МОЩНЫЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 1997 года по МПК H01S3/08 

Изобретение относится к области физики, в частности к квантовой электронике, и может быть использовано в высокоэффективных мощных лазерах, в системах технологической обработки материалов.

Известны мощные лазеры с твердотельным активным элементом прямоугольного поперечного сечения [1] и прямым проходом генерируемого излучения. Эти лазеры содержат активный элемент прямоугольного поперечного сечения, расположенный между источниками накачки и находящийся вместе с ними и охлаждающим агентом в отражающем устройстве. С обеих сторон у торцов активного элемента расположены зеркала резонатора. Охлаждающий агент омывает непосредственно боковые грани активного элемента и поверхности источников накачки.

В этих лазерах, в отличие от широко распространенных в мире лазеров с активным элементом круглого сечения, реализуется более однородная по сечению накачка активных центров и меньший температурный градиент от поверхности активного элемента к его центральной части. Это позволяет получать более эффективную генерацию с лучшими пространственно-угловыми характеристиками выходного излучения, чем у лазеров таких же мощностей с активными элементами круглого сечения. Но поскольку при конечной теплопроводности материала активной среды температурный градиент имеет место, то пространственно-угловые характеристики выходного излучения оставляют желать лучшего, особенно при больших мощностях накачки.

Известны мощные твердотельные лазеры с активным элементом прямоугольного поперечного сечения и зигзагообразным проходом генерируемого излучения через активную среду [2] Эти лазеры содержат активную среду прямоугольного поперечного сечения, расположенную между прозрачными пластинами и источниками накачки внутри отражающего устройства. С обеих сторон у торцов активного элемента расположены зеркала резонатора. Охлаждающий агент омывает непосредственно внешние поверхности прозрачных пластинок и поверхности источников накачки, между внутренней поверхностью прозрачных пластинок и боковыми поверхностями активного элемента образован узкий зазор, через который продувается охлаждающий газ.

В таких лазерах, в отличие от лазеров с прямым проходом, происходит компенсация влияния температурных искажений активной среды на проходящее лазерное излучение за счет попеременного прохождения им зон активной среды с одинаковым по величине, но разным по знаку значением температурного градиента. В таких лазерах достигаются предельные угловые характеристики (дифракционная расходимость) и высокая однородность поперечного сечения пучка генерируемого излучения, повышается так же эффективность лазера. Но поскольку зигзагообразный проход реализуется за счет полного внутреннего отражения от боковых граней активного элемента, то появляются две основных, не имеющих места ранее проблемы. Оптическая обработка двух протяженных боковых поверхностей полного внутреннего отражения должна быть на уровне обработки торцевых выходных граней активного элемента, иначе они будут вносить искажения в волновой фронт генерируемого излучения и существенно ухудшать параметры выходного излучения. Вследствие этого стоимость готового активного элемента возрастает в десятки и более раз. Другая проблема связана так же с полным внутренним отражением внутри активного элемента: для реализации отражения должна существовать достаточно большая разность между коэффициентами преломления активной среды и пограничного слоя, поэтому применение жидких охладителей в данных схемах довольно проблематично. Существующие способы отвода тепла в таких системах связаны с применением газов, при больших объемах отводимого тепла конструктивно такие способы гораздо сложнее жидкостных, что так же относится к недостатку данной схемы лазера.

Известен лазер [3] являющийся наиболее близким по способу компенсации влияния тепловых искажений в активной среде на генерируемое излучение к предложенному. В этом лазере активное тело прямоугольного поперечного сечения находится меджу двумя, параллельно расположенными с различных сторон активной среды лампами. Все это вместе с охлаждающим агентом жидкой агрегации помещено в отражающем устройстве. Оптический резонатор этого лазера сложен вдвое. Этот резонатор состоит из двух зеркал с диэлектрическим покрытием плотно и полупрозрачного, расположенных с одной стороны активной среды и призмой-крышей, сориентированной меньшими сторонами внутрь резонатора, находящейся с другой стороны активной среды. Активное тело, таким образом, состоит из двух не разделенных половин. В одной половине генерируемое излучение распространяется в одну сторону, в другой в это же время в противоположную.

В такой конфигурации резонатора и осветителя лазера фронт усиливаемой волны излучения после прохождения по одной половине активной среды не переворачивается призмой и возвращается в другую половину активной среды противоположно сориентированным относительно температурного градиента в проходимой им половине активной среды, таким образом волна взаимодействует с температурными искажениями в среде, антисимметричными искажениями в противоположной половине, за один проход между зеркалами происходит практически полная компенсация влияния температурных искажений на генерируемое излучение. Параметры выходного излучения этого лазера близки к параметрам выходного излучения, описанного в [2] Недостатком этой схемы является наличие в резонаторе двух отклоненных граней призмы, на которых происходят потери энергии излучения. Другой недостаток связан с тем, что толщина активного элемента вдвое больше толщины апертуры генерируемого пучка и скорость теплоотвода с поверхности активного элемента должна быть по крайней мере вдвое больше, чем когда эти толщины одинаковы при равных энергетических условиях. Большая толщина активного элемента так же не является оптимальной для реализации более эффективного использования излучения накачки в лазере и таким образом ограничивает общую эффективность системы.

Цель изобретения улучшение угловых и пространственных характеристик выходного излучения при одновременном повышении энергетической эффективности лазера.

Поставленная цель достигается тем, что в лазере, содержащем активный элемент, источник накачки, охлаждающий агент, отражающие устройства, зеркала и призму, активный элемент разделен на две части. Оба активных элемента прямоугольного поперечного сечения расположены параллельно с источником накачки между ними. Оптический резонатор лазера образован расположенными рядом плотным и выходным зеркалами и призмой полного внутреннего отражения с нечетным числом отражений. Призма сориентирована основанием внутрь резонатора.

