WO2017058054A1 - Волноводное лазерное устройство - Google Patents

Волноводное лазерное устройство Download PDF

Info

Publication number
WO2017058054A1
WO2017058054A1 PCT/RU2016/000281 RU2016000281W WO2017058054A1 WO 2017058054 A1 WO2017058054 A1 WO 2017058054A1 RU 2016000281 W RU2016000281 W RU 2016000281W WO 2017058054 A1 WO2017058054 A1 WO 2017058054A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
waveguide
radiation
faces
laser device
input
Prior art date
Application number
PCT/RU2016/000281
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Владимир Валентинович ПАВЛОВ
Original Assignee
Владимир Валентинович ПАВЛОВ
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
Priority claimed from RU2015141248A external-priority patent/RU2015141248A/ru
Priority claimed from RU2015144348A external-priority patent/RU2015144348A/ru
Priority claimed from RU2015147033A external-priority patent/RU2015147033A/ru
Application filed by Владимир Валентинович ПАВЛОВ filed Critical Владимир Валентинович ПАВЛОВ
Publication of WO2017058054A1 publication Critical patent/WO2017058054A1/ru

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P3/00—Waveguides; Transmission lines of the waveguide type
    • 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
    • H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength

Definitions

  • the present invention relates to passive and active optical devices of the waveguide type, which can be used to amplify, and compensate for the dispersion of group velocities of wide-aperture laser radiation.
  • Continuous and pulsed high-energy lasers are used in various applications requiring an output power level in the range from kilowatts to several megawatts, for example, when used in long-range lidars, or in industry for processing materials, cutting, drilling, or in medicine in surgical procedures, that is, where high-intensity beams can be obtained by narrowly focusing weakly diverging wide-aperture beams.
  • waveguide geometry of the active elements can be used to achieve high power levels and high quality wide-aperture beams.
  • the proposed waveguide laser devices are designed to amplify and change the dispersion of group velocities (GHS), mainly wide-aperture radiation with a flat wave front.
  • GLS group velocities
  • This radiation is obtained by expanding the laser beam with an M 2 quality indicator close to unity.
  • the divergence of the expanded beam decreases several times with respect to the divergence of the beam of the master oscillator, therefore its wavefront can be almost flat.
  • One of the objectives of the present invention is to eliminate the losses caused by wavefront distortion during radiation conversions in passive and active optical waveguides. These distortions reduce the intensity of radiation when focusing a wide-aperture beam.
  • Another objective of the present invention is to create a compact waveguide devices with a long optical path, insensitive to errors of the linear dimensions of the waveguide cavity.
  • Another objective of the present invention is the creation of optical waveguide devices, allowing to increase or decrease the dispersion of group velocities of wide-aperture laser radiation pulses.
  • Another object of the present invention is to provide an installation for irradiating a compact spherically symmetric target using high-power wide-aperture laser beams with a flat wave front, obtained using waveguide laser devices.
  • waveguide devices that have input and output windows with reflecting or refracting inclined faces.
  • the dimensions and position of these faces relative to the reflecting surfaces of the waveguide cavity are set so that there is no distortion of the wave front of the radiation passing from the input window to the output one.
  • the radiation propagates in the waveguide cavity in the form of one or several symmetric waveguide modes and the optical path of the waveguide device can be developed, like a reflective prism, into a homogeneous or composite plate with plane-parallel boundaries of the refractive index.
  • the preservation of the plane wave front of a wide-aperture beam makes it possible to ensure the maximum intensity of the radiation effect on the object being processed due to the possibility of sharp focusing of the rays that make up this beam.
  • the proposed scheme of an optical waveguide element with refracting or reflecting faces at the input and output of waveguides, which are installed so as to ensure that the input radiation wavefront in the output beam, has the following advantages. 1. For the transfer of energy of monochromatic laser radiation, only one waveguide mode or several symmetric waveguide modes of large cross section with an arbitrary aspect ratio is used, which ensures high quality of the amplified radiation.
  • the radiation of symmetric waveguide modes can completely fill the cavity and surface of the reflecting faces of the waveguide, which makes it possible to effectively use the active medium, including in the form of a planar layer adjacent to the reflecting surface, with the possibility of close thermal contact with the cooling elements.
  • the input and output aperture is a rectangle with an arbitrary aspect ratio and a wide range of variations in cross section dimensions and, accordingly, a large range of power density of the amplified radiation, which allows minimizing unwanted non-linear effects and adjusting the radiation load of the used optical materials, bringing it to an acceptable level.
  • the waveguide modes are created either by refraction (reflection) of the input radiation, or by a combination of refraction (reflection) with diffraction deviation of the spectral components, which can be used for spectral selection and / or compensation of group dispersions speeds.
  • the waveguide can be mechanically or optically open from the side and end sides perpendicular to the reflecting surfaces, which allows:
  • FIG. 1 shows a waveguide device having reflective inclined faces on the windows.
  • FIG. 2 shows the transmission of an image of an ellipse by a waveguide device with reflective faces on windows.
  • Figure 4 - shows a waveguide device with refracting edges on the windows.
  • Figure 5 - shows the course of the rays of the waveguide mode, running parallel to the inclined refracting faces on the windows.
  • Figure 6 - shows a waveguide device capable of more accurately visualize the output image at the output.
  • Figure 7 shows a device for compressing pulses by reducing GVD
  • On Fig shows a device for the expansion of pulses by increasing the DHS
  • Figure 9 shows a diagram of a waveguide device with reflective inclined edges on windows with a large optical path of the rays.
  • Figure 10 shows a diagram of a waveguide device with refracting inclined edges on windows with a large optical path length.
  • Figure 11 shows a waveguide device with additional refracting edges on the windows.
  • On Fig shows a waveguide device with a large optical path length of rays for strong compression of pulses.
  • Fig - shows a waveguide amplifier with an active medium in the form of a solution of dyes or a gas or vapor-gas mixture.
  • On Fig shows a waveguide amplifier with a planar solid-state active medium.
  • FIG shows the setup diagram for the irradiation of a compact spherically symmetric target.
  • the proposed waveguide laser devices are most effective when working with wide-aperture radiation. Such radiation can be obtained by expanding a narrow beam, for example, using a telescope. In many cases, the large size of the beam cross section makes it possible to ignore diffraction effects, therefore, the description of the implementation of the proposed devices is based on the concepts of geometric optics.
