ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 1998 года по МПК H01S3/02 H01S3/05 

Предлагаемое изобретение относится к лазерной технике, а именно к конструкциям твердотельных лазеров.

Известно, что вибрации прибора, механические и термические деформации корпуса лазера приводят к разьюстировке зеркал резонатора и потерям энергии выходного излучения.

В настоящее время существуют конструкции резонаторов лазеров, в которых зеркала и активный элемент закреплены на жестких опорах. В них уменьшено влияние вредных эксплуатационных воздействий на характеристики выходного излучения лазера. Так, например, устройство крепления зеркал резонатора [1] содержит жесткую трубу, два средства крепления, охватывающие внешнюю поверхность трубы и фиксирующие ее в корпусе лазера; две плоские уравновешенные пластины, параллельные друг другу и расположенные на концах трубы; средства крепления двух зеркал резонатора относительно пластин и средства их настройки (юстировки). Юстировка зеркал происходит за счет трехкоординатной подвижки их с помощью регулировочных винтов, которые вставлены и зафиксированы в отверстиях ручек зведообразной оправы каждого зеркала.

Описанное устройство обладает следующими недостатками, препятствующими достижению указанного ниже технического результата.

1. Устройство содержит большое количество деталей сложной формы, что сказывается на себестоимости лазера при его производстве;
2. Используются встроенные юстирующие элементы, которые позволяют поддерживать точную юстировку зеркал резонатора в течении определенного промежутка времени, после истечения которого требуется дополнительная их регулировка.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому лазеру является юстирующее устройство для оптического квантового генератора [2] содержащее активный элемент и резонатор, состоящий из двух зеркал. Активный элемент и зеркала установлены в общем каркасе, состоящем из двух пластин-оснований и двух вертикальных стоек. Оптическая ось резонатора задается ориентацией зеркал по отношению к нижнему основанию каркаса. Положение зеркал резонатора при необходимости можно регулировать независимо от юстировки положения активного элемента. Зеркала резонатора вмонтированы в вертикальные стойки, а активный элемент закреплен на нижнем основании каркаса с помощью регулируемых держателей, расположенных на его концах. Каждый регулируемый держатель имеет в одной плоскости перпендикулярной оптической оси два вертикально стоящих, независимых друг от друга микрометрических установочных винта, которые воздействуют снизу на горизонтально расположенные двойные рычаги, которые имеют возможность перемещения вокруг осей, ориентированных параллельно оптической оси. Активный элемент фиксирован в зажимном устройстве с помощью потайных винтов. Зажимное устройство жестко соединено с двойным рычагом. Длинное плечо верхнего рычага соединено с нижним основанием каркаса посредством пружины натяжения. Микрометрические винты допускают смещение положения активного элемента относительно оптической оси резонатора на участке размещения этого регулируемого устройства в произвольном направлении поперечно этой оси. В результате указанного смещения обеспечивается юстировка активного элемента по отношению к этой оси. Зеркала резонатора выполнены сферическими и расположены конфокально, ось одного зеркала параллельна оси другого. Одно из зеркал крепится в стойке каркаса с возможностью плоскопараллельного перемещения с помощью винта. Зеркала резонатора могут быть зафиксированы после из установки путем заливки, например, искусственными смолами. Прототип обладает следующими недостатками, препятствующими достижению указанного ниже технического результата:
1. Прототип обеспечивает стабильность характеристик выходного излучения лазера только в узком диапазоне температур и механических воздействий в течении ограниченного промежутка времени. Это обусловлено тем, что в нем используются, пружины натяжения, с помощью которых невозможно в течении продолжительного времени точно фиксировать положение активного элемента, кроме того в устройстве используются заливка зеркал резонатора искусственными смолами, которые усаживаются со временем и имеют высокий коэффициент температурного растяжения;
2. Прототип имеет встроенные юстировочные механизмы, которые обеспечивают точную регулировку зеркал в течении определенного периода времени, после истечения которого требуется дополнительная их юстировка.

3. Прототип обладает сложной конструкцией и имеет высокую себестоимость при производстве.

4. В прототипе не предусмотрена возможность замены отдельных элементов, например, осветителя или лампы накачки.

Задачей изобретения является упрощение конструкции твердотельного лазера и регулировки положения зеркал резонатора, и связанное с этим уменьшение себестоимости прибора при сохранении возможности работы в неблагоприятных эксплуатационных условиях (вибраций, механических и термических деформаций корпуса лазера). Кроме того, в устройстве должна быть предусмотрена возможность отдельных элементов конструкции (осветителя, лампы накачки и т.д.).

