RU2637183C1

RU2637183C1 - Active element of solid-state waveguide laser amplifier and solid-state waveguide laser amplifier

Info

Publication number: RU2637183C1
Application number: RU2016139721A
Authority: RU
Inventors: Михаил Андреевич Бухарин; Дмитрий Владимирович Худяков
Original assignee: ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ "ОПТОСИСТЕМЫ" (ООО "Оптосистемы")
Priority date: 2016-10-11
Filing date: 2016-10-11
Publication date: 2017-11-30

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: laser amplifier of the visible and near infrared spectral range with longitudinal pumping contains an optical element from a bulk solid-state optical amplifying material doped with optically active rare-earth ions, containing a formed through a side polished plane parallel to the geometric axis of the laser amplifier element by the method of direct femtosecond recording along and around the optical axis element of the optical waveguide shell from the regions with a reduced optical material by the index of refraction. Moreover, the internal transverse dimension of the optical waveguide confined to the shell is more than 100 mcm and less than 5000 mcm.

EFFECT: providing the possibility of increasing the optical efficiency of the amplifier and the maximum permissible power of optical radiation.

26 cl, 13 dwg

Description

Изобретение относится к области квантовой электроники, в частности к лазерным усилителям, совмещающим преимущества волоконных и твердотельных усилителей, предназначенных для усиления оптического излучения видимого и ближнего инфракрасного диапазонов спектра.The invention relates to the field of quantum electronics, in particular to laser amplifiers, combining the advantages of fiber and solid-state amplifiers designed to amplify the optical radiation of the visible and near infrared spectral ranges.

Известен элемент усиления света US 8837534 В2, содержащий расположенную в объеме оптического материала цилиндрическую область, оболочка которой сформирована областями с пониженным показателем преломления. Однако такие цилиндрические области имеют внутренний диаметр не более 40 мкм, что ограничивает максимальные пиковые и средние мощности излучения и приводит к искажению усиливаемого сигнала.Known element of light amplification US 8837534 B2, containing located in the volume of the optical material, a cylindrical region, the shell of which is formed by regions with a low refractive index. However, such cylindrical regions have an internal diameter of not more than 40 μm, which limits the maximum peak and average radiation powers and leads to distortion of the amplified signal.

Известен оптический усилитель WO 2008025076 A1, в котором распространение пучков накачивающего и сигнального излучений происходит в волноводном режиме внутри волноводов, созданных в объеме оптического материала. Однако сильная локализация лазерного излучения в волноводе диаметром не более 50 мкм приводит к ограничению максимальной пиковой и средней мощностей сигнального излучения вследствие тепловых и нелинейных оптических процессов. Распространение сигнального излучения в волноводном режиме приводит и к искажениям поперечного распределения интенсивности в пучке, что снижает эффективность усилителей.Known optical amplifier WO 2008025076 A1, in which the propagation of beams of pumping and signal radiation occurs in the waveguide mode inside the waveguides created in the volume of the optical material. However, the strong localization of laser radiation in a waveguide with a diameter of not more than 50 μm limits the maximum peak and average powers of signal radiation due to thermal and nonlinear optical processes. Propagation of signal radiation in the waveguide mode also leads to distortions in the transverse intensity distribution in the beam, which reduces the efficiency of the amplifiers.

Известен оптический усилитель US 8625192 B2, в котором для эффективного увеличения длины эффективного взаимодействия излучения накачки в активном веществе использованы кристаллические волокна различных диаметров (от 700 мкм и до диаметров более 2000 мкм). Указанные кристаллические волокна для усилителей получают механическим воздействием, а удержание оптического излучения происходит за счет полного внутреннего отражения от механически полированных границ усиливающей среды. Для создания волокон малого диаметра, в которых можно достичь высокой плотности мощности, необходимо использовать материалы с низкой хрупкостью. Но подавляющее большинство оптических стекол и кристаллов обладают высокой хрупкостью, и кристаллические волокна из таких материалов, созданные по предлагаемому в US 8625192 методу, должны иметь большой диаметр. Это не позволяет достичь высокой плотности мощности в оптической усиливающей среде и приводит к меньшему значению интеграла перекрытия между пучками накачивающего и сигнального излучений.Known optical amplifier US 8625192 B2, in which to effectively increase the length of the effective interaction of pump radiation in the active substance, crystalline fibers of various diameters (from 700 μm to diameters of more than 2000 μm) are used. These crystalline fibers for amplifiers are obtained by mechanical action, and optical radiation is retained due to total internal reflection from mechanically polished boundaries of the amplifying medium. To create fibers of small diameter, in which a high power density can be achieved, it is necessary to use materials with low brittleness. But the vast majority of optical glasses and crystals are highly fragile, and crystalline fibers from such materials, created by the method proposed in US 8625192, must have a large diameter. This does not allow to achieve a high power density in the optical amplifying medium and leads to a lower value of the overlap integral between the beams of the pumping and signal radiation.

Задачей изобретения является создание оптического элемента лазерного усилителя, совмещающего преимущества волоконных и твердотельных усилителей по таким параметрам, как оптическая эффективность и максимальная допустимая мощность оптического излучения.The objective of the invention is to provide an optical element of a laser amplifier that combines the advantages of fiber and solid-state amplifiers in such parameters as optical efficiency and maximum allowable power of optical radiation.