  • the sign of "preservation in the output beam of radiation of the wave front of the input beam” establishes the relationship between input and output radiation.
  • the relationship established by this feature is practically realized if the inclined faces on the windows are installed so that the waveguide device can be turned into a plate with plane-parallel boundaries of the refractive index, similarly known to the specialists in the development of reflective prisms.
  • a pair of successively installed identical waveguide devices is used.
  • the ability to completely fill the waveguide mode cavity of the waveguide does not preclude the use of narrow laser beams.
  • the waveguide device consists of a rectangular waveguide cavity 2, which is formed in a rectangular rod made of an optical material, for example fused silica.
  • Sections 3 of the waveguide surfaces adjacent to the input and output ends of the waveguide cavity are in optical contact with the input and output windows 7, which have reflecting inclined faces 8.
  • the inclined face 8 on the input window converts the input beam into a single waveguide mode, and the inclined face on the output window converts this waveguide mode into the output beam 5.
  • the windows can also be made of fused silica.
  • I is the length of the reflecting inclined face
  • n is the ratio of the refractive index of the material from which the window is made to the refractive index of the active medium
  • FIG. 2 The operation of the waveguide device is illustrated in FIG. 2 by the example of an image transmission of an ellipse.
  • Wide-aperture radiation 1 with a flat wave front is introduced into the device through a window 7 with a reflective oblique face 8.
  • the image of the ellipse is transferred to the inclined reflecting face 8 of the output window 7 by a single waveguide mode, therefore, a flat wave front is retained in the output beam.
  • the waveguide length is not a multiple of the waveguide mode period, then on an inclined face 8 of the output window 7 fall two fragments of the ellipse, transmitted by different periods of the waveguide mode.
  • the original image of an ellipse can be obtained by installing in succession two identical waveguide devices, as shown in FIG.
  • the second embodiment of the present invention shown in figure 4. It differs in that at the input and output windows 7 inclined refracting edges 6 are made, and the windows are installed between the reflecting surfaces 4 at the input and output ends of the waveguide.
  • the wave front of the output radiation 5 does not coincide with the wave front of the input beam 1, which leads to aberrations of the transmitted image and losses during focusing due to the formation of diverging beams.
  • faces 6 must be inclined so that when inputting monochromatic laser radiation 1, a single waveguide mode or several symmetric waveguide modes occur according to the number of inclined faces on the input window that run parallel to the inclined faces on the input and output windows.
  • p is the ratio of the refractive index of the material from which the waveguide is made to the refractive index of the medium from which radiation is emitted;
  • ⁇ is the angle of the refractive edge 6.
  • the divergent beams at the exit from the waveguide and the corresponding losses are absent for any ratio between the linear dimensions of the waveguide element.
  • the course of the extreme rays of the input beam when performing this ratio is shown in figure 5.
  • the visualization of the input image at the output of such a waveguide device may not be accurate if the length of the waveguide cavity is not a multiple of the waveguide mode period.
  • two identical waveguide devices can be installed in series, as shown in FIG. This may require additional reflective surface 9, if the input and output beams are not parallel to the axis of the waveguide cavity.
  • formula 2 implies the formula for the angle of inclination of the refractive faces 6, which maintains the output wavefront of monochromatic radiation: where ⁇ is the angle of inclination of the refracting face to the window plane;
  • - n is the ratio of the refractive index of the material from which the waveguide window is made to the refractive index of the medium from which the radiation comes.
  • the waveguide device is used to change the dispersion of the group velocities of the wide-band pulsed laser radiation.
  • a large number of reflective or refracting faces are cut at the input and output windows, which form a diffraction grating.
  • Figure 7 shows a variant with refracting inclined edges on the input and output windows.
  • the angle of the faces is calculated by the formula 3, to ensure the parallelism of these faces and one of the spectral components of the symmetric waveguide modes formed during refraction on the transparent faces of the lattice of normally incident pulsed input radiation.
  • ⁇ is the wavelength of one of the spectral components of radiation
  • ( ⁇ - ⁇ ) is the difference between the angles of incidence and refraction on the edges of the strokes of the input and output gratings of this spectral component.
  • Such a grating maximally transmits a spectral component, in which the difference between the angles of incidence and refraction is equal to the diffraction angle of the optical grating.
  • the remaining spectral components are not parallel to the faces of the lattice and are attenuated in much the same way as in a well-known echelette type reflecting lattice. Since the diffraction angle increases with increasing wavelength, in the device shown in FIG. 7, the long-wave component of the radiation passes through the waveguide a longer way than the short-wave component, which corresponds to a negative dispersion of group velocities (GHS).
  • GLS group velocities
  • the window is installed parallel to the reflecting surfaces of the waveguide using additional reflecting surfaces 9, as shown in Fig. 8.
  • the magnitude of the GVD is proportional to the distance between the diffraction gratings, which allows you to smoothly adjust the GVD by changing the distance between the windows of the waveguide element.
  • the fifth embodiment of the invention shown in FIGS. 9 and 10 is characterized in that it uses a compact waveguide with a large optical path length.
  • the waveguide cavity 2 is a rectangular parallelepiped with pairs of faces 12, 13 and 14.
  • the waveguide cavity can be filled with a passive or active material that is transparent to the radiation used.
  • the input window 7 is made in the form of a prism, one of the faces of which is in optical contact with a narrow face of 13 or 14 parallelepiped, forming a section 3 that connects the window with the waveguide cavity.
  • the input radiation 1 is guided by the inclined reflecting face 8 or the refracting face 6 through section 3 into the waveguide cavity 2 at an angle to the faces 13 and 14.
  • Waveguide mode 11 is formed in the waveguide cavity 2 due to multiple reflections from these faces.
  • the dimensions and position of faces 8 or 6 on windows 7 are set so that the projection of the axial line of the waveguide mode 11 on the wide face of parallelepiped 12 can be superimposed on a diamond-shaped grid 10, whose number of cells along the narrow face 13 corresponds to the number of cells along the adjacent narrow face 14 as mutually simple integers. It is clear that this condition can be implemented with any parallelepiped dimensions.
  • the radiation is output from the waveguide cavity 2 through the output window 7.
