RU2726915C1 - Способ нелинейного внутрирезонаторного преобразования длины волны в лазере с продольной накачкой - Google Patents

Способ нелинейного внутрирезонаторного преобразования длины волны в лазере с продольной накачкой Download PDF

Info

Publication number
RU2726915C1
RU2726915C1 RU2019143527A RU2019143527A RU2726915C1 RU 2726915 C1 RU2726915 C1 RU 2726915C1 RU 2019143527 A RU2019143527 A RU 2019143527A RU 2019143527 A RU2019143527 A RU 2019143527A RU 2726915 C1 RU2726915 C1 RU 2726915C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
resonator
nonlinear
solid
active element
laser
Prior art date
Application number
RU2019143527A
Other languages
English (en)
Inventor
Михаил Валериевич Горбунков
Павел Владимирович Кострюков
Владимир Григорьевич Тункин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН)
Priority to RU2019143527A priority Critical patent/RU2726915C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2726915C1 publication Critical patent/RU2726915C1/ru

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
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/106—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity
    • H01S3/108—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity using non-linear optical devices, e.g. exhibiting Brillouin or Raman scattering

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

Изобретение относится к лазерной технике. Способ нелинейного внутрирезонаторного преобразования длины волны в лазере с продольной накачкой заключается в том, что для генерации на основной оптической частоте в лазере используют резонатор, конфигурация которого обеспечивает возможность одновременной генерации нескольких поперечных мод, вырожденных по фазовым набегам; располагают в непосредственной близости к одному из зеркал 1, 2 твердотельный активный элемент 3; размещают в резонаторе нелинейный элемент 4; фокусируют пучок 7 излучения оптической накачки в твердотельный активный элемент 3 вдоль оси резонатора. Пучок 7 излучения оптической накачки в твердотельном активном элементе 3 имеет диаметр меньше, чем диаметр гауссовой моды резонатора, в результате чего генерация на основной оптической частоте происходит на суперпозиции поперечных мод с образованием области повышенной интенсивности излучения, при этом нелинейный элемент 4 размещают в области повышенной интенсивности излучения. Технический результат заключается в обеспечении возможности повышения внутрирезонаторного нелинейного преобразования без использования дополнительных зеркал резонатора. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу нелинейного внутрирезонаторного преобразования длины волны в лазере с продольной накачкой и может быть использовано, в частности в лазерах с преобразованием во вторую и высшие гармоники, преобразованием на основе вынужденного комбинационного рассеяния, и параметрическим преобразованием.
Уровень техники
Твердотельные лазеры широко применяются в научных исследованиях, медицине и индустрии, в том числе для маркировки и микрообработки материалов. Наибольшее распространение получили лазеры, использующие в качестве активных сред кристаллы, легированные ионами неодима Nd3+ или иттербия Yb3+, например Nd:YAG, Nd:YVO4, Nd:GdVO4, Nd:YLF, Yb:YAG, Yb:KGW и другие. Широкое распространение таких лазеров связано в том числе с возможностью их работы в различных режимах: в непрерывном, в режиме модуляции добротности, режиме синхронизации мод. В качестве современных источников накачки таких лазеров применяются полупроводниковые лазерные диоды с длиной волны около 0,8 мкм для кристаллов с Nd3+ или 0,98 мкм для кристаллов с Yb3+, при этом длина волны лазерного излучения лежит в ближнем инфракрасном диапазоне в окрестности 1 мкм, в зависимости от материала кристаллической матрицы. Для достижения высокого КПД в твердотельных лазерах часто применяется схема продольной накачки, в которой излучение накачки вводится в активную среду лазера вдоль оси резонатора через торцевую грань активного элемента.
Для ряда применений необходимо получение лазерного излучения с длиной волны, отличающейся от длины волны генерации. В частности, для накачки широко распространенных фемтосекундных лазеров на титан-сапфире используются лазеры на кристаллах с Nd3+ с преобразованием во вторую гармонику с длиной волны 0,527-0,532 мкм. Преобразование во вторую гармонику обычно реализуется с помощью нелинейного элемента, в роли которого выступают нелинейно-оптические кристаллы (например, DKDP, ВВО, KTP, LBO и др.). К распространенным видам преобразования длины волны также относятся вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР), которое также можно реализовать с помощью кристаллов (например, Ba(NO3)2, KGW, SrMoO4 и др.), и параметрическая генерация света (например, на кристаллах KTP, RTP, KTA).
