RU2657125C1 - Способ поперечной накачки активной среды лазера - Google Patents

Способ поперечной накачки активной среды лазера Download PDF

Info

Publication number
RU2657125C1
RU2657125C1 RU2017108065A RU2017108065A RU2657125C1 RU 2657125 C1 RU2657125 C1 RU 2657125C1 RU 2017108065 A RU2017108065 A RU 2017108065A RU 2017108065 A RU2017108065 A RU 2017108065A RU 2657125 C1 RU2657125 C1 RU 2657125C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
laser
radiation
pump
size
forming optics
Prior art date
Application number
RU2017108065A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2657125C9 (ru
Inventor
Станислав Михайлович Куликов
Станислав Александрович Сухарев
Григорий Николаевич Качалин
Николай Александрович Кирдяев
Сергей Андреевич Кунин
Андрей Борисович Смирнов
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом")
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом"), Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом")
Priority to RU2017108065A priority Critical patent/RU2657125C9/ru
Publication of RU2657125C1 publication Critical patent/RU2657125C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2657125C9 publication Critical patent/RU2657125C9/ru

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES 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
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/0915Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by incoherent light
    • H01S3/0933Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by incoherent light of a semiconductor, e.g. light emitting diode

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Lasers (AREA)
  • Optical Couplings Of Light Guides (AREA)