  • the installation of the output window on a narrow face 13 or 14 should ensure the output of the radiation without distorting the wave front.
  • Various installation options for the input and output windows are shown in FIG. 9 and FIG. 10.
  • the input and output windows may have additional inclined edges, as shown in figure 1, 1 and figure 12. These faces can be made in the form of a diffraction grating 15 with grooves directing radiation towards the wide faces 12. Such a device makes it possible to strongly compress optical pulses due to the long optical path length in the waveguide.
  • An additional advantage of the large distance between the gratings is that, due to a more complete overlap of the radiation of secondary waves in the far zone of diffraction, you can use a relatively large pitch cutting inclined edges in combination with work in high diffraction order.
  • FIG. Figure 13 shows the effect on the course of the beams of errors of 0.3 mm in size when making short and long narrow faces of the parallelepiped with nominal sizes of 25 and 30 mm, respectively.
  • the figure shows that a small error leads to a radical change in the course of the rays.
  • this error is easily compensated by a slight rotation of the waveguide device. With the indicated dimensions, the compensation is ensured by turning approximately 0.5 ° in the direction indicated by the arrow in FIG. 13.
  • FIG. 12 shows the course of a narrow beam, which is separated at the output due to the demolition of spectral components in the transverse direction.
  • the demolition does not manifest itself. If necessary, the demolition of the narrow beam can be eliminated by sequential installation of two identical waveguide devices.
  • a waveguide device is used in a high-power laser amplifier.
  • the active medium capable of enhancing laser radiation may be a solid crystalline or amorphous optical material doped with rare-earth ions, or a dye solution, or a gas or vapor-gas mixture.
  • a vapor-gas mixture of alkali metal vapors, inert and molecular gases, proposed in patent source US7061958, can be used.
  • the advantages of a waveguide amplifier with such a vapor-gas mixture are more fully provided by using transverse pumping, for example, as proposed in patent application US2010,333,514. Further, the physical parameters of the active medium are used, given in this application.
  • the intensity of absorption of the pump energy in such an active medium is two inverse centimeters; therefore, the transverse dimensions of the waveguide must be at least 6 cm.
  • windows 7 are used with reflective inclined edges 8 directing radiation into the waveguide cavity 2.
  • Windows are installed on one of the reflecting surfaces 4. These windows can be made of fused silica, for example.
  • the internal cavity has a rectangular cross section and is formed by a pair of opposite reflecting surfaces 4 and a pair of transparent walls 40 perpendicular to it through which the active vapor-vapor mixture in the waveguide cavity is excited.
  • the amplified radiation must completely fill the wave-cavity.
  • the input beam 1 must completely overlap the input window 7, having dimensions of 60x60 mm 2 . 12 shows the course of a single beam from this beam. This beam falls on the inclined face 8 and, being reflected from it, enters the waveguide cavity 2, refracting at the boundary between a quartz window with a refractive index of 1.45 and a waveguide cavity filled with a vapor-gas mixture with a refractive index close to 1.
  • the dimensions and slope of the windows should, according to formula 1, correspond to the distance between the reflecting surfaces 4, as well as the refractive indices of the window material and the active medium.
  • the optimal transverse dimensions of the waveguide cavity are 60x25 mm 2 .
  • the area of both transparent walls 40 is 75 cm 2 .
  • Alkaline steam-gas mixture is a three-level active medium, which requires a high pump power density. Therefore, for its excitation laser diode arrays are required (they are not shown in FIG. 14) having a power density of about 5 kW / cm 2 or more.
  • the pump radiation 41 is introduced into the waveguide cavity through the transparent walls 40.
  • the proposed compact waveguide amplifier has the following advantages: - large cross-sectional size provides almost complete absorption of pumping in one pass;
  • the complete filling of the active medium with the amplified radiation ensures the complete removal of the inverse population with a sufficient power density of the input radiation
  • the active medium is made in the form of thin plates 42 of crystalline or amorphous material doped with rare-earth ions, for example, glass doped with ytterbium ions.
  • Active plates 42 1 mm thick, 10 mm wide and 100 mm long, are in close thermal contact with reflective surfaces 4, which are adjacent to cooling elements 51, for example, as is done in disk lasers.
  • the cooling medium is supplied through the fittings 50.
  • the amplifier works as follows.
  • the input radiation 1 with a plane wave front is introduced into the waveguide cavity 2 through a window 7 with a reflective oblique face 8.
  • the window has dimensions 10x10 mm 2 .
  • the input beam 1 falls on the inclined face 8 and, being reflected from it, enters the waveguide cavity 2, refracting at the boundary between the active plate with a refractive index of 1.55 and the cavity between the active plates filled with air.
  • the distance between them is chosen depending on the length of the inclined face 8, its angle of inclination, as well as on the refractive indices of the window 7 material and the refractive index of the active plates 42. Calculated by analogy with the previous version the distance between the reflective surfaces 4 is 5.25 mm.
  • the pump radiation of 41 laser diode arrays is fed directly to the narrow longitudinal edges of the active plates 42.
  • the doping level of the plate with ytterbium ions is chosen so that the pump radiation is almost completely absorbed in one pass of the cross section of the plate.
  • the large ratio of the surface area of the reflecting plates, through which heat is removed, to the volume of the plates makes it possible to introduce high-power pumping radiation through each linear centimeter of the narrow longitudinal face of the plate.
  • the active medium can be pumped by a locally large number of narrow oblique rays 41, which, as shown in FIG. 16 for two beams, go in the transverse direction, repeatedly reflected from the waveguide surfaces.
  • An installation schematically shown in FIG. 17, consists of two confocal parabolic reflectors 100 with a common focus in the center of the target 102. On the surfaces of the reflectors there are a large number of non-coaxial holes 101 through which the multipath output radiation of arrays of waveguide amplifiers 60, consisting of amplifiers similar to shown in Fig.14.
  • Arrays of waveguide amplifiers are located on the outside of each perforated reflector 100.
  • the input radiation is generated using a sufficiently powerful master oscillator 103.
  • the output beam of the master oscillator is expanded by a scattering lens team 104, with an imaginary focus placed at the focus of the reflector with a parabolic surface 105. Reflected from its wide beam of radiation is directed to the array of amplifiers 60.
  • Figure 17 shows the course of narrow beams from this beam.
  • the output radiation of 5 waveguide amplifiers through the holes 101 fall on the working surfaces of parabolic mirrors 100, from which they are in focused form directed to the center of the target 102.