Для решения поставленной задачи предлагается твердотельный лазер, содержащий активный элемент и оптический резонатор, состоящий из 2 зеркал, одно из которых сферическое. Активный элемент и зеркала установлены на жестком основании.

Предлагаемое устройство отличается от прототипа следующим. Активный элемент установлен в осветителе, внутри которого расположены лампа накачки и отражатель. Осветитель своими опорными элементами устанавливается на компенсационные прокладки, расположенные на основании и прижат к нему посредством пружины, жестко закрепленной на корпусе лазера. Опорные элементы осветителя и компенсационные прокладки выполнены из материала с высоким коэффициентом трения, а основание имеет форму угольника или иного жесткого профиля и закреплено в корпусе лазера.

Зеркала резонатора жестко зафиксированы на плоских параллельных торцах основания. Одно из зеркал выполнено составным, в виде сферического зеркала, зафиксированного по своей боковой поверхности в плоскопараллельной пластине, причем ось сферического зеркала параллельна нормали к поверхности пластины. Соединения элементов резонатора и соединение основания с корпусом лазера выполнены клеевыми.

С помощью предлагаемого изобретения достигнут следующий технический результат:
уменьшено влияние вредных эксплуатационных воздействий (вибрации, механических и термических деформаций корпуса) на характеристики выходного излучения лазера;
предусмотрена возможность точной юстировки зеркал резонатора и фиксирования их без последующей регулировки при эксплуатации;
конструкция имеет по сравнению с аналогами более низкую себестоимость за счет возможности массового изготовления взаимно обезличенных деталей и сборочных единиц, что устраняет необходимость взаимной их подгонки при комплектации и сборке лазеров;
устройство ремонтопригодно, т. е. можно заменить испорченные элементы, например, осветитель или лампу накачки.

Узлы, взаимное положение которых не требует высокой точности (например, соединение корпуса и угольника) зафиксированы посредством резиноподобного клея. Такое соединение упрощает требования к точности изготовления взаимных посадочных мест этих сборок и позволяет производить из взаимную "грубую" юстировку без доработки. Кроме того, при таком креплении деформации корпуса вызывают сравнительно малые деформирующие усилия, приложенные к другим узлам. Элементы резонатора (зеркала), осветителя с активным элементом, взаимное положение которых требует большой точности, жестко прикреплены друг к другу. В первую очередь "жесткость" сборки резонатора обеспечивает применение в качестве основной несущей всех элементов конструкции жесткого угольника, поверхность которого обрабатывается в составе блока деталей с необходимой точностью и качеством традиционными методиками обработки деталей. К плоским торцам угольника приклеены плоские поверхности выходного зеркала и составного сферического зеркала. Клеевое соединение (с помощью эпоксидного клея) позволяет обеспечить в начальном, легко текучем состоянии клея зазоры между деталями 0,01 мм, и обладает высокой прочностью после выдержки и термообработки. При этом склеиваемые поверхности являются оптически плоскими, что позволяет обеспечивать равную (равномерную) толщину клеевого шва. Так решается вопрос стабильного положения зеркал в условиях воздействия температур, ударов и вибраций.

Кроме того, большое время жизнеспособности клея позволяет за этот период провести операцию юстировки положения сферического зеркала методом двухкоординатной линейной подвижки составного зеркала относительно плоского торца угольника в плоскости перпендикулярной оптической оси резонатора.

Фиксация положения осветителя в резонаторе осуществляется силами трения, возникающими между опорными площадками осветителя и угольника под воздействием плоской пружины, упруго занимающий корпус осветителя между полками угольника. Устойчивость взаимного положения осветителя и резонатора определяется высоким коэффициентом трения между опорными площадками, обеспеченным специальным подбором материала площадок (например, олово обладает коэффициентом трения от 1 до 2,4 в зависимости от различных факторов). Такая фиксация осветителя позволяет легко его заменять, что обеспечивает ремонтопригодность конструкции. Таким образом, предложенная совокупность существенных признаков изобретения определяет достижение указанного выше технического результата.

На фиг.1 изображена аксонометрическая проекция предлагаемого лазера; на фиг.2 показано составное зеркало резонатора.

