Особливості кільцевих твердотільних чіп-лазерів

Можливість одержання досить стабільної одночастотної генерації в лінійних чіп-лазерах обмежена властивим їм просторово-неоднорідним «випалюванням» інверсії в процесі генерації. Тому для одержання стабільної одночастотної генерації найбільш перспективним є використання кільцевих лазерів біжучої хвилі.

По своїй конструкції кільцеві лазери біжучої хвилі можна розділити на три групи: традиційні кільцеві лазери, що складаються з дискретних елементів, монолітні й напівмонолітні кільцеві чіп-лазери.

У лазерах першої групи дзеркала резонатора виконані, як правило, у вигляді окремих елементів, а в якості невзаємного обертача площини поляризації часто застосовується сам активний елемент. Взаємне обертання площини поляризації в кільцевих лазерах може бути отримане при використанні неплоского резонатора. Недоліком кільцевих лазерів, що складаються з дискретних елементів, є їхня невисока стабільність (відносна нестабільність інтенсивності випромінювання становить ~ 1%, а частоти - 10^-8), обумовлена недостатньою твердістю конструкції цих лазерів.

З погляду максимальної стабільності кращі характеристики має монолітна конструкція чіп-лазера. Монолітний кільцевий чіп-лазер являє собою складну багатогранну призму (рис. 3.3), вирізану з оптично однорідного монокристала (найчастіше з YAG:Nd). У цьому лазері функції активного середовища, взаємного й невзаємного обертача і оптичного резонатора виконує той самий елемент, конфігурація якого обрана такою, щоб існування кільцевого (плоского або неплоского) резонатора забезпечувалося повними внутрішніми відбиттями від граней елемента й частково проникним дзеркалом, нанесеним на одну з його граней. Для стійкості резонатора одна із граней призми має сферичну поверхню, на яку нанесене селективне дзеркало з високим коефіцієнтом відбиття на довжині хвилі генерації й високою прозорістю на частоті накачування. Збудження чіп-лазера здійснюється саме через це дзеркало.

Кільцеві ЧТЛНН являють собою джерело лазерного випромінювання, основний режим генерації якого реалізується у вигляді біжучої хвилі. Монолітний кільцевий ЧТЛНН являє собою інтегральний елемент, що сполучає функції активного елемента, кільцевого резонатора й невзаємного елемента. АЕ лазера виконується з високоякісного, без локальних неоднорідностей, монокристала YAG:Nd³⁺, або іншої активної речовини. Резонатором кільцевого ЧТЛНН є форма активного елемента у вигляді складної багатогранної призми.

1 - активне середовище чіп-лазера YAG:Nd³ ; 2 - колімуюча оптика; 3 - кристал КТР; 4 - кювети з йодом; 5 - напівпровідниковий лазер з довжиною хвилі випромінювання 808 нм.

Рисунок 3.3 - Спрощена оптична схема монолітного твердотільного чіп-лазера з напівпровідниковим накачуванням

Монолітний кільцевий чіп-лазер фактично являє собою інтегральний елемент, що сполучає функції АЕ, кільцевого резонатора й невзаємного елемента. Такий інтегральний елемент виконується з високоякісного монокристала YAG:Nd³⁺ (або інша активна речовини) у вигляді складної багатогранної призми й збуджується, як правило, за допомогою напівпровідникового лазера (НЛ).

Основні конструкції резонаторів, у яких реалізуються схеми кільцевих ЧТЛНН - плоскі й просторові багатогранні призми. Конфігурація багатогранної призми забезпечує (за рахунок повного внутрішнього відбиття) існування усередині моноблока замкнутого контуру для світлових променів. Поряд зі схемами, у яких променевий контур лежить в одній площині (плоский кільцевий резонатор, див. рим. 3.4 б), існують кільцеві ЧТЛНН із неплоскими резонаторами (рис. 3.4а, в).

а) промені, що поширюються у резонаторі лежать в одній площині

б) в) промені, що поширюються у резонаторі, лежать у декількох площинах

Рисунок 3.4 - Конструкції АЕ кільцевих ЧТЛНН

Збудження АЕ кільцевого чіп-лазера проводиться випромінюванням НЛ, що фокусується мікрооб'єктивом на сферичну поверхню АЕ так, щоб забезпечити максимальне перекриття каустик промення накачування й основної моди кільцевого резонатора. Для точного сполучення довжини хвилі накачування з лінією поглинання граната (λ=809 нм) використовується температурне підстроювання частоти випромінювання НЛ за допомогою мікрохолодильника. Реалізація режиму біжучої хвилі у кільцевому лазері здійснюється за допомогою ефекту Фарадея в АЕ (магнітне поле створюється постійним мікромагнітом, що поміщають безпосередньо на АЕ).

Для забезпечення високої добротності резонатора лазера, формування поля випромінювання, що генерується, а також для забезпечення ефективної взаємодії випромінювання накачування з активним середовищем, поверхні активного елемента, що грають роль дзеркал резонатора, покриваються відбиваючими і просвітлюючими багатошаровими діелектричними покриттями.

Загальний підхід у формуванні діелектричних покриттів побудований на наступних вимогах. Торцеві поверхні активного елемента, з однієї сторони виконують функції дзеркал резонатора, а з іншої сторони забезпечують ефективне введення випромінювання накачування в резонатор. Передня грань активного елемента являє собою дихроїчне дзеркало, що утворено багатошаровим діелектричним покриттям. На довжині хвилі генерації (для YAG:Nd^{3 +} це 1,06 мкм), це дзеркалоє «глухим», тобто звисоким коефіцієнтом відбиття (99,9 %), а на довжині хвилі накачування (0,809 мкм) напилювання на дзеркалі представляє собою просвітлююче покриття, що дозволяє ефективно вводити випромінювання накачування в активний елемент (рис. 3.5).

Тому при розробці й створенні ефективного монолітного лінійного ЧТЛНН необхідно виконувати наступну послідовність розрахунків:

Контрольні запитання за темою лекції

1. Приведіть умові використання активних середовищ у твердотільних чіп-лазерах

2. Назвіть особливості лінійного чіп лазера

3. Назвіть особливості кільцевого чіп лазера

4 Визначити розміри резонатора, ґрунтуючись на смузі посилення й коефіцієнті поглинання обраного активного елемента

5. Вибрати конфігурацію резонатора й розрахувати каустику основної моди резонатора

6 Розрахувати оптичну систему для формування пучка накачування