Abstract

Изобретение относится к лазерной технике. Способ поперечной накачки активной среды лазера включает передачу излучения от диодных источников накачки с помощью оптических волокон, плотно упакованных на концевом участке в ряд, с расположением всех торцов волокон в одной плоскости, образующей излучающую площадку. Формирующая оптика создаёт область накачки лазера на пересечении пучка накачки и излучения генерации в активной среде лазера. Формирующую оптику, состоящую из одной аксиально-симметричной линзы, рассчитывают так, чтобы ее эквивалентное фокусное расстояние удовлетворяло равенству
Figure 00000016
, где
D - размер области накачки, совпадающий с размером активной среды по оси распространения излучения генерации;
θ - полная расходимость излучения на выходе из оптических волокон.
Размер излучающей площадки волокон h по оси распространения излучения генерации выбирают из условия
Figure 00000017
, где
n - показатель преломления материала линз формирующей оптики,
а размер излучающей площадки волокон d в направлении, перпендикулярном оси распространения излучения генерации, увеличивают за счет добавления рядов волокон, причем d≤h, при этом излучающую площадку располагают на расстоянии
Figure 00000018
от передней главной плоскости формирующей оптики с образованием на расстоянии
Figure 00000019
от задней главной плоскости формирующей оптики области накачки длиной
Figure 00000020
, где располагают активную среду лазера. Техническим результатом является повышение выходных энергетических характеристик лазера. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для оптической поперечной накачки активной среды в лазерной кювете.
Для накачки активных сред лазеров различают два способа ввода излучения накачки - продольный и поперечный. При продольном способе ввода излучение накачки распространяется вдоль одной оси с генерируемым излучением. Такая схема позволяет добиться высокого КПД с хорошей стабилизацией выходных параметров и обеспечить генерацию лазерного излучения с низкой расходимостью. Однако схема продольной накачки конструктивно не позволяет накачать значительный объем активной среды, тем самым ограничивая выходную мощность лазера. Кроме того, повышенную лучевую нагрузку испытывают элементы вблизи активной среды лазера, что может привести к их разрушению.
Схемы с поперечным способом ввода избавлены от недостатков продольного ввода. Вектора направленности излучения накачки и генерации находятся во взаимно ортогональных плоскостях, что позволяет увеличивать мощность генерации путем увеличения габаритных размеров накачиваемой активной среды за счет наращивания мощности накачки. Благодаря эффективному преобразованию электрической энергии в световую для накачки активной среды лазера широко используются диодные источники накачки.
Известен способ поперечной накачки активной среды лазера по патенту US 5774489 «Transversely pumped solid state laser», опубл. 30.06.1998 г., в котором излучение накачки от источников излучения на основе лазерных диодов, установленных вдоль боковой грани активного элемента, передают к цилиндрической линзе, формирующей пучок накачки внутри активной среды лазера, при этом направление пучка накачки ориентировано перпендикулярно оси резонатора лазера.
Недостатками известного способа является низкая интенсивность пучка накачки в активной среде лазера, изменение размера области накачки в активной среде лазера вдоль оси резонатора, из-за чего в активной среде появляются зоны, не занятые излучением накачки; необходимость расположения лазерных диодов с их системами термостабилизации и питания вблизи лазерной кюветы с активной средой из-за большой расходимости и сильной асимметричности излучения лазерных диодов, что увеличивает габариты и усложняет эксплуатацию лазера.
Известен способ поперечной накачки активной среды лазера, описанный в статье D. Golla, М. Bode, S. Knoke,
Figure 00000001
, and
Figure 00000002
«62-W cw TEM00 Nd: YAG laser side-pumped by fiber-coupled diode lasers». Optics Letters, Vol. 21. Issue 3, pp. 210-212 (1996), включающий передачу излучения от диодных источников накачки к активному элементу лазера с помощью оптических волокон, плотно упакованных на концевом участке в один ряд с расположением всех торцов волокон в одной плоскости, образующей излучающую площадку. Используют несколько излучающих площадок, расположенных вокруг цилиндрического активного элемента на равном угловом расстоянии друг от друга.
Недостатками известного способа являются неравномерность формируемого излучения накачки в активной среде лазера и малая протяженность области накачки, из-за отсутствия формирующей оптики, что ограничивает выходную мощность генерации лазера. Кроме того, расположение торцов волокон в непосредственной близости с активным элементом приводит к их разогреву и возможному разрушению.
Совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков заявляемого изобретения, присуща известному способу поперечной накачки активной среды лазера по патенту US 4713822 «Laser device» опубл. 15.12.1987 г., включающему передачу излучения от диодных источников накачки с помощью оптических волокон плотно упакованных на концевом участке в ряд с расположением всех торцов волокон в одной плоскости, образующей излучающую площадку, к формирующей оптике, создающей область накачки лазера на пересечении пучка накачки и излучения генерации в активной среде лазера. Излучающую площадку располагают в фокусе формирующей оптики, состоящей из одной цилиндрической линзы.
Недостатками указанного способа, принятого за прототип, является формирование области накачки лишь по одной оси из-за использования цилиндрической линзы, что уменьшает интенсивность пучка накачки в активной среде лазера и не позволяет сохранить постоянным размер формируемой области накачки вдоль распространения излучения генерации, образуя в активной среде лазера зоны с отсутствием излучения накачки, что приводит к снижению выходных энергетических характеристик лазера.
Увеличение мощности накачки путем добавлением новых рядов волокон нарушает коллимацию пучка накачки в активной среде, что приводит к уменьшению длины области накачки и не позволяет повысить выходные энергетические характеристики лазера. Использование только одного типа формы излучающей площадки уменьшает экспериментальные возможности применения данного способа. Необходимость расположения активной среды вблизи формирующей оптики усложняет доступ к элементам лазера и сокращает варианты модернизации центральной части лазера.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является формирование области накачки активной среды лазера с сохранением постоянного размера вдоль направления распространения излучения генерации на всем протяжении активной среды с созданием высокой интенсивности излучения.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение выходных энергетических характеристик лазера при осуществлении поперечной накачки за счет создания протяженной области накачки с высокой интенсивностью излучения.
Технический результат достигается тем, что в способе поперечной накачки активной среды лазера, включающем передачу излучения от диодных источников накачки с помощью оптических волокон, плотно упакованных на концевом участке в ряд с расположением всех торцов волокон в одной плоскости, образующей излучающую площадку, к формирующей оптике, создающей область накачки лазера на пересечении пучка накачки и излучения генерации в активной среде лазера, новым является то, что формирующую оптику, состоящую, по меньшей мере, из одной аксиально-симметричной линзы, рассчитывают так, чтобы ее эквивалентное фокусное расстояние удовлетворяло равенству,
