СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИНВЕРСИИ В АКТИВНОМ ЭЛЕМЕНТЕ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА

СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИНВЕРСИИ В АКТИВНОМ ЭЛЕМЕНТЕ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА


RU (11) 2086058 (13) C1

(51) 6 H01S3/094 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.10.2007 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 94028630/25 
(22) Дата подачи заявки: 1994.07.29 
(45) Опубликовано: 1997.07.27 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: 1. Бодов М.Е. и др. Исследование инверсии в усилительном модуле на активном элементе с прямоугольным сечением. Квантовая электроника, 1978, N 5, с. 1072. 2. K.Natio et al. Jpn. J. Appl. Pliys. 1992, 31, р. 295, part 1, N 2a, February. 3. Зверев Г.М. и др. Лазеры на алюмоиттриевом гранате с неодимом. - М.: Радио и связь, 1985. 4. R.Solarz. High Power Diode Pumped Solid State Lasers`, Proceed of the International Conference on Lasers and Optoelectronics, 16 - 18 oct, 1992. Beijing, China. SPIT, Vol. 1979, рр. 114- 123. 5. W.F.Krupke, L.L.Chase. Ground State Depleted Solid- State Lasers: Principless, characteristics and scaling: Optical and Quantum Electronics 22 (1990), 81-822. 6. M.Senita, Sh. Kimura, Induced Emission Cross Cross Section of the Nd3+: Y3Al5O12 grown by floating zone method: J.Appl. Phys. 54 (6), June 1983, р. 3415 - 3421. 
(71) Заявитель(и): Физический институт им.П.Н.Лебедева РАН 
(72) Автор(ы): Бурцев А.В.; Крупенников А.А.; Сенатский Ю.В. 
(73) Патентообладатель(и): Физический институт им.П.Н.Лебедева РАН 

(54) СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИНВЕРСИИ В АКТИВНОМ ЭЛЕМЕНТЕ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА 

Использование: изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при работе с твердотельными лазерами, применяемыми в лазерной технологии, лазерной связи, научных исследованиях, в установках, разрабатываемых по программе лазерного термоядерного синтеза. Сущность: Способ формирования заключается в следующем: используется активный элемент с температурным градиентом в нем, производится селективное по длине волны возбуждение излучением ионов активатора так, что переходы на уровни накачки с энергией jн и затем на метастабильный уровень с энергией m совершают только ионы, находящиеся только на возбужденном уровне i с энергией 0 < i< m . При этом интенсивность накачки 1н поддерживают на определенном уровне; среднюю по сечению активного элемента температуру поддерживают также на определенном уровне. 2 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при работе с твердотельными лазерами, применяемыми в лазерной технологии, лазерной связи, научных исследованиях, в лазерных установках, разрабатываемых по программе лазерного термоядерного синтеза.

Известен традиционный способ формирования распределения инверсии в активном элементе твердотельного лазера, заключающийся в возбуждении (накачке) объема активной среды через ее поверхность излучением оптического диапазона длин волн (ближнего инфракрасного, видимого и ближнего ультрафиолетового диапазона длин волн), с интенсивностью, обеспечивающей создание инверсной населенности ионов активатора на метастабильном (верхнем лазерном) уровне по отношению к нижележащему (нижнему лазерному) уровню. В способе, описанном в работе [1] источником накачки с интенсивностью -104Вт/см2 служат импульсные газоразрядные лампы, а активный элемент из неодимового стекла выполнен в виде параллелепипеда (плиты, слэба) длиной 72 см и сечением 424 см. В способе, описанном в работе [2] источником накачки служат батареи полупроводниковых лазерных диодов, излучающих с интенсивностью на длине волн около 800 нм, а активные элементы выполнены в виде дисков (плит) из неодимового стекла или лазерных кристаллов прямоугольного сечения с толщиной до 2 см, рассчитанных на распространение лазерного пучка с поперечным сечением до 4040 см. В рассматриваемых способах [1 и 2] излучение импульсной лампы в широком спектральном диапазоне или лазерное излучение, настроенное на полосу поглощения ионов активатора, возбуждает ионы, находящиеся преимущественно в основном энергетическом состоянии с энергией уровня 0. Эти ионы переходят на вышележащие энергетические уровни (уровни накачки), и затем накапливаются на метастабильном уровне с энергией e = m в количестве, обеспечивающем инвертную населенность в среде. При этих переходах ионов в активной среде также выделяется тепло. При накачке активного элемента в виде плоского слоя толщиной d излучением накачки с близким к равномерному распределением интенсивности на поверхности среды для профиля инверсии в активном элементе характерен максимум на поверхности слоя и спад инверсии вглубь слоя [1 и 2] При симметричном двустороннем облучении слоя (плоского активного элемента типа лазерного диска, плиты, слэба) максимум инверсии формируется у обеих поверхностей слоя, а на глубине d/2 образуется минимум инверсии [1 и 2] При однократных импульсах накачки [1] распределение выделившегося в активном элементе тепла подобно распределению инверсии [1] В то же время для частотно-импульсного или непрерывного режимов работы источника накачки с принудительным охлаждением активного элемента через поверхность характерны прочили температуры с минимумами на поверхности и максимумом в глубине среды с характерными перепадами температуры 100oK/см и выше [2, 3]

