RU2733944C1 - Laser radiation amplifier with high average power and high pulse energy - Google Patents

Laser radiation amplifier with high average power and high pulse energy Download PDF

Info

Publication number
RU2733944C1
RU2733944C1 RU2019141035A RU2019141035A RU2733944C1 RU 2733944 C1 RU2733944 C1 RU 2733944C1 RU 2019141035 A RU2019141035 A RU 2019141035A RU 2019141035 A RU2019141035 A RU 2019141035A RU 2733944 C1 RU2733944 C1 RU 2733944C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
active element
solid
state active
radiation
laser
Prior art date
Application number
RU2019141035A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Иван Игоревич Кузнецов
Олег Валентинович Палашов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН)
Priority to RU2019141035A priority Critical patent/RU2733944C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2733944C1 publication Critical patent/RU2733944C1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/0602—Crystal lasers or glass lasers
    • H01S3/061—Crystal lasers or glass lasers with elliptical or circular cross-section and elongated shape, e.g. rod

Abstract

FIELD: laser engineering.
SUBSTANCE: invention relates to laser equipment. Laser radiation amplifier based on the solid-state active element includes a pumping radiation source based on laser diodes and a solid-state active element which acts as a waveguide for pumping radiation. Solid-state active element is made in the form of truncated right circular cone with two circular end faces serving for input of radiation into solid-state active element and emission of radiation from solid-state active element, and side surface of solid-state active element is in contact with layer of material providing waveguide propagation of pumping radiation. Amplifier also comprises cooling system of side surface of solid-state active element, an optical system for arranging pumping radiation into a solid-state active element, an optical system for arranging the amplified laser radiation into a solid-state active element located such that the amplified laser radiation is brought into the solid-state active element from the side of its circular end face, which is smaller base of truncated right circular cone, and dichroic mirror for spatial separation and establishment into solid-state active element of pumping radiation and amplified laser radiation. At that, optical system for arrangement of pumping radiation into solid-state active element is arranged so that pumping radiation is introduced into solid-state active element on the side of its circular end face, which is smaller base of truncated right circular cone.
EFFECT: technical result consists in providing the possibility of reducing the effect of thermal effects, due to which possibility of operation of the amplifier is provided at high average power (more than 20 W) and high energy pulses (more than 10 mJ).
1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для усиления импульсно-периодического лазерного излучения до большой энергии импульсов. Устройство может быть использовано в качестве предусилителя в многокаскадной лазерной усилительной системе, а также в качестве конечного усилителя для значительного увеличения энергии лазерных импульсов.The invention relates to laser technology and can be used to amplify repetitively pulsed laser radiation to high pulse energy. The device can be used as a preamplifier in a multistage laser amplifier system, as well as as a final amplifier for a significant increase in the energy of laser pulses.

Сегодня одной из наиболее востребованных лазерных технологий в науке и промышленности являются твердотельные лазеры, одновременно обладающие высокой средней мощностью и большой энергией импульсов. В связи с этим актуальна задача создания лазерных усилителей, способных обеспечить требуемые выходные характеристики. Ключевым параметром таких усилителей является геометрия активного элемента, которая должна обеспечить, с одной стороны, возможность эффективного охлаждения активной среды для ослабления тепловых эффектов, а с другой стороны, возможность эффективного запасания и извлечения энергии. Для эффективного охлаждения необходимо, чтобы активный элемент обладал малым размером вдоль направления охлаждения, что часто противоречит возможности достижения высокой энергии импульсов.Today, one of the most popular laser technologies in science and industry are solid-state lasers, which simultaneously have high average power and high pulse energy. In this regard, the urgent task of creating laser amplifiers capable of providing the required output characteristics. The key parameter of such amplifiers is the geometry of the active element, which should provide, on the one hand, the possibility of efficient cooling of the active medium to weaken the thermal effects, and, on the other hand, the possibility of efficient energy storage and extraction. Effective cooling requires that the active element has a small size along the cooling direction, which often contradicts the possibility of achieving high pulse energies.