На фиг. 1 схематично изображен лазер, продольны разрез; на фиг. 2 то же, поперечный разрез.

Лазер содержит активное тело 1, состоящее из двух активных элементов прямоугольного поперечного сечения, расположенных параллельно с источником накачки 2 между ними. Источник накачки 2 представляет собой одну или несколько фотоосветительных ламп. Резонатор лазера образован призмой полного внутреннего отражения 3, с нечетным числом отражений внутри призмы и полупрозрачным 4 и плотным 5 зеркалами. Призма 3 сориентирована основанием внутрь резонатора, для минимизации потерь на поверхностях основания призмы, находящихся внутри резонатора, нанесены просветляющие покрытия. Поверхности зеркал резонатора 4, 5 плоские. Усиливающая система лазера: активное тело 1 и источник накачки 2 расположены внутри отражателя и концентратора излучения накачки 6. Боковые поверхности активного тела 1, источника накачки 2 и поверхность отражателя 6 омываются жидким охлаждающим агентом. Резонатор лазера в этой схеме сложен пополам.

Лазер работает следующим образом.

Излучение от источника накачки 2 попадает в активный элемент 1, создавая здесь условия для генерации и одновременно вызывая нагрев активного элемента с температурным градиентом, направленным от источника накачки 2 к плоской части отражателя 6, толщина активного элемента намного меньше его ширины и достаточная для того, что бы большая часть излучения накачки поглощалась в нем за один проход, на меньшие боковые поверхности активного элемента нанесены теплоизолирующие покрытия, все это позволяет реализовать такое распределение температурного градиента. Генерируемое излучение, проходя в одном из активных элементов 1, усиливается и претерпевает искажения волнового фронта, связанные с температурными искажениями в проходимом активном элементе. Затем оно попадает в призму 3 с нечетным числом отражений, где происходит оборачивание волнового фронта волны излучения так, что в другом активном элементе 1 температурные искажения среды, близкие к таким же в первом активном элементе 1 воздействуют на излучение, компенсируя искажения, вызванные при прохождении первого активного элемента 1. Таким образом, за один проход резонатора происходит компенсация влияния наведенных в активной среде 1 излучением накачки термических искажений на генерируемое лазером излучение.

Проведенные исследования лазера показали следующие результаты. Угловая расходимость выходного излучения уменьшилась на порядок и приблизилась к дифракционной, значительно повысилась однородность заполнения поперечного сечения пучка выходного излучения генерация шла одновременно со всего торца активного элемента в течение всего импульса накачки. Эффективность генерации так же возросла. Исследования проводились в сравнении с этим же лазером в отсутствии условий компенсации влияния термических искажений, что достигалось заменой призмы 3 на призму с четным числом отражений, которая не вызывает такого же оборачивания волнового фронта и компенсации влияния термических искажений на генерируемое излучение не происходит.

Моющий лазер, содержащий активное тело, источник накачки, охлаждающий агент, отражающие устройства, зеркала и призму, отличающийся тем, что в лазер введена призма полного внутреннего отражения с нечетным числом отражений, большим единицы, и второе активное тело, расположенное параллельно первому с источником накачки между активными телами, причем вышеупомянутая призма установлена так, что ее основание обращено к торцам активных тел и ориентировано параллельно им.

В соответствии с вышеизложенным был разработан и изготовлен действующий лабораторный макет лазера. В качестве активного тела использовались кристаллы калий-гадолиниевого вольфрама с неодимом размерами 7х40х90 мм, в качестве источника накачки использовались три последовательно соединенные дампы накачки типа ИФП-800, стеклянная призма полного внутреннего отражения с тремя отражениями. Торцы активных элементов и рабочие поверхности призмы не были просветлены. В данном лазере была получена выходная энергия одного импульса излучения, длительность 100 мкс, 20 Дж, при частоте следования импульсов излучения 2 Гц. Угловая расходимость выходного излучения была на уровне дифракционной и составила 1 миллирадиан. Заполнение поперечного сечения пучка выходного излучения было однородным в каждый момент времени, в течение всего импульса накачки КПД лазера составлял 2,5%
Оптимизация параметров элементов лазера, по нашему мнению, может увеличить КПД вдвое, и может повысить частоту следования импульсов излучения, при сохранении энергетических характеристик и параметров пучка излучения до нескольких десятков герц.

Использование: изобретение относится к области физики, в частности к квантовой электронике, и может быть использовано при разработке мощных твердотельных лазеров для широкого круга применений: в науке, в промышленности и в медицине. Сущность изобретения: в лазере, соединяющем активный элемент, источник накачки, контур с охлаждающим агентом, отражающие устройства, зеркала и призму, активный элемент разделен на две части. Обе части активного элемента расположены параллельно с источником накачки между ними. Резонатор лазера образован расположенными рядом плотным и выходным зеркалами и призмой полного внутреннего отражения с нечетным числом отражений, сориентированной основанием внутрь резонатора. Такая схема позволяет полностью скомпенсировать термические и механические возмущения в активной среде от излучения накачки, которые являются основным фактором, ухудшающим характеристики выходного излучения. 2 ил.

Мощный лазер, содержащий активное тело, источник накачки, охлаждающий контур с агентом, отражающие устройства, зеркала и призму, отличающийся тем, что в лазер введена призма полного внутреннего отражения с нечетным числом отражений, большим единицы, и второе активное тело, расположенное параллельно первому, с источником накачки между активными телами, причем вышеупомянутая призма установлена так, что ее основание обращено к торцам активных тел и ориентировано параллельно им.