КВАНТРОН Российский патент 1997 года по МПК H01S3/09 

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в технологии обработки различных материалов.

Известен квантрон содержащий один активный элемент и одну лампу накачки (импульсную или непрерывную), расположенные в общем отражателе [1, 2] один активный элемент и 12 импульсных ламп накачки в едином отражателе [3] 3 активных элемента и одну импульсную лампу накачки в едином отражателе [4]
Наиболее близким техническим решением является квантрон, содержащий общий отражатель с активными элементами, одной импульсной лампой накачки и перегородками в виде диффузно рассеивающих прорезей между активными элементами, продольные оси которых параллельны [5]
Предлагаемое техническое решение отличается тем, что общий отражатель и отражающие перегородки образуют оптически связанные самостоятельные модули с коэффициентом оптической связи, определяемым из соотношения:

где К_{опт.св.ij} коэффициент оптической связи j-го модуля с i-м;
T(x,y,λ) спектральные коэффициенты пропускания элемента отражающей перегородки, изменяющиеся в диапазоне 0-1 за счет нанесения на перегородку отражающих покрытий или изготовления перегородок из оптических фильтров с соответствующим коэффициентом пропускания;
I(x,y,λ) спектральная интенсивность излучения накачки, падающего на поверхность отражающей перегородки со стороны i-го модуля;
P(λ) мгновенные значения мощности накачки в соответствующем спектре излучения;
а также тем, что в некоторых модулях лампы накачки непрерывные, а в остальных импульсные.

Наличие существенных от прототипа отличий доказывает соответствие данного технического решения критерию "новизна". Указанные отличия неизвестны из научно-технической и патентной литературы и поэтому предложение соответствует критерию "уровень техники".

Сущность предлагаемого изобретения отражена на фиг. 1 5, где представлены варианты выполнения квантрона. Основой представленных на фиг. 1 конфигураций являются цилиндрические и многоугольные схемы: треугольные, прямоугольные, гексогональные, где 1 активные элементы; 2 лампы накачки; 3 отражатель; 4 и 5 перегородки между оптическими модулями с отражающими поверхностями; 6 12 оптически связанные модули.

Квантрон, представленный на фиг. 2, содержит шесть оптически связанных модулей 6 11, выполненных в виде общего цилиндрического отражателя 5 с активными элементами 1, лампами накачки 2 и с установленными в нем по радиусам перегородками 3 с нанесенными на их поверхности отражающими покрытиями с коэффициентом отражения более 0,98, образующие сектора с пересекающимися в центре цилиндрического отражателя осями, и оптического фильтра 4 в виде цилиндрического стержня или трубки, выполненного из материала с коэффициентом пропускания в требуемом спектральном диапазоне накачки, варьируемом от 0 для случая полностью отражающего материала до 1, например при отсутствии фильтра.

Отражатель квантрона может быть выполнен (фиг. 3) в виде шести отдельных, оптически связанных секторных модулей 6 11, имеющих отражатели 5, полностью отражающие поверхности 3 и поверхности 4, на которые наносится отражающее покрытие с варьируемым коэффициентом пропускания. В случае, если на поверхности 4 нанесено покрытие с коэффициентом пропускания равным 0, то оптические модули являются оптически развязаны по излучению накачки. В модулях установлены по одному активному элементу 1 и по одной лампе накачки 2 с осями, параллельными между собой, образующим линиям отражателей и отражающим поверхностям.

В модулях 6 и 7 (на фиг. 3) лампы накачки непрерывные, а в остальных модулях 8 11 лампы накачки импульсные. Лампы накачки имеют собственные источники питания. Конструктивно отражатель, активные элементы, лампы накачки объединены в общем корпусе, в котором выполнены система подвода электропитания ламп накачек и система охлаждения элементов квантрона.

Возможны различные варианты сочетаний типов используемых активных элементов и ламп накачки. Например, в модулях 6, 7 и 9 активные элементы из АИГ: Nd длина волны формируемого излучения 1,064 мкм либо 1,32 мкм, в модулях 10 и 11 активные элементы из рубина длина волны 0,694 мкм, в модуле 8 активный элемент из иттэрбиевого граната с длиной волны излучения 2,5 мкм.

Использование оптической связи между модулями позволяет наиболее эффективно использовать энергию оптической накачки и реализовать промежуточные импульсно-непрерывные режимы накачки.

Квантрон, представленный на фиг. 4, содержит два оптически связанных модуля 8 и 9, выполненные в виде общего цилиндрического отражателя 7, разделенного пополам перегородкой 3 с нанесенным на ее поверхность 4 отражающем покрытием с коэффициентом отражения, близким к 1, и поверхностью 5, на которую наносится отражающее покрытие с коэффициентом отражения меньше 1, причем для получения коэффициента отражения поверхности 5 равного нулю она может быть выполнена в виде отверстия в разграничивающей модули перегородке. В модулях также установлены перегородки 6 с коэффициентом отражения, близким к 1, перпендикулярные перегородке 3 и образующие внутреннюю полость модулей в виде усеченного полуцилиндра. В каждом модуле установлены по три активных элемента 1 и по две лампы накачки 2. В модуле 8 лампы накачки непрерывные, а в модуле 9 импульсные.