Известны усилители лазерного излучения на основе оптических волокон. Они позволяют достигать средней мощности ~ 1 кВт при идеальном качестве пучка, однако энергия импульсов ограничена на уровне<1 мДж нелинейными эффектами в волокне (W. Zhao, X. Hu, Y. Wang "Femtosecond-pulse fiber based amplification techniques and their applications." IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 20(5) pp.512-524 (2014)). Усилители лазерного излучения на тонких стержнях диаметром <1 мм (патент US 8625192 «Optical amplifier system for pulsed laser based on a guiding gain medium and pulsed laser comprising same», МПК H01S 3/094, публ. 07.01.2014 г.) позволяют усиливать сигнал до средней мощности >100 Вт при энергии импульсов до 3 мДж. Энергия импульсов ограничивается эффектом пробоя выходного торца усилителя (I. Kuznetsov, I. Mukhin, О. Palashov, K.-I. Ueda, "Thin-rod Yb:YAG amplifiers for high average and peak power lasers", Opt. Lett. 43, 3941-3944 (2018)). Известны также усилители лазерного излучения на толстых стержнях (диаметр >1 мм). В данной геометрии достигается значительно большая энергия импульсов (>10 мДж), но увеличение диаметра активного Known amplifiers of laser radiation based on optical fibers. They allow reaching an average power of ~ 1 kW with ideal beam quality, however, the pulse energy is limited to <1 mJ by nonlinear effects in the fiber (W. Zhao, X. Hu, Y. Wang "Femtosecond-pulse fiber based amplification techniques and their applications. "IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 20 (5) pp. 512-524 (2014)). Amplifiers of laser radiation on thin rods with a diameter of <1 mm (patent US 8625192 "Optical amplifier system for pulsed laser based on a guiding gain medium and pulsed laser comprising the same", IPC H01S 3/094, publ. 07.01.2014) signal up to average power> 100 W at pulse energy up to 3 mJ. The pulse energy is limited by the effect of breakdown of the output end of the amplifier (I. Kuznetsov, I. Mukhin, O. Palashov, K.-I. Ueda, "Thin-rod Yb: YAG amplifiers for high average and peak power lasers", Opt. Lett. 43 , 3941-3944 (2018)). Also known are amplifiers of laser radiation on thick rods (diameter> 1 mm). This geometry achieves a significantly higher pulse energy (> 10 mJ), but an increase in the diameter of the active

элемента неизбежно ведет к нарастанию влияния тепловых эффектов, что не позволяет работать при высокой средней мощности и приводит к ухудшению качества выходного пучка (Е.С.Honea, R.J. Beach, S.C. Mitchell, J.A. Skidmore, M.A. Emanuel, S.B. Sutton, S.A. Payne, P.V. Avizonis, R.S. Monroe, D.G. Harris "High-power dual-rod Yb:YAG laser," Opt. Lett 25, pp, 805-807 (2000)).element inevitably leads to an increase in the influence of thermal effects, which does not allow working at high average power and leads to a deterioration in the quality of the output beam (E.C. Honea, RJ Beach, SC Mitchell, JA Skidmore, MA Emanuel, SB Sutton, SA Payne, PV Avizonis, RS Monroe, DG Harris "High-power dual-rod Yb: YAG laser," Opt. Lett 25, pp, 805-807 (2000)).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является взятый за прототип усилитель лазерного излучения с большим коэффициентом усиления, высокой средней и пиковой мощностью и высоким качеством выходного пучка на основе твердотельного активного элемента геометрии усеченного прямого кругового конуса (патент RU 2618498, МПК H01S3/06, публ. 03.05.2017 г., авторы Кузнецов И.И., Мухин И.Б, Палашов О.В.; и статья «Thin-tapered-rod Yb:YAG laser amplifier» / Ivan Kuznetsov, Ivan Mukhin, Oleg Palashov and Ken-Ichi Ueda // Opt. Lett. 41, 5361-5364 (2016)).The closest in technical essence to the claimed device is a laser amplifier taken as a prototype with a high gain, high average and peak power and high quality of the output beam based on a solid-state active element with a truncated straight circular cone geometry (patent RU 2618498, IPC H01S3 / 06, published 03.05.2017, authors Kuznetsov I.I., Mukhin I.B., Palashov O.V .; and article "Thin-tapered-rod Yb: YAG laser amplifier" / Ivan Kuznetsov, Ivan Mukhin, Oleg Palashov and Ken-Ichi Ueda // Opt. Lett. 41, 5361-5364 (2016)).

