RU192951U1

RU192951U1 - HIGH-BRIGHTNESS SOLID LASER WITH CONTROLLED SPECTRAL PROPERTIES

Info

Publication number: RU192951U1
Application number: RU2018143794U
Authority: RU
Inventors: Евгений Эдуардович Попов; Иван Сергеевич Хахалин; Анастасия Павловна Погода; Анатолий Сергеевич Борейшо
Priority date: 2018-12-10
Filing date: 2018-12-10
Publication date: 2019-10-08

Abstract

Полезная модель относится к лазерной технике. Твердотельный лазер высокой яркости с управляемыми спектральными свойствами состоит из активного элемента, накачки, самонакачивающихся ОВФ-зеркал, статической решетки Брэгга в виде объемной голограммы, записанной в фоторефрактивном кристалле ниобата лития толщиной 2 мм с возможностью поворота решетки в пределах угла от 0,405 радиан до 0,675 радиан относительно оптической оси. Опорное зеркало выполнено с возможностью поворота на заданный угол. Технический результат заключается в обеспечении возможности повышения спектральной яркости и перестройки излучения по длине волны. 1 ил.The utility model relates to laser technology. A high-brightness solid-state laser with controlled spectral properties consists of an active element, pumping, self-pumping phase conjugate mirrors, a static Bragg grating in the form of a volume hologram recorded in a 2 mm thick photorefractive lithium niobate crystal with the possibility of rotation of the grating within an angle from 0.405 radians to 0.675 radians relative to the optical axis. The reference mirror is made with the possibility of rotation at a given angle. The technical result consists in providing the possibility of increasing the spectral brightness and tuning the radiation along the wavelength. 1 ill.

Description

Предлагаемое в качестве полезной модели техническое решение относится к области генераторов когерентного оптического излучения в оптическом диапазоне длин волн, а именно к твердотельным лазерам, и может быть использовано для получения излучения с высокой пространственной и спектральной яркостью излучения, что востребовано в системах передачи информации. В данных системах востребованы как высокая яркость, которая может обеспечить увеличение дистанции, так и перестройка длины волны, с целью расширения области его применения.The technical solution proposed as a useful model relates to the field of coherent optical radiation generators in the optical wavelength range, namely, solid-state lasers, and can be used to produce radiation with high spatial and spectral brightness of radiation, which is in demand in information transmission systems. In these systems, both high brightness, which can provide an increase in the distance, and the restructuring of the wavelength, in order to expand its field of application, are in demand.

Данные устройства могут найти свое применение в системах передачи информации со спектральным уплотнением каналов, лидарах дифференциального поглощения, и прочих системах, где к источникам излучения предъявляются требования по большой длине когерентности, и высокой спектральной яркости излучения, с возможностью управления центральной длиной волной излучения.These devices can be used in information transmission systems with spectral multiplexing of channels, differential absorption lidars, and other systems where radiation sources are required to have a long coherence length and a high spectral brightness of radiation, with the possibility of controlling the central radiation wavelength.

Из уровня техники известен способ управления спектром выходного излучения при помощи статических решеток Брэгга [Патент US №7298771]. Сужение спектра излучения достигается путем увеличения толщины статической решетки Брэгга.The prior art method for controlling the spectrum of the output radiation using static Bragg gratings [US Patent No. 7298771]. The narrowing of the emission spectrum is achieved by increasing the thickness of the static Bragg grating.

Однако из публикаций в данной сфере (Когельник, X. Теория связанных волн для голографических решеток // Bell Syst. Techn. J. - 1969. - 48(9). - P. 2924) известно, что с ростом спектральной селективности статической решетки Брэгга растет и угловая селективность, что является существенным недостатком конструкций таких устройств, так как это приводит к падению производительности лазера за счет уменьшения апертуры пучка, и уменьшения объема активной среды, участвующей в усилении.However, from publications in this field (Kogelnik, X. The theory of coupled waves for holographic gratings // Bell Syst. Techn. J. - 1969. - 48 (9). - P. 2924) it is known that with increasing spectral selectivity of the static Bragg grating the angular selectivity also increases, which is a significant drawback of the designs of such devices, since this leads to a decrease in the laser productivity due to a decrease in the aperture of the beam and a decrease in the volume of the active medium involved in amplification.