Для решения поставленной задачи оптический элемент лазерного усилителя с продольной накачкой видимого и ближнего инфракрасного диапазонов спектра из объемного твердотельного оптического усиливающего материала, легированного оптически активными редкоземельными ионами, содержащий сформированную через боковую полированную плоскость, параллельную геометрической оси элемента лазерного усилителя, методом прямой фемтосекундной записи вдоль и вокруг оптической оси элемента оболочку оптического волновода из областей с пониженным относительно оптического материала показателем преломления, причем внутренний поперечный размер оптического волновода, ограниченного оболочкой, более 100 мкм и менее 5000 мкм. Оболочка оптического волновода сформирована методом прямой фемтосекундной записи. При таком способе формирования оболочки материал вне области оболочки подвергнут минимальному воздействию и обладает известными свойствами. Внутренняя область волновода обладает тем же показателем преломления, что и твердотельная среда и имеет поперечный размер более 100 мкм и до 5000 мкм. При таком условии сигнальное усиливаемое излучение может распространяться в оптическом волноводе оптического элемента без искажений, не отражаясь от границ оптического волновода, не ухудшая тем самым качества излучения. Излучение накачки в таком оптическом волноводе удерживается от расходимости оболочкой волновода, тем самым повышая эффективную длину взаимодействия излучения накачки и сигнального усиливаемого излучения и удельное усиление. В отличие от оптических волокон теплоотвод от оптического волновода внутри объемного твердого материала более эффективен, что позволяет при высокой эффективности усиления сохранить качество сигнального излучения и достичь больших средних мощностей излучения в усиливающем элементе. Таким образом, предлагаемый оптический элемент лазерного усилителя позволяет повысить коэффициент усиления и получить качественное сигнальное излучение большой мощности.To solve this problem, an optical element of a laser amplifier with longitudinal pumping of the visible and near infrared spectral ranges from a solid-state optical amplification material doped with optically active rare-earth ions, containing a direct femtosecond recording method along and through a polished lateral plane parallel to the geometric axis of the laser amplifier element around the optical axis of the element, the cladding of the optical waveguide from areas with reduced relative itelno optical material refractive index, the inner transverse dimension of the optical waveguide bounded by the shell, greater than 100 microns and less than 5000 microns. The optical waveguide cladding is formed by the direct femtosecond recording method. With this method of forming a shell, the material outside the shell region is minimally exposed and has known properties. The inner region of the waveguide has the same refractive index as the solid-state medium and has a transverse size of more than 100 microns and up to 5000 microns. Under this condition, the signal amplified radiation can propagate in the optical waveguide of the optical element without distortion, without being reflected from the boundaries of the optical waveguide, without thereby affecting the quality of the radiation. The pump radiation in such an optical waveguide is kept from divergence by the cladding of the waveguide, thereby increasing the effective interaction length of the pump radiation and the signal amplified radiation and the specific gain. In contrast to optical fibers, the heat sink from the optical waveguide inside the bulk solid material is more efficient, which allows maintaining the quality of signal radiation with high amplification efficiency and achieving high average radiation powers in the amplifying element. Thus, the proposed optical element of the laser amplifier can increase the gain and obtain high-quality signal radiation of high power.

Длина оптического волновода составляет от 50% до 100% длины оптического элемента. В зависимости от длины оптического элемента и положения перетяжки излучения накачки максимальное усиление достижимо и при длине волновода, составляющей 50% от длины твердотельного элемента.The length of the optical waveguide is from 50% to 100% of the length of the optical element. Depending on the length of the optical element and the position of the waist of the pump radiation, the maximum gain is also achievable with a waveguide length of 50% of the length of the solid-state element.

Внутренний поперечный размер оптического волновода, ограниченного оболочкой, более 200 мкм и менее 2000 мкм. Такие размеры волновода позволяют повысить эффективность лазерного усиления при сохранении качества сигнального усиливаемого излучения.The internal transverse dimension of the optical waveguide bounded by the cladding is more than 200 μm and less than 2000 μm. Such dimensions of the waveguide can improve the efficiency of laser amplification while maintaining the quality of the signal amplified radiation.

Оптический волновод имеет цилиндрическую форму, или оптический волновод имеет D-образную форму в поперечном сечении, или оптический волновод имеет форму параллелепипеда. Варианты исполнения не ограничены перечисленными выше и зависят от решаемой задачи, от моды сигнального излучения.The optical waveguide has a cylindrical shape, or the optical waveguide has a D-shape in cross section, or the optical waveguide has a parallelepiped shape. The options are not limited to those listed above and depend on the problem being solved, on the mode of signal radiation.

Материал оптического элемента лазерного усилителя выбран из группы, содержащей кристаллы ванадатов, кристаллы щелочноземельных фторидов, кристаллы двойного фторида лития иттрия, алюмо-иттриевый гранат, легированные оптически активными редкоземельными ионами из группы, содержащей иттербий, неодим, эрбий и тулий.The material of the optical element of the laser amplifier is selected from the group consisting of vanadate crystals, alkaline earth fluoride crystals, yttrium lithium double fluoride crystals, yttrium aluminum garnet doped with optically active rare earth ions from the group consisting of ytterbium, neodymium, erbium, and thulium.

Материал оптического элемента лазерного усилителя выбран из группы, содержащей фосфатные, боросиликатные и алюмосиликатные стекла, легированные оптически активными редкоземельными ионами из группы, содержащей иттербий, неодим, эрбий и тулий.The material of the optical element of the laser amplifier is selected from the group consisting of phosphate, borosilicate, and aluminosilicate glasses doped with optically active rare-earth ions from the group consisting of ytterbium, neodymium, erbium, and thulium.

Оболочка оптического волновода содержит микроструктуры размером от 0.1 до 20 мкм. Оболочка оптического волновода содержит микроструктуры размером от 1 до 10 мкм. Оболочка оптического волновода содержит микроструктуры размером от 2 до 7 мкм. Указанный оптический волновод создается посредством поточечного формирования оболочки волновода с пониженным показателем преломления по отношению к неизменному материалу. Размер микроструктуры определяется материалом и способом записи микроструктур.The shell of an optical waveguide contains microstructures ranging in size from 0.1 to 20 μm. The shell of the optical waveguide contains microstructures ranging in size from 1 to 10 microns. The shell of the optical waveguide contains microstructures ranging in size from 2 to 7 microns. The specified optical waveguide is created by pointwise formation of a waveguide sheath with a reduced refractive index with respect to a constant material. The size of the microstructure is determined by the material and method of recording microstructures.