Устройство - прототип включает в себя диодный источник излучения накачки, твердотельный активный элемент, систему охлаждения боковой поверхности твердотельного активного элемента, оптические системы для заведения излучения накачки и усиливаемого лазерного излучения в твердотельный активный элемент и дихроичное зеркало для пространственного разделения излучения накачки и усиливаемого лазерного излучения. Активный элемент выполнен в форме усеченного прямого кругового конуса. Характерные диаметры большего и меньшего торцов составляют 1 мм и 0,3 мм соответственно, а характерная длина - 30 мм. Охлаждение активного элемента осуществляется со стороны боковой поверхности, которая контактирует со слоем материала, обеспечивающим волноводное распространение излучения накачки (металл; диэлектрическая оболочка с меньшим, чем у твердотельного активного элемента показателем преломления; слой жидкости, циркулирующей в системе охлаждения). Оптическая система для заведения излучения накачки в активный элемент расположена со стороны его большего торца и представляет собой систему линз, фокусирующих излучение накачки вдоль оси активного элемента так, что перетяжка пучка располагается на его большем торце. Излучение диодной накачки распространяется в активном элементе волноводным образом, многократно отражаясь от боковой поверхности за счет контакта этой боковой поверхности со слоем материала, обеспечивающим такое отражение. Оптическая система для заведения усиливаемого лазерного излучения в активный элемент расположена со стороны его меньшего торца и обеспечивает один проход излучения через активный элемент. Излучение The prototype device includes a diode source of pumping radiation, a solid-state active element, a cooling system for the lateral surface of a solid-state active element, optical systems for introducing pumping radiation and amplified laser radiation into a solid-state active element and a dichroic mirror for spatial separation of pumping radiation and amplified laser radiation. The active element is made in the form of a truncated right circular cone. The characteristic diameters of the larger and smaller ends are 1 mm and 0.3 mm, respectively, and the characteristic length is 30 mm. The active element is cooled from the side of the lateral surface, which is in contact with a layer of material that provides waveguide propagation of pump radiation (metal; dielectric shell with a refractive index lower than that of a solid-state active element; a layer of liquid circulating in the cooling system). The optical system for introducing pumping radiation into the active element is located on the side of its larger end and is a system of lenses that focus the pumping radiation along the axis of the active element so that the beam waist is located at its larger end. Diode pumping radiation propagates in the active element in a waveguide manner, repeatedly reflected from the lateral surface due to the contact of this lateral surface with the material layer providing such reflection. The optical system for introducing the amplified laser radiation into the active element is located on the side of its smaller end and provides one passage of radiation through the active element. Radiation

распространяется в активном элементе свободно таким образом, что в каждом сечении диаметр пучка составляет от 40% до 60% от диаметра активного элемента. Благодаря малому диаметру активного элемента осуществляется его эффективное охлаждение, что позволяет достигать высокой средней мощности порядка 20 Вт при хорошем качестве пучка и энергии импульса на выходе до 3 мДж. Благодаря конической форме усилителя, достигается равномерное распределение погонного коэффициента усиления на всей длине активного элемента и равномерное эффективное извлечение запасенной энергии.propagates in the active element freely in such a way that in each section the beam diameter is from 40% to 60% of the diameter of the active element. Due to the small diameter of the active element, it is efficiently cooled, which makes it possible to achieve a high average power of about 20 W with good beam quality and output pulse energy up to 3 mJ. Due to the conical shape of the amplifier, a uniform distribution of the linear gain along the entire length of the active element and uniform efficient extraction of the stored energy are achieved.

Недостаток прототипа заключается в том, что при усилении лазерных импульсов до энергии порядка 3 мДж возникает эффект оптического пробоя торцов активного элемента из-за их малого диаметра. При этом увеличение диаметра большего торца приводит к сильному нагреву активного элемента и к возникновению тепловых эффектов, так как именно со стороны большего торца в активный элемент заводится излучение накачки, и именно в области большего торца выделяется наибольшее количество тепла.The disadvantage of the prototype is that when the laser pulses are amplified to an energy of about 3 mJ, the effect of optical breakdown of the ends of the active element occurs due to their small diameter. In this case, an increase in the diameter of the larger end leads to strong heating of the active element and to the appearance of thermal effects, since it is from the side of the larger end that the pump radiation is introduced into the active element, and it is in the region of the larger end that the greatest amount of heat is released.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка способного работать при высокой средней мощности (более 20 Вт) усилителя лазерного излучения с высоким качеством выходного пучка и большим коэффициентом усиления за проход, который обеспечивал бы большую энергию импульсов на выходе (более 10 мДж).The problem to be solved by the present invention is to develop a laser amplifier capable of operating at high average power (more than 20 W) with a high quality of the output beam and a high gain per pass, which would provide a high pulse energy at the output (more than 10 mJ) ...

