RU2753476C1 - Твердотельный усилитель лазерного излучения с высокой средней мощностью и хорошим качеством выходного пучка - Google Patents

Твердотельный усилитель лазерного излучения с высокой средней мощностью и хорошим качеством выходного пучка Download PDF

Info

Publication number
RU2753476C1
RU2753476C1 RU2020140037A RU2020140037A RU2753476C1 RU 2753476 C1 RU2753476 C1 RU 2753476C1 RU 2020140037 A RU2020140037 A RU 2020140037A RU 2020140037 A RU2020140037 A RU 2020140037A RU 2753476 C1 RU2753476 C1 RU 2753476C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
solid
active element
radiation
state active
pump
Prior art date
Application number
RU2020140037A
Other languages
English (en)
Inventor
Иван Игоревич Кузнецов
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 RU2020140037A priority Critical patent/RU2753476C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2753476C1 publication Critical patent/RU2753476C1/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
    • H01S3/05Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06Construction or shape of active medium

Landscapes

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

Abstract

Использование: для усиления непрерывного или импульсно-периодического лазерного излучения до большой (десятки ватт) средней мощности. Сущность изобретения заключается в том, что твердотельный усилитель лазерного излучения включает твердотельный активный элемент, выполненный в виде прямоугольного параллелепипеда с двумя торцевыми гранями, служащими для ввода излучения в твердотельный активный элемент и вывода излучения из твердотельного активного элемента, и с четырьмя боковыми гранями, систему охлаждения твердотельного активного элемента, по крайней мере, один источник излучения накачки, оптическую систему для заведения излучения накачки в твердотельный активный элемент, расположенную таким образом, что излучение накачки проводится сквозь твердотельный активный элемент параллельно его боковым граням, причем диаметр пучка излучения накачки, по крайней мере, в три раза меньше, чем наименьший размер торцевой грани, оптическую систему для заведения усиливаемого лазерного излучения в твердотельный активный элемент, расположенную таким образом, что усиливаемое лазерное излучение проводится сквозь твердотельный активный элемент параллельно его боковым граням, причем размеры и положение пучка усиливаемого излучения совпадает с размерами и положением пучка накачки, а также, по крайней мере, одно дихроичное зеркало для пространственного разделения и заведения в твердотельный активный элемент излучения накачки и усиливаемого лазерного излучения, при этом пучок накачки и пучок лазерного излучения расположены максимально близко, по крайней мере, к одной из боковых граней твердотельного активного элемента. Технический результат: обеспечение возможности разработки усилителя лазерного излучения, способного работать при высокой средней мощности в десятки ватт, имеющего высокое качество выходного пучка и большой коэффициент усиления за проход, не использующего при этом тонкие активные элементы (<1 мм), изготовление и применение которых вызывает технологические трудности. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для усиления непрерывного или импульсно-периодического лазерного излучения до большой (десятки ватт) средней мощности. Устройство может применяться для значительного увеличения средней мощности оптических квантовых генераторов.
Увеличение средней мощности лазеров сегодня является одним из ключевых направлений развития лазерной техники. Такие источники широко применяются в промышленности для резки, сварки и микрообработки материалов. При этом в различных приложениях используются источники непрерывного или импульсно-периодического излучения с различной длительностью и пиковой мощностью импульсов. Успешным подходом к созданию данных источников является использование маломощного задающего генератора, обладающего высокой стабильностью и высоким качеством излучения, и высокомощного усилителя. Это делает актуальной задачу создания усилителя, способного обеспечить высокую среднюю мощность и хорошее качество пучка выходного излучения, а также большой коэффициент усиления.
Перспективным решением являются твердотельные усилители. Они способны обеспечить широкополосное усиление, необходимое для достижения ультракороткой длительности импульсов (<1 пс) и пиковую мощность, достаточную для промышленных процессов. При увеличении средней мощности твердотельные усилители подвергаются вредному воздействию тепловых эффектов, приводящих к ухудшению качества выходного пучка и уменьшению коэффициента усиления. Для уменьшения влияния нежелательных тепловых явлений необходимо эффективное охлаждение активной среды и ключевым параметром при этом является форма активного элемента. Известны усилители на активных элементах геометрии тонких стержней (диаметр <1 мм) с боковым охлаждением (
Figure 00000001
, et al. «Yb:YAG single crystal fiber power amplifier for femtosecond sources» Opt. Lett. 38, p. 109-111, 2013). Известны усилители на активных элементах геометрии тонких слэбов (толщина <1 мм) с охлаждением наибольшей боковой поверхности (P. Russbueldt, et al. «Innoslab amplifiers» IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 21 (1), 447-463, 2014 г.).