Эффективность нелинейного преобразования длины волны пропорциональна интенсивности (плотности потока мощности) или флюенсу (плотности потока энергии) излучения на основной оптической частоте, поэтому нелинейный элемент часто размещают внутри резонатора лазера, где интенсивность излучения основной оптической частоты существенно превышает интенсивность в выходном пучке.
Эффективность внутрирезонаторного нелинейного преобразования во вторую гармонику может быть повышена уменьшением диаметра моды на нелинейном кристалле. Так в патенте США 4907235 (опубл. 06.03.1990) предложен способ получения второй оптической гармоники с преобразованием на нелинейном кристалле, расположенном внутри L-образного резонатора. Для получения необходимого диаметра моды в нелинейном кристалле применяется двухлинзовый телескоп, который переносит с требуемым коэффициентом увеличения изображение торца лазерного стержня в плоскость, где расположен нелинейный кристалл. Пара линз также может быть заменена парой сферических зеркал. За счет выбора коэффициента увеличения телескопа такая схема позволяет согласовать требуемую интенсивность на нелинейном кристалле с любым диаметром активного элемента, но ее реализация в компактном варианте технически сложна, поскольку либо требует использования короткофокусных линз, либо вынуждает увеличивать углы падения на короткофокусные сферические зеркала, чтобы «развести» падающий и отраженный пучки, что в свою очередь приводит к астигматизму генерируемого пучка.
В патентах США 6287298 (опубл. 11.09.2001) и 6931037 (опубл. 16.08.2005) рассмотрена генерация в Nd:YVO4-лазере с продольной диодной накачкой с высокоэффективным внутрирезонаторным преобразованием во вторую гармонику за счет использования резонатора с вспомогательной перетяжкой, где размещается нелинейный кристалл. Вспомогательная перетяжка создается в дополнительном плече резонатора с помощью линзы и сферического зеркала, либо с помощью двух сферических зеркал. Данная схема рассчитана на генерацию на нулевой поперечной моде ТЕМ00, диаметр которой определяется длинами плеч резонатора и радиусами кривизны сферических зеркал, и поэтому не зависит от диаметра активного элемента. Это обстоятельство позволяет отказаться от геометрии переноса изображения, но при этом сохраняет недостаток в виде довольно больших размеров.
Патент РФ 2328064 (опубл. 27.06.2008) описывает способ внутрирезонаторного преобразования во вторую гармонику в лазере с активной средой в волоконном исполнении. Излучение основной частоты, выходящее из волоконного световода, фокусируется в нелинейный кристалл с помощью специальной схемы, состоящей из как минимум двух линз, которые могут быть в том числе асферическими или градиентными.
В патенте РФ 1429881 (опубл. 20.01.1995) задача достижения высокой эффективности внутрирезонаторного преобразования во вторую гармонику решается с помощью использования в простом линейном резонаторе с блочной (не волоконной) активной средой четвертьволновой пластинки, ось которой ориентирована под углом 45° к плоскости поляризации второй гармоники.
В патенте РФ 2073948 (опубл. 20.02.1997) раскрыт другой способ повышения эффективности внутрирезонаторного преобразования во вторую гармонику, в котором данная задача решена за счет сохранения в резонаторе излучения основной частоты, деполяризованного в нелинейном кристалле второй гармоники. Для этого в резонатор добавляют поляризатор, который расщепляет оптическую ось резонатора на два направления, в которых распространяются пучки двух перпендикулярных поляризаций. С помощью дополнительных зеркал оба направления расщепленной оптической оси замыкаются навстречу друг другу. Данный участок содержит электрооптический модулятор, который, при приложении к нему управляющего полуволнового напряжения, поворачивает плоскости поляризации проходящих через него лучей, и таким образом позволяет сохранить деполяризованную компоненту излучения в резонаторе. Несомненным достоинством данного способа является возможность его работы с нелинейными кристаллами с произвольной ориентацией оптической оси нелинейного кристалла. Однако использование электрооптического модулятора делает такую схему технически сложной из-за необходимости использования высоковольтного генератора для формирования высоковольтных управляющих импульсов.
Во всех способах, описанных в указанных патентах, задача повышения эффективности внутрирезонаторного нелинейного преобразования решается за счет усложнения резонатора. Добавление дополнительных элементов естественным образом увеличивает число поверхностей в резонаторе, что соответственно приводит к увеличению внутрирезонаторных потерь, и кроме того в некоторых случаях сопровождается увеличением длины резонатора, что может привести к нежелательному увеличению длительности гигантского импульса, если лазер работает в режиме модуляции добротности.
