ЛАЗЕРНОЕ ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1999 года по МПК H01S3/09 

Изобретение относится к лазерной технике, к устройствам со стимулированным излучением на основе твердотельных активных лазерных элементов и может быть использовано в различных областях техники, в т.ч. медицинской в области лучевой терапии, например, в устройствах бесконтактной перфорации кожного покрова для забора крови, в качестве малогабаритного, эффективного и стабильного источника излучения.

Техника, использующая источники лазерного излучения, ставит перед ее разработчиками задачу повышения их коэффициента полезного действия (КПД) и выполнения их малогабаритными.

Частично эти проблемы удалось решить, используя известные технические решения по размещению полностью и частично отражающих зеркал лазерного резонатора на торцах твердотельного активного элемента, выполнив их в виде многогранника полного внутреннего отражения с усеченной вершиной на одном из торцов (см. , например, Описание полезной модели N 870 за 1995 г. H 01 S 3/06). Но решить эти проблемы, обеспечив качественный скачок в развитии этого направления техники, не удалось.

Известно лазерное оптическое устройство (см., например, Заявку PCT/US 93/10279 (WO 94/097131) по классу C 23 F 1/04, A 61 B 17/36), содержащее твердотельный активный элемент в виде стержня, разрядную лампу накачки, включающую разрядную трубку, наполненную инертным газом, и впаянные в нее электроды, полностью и частично отражающие зеркала лазерного резонатора, оптическую систему, включающую входную линзу или окно. Недостатками известного лазерного оптического устройства являются его значительные габариты, т.к. разрядная трубка и твердотельный активный элемент помещены в отражателе параллельно друг другу. При этом световой поток от разрядной трубы в большей своей части попадает на активный элемент отраженным, т.е. со значительными потерями, что снижает коэффициент полезного действия (КПД) известного устройства.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в создании лазерного оптического устройства с высоким КПД путем комплексного подхода и преодоления за счет этого указанного недостатков прототипа. Дополнительной задачей является минимизация габаритов устройства за счет оптимизации использования объема.

Технический результат использования изобретения состоит в повышении КПД устройства, в упрощении конструкции, уменьшении его габаритов и выполнении переносным.

Для достижения этого в известном лазерном оптическом устройстве, содержащем твердотельный активный элемент в виде стержня, разрядную лампу накачки, включающую разрядную трубку, наполненную инертным газом, и впаянные в нее электроды, полностью и частично отражающие зеркала лазерного резонатора, оптическую систему, включающую входную линзу или окно, согласно изобретению, активный элемент установлен в разрядной трубке с образованием равномерного зазора между разрядной трубкой и активным элементом при помощи узла крепления, соединенного с соответствующим электродом и концом активного элемента, при этом каждый электрод выполнен в виде кольца, установленного с зазором по отношению к активному элементу, а входная линза закреплена на разрядной трубке таким образом, что пространство между входной линзой или окном и активным элементом заполнено инертным газом. Надежно, если узел крепления выполнен в виде проточки, выполненной на активном элементе, и пружинного элемента, установленного в ней.

Удобно, если пружинный элемент выполнен в виде шