала был больше критического угла полного внутреннего отражения.In the third particular case of the invention, it is advisable to use directly a layer of liquid circulating in the cooling system and having a lower refractive index than the active element as a reflecting material. The liquid shell provides waveguide propagation of pump radiation due to the effect of total internal reflection at the interface between the solid-state active element and the coolant layer. In this case, the optical system for introducing pump radiation into the solid-state active element should be made so that the angle of incidence of the pump radiation at the interface between the solid-state active element and the reflecting material is greater than the critical angle of total internal reflection.
Сущность изобретения поясняется следующими чертежами.The invention is illustrated by the following drawings.
На фиг. 1 представлена геометрия твердотельного активного элемента, используемого в предлагаемом изобретении.In FIG. 1 shows the geometry of a solid-state active element used in the present invention.
На фиг. 2 представлена в общем виде используемая авторами схема предлагаемого усилителя лазерного излучения.In FIG. 2 presents a general view of the scheme used by the authors of the proposed laser amplifier.
Используемый в заявленном устройстве твердотельный активный элемент 1, изготовленный в форме шестигранника и показанный на фиг. 1, содержит торцевые грани 2 и 3, выполненные в виде тонких прямоугольников разной ширины, параллельных друг другу и перпендикулярных оптической оси усилителя (оси Z), а также большие боковые грани 4 в форме равных прямоугольников.The solid-state
Конструкция разработанного лазерного усилителя, представленная на фиг. 2, содержит основанный на лазерных диодах источник излучения накачки 5, расположенный перед оптической системой 6, представляющей собой набор сферических и цилиндрических линз и используемой для формирования заданных параметров пучка излучения накачки и заведения этого пучка в твердотельный активный элемент 1 со стороны большей торцевой грани 3. Со стороны меньшей торцевой грани 2 активного элемента 1 расположена оптическая система 7 для заведения усиливаемого лазерного излучения внутрь активного элемента 1. В качестве оптической системы 7 используется определенный набор сферических и цилиндрических линз, формирующих лазерный пучок с требуемыми параметрами. Большие боковые грани 4 активного элемента 1 покрыты отражающим материалом 8, обеспечивающим волноводное распространение излучения накачки в части активного элемента 1 со стороны меньшей торцевой грани 2. Для отведения тепла с боковых граней 4 вокруг активного элемента 1 размещена система охлаждения 9.The design of the developed laser amplifier shown in FIG. 2, contains a
В частном случае реализации заявленного изобретения в качестве отражающего материала 8 используется металл, например золото или серебро, которые обладают наилучшим коэффициентом отражения.In the particular case of the implementation of the claimed invention as a
В другом частном случае изготовления усилителя согласно п. 3 формулы материал 8, покрывающий боковые грани 4, выполнен из диэлектрика, имеющего меньший показатель преломления, чем у твердотельного активного элемента 1, например, в качестве диэлектрика в частном случае может быть использовано кварцевое стекло. Использование диэлектрика предпочтительнее по сравнению с металлами, т.к. при отражении излучения от металла неизбежно возникают потери.In another particular case of manufacturing an amplifier according to
В усилителе лазерного излучения по п. 4 формулы использована жидкостная система охлаждения 9. При этом отвод тепла от больших боковых граней 4 твердотельного активного элемента 1 происходит за счет постоянного перемещения охлаждающей жидкости с меньшим показателем преломления, чем у активного элемента 1, вдоль поверхностей граней 4. В этом случае в качестве отражающего материала 8, обеспечивающего волноводное распространение излучения накачки, выступает непосредственно слой жидкости, циркулирующей в системе охлаждения 9. В усилителе лазерного излучения по пп. 3 и 4 формулы оптическая система 6 для заведения излучения накачки в твердотельный активный элемент 1 устроена так, чтобы угол падения излучения накачки на границу твердотельного активного элемента 1 и слоя 8 отражающего материала был больше критического угла полного внутреннего отражения.In the laser radiation amplifier according to
Между оптической системой 6 и торцом 3 активного элемента 1 расположено дихроичное зеркало 10, разделяющее излучение накачки и усиливаемое лазерное излучение.A
Работа устройства осуществляется следующим образом.The operation of the device is as follows.