Известен и описан в литературе эффект синхронизации поперечных мод [С.Н. Chen et al., «Transverse excess noise factor and transverse mode locking in a gain-guided laser», Optics Communications, 245, 301 (2005); M.B. Горбунков и др., «Особенности структуры основной моды лазеров с устойчивыми резонаторами при пространственно неоднородном усилении», Квантовая электроника, 37:2 (2007), 173-180], заключающийся в том, что при определенных условиях в резонаторе формируется когерентная суперпозиция нескольких поперечных мод. Данный эффект реализуется при так называемых вырожденных конфигурациях резонатора, в которых поперечные моды вырождены по фазовым набегам (известным также как фазы Гуи). Вырожденные конфигурации резонатора описываются выражением:
Figure 00000001
где g1,2 - параметры устойчивости равные 1-L/R1,2; R1 и R2 - радиусы кривизны зеркал резонатора, L - эффективная длина резонатора (B-элемент лучевой матрицы однократного обхода резонатора); r/s - дробь, характеризующая вырождение и принимающая значение от нуля до единицы. Знак перед радикалом в выражении (1) должен совпадать со знаками g1,2.
На практике, синхронизация поперечных мод, часто считается вредным явлением, поскольку возбуждение высших поперечных мод сопровождается снижением качества выходного пучка, т.е. увеличением параметра М2 относительно значения, соответствующего генерации только на нулевой гауссовой моде. Однако данное явление можно применить для управления режимом генерации, в частности за счет того, что суперпозиция нескольких мод может иметь свойства, которыми не обладают одиночные моды.
Раскрытие изобретения
Таким образом, имеется необходимость в создании способа, лишенного недостатков аналогов, т.е. такого способа, который позволяет существенно повысить эффективность внутрирезонаторного нелинейного преобразования без использования дополнительных зеркал резонатора.
Эта задача с достижением указанного технического результата решается в настоящем изобретении за счет перераспределения интенсивности излучения основной оптической частоты в поперечном сечении лазера, в результате чего интенсивность излучения на оси резонатора в плоскости нелинейного элемента оказывается существенно выше, чем в случае генерации на одиночной Гауссовой моде. Такое перераспределение интенсивности достигается в результате работы лазера в режиме синхронизации поперечных мод, в котором происходит генерация когерентной суперпозиции нескольких поперечных мод в резонаторе специальной геометрии, обеспечивающей их вырождение по фазовым набегам [М.В. Горбунков и др., «Особенности структуры основной моды лазеров с устойчивыми резонаторами при пространственно неоднородном усилении», Квантовая электроника, 37:2 (2007), 173-180]. Одновременное возбуждение нескольких поперечных мод возникает вследствие их взаимодействия в активной среде на пространственно неоднородном профиле коэффициента усиления, который создается узким пучком накачки [М.В. Горбунков и др., «Влияние параметров резонатора и пространственно неоднородного усиления на пространственную структуру основной моды лазеров с устойчивыми резонаторами», Квантовая электроника, 38:7 (2008), 689-694].
Особенности предложенного способа по настоящему изобретению состоят в том, что, во-первых, лазер, в резонаторе которого происходит нелинейное преобразование длины волны, принципиально должен работать не на одиночной низшей поперечной гауссовой моде, а на суперпозиции поперечных мод и, во-вторых, нелинейный элемент должен располагаться в резонаторе в определенном месте, в котором поперечные моды складываются синфазно, поскольку именно синфазное сложение мод приводит к увеличению интенсивности и соответственно повышению нелинейного преобразования.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение иллюстрируется чертежами, на которых одинаковые или сходные элементы помечены одними и теми же ссылочными позициями.
На Фиг. 1 показана общая схема лазера с внутрирезонаторным преобразованием длины волны по настоящему изобретению.
На Фиг. 2 изображены зависимости интенсивности вдоль оси резонатора: распределение интенсивности в продольном сечении резонатора в случае генерации на Гауссовой моде и распределение интенсивности в продольном сечении резонатора в случае генерации в режиме синхронизации поперечных мод для резонатора с вырождением r/s=2/3.