Figure 00000003
где
D - размер области накачки, совпадающий с размером активной среды по оси распространения излучения генерации;
θ - полная расходимость излучения на выходе из оптических волокон;
причем размер излучающей площадки волокон h по оси распространения излучения генерации выбирают из условия
Figure 00000004
, где
n - показатель преломления материала линз формирующей оптики,
а размер излучающей площадки волокон d в направлении, перпендикулярном оси распространения излучения генерации, увеличивают за счет добавления рядов волокон, причем d≤h, при этом излучающую площадку располагают на расстоянии
Figure 00000005
от передней главной плоскости формирующей оптики с образованием на расстоянии fэкв от задней главной плоскости формирующей оптики области накачки длиной
Figure 00000006
, где располагают активную среду лазера.
Кроме того, при использовании двух линз в формирующей оптике поверхности линз с наименьшими радиусами кривизны располагают на минимально возможном расстоянии друг от друга или с контактом.
Аксиально-симметричная оптика формирует пучок накачки по двум осям, что позволяет создать высокую интенсивность накачки внутри активной среды, что приводит к эффективному преобразованию излучения накачки в излучение генерации и тем самым к повышению выходных энергетических характеристик лазера.
При размере активной среды лазера по оси распространения излучения накачки l≤lmax дальнюю границу активной среды располагают на расстоянии lmax от задней фокальной плоскости линзовой системы, симметрично относительно оси накачки.
Увеличение размера излучающей площадки в направлении, перпендикулярном оси распространения излучения генерации, путем добавления торцов волокон позволяет увеличить суммарную вводимую мощность накачки в активную среду лазера, что увеличивает выходную мощность генерации. При этом при использовании излучающей площадки различной формы ее максимальный размер должен быть равен h.
Расположение излучающей площадки на расстоянии
Figure 00000007
от передней главной плоскости рассчитанной формирующей оптики с эквивалентным фокусным расстоянием
Figure 00000008
, позволяет осуществлять контроль ее состояния и дает возможность воплощать конструктивные решения для защиты торцов волокон от внешних факторов и их облучения отраженным излучением при высоких мощностях накачки. При этом обеспечивается накачка значительного объема активной среды с отсутствием в ней по оси генерации зон, не занятых излучением накачки за счет сохранения постоянным размера D по оси генерации на всем протяжении
Figure 00000006
, что увеличивает выходные энергетические характеристики лазера и КПД установки в целом.
При использовании двух линз в формирующей оптике поверхности линз с наименьшими радиусами кривизны располагают на минимальном расстоянии друг от друга. Это уменьшает сферическую аберрацию формирующей оптики и увеличивает задний фокальный отрезок данной линзовой системы. Уменьшение сферической аберрации формирующей оптики делает границы области накачки более резкими, что позволяет наиболее точно согласовать объем активной среды с объемом области накачки для эффективного преобразования излучения накачки в излучение генерации. Увеличение заднего фокального отрезка данной линзовой системы отдаляет активную среду от последней поверхности линзы, что дает возможность производить модернизацию центральной части лазерной кюветы, направленную на повышение выходных характеристик лазера.
В частном случае, при размере активной среды лазера по оси распространения излучения накачки l=lmax, ближнюю и дальнюю границу активной среды располагают на расстоянии от задней главной плоскости линзовой системы, равном fэкв и fэкв+lmax соответственно, симметрично относительно оси накачки.
При размере активной среды лазера по оси распространения излучения накачки l<lmax дальнюю границу активной среды эффективнее располагать на расстоянии
Figure 00000009
от задней главной плоскости линзовой системы. В таком случае достигается наиболее постоянный уровень интенсивности излучения накачки вдоль оси генерации, приводящий к более быстрому развитию генерации и равномерному коэффициенту усиления в активной среде лазера, что увеличивает выходные энергетические характеристики устройства и однородность излучения генерации во время работы лазера.
В другом частном случае, с целью улучшения выходных характеристик лазера выбирают сочетания линз с различной кривизной при сохранении
Figure 00000008
.
Способ поперечной накачки активной среды лазера поясняется рисунками.
На фиг. 1 показаны диодные источники (1), излучение от которых с помощью оптических волокон (2) с расходимостью излучения на выходе передается к предварительно рассчитанной и выбранной формирующей оптике (4), состоящей из одной аксиально-симметричной линзы, создающей область накачки (5) лазера. Волокна плотно упакованы на концевом участке с расположением всех торцов волокон в одной плоскости, образующей излучающую площадку (3) размером h×d, которая установлена на расстоянии L от передней главной плоскости Н формирующей оптики. Показан ход лучей из торцов крайних волокон, поясняющий формирование области накачки (5) с поперечным размером D и протяженностью lmax. На фиг. 2 формирующая оптика (4) состоит из двух аксиально-симметричных линз.
С целью подтверждения осуществимости заявленного способа и достигнутого технического результата был изготовлен и испытан лабораторный макет газового лазера, в котором излучение от диодных модулей передавалось посредством кварцевых оптических волокон с диаметром сердцевины 400 мкм, легированной оболочкой 440 мкм, защитной медной оболочкой 520 мкм и расходимостью на выходе из волокна θ=0,4 рад. Данный способ реализовывал поперечную накачку газовой активной среды лазера с размером активной среды вдоль оси распространения излучения генерации D=16 мм и размером
Figure 00000010
- вдоль оси накачки. Формирующая оптика состояла из двух одинаковых кварцевых плоско-выпуклых линз, состыкованных выпуклыми поверхностями друг с другом, эффективное фокусное расстояние которых было рассчитано по формуле
Figure 00000003
и составило
Figure 00000011
. Посредством компоновки торцов волокон собрана прямоугольная излучающая площадка размером h=10.5 мм и d=5.5 мм, установленная на расчетном расстоянии L=66.2 мм. При этом сформирована область накачки, сохраняющая размер D=16 мм, совпадающий с размером активной среды, вдоль которого распространяется излучение генерации, на всем протяжении lmax=60 мм, в пределах которого была расположена активная среда лазера. Максимальная интенсивность, создаваемая в области накачки, более чем в 2 раза превышает интенсивность накачки на выходе из излучающей площадки.
Пространство между последней линзой и активной средой лазера позволило установить конструкцию уплотнения окон лазерной кюветы, предотвращающую разгерметизацию при давлении внутри лазерной кюветы от 10-6 атм до 10 атм.
Увеличение размера излучающей площадки до 10.5×10.5 увеличило выходную мощность лазера в 8 раз, КПД в 4 раза. Проведенные испытания показали осуществимость заявленного способа.