Анализ уровня техники показывает, что известные оптические системы позволяют повышать производительность лазера, однако не допускают возможность перестройки излучения по длине волны.An analysis of the prior art shows that the known optical systems can increase the productivity of the laser, but do not allow the possibility of tuning the radiation along the wavelength.

Из существующего уровня техники известна конструкция лазера по патенту RU №2572659. Данный лазер состоит из активного элемента, накачки, зеркал, вентиля Фарадея, и самонакачивающихся ОВФ-зеркал (зеркало обращения волнового фронта), отличительным признаком этого лазера является то, что лазерная система снабжена системой поворотных зеркал, установленных с возможностью образования, по меньшей мере, еще одной дополнительной петли излучения. Это позволяет осуществить снижение порога генерации за счет динамической обратной связи. Лазеры на петлевых резонаторах реализуют высокую яркость посредством самонакачиающихся ОВФ-зеркал. Самонакачивающееся ОВФ-зеркало обладает определенной спектральной селективностью, порядка ~10² МГц. За счет внесения дополнительных потерь для продольных мод вне полосы пропускания самонакачивающегося ОВФ-зеркала выходной спектр излучения сужается. Однако согласно работе [Горбунова И.А., Поташин С.О., Погода А.П., Федин А.В., Иванов С.В., Никоноров Н.В. Спектральные свойства излучения лазера со статической брэгговской и динамической внутрирезонаторной решетками [Текст] / Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии, геоэкологии и транспорте - 2016 Труды XXIV Международной конференции - 2016 - С. 53-54.], данная узкая полоса перемещается случайным образом в пределах полосы усиления активной среды, которая составляет порядка ~10⁴ МГц, таким образом, реализация самонакачивающегося ОВФ-зеркала позволяет сузить спектр, но не позволяет его локализовать в определенной области, что является существенным недостатком.The prior art laser design according to patent RU No. 2572659 is known. This laser consists of an active element, a pump, mirrors, a Faraday valve, and self-pumping phase-conjugate mirrors (a wavefront reversal mirror), a distinctive feature of this laser is that the laser system is equipped with a system of rotary mirrors installed with the possibility of at least another additional radiation loop. This makes it possible to lower the generation threshold due to dynamic feedback. Loop resonator lasers realize high brightness through self-pumping phase conjugation mirrors. A self-pumping phase conjugation mirror has a certain spectral selectivity of the order of ~ 10 ² MHz. Due to the introduction of additional losses for the longitudinal modes outside the passband of the self-pumping phase-conjugate mirror, the output radiation spectrum is narrowed. However, according to the work [Gorbunova I.A., Potashin S.O., Weather A.P., Fedin A.V., Ivanov S.V., Nikonorov N.V. Spectral properties of laser radiation with static Bragg and dynamic intracavity gratings [Text] / Laser-information technologies in medicine, biology, geoecology and transport - 2016 Proceedings of the XXIV International Conference - 2016 - P. 53-54.], This narrow band moves randomly within the gain band of the active medium, which is of the order of ~ 10 ⁴ MHz, thus, the implementation of a self-pumping phase-conjugate mirror allows the spectrum to be narrowed, but it cannot be localized in a certain region, which is essentially natural disadvantage.

Недостатком данного технического решения является низкое значение усиления, дополнительное диафрагмирование на вентиле Фарадея, что так же отрицательно сказывается на объеме активной среды, участвующей в усилении. Данные факторы в сумме негативно сказываются на производительности лазера. Кроме того существенным недостатком приведенного лазера является невозможность перестройки длины волны излучения, что существенно снижает применимость данного изобретения.The disadvantage of this technical solution is the low gain value, additional diaphragm on the Faraday valve, which also negatively affects the volume of the active medium involved in amplification. These factors in total negatively affect the performance of the laser. In addition, a significant disadvantage of this laser is the impossibility of tuning the radiation wavelength, which significantly reduces the applicability of this invention.

Задачей заявляемой полезной модели является разработка конструкции регулируемого твердотельного лазера, обладающего повышенной яркостью и возможностью перестройки длины волны.The objective of the claimed utility model is to develop the design of an adjustable solid state laser with increased brightness and the ability to tune the wavelength.

Задача полезной модели достигается с применением в конструкции твердотельного лазера петлевого резонатора, в котором в качестве одного из зеркал использована статическая решетка Брэгга, установленного на поворотной системе, в сочетании с опорным зеркалом установленном в поворотной системе.The objective of the utility model is achieved using a loop resonator in the design of a solid-state laser, in which one of the mirrors uses a static Bragg grating mounted on a rotary system, in combination with a reference mirror installed in a rotary system.

Представленное полезная модель представляет собой перестраиваемый по длине волны лазер высокой яркости, с петлевым резонатором, который имеет поперечную накачку линейками матриц диодов и статическую решетку Брэгга.The presented utility model is a high-brightness tunable wavelength laser with a loop resonator, which is transversely pumped by arrays of diode arrays and a static Bragg grating.

Разработанная полезная модель поясняется приведенной на фиг. 1 схемой.The developed utility model is illustrated in FIG. 1 circuit.

Заявляемое устройство - лазер, внутри которого петлевой резонатор содержащий в комплексной связи друг с другом следующие элементы: активный вещество лазера (1), линейки матриц диодов накачки (2), опорное зеркало (3), статическая решетка Брэгга (4), зеркала (5). Зеркала (5), закрепленные в кинематических держателях (6), выполненных с возможностью юстировки, опорное зеркало (3), закреплено в поворотной системе опорного зеркала (7), статическая решетка Брэгга (4), закреплена в поворотной системе статической решетки Брэгга (8). Для сохранения высокого качества выходного излучения толщина статической решетки Брэгга подбирается так, чтобы сужать спектр угловой селективности не более чем на 0,03 нм. Использование статической решетки Брэгга сужает окно в спектре излучения, в котором случайным образом перемещается контур спектральной селекции динамической решетки коэффициента усиления. Перестройка по длине излучения в пределах полосы усиления осуществляется посредством изменения угла падения излучения на статическую решетку Брэгга.The inventive device is a laser, inside which a loop resonator containing in complex communication with each other the following elements: the active substance of the laser (1), a line of matrices of pump diodes (2), a reference mirror (3), a static Bragg grating (4), mirrors (5 ) Mirrors (5), fixed in kinematic holders (6), made with the possibility of adjustment, the reference mirror (3), is fixed in the rotary system of the reference mirror (7), the static Bragg grating (4), is fixed in the rotary system of the static Bragg grating (8 ) To maintain the high quality of the output radiation, the thickness of the static Bragg grating is selected so as to narrow the spectrum of angular selectivity by no more than 0.03 nm. Using a static Bragg grating narrows the window in the radiation spectrum, in which the spectral selection contour of the dynamic gain grating is randomly moved. Tuning along the length of the radiation within the gain band is carried out by changing the angle of incidence of the radiation on the static Bragg grating.

Поворотная система опорного зеркала (7) относительно статической решетки Брэгга (4) необходима для обеспечения одного заданного оптического пути для разных длин волн генерируемого излучения и представляет собой оправу опорного зеркала (9), закрепленную на вращающимся основании (10) с возможностью регулирования вращения зеркала по углу. Поскольку закон Брэгга ставит в соответствие каждой длине волны свой угол дифракции, то при вращении статической решетки Брэгга (5) внутри петлевого резонатора, оптический путь луча, определяемый положением всех зеркал (5) даст возможность для генерации только излучения в диапазоне длин волн соответствующим максимуму эффективности статической решетки Брэгга (4), составляющим не более 0,02 нм, в то время как вращение статической решетки Брэгга (4) не будет приводить к перестройке длине волны, но будет негативно влиять на интенсивность дифрагированного излучения, что показано в работе [Горбунова И.А., Поташин С.О., Погода А.П., Федин А.В., Иванов С.В., Никоноров Н.В. Спектральные свойства излучения лазера со статической брэгговской и динамической внутрирезонаторной решетками [Текст] / Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии, геоэкологии и транспорте - 2016 Труды XXIV Международной конференции - 2016 - С. 53-54.]. Поворот опорного зеркала (3), относительно статической решетки Брэгга (4) обеспечивает изменение траектории луча, что позволяет осуществить перестройку длины волны вращением статической решетки Брэгга (4). Поворотная система статической решетки Брэгга (8) состоит из оправы решетки (11), и вращающегося основания (12). Вращение статической решетки Брэгга (4) компенсируется вращением опорного зеркала (3) так, что бы луч между статической решеткой Брэгга (4) и одним из зеркал (5) распространялся по той же траектории, что и до вращения статической решетки Брэгга (4).The rotary system of the reference mirror (7) relative to the static Bragg grating (4) is necessary to provide one given optical path for different wavelengths of the generated radiation and is a frame of the reference mirror (9), mounted on a rotating base (10) with the possibility of controlling the rotation of the mirror the corner. Since Bragg's law associates each diffraction angle with each wavelength, when rotating the static Bragg grating (5) inside the loop resonator, the optical path of the beam, determined by the position of all mirrors (5), makes it possible to generate only radiation in the wavelength range corresponding to the maximum efficiency of the static Bragg grating (4), constituting no more than 0.02 nm, while rotation of the static Bragg grating (4) will not lead to a wavelength tuning, but will adversely affect the diffraction intensity emission, as shown in [Gorbunova I.A., Potashin S.O., Weather A.P., Fedin A.V., Ivanov S.V., Nikonorov N.V. Spectral properties of laser radiation with static Bragg and dynamic intracavity gratings [Text] / Laser-information technologies in medicine, biology, geoecology and transport - 2016 Proceedings of the XXIV International Conference - 2016 - P. 53-54.]. The rotation of the reference mirror (3) relative to the static Bragg grating (4) provides a change in the beam path, which allows the wavelength to be tuned by rotating the static Bragg grating (4). The rotary system of the static Bragg grating (8) consists of a grating frame (11), and a rotating base (12). The rotation of the static Bragg grating (4) is compensated by the rotation of the reference mirror (3) so that the beam between the static Bragg grating (4) and one of the mirrors (5) propagates along the same path as before the rotation of the static Bragg grating (4).

Определим в каком диапазоне углов должна работать статическая решетка Брегга. Примем для уменьшения влияния диафрагмирования решеткой внутрирезонаторного луча угловую селективность решетки (В) 0,1 м.рад., толщину решетки: 2 мм. тогда период решетки (А) находится по формуле (1), и составит 0,8 мкм.Let us determine in which range of angles the Bragg static lattice should work. To reduce the effect of diaphragming by the grating of an intracavity beam, we take the angular selectivity of the grating (B) 0.1 mrad., The thickness of the grating: 2 mm. then the lattice period (A) is found by the formula (1), and will be 0.8 μm.

Где:Where:

∧ - период решетки∧ - lattice period

d - толщина решеткиd - grating thickness

В - угловая селективностьB - angular selectivity

Для определения диапазона углов, в котором работает решетка воспользуемся соотношением (2).To determine the range of angles in which the lattice operates, we use relation (2).

Где:Where:

θ - угол скольжения падающего на решетку лучаθ is the angle of slip of the beam incident on the grating

λ - длина волны излученияλ is the radiation wavelength

n - показатель преломления материала, в котором записана решеткаn is the refractive index of the material in which the lattice is recorded

∧ - период решетки∧ - lattice period

Ограничим диапазон длин волн от 700 нм. до 1150 нм. В выбранном для предпочтительного исполнения материале - ниобате лития по известному соотношению найдем зависимость показателя преломления от длины волны.Limit the wavelength range from 700 nm. up to 1150 nm. In the material selected for the preferred embodiment, lithium niobate, according to the known ratio, we find the dependence of the refractive index on the wavelength.