Оболочка оптического волновода содержит области с показателем преломления, измененным относительно показателя преломления объемного твердотельного оптического усиливающего материала на величину от 0.0001 до 0.01. Оболочка оптического волновода содержит области с показателем преломления, измененным относительно показателя преломления объемного твердотельного оптического усиливающего материала на величину от 0.001 до 0.005. Показатель преломления может перманентно изменяться в малых (в поперечном сечении), но протяженных вдоль усиливающего материала областях, образующих микроструктуры. Расстояние в поперечном сечении между двумя соседними протяженными микроструктурами находится в диапазоне от 10% до 100% от наименьшего размера микроструктуры. Такого изменения показателя преломления твердотельного материала достаточно для полного отражения излучения накачки от оболочки оптического волновода.The cladding of the optical waveguide contains regions with a refractive index changed from 0.0001 to 0.01 relative to the refractive index of the bulk solid-state optical amplifying material. The cladding of the optical waveguide contains regions with a refractive index changed from 0.001 to 0.005 relative to the refractive index of the bulk solid-state optical amplifying material. The refractive index can permanently change in small (in cross-section), but extended along the reinforcing material areas forming microstructures. The distance in the cross section between two adjacent extended microstructures is in the range from 10% to 100% of the smallest microstructure. Such a change in the refractive index of a solid-state material is sufficient to completely reflect the pump radiation from the cladding of the optical waveguide.

Лазерный усилитель с продольной накачкой для усиления излучения видимого и ближнего инфракрасного диапазонов спектра, содержащий оптический элемент лазерного усилителя из твердотельного оптического материала с внутренним оптическим волноводом, оболочка которого сформирована методом прямой фемтосекундной записи, внутренний поперечный размер оптического волновода не менее 100 мкм и не более 5000 мкм, лазерный источник накачки, способный генерировать оптическое излучение накачки, оптическую систему ввода лазерного излучения накачки в оптический элемент лазерного усилителя, обеспечивающую возможность распространения лазерного излучения накачки внутри оптического волновода с отражением от оболочки оптического волновода, оптическую систему ввода усиливаемого сигнального излучения в оптический элемент лазерного усилителя, обеспечивающую возможность распространения усиливаемого сигнального излучения внутри оптического волновода без отражения от оболочки оптического волновода. Распространение сигнального излучения внутри оптического волновода без отражения от оболочки оптического волновода и одновременное распространение излучения накачки внутри оптического волновода с отражением от оболочки оптического волновода позволяет существенно повысить эффективность усиления сигнала за счет увеличения интеграла перекрытия волновых функций сигнального излучения и излучения накачки. Кроме того, предлагаемый усилитель может быть создан на основе множества различных лазерных материалов, обладающих требуемыми оптическими характеристиками, в части усиления сигнала и без оглядки на механические свойства материала. Поскольку все излучение распространяется по оптическому волноводу, сформированному внутри лазерного материала, теплоотвод осуществляется равномерно, что позволяет получить качественный усиленный сигнал.A longitudinally pumped laser amplifier for amplifying visible and near-infrared spectral radiation, comprising an optical element of a laser amplifier made of a solid-state optical material with an internal optical waveguide, the shell of which is formed by direct femtosecond recording, the internal transverse size of the optical waveguide is not less than 100 microns and not more than 5000 μm, a laser pump source capable of generating optical pump radiation, an optical system for introducing laser pump radiation into optical element of the laser amplifier, which allows the propagation of laser pump radiation inside the optical waveguide with reflection from the sheath of the optical waveguide, an optical system for introducing amplified signal radiation into the optical element of the laser amplifier, which allows the propagation of amplified signal radiation inside the optical waveguide without reflection from the sheath of the optical waveguide. Propagation of signal radiation inside an optical waveguide without reflection from the cladding of the optical waveguide and simultaneous propagation of pump radiation inside the optical waveguide with reflection from the cladding of the optical waveguide can significantly increase the signal amplification efficiency by increasing the overlap integral of the wave functions of the signal and pump radiation. In addition, the proposed amplifier can be created on the basis of many different laser materials with the required optical characteristics, in terms of signal amplification and without regard to the mechanical properties of the material. Since all the radiation propagates along the optical waveguide formed inside the laser material, the heat sink is carried out uniformly, which allows to obtain a high-quality amplified signal.

В зависимости от решаемой задачи возможны различные конфигурации внутреннего оптического волновода: оптический волновод имеет цилиндрическую форму или оптический волновод имеет D-образную форму в поперечном сечении или оптический волновод имеет форму параллелепипеда.Depending on the problem being solved, various configurations of the internal optical waveguide are possible: the optical waveguide has a cylindrical shape or the optical waveguide has a D-shape in cross section or the optical waveguide has a parallelepiped shape.

В зависимости от решаемой задачи материал оптического элемента лазерного усилителя выбран из группы, содержащей кристаллы ванадатов, кристаллы щелочноземельных фторидов, кристаллы двойного фторида лития иттрия, алюмо-иттриевый гранат, легированные оптически активными редкоземельными ионами из группы, содержащей иттербий, неодим, эрбий и тулий или материал оптического элемента лазерного усилителя выбран из группы, содержащей фосфатные, боросиликатные и алюмосиликатные стекла, легированные оптически активными редкоземельными ионами из группы, содержащей иттербий, неодим, эрбий и тулий.Depending on the task to be solved, the material of the optical element of the laser amplifier is selected from the group consisting of vanadate crystals, alkaline-earth fluoride crystals, yttrium lithium double fluoride crystals, yttrium aluminum garnet doped with optically active rare-earth ions from the group consisting of ytterbium, neodymium, erbium and thulium or The material of the optical element of the laser amplifier is selected from the group consisting of phosphate, borosilicate, and aluminosilicate glasses doped with optically active rare-earth ions from the group consisting of ytterbium, neodymium, erbium and thulium.

Оптическая система ввода усиливаемого сигнального излучения способна фокусировать усиливаемое сигнальное излучение внутри оптического волновода таким образом, что перетяжка пучка сигнального усиливаемого излучения находится в центре оптического волновода. При такой геометрии можно минимизировать размер оптической волноводной структуры при сохранении эффективного усиления сигнала.The amplified signal radiation input optical system is able to focus the amplified signal radiation inside the optical waveguide so that the constriction of the signal amplified radiation beam is in the center of the optical waveguide. With this geometry, the size of the optical waveguide structure can be minimized while maintaining the effective signal amplification.