Landscapes

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

Abstract

Волноводное лазерное устройство имеет волноводную полость, которая может быть частично или полностью заполнена активной средой. Входное и выходное окно с одной или несколькими преломляющими или отражающими гранями расположены относительно отражающих поверхностей волноводной полости так, что входное излучение с плоским волновым фронтом распространяется в полости волноводов в виде одной или нескольких симметричных волноводных мод, которые могут полностью заполнять волноводную полость. Наклон граней устанавливается так, чтобы в выходном пучке сохранялся волновой фронт входного пучка. Это позволяет использовать предлагаемое волноводное лазерное устройство для усиления и изменения дисперсии групповых скоростей широкоапертурного лазерного излучения с плоским волновым фронтом. Такое излучение может быть использовано в разнообразных устройствах, требующих острой фокусировки мощного лазерного излучения, например, для концентрации электромагнитной энергии в центре маленькой сферически симметричной мишени.

Description

Волноводное лазерное устройство
Область техники
Предлагаемое изобретение относится к пассивным и активным оптическим устройствам волноводного типа, которые могут быть использованы для усиления, и компенсации дисперсии групповых скоростей широкоапертурного лазерного излучения.
Уровень техники
Высокоэнергетические лазеры с непрерывным и импульсным излучением используются в различных приложениях, требующих уровня выходной мощности в диапазоне от киловатт до нескольких мегаватт, например, при использовании в дальнобойных лидарах, или в промышленности для обработки материалов, резке, бурении, или в медицине в хирургических процедурах, то есть там, где пучки высокой интенсивности могут быть получены за счет узкой фокусировки слаборасходящихся широкоапертурных пучков. Во многих случаях для достижения высоких уровней мощности и высокого качества широкоапертурных пучков может использоваться волноводная геометрия активных элементов.
В патентном источнике US7193771, являющемся аналогом предлагаемого изобретения, достижение высокой мощности лазерного излучения обеспечивается сочетанием прямоугольного профиля волновода, многомодового режима и режима самовизуализации волновода с использованием супер-Гауссового профиля пучка. Однако практическая реализация такого подхода оказалась трудно выполнимой из-за крайне высокой чувствительности к ошибкам изготовления и изменению внешних условий.
В патентном источнике US8977097, являющемся прототипом предлагаемого изобретения, задача масштабирования мощности лазерных устройств решается за счет использования активных оптических элементов с пленарной вол ново дно й геометрией. В этом устройстве обеспечиваются минимальные тепловые градиенты, однако, для достижения высоких уровней мощности требуются уникальные композитные материалы с высокой степенью оптической однородности, технология изготовления которых до сих пор не доведена до уровня промышленного тиражирования или отсутствует.
Поэтому существует потребность в простых и эффективных устройствах, в которых устранены указанные недостатки.
Сущность предлагаемого изобретения
Предлагаемые волноводные лазерные устройства предназначены для усиления и изменения дисперсии групповых скоростей (ДГС) преимущественно широкоапертурного излучения с плоским волновым фронтом. Это излучение получают путем расширения лазерного пучка с показателем качества М2 близким к единице. Расходимость расширенного пучка многократно снижается по отношению к расходимости пучка задающего генератора, поэтому его волновой фронт может быть практически плоским.
Одной из задач настоящего изобретения является устранение потерь, вызываемых искажением волнового фронта, при преобразованиях излучения в пассивных и активных оптических волноводах. Эти искажения снижают интенсивность излучения при фокусировке широкоапертурного пучка.
Еще одной задачей настоящего изобретения является создание компактных волноводных устройств с большой длиной оптического пути, нечувствительных к ошибкам линейных размеров волноводной полости.
Еще одной задачей настоящего изобретения является создание оптических волноводных устройств, позволяющих увеличивать или уменьшать дисперсию групповых скоростей широкоапертурных импульсов лазерного излучения.
Еще одной задачей настоящего изобретения является создание установки для облучения компактной сферически симметричной мишени, использующей мощные широкоапертурные лазерные пучки с плоским волновым фронтом, получаемые с использованием волноводных лазерных устройств.
Для решения поставленных задач используются волноводные устройства, имеющие входное и выходное окна с отражающими или преломляющими наклонными гранями. Размеры и положение этих граней относительно отражающих поверхностей волноводной полости устанавливаются так, чтобы отсутствовали искажения волнового фронта излучения, проходящего от входного окна к выходному. При установке граней согласно предлагаемому изобретению, излучение распространяется в волноводной полости в виде одной или нескольких симметричных волноводных мод и оптический тракт волноводного устройства можно развернуть, аналогично отражательной призме, в однородную или композитную пластину с плоскопараллельными границами показателя преломления. Сохранение плоского волнового фронта широкоапертурного пучка позволяет обеспечить максимальную интенсивность воздействия излучения на обрабатываемый объект благодаря возможности острой фокусировки лучей, из которых состоит этот пучок.
Предлагаемая схема оптического волноводного элемента с преломляющими или отражающими гранями на входе и выходе волноводов, которые установлены так, чтобы обеспечить сохранение в выходном пучке волнового фронта входного излучения, имеет следующие преимущества. 1. Для передачи энергии монохроматического лазерного излучения используется только одна волноводная мода или несколько симметричных волноводных мод большого сечения с произвольным аспектным отношением, что обеспечивает высокое качество усиленного излучения.
2. При достаточном сечении входного лазерного пучка излучение симметричных волноводных мод может полностью заполнять полость и поверхность отражающих граней волновода, что позволяет эффективно использовать активную среду, в том числе, в виде планарного слоя, примыкающего к отражающей поверхности, с возможностью плотного теплового контакта с охлаждающими элементами.
3. Зигзагообразное распространение волноводных мод позволяет минимизировать влияние на качество излучения тепловых градиентов, возникающих под действием энергии накачки.
4. Входная и выходная апертура представляет собой прямоугольник с произвольным отношением сторон и широким диапазоном изменения размеров сечения и, соответственно, большим диапазоном плотности мощности усиливаемого излучения, что позволяет минимизировать нежелательные нелинейные эффекты и регулировать лучевую нагрузку используемых оптических материалов, доводя ее до приемлемого уровня.
5. В зависимости от размеров и числа наклонных граней волноводные моды создаются или за счет преломления (отражения) входного излучения, или за счет комбинации преломления (отражения) с дифракционным отклонением спектральных составляющих, что может быть использовано для спектральной селекции и/или компенсации дисперсии групповых скоростей.
6. Волновод может быть механически или оптически открыт с боковых и торцевых сторон, перпендикулярных отражающим поверхностям, что позволяет:
а) выводить паразитные излучения;
б) эффективно, практически напрямую, подводить ко всей или части активной среды энергию накачки большой мощности;