На Фиг. 3 изображены зависимости интенсивности вдоль оси резонатора: распределение интенсивности в продольном сечении резонатора в случае генерации на Гауссовой моде и распределение интенсивности в продольном сечении резонатора в случае генерации в режиме синхронизации поперечных мод для резонатора с вырождением r/s=3/4.
На Фиг. 4 изображен вариант реализации со вспомогательным дихроичным зеркалом.
На Фиг. 5 изображен вариант реализации с линзоподобным активным элементом.
На Фиг. 6 изображен вариант реализации с зеркалом резонатора, нанесенным непосредственно на грань активного элемента.
Подробное описание вариантов осуществления
Настоящее изобретение описывается со ссылками на прилагаемые чертежи посредством примеров его осуществления, которые являются иллюстративными, но не ограничивающими объем притязаний по настоящему изобретению, определяемый только нижеследующей формулой изобретения.
Лазер, в общем случае реализующий предложенный способ повышения эффективности нелинейного внутрирезонаторного преобразования длины волны, содержит (Фиг. 1): резонатор, образованный первым и вторым сферическими зеркалами 1 и 2, твердотельный активный элемент 3, нелинейный элемент 4, источник 5 накачки, оптическую систему транспортировки излучения накачки, состоящую из линз 6.
В качестве сферических зеркал 1 и 2 могут выступать широкодоступные диэлектрические зеркала, нанесенные на подложки из материала, прозрачного для излучения накачки, генерации и преобразованного излучения (второй гармоники или ВКР-компоненты), например, из кварца КУ-1, стекла К8 и т.п. В качестве активного элемента могут использоваться кристаллы с неодимом (Nd:YAG, Nd:YLF, Nd:YVO4, Nd:GdVO4 и другие) или иттербием (Yb:YAG, Yb:KGW, Yb:KYW и другие). Активный элемент должен располагаться вблизи первого сферического зеркала 1.
Диэлектрическое покрытие первого сферического зеркала 1 должно иметь высокий коэффициент отражения для длины волны генерации и высокий коэффициент пропускания для длины волны накачки. Грань подложки первого сферического зеркала 1, обращенная навстречу пучку 7 накачки, должна быть просветлена на длину волны накачки. Диэлектрическое покрытие второго сферического зеркала 2 должно иметь высокий коэффициент отражения для длины волны генерации и высокий коэффициент пропускания для длины волны излучения, полученного в результате нелинейно-оптического преобразования. Грани нелинейного элемента 4 должны быть просветлены на длины волн генерации и преобразованного излучения.
Лазер должен работать в режиме синхронизации поперечных мод, в котором генерация происходит не на отдельной моде, а на когерентной суперпозиции нескольких поперечных мод [С.Н. Chen et al., Optics Communications, 245, 301 (2005); М.В. Горбунков и др., Квантовая электроника, 37:2 (2007), 173-180]. Такой режим реализуется при одновременном выполнении двух условий [М.В. Горбунков и др., Квантовая электроника, 38:7 (2008), 689-694]: во-первых, поперечные моды должны взаимодействовать друг с другом за счет какого-либо механизма, нарушающего их ортогональность, и, во-вторых, конфигурация резонатора должна быть вырожденной, чтобы обеспечивать возможность одновременной генерации нескольких поперечных мод в виде когерентной суперпозиции.
В качестве механизма взаимодействия поперечных мод в данном изобретении выступает неоднородное по поперечному сечению твердотельного активного элемента 3 распределение коэффициента усиления - пучок 7 накачки прокачивает только приосевую часть твердотельного активного элемента 3, в результате чего усиление имеет максимальное значение на оси резонатора и спадает при удалении от нее. Для возбуждения поперечных мод (т.е. чтобы существенная доля мощности или энергии генерации пришлась на высшие моды) диаметр накачки должен быть уже диаметра нулевой Гауссовой моды резонатора [М.В. Горбунков и др., Квантовая электроника, 38:7 (2008), 689-694]. При современном уровне техники широко доступны источники диодной накачки со сбором излучения в волоконный световод диаметром от 100 до 800 мкм с числовой апертурой 0,12-0,22 при средней мощности десятки и сотни ватт. Также доступны одиночные диоды без волоконного выхода с размерами излучающей поверхности 200 мкм и менее, в том числе в вариантах с коллимированным излучением по обеим осям. Таким образом, излучение таких источников вполне может быть сфокусировано в малый объем на оси твердотельного активного элемента 3 с помощью довольной простой оптической системы из одной, двух или трех линз 6. В качестве таких линз 6 могут быть применены коммерчески доступные ахроматические дублеты.
Возможность одновременного существования в резонаторе нескольких мод реализуется в случае так называемых вырожденных конфигураций резонатора, которые описываются выражением (1). При фиксированных радиусах R1 и R2 кривизны первого и второго сферических зеркал 1 и 2 настройка конфигурации резонатора на конкретное вырождение r/s осуществляется подбором его длины L. Эффективная длина резонатора должна быть равна