Технический эффект достигается тем, что усилитель лазерного излучения включает, по крайней мере, один основанный на лазерных диодах источник излучения накачки, твердотельный активный элемент, выступающий в роли волновода для излучения накачки. Причем твердотельный активный элемент выполнен в виде усеченного прямого кругового конуса с двумя круговыми торцевыми гранями, служащими для ввода излучения в твердотельный активный элемент и вывода излучения из твердотельного активного элемента. Боковая поверхность твердотельного активного элемента контактирует со слоем материала, обеспечивающим волноводное распространение излучения накачки. Усилитель лазерного излучения также включает систему охлаждения боковой поверхности твердотельного активного элемента. Для заведения излучения накачки и усиливаемого лазерного излучения в твердотельный активный элемент используют две соответствующие оптические системы. Причем оптическая система для заведения усиливаемого лазерного излучения расположена таким образом, что усиливаемое лазерное излучение заводится в твердотельный активный элемент со стороны его круговой торцевой грани, которая является меньшим The technical effect is achieved by the fact that the amplifier of laser radiation includes at least one laser diode-based pump radiation source, a solid-state active element acting as a waveguide for pump radiation. Moreover, the solid-state active element is made in the form of a truncated straight circular cone with two circular end faces, which serve to input radiation into the solid-state active element and output radiation from the solid-state active element. The lateral surface of the solid-state active element is in contact with a layer of material that provides waveguide propagation of pump radiation. The laser amplifier also includes a cooling system for the side surface of the solid-state active element. To introduce the pump radiation and the amplified laser radiation into the solid-state active element, two corresponding optical systems are used. Moreover, the optical system for generating the amplified laser radiation is located in such a way that the amplified laser radiation is introduced into the solid-state active element from the side of its circular end face, which is smaller

основанием усеченного прямого кругового конуса. Для пространственного разделения и заведения излучения накачки и усиливаемого лазерного излучения использовано, по крайней мере, одно дихроичное зеркало.the base of a truncated right circular cone. For spatial separation and initiation of pump radiation and amplified laser radiation, at least one dichroic mirror is used.

Новым в разработанном усилителе лазерного излучения является то, что оптическая система для заведения излучения накачки в твердотельный активный элемент расположена таким образом, что излучение накачки заводится в твердотельный активный элемент также со стороны его круговой торцевой грани, которая является меньшим основанием усеченного прямого кругового конуса.The novelty in the developed laser amplifier is that the optical system for introducing pumping radiation into a solid-state active element is located in such a way that the pumping radiation is introduced into the solid-state active element also from the side of its circular end face, which is the smaller base of the truncated right circular cone.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой представлена схема предлагаемого усилителя лазерного излучения.The essence of the invention is illustrated in FIG. 1, which shows a diagram of the proposed laser amplifier.

Разработанное устройство состоит из основанного на лазерных диодах источника излучения накачки 1, оптической системы для заведения излучения накачки 2 в твердотельный активный элемент 3, имеющий форму усеченного прямого кругового конуса. Причем оптическая система для заведения излучения накачки 2 расположена таким образом, что излучение накачки заводится в твердотельный активный элемент 3 со стороны круговой торцевой грани твердотельного активного элемента 3, которая является меньшим основанием усеченного прямого кругового конуса. Слой материала 4 (металл, диэлектрик с меньшим, чем у твердотельного активного элемента 3 показателем преломления или слой жидкости, циркулирующей в системе охлаждения), контактирующий с боковой поверхностью твердотельного активного элемента 3, обеспечивает волноводное распространение излучения накачки. Здесь и далее под боковой поверхностью подразумевается вся поверхность твердотельного активного элемента 3 за исключением его круговых торцевых граней, то есть оснований усеченного прямого кругового конуса. Вокруг слоя материала 4 расположена система охлаждения 5 боковой поверхности твердотельного активного элемента 3. Оптическая система для заведения усиливаемого лазерного излучения 6 в твердотельный активный элемент 3 расположена таким образом, что усиливаемое лазерное излучение заводится в твердотельный активный элемент 3 также со стороны круговой торцевой грани твердотельного активного элемента 3, которая является меньшим основанием усеченного прямого кругового конуса. Для пространственного разделения и заведения в твердотельный активный элемент 3 излучения накачки и усиливаемого лазерного излучения использовано, по крайней мере, одно дихроичное зеркало 7.The developed device consists of a pump radiation source 1 based on laser diodes, an optical system for driving pump radiation 2 into a solid-state active element 3, which has the shape of a truncated right circular cone. Moreover, the optical system for initiating the pumping radiation 2 is located in such a way that the pumping radiation is introduced into the solid-state active element 3 from the side of the circular end face of the solid-state active element 3, which is the smaller base of the truncated right circular cone. A layer of material 4 (metal, dielectric with a refractive index lower than that of the solid-state active element 3, or a layer of liquid circulating in the cooling system), in contact with the side surface of the solid-state active element 3, provides waveguide propagation of pump radiation. Hereinafter, the lateral surface means the entire surface of the solid active element 3 with the exception of its circular end faces, that is, the bases of a truncated right circular cone. Around the layer of material 4 there is a cooling system 5 of the lateral surface of the solid-state active element 3. The optical system for introducing the amplified laser radiation 6 into the solid-state active element 3 is located in such a way that the amplified laser radiation is introduced into the solid-state active element 3 also from the side of the circular end face of the solid-state active element element 3, which is the smaller base of the truncated right circular cone. For spatial separation and insertion into the solid-state active element 3 of pumping radiation and amplified laser radiation, at least one dichroic mirror 7 is used.

