ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР С НАКАЧКОЙ ЛАЗЕРНЫМИ ДИОДАМИ Российский патент 1998 года по МПК H01S3/94 

Изобретение предназначено для использования в приборостроении, в лазерной технике, оптической связи.

При создании лазеров широко используются лазерные диоды для накачки активного элемента лазера. Для повышения выходной мощности лазера применяют сложные излучения нескольких лазерных диодов (ЛД) в один пучок накачки посредством оптических волокон [1]. Для повышения мощности, вводимой в волокно, используют также дополнительное суммирование излучений двух диодов, складываемых с помощью поляризационной призмы /PCT/GB91/00207 от 12.02.91 г. , МКИ H 01 S 3/25/. Однако такие конструкции лазеров с помощью поляризационной призмы конструкции лазеров характеризуются значительной сложностью, относительно большими потерями при вводе излучения ЛД в волокно и широким пучком накачки лазера из-за большой апертуры излучающего торца волокон.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является твердотельный лазер с продольной накачкой от двух лазерных диодов, излучение которых складывается поляризационной призмой [2]. Излучение каждого лазера диода фокусируется первой оптической системой, складывается поляризационной призмой и фокусируется второй оптической системой в активный элемент твердотельного лазера. Резонатор лазера образован гранью активного элемента, обращенной к второй фокусирующей системе, и выходным зеркалом. Для удержания требуемой длины волны накачки лазерные диоды установлены на одном или двух микрохолодильниках, поддерживающих заданную рабочую температуру диодов.

Недостатками известного лазера являются ограниченная мощность накачки, следовательно, ограниченная выходная мощность лазера и использование достаточно дорогого оптического элемента - поляризационной призмы.

Целью изобретения является повышение выходной мощности лазера при сохранении простоты конструкции.

Поставленная цель достигается тем, что в известный лазер, включающий микрохолодильник, на теплоотводящей пластине которого установлены лазерные диоды с цилиндрическими линзами, а также последовательно соединенные сферическая линза, активный элемент и выходное зеркало резонатора, причем на торец активного элемента со стороны сферической линзы нанесено комбинированное покрытие, отражающее на рабочей длине волны лазера и пропускающее на длине волны лазерных диодов, а на противоположный торец активного элемента нанесено просветляющее покрытие на рабочей длине волны лазера, введена трапецеидальная призма, на основание и противоположную грань которой нанесены просветляющие, а на две боковые грани нанесены отражающие на длине волны лазерных диодов покрытия, причем ширина H грани, противоположной основанию, равна H = ϕ_л F_ц, где ϕ_л - расходимость излучения лазерного диода в плоскости, перпендикулярной излучающему переходу лазерного диода, F_ц - фокусное расстояние цилиндрической линзы, а лазерные диоды, число которых равно трем, размещены соответственно со стороны двух боковых граней и с основания трапецеидальной призмы.

Конструкция лазера представлена на фиг.1; на фиг.2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1.

Лазер содержит микрохолодильник 11, на теплоотводяющей пластине 12 которого размещены: лазерные диоды 1, 2 и 3 с установленными на них цилиндрическими линзами 4, 5 и 6; трапецеидальная призма 7, сферическая линза 8, активный элемент 9 и выходное зеркало 10.

Оптическая схема лазера приведена на фиг. 4.

Излучение лазерного диода 2 коллимируется цилиндрической линзой 5, проходит основание и противоположную грань призмы 7, образуя на ее выходе пучок A (фиг.4). Излучение ЛД 1 и 3 коллимируется соответственно цилиндрическими линзами 4 и 6 и отражается от боковых граней призмы 7, образуя пучки B и C. Лазерные пучки A, B и С, имеющие одинаковое направление распространения и соприкасающиеся соответствующими сторонами, фокусируются сферической линзой 8 в активный элемент 9, осуществляя его накачку.