Figure 00000002
или, в случае одинаковых радиусов R1=R2=R:
Figure 00000003
Практический интерес представляют собой резонаторы небольшой длины (до 20-30 см) с достаточными потерями на частоте генерации (в роли которых выступает либо полезное пропускание выходного зеркала, либо преобразование излучения основной частоты в нелинейном кристалле). В таких резонаторах реализуется режим синхронизации Лагерр-гауссовых поперечных мод
Figure 00000004
с ненулевым радиальным индексом р [В.В. Безотосный, и др., Квантовая электроника, 39:8 (2009), 759-764]. В резонаторе, конфигурация которого удовлетворяет выражению (1), вырождены Лагерр-гауссовы моды
Figure 00000004
с поперечными радиальными индексами р, отличающимися друг от друга на величину, кратную s для нечетных s и кратную s/2 в случае четных s.
Количество поперечных мод, существующих в резонаторе (т.е. имеющих низкие дифракционные потери), ограничено диаметрами элементов. Например, в резонаторе длиной L=300 мм с радиусами кривизны первого и второго сферических зеркал 1 и 2 соответственно R1=200 мм и R2=200 мм (такая конфигурация соответствует r/s=2/3) при длине волны генерации λ=1,064 мкм и диаметрах зеркал 4 мм с низкими дифракционными потерями могут существовать Лагерр-Гауссовы моды со значениями индекса р от 0 до 16. В режиме синхронизации поперечных мод генерируются только моды с определенными значениями радиального индекса, соответственно суммарное количество мод оказывается в s или s/2 раз меньшим, поэтому для генерации достаточного количества мод необходимо использовать вырожденные конфигурации с малым s.
Другое обстоятельство, накладывающее ограничение на выбор конфигурации резонатора, заключается в том, что лазерное поле внутри резонатора в режиме синхронизации поперечных мод должно иметь область, где моды складываются синфазно - в этой области суперпозиция мод имеет высокую интенсивность (заметно выше интенсивности любой отдельной моды), и именно в этом месте должен располагаться нелинейный элемент 4. Вблизи первого сферического зеркала 1, рядом с которым располагается твердотельный активный элемент 3, область высокой интенсивности формируется в любой вырожденной конфигурации. При нечетных s (например, r/s=1/3) аналогичная область формируется рядом со вторым сферическим зеркалом 2 [М.В. Горбунков и др., Квантовая электроника, 37:2 (2007), 173-180]. Однако такой вариант мало полезен с практической точки зрения, поскольку, во-первых нелинейный кристалл потребуется располагать как можно ближе к зеркалу, а во-вторых увеличение интенсивности в такой конфигурации оказывается неоптимальным. Вырожденные конфигурации с четными s (например, 1/2, 1/4, 1/6, 3/8 и т.д.) вообще не имеют на втором сферическом зеркале 2 области высокой интенсивности, поэтому при расположении нелинейно-оптического кристалла (нелинейного элемента 4) вблизи второго сферического зеркала 2 такие конфигурации также не пригодны для достижения технического результата.
Необходимым свойством обладают вырожденные конфигурации с r>1 - при синхронизации поперечных мод в таких резонаторах области высокой интенсивности формируются не только на первом и втором сферических зеркалах 1 и 2, но и внутри резонатора. Наибольшую практическую ценность имеют вырожденные конфигурации с r/s=2/3 и r/s=3/4. Особенностью данных конфигураций является то, что они располагаются в левой области устойчивости (с отрицательными значениями g1,2).
В конфигурации с r/s=2/3 оптическая длина резонатора должна быть равна
Figure 00000005
или, в случае одинаковых радиусов R1=R2=R:
Figure 00000006
В этом случае плоскость, в которой моды складываются синфазно и, соответственно, их суперпозиция имеет высокую интенсивность, располагается от первого сферического зеркала 1 на расстоянии LNC:
Figure 00000007
В случае одинаковых радиусов R1=R2=R данная плоскость располагается в середине резонатора:
Figure 00000008
На Фиг. 2 показаны распределения интенсивности излучения генерации в продольном сечении резонатора и зависимость интенсивности на оси резонатора в случаях генерации на Гауссовой моде и в режиме синхронизации поперечных мод для резонатора с вырождением r/s=2/3. В данном варианте используются сферические зеркала 1 и 2 с одинаковыми радиусами кривизны R1=R2=200 мм, эффективная длина L резонатора составляет 300 мм. Нелинейный элемент 4 в данном варианте должен располагаться в середине резонатора, где интенсивность имеет выраженный максимум. В данном примере диаметр твердотельного активного элемента 3 равен 4,0 мм, диаметр пучка накачки составляет 200 мкм, что в 3,4 раза меньше диаметра нулевой гауссовой моды резонатора. При данных параметрах в резонаторе реализуется суперпозиция Лагерр-Гауссовых мод со значениями радиального индекса р=0, 3, 6, 9, 12, 15, и интенсивность в плоскости нелинейного элемента 4 в 5,6 раз превышает интенсивность одиночной моды (при условии одинаковой мощности/энергии в обоих режимах).