Лазер (фиг. 1) содержит осветитель 1 прямоугольной формы, состоящий из цилиндрического отражателя 2, цилиндрической лампы накачки 3 и активного элемента 4 в виде стержня. Осветитель устанавливается своими опорными элементами 5 на компенсационные прокладки 6, расположенные на основании 7, и прижат к нему посредством пружины 8, закрепленной на корпусе 9 лазера винтами 10. Активный элемент сделан из активированного стекла ЛГС-Х2, в конструкции используется цилиндрическая лампа накачки ИНП 2 3/35. В качестве материала опорных площадок использовано олово. Основание 7 выполнено в форме угольника. Угольник и корпус осветителя сделаны из кварцевого стекла КУ-2. Оптическая ось 11 резонатора лазера задана положением активного элемента 4 относительно поверхностей угольника 7. Зеркала 12, 13 резонатора жестко зафиксированы на плоских параллельных торцах 14 угольника. Эти соединения выполнены при помощи эпоксидного клея ОК-72 ФТ ГОСТ 14887-88. Соединение угольника 7 с корпусом 9 лазера сделано посредством слоя герметика Виксинт У-2-28 ОСТ 38-03238-81.

Составное зеркало 12 (фиг.2) резонатора выполнено в виде сферического зеркала 15, закрепленного в плоскопараллельной пластине 16 по своей боковой поверхности при помощи эпоксидного клея ОК-72. Как показано на фигуре 2, 17
ось сферического зеркала, 18 ось резонатора, 19 ориентация плоскости подвижки зеркала.

Устройство работает как обычный твердотельный лазер. В силу специфики условий работы конструкции она должна обеспечивать взаимную стабильность положения оптических элементов (разную для отдельных групп) в широком диапазоне температур при воздействии ударов с ускорением и вибрацией в широком диапазоне частот.

Юстировка устройства осуществляется следующим образом. Во время жизнеспособности эпоксидного клея (примерно 1 час) можно провести операцию юстировки положения сферического зеркала 16 методом двухкоординатной линейной подвижки составного зеркала 12 относительно плоского торца 14 угольника 7 в плоскости перпендикулярной оптической оси резонатора, с одновременным поджатием плоскости зеркала 12 к поверхности торца 14. Подвижка сферического зеркала 16 на величину L эквивалентна заклону его на угол а
a L/R,
где R радиус сферического зеркала (фиг.2).

На финише юстировки такая подвижка осуществляется при "работающем" собранном резонаторе, с установленным и подключенном электрически осветителе 1. Конечное положение зеркала 16 определяется по максимальному уровню генерируемой энергии. Подвижка зеркала осуществляется микрометрическими винтами съемного приспособления, сушка клея производится при механической фиксации взаимного зеркала 12 и угольника 7.

Такой способ юстировки удобен при массовом производстве лазеров, так как благодаря отсутствию подвижных элементов юстировки не требует индивидуальной доработки элементов резонатора и снижает требования к центровке сферических поверхностей зеркал.

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к конструкциям твердотельных лазеров. Сущность: осветитель, состоящий из отражателя, лампы накачки и активного элемента, прижат к основанию-угольнику посредством пружины, жестко закрепленной относительно корпуса. Осветитель установлен своими опорными элементами на компенсационные прокладки, расположенные на основании. Материал опорных элементов и компенсационных прокладок имеет высокий коэффициент трения. А основание имеет форму угольника или иного жесткого профиля и закреплено в корпусе лазера. Зеркала резонатора зафиксированы на плоских параллельных торцах угольника. Одно из зеркал выполнено составным, в виде сферического зеркала, зафиксированного по своей боковой поверхности в плоскопараллельной пластине, причем ось сферического зеркала параллельна нормали к поверхности пластины. Соединения элементов резонатора и соединение основания с корпусом лазера выполнены клеевыми. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Твердотельный лазер, содержащий активный элемент и оптический резонатор, состоящий из двух зеркал, одно из которых сферическое, при этом активный элемент и зеркала установлены на основании, отличающийся тем, что активный элемент установлен в осветителе, внутри которого расположены также лампа накачки и отражатель, при этом осветитель прижат к основанию посредством пружины, жестко закрепленной на корпусе лазера, основание выполнено в виде угольника или иного жесткого профиля, зеркала резонатора зафиксированы на плоских параллельных торцах основания, закрепленного в корпусе лазера. 2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что осветитель своими опорными элементами устанавливается на компенсационные прокладки, расположенные на основании. 3. Лазер по п.2, отличающийся тем, что опорные элементы и компенсационные прокладки выполнены из материала с высоким коэффициентом трения. 4. Лазер по п.1, отличающийся тем, что одно из зеркал резонатора выполнено составным, в виде сферического зеркала, закрепленного по своей боковой поверхности в плоскопараллельной пластине, причем ось сферического зеркала параллельна нормали к поверхности пластины. 5. Лазер по п.4, отличающийся тем, что соединения элементов резонатора и соединение основания с корпусом лазера выполнены клеевыми.