Другим важным фактором, определяющим форму активного элемента усилителя, является источник накачки, ключевым параметром которого является яркость излучения. При продольной геометрии накачки использование более яркого источника позволяет создавать в активном элементе более продолжительную область с высокой интенсивностью излучения, что приводит к увеличению коэффициента усиления устройства. Широко применяются источники на основе лазерных диодов. Наибольшей яркости среди них достигают источники с волоконным выводом излучения с диаметром сердцевины волокна 105 мкм, позволяющие создавать область накачки длиной несколько см при диаметре несколько сотен мкм. Наибольшей яркостью обладают источники на основе непрерывных лазерных генераторов с одной поперечной модой, способные обеспечивать область накачки длиной десятки сантиметров при диаметре несколько сотен мкм. При использовании таких источников накачки применение активных элементов, размеры которых соответствуют размерам области накачки, становится проблематичным или даже невозможным. Это связано с технологическими проблемами изготовления активных элементов подобных размеров и их монтажа в систему охлаждения.
В связи с этим разрабатываются усилители, в которых поперечный размер активного элемента значительно (в несколько раз) превышает поперечный размер области накачки. Известен усилитель на слэбе из кристалла Yb:YAG, где диаметр области накачки составляет 0,5 мм при толщине слэба 1 мм и ширине несколько мм. В данной геометрии один из поперечных размеров слэба в несколько раз превышает поперечный размер области накачки (J. Pouysegur, et al. «Simple Yb:YAG femtosecond booster amplifier using divided-pulse amplification», Opt. Express 24, 9896-9904, 2016 г.). Известен усилитель на кристалле Yb:CaF2 с накачкой одномодовым непрерывным волоконным лазером. Диаметр области накачки составляет 0,3 мм, а поперечный размер кристалла несколько мм (G. Machinet, et al. «High-gain amplification in Yb:CaF2 crystals pumped by a high-brightness Yb-doped 976 nm fiber laser», Appl. Phys. Bill, 495-500, 2013 г.).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является взятый за прототип твердотельный усилитель лазерного излучения с большим коэффициентом усиления, высокой средней мощностью и хорошим качеством выходного пучка (Paulius Mackonis and Aleksej M. Rodin «Laser with 1,2 ps, 20 mJ pulses at 100 Hz based on CPA with a low doping level Yb:YAG rods for seeding and pumping of ОРСРА», Opt. Express 28, 1261-1268, 2020 г.). Устройство-прототип включает в себя твердотельный активный элемент, систему охлаждения твердотельного активного элемента, источник излучения накачки, оптическую систему для заведения излучения накачки в твердотельный активный элемент, оптическую систему для заведения усиливаемого лазерного излучения в твердотельный активный элемент и два дихроичных зеркала. Активный элемент выполнен в форме прямоугольного параллелепипеда с размерами торцевых граней 2×2 мм и длиной 20 мм. Охлаждение активного элемента осуществляется со стороны четырех боковых граней за счет контакта с металлическим радиатором. Для накачки используется источник, основанный на лазерных диодах, с волоконным выводом излучения с диаметром волокна 105 мкм. Оптическая система для заведения излучения накачки в активный элемент представляет собой систему линз, обеспечивающих проведение пучка накачки сквозь активный элемент через центры его торцевых граней. Диаметр пучка при этом составляет 0,56 мм, таким образом, размер стороны торцевой грани активного элемента превышает этот диаметр более чем в 3,5 раза. Оптическая система для заведения усиливаемого лазерного излучения в твердотельный активный элемент представляет собой систему зеркал и линз, обеспечивающих проведение усиливаемого пучка сквозь активный элемент также через центры его торцевых граней. Радиус пучка усиливаемого лазерного излучения равен радиусу пучка накачки, при этом оси пучков совпадают. Пара дихроичных зеркал применяется для пространственного разделения пучков накачки и усиливаемого излучения. Благодаря использованию «яркой» накачки в активном элементе создается продолжительная область с высокой интенсивностью накачки, обеспечивающая высокий коэффициент усиления.
Недостатком прототипа является то, что область накачки в активном элементе недостаточно эффективно охлаждается из-за большого поперечного размера активного элемента. Толща среды между областью накачки и радиатором создает тепловое сопротивление. Это приводит к возникновению тепловых эффектов, что вынуждает ограничивать среднюю мощность выходного излучения за счет понижения частоты следования импульсов до 100 Гц, что при длительности импульсов 7 мс соответствует рабочему циклу накачки 70%. В результате, средняя мощность усиленного излучения ограничена на уровне нескольких ватт.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка усилителя лазерного излучения, способного работать при высокой средней мощности в десятки ватт, имеющего высокое качество выходного пучка и большой коэффициент усиления за проход, не использующего при этом тонкие активные элементы (<1 мм), изготовление и применение которых вызывает технологические трудности.