Излучение основанного на лазерных диодах источника накачки 5 заводится в твердотельный активный элемент 1 с помощью оптической системы 6 для заведения излучения накачки. Оптическая система 6 для заведения излучения накачки направляет его на большую торцевую грань 3 твердотельного активного элемента 1, при этом формируя пучок накачки таким образом, чтобы на грани 3 форма пучка повторяла форму этой грани, а размер пучка был меньше, чем размер грани 3. В более широкой части активного элемента 1 около грани 3 излучение накачки распространяется свободно, а в остальной части активного элемента 1 по мере его сужения - волноводным образом за счет многократного отражения излучения накачки от отражающего материала 8.The radiation based on laser diodes of the
Мощность излучения накачки (Ppump) по мере распространения в твердотельном активном элементе 1 (по оси z) спадает по экспоненциальному закону из-за поглощения:The pump radiation power (P pump ) as it propagates in the solid-state active element 1 (along the z axis) decreases exponentially due to absorption:
Ppump(z)=Ppump0exp(-αpumpz),P pump (z) = P pump0 exp (-α pump z),
где Ppump0 - мощность излучения накачки на входе в твердотельный активный элемент 1, αpump - коэффициент поглощения. При этом площадь сечения твердотельного активного элемента 1 уменьшается вдоль оси z по линейному закону:where P pump0 - the power of the pump radiation entering the solid
где hbig - ширина большей торцевой грани 3 твердотельного активного элемента 1, hsmall - ширина меньшей торцевой грани 2 твердотельного активного элемента 1, L - длина твердотельного активного элемента 1, d - ширина твердотельного активного элемента 1 (см. фиг. 1). В области твердотельного активного элемента 1, где излучение накачки распространяется волноводным образом, площадь сечения пучка накачки равна площади сечения твердотельного активного элемента 1:where h big is the width of the
Spump(z)=S(z).S pump (z) = S (z).
Интенсивность излучения накачки в каждой точке вдоль оси z находится по формуле:The intensity of the pump radiation at each point along the z axis is found by the formula:
Размеры твердотельного активного элемента 1 подбираются таким образом, чтобы интенсивность излучения накачки практически не зависела от z, т.е. мало менялась вдоль всей длины L активного элемента 1. Такую зависимость можно реализовать различными способами. Например, из формулы следует, что интенсивность накачки на торцевых гранях 2 и 3 твердотельного активного элемента 1 будет одинаковой при выполнении условия:The dimensions of the solid-state
Это позволяет создать равномерное распределение погонного коэффициента усиления вдоль оси z в длинном твердотельном активном элементе 1, используя схему усилителя, где излучение накачки заводится в твердотельный активный элемент 1 только с одного торца 3. Таким образом, можно достигнуть большого коэффициента усиления, используя простую систему заведения излучения накачки в активный элемент 1.This allows you to create a uniform distribution of linear gain along the z axis in the long solid-state
Усиливаемое лазерное излучение заводится в твердотельный активный элемент 1 с помощью оптической системы 7 и распространяется в твердотельном активном элементе 1 свободным образом. Оптическая система 7 для заведения усиливаемого лазерного излучения направляет его на меньшую торцевую грань 2 элемента 1 и формирует пучок излучения следующим образом. Форма падающего на грань 2 лазерного пучка повторяет форму грани 2, но размер самого пучка оказывается меньше размера упомянутой грани. По мере своего распространения в твердотельном активном элементе 1 размер пучка усиливаемого лазерного излучения увеличивается пропорционально увеличению поперечного размера твердотельного активного элемента 1. Таким образом, размер пучка усиливаемого лазерного излучения по любому направлению в плоскости, перпендикулярной оси Z, должен быть прямо пропорционален размеру активного элемента 1. Для оптимального извлечения запасенной мощности из твердотельного активного элемента 1 при минимальных дифракционных потерях на его краях коэффициент пропорциональности k должен составлять 0,6-0,8.The amplified laser radiation is introduced into the solid-state
Площадь сечения пучка усиливаемого лазерного излучения в твердотельном активном элементе 1 прямо пропорциональна площади сечения S(z) твердотельного активного элемента 1 в каждой точке вдоль оси z:The cross-sectional area of the amplified laser beam in the solid-state
Slas(z)=k2⋅S(z)S las (z) = k 2 ⋅S (z)
Мощность усиливаемого лазерного излучения Plas по мере распространения в твердотельном активном элементе 1 (против оси z) растет по экспоненциальному закону из-за усиления:The power of the amplified laser radiation P las as it propagates in the solid-state active element 1 (against the z axis) increases exponentially due to amplification:
Plas=Plas0exp(αlas(L-z)),P las = P las0 exp (α las (Lz)),
где Plas0 - мощность усиливаемого лазерного излучения на входе в твердотельный активный элемент 1, αlas - коэффициент усиления. С учетом того, что площадь сечения твердотельного активного элемента 1 против оси z увеличивается по линейному закону, интенсивность усиливаемого лазерного излучения в каждой точке вдоль оси z находится по формуле:where P las0 - the power of the amplified laser radiation at the inlet of a solid-state