Теперь по соотношению (2) определим, что изменение угла скольжения для перестройки длины волны излучения в пределах от 700 до 1150 нм. должно составлять 0,27 рад. от 0,405 рад. до 0,675 рад. Стоит заметить, что приведенные параметры решетки являются примером исполнения, и могут быть изменены для других условий.Now, using relation (2), we determine that the change in the slip angle for tuning the radiation wavelength in the range from 700 to 1150 nm. should be 0.27 rad. from 0.405 rad. up to 0.675 rad. It is worth noting that the given lattice parameters are an example of execution, and can be changed for other conditions.

Устройство работает следующим образом: матрицы накачки (3) излучают свет, который попадает на активную среду лазера (2). Формируется лазерное излучение на оптической оси. Лучи излучения, отраженные от зеркал, и статической решетки Брэгга, пересекаясь, формируют интерференционную картину. В областях максимума интерференционной картины коэффициент усиления активной среды отличен от областей с минимумом интерференционной картины. Данные области формируют самонакачивающиеся ОВФ-зеркала. Данные самонакачивающиеся ОВФ зеркала позволяют осуществлять когерентное сложение пучков, а значит, повышается эффективность лазера. Расположенная внутри резонатора статическая решетка Брэгга (3), записанная в фоторефрактивном кристалле, например, ниобате лития толщиной 2 мм, с периодом решетки 0,8 мкм. устанавливается под углом от 0,405 до 0,675 радиан к оптической оси, чтобы выполнять условие Брэгга для диапазона длин волн от 700 нм до 1150 нм.The device operates as follows: pump matrices (3) emit light that enters the active medium of the laser (2). Laser radiation is generated on the optical axis. The rays of radiation reflected from the mirrors and the static Bragg grating, intersecting, form an interference pattern. In the regions of the maximum of the interference pattern, the gain of the active medium is different from the regions with the minimum of the interference pattern. These areas form self-pumping phase conjugation mirrors. These self-pumping phase conjugation mirrors allow the coherent addition of beams, which means that the laser efficiency is increased. The static Bragg grating (3) located inside the resonator is recorded in a photorefractive crystal, for example, lithium niobate 2 mm thick, with a grating period of 0.8 μm. it is set at an angle from 0.405 to 0.675 radians to the optical axis in order to fulfill the Bragg condition for the wavelength range from 700 nm to 1150 nm.

Предпочтительно в качестве активной среды лазера использовать в качестве активного вещества кристалл как с широкой полосой усиления, например, LISAF с шириной полосы усиления 150 нм, так и с узкой полосой усиления, например, Nd:YAG с шириной полосы усиления 2,5 нм. В качестве матриц накачки предпочтительно использовать линейки лазерных диодов, с длиной волны максимального поглощения излучения активной средой. Предпочтительно использовать диэлектрические широкополосные зеркала с коэффициентом отражения более 99,5%. Статическая решетка Брэгга в предпочтительном исполнении является объемной голограммой интерференционной картины двух плоских волновых фронтов, записанной в фоторефрактивном кристалле, толщиной 2 мм., к примеру ниобате лития.It is preferable to use as a laser active medium a crystal with both a wide gain band, for example, LISAF with a gain bandwidth of 150 nm, and a narrow gain band, for example, Nd: YAG with a gain bandwidth of 2.5 nm. As pump matrices, it is preferable to use a line of laser diodes with a wavelength of maximum absorption of radiation by the active medium. It is preferable to use dielectric broadband mirrors with a reflection coefficient of more than 99.5%. The preferred Bragg static grating is a volume hologram of the interference pattern of two plane wave fronts recorded in a photorefractive crystal 2 mm thick, for example lithium niobate.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение яркости твердотельного лазера с возможностью перестройки по длине волны.The technical result provided by the above set of features is to increase the brightness of a solid-state laser with the possibility of tuning along the wavelength.

Claims

High-brightness solid-state laser with controlled spectral properties, consisting of an active element, pump, swivel mirrors, Faraday valve, self-pumping phase-conjugate mirrors, characterized in that in addition to the existing circuit, a static Bragg grating is installed on the swivel base in the form of a volume hologram recorded in a photorefractive lithium niobate crystal 2 mm thick with the possibility of rotation of the lattice within an angle from 0.405 radians to 0.675 radians relative to the optical axis, and the reference mirror is turned to compensating the deviation from the predetermined beam path.