Другая практически значимая вырожденная конфигурации характеризуется дробью r/s=3/4, при этом эффективная длина резонатора в данной конфигурации должна быть равна
Figure 00000009
или, в случае одинаковых радиусов R1=R2=R:
Figure 00000010
В этом случае плоскость, в которой моды складываются синфазно и, соответственно, их суперпозиция имеет высокую интенсивность, располагается от первого сферического зеркала 1 на расстоянии LNC:
Figure 00000011
что в случае одинаковых радиусов R1=R2=R эквивалентно:
Figure 00000012
Вариант реализации способа с использованием конфигурации с r/s=3/4 показан на Фиг. 3. Радиусы кривизны первого и второго сферических зеркал 1 и 2 составляют R1=R2=200 мм, эффективная длина L=341,421 мм. В данном примере диаметр твердотельного активного элемента равен 4,0 мм, диаметр пучка накачки составляет 200 мкм, что в 4 раза меньше диаметра нулевой гауссовой моды резонатора. При данных параметрах в резонаторе реализуется суперпозиция Лагерр-Гауссовых мод со значениями радиального индекса р = 0, 2, 4, 6, 8, 10, и интенсивность в плоскости нелинейного кристалла в 5,1 раз превышает интенсивность одиночной моды в центре резонатора.
В продемонстрированных примерах в режиме синхронизации поперечных мод имеет место более чем пятикратное увеличение интенсивности на нелинейном элементе 4 по сравнению с режимом генерации на одиночной гауссовой моде. Дальнейшее увеличение интенсивности может быть получено за счет увеличения числа генерируемых мод путем увеличением диаметра твердотельного активного элемента 3 и сферических зеркал 1 и 2 резонатора и уменьшением диаметра накачки [М.В. Горбунков и др., Квантовая электроника, 38:7 (2008), 689-694].
Следует отметить особенности предлагаемого способа повышения эффективности внутрирезонаторного преобразования по настоящему изобретению. Во-первых, излучение лазера, как на длине волны генерации, так и на длине волны преобразования является многомодовым. В приведенных примерах для вырожденных конфигураций резонатора с r/s, равными 2/3 и 3/4, параметр качества М2 пучка составляет 8,7 и 7,9 соответственно, что заметно выше значения, соответствующего одиночной гауссовой моде. Во-вторых, способ принципиально не может быть применен в лазерах с поперечной накачкой, в том числе ламповой. В-третьих, в вырожденных конфигурациях с r/s>1/2, расположенных в левой зоне устойчивости (с отрицательными g1,2), в том числе в конфигурациях с r/s=2/3 и 3/4, оба зеркала 1 и 2 должны быть сферическими (не плоскими). Последнее обстоятельство, однако, может быть преодолено путем выбора вырожденной конфигурации с r/s<1/2, например 3/8 или 2/5. В таком случае одно, причем любое, из зеркал 1 и 2 может быть плоским, что удобно с практической точки зрения.
Предложенный способ допускает варианты реализации. В частности на Фиг. 4 изображен вариант, в котором излучение накачки вводится в твердотельный активный элемент 3 не через концевое зеркало резонатора, а со стороны, обращенной внутрь резонатора. Для этого внутри резонатора устанавливается вспомогательное зеркало 8 с дихроичным покрытием, имеющим высокий коэффициент отражения для излучения накачки и высокий коэффициент пропускания для излучения на длинах волн генерации и преобразования. В таком случае оптическая система транспортировки излучения накачки, состоящая из линз 6, и источник 5 накачки располагаются сбоку от резонатора, и излучение 7 накачки вводится в твердотельный активный элемент 3, отразившись от вспомогательного зеркала 8.
Твердотельный активный элемент 3 может иметь линзоподобную геометрию, т.е. одна из его граней или обе могут быть сферическими, а не плоскими. Пример варианта реализации с линзоподобным твердотельным активным элементом 3 изображен на Фиг. 5.
Первое сферическое зеркало 1 резонатора, рядом с которым располагается твердотельный активный элемент 3, может быть выполнено не в виде отдельного элемента, а в виде покрытия, нанесенного непосредственно на грань твердотельного активного элемента 3. Данный вариант реализации изображен на Фиг. 6.
Таким образом, предложенный способ позволяет увеличить эффективность нелинейного внутрирезонаторного преобразования путем применения специальной конфигурации резонатора, в котором при накачке узким пучком возбуждается суперпозиция нескольких поперечных мод, имеющая повышенную интенсивность в нелинейном элементе.