Работа устройства осуществляется следующим образом.The device operates as follows.

Излучение источника накачки 1, основанного на лазерных диодах, заводится в твердотельный активный элемент 3 с помощью оптической системы для заведения излучения накачки 2, которая представляет собой сферическую линзу или систему сферических линз, фокусирующих излучение накачки вдоль оси твердотельного активного элемента 3. При этом пучок излучения накачки имеет минимальный диаметр на круговой торцевой грани твердотельного активного элемента 3, которая является меньшим основанием усеченного прямого кругового конуса, и диаметр пучка излучения накачки меньше диаметра этого основания. Излучение накачки распространяется в твердотельном активном элементе 3 волноводным образом, многократно отражаясь от его боковой поверхности за счет контакта этой боковой поверхности со слоем материала 4. Мощность излучения накачки при распространении в активном элементе 3 (вдоль оси z) спадает по экспоненциальному закону из-за поглощения. Аналогичным образом ведет себя тепловыделение в среде:Radiation from a pump source 1 based on laser diodes is fed into a solid-state active element 3 using an optical system for generating pump radiation 2, which is a spherical lens or a system of spherical lenses that focus the pump radiation along the axis of the solid-state active element 3. In this case, the radiation beam pumping has a minimum diameter at the circular end face of the solid-state active element 3, which is the smaller base of the truncated right circular cone, and the diameter of the pump radiation beam is less than the diameter of this base. The pump radiation propagates in the solid-state active element 3 in a waveguide manner, being repeatedly reflected from its lateral surface due to the contact of this lateral surface with a layer of material 4. The pump radiation power during propagation in the active element 3 (along the z-axis) decreases exponentially due to absorption ... Heat release in the environment behaves in a similar way:

P(z)=Р0ехр (-αz),P (z) = P 0 exp (-αz),

где P(z) - мощность тепловыделения в активном элементе 3 на расстоянии z от плоскости круговой торцевой грани, которая является меньшим основанием усеченного прямого кругового конуса,where P (z) is the power of heat release in the active element 3 at a distance z from the plane of the circular end face, which is the smaller base of the truncated right circular cone,

Р0 - мощность тепловыделения на входе в твердотельный активный элемент 3,Р 0 - power of heat release at the entrance to the solid-state active element 3,

α - коэффициент поглощения излучения накачки,α is the absorption coefficient of pump radiation,

z - текущее значение координаты вдоль пути распространения излучения, причем z=0 совпадает с плоскостью круговой торцевой грани твердотельного активного элемента 3, которая является меньшим основанием усеченного прямого кругового конуса.z is the current value of the coordinate along the path of radiation propagation, and z = 0 coincides with the plane of the circular end face of the solid active element 3, which is the smaller base of the truncated right circular cone.

При этом радиус твердотельного активного элемента 3 увеличивается вдоль оси z по линейному закону:In this case, the radius of the solid-state active element 3 increases along the z-axis according to the linear law:

Figure 00000001
Figure 00000001

где R(z) - радиус активного элемента 3 на расстоянии z от плоскости круговой торцевой грани, которая является меньшим основанием усеченного прямого кругового конуса,where R (z) is the radius of the active element 3 at a distance z from the plane of the circular end face, which is the smaller base of the truncated right circular cone,

Rsmall - радиус меньшего основания усеченного прямого кругового конуса,R small - the radius of the smaller base of a truncated right circular cone,

Rbig - радиус большего основания усеченного прямого кругового конуса,R big - the radius of the larger base of a truncated right circular cone,

L - высота усеченного прямого кругового конуса (длина твердотельного активного элемента 3).L is the height of the truncated right circular cone (the length of the solid active element 3).