Оптическая система способна фокусировать излучение накачки внутрь оптического волновода таким образом, что перетяжка пучка излучения накачки излучения находится вблизи входа накачивающего излучения в оптический волновод. Так как излучение накачки распространяется по оптическому волноводу с отражением от стенок волновода, фокусировка излучения накачки вблизи ввода излучения в оптический волновод позволяет «заполнить» излучением накачки весь оптический волновод. Этот вариант является предпочтительным при большой расходимости излучения накачки.The optical system is able to focus the pump radiation into the optical waveguide in such a way that the hauling of the radiation pump radiation beam is located near the input of the pumping radiation into the optical waveguide. Since the pump radiation propagates along the optical waveguide with reflection from the walls of the waveguide, focusing the pump radiation near the input of radiation into the optical waveguide makes it possible to "fill" the entire optical waveguide with the pump radiation. This option is preferable with a large divergence of the pump radiation.

Оптическая система способна фокусировать накачивающее излучение внутрь оптического волновода таким образом, что перетяжка пучка накачивающего излучения находится в центре оптического волновода. Такой вариант является предпочтительным при небольшой расходимости излучения накачки. При таком варианте можно получить более качественное усиленное излучение.The optical system is capable of focusing the pumping radiation into the optical waveguide in such a way that the constriction of the pumping beam is in the center of the optical waveguide. This option is preferable with a small divergence of the pump radiation. With this option, you can get better amplified radiation.

Оптическая система способна фокусировать накачивающее излучение внутрь оптического волновода со стороны ввода усиливаемого сигнального излучения в усилитель. Одним из вариантов является ввод излучения накачки и сигнального излучения с одной стороны.The optical system is able to focus the pumping radiation into the optical waveguide from the input side of the amplified signal radiation into the amplifier. One option is to introduce pump radiation and signal radiation on the one hand.

Оптическая система способна фокусировать накачивающее излучение внутрь оптического волновода со стороны вывода усиливаемого сигнального излучения из усилителя. Другим вариантом является ввод излучения накачки и сигнального излучения с противоположных сторон оптического элемента. Такой вариант является предпочтительным для обеспечения равномерного усиления вдоль длины усиливающего элемента.The optical system is capable of focusing the pumping radiation into the optical waveguide from the output side of the amplified signal radiation from the amplifier. Another option is to introduce pump radiation and signal radiation from opposite sides of the optical element. This option is preferred to ensure uniform gain along the length of the reinforcing element.

Оптическая система способна фокусировать накачивающее излучение внутрь оптического волновода со стороны ввода усиливаемого сигнального излучения в усилитель и со стороны вывода усиливаемого сигнального излучения из усилителя. Для повышения энергии лазерного излучения ввод излучения накачки может быть осуществлен с обеих сторон оптического элемента. Такой вариант является предпочтительным для обеспечения максимального усиления в усиливающем элементе.The optical system is able to focus the pumping radiation into the optical waveguide from the input side of the amplified signal radiation into the amplifier and from the output side of the amplified signal radiation from the amplifier. To increase the energy of the laser radiation, the input of the pump radiation can be carried out on both sides of the optical element. This option is preferred to provide maximum gain in the reinforcing element.

Усиливаемое сигнальное излучение проходит внутри оптического элемента лазерного усилителя не более двух раз. Для получения качественного усиленного сигнала предложена двухпроходная или однопроходная схема лазерного усилителя.The amplified signal radiation passes inside the optical element of the laser amplifier no more than two times. To obtain a high-quality amplified signal, a two-pass or single-pass laser amplifier circuit is proposed.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является создание оптического элемента твердотельно-волноводного лазерного усилителя, предназначенного для усиления оптического излучения видимого и ближнего инфракрасного диапазонов спектра, и лазерного усилителя с высокой оптической эффективностью усиления сигнального излучения при сохранении качества излучения.The technical result of the proposed technical solution is the creation of an optical element of a solid-state waveguide laser amplifier designed to amplify the optical radiation of the visible and near infrared ranges of the spectrum, and a laser amplifier with high optical efficiency of amplification of signal radiation while maintaining radiation quality.

На фиг. 1 представлена стандартная схема твердотельного объемного усилителя с продольной накачкой.In FIG. 1 shows a standard diagram of a longitudinally pumped solid-state volume amplifier.

На фиг. 2 представлена схема твердотельно-волноводного усилителя с продольной накачкой, совмещающая в себе свободное распространение пучка усиливаемого сигнального излучения 2 и квазиволноводное распространение пучка излучения накачки.In FIG. 2 shows a longitudinally pumped solid-state waveguide amplifier, combining the free propagation of a beam of amplified signal radiation 2 and the quasi-waveguide propagation of a pump radiation beam.

На фиг. 3 представлена схема усиления с продольной накачкой с перетяжкой пучка усиливаемого сигнального излучения в центре оптического элемента усилителя и перетяжкой пучка излучения накачки на вводе излучения в оптический элемент усилителя.In FIG. Figure 3 shows a longitudinally pumped amplification scheme with a constriction of a beam of amplified signal radiation in the center of the optical element of the amplifier and a constriction of the pump radiation beam at the radiation input into the optical element of the amplifier.

На фиг. 4 представлена схема создания оптического волновода внутри усиливающей среды.In FIG. 4 is a diagram of creating an optical waveguide inside an amplifying medium.

На фиг. 5 представлена схема оптического волновода с неизмененной сердцевиной и оболочкой с уменьшенным показателем преломления относительно показателя преломления материала.In FIG. 5 is a diagram of an optical waveguide with an unchanged core and cladding with a reduced refractive index relative to the refractive index of the material.

На фиг. 6 представлена микрофотография поперечного сечения оптического волновода диаметром 200 мкм внутри усиливающего элемента из фосфатного стекла, легированного ионами неодима.In FIG. 6 is a micrograph of a cross section of an optical waveguide with a diameter of 200 μm inside a reinforcing element of phosphate glass doped with neodymium ions.

На фиг. 7 представлена общая схема диагностики и работы твердотельно-волноводного лазерного усилителя.In FIG. 7 shows a general diagram of the diagnosis and operation of a solid-state waveguide laser amplifier.