Таким образом, интенсивность усиливаемого лазерного излучения зависит от z существенно слабее, чем в геометрии устройства-прототипа. Благодаря этому запасенная мощность эффективно извлекается вдоль всей длины твердотельного активного элемента 1. Это позволяет использовать схему усилителя, в которой усиливаемое лазерное излучение проходит через твердотельный активный элемент 1 только один раз. Таким образом, оптическая система 7 для заведения усиливаемого лазерного излучения в твердотельный активный элемент 1 существенно упрощается.Thus, the intensity of the amplified laser radiation depends on z significantly weaker than in the geometry of the prototype device. Due to this, the stored power is effectively extracted along the entire length of the solid-state
Кроме того, при усилении лазерных импульсов до больших энергий увеличение размера пучка усиливаемого лазерного излучения по мере распространения в твердотельном активном элементе 1 позволяет уменьшить В-интеграл усилителя и вероятность оптического пробоя в толще твердотельного активного элемента 1 и на его торцах 2 и 3. Благодаря этому усилитель может быть использован без схемы усиления чирпированных импульсов для получения импульсов с большой энергией.In addition, when amplifying laser pulses to high energies, increasing the size of the beam of amplified laser radiation as it propagates in the solid-state
Разделение излучения накачки и усиливаемого лазерного излучения осуществляется с применением дихроичного зеркала 10, которое пропускает излучение накачки и отражает усиливаемое лазерное излучение или наоборот.The separation of the pump radiation and the amplified laser radiation is carried out using a
В конкретной реализации заявленного изобретения в качестве активного элемента использовался кристалл алюмоиттриевого граната, легированного ионами Yb3+ с концентрацией ионов 1 ат. % следующей геометрии: входная торцевая грань 3 - прямоугольник с длинами сторон 0,3 мм на 10 мм, выходная торцевая грань 2 - прямоугольник с длинами сторон 1,5 мм на 10 мм. Длина кристалла L - 30 мм. В качестве накачки использованы несколько параллельных диодных линеек общей мощностью несколько сот ватт.In a specific implementation of the claimed invention, an yttrium-aluminum garnet crystal doped with Yb3 + ions with an ion concentration of 1 at. % of the following geometry:
Таким образом, предлагаемый усилитель лазерного излучения за счет специальной геометрии активного элемента способен работать при высокой средней и пиковой мощности с высоким качеством пучка, обеспечивать большой коэффициент усиления и эффективное извлечение запасенной мощности вдоль всей длины активного элемента при одном проходе излучения накачки и усиливаемого лазерного излучения через активный элемент усилителя. Кроме того, в таком однопроходном усилителе лазерного излучения отпадает необходимость использования нескольких источников накачки и сложных оптических систем для заведения и разделения пучков лазерного излучения и излучения накачки, а также схемы усиления чирпированных импульсов, что существенно упрощает и удешевляет конструкцию усилителя.Thus, the proposed laser radiation amplifier due to the special geometry of the active element is able to operate at high average and peak power with high beam quality, provide a large gain and efficient extraction of the stored power along the entire length of the active element with a single pass of pump radiation and amplified laser radiation through active element of the amplifier. In addition, in such a single-pass laser amplifier, there is no need to use several pump sources and complex optical systems to establish and separate the laser and pump beams, as well as the amplified circuit of chirped pulses, which greatly simplifies and cheapens the design of the amplifier.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015147452A RU2626723C2 (en) | 2015-11-05 | 2015-11-05 | Solid amplifier of laser radiation with diode pump with large amplification coefficient and high average power |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015147452A RU2626723C2 (en) | 2015-11-05 | 2015-11-05 | Solid amplifier of laser radiation with diode pump with large amplification coefficient and high average power |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2015147452A RU2015147452A (en) | 2017-05-12 |
| RU2626723C2 true RU2626723C2 (en) | 2017-07-31 |
Family
ID=58715586
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015147452A RU2626723C2 (en) | 2015-11-05 | 2015-11-05 | Solid amplifier of laser radiation with diode pump with large amplification coefficient and high average power |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2626723C2 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2712966C1 (en) * | 2019-04-10 | 2020-02-03 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) | High-gain laser radiation amplifier, with high average and peak power and high output beam quality |
| RU2733944C1 (en) * | 2019-12-12 | 2020-10-08 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) | Laser radiation amplifier with high average power and high pulse energy |
| RU2753476C1 (en) * | 2020-12-07 | 2021-08-17 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) | Solid-state laser light amplifier with high average power and good output beam quality |