Таким образом, максимальное тепловыделение происходит около меньшего основания усеченного прямого кругового конуса, где тепло эффективно отводится. Около большего основания тепловыделение значительно меньше, что позволяет значительно увеличить его радиус без возникновения вредных тепловых эффектов.Thus, the maximum heat release occurs near the smaller base of the truncated right circular cone, where heat is efficiently removed. Near the larger base, the heat dissipation is much less, which allows it to significantly increase its radius without causing harmful thermal effects.

Для оценки оптимальных параметров активного элемента 3 проводят следующие расчеты. Если считать тепловыделение в активном элементе 3 равномерным вдоль радиальной координаты, то температура на оси элемента определяется формулой:To estimate the optimal parameters of the active element 3, the following calculations are performed. If the heat release in the active element 3 is considered uniform along the radial coordinate, then the temperature on the element axis is determined by the formula:

Figure 00000002
Figure 00000002

где κ - теплопроводность активного элемента 3.where κ is the thermal conductivity of the active element 3.

При условии, что температура большего торца усеченного конуса будет равняться температуре меньшего торца, получают следующее равенство:Provided that the temperature of the larger end of the truncated cone is equal to the temperature of the smaller end, the following equality is obtained:

Figure 00000003
Figure 00000003

где P(L) - мощность тепловыделения в активном элементе 3 в плоскости круговой торцевой грани, которая является большим основанием усеченного прямого кругового конуса.where P (L) is the power of heat release in the active element 3 in the plane of the circular end face, which is the large base of the truncated right circular cone.

При этом условии температура в активном элементе 3 практически однородна вдоль оси z. Параметры, удовлетворяющие данному условию, можно считать оптимальными с точки зрения тепловых эффектов, так как при этом в активной среде не возникает напряжений, связанных с продольной неоднородностью температуры, а также областей с высокой температурой, где проявляется нелинейность зависимости параметров активной среды от температуры. Для эффективной работы усилителя коэффициент поглощения излучения накачки за проход активного элемента 3 должен составлять не менее 90%, то есть P(L)/Р0=0,1. При данном коэффициенте поглощения Rbig/Rsmall=3,3. Радиус меньшего торца усеченного конуса определяется параметрами активной среды и энергией импульсов усиливаемого излучения. Таким образом, для того, чтобы температура большего торца усеченного конуса не превышала температуры меньшего торца, должно выполняться следующее условие: Rbig/Rsmall<3,3. В разработанном авторами усилителе при длине твердотельного активного элемента 3, равной 20 мм, диаметры его торцов составляют 1 мм и 2 мм. Тогда Rbig/Rsmall=2.Under this condition, the temperature in the active element 3 is practically uniform along the z-axis. The parameters satisfying this condition can be considered optimal from the point of view of thermal effects, since, in this case, stresses associated with longitudinal temperature inhomogeneity do not arise in the active medium, as well as areas with high temperatures, where the nonlinearity of the dependence of the parameters of the active medium on temperature appears. For efficient operation of the amplifier, the absorption coefficient of the pump radiation per pass of the active element 3 must be at least 90%, that is, P (L) / P 0 = 0.1. At a given absorption coefficient, R big / R small = 3.3. The radius of the smaller end of the truncated cone is determined by the parameters of the active medium and the pulse energy of the amplified radiation. Thus, in order for the temperature of the larger end of the truncated cone not to exceed the temperature of the smaller end, the following condition must be met: R big / R small <3.3. In the amplifier developed by the authors, with the length of the solid-state active element 3 equal to 20 mm, the diameters of its ends are 1 mm and 2 mm. Then R big / R small = 2.