Технический результат достигается тем, что разработанный усилитель лазерного излучения, также как и усилитель-прототип, включает твердотельный активный элемент, выполненный в виде прямоугольного параллелепипеда с двумя торцевыми гранями, служащими для ввода излучения в твердотельный активный элемент и вывода излучения из твердотельного активного элемента, и с четырьмя боковыми гранями. Также разработанный усилитель содержит систему охлаждения твердотельного активного элемента, по крайней мере, один источник излучения накачки, оптическую систему для заведения излучения накачки в твердотельный активный элемент, расположенную таким образом, что излучение накачки проводится сквозь твердотельный активный элемент параллельно его боковым граням, причем диаметр пучка излучения накачки, по крайней мере, в три раза меньше, чем наименьший размер торцевой грани. Входящая в усилитель оптическая система для заведения усиливаемого лазерного излучения в твердотельный активный элемент расположена таким образом, что усиливаемое лазерное излучение проводится сквозь твердотельный активный элемент параллельно его боковым граням, причем размеры и положение пучка усиливаемого излучения совпадает с размерами и положением пучка накачки. Для пространственного разделения и заведения в твердотельный активный элемент излучения накачки и усиливаемого лазерного излучения использовано, по крайней мере, одно дихроичное зеркало.
Новым в разработанном усилителе лазерного излучения является то, что пучок накачки и пучок лазерного излучения расположены максимально близко, по крайней мере, к одной из боковых граней твердотельного активного элемента.
В частном случае пучок накачки и пучок лазерного излучения расположены максимально близко к двум смежным боковым граням твердотельного активного элемента.
В другом частном случае система охлаждения твердотельного активного элемента расположена со стороны боковых граней, к которым приближены пучок накачки и пучок лазерного излучения.
Изобретение поясняется следующими фигурами.
На фиг. 1 представлена схема разработанного усилителя лазерного излучения.
На фиг. 2 представлены схематичные изображения активного элемента и расположение пучков излучения в нем, а) и б) по п. 1 формулы, в) по п. 2 формулы.
Разработанное устройство (фиг. 1) состоит из основанного на лазерных диодах источника излучения накачки 1, оптической системы 2 для заведения излучения накачки в твердотельный активный элемент 3, выполненный в виде прямоугольного параллелепипеда с двумя торцевыми гранями, системы охлаждения 4 твердотельного активного элемента 3, оптической системы 5 для заведения усиливаемого лазерного излучения в твердотельный активный элемент 3 и дихроичного зеркала 6. При этом диаметр пучка накачки, по крайней мере, в три раза меньше, чем наименьший размер торцевой грани активного элемента 3. Радиус пучка усиливаемого лазерного излучения совпадает с радиусом пучка накачки для достижения эффективного усиления.
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.
Оптическая система 2 для заведения излучения накачки и оптическая система 5 для заведения усиливаемого лазерного излучения настраиваются таким образом, чтобы пучки проходили через две торцевые грани твердотельного активного элемента 3 максимально близко, по крайней мере, к одной из его боковых граней. Для пространственного разделения пучков излучения накачки и усиливаемого лазерного излучения используется дихроичное зеркало 6. Система охлаждения 4 активного элемента 3 располагается со стороны его боковых граней.
В частном случае пучки смещаются к одной грани (фиг. 2а и 2б), в другом частном случае сразу к двум боковым граням, проходя вдоль угла активного элемента 3 (фиг. 2в). В различных реализациях изобретения охлаждаются все боковые грани или только те, к которым смещаются пучки. При смещении пучков к одной из граней увеличивается эффективность охлаждения активного элемента 3, благодаря тому, что область тепловыделения становится ближе к охлаждаемой поверхности. При смещении пучка к двум смежным граням активного элемента 3 эффективность охлаждения еще увеличивается. Это приводит к уменьшению температуры активного элемента 3 и, как следствие, к увеличению коэффициента усиления и улучшению качества пучка.
В разработанном авторами усилителе в конкретной реализации твердотельный активный элемент 3 имеет размеры 3×3×20 мм и изготавливается из кристалла алюмо-иттриевого граната с легированием иттербием. Пучки накачки и усиливаемого излучения смещались к одной или к двум граням активного элемента 3 так, что расстояние между осью пучков и гранями составляло 0,5 мм. При этом диаметры пучков излучения составляли 0,4 мм.
В данной геометрии, согласно расчетам и экспериментам, получены следующие результаты. В случае охлаждения всех четырех боковых граней активного элемента при смещении пучков к одной из граней, температура в центре этих пучков падает на 25%, а при одновременном смещении пучков к двум смежным граням активного элемента - на 37% по сравнению со случаем прохождения пучков через центр активного элемента. Если же охлаждаются только те боковые грани, в сторону которых производится смещение пучков, то понижение температуры составляет 16% и 36% для случая смещения к одной и двум граням соответственно. При этом система охлаждения (одной или двух граней) существенно упрощается, что оправдывает незначительное уменьшение эффективности охлаждения по сравнению с охлаждением всех четырех граней, особенно в случае смещения к двум смежным граням.
Таким образом, за счет прохождения пучков излучения максимально близко, по крайней мере, к одной из боковых граней твердотельного активного элемента удается повысить эффективность охлаждения этого элемента, т.е. избавиться от нежелательных тепловых эффектов. Это позволяет не применять тонкие активные элементы (<1 мм), изготовление и использование которых затруднительно или невозможно. При этом разработанный усилитель лазерного излучения обладает высоким коэффициентом усиления и способен работать при высокой средней мощности при сохранении хорошего качества пучка.