Основным недостатком рассматриваемых способов является концентрация инверсии (запасенной активной средой энергии) в приповерхностных областях активного элемента. Такая концентрация связана с тем, что при обычно применяемых для накачки умеренных интенсивностях излучения In104 вт/см2, активная среда не просветляется, и интенсивность накачки спадает в среде экспоненциально:

I(d) = Iнexp(-d), (1)

где

усредненный по спектру накачки и обычно не зависящий от интенсивности и от координаты d коэффициент поглощения излучения накачки для переходов ионов активизатора из основного энергетического состояния на вышележащие энергетические уровни накачки. Приповерхностная концентрация инверсии способствует росту потерь в активном элементе лазера на паразитную генерацию и суперлюминесценцию, способствует возникновению разрушений в среде в местах повышенной концентрации энергии, препятствуя тем самым эффективному съему запасенной энергии со всего объема активной среды и формированию лазерного пучка с близким к равномерному распределению интенсивности излучения. Соотношение (1) ограничивает также при традиционных способах накачки возможность прокачки толстых слоев активных сред и применение в лазерах сред с высокой концентрацией ионов активатора.

Наиболее близким к изобретению является способ формирования распределения инверсии путем накачки активного элемента из кристалла YAG:Nd3+ с прямоугольным поперечным сечением (слэба) с размерами 0,4х1,8х9 см в режиме повторяющихся с частотой до 3500 Гц импульсов излучением матриц полупроводниковых лазерных диодов с принудительным охлаждением, описанный в работе [4] Накачка слэба осуществлялась через полированные боковые грани с размерами 1.8х9 см на длине волны импульсами длительностью 100 мкс при интенсивности накачки 250 Вт/см2. Охлаждение слэба производится водой со стороны боковых граней.

В осуществлении в работе [4] способе лазерной накачкой возбуждаются ионы Nd3+ в гранате, находящиеся в основном энергетическом состоянии. При такой накачке неизбежно возникают максимумы инверсии на поверхности слэба, а принудительное охлаждение слэба приводит к формированию профиля температуры с минимумом на поверхности и максимумом в глубине слэба. Следствием неоднородного распределения инверсии по слэбу является необходимость усложнения оптической схемы лазера. Для улучшения распределения интенсивности в лазерном пучке в работе [4] применяется зигзагообразный ход лучей лазера внутри слэба. Это приводит к усложнению оптической схемы лазера и удорожанию самого активного элемента, все грани которого должна быть изготовлены с интерферометрической точностью. Из-за высокого поглощения излучения накачки в кристалле YAG:Nd3+ толщина кристалла в работе [4] всего 0,4 см.

Техническая задача изобретения управление профилем распределения инверсии в активной среде твердотельного лазера, в т ом числе предотвращение характерной для многих типов активных элементов (и нежелательной при эксплуатации) концентрации запасенной энергии в периферийных (приповерхностных) частях объема среды и, тем самым, повышение однородности распределения инверсии. Способ формирования включает накачку излучением оптического диапазона длин волн ионов активатора в активном элементе на метастабильный уровень с интенсивностью, обеспечивающей инверсную населенность на этом уровне при температурном градиенте в активном элементе.

При этом производят накачку ионов активатора, находящихся на одном из энергетических уровней i с энергией 0 < i< m излучением с длиной волны и шириной спектра ij соответствующей ширине спектра поглощения ионов на переходе i-j с интенсивностью Iн< Iпросв(ij) а среднюю по сечению активного элемента температуру Tср поддерживают возможно ближе к температуре Tiопт но не выше Tiкр.

Здесь и ниже в тексте и на фигурах приняты следующие обозначения:

i, j индексы энергетических уровней ионов активатора,

j энергия уровня с индексом i;

м энергия метастабильности уровня;

jн энергия уровня накачки с индексом j;

ij длина волны накачки для перехода иона между уровнями i и j.

Iн интенсивность накачки.

интенсивность просветления среды по переходу i-j;

время релаксации метастабильного уровня;

sij сечение перехода i-j;

средняя по сечению температура активного элемента.

Tiопт оптимальная для уровня с энергией i рабочая температура, соответствующая точке перегиба зависимости населенности уровня N, от температуры T, 

ij= ijNi коэффициент поглощения излучения на переходе i-j.

T' температура плавления (для кристалла) или размягчения (для стекла).

Tiкр температура, соответствующая максимуму зависимости N1(T), 

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Накачка активной среды твердотельного лазера осуществляется излучением на одной из длин волн ij в оптическом диапазоне с одного из уровней i с энергией i> 0 на один из уровней накачки j. Населенность i-го уровня Ni описывается распределением Больцмана



k постоянная Больцмана, N концентрация ионов активатора. Для ионов, находящихся на уровнях выше основного с ростом температуры в активном элементе населенность Ni увеличивается, зависимость Ni(T) проходит точку перегиба Tiопт где затем, при некотором температуре Tiкр > Tiопт населенность Ni может для некоторых уровней достигать максимума, то есть после чего Ni начинает уменьшаться. С ростом температуры при T < Tiкр вместе с Ni возрастает и коэффициент поглощения излучения накачки ij Следовательно, при градиенте температуры в активном элементе при накачке ионов активатора не с основного (i= 0) а с возбужденных уровней (i> 0) распределение поглощенной в среде энергии (а значит и инверсная населенность) будет отслеживать температурный профиль. Это обеспечивает, например, при наличии максимума температуры в глубине образца, предотвращение спада инверсии с глубиной, выравнивание распределения инверсии по образцу и даже и формирование профилей инверсии с максимумами в глубине образца. Наибольшую чувствительность зависимость ij от температуры имеет вблизи Tiопт, поэтому именно при Tср~ Tiопт наиболее полно реализуются возможность управления распределением инверсии.

Считается, что для предотвращения деформаций и повреждений активного момента при нагреве, максимальная температура лазерного диска (плиты) не должна превосходить 0,3T', а перепад температур 0,1 T' [2] Для неодимового стекла T' 500oC, а для кристалла граната T' 1900oC. В представляющем с этой точки зрения практический интерес диапазоне температур активной среды o<T<1000K температуры Tiопт достигаются для уровней ионов с энергиями 0 < i< 1000 см-1 а температуры Tiкр достигаются только для уровней с энергиями 0 < i< 200 см-1

Требование Iн<I объясняется тем, что при потоках Iн Iпросв распределение инверсии в среде в значительной степени определяется эффектом просветления среды [5] который "смазывает" изменения в профиле инверсии, связанные с тепловым градиентом и селективной накачкой.

Предлагаемый способ рассмотрен в следующих двух примерах с идентичной геометрией накачки: активный элемент, выполненный в виде плиты из кристалла YAG:Nd3+ с повышенной концентрацией неодима (1,41020 см-1 [6]) с прямоугольным поперечным сечением при толщине 1,5 см и с размерами боковых граней 1015 см, возбуждался симметрично через эти грани лазерным излучением.

Пример 1. Температура боковой поверхности поддерживается равной 300 К. Накачка производится излучением с длиной волны 762 нм, что соответствует переходу между 4-й штарковской компонентой уровня 4I11/2 с энергией 311 см-1 и штарковской компонентой уровня 4F7/2 + 4S3/2 с энергией 13428 см-1. Спектральная ширина перехода сечение ij= 0,5310-19 см2 [6] Используется частотно-импульсный режим, с плотностью энергии излучения накачки 0,56 Дж/см2, длительностью импульса 10-4с при частоте повторения 250 Гц. Путем моделирования получены следующие результаты: температура в центре образца 390 K, средняя плотность запасенной энергии 0,55 Дж/см3, при этом неоднородность профиля инверсии, определяемая по формуле = (Wmax-Wmin)/(Wmax+Wmin) составила 1,4% фиг.1. Доля поглощенной в образце энергии накачки составляет 75% При накачке с основного уровня и при сохранении оптической толщины активного элемента (поглощение 75%) неоднородность профиля инверсии составляет 17%

В данном примере Tiопт= 180K, Tiкр= 1800K, Tср 350oK, Tн 5кВт/см2, Iпросв 15кВт/см2 T 90 K < 0,1T',

Tср < 0,3T'

Пример 2. Температура боковой поверхности поддерживается равной 120oК. Накачка производится излучением с длиной волны 768 нм, что соответствует переходу между 3-й штарковской компонентой уровня 4I11/2 с энергией 200 см-1 и штарковской компонентой уровня 4F7/2 + 4S3/2 с энергией 13360 см-1. Спектральная ширина перехода сечение ij= 0,5310-19 см2. Используется частотно-импульсный режим, с плотностью энергии излучения накачки 0,3 Дж/см2, длительностью импульса 10-4с при частоте повторения 100 Гц. Путем моделирования получены следующие результаты: температура в центре образца 140oК, средняя плотность запасенной энергии 0,31 Дж/см3, при этом неоднородность профиля инверсии составила 1,6% фиг.2. Доля поглощенной в образце энергии накачки составляет 79% При накачке с основного уровня и при сохранении оптической толщины активного элемента (поглощение 79%) неоднородность профиля инверсии составляет 14%

В данном примере Tiопт= 110K, Tiкр= 1000K, Tср 130 K, Iн 3 кВт/см2, Iпросв 15 кВт/см2, T 20 K <0,1 T', Tср <0,3T'.