На фиг. 8 представлена зависимость радиуса пучка от расстояния от границы усиливающей среды в случае свободного распространения луча в лазерном усилителе (квадратные точки) и в случае лазерного усилителя по предлагаемому техническому решению (круглые точки).In FIG. Figure 8 shows the dependence of the beam radius on the distance from the boundary of the amplifying medium in the case of free beam propagation in a laser amplifier (square dots) and in the case of a laser amplifier according to the proposed technical solution (round dots).

На фиг. 9 представлены зависимости мощности сигнального излучения от поглощенной мощности накачивающего излучения и коэффициента усиления в случае свободного распространения пучка накачивающего излучения в лазерном усилителе (круглые точки) и в случае лазерного усилителя по предлагаемому техническому решению (квадратные точки).In FIG. Figure 9 shows the dependences of the signal radiation power on the absorbed pump power and gain in the case of free propagation of the pump beam in a laser amplifier (round dots) and in the case of a laser amplifier according to the proposed technical solution (square dots).

На фиг. 10 представлены экспериментально измеренные распределения интенсивности излучения в пучках накачивающего и сигнального излучения.In FIG. 10 shows the experimentally measured distribution of the radiation intensity in the beams of the pumping and signal radiation.

На фиг. 11 представлена общая схема диагностики и работы лазерного усилителя с двунаправленной продольной накачкой.In FIG. 11 shows a general diagram of the diagnosis and operation of a laser amplifier with bidirectional longitudinal pumping.

На фиг. 12 представлена общая схема диагностики и работы лазерного усилителя со встречной продольной накачкой.In FIG. 12 shows a general diagram of the diagnostics and operation of a counter-pumped laser amplifier.

На фиг. 13 представлена общая схема диагностики и работы лазерного усилителя с со-направленной продольной накачкой.In FIG. 13 shows a general diagram of the diagnostics and operation of a laser amplifier with co-directional longitudinal pumping.

На фиг. 1 представлена стандартная схема твердотельного объемного усилителя с продольной накачкой. 1 - пучок излучения накачки, 2 - пучок усиливаемого сигнального излучения, 3 - активный оптический элемент лазерного усилителя (усиливающая среда), 4 - длина эффективного взаимодействия между излучением накачки и сигнальным излучением, 5 - входные или выходные (для излучения) полированные плоские торцы активной среды. На фиг. 2 представлена схема твердотельно-волноводного усилителя с продольной накачкой, совмещающая свободное распространение пучка усиливаемого сигнального излучения 2 и квазиволноводное распространение пучка излучения накачки 1, включающее свободное распространение вне усиливающей среды и распространение в усиливающей среде 3 внутри оптического волновода 6. Уменьшение дифракционной расходимости излучения накачки 1 в оптическом волноводе 6 элемента 3 позволяет увеличить длину эффективного взаимодействия 4 между излучением накачки 1 и сигнальным излучением 2 и повысить усиление сигнального излучения 2 на единицу длины усиливающей среды 3. Сигнальное усиливаемое лазерное излучение 2 проходит внутри записанного волновода 6, не задевая оболочки волновода 6 и не ухудшая тем самым качество своей моды (своего поперечного распределения интенсивности в пучке).In FIG. 1 shows a standard diagram of a longitudinally pumped solid-state volume amplifier. 1 — pump radiation beam, 2 — amplified signal radiation beam, 3 — active optical element of a laser amplifier (amplifying medium), 4 — effective interaction length between pump radiation and signal radiation, 5 — input or output (for radiation) polished flat ends of the active Wednesday. In FIG. 2 shows a longitudinally pumped solid-state waveguide amplifier combining the free propagation of an amplified signal radiation beam 2 and the quasi-waveguide propagation of a pump radiation beam 1, including free propagation outside an amplifying medium and propagating in an amplifying medium 3 inside an optical waveguide 6. Reducing the diffraction divergence of pump radiation 1 in the optical waveguide 6 of element 3 allows you to increase the length of the effective interaction 4 between the pump radiation 1 and the signal radiation and increase the amplification of the signal radiation 2 per unit length of the amplifying medium 3. The signal amplified laser radiation 2 passes inside the recorded waveguide 6, without touching the cladding of the waveguide 6 and thereby not affecting the quality of its mode (its transverse intensity distribution in the beam).

Перетяжка пучка сигнального излучения 7 (см. фиг. 3) располагается внутри волновода 6 внутри усиливающей среды 3 таким образом, чтобы на входном и выходном торцах 5 активной среды 3 диаметр пучка сигнального излучения 2 был меньше диаметра волновода 6. Перетяжка 8 пучка накачивающего излучения 1 располагается внутри волновода 6 внутри усиливающей среды 3 таким образом, чтобы максимизировать количество удерживаемого волноводом 6 излучения накачки 1. Одним из вариантов расположения перетяжки 8 является фокусировка пучка и излучения накачки 1 на входной торец 5 усиливающей среды.The constriction of the beam of signal radiation 7 (see Fig. 3) is located inside the waveguide 6 inside the amplifying medium 3 so that at the input and output ends 5 of the active medium 3 the diameter of the beam of signal radiation 2 is less than the diameter of the waveguide 6. The constriction 8 of the beam of pump radiation 1 located inside the waveguide 6 inside the amplifying medium 3 in such a way as to maximize the amount of pump radiation 1 held by the waveguide 6. One of the options for the location of the waist 8 is to focus the beam and pump radiation 1 on 5, one end of the amplifying medium.

Указанный оптический волновод 6 может быть создан внутри активного элемента лазерного усилителя 3 через боковую полированную плоскость 9, параллельную геометрической оси элемента лазерного усилителя, посредством ультракоротких лазерных импульсов 11 (см. фиг. 4), сфокусированных в глубине усиливающей среды оптической системой фокусировки 10. Оптический волновод 6 в усиливающей среде 3 может иметь форму цилиндра, усеченного цилиндра с D-образным поперечным сечением или иметь более чем одну плоскую границу, параллельную геометрической оси элемента лазерного усилителя: например, может иметь форму параллелепипеда.The specified optical waveguide 6 can be created inside the active element of the laser amplifier 3 through the side polished plane 9, parallel to the geometric axis of the element of the laser amplifier, using ultrashort laser pulses 11 (see Fig. 4) focused in depth of the amplifying medium by the optical focusing system 10. Optical the waveguide 6 in the amplifying medium 3 may be in the form of a cylinder, a truncated cylinder with a D-shaped cross section, or have more than one flat boundary parallel to the geometric axis of the ele Laser amplifier: for example, it can be in the shape of a parallelepiped.