Конструктивно квантрон может быть выполнен в виде отдельных модулей, отражатели которых имеют в сечении форму усеченного круга, установленных в общем корпусе.

Могут быть различными сочетания активных элементов и ламп накачек. Например, в модуле 9 установлены активные элементы из стекла с неодимом, рубина и алюмината иттрия вместе с импульсными лампами накачки, в модуле 8 - АИГ: Nd и непрерывные лампы накачки. Оптические фильтры должны обеспечивать необходимый коэффициент оптической связи между модулями в спектральных диапазонах накачки, соответствующих типу активных элементов.

В сложных системах отражающие поверхности модулей могут иметь произвольную огибающую, например эллиптическую, обеспечивающую наибольшее значение коэффициента передачи излучения от ламп накачек к активным элементам.

Коэффициент оптической связи между модулями варьируется в пределах от 0 до 1, исходя из необходимой степени влияния излучения данного типа (непрерывного или импульсного) одного модуля на активный(е) элемент(ы) другого (других) модулей.

Возможно как независимое, так и совместное использование в работе различного количества модулей импульсного и непрерывного типа, что позволяет значительно расширить диапазон режимов работы квантрона. Так для квантрона с конфигурацией, представленной на фиг. 3, возможны следующие режимы работы с временными зависимостями мощности излучения (фиг. 5), где:
1) включена только непрерывная лампа модуля 6, при этом может формироваться непрерывное излучение с мощностью Р1, длиной волны λ₁=1,06 мкм,
2) работает только импульсная лампа модуля 9, формируются периодические импульсы с энергией W2, длительностью τ₂ и частотой следования F2, длиной волны λ₂=1,32 мкм,
3) работает только импульсная лампа модуля 10, формируются периодические импульсы с энергией W3, длительностью τ₃ и частотой следования F3 F2, длиной волны λ₃=0,694 мкм, с задержкой относительно модуля 9 на время t', которое может быть различным в зависимости от требуемой временной структуры излучения,
4) одновременно работают модули 6 и 9,
5) одновременно работают модули 6, 9 и 10, формируется излучение со сложной временной структурой, которую очень сложно получить, используя только один модуль, и т.д.

Вариацией моментами включения и выключения отдельных модулей и параметрами накачки по каждому из них возможно получать сложные огибающие для суммарной мощности генерации.

При различных сочетаниях материалов активных элементов и типов ламп накачки кроме сложной временной зависимости выходной мощности формируется смешанная спектральная структура излучения. Так для случая 5 на фиг. 5 одновременно формируется излучение с комбинированным спектральным составом (длины волн 1,064 мкм, 1,32 мкм и 0,694 мкм).

Следует отметить, что выполнение квантронов предложенного вида требует соответствующей оптимизации резонаторов для модулей, работающих в разных режимах и для отдельных каналов модулей, имеющих активные элементы разных типов.

Квантроны данного типа сохраняют основные достоинства квантронов с системой накачки типа "световой котел": повышенную эффективность накачки, малые габариты и вес устройства, небольшие суммарные размеры излучающей апертуры, сниженные требования на оптическую стойкость элементов в трактах генерации, усиления и распространения излучения.

Использование: изобретение относится к лазерной технике. Сущность: отражатель квантрона формируется из оптически связанных модулей накачки активных элементов. Коэффициенты оптической связи модулей варьируются за счет отражающих покрытий перегородок модулей либо установки перегородок из оптических фильтров. В квантрон могут устанавливаться непрерывные и импульсные лампы накачки и активные элементы разных типов. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Квантрон, содержащий общий отражатель и расположенные в нем активные элементы и лампы накачки, продольные оси которых параллельны и которые установлены между активными элементами в плоскостях, параллельных их осям, и перегородками, отличающийся тем, что общий отражатель с отражающими перегородками образуют оптически связанные самостоятельные модули с коэффициентом оптической связи, определяемым из соотношения

где К_{опт.св.ij} коэффициент оптической связи j-го модуля с i-м;
T(x,y,λ) спектральные коэффициенты пропускания элемента отражающей перегородки, изменяющиеся в диапазоне 0-1 за счет нанесения на перегородку отражающих покрытий или изготовления перегородок из оптических фильтров с соответствующим коэффициентом пропускания;
I(x,y,λ) спектральная интенсивность излучения накачки, падающего на поверхность отражающей перегородки со стороны i-го модуля;
P(λ) мгновенные значения мощности накачки в соответствующем спектре излучения,
при этом в некоторых из них расположены непрерывные лампы накачки, а в остальных импульсные. 2. Квантрон по п. 1, отличающийся тем, что в модулях установлены различные типы активных элементов, сгруппированные по допускаемому режиму работы, импульсному или непрерывному, и предельной мощности накачки.