| RU216498U1 (en) * | 2022-09-19 | 2023-02-09 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Научно-Производственное Предприятие "Инжект" | diode pumping |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1992010014A1 (en) * | 1990-11-30 | 1992-06-11 | Nkt A/S | A method and apparatus for amplifying an optical signal |
| US20020105997A1 (en) * | 1993-05-28 | 2002-08-08 | Tong Zhang | Multipass geometry and constructions for diode-pumped solid-state lasers and fiber lasers, and for optical amplifier and detector |
| WO2009043968A1 (en) * | 2007-10-03 | 2009-04-09 | Optoelectronics Research Centre, Tampere University Of Technology | Active optical fiber and method for fabricating an active optical fiber |
| US20100086001A1 (en) * | 2004-11-26 | 2010-04-08 | Manni Jeffrey G | High-Gain Diode-Pumped Laser Amplifier |
| RU98847U1 (en) * | 2010-06-02 | 2010-10-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский Государственный политехнический университет" (ГОУ "СПбГПУ") | SOLID LASER |
| EP2843450A1 (en) * | 2013-08-28 | 2015-03-04 | Ofs Fitel Llc, A Delaware Limited Liability Company | High-power liquid-cooled pump and signal combiner |
-
2015
- 2015-11-05 RU RU2015147452A patent/RU2626723C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1992010014A1 (en) * | 1990-11-30 | 1992-06-11 | Nkt A/S | A method and apparatus for amplifying an optical signal |
| US20020105997A1 (en) * | 1993-05-28 | 2002-08-08 | Tong Zhang | Multipass geometry and constructions for diode-pumped solid-state lasers and fiber lasers, and for optical amplifier and detector |
| US20100086001A1 (en) * | 2004-11-26 | 2010-04-08 | Manni Jeffrey G | High-Gain Diode-Pumped Laser Amplifier |
| WO2009043968A1 (en) * | 2007-10-03 | 2009-04-09 | Optoelectronics Research Centre, Tampere University Of Technology | Active optical fiber and method for fabricating an active optical fiber |
| RU98847U1 (en) * | 2010-06-02 | 2010-10-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский Государственный политехнический университет" (ГОУ "СПбГПУ") | SOLID LASER |
| EP2843450A1 (en) * | 2013-08-28 | 2015-03-04 | Ofs Fitel Llc, A Delaware Limited Liability Company | High-power liquid-cooled pump and signal combiner |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2712966C1 (en) * | 2019-04-10 | 2020-02-03 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) | High-gain laser radiation amplifier, with high average and peak power and high output beam quality |
| RU2733944C1 (en) * | 2019-12-12 | 2020-10-08 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) | Laser radiation amplifier with high average power and high pulse energy |
| RU2753476C1 (en) * | 2020-12-07 | 2021-08-17 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) | Solid-state laser light amplifier with high average power and good output beam quality |
| RU216498U1 (en) * | 2022-09-19 | 2023-02-09 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Научно-Производственное Предприятие "Инжект" | diode pumping |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2015147452A (en) | 2017-05-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8238399B2 (en) | High-gain diode-pumped laser amplifier | |
| US6625193B2 (en) | Side-pumped active mirror solid-state laser for high-average power | |
| US8576885B2 (en) | Optical pump for high power laser | |
| US7599404B2 (en) | Composite optic fibre for laser with pump and laser wave confinement, applications to lasers | |
| US8270443B2 (en) | Diode-pumped cavity | |
| RU2626723C2 (en) | Solid amplifier of laser radiation with diode pump with large amplification coefficient and high average power | |
| US20050111510A1 (en) | Corner-pumping method and gain module for solid state slab laser | |
| EP3345265B1 (en) | Fiber-laser pumped crystal-laser | |
| JP2007110039A (en) | Solid-state laser excitation module | |
| KR101857751B1 (en) | Slab solid laser amplifier | |
| Shang et al. | The influences of amplified spontaneous emission, crystal temperature and round-trip loss on scaling of CW thin-disk laser | |
| RU2618498C2 (en) | Laser radiation amplifier with high gain, high average and peak power and high beam quality | |
| Šulc et al. | Generation of 1.6 ns Q-switched pulses based on Yb: YAG/Cr: YAG microchip laser | |
| Apollonov | High power disk laser | |
| JP2009194176A (en) | Solid laser device and laser machining method | |
| Choubey et al. | Performance study of highly efficient 520 W average power long pulse ceramic Nd: YAG rod laser | |
| KR20200052615A (en) | Pulse Laser Generator for Medical Treatment | |
| US7317741B2 (en) | Amplified spontaneous emission ducts | |
| RU2712966C1 (en) | High-gain laser radiation amplifier, with high average and peak power and high output beam quality | |
| Dascalu | Edge-pump high power microchip Yb: YAG Laser | |
| WO2007129074A1 (en) | Side-pumped laser or amplifier device | |
| WO2000022702A1 (en) | Light amplifier, light amplification apparatus, and light amplification method | |
| Li et al. | The design of compact air-cooling LD-pumped Nd: YVO4 laser | |
| Yao et al. | High-power diode-pumped Nd: YAG disk laser | |
| JPH08274393A (en) | Slab laser and laser processor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20191106 |