На фиг. 5 представлена схема оптического волновода с неизмененной сердцевиной 12 и оболочкой 13 с уменьшенным показателем преломления относительно значения, присущего неизмененной области обрабатываемого материала 14. Область материала 12 считается внутренней для волновода. На фиг. 6 представлена микрофотография поперечного сечения оптического волновода диаметром 200 мкм внутри усиливающего элемента из фосфатного стекла, легированного ионами неодима, с концентрацией ионов неодима 7.40 см^-3, LFS4-7.4, компании ЛЗОС. В любом поперечном сечении оптического волновода тепловые и спектральные характеристики сердцевины волновода 12, ограниченной оболочкой волновода 13, не изменяются в процессе создания волновода и соответствуют тепловым и спектральным характеристикам неизмененной области материала 14. Оболочка волновода 13 состоит из набора протяженных вдоль оси волновода треков с уменьшенным показателем преломления и обеспечивает отражение оптического излучения, распространяющегося в жиле волновода, удерживая его от геометрической расходимости.In FIG. 5 is a diagram of an optical waveguide with an unchanged core 12 and cladding 13 with a reduced refractive index relative to the value inherent in the unchanged region of the material being processed 14. The region of material 12 is considered internal to the waveguide. In FIG. Figure 6 shows a micrograph of the cross section of an optical waveguide with a diameter of 200 μm inside a reinforcing element made of phosphate glass doped with neodymium ions, with a concentration of neodymium ions of 7.40 cm ^-3 , LFS4-7.4, from LZOS. In any cross section of the optical waveguide, the thermal and spectral characteristics of the core of the waveguide 12 bounded by the cladding of the waveguide 13 do not change during the creation of the waveguide and correspond to the thermal and spectral characteristics of the unchanged region of the material 14. The cladding of the waveguide 13 consists of a set of tracks extended along the axis of the waveguide with a reduced rate refraction and provides reflection of optical radiation propagating in the core of the waveguide, keeping it from geometric divergence.

На фиг. 7 представлена общая схема диагностики и работы гибридного лазерного усилителя. Установка включает источник излучения накачки 15, источник усиливаемого сигнального излучения 16, коллимирующий оптический элемент излучения накачки 17, коллимирующий оптический элемент сигнального излучения 18, фокусирующая оптика излучения накачки 19, фокусирующая оптика сигнального излучения 20, дихроичное зеркало 21, зеркало 22, оборудование 23 для диагностики геометрических, спектральных, временных и энергетических характеристик излучения, выходящего из оптического элемента лазерного усилителя 3 с сформированным внутренним оптическим волноводом 6. Излучение от источника излучения накачки 15 и источника сигнального излучения 16 совмещается оптической системой, содержащей коллимирующие оптические элементы 17, 18, фокусирующие оптические элементы 19, 20, зеркало 22 и дихроичное зеркало 21, для продольной (коллинеарной) схемы усиления, и фокусируется указанной оптической системой внутрь оптического волновода 6 усиливающей среды 3. При диагностике твердотельно-волноводного лазерного усилителя на его выходе ставится диагностическое оборудование 23, преобразующее и измеряющее геометрические, спектральные, временные и энергетические характеристики излучения. При работе предлагаемого лазерного усилителя диагностическое оборудование убирается полностью или частично, и выходное усиленное излучение подается на вход надсистемы, в которую встраивается указанный лазерный усилитель. В частности, указанная надсистема может включать в себя собственную оптическую систему, спектральные и нейтральные фильтры, а также диагностическое оборудование.In FIG. 7 shows a general diagram of the diagnosis and operation of a hybrid laser amplifier. The apparatus includes a pump radiation source 15, an amplified signal of radiation 16, a collimating optical element of pump radiation 17, a collimating optical element of signal radiation 18, a focusing optics of pump radiation 19, a focusing optics of signal radiation 20, a dichroic mirror 21, mirror 22, diagnostic equipment 23 geometric, spectral, temporal and energy characteristics of the radiation emerging from the optical element of the laser amplifier 3 with the formed internal optical waveguide 6. The radiation from the pump radiation source 15 and the signal radiation source 16 is combined with an optical system containing collimating optical elements 17, 18, focusing optical elements 19, 20, mirror 22 and dichroic mirror 21, for a longitudinal (collinear) amplification circuit, and focuses the indicated optical system inside the optical waveguide 6 of the amplifying medium 3. When diagnosing a solid-state waveguide laser amplifier, diagnostic equipment 23 is installed at its output, converting and measuring the etricheskie, spectral, temporal and energy characteristics of the radiation. During the operation of the proposed laser amplifier, the diagnostic equipment is completely or partially removed, and the output amplified radiation is fed to the input of the supersystem into which the specified laser amplifier is built. In particular, the indicated supersystem may include its own optical system, spectral and neutral filters, as well as diagnostic equipment.

Числовая апертура фокусирующего оптического элемента 19 излучения накачки выбирается таким образом, чтобы не превышать более чем в 3 раза числовую апертуру оптического волновода 6, определяющую максимальный угол ввода оптической энергии в оптический волновод. Экспериментальные значения для числовой апертуры волновода 6 находятся в диапазоне от 0.01 до 0.3.The numerical aperture of the focusing optical element of the pump radiation is selected so as not to exceed more than 3 times the numerical aperture of the optical waveguide 6, which determines the maximum angle of input of optical energy into the optical waveguide. The experimental values for the numerical aperture of waveguide 6 are in the range from 0.01 to 0.3.