Усиливаемое лазерное излучение заводится в твердотельный активный элемент 3, с помощью оптической системы для заведения усиливаемого лазерного излучения 6 и распространяется в твердотельном активном элементе 3 свободно таким образом, что в каждом сечении диаметр пучка составляет от 40% до 60% от диаметра активного The amplified laser radiation is fed into the solid-state active element 3, using an optical system to initiate the amplified laser radiation 6 and propagates in the solid-state active element 3 freely in such a way that in each section the beam diameter is from 40% to 60% of the diameter of the active

элемента 3, причем усиливаемое лазерное излучение проходит твердотельный активный элемент 3 один раз от меньшего торца к большему. Оптическая система для заведения усиливаемого лазерного излучения 6 представляет собой сферическую линзу или систему сферических линз, фокусирующих излучение в область перед твердотельным активным элементом 3. Затем усиливаемое лазерное излучение с помощью дихроичного зеркала 7 направляется вдоль оси активного элемента 3 так, что диаметр пучка усиливаемого лазерного излучения увеличивается по мере своего распространения в активном элементе 3 пропорционально увеличению диаметра твердотельного активного элемента 3. Энергия импульсов усиливаемого излучения не должна превышать порог пробоя обоих оснований усеченного конуса.element 3, and the amplified laser radiation passes the solid-state active element 3 once from the smaller end to the larger one. The optical system for receiving the amplified laser radiation 6 is a spherical lens or a system of spherical lenses that focus the radiation in the region in front of the solid-state active element 3. Then the amplified laser radiation with the help of the dichroic mirror 7 is directed along the axis of the active element 3 so that the diameter of the beam of the amplified laser radiation increases as it propagates in the active element 3 in proportion to the increase in the diameter of the solid-state active element 3. The pulse energy of the amplified radiation should not exceed the breakdown threshold of both bases of the truncated cone.

Система охлаждения 5 отводит тепло с боковой поверхности активного элемента 3. Пространственное разделение излучения накачки и усиливаемого лазерного излучения осуществляется с применением дихроичного зеркала 7, которое пропускает излучение накачки и отражает усиливаемое лазерное излучение (или наоборот).Cooling system 5 removes heat from the lateral surface of the active element 3. Spatial separation of pump radiation and amplified laser radiation is carried out using a dichroic mirror 7, which transmits the pump radiation and reflects the amplified laser radiation (or vice versa).

Таким образом, предлагаемый усилитель обладает высоким коэффициентом усиления в простой однопроходной схеме, и он мало подвержен воздействию тепловых эффектов, благодаря чему способен работать при высокой средней мощности при сохранении хорошего качества пучка.Thus, the proposed amplifier has a high gain in a simple single-pass scheme, and it is little affected by thermal effects, due to which it can operate at high average power while maintaining good beam quality.

Claims (1)

Усилитель лазерного излучения на основе твердотельного активного элемента, включающий по крайней мере один основанный на лазерных диодах источник излучения накачки, твердотельный активный элемент, выступающий в роли волновода для излучения накачки, причем твердотельный активный элемент выполнен в виде усеченного прямого кругового конуса с двумя круговыми торцевыми гранями, служащими для ввода излучения в твердотельный активный элемент и вывода излучения из твердотельного активного элемента, а боковая поверхность твердотельного активного элемента контактирует со слоем материала, обеспечивающим волноводное распространение излучения накачки, систему охлаждения боковой поверхности твердотельного активного элемента, оптическую систему для заведения излучения накачки в твердотельный активный элемент, оптическую систему для заведения усиливаемого лазерного излучения в твердотельный активный элемент, расположенную таким образом, что усиливаемое лазерное излучение заводится в твердотельный активный элемент со стороны его круговой торцевой грани, которая является меньшим основанием усеченного прямого кругового конуса, а также по крайней мере одно дихроичное зеркало для пространственного разделения и заведения в твердотельный активный элемент излучения накачки и усиливаемого лазерного излучения, отличающийся тем, что оптическая система для заведения излучения накачки в твердотельный активный элемент расположена таким образом, что излучение накачки заводится в твердотельный активный элемент со стороны его круговой торцевой грани, которая является меньшим основанием усеченного прямого кругового конуса.A laser radiation amplifier based on a solid-state active element, including at least one laser-diode-based pumping radiation source, a solid-state active element acting as a waveguide for pumping radiation, the solid-state active element being made in the form of a truncated straight circular cone with two circular end faces , serving for inputting radiation into a solid-state active element and outputting radiation from a solid-state active element, and the lateral surface of a solid-state active element is in contact with a layer of material that provides waveguide propagation of pump radiation, a cooling system for the lateral surface of a solid-state active element, an optical system for introducing pump radiation into a solid-state active element, an optical system for introducing amplified laser radiation into a solid-state active element, located in such a way that the amplified laser radiation is fed into a solid-state active a clear element from the side of its circular end face, which is the smaller base of a truncated right circular cone, as well as at least one dichroic mirror for spatial separation and insertion of pump radiation and amplified laser radiation into the solid-state active element, characterized in that the optical system for insertion of the pump radiation into the solid-state active element is located in such a way that the pump radiation is introduced into the solid-state active element from the side of its circular end face, which is the smaller base of the truncated right circular cone.
RU2019141035A 2019-12-12 2019-12-12 Laser radiation amplifier with high average power and high pulse energy RU2733944C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019141035A RU2733944C1 (en) 2019-12-12 2019-12-12 Laser radiation amplifier with high average power and high pulse energy