в) обеспечивать прокачку между отражающими поверхностями активной среды в виде растворов или газовых и парогазовых смесей.
7. В отличие от прототипа, отсутствует необходимость использования дорогостоящей композитной оптической среды с чрезвычайно высокой оптической однородностью.
Эти преимущества позволяют решить поставленные задачи. Краткое описание чертежей
На фиг. 1 - показано волноводное устройство, имеющее на окнах отражающие наклонные грани.
На фиг. 2 - показана передача изображения эллипса волноводным устройством с отражающими гранями на окнах.
На фиг.З - показан способ устранения разрыва изображения эллипса.
На фиг.4 - показано волноводное устройство с преломляющими гранями на окнах.
На фиг.5 - показан ход лучей волноводной моды, идущей параллельно наклонным преломляющим граням на окнах.
На фиг.6 - показано волноводное устройство способное более точно визуализировать на выходе входное изображение.
На фиг.7 - показано устройство для сжатия импульсов путем уменьшения ДГС;
На фиг.8 - показано устройство для расширения импульсов путем увеличения ДГС;
На фиг.9 - показана схема волноводного устройства с отражающими наклонными гранями на окнах с большой длиной оптического хода лучей.
На фиг.10 - показана схема волноводного устройства с преломляющими наклонными гранями на окнах с большой длиной оптического хода лучей.
На фиг.11 - показано волноводное устройство с дополнительными преломляющими гранями на окнах.
На фиг.12 - показано волноводное устройство с большой длиной оптического хода лучей для сильного сжатия импульсов.
На фиг.13 - показано влияние ошибок изготовления волновода на ход лучей и способ их компенсации.
На фиг.14 - показан волноводный усилитель с активной средой в виде раствора красителей или газовой или парогазовой смеси.
На фиг.15 - показан волноводный усилитель с планарной твердотельной активной средой.
На фиг.16 - показан ход лучей при локальной накачке активной среды.
На фиг.17 - показана схема установки для облучения компактной сферически симметричной мишени.
Описание обозначений
1 - Входной лазерный пучок.
2 - Волновод, волноводная полость 3 - Участок волноводной поверхности, имеющий оптический контакт с окнами.
4 - Отражающая поверхность волноводной полости.
5 - Выходной пучок.
6 - Преломляющая наклонная грань.
7 - Входное или выходное окно.
8 - Отражающая наклонная грань.
9 - Дополнительная отражающая поверхность.
10 - Ромбовидная сетка.
11 - Волноводная мода.
12 - Широкая грань прямоугольного параллелепипеда.
13 - Длинная узкая грань прямоугольного параллелепипеда.
14 - Короткая узкая грань прямоугольного параллелепипеда.
15 - Дифракционная решетка.
40 - Прозрачная стенка волновода.
41 - Излучение накачки активной среды.
42 - Активный планарный слой или тонкая активная пластина.
50 - Штуцер.
51 - Охлаждающий элемент
60 - Массив волноводных лазерных усилителей.
100 - Перфорированный параболический отражатель.
101 - Отверстия в параболической поверхности.
102 - Сферически симметричная мишень.
103 - Задающий генератор.
104 - Рассеивающий линзовый коллектив.
105 - Отражатель с параболической поверхностью.
Осуществление предлагаемого изобретения
Предлагаемые волноводные лазерные устройства наиболее эффективны при работе с широкоапертурным излучением. Такое излучение можно получить путем расширения узкого луча, например, с помощью телескопа. Во многих случаях большой размер поперечного сечения пучка позволяет не учитывать дифракционные эффекты, поэтому описание реализации предлагаемых устройств основано на понятиях геометрической оптики.
Используемый в описании и формуле предлагаемого изобретения признак «сохранение в выходном пучке излучения волнового фронта входного пучка», устанавливает взаимосвязь между входным и выходным излучением. Взаимосвязь, устанавливаемая этим признаком, практически реализуется, если наклонные грани на окнах установлены так, что волноводное устройство можно развернуть в пластину с плоскопараллельными границами показателя преломления, аналогично известной специалистам развертке отражательных призм. Для устранения разрывов изображения и сноса лучей, появляющихся вследствие того, что длина волноводного устройства не кратна периоду волноводной моды, используется пара последовательно установленных одинаковых волноводных устройств.
При описании предпочтительных вариантов реализации предполагается, что:
- плоскость входного и выходного окна, от которой отсчитывается угол наклона преломляющих или отражающих граней, перпендикулярна продольной оси волноводов;
- все симметричные волноводные моды имеют одинаковый наклон к оси волновода;
- возможность полного заполнения волноводной модой полости волновода не препятствует использованию узких лазерных пучков.
В первом варианте реализации предлагаемого изобретения, показанном на фиг.1, волноводное устройство состоит из прямоугольной волноводной полости 2, которая образуется в прямоугольном стержне, выполненном из оптического материала, например, плавленого кварца. Участки 3 волноводных поверхностей, примыкающие к входному и выходному концам волноводной полости, находятся в оптическом контакте с входным и выходным окнами 7, которые имеют отражающие наклонные грани 8. Наклонная грань 8 на входном окне преобразует входной пучок в единственную волноводную моду, а наклонная грань на выходном окне преобразует эту волноводную моду в выходной пучок 5. Окна тоже могут быть выполнены из плавленого кварца. Для полного заполнения полости волновода размеры и наклон граней 8 выбираются в зависимости от расстояния между отражающими поверхностями 4, а также от показателей преломления материала окна и волноводной полости в соответствии с формулой: h=i-ctgarcsin(n-sin(2(p-90))/ 4sin(p, 1 где h -расстояние между отражающими поверхностями;
I - длина отражающей наклонной грани;
п - отношение показателя преломления материала, из которого изготовлено окно к показателю преломления активной среды;
φ - угол наклона грани к плоскости окна. Эта формула вытекает из геометрической картины хода лучей при вводе излучения в волноводный элемент, показанной на фиг. 1, при этом предполагается, что входной пучок 1 полностью перекрывает площадь входного окна. Если окна и волновод выполнены из одного материала, то h=£-ctg(2q)-90)/4sin(p = £-cos(p/2|cos2(p|. Это оптимальное расстояние между отражающими поверхностями. При его уменьшении, часть входного пучка не попадает в волноводную полость. При увеличении - волноводная полость заполняется не полностью.
Работа волноводного устройства иллюстрируется фиг.2 на примере передачи изображения эллипса. Широкоапертурное излучение 1 с плоским волновым фронтом вводится в устройство через окно 7 с отражающей наклонной гранью 8. Эта грань направляет излучение в волноводную полость в виде волноводной моды 11, имеющей период W = 2h-tg2q>, где η·- расстояние между отражающими поверхностями 4, φ - угол наклона отражающей грани 8 к плоскости окна. Изображение эллипса переносится на наклонную отражающую грань 8 выходного окна 7 единственной волноводной модой, поэтому в выходном пучке сохраняется плоский волновой фронт. Если длина волновода не кратна периоду волноводной моды, то на наклонную грань 8 выходного окна 7 попадают два фрагмента эллипса, передаваемые различными периодами волноводной моды. Первоначальное изображение эллипса можно получить, установив последовательно два одинаковых волноводных устройства, как показано на фиг.З.
Второй вариант реализации предлагаемого изобретения, показан на фиг.4. Он отличается тем, что на входном и выходном окнах 7 выполнены наклонные преломляющие грани 6, а окна установлены между отражающими поверхностями 4 на входном и выходном концах волновода. Как видно из рисунка, при произвольной угловой ориентации преломляющих наклонных граней, волновой фронт выходного излучения 5 не совпадает с волновым фронтом входного пучка 1, что приводит к аберрациям передаваемого изображения и потерям при фокусировке из-за образования расходящихся пучков.