Claims (3)

1. Твердотельный усилитель лазерного излучения, включающий твердотельный активный элемент, выполненный в виде прямоугольного параллелепипеда с двумя торцевыми гранями, служащими для ввода излучения в твердотельный активный элемент и вывода излучения из твердотельного активного элемента, и с четырьмя боковыми гранями, систему охлаждения твердотельного активного элемента, по крайней мере, один источник излучения накачки, оптическую систему для заведения излучения накачки в твердотельный активный элемент, расположенную таким образом, что излучение накачки проводится сквозь твердотельный активный элемент параллельно его боковым граням, причем диаметр пучка излучения накачки, по крайней мере, в три раза меньше, чем наименьший размер торцевой грани, оптическую систему для заведения усиливаемого лазерного излучения в твердотельный активный элемент, расположенную таким образом, что усиливаемое лазерное излучение проводится сквозь твердотельный активный элемент параллельно его боковым граням, причем размеры и положение пучка усиливаемого излучения совпадает с размерами и положением пучка накачки, 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 пучок накачки и пучок лазерного излучения расположены максимально близко, по крайней мере, к одной из боковых граней твердотельного активного элемента.
2. Твердотельный усилитель лазерного излучения по п. 1, отличающийся тем, что пучок накачки и пучок лазерного излучения расположены максимально близко к двум смежным боковым граням твердотельного активного элемента.
3. Твердотельный усилитель лазерного излучения по п. 1 или 2, отличающийся тем, что система охлаждения твердотельного активного элемента расположена со стороны боковых граней, к которым приближены пучок накачки и пучок лазерного излучения.
RU2020140037A 2020-12-07 2020-12-07 Твердотельный усилитель лазерного излучения с высокой средней мощностью и хорошим качеством выходного пучка RU2753476C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020140037A RU2753476C1 (ru) 2020-12-07 2020-12-07 Твердотельный усилитель лазерного излучения с высокой средней мощностью и хорошим качеством выходного пучка

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020140037A RU2753476C1 (ru) 2020-12-07 2020-12-07 Твердотельный усилитель лазерного излучения с высокой средней мощностью и хорошим качеством выходного пучка

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2753476C1 true RU2753476C1 (ru) 2021-08-17

Family

ID=77349454

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020140037A RU2753476C1 (ru) 2020-12-07 2020-12-07 Твердотельный усилитель лазерного излучения с высокой средней мощностью и хорошим качеством выходного пучка