Доказательством наличия волноводного режима распространения накачивающего излучения 1 может служить представленная на фиг. 8 зависимость радиуса пучка от расстояния от границы усиливающей среды в случае свободного распространения луча (квадратные точки) в твердотельном лазерном усилителе и в случае предлагаемого в изобретении гибридного лазерного усилителя (круглые черные точки).The proof of the presence of the waveguide mode of propagation of the pumping radiation 1 can be illustrated in FIG. 8 shows the dependence of the beam radius on the distance from the boundary of the amplifying medium in the case of free propagation of the beam (square dots) in a solid-state laser amplifier and in the case of the hybrid laser amplifier proposed in the invention (round black dots).

Использование указанного волновода 6 в предлагаемом усилителе приводит к увеличению оптической эффективности усилителя, как показано на зависимостях мощности сигнального излучения от поглощенной мощности накачивающего излучения и на зависимостях коэффициента усиления от мощности излучения накачки в случае свободного распространения пучка излучения накачки излучения в стандартном лазерном усилителе и в случае предлагаемого лазерного усилителя, представленных на фиг. 9. В проведенных экспериментах усиление в предлагаемой твердотельно-волноводной схеме было выше более чем в 2.5 раза по отношению к стандартной твердотельной объемной схеме усиления. В приведенных экспериментах оба усилителя (твердотельной объемный со свободным распространением и предлагаемый твердотельно-волноводный) были изготовлены из одного и того же материала, и исследовались при использовании одного и того же диагностического оборудования и источников накачивающего и сигнального излучений.The use of the specified waveguide 6 in the proposed amplifier leads to an increase in the optical efficiency of the amplifier, as shown on the dependences of the signal radiation power on the absorbed pump power and on the dependences of the gain on the pump radiation power in the case of free propagation of the radiation pump radiation beam in a standard laser amplifier and in the case of of the proposed laser amplifier shown in FIG. 9. In the experiments performed, the gain in the proposed solid-state waveguide circuit was more than 2.5 times higher than the standard solid-state volume amplification circuit. In the above experiments, both amplifiers (solid-state solid-state with free propagation and the proposed solid-state waveguide) were made of the same material, and were investigated using the same diagnostic equipment and sources of pumping and signal radiation.

На фиг. 10 представлены экспериментальные распределения интенсивности в пучках излучения накачки (А - при малой мощности накачки и Б - при мощности накачки выше пороговой) и сигнального (В - при свободном распространении в усиливающей среде без волновода 6 и Г - при распространении внутри волновода 6 в усиливающей среде) излучения, измеренные на расстоянии 3 см от выходного торца усиливающей среды. Распределение интенсивности излучения накачки хорошо повторяет геометрию волновода (6), по которому оно распространяется в волноводном многомодовом режиме. В случае большой мощности накачивающего излучения в его поперечном распределении наблюдается характерная спекл-картина. На фиг. 10Г видно, что созданный волновод слабо взаимодействует с пучком усиливаемого сигнального излучения, внося лишь малые изменения в поперечном распределении интенсивности, и лишь в периферической области пучка. Оптические потери для сигнального излучения в отсутствии накачки находились на уровне ошибки измерения (на уровне шума) и составили менее 0.8% для усиливающей среды длиной 3 см.In FIG. Figure 10 shows the experimental intensity distributions in pump radiation beams (A — for a low pump power and B — for a pump power above the threshold) and signal (B — for free propagation in an amplifying medium without waveguide 6; and D — for propagation inside waveguide 6 in an amplifying medium ) radiation measured at a distance of 3 cm from the output end of the amplifying medium. The intensity distribution of the pump radiation repeats well the geometry of the waveguide (6), along which it propagates in the multi-mode waveguide mode. In the case of a high power of the pumping radiation, a characteristic speckle pattern is observed in its transverse distribution. In FIG. 10G shows that the created waveguide weakly interacts with the beam of amplified signal radiation, making only small changes in the transverse intensity distribution, and only in the peripheral region of the beam. Optical losses for signal radiation in the absence of pumping were at the level of measurement error (at the noise level) and amounted to less than 0.8% for an amplifying medium 3 cm long.

Предлагаемый в изобретении гибридный лазерный усилитель может быть также выполнен с двунаправленной продольной накачкой, представленной на фиг. 11, встречной накачкой, представленной на фиг. 12, где 24 - фильтр для намачивающего излучения, прозрачный для сигнального излучения, с упрощенной оптической системой, представленной, например, на фиг. 13 или с оптической схемой, реализующей двукратный проход усиливаемого сигнального излучения через волновод 6 в усиливающей среде.The hybrid laser amplifier of the invention may also be configured with bidirectional longitudinal pumping as shown in FIG. 11, the counter pumping shown in FIG. 12, where 24 is a filter for wetting radiation, transparent to signal radiation, with a simplified optical system shown, for example, in FIG. 13 or with an optical circuit that implements a double pass of the amplified signal radiation through the waveguide 6 in the amplifying medium.

Предлагаемое техническое решение позволяет увеличить эффективную длину взаимодействия лазерного излучения с усиливающим кристаллом, увеличив тем самым оптическую эффективность усилителя более чем в 2 раза по сравнению с объемными твердотельными усилителями со свободным продольным распространением накачивающего излучения.The proposed technical solution allows to increase the effective length of the interaction of laser radiation with an amplifying crystal, thereby increasing the optical efficiency of the amplifier by more than 2 times compared to bulk solid-state amplifiers with free longitudinal propagation of the pumping radiation.

Предлагаемое техническое решение позволяет увеличить максимально допустимую мощность лазерного излучения по сравнению с волоконными усилителями (сделанными из оптически активного стекла) за счет использования в качестве материала, из которого формируется волновод, не только стекла, но и оптических кристаллов с существенно повышенной теплопроводностью, резко снижающей влияние тепловых эффектов, так как в сердцевине оптического волновода тепловые свойства усиливающей среды остаются неизменными после создания оболочки волновода.The proposed technical solution allows to increase the maximum allowable laser radiation power compared to fiber amplifiers (made of optically active glass) due to the use of not only glass but also optical crystals with significantly increased thermal conductivity, which dramatically reduces the effect thermal effects, since in the core of the optical waveguide the thermal properties of the amplifying medium remain unchanged after the creation of the shell of the waveguide.