В соответствии с предлагаемым изобретением грани 6 должны быть наклонены так, чтобы при вводе монохроматического лазерного излучения 1 возникала одна волноводная мода или несколько симметричных волноводных мод соответственно числу наклонных граней на входном окне, которые идут параллельно наклонным граням на входном и выходном окнах. Такая волноводная мода образуется, если выполняется соотношение: sina =ncos2q>, 2 где: α - угол падения входного излучения на грань 6;
п -отношение показателя преломления материала из которого изготовлен волновод к показателю преломления среды, из которой идет излучение;
φ - угол наклона преломляющей грани 6.
В этом случае расходящиеся пучки на выходе из волновода и соответствующие им потери отсутствуют при любых соотношения между линейными размерами волноводного элемента. Ход крайних лучей входного пучка при выполнении указанного соотношения показан на фиг.5. Визуализация входного изображения на выходе такого волноводного устройства может быть не точной, если длина волноводной полости не кратна периоду волноводной моды. Для более точной визуализации могут быть последовательно установлены два одинаковых волноводных устройства, как показано на фиг.6. При этом может потребоваться дополнительная отражающая поверхность 9, если входной и выходной пучки не параллельны оси волноводной полости.
Применительно к входному и выходному пучкам, идущим вдоль оси волновода, из формулы 2 следует формула для угла наклона преломляющих граней 6, при котором на выходе сохраняется волновой фронт монохроматического излучения:
Figure imgf000010_0001
где φ - угол наклона преломляющей грани к плоскости окна;
- п -отношение показателя преломления материала, из которого изготовлено окно волновода к показателю преломления среды, из которой идет излучение.
В третьем варианте реализации предлагаемого изобретения волноводное устройство используется для изменения дисперсии групповых скоростей широкополосного импульсного лазерного излучения. Для этого на входном и выходном окнах нарезается большое число отражающих или преломляющих граней, которые образуют дифракционную решетку. На фиг.7 показан вариант с преломляющими наклонными гранями на входном и выходном окнах. Угол наклона граней рассчитывается по формуле 3, чтобы обеспечить параллельность этих граней и одной из спектральных составляющих симметричных волноводных мод, образующихся при преломлении на прозрачных гранях решетки нормально падающего импульсного входного излучения. Грани нарезаются с шагом, определяемым по формуле: d=k sin(a-p), 4 шаг нарезки граней; к - целое число (порядок дифракции);
λ - длина волны одной из спектральных составляющих излучения;
(α-β) - разность углов падения и преломления на гранях штрихов входной и выходной решеток этой спектральной составляющей.
Такая решетка максимально пропускает спектральную составляющую, у которой разность углов падения и преломления равна углу дифракции оптической решетки. Остальные спектральные составляющие не параллельны граням решетки и ослабляются примерно так же, как в хорошо известной отражающей решетке типа эшелетт. Так как угол дифракции растет с увеличением длины волны, то в устройстве, показанном на фиг. 7, длинноволновая составляющая излучения проходит по волноводу больший путь, чем коротковолновая, что соответствует отрицательной дисперсии групповых скоростей (ДГС). Для получения положительной дисперсии за счет большей длины пути у коротковолновых составляющих излучения, окна устанавливается параллельно отражающим поверхностям волновода с использованием дополнительных отражающих поверхностей 9, как показано на фиг.8. Величина ДГС пропорциональна расстоянию между дифракционными решетками, что позволяет плавно регулировать ДГС, изменяя расстояние между окнами волноводного элемента.
Пятый вариант реализации предлагаемого изобретения, показанный на фиг.9 и 10, отличается тем, что в нем используется компактный волновод с большой длиной оптического пути. В этом варианте волноводная полость 2 представляет собой прямоугольный параллелепипед с парами граней 12, 13 и 14. Волноводная полость может быть заполнена пассивным или активным материалом, прозрачным для используемого излучения. Входное окно 7 выполнено в виде призмы, одна из граней которой находится в оптическом контакте с узкой гранью 13 или 14 параллелепипеда, образуя участок 3, который связывает окна с волноводной полостью. Входное излучение 1 направляется наклонной отражающей гранью 8 или преломляющей гранью 6 через участок 3 в волноводную полость 2 под углом к граням 13 и 14. Волноводная мода 11 образуется в волноводной полости 2 за счет многократного отражения от этих граней. Размеры и положение граней 8 или 6 на окнах 7 устанавливаются так, чтобы проекцию осевой линии волноводной моды 11 на широкую грань параллелепипеда 12 можно бьшо наложить на ромбовидную сетку 10, у которой число ячеек вдоль узкой грани 13 соотносится с числом ячеек вдоль смежной узкой грани 14 как взаимно простые целые числа. Понятно, что это условие может быть реализовано при любых размерах параллелепипеда. Излучение выводится из волноводной полости 2 через выходное окно 7. Установка выходного окна на узкой грани 13 или 14 должна обеспечить вывод излучения без искажения волнового фронта. Различные варианты установки входного и выходного окон показаны на фиг.9 и фиг.10.
Входное и выходное окна могут иметь дополнительные наклонные грани, как показано на фиг.1 1 и фиг.12. Эти грани могут быть выполнены в виде дифракционной решетки 15 со штрихами, направляющими излучение в сторону широких граней 12. Такое устройство дает возможность сильного сжатия оптических импульсов за счет большой длины оптического пути в волноводе. Дополнительное преимущество большого расстояния между решетками состоит в том, что благодаря более полному перекрытию излучения вторичных волн в дальней зоне дифракции, можно использовать относительно большой шаг нарезки наклонных граней в сочетании с работой в высоком порядке дифракции.
Из-за большого числа отражений от узких граней 13 и 14, ход лучей сильно зависит от ошибок линейных размеров, допущенных при изготовлении волновода. На фиг. 13 показано влияние на ход лучей ошибок величиной в 0,3мм, допущенных при изготовлении короткой и длинной узких граней параллелепипеда с номинальными размерами 25 и 30 мм соответственно. Рисунок показывает, что небольшая ошибка приводит к радикальному изменению хода лучей. Однако в любом из вариантов реализации, аналогичных показанным на фиг.9 - фиг.12, эта ошибка легко компенсируется небольшим поворотом волноводного устройства. При указанных размерах, компенсация обеспечивается поворотом примерно на 0,5° по направлению, указанному стрелкой на фиг.13.
На фиг. 12 показан ход узкого луча, который на выходе разделяется вследствие сноса спектральных составляющих в поперечном направлении. При работе с широкоапертурным пучком, полностью перекрывающим входное окно, снос не проявляется. При необходимости, снос узкого луча может быть устранен за счет последовательной установки двух одинаковых волноводных устройств.