Claims (10)

1. Способ поперечной накачки активной среды лазера, включающий передачу излучения от диодных источников накачки с помощью оптических волокон, плотно упакованных на концевом участке в ряд с расположением всех торцов волокон в одной плоскости, образующей излучающую площадку, к формирующей оптике, создающей область накачки лазера на пересечении пучка накачки и излучения генерации в активной среде лазера, отличающийся тем, что формирующую оптику, состоящую, по меньшей мере, из одной аксиально-симметричной линзы, рассчитывают так, чтобы ее эквивалентное фокусное расстояние удовлетворяло равенству
Figure 00000012
где
D - размер области накачки, совпадающий с размером активной среды, вдоль которого распространяется излучение генерации;
θ - полная расходимость излучения на выходе из оптических волокон; причем размер излучающей площадки волокон h по оси распространения излучения генерации выбирают из условия
Figure 00000013
где
n - показатель преломления материала линз формирующей оптики,
а размер излучающей площадки волокон d в направлении, перпендикулярном оси распространения излучения генерации, увеличивают за счет добавления рядов волокон, причем d≤h, при этом излучающую площадку располагают на расстоянии
Figure 00000014
от передней главной плоскости формирующей оптики с образованием на расстоянии fэкв от задней главной плоскости формирующей оптики области накачки дойной
Figure 00000015
где располагают активную среду лазера.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при использовании двух линз в формирующей оптике поверхности линз с наименьшими радиусами кривизны располагают на минимально возможном расстоянии друг от друга или с контактом.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при размере активной среды лазера по оси распространения излучения накачки 1=1max, ближнюю и дальнюю границу активной среды располагают на расстоянии от задней главной плоскости линзовой системы, равном fэкв и fэкв+lmax соответственно, симметрично относительно оси накачки.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при размере активной среды лазера по оси распространения излучения накачки 1<1max дальнюю границу активной среды располагают на расстоянии fэкв+1max от задней главной плоскости линзовой системы, симметрично относительно оси накачки.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выбирают сочетания линз с различной кривизной при сохранении fэкв.
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при использовании излучающей площадки различной формы ее максимальный размер должен быть равен h.
RU2017108065A 2017-03-10 2017-03-10 Способ поперечной накачки активной среды лазера RU2657125C9 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017108065A RU2657125C9 (ru) 2017-03-10 2017-03-10 Способ поперечной накачки активной среды лазера