В одном из рассматриваемых примеров для кристалла граната с неодимом для получения оптимальных условий для формирования профиля инверсии потребовались низкие температуры Tср. Однако для других активированных кристаллов с ионами Nd3+, а также для лазерных стекол с неодимом реализуется иная конфигурация уровней возбуждения i и оказывается возможным применение заявляемого способа при температурах Tср 300 K и более. Своя область применения заявляемого способа существует и для других типов ионов активаторов. Необходимо отметить также, что для формирования профиля инверсии возможно применение накачки на 2 и более переходах i-j, а также использование нетрадиционной конфигурации активных элементов и геометрии накачки.

Следует также отметить, что для ионов, находящихся на основном (i= 0) уровне, с ростом температуры в активном элементе населенность N0 уменьшается. Эту зависимость N0(T) так же можно использовать для выравнивания профиля распределения инверсии, например задавая системой терморегуляции температурный минимум в глубине образца. Однако, возможности накачки с основного уровня затруднены низкими значениями Tiопт например, для а также меньшей чувствительностью зависимости коэффициента поглощения излучения накачки ij от температуры.

Температурный профиль с минимумом на поверхности активного элемента обычно реализуется при работе тверодотельных лазеров в частотно-импульсном или непрерывном режимах с охлаждением активных элементов через поверхность [2, 3] Реализация заявляемого способа в этих лазерах, как было показано в примерах, позволяет существенно улучшить однородность распределения инверсии в активных элементах таких лазеров. Расчеты показывают, что возникающие в активных элементах тепловые искажения (термические линзы и двулучепреломление) при реализации предлагаемого способа по порядку величины соответствуют обычно наблюдаемым в твердотельных лазерах тепловым искажениям и не являются препятствием для реализации режима генерации и усиления лазерного излучения. Температурные перепады, возникающие при реализации способа, не превосходят также уровня, характерного для теплового разрушения активных элементов.

Описанный способ может быть использован в твердотельных лазерах, работающих и в однократном режиме. В последнем случае для создания нужного температурного профиля в активном элементе может быть использован дополнительный источник подогрева.

Литература.

1. "Исследование инверсии в усилительном модуле на активном элементе с прямоугольным сечением" М.Е. Бродов, Н.И. Гаврилов, П.И. Ивашкин и др. Квантовая Электроника, 5, N 56 1072-1076 (1978)

2. "Conceptual Desing Studies of a Laser Diode Pumped Solid State Laser System for the Laer Fusion Reactor Driver" K. Natio, M. Yamanaka, M. Nakatsuka, et. al. Jpn. J. Appl. Phys. Vol 31 (1992) pp. 259-273, Part 1, No 2a, February 1992д 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



1. Способ формирования распределения инверсии в активном элементе твердотельного лазера, включающий накачку излучением ближнего инфракрасного, видимого или ближнего ультрафиолетового диапазона длин волн на метастабильный уровень ионов активатора при наличии температурного градиента в активном элементе, отличающийся тем, что ионы активатора, находящиеся на одном из энергетических уровней i с энергией 0 < i< m накачивают излучением с длиной волны



с интенсивностью Iн< Iпросв(ij),

при средней температуре активного элемента Tcp< Tiкр,

i,j индексы энергетических уровней ионов активатора;

i - энергия уровня с индексом i;

м - энергия метастабильного уровня;

jн - энергия уровня накачки с индексом j;

ij - длина волны накачки для перехода иона между уровнями i и j;

Iн интенсивность накачки;

интенсивность просветления среды по переходу i-j;

- время релаксации метастабильного уровня;

ij - сечение перехода i-j;

средняя по сечению температура активного элемента;

Iiкр - температура, соответствующая максимуму зависимости

о


ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к лазерным квантовым генераторам, а именно лазеры и лазерное оборудование:

- твердотельные полупроводниковые лазеры

- газовые лазеры

- химические лазеры

- практическое применение в промышленности, науке и в быту газовых, твердотельных и химических лазеров.


Лазеры. Лазерное оборудование






СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+газовый -лазер".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "лазер" будут найдены слова "лазеры", "лазерный" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("лазер!").



Рейтинг@Mail.ru