В шестом варианте предлагаемого изобретения, показанном на фиг.14, волноводное устройство используются в мощном лазерном усилителе. Активной средой, способной усиливать лазерное излучение, может быть твердый кристаллический или аморфный оптический материал, легированный ионами редкоземельных элементов, или раствор красителя, или газовая или парогазовая смесь. Например, может быть использована парогазовая смесь паров щелочных металлов, инертных и молекулярных газов, предложенная в патентном источнике US7061958. Преимущества волноводного усилителя с такой парогазовой смесью более полно обеспечиваются при использовании поперечной накачки, например, так, как предложено в патентной заявке US20140133514. Далее используются физические параметры активной среды, приведенные в этой заявке. Интенсивность поглощения энергии накачки в такой активной среде составляет два обратных сантиметра, поэтому поперечные размеры волновода должны быть не менее 6см. В предлагаемой реализации изобретения для ввода и вывода излучения в каждом волноводе используются окна 7 с отражающими наклонными гранями 8, направляющими излучение в волноводную полость 2. Окна установлены со стороны одной из отражающих поверхностей 4. Эти окна могут быть выполнены, например, из плавленого кварца. У волновода внутренняя полость имеет прямоугольное сечение и образована парой противоположных отражающих поверхностей 4 и перпендикулярной ей парой прозрачных стенок 40, через которые возбуждается активная парогазовая смесь в полости волновода. Для эффективного использования активной среды усиливаемое излучение должно полностью заполнять волноюдную полость. Для этого входной пучок 1 должен полностью перекрывать входное окно 7, имеющее размеры 60x60мм2. На фиг.12 показан ход одного луча из этого пучка. Этот луч падает на наклонную грань 8 и, отражаясь от нее, входит в волноводную полость 2, преломляясь на границе между окном из кварца с показателем преломления 1,45 и полостью волновода, заполненной парогазовой смесью с показателем преломления близким к 1.
Чтобы волноводная мода полностью заполняла волноводную полость, размеры и наклон граней на окнах должны на основании формулы 1 соответствовать расстоянию между отражающими поверхностями 4, а также показателям преломления материала окна и активной среды.
Угол наклона отражающей грани к плоскости окна равен (90°-0,5arctgl,45) = 62,3° и выбран так, чтобы излучение преломлялось под углом Брюстера на границе кварцевого окна с показателем преломления 1,45 и парогазовой смеси с показателем преломления 1. При таком угле наклона отражающей грани, предпочтительное расстояние между отражающими поверхностями 4, в соответствии с формулой (1), равно h = 25,1мм. Соответственно оптимальные поперечные размеры волноводной полости составляют 60x25мм2. При длине волновода 150мм площадь обеих прозрачных стенок 40 равна 75см2. Щелочная парогазовая смесь является трехуровневой активной средой, требующей высокой плотности мощности накачки. Поэтому для ее возбуждения требуются лазерные диодные матрицы (на фиг.14 они не показаны), имеющие плотность мощности примерно 5кВт/см2 или более. Излучение накачки 41 вводится в волноводную полость через прозрачные стенки 40.
Предлагаемый компактный волноводный усилитель имеет следующие преимущества: - большой размер поперечного сечения обеспечивает практически полное поглощение накачки за один проход;
- полное заполнение активной среды усиливаемым излучением обеспечивает полный съем инверсной населенности при достаточной плотности мощности входного излучения;
- низкий квантовый дефект, составляющий для Cs-0,047, для Rb-0,019, и для К- 0,0044, обеспечивает высокую эффективность использования энергии накачки и относительно низкое тепловыделение;
- большая площадь отражающих поверхностей позволяет отводить значительные тепловые потоки, что в сочетании с возможностью прокачки активной среды по волноводам через торцевые поверхности со штуцерами 50, обеспечивает слабое влияние тепловых эффектов на КПД и показатели качества выходного излучения;
- отсутствие искажений волнового фронта усиливаемого излучения позволяет получить на выходе мощный и широкий лазерный пучок с очень низкой расходимостью.
В седьмом варианте предлагаемого изобретения, схематично показанном на фиг.15, в отличие от предыдущего варианта, активная среда выполнена в виде тонких пластин 42 из кристаллического или аморфного материала, легированного ионами редкоземельных элементов, например, стекла, легированного ионами иттербия. Активные пластины 42, толщиной 1мм, шириной 10мм и длиной 100мм, находятся в плотном тепловом контакте с отражающими поверхностями 4, которые примыкают к охлаждающим элементам 51, например, так как это делается в дисковых лазерах. Охлаждающая среда подводится через штуцеры 50. Усилитель работает следующим образом. Входное излучение 1 с плоским волновым фронтом вводится в волноводную полость 2 через окно 7 с отражающей наклонной гранью 8. Окно имеет размеры 10x10мм2. Входной пучок 1 падает на наклонную грань 8 и, отражаясь от нее, входит в волноводную полость 2, преломляясь на границе между активной пластиной с показателем преломления 1,55 и полостью между активными пластинами, заполненной воздухом.
Чтобы вол но водная мода полностью заполняла пространство между отражающими поверхностями 4, расстояние между ними выбрано в зависимости от длины наклонной грани 8, угла ее наклона, а также от показателей преломления материала окна 7 и показателя преломления активных пластин 42. Рассчитанное по аналогии с предыдущим вариантом расстояние между отражающими поверхностями 4 равно 5,25мм.
Излучение накачки 41 линеек лазерных диодов подводится непосредственно к узким продольным граням активных пластин 42. Уровень легирования пластины ионами иттербия выбирается так, чтобы излучение накачки практически полностью поглощалось за один проход поперечного сечения пластины. Большое отношение площади поверхности отражающих пластин, через которые отводится тепло, к объему пластин позволяет вводить через каждый погонный сантиметр узкой продольной грани пластины излучение накачки большой мощности.
Для снижения влияния усиленного паразитного и спонтанного излучений в волноводных лазерных устройствах, изготовленных с использованием активных лазерных материалов, накачка активной среды может производиться локально большим числом узких наклонных лучей 41, которые, как показано на фиг.16 для двух лучей, идут в поперечном направлении, многократно отражаясь от волноводных поверхностей.
В восьмом варианте реализации предлагаемого изобретения, схема которого показана на фиг.17, в мощной лазерной установке, предназначенной для концентрации электромагнитной энергии в центре маленькой сферически симметричной мишени, используется большое число параллельно и последовательно установленных широкоапертурных волноводных лазерных устройств, усиливающих широкоапертурное излучение с плоским волновым фронтом. Установка, схематично показанная на фиг. 17, состоит из двух конфокальных параболических отражателей 100 с общим фокусом в центре мишени 102. На поверхностях отражателей имеется большое число не соосных отверстий 101, через которые в полость между отражателями вводится параллельно их осям многолучевое выходное излучение массивов волноводных усилителей 60, состоящего из усилителей аналогичных показанным на фиг.14. Массивы волноводных усилителей бО.расположены с внешней стороны каждого перфорированного отражателя 100. На фиг. 17 показан только один из массивов 60. Для каждого массива волноводных усилителей 60 входное излучение формируется с помощью достаточно мощного задающего генератора 103. Выходной пучок задающего генератора расширяется рассеивающим линзовым коллективом 104, с мнимым фокусом, размещенным в фокусе отражателя с параболической поверхностью 105. Отраженный от него широкий пучок излучения направляется на массив усилителей 60. На фиг.17 показан ход узких лучей из этого пучка. Выходное излучение 5 волноводных усилителей через отверстия 101 попадают на рабочие поверхности параболических зеркал 100, от которых они в сфокусированном виде направляются к центру мишени 102.