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017108065A RU2657125C9 (ru) 2017-03-10 2017-03-10 Способ поперечной накачки активной среды лазера

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2657125C1 true RU2657125C1 (ru) 2018-06-08
RU2657125C9 RU2657125C9 (ru) 2018-10-08

Family

ID=62560753

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017108065A RU2657125C9 (ru) 2017-03-10 2017-03-10 Способ поперечной накачки активной среды лазера

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2657125C9 (ru)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2714781C1 (ru) * 2019-05-27 2020-02-19 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Способ поперечной накачки рабочей среды лазера

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4713822A (en) * 1985-05-24 1987-12-15 Amada Engineering & Service Co., Inc. Laser device
WO1990016099A1 (en) * 1989-06-14 1990-12-27 Australian Electro Optics Pty Ltd Optically switched, fluid cooled, diode pumped, fibre bundle coupled solid state laser
US5268978A (en) * 1992-12-18 1993-12-07 Polaroid Corporation Optical fiber laser and geometric coupler
US5299222A (en) * 1992-03-11 1994-03-29 Lightwave Electronics Multiple diode laser stack for pumping a solid-state laser
RU2361342C1 (ru) * 2008-01-14 2009-07-10 Общество с ограниченной ответственностью "АГРОЭЛ" Твердотельный лазер с диодной накачкой

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4713822A (en) * 1985-05-24 1987-12-15 Amada Engineering & Service Co., Inc. Laser device
WO1990016099A1 (en) * 1989-06-14 1990-12-27 Australian Electro Optics Pty Ltd Optically switched, fluid cooled, diode pumped, fibre bundle coupled solid state laser
US5299222A (en) * 1992-03-11 1994-03-29 Lightwave Electronics Multiple diode laser stack for pumping a solid-state laser
US5268978A (en) * 1992-12-18 1993-12-07 Polaroid Corporation Optical fiber laser and geometric coupler
RU2361342C1 (ru) * 2008-01-14 2009-07-10 Общество с ограниченной ответственностью "АГРОЭЛ" Твердотельный лазер с диодной накачкой

Also Published As

Publication number Publication date
RU2657125C9 (ru) 2018-10-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10090631B2 (en) Cladding light stripper and method of manufacturing
US8576885B2 (en) Optical pump for high power laser
US4713822A (en) Laser device
US7983312B2 (en) Method and apparatus for generation and amplification of light in a semi-guiding high aspect ratio core fiber
US4942586A (en) High power diode pumped laser
US20100226396A1 (en) Optical Arrangement For Pumping Solid-State Lasers
WO2016182723A1 (en) High pulse energy and high beam quality mini laser
WO2015087983A1 (ja) レーザ装置、および、光ファイバレーザ
JP2013168435A (ja) ロッド型ファイバレーザ増幅器およびロッド型ファイバレーザ発振器
EP1974424B1 (en) Diode pumped cavity
RU2657125C1 (ru) Способ поперечной накачки активной среды лазера
WO2002005393A1 (fr) Module de laser a plaquette a corps solide avec pompage optique
KR101857751B1 (ko) 슬랩 고체 레이저 증폭장치
CN101179175A (zh) 具有高峰值功率激光二极管泵浦固体激光器
RU2626723C2 (ru) Твердотельный усилитель лазерного излучения с диодной накачкой с большим коэффициентом усиления и высокой средней мощностью
EP1586145B1 (en) Side-pumped fiber laser
RU2714781C1 (ru) Способ поперечной накачки рабочей среды лазера
Glukhikh et al. Powerful solid-state transversely diode-pumped YAG: Nd lasers with improved radiation quality
ES2927853T3 (es) Sistema para acoplar una fuente de láser en una guía óptica
JP2015530756A (ja) 集束光学部材を使用しない長尺固体レーザのレーザダイオードサイドポンピング
US9685752B2 (en) Laser assembly
EP2260550A1 (en) Method and apparatus for generation and amplification of light in a semi-guiding high aspect ratio core fiber
US20130250995A1 (en) Laser system and method of operation
Pavel et al. Stable resonators for fundamental mode operation
RU2361342C1 (ru) Твердотельный лазер с диодной накачкой

Legal Events

Date Code Title Description
TH4A Reissue of patent specification
TH4A Reissue of patent specification