Предлагаемое изобретение позволяет совместить в новой гибридной схеме преимущества волоконных и твердотельных усилителей по таким параметрам, как оптическая эффективность и максимальная допустимая мощность оптического излучения.The present invention allows you to combine the advantages of fiber and solid-state amplifiers in such a new hybrid circuit in terms of such parameters as optical efficiency and maximum allowable power of optical radiation.

Claims

1. An optical element of a laser amplifier with longitudinal pumping of the visible and near infrared spectral ranges from a solid-state optical amplification material doped with optically active rare-earth ions, comprising a direct-femtosecond recording along and around the optical fiber formed through a polished side plane parallel to the geometric axis of the laser amplifier element the axis of the element, the cladding of the optical waveguide from regions with a lower relative to the optical material refractive index, and the internal transverse size of the optical waveguide bounded by the cladding, more than 100 microns and less than 5000 microns.

2. The optical element of the laser amplifier according to claim 1, characterized in that the sheath length of the optical waveguide is from 50% to 100% of the length of the optical element.

3. The optical element of the laser amplifier according to claim 1, characterized in that the internal transverse dimension of the optical waveguide bounded by the cladding is more than 200 μm and less than 2000 μm.

4. The optical element of the laser amplifier according to claim 2, characterized in that the optical waveguide has a cylindrical shape.

5. The optical element of the laser amplifier according to claim 2, characterized in that the optical waveguide has a D-shape in cross section.

6. The optical element of the laser amplifier according to claim 2, characterized in that the optical waveguide has the shape of a parallelepiped.

7. The optical element of the laser amplifier according to claim 1, characterized in that the material of the optical element of the laser amplifier is selected from the group consisting of vanadate crystals, alkaline earth fluoride crystals, yttrium lithium double fluoride crystals, yttrium aluminum garnet doped with optically active rare earth ions from the group containing ytterbium, neodymium, erbium and thulium.

8. The optical element of the laser amplifier according to claim 1, characterized in that the material of the optical element of the laser amplifier is selected from the group consisting of phosphate, borosilicate and aluminosilicate glasses doped with optically active rare-earth ions from the group consisting of ytterbium, neodymium, erbium and thulium.

9. The optical element of the laser amplifier according to claim 1, characterized in that the sheath of the optical waveguide contains microstructures ranging in size from 0.1 to 20 microns.

10. The optical element of the laser amplifier according to claim 1, characterized in that the sheath of the optical waveguide contains microstructures ranging in size from 1 to 10 microns.

11. The optical element of the laser amplifier according to claim 1, characterized in that the sheath of the optical waveguide contains microstructures ranging in size from 2 to 7 microns.

12. The optical element of the laser amplifier according to claim 1, characterized in that the cladding of the optical waveguide contains regions with a refractive index changed from 0.0001 to 0.01 relative to the refractive index of the solid-state bulk optical material.

13. The optical element of the laser amplifier according to claim 1, characterized in that the cladding of the optical waveguide contains regions with a refractive index changed from 0.001 to 0.005 relative to the refractive index of the solid-state volume optical amplifying material.

14. A longitudinally pumped laser amplifier for amplifying visible and near-infrared spectral radiation, comprising an optical element of a laser amplifier made of a solid-state optical material with an internal optical waveguide, the cladding of which is formed by direct femtosecond recording, the internal transverse size of the optical waveguide is not less than 100 microns and not more than 5000 microns, a laser pump source capable of generating optical pump radiation, an optical laser input system for pump radiation optical element optical amplifier, enabling a propagation of the laser radiation of the pump inside the optical waveguide by reflection from the cladding of the optical waveguide, the input optical system of the amplified signal radiation into an optical element of a laser amplifier, which provides the possibility of sharing the amplified signal radiation within the optical waveguide without being reflected from the optical waveguide cladding.

15. The laser amplifier according to claim 14, characterized in that the optical waveguide has a cylindrical shape.

16. The laser amplifier according to claim 14, characterized in that the optical waveguide has a D-shape in cross section.

17. The laser amplifier according to claim 14, characterized in that the optical waveguide has the shape of a parallelepiped.

18. The laser amplifier according to claim 14, characterized in that the material of the optical element of the laser amplifier is selected from the group consisting of vanadate crystals, alkaline earth fluoride crystals, yttrium lithium double fluoride crystals, yttrium aluminum garnet doped with optically active rare earth ions from the group comprising ytterbium, neodymium, erbium and thulium.

19. The laser amplifier according to claim 14, characterized in that the material of the optical element of the laser amplifier is selected from the group consisting of phosphate, borosilicate and aluminosilicate glasses doped with optically active rare earth ions from the group consisting of ytterbium, neodymium, erbium and thulium.

20. The laser amplifier according to claim 14, characterized in that the optical input system of the amplified signal radiation is capable of focusing the amplified signal radiation inside the optical waveguide so that the hauling of the beam of the signal amplified radiation is in the center of the optical waveguide.

21. The laser amplifier according to claim 14, characterized in that the optical system for introducing laser pump radiation is able to focus the pump radiation into the optical waveguide in such a way that the waist of the pump radiation beam is located near the input of the pump radiation into the optical waveguide.

22. The laser amplifier according to claim 14, characterized in that the optical system for introducing laser pump radiation is able to focus the pump radiation into the optical waveguide in such a way that the waist of the pump radiation beam is located in the center of the optical waveguide.

23. The laser amplifier according to claim 14, characterized in that the optical system for introducing laser pump radiation is able to focus the pump radiation into the optical waveguide structure from the side of the input of the amplified signal radiation into the amplifier.

24. The laser amplifier according to claim 14, characterized in that the optical pump laser input system is capable of focusing the pump radiation into the optical waveguide from the output side of the amplified signal radiation from the amplifier.

25. The laser amplifier according to claim 14, characterized in that the optical pump laser input system is capable of focusing the pump radiation into the optical waveguide from the input side of the amplified signal radiation into the amplifier and from the output side of the amplified signal radiation from the amplifier.

26. The laser amplifier according to claim 14, characterized in that the amplified signal radiation passes inside the optical element of the laser amplifier no more than two times.