Claims

Формула изобретения.
1. Волноводное лазерное устройство, изготовленное из активных или пассивных оптических материалов, с входным и выходным окнами, имеющими одну или более отражающих или преломляющих граней, отличающееся тем, что:
- грани на окнах располагаются относительно отражающих волноводных поверхностей так, что бы входное излучение с плоским волновым фронтом распространялось по волноводной полости в виде одной или нескольких симметричных волноводных мод соответственно числу этих граней;
- размеры и наклон граней, а так же размеры волноводной полости устанавливаются так, что бы выходное излучение сохраняло волновой фронт входного пучка и волноводные моды могли полностью заполнять волноводную полость;
2. Волноводное лазерное устройство по п.1, отличающееся тем, что активная среда выполнена в виде планарного слоя, примыкающего к отражающей поверхности волноводной полости, с возможностью плотного теплового контакта с охлаждающими элементами.
3. Волноводное лазерное устройство по п.1, отличающееся тем, что:
- ввод и вывод излучения производится через окна с наклонными гранями, выполненными в виде штрихов пропускающей дифракционной решетки;
шаг нарезки штрихов определяется по формуле d=kX/sin(a-P), где d - шаг нарезки штрихов, к - целое число (порядок дифракции), λ - длина волны одной из спектральных составляющих излучения, (α-β) - разность углов падения и преломления этой спектральной составляющей на наклонных гранях;
- для уменьшения дисперсии групповых скоростей, окна устанавливаются перпендикулярно отражающим поверхностям волновода, а для увеличения дисперсии групповых скоростей, окна устанавливаются параллельно отражающим поверхностям волновода.
4. Волноводное лазерное устройство по п.З, отличающееся тем, что входное и выходное окна расположены с возможностью изменения расстояния между ними.
5. Волноводное лазерное устройство по п.1, отличающееся тем, что:
- волноводная полость имеет форму прямоугольного параллелепипеда;
- волноводная мода образуется за счет многократного отражения от узких граней параллелепипеда;
- проекцию осевой линии этой волноводной моды на широкую грань параллелепипеда можно наложить на ромбовидную сетку, у которой число ячеек вдоль узкой грани соотносится с числом ячеек вдоль смежной узкой грани как взаимно простые целые числа.
6. Волноводное лазерное устройство по п.5 отличающееся тем, что входное и выходное окна имеют дополнительные грани, отклоняющие излучение в направлении перпендикулярном широким граням параллелепипеда.
7. Волноводное лазерное устройство по п.5 отличающееся тем, что входное и выходное окна имеют дополнительные грани образующие дифракционную решетку, которая отклоняет излучение в направлении перпендикулярном широким граням параллелепипеда.
8. Волноводное лазерное устройство по п.1, отличающееся тем, что в нем используется активная среда в виде раствора или газовой или парогазовой смеси.
9. Волноводное лазерное устройство по п.8, отличающееся тем, что активная среда прокачивается по волноводной полости через торцевые или боковые стенки волноводов.
10. Волноводное лазерное устройство, отличающееся тем, что для визуализации на его выходе входного изображения устанавливаются последовательно два одинаковых волноводных лазерных устройства по п.1 - 9.
11. Волноводное лазерное устройство по п.1 - 9, изготовленное с использованием активных лазерных материалов, отличающееся тем, что для снижения влияния усиленного паразитного и спонтанного излучений накачка активной среды производится локально узкими наклонными лучами, которые идут в поперечном направлении, многократно отражаясь от волноводных поверхностей.
12. Лазерная установка, предназначенная для равномерного облучения сферически симметричной мишени, отличающаяся тем, что:
- для облучения используются мощные параллельные лазерные пучки с плоским волновым фронтом, которые создаются массивами активных волноводных лазерных устройств путем усиления расширенного излучения задающего генератора, имеющего показатель качества М2 близкий к 1 ;
- эти пучки фокусируются одной или несколькими парами конфокальных параболических зеркал с общим фокусом в центре мишени, причем пучки попадают на отражающую поверхность зеркал через не соосные отверстия в параболических зеркалах.
PCT/RU2016/000281 2015-09-29 2016-05-11 Волноводное лазерное устройство WO2017058054A1 (ru)

Applications Claiming Priority (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015141248A RU2015141248A (ru) 2015-09-29 2015-09-29 Волноводное лазерное устройство
RU2015141248 2015-09-29
RU2015144348 2015-10-15
RU2015144348A RU2015144348A (ru) 2015-10-15 2015-10-15 Оптический волновод для лазерных устройств
RU2015147033 2015-11-02
RU2015147033A RU2015147033A (ru) 2015-11-02 2015-11-02 Волноводный активный элемент

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017058054A1 true WO2017058054A1 (ru) 2017-04-06

Family

ID=58427734

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2016/000281 WO2017058054A1 (ru) 2015-09-29 2016-05-11 Волноводное лазерное устройство

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2017058054A1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113759468A (zh) * 2021-08-04 2021-12-07 深圳市深光谷科技有限公司 光束模式处理装置

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4118274A (en) * 1975-05-29 1978-10-03 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy System for the production of plasma
US4432648A (en) * 1981-05-18 1984-02-21 The Austin Company Multiple dimension laser gauge
US5220577A (en) * 1990-08-22 1993-06-15 Deutsche Forschungsanstalt Fuer Luft- Und Raumfahrt E.V. Waveguide laser with variable waveguide thickness
US8160415B2 (en) * 2009-01-27 2012-04-17 Ipg Photonics Corporation High power fiber laser system with high quality beam
US9134483B2 (en) * 2012-12-20 2015-09-15 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Optical coupling system having an optical coupler and a light-transmissive external medium and also production and use of such a system

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4118274A (en) * 1975-05-29 1978-10-03 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy System for the production of plasma
US4432648A (en) * 1981-05-18 1984-02-21 The Austin Company Multiple dimension laser gauge
US5220577A (en) * 1990-08-22 1993-06-15 Deutsche Forschungsanstalt Fuer Luft- Und Raumfahrt E.V. Waveguide laser with variable waveguide thickness
US8160415B2 (en) * 2009-01-27 2012-04-17 Ipg Photonics Corporation High power fiber laser system with high quality beam
US9134483B2 (en) * 2012-12-20 2015-09-15 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Optical coupling system having an optical coupler and a light-transmissive external medium and also production and use of such a system

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113759468A (zh) * 2021-08-04 2021-12-07 深圳市深光谷科技有限公司 光束模式处理装置
CN113759468B (zh) * 2021-08-04 2024-03-12 深圳市深光谷科技有限公司 光束模式处理装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102344775B1 (ko) 제3 고조파 생성을 위한 고효율 레이저 시스템
US10359687B2 (en) Method to generate terahertz radiation and terahertz radiation source
Mehellou et al. Stable solar-pumped TEM00-mode 1064 nm laser emission by a monolithic fused silica twisted light guide
CN103890913A (zh) 用于激光处理设备的多重光束组合器
CN108988117B (zh) 一种基于偏振合成激光增益的激光放大器
CN111509552A (zh) 被动调q固体激光器
CN111509544A (zh) 一种基于侧边键合梯形晶体的内部多程固体激光器
WO1990009690A1 (en) Solid state laser
JP2020038363A (ja) エネルギーに関してスケーラブルなテラヘルツ放射を生成する方法および機構
WO2017058054A1 (ru) Волноводное лазерное устройство
US7280577B2 (en) Pumping method for laser equipment
CN112152061A (zh) 一种激光放大器
CN115981015A (zh) 基于多薄片后压缩的单周期相对论涡旋光产生系统及方法
US20230271273A1 (en) Laser apparatus and laser machining apparatus
CN212304181U (zh) 激光脉冲展宽器
CN210201153U (zh) 中长波红外激光器
KR20230011345A (ko) 레이저 펄스의 스펙트럼 확장을 위한 장치 및 레이저 시스템
RU2569904C1 (ru) Лазерное устройство с пластинчатым оптическим элементом
CN111952820A (zh) 激光脉冲展宽器与展宽方法
JP6210732B2 (ja) レーザ増幅器及びレーザ発振器
Krupkin et al. Compound parabolical concentrator as pumping device for solid state solar lasers
RU2632745C2 (ru) Многолучевой источник лазерного излучения и устройство для обработки материалов с его использованием
CN218123957U (zh) 一种用于激光雷达光源的级联多波长可调谐激光器
Seyedzamani et al. Simple highly efficient pumping configuration in high-power thin-disk laser
RU147366U1 (ru) Твердотельный перестраиваемый лазер на основе органических соединений

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 16852162

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 16852162

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1