Резонатор лазера образован торцем активного элемента 9, обращенным к сферической линзе 8, и выходным зеркалом 10.

При использовании в качестве активного элемента алюмоиттриевого граната с неодимом (YAG: Nd), имеющего рабочую длину волны λ = 1,064 мкм, лазерные диоды 1, 2, 3 должны иметь центральную длину волны излучения λ_д = 808 нм, которая устанавливается выбором рабочей температуры ЛД и регулируется микрохолодильником 11. Все оптические элементы лазера имеют покрытия. На цилиндрические линзы 4, 5, 6, сферическую линзу 8, основание призмы 7 и ее противоположную грань нанесены просветляющие покрытия на длину волны λ_д . На торец активного элемента 9, обращенный к линзе 8, нанесено комбинированное покрытие, имеющее коэффициент пропускания τ ≥ 95% для λ_д = 808 нм и коэффициент отражения ρ ≥ 99,8% для λ = 1,064 мкм. На противоположный торец активного элемента нанесено просветляющее покрытие с коэффициентом пропускания τ ≥ 0,1% для λ = 1,064 мкм. Грань призмы 7, противоположная основанию, имеет ширину H = ϕ_л F_ц, где ϕ_л - расходимость излучения лазерного диода в плоскости, перпендикулярной излучающему переходу, F_ц - фокусное расстояние цилиндрической линзы. При типичной расходимости излучения ЛД ϕ_л = 45^o и K_ц = 0,3 мм получаем H = 0,24 мм.

В качестве микрохолодильника может быть использован термоэлектрический микрохолодильник на основе эффекта Пельтье типа K1-127-1,4/1,1, на теплоотводящей пластине 12 которого установлены все элементы лазера, включая тепловыделяющие элементы - лазерные диоды и активный элемент. Такой микрохолодильник обеспечивает отвод тепла при установке трех лазерных диодов с выходной мощностью 3 Вт. Выходная мощность лазера на длине волны 1,064 мкм составляет при этом не менее 3 Вт в одномодовом режиме.

Отвод тепла от микрохолодильника осуществляется через основание 11, припаянное к нижней "горячей" пластине микрохолодильника.

Отметим, что для получения линейно поляризованного излучения в состав лазера может быть введена пластина 14, установленная под углом Брюстера.

Предложенная конструкция лазера позволяет увеличить выходную мощность лазера на 30 - 50% при сохранении простоты конструкции и снижении стоимости по отношению к лазерам аналогичной выходной мощности.

Изобретение предназначено для использования в приборостроении, в лазерной технике, оптической связи. Сущность: предложен твердотельный лазер, в котором накачка активного элемента осуществляется за счет слежения излучения трех лазерных диодов на трапецеидальной призме. Конструкция лазера характеризуется простотой и повышенной выходной мощностью. 4 ил.

Твердотельный лазер с накачкой лазерными диодами, включающий микрохолодильник, на теплопроводящей пластине которого установлены лазерные диоды с цилиндрическими линзами, а также последовательно соединенные сферическая линза, активный элемент и выходное зеркало резонатора, причем, на торец активного элемента со стороны сферической линзы нанесено комбинированное покрытие, отражающее на рабочей длине волны лазера и пропускающее на длине волны лазерных диодов, а на противоположный торец активного элемента нанесено просветляющее покрытие на рабочей длине волны лазера, отличающийся тем, что в него введена трапецеидальная призма, на основание и противоположную грань которой нанесены просветляющие, а на две боковые грани нанесены отражающие на длине волны лазерных диодов покрытия, причем ширина Н грани, противоположной основанию равна H = ϕ_лF_ц, где ϕ_л - расходимость излучения лазерного диода в плоскости, перпендикулярной излучающему переходу лазерного диода, F_ц
фокусное расстояние цилиндрической линзы, а лазерные диоды, число которых равно 3, размещены соответственно со стороны двух боковых граней и с основания трапецеидальной призмы.