Claims (8)

1. Способ нелинейного внутрирезонаторного преобразования длины волны в лазере с продольной накачкой, заключающийся в том, что
- для генерации на основной оптической частоте в упомянутом лазере используют резонатор, конфигурация которого обеспечивает возможность одновременной генерации нескольких поперечных мод, вырожденных по фазовым набегам;
- располагают в непосредственной близости к одному из зеркал твердотельный активный элемент;
- размещают в упомянутом резонаторе нелинейный элемент;
- фокусируют пучок излучения оптической накачки в упомянутый твердотельный активный элемент вдоль оси упомянутого резонатора, причем упомянутый пучок излучения оптической накачки в упомянутом твердотельном активном элементе имеет диаметр меньше, чем диаметр гауссовой моды упомянутого резонатора, в результате чего упомянутая генерация на основной оптической частоте происходит на суперпозиции упомянутых поперечных мод с образованием области повышенной интенсивности излучения;
- при этом упомянутый нелинейный элемент размещают в упомянутой области повышенной интенсивности излучения.
2. Способ по п. 1, в котором упомянутый пучок излучения оптической накачки вводят в упомянутый твердотельный активный элемент через одно из зеркал упомянутого резонатора, выполненное прозрачным для упомянутого пучка излучения оптической накачки.
3. Способ по п. 1, в котором упомянутый пучок излучения оптической накачки вводят в упомянутый твердотельный активный элемент с помощью вспомогательного дихроичного зеркала, размещаемого внутри упомянутого резонатора.
RU2019143527A 2019-12-24 2019-12-24 Способ нелинейного внутрирезонаторного преобразования длины волны в лазере с продольной накачкой RU2726915C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019143527A RU2726915C1 (ru) 2019-12-24 2019-12-24 Способ нелинейного внутрирезонаторного преобразования длины волны в лазере с продольной накачкой