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2753476C1 (ru)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1992010014A1 (en) * 1990-11-30 1992-06-11 Nkt A/S A method and apparatus for amplifying an optical signal
US20100086001A1 (en) * 2004-11-26 2010-04-08 Manni Jeffrey G High-Gain Diode-Pumped Laser Amplifier
RU98847U1 (ru) * 2010-06-02 2010-10-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский Государственный политехнический университет" (ГОУ "СПбГПУ") Твердотельный лазер
EP2843450A1 (en) * 2013-08-28 2015-03-04 Ofs Fitel Llc, A Delaware Limited Liability Company High-power liquid-cooled pump and signal combiner
RU2626723C2 (ru) * 2015-11-05 2017-07-31 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) Твердотельный усилитель лазерного излучения с диодной накачкой с большим коэффициентом усиления и высокой средней мощностью

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1992010014A1 (en) * 1990-11-30 1992-06-11 Nkt A/S A method and apparatus for amplifying an optical signal
US20100086001A1 (en) * 2004-11-26 2010-04-08 Manni Jeffrey G High-Gain Diode-Pumped Laser Amplifier
RU98847U1 (ru) * 2010-06-02 2010-10-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский Государственный политехнический университет" (ГОУ "СПбГПУ") Твердотельный лазер
EP2843450A1 (en) * 2013-08-28 2015-03-04 Ofs Fitel Llc, A Delaware Limited Liability Company High-power liquid-cooled pump and signal combiner
RU2626723C2 (ru) * 2015-11-05 2017-07-31 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) Твердотельный усилитель лазерного излучения с диодной накачкой с большим коэффициентом усиления и высокой средней мощностью

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Paulius Mackonis and Aleksej M. Rodin, Laser with 1,2 ps, 20 mJ pulses at 100 Hz based on CPA with a low doping level Yb:YAG rods for seeding and pumping of ОРСРА, Opt. Express 28, 1261-1268, 20.01.2020. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7203209B2 (en) System and method for a passively Q-switched, resonantly pumped, erbium-doped crystalline laser
CN107565354B (zh) 一种ld泵浦的高功率克尔透镜自锁模激光器
IL172235A (en) Gain boost with synchronized multiple wavelength pumping in a solid-state laser
Salamu et al. Watt-level output power operation from diode-laser pumped circular buried depressed-cladding waveguides inscribed in Nd: YAG by direct femtosecond-laser writing
de Almeida Vieira et al. Nd: YLF laser at 1053 nm diode side pumped at 863 nm with a near quantum-defect slope efficiency
Antipov et al. High-efficiency CW and passively Q-switched operation of a 2050 nm L-shaped Tm3+: Y2O3 ceramic laser in-band fiber-laser pumped at 1670 nm
RU2753476C1 (ru) Твердотельный усилитель лазерного излучения с высокой средней мощностью и хорошим качеством выходного пучка
Lee et al. High-energy, sub-nanosecond linearly polarized passively Q-switched MOPA laser system
Omatsu et al. Efficient 1181 nm self-stimulating Raman output from transversely diode-pumped Nd3+: KGd (WO4) 2 laser
RU2593819C1 (ru) Инфракрасный твердотельный лазер
Wetter et al. Power scaling of a side-pumped Nd: YLF laser based on DBMC technology
Świderski et al. Pulsed ytterbium-doped large mode area double-clad fiber amplifier in MOFPA configuration
CN118099918A (zh) 光源以及测量装置
Ochi et al. Effective multi-pass amplification system for Yb: YAG thin-disk laser
Kong et al. Diode edge-pumped passively Q-switched microchip laser
Limpert et al. High-average-power millijoule fiber amplifier system
Büker et al. High-pulse-energy Q-switched Ho3+: YAG laser
US20160301186A1 (en) Quasi-continuous burst-mode laser
Stites et al. Power scaling a Cr: ZnSe thin disk laser by increasing pump diameter
JP2005533382A (ja) レーザーパルス用パルスレーザー装置およびパルス長の設定方法
JP7500069B2 (ja) 光発振器
Xu et al. Diode-pumped Q-switched Nd: YLF laser at 1313 nm
Wang et al. Diode-pumped actively Q-switched Nd: GGG laser operating at 938 nm
US7274723B2 (en) Method for amplifying a solid-state laser
Kaskow et al. Diode-side-pumped, passively Q-switched Yb: LuAG laser