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019141035A RU2733944C1 (en) 2019-12-12 2019-12-12 Laser radiation amplifier with high average power and high pulse energy

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2733944C1 true RU2733944C1 (en) 2020-10-08

Family

ID=72926685

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019141035A RU2733944C1 (en) 2019-12-12 2019-12-12 Laser radiation amplifier with high average power and high pulse energy

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2733944C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013138364A1 (en) * 2012-03-12 2013-09-19 Nlight Photonics Corporation Laser amplifier system using active tapers
EP2662939A2 (en) * 2012-05-08 2013-11-13 Fianium Limited Lasers and amplifiers having tapered elements
RU2618498C2 (en) * 2015-05-20 2017-05-03 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН) Laser radiation amplifier with high gain, high average and peak power and high beam quality
RU2626723C2 (en) * 2015-11-05 2017-07-31 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) Solid amplifier of laser radiation with diode pump with large amplification coefficient and high average power

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013138364A1 (en) * 2012-03-12 2013-09-19 Nlight Photonics Corporation Laser amplifier system using active tapers
EP2662939A2 (en) * 2012-05-08 2013-11-13 Fianium Limited Lasers and amplifiers having tapered elements
RU2618498C2 (en) * 2015-05-20 2017-05-03 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН) Laser radiation amplifier with high gain, high average and peak power and high beam quality
RU2626723C2 (en) * 2015-11-05 2017-07-31 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) Solid amplifier of laser radiation with diode pump with large amplification coefficient and high average power

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1495519A2 (en) Power scalable optical systems for generating, transporting, and delivering high power, high quality laser beams
FR2881845A1 (en) COMPOSITE OPTICAL FIBER FOR PUMP AND LASER WAVE CONTAINING LASER, LASER APPLICATIONS
EP3345265A1 (en) Fiber-laser pumped crystal-laser
JP2004503117A (en) Optically pumped solid-state slab laser module
RU2733944C1 (en) Laser radiation amplifier with high average power and high pulse energy
Diam et al. Characterization and fabrication of Nd: YVO4 disc laser system
KR20180023132A (en) Slab solid laser amplifier
RU2626723C2 (en) Solid amplifier of laser radiation with diode pump with large amplification coefficient and high average power
Contag et al. Multihundred-watt diode-pumped Yb: YAG thin disc laser
RU2618498C2 (en) Laser radiation amplifier with high gain, high average and peak power and high beam quality
Lazarev et al. Diode array-pumped mid-infrared cw Cr2+: CdSe laser
Thomson et al. 400W Yb: YAG planar waveguide laser using novel unstable resonators
KR102520072B1 (en) Gain medium having selective doping concentration and optical amplifier including same
RU2712966C1 (en) High-gain laser radiation amplifier, with high average and peak power and high output beam quality
Berner et al. TmrYAG: A Comparison between endpumped Laser-rods and the'Thin-Disk'-Setup
Ochi et al. Effective multi-pass amplification system for Yb: YAG thin-disk laser
KR20140015552A (en) Gas laser device
Choubey et al. Performance study of highly efficient 520 W average power long pulse ceramic Nd: YAG rod laser
Aubourg et al. Resonant diode-pumping of Er: YAG single crystal fiber operating at 1617 nm
Li et al. Multiplexing and Amplification of 2-$\mu\text {m} $ Vortex Beams With a Ho: YAG Rod Amplifier
Kyznetsov et al. Thin-tapered-rod Yb: YAG single-crystal laser amplifier
Kuznetsov et al. High average and high peak power MOPA laser based on Yb: YAG elements of different geometries
Zhdanov et al. Transverse-pumped Cs vapor laser
Wen et al. Pulsed laser diode dual-end pumped double-end bonded Tm: YAG transient thermal effect analysis
Kuznetsov et al. High-power laser based on amplifiers with Yb: YAG elements of advanced geometries