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019143527A RU2726915C1 (ru) 2019-12-24 2019-12-24 Способ нелинейного внутрирезонаторного преобразования длины волны в лазере с продольной накачкой

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2726915C1 true RU2726915C1 (ru) 2020-07-16

Family

ID=71616556

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019143527A RU2726915C1 (ru) 2019-12-24 2019-12-24 Способ нелинейного внутрирезонаторного преобразования длины волны в лазере с продольной накачкой

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2726915C1 (ru)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2073948C1 (ru) * 1994-03-29 1997-02-20 Василий Николаевич Забавин Лазер с внутрирезонаторной генерацией второй гармоники
WO1997019503A1 (en) * 1995-11-22 1997-05-29 Light Solutions Corporation Fiber stub end-pumped laser
RU2177665C2 (ru) * 2000-03-28 2001-12-27 Сычугов Владимир Александрович Микролазер с внутрирезонаторным удвоением частоты излучения
WO2007118269A1 (en) * 2006-04-13 2007-10-25 Macquarie University Continuous-wave laser

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2073948C1 (ru) * 1994-03-29 1997-02-20 Василий Николаевич Забавин Лазер с внутрирезонаторной генерацией второй гармоники
WO1997019503A1 (en) * 1995-11-22 1997-05-29 Light Solutions Corporation Fiber stub end-pumped laser
RU2177665C2 (ru) * 2000-03-28 2001-12-27 Сычугов Владимир Александрович Микролазер с внутрирезонаторным удвоением частоты излучения
WO2007118269A1 (en) * 2006-04-13 2007-10-25 Macquarie University Continuous-wave laser

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5987049A (en) Mode locked solid-state laser pumped by a non-diffraction-limited pumping source and method for generating pulsed laser radiation by pumping with a non-diffraction-limited pumping beam
Beyatli et al. Tapered diode-pumped continuous-wave alexandrite laser
US7991028B1 (en) Tunable solid state laser system
JP5155560B2 (ja) 内部赤外誘導損傷への耐性を有するレーザ
Beaud et al. Multi-terawatt femtosecond Cr: LiSAF laser
Li et al. 980 nm Yb-doped double-clad photonic crystal fiber amplifier and its frequency doubling
Riesbeck et al. Pulsed solid-state laser system with fiber phase conjugation and 315 W average output power
RU2726915C1 (ru) Способ нелинейного внутрирезонаторного преобразования длины волны в лазере с продольной накачкой
Lü et al. Diode-Pumped Quasi-Three-Level ${\rm Nd}{:}{\rm YVO} _ {4} $ Laser With Orthogonally Polarized Emission
McKinnie et al. Ti/sup 3+/ion concentration and Ti: sapphire laser performance
Jin et al. An innovative electro-optic Q-Switch technology in 1064 nm and 1319 nm dual-wavelength operation of a Nd: YAG laser
Lymarenko et al. Super-Collimation by Circular Grating near Mirror
CN109742646A (zh) 一种抑制腔内泵浦连续波光参量振荡器弛豫振荡的装置
Chang et al. Self-starting passively mode-locked tunable Cr 4+: yttrium–aluminum–garnet laser with a single prism for dispersion compensation
Elder et al. Efficient single-pass resonantly-pumped Ho: YAG laser
Dashkevich et al. Eye-Safe KGd (WO 4) 2 Raman Lasers: Comparative Study of Pumping of Nd: KGd (WO 4) 2 Lasers With 4 F 3/2→ 4 I 11/2 and 4 F 3/2→ 4 I 13/2 Working Transitions
Pavel et al. All-poly-crystalline ceramics Nd: YAG/Cr 4+: YAG monolithic micro-lasers with multiple-beam output
Eichler et al. Design and construction of high-power solid state laser amplifiers with phase conjugating mirror
Plukys et al. Enhancement of brightness in microchip laser with angular filtering mirrors
Wetter Neodymium doped lithium yttrium fluoride (Nd: YLiF4) lasers
Nikkinen Sub-100 ps Light Sources Based on Q-Switched Microchip Lasers
Eichler et al. Solid-State Lasers
Coyle Compact and low-cost ultrashort-pulse Ti: sapphire lasers
Fedin et al. Spectral properties of laser planar waveguides based on fluoride ceramics and crystalline solid solutions
Chen et al. 0.9-W compact UV pulsed lasers using high-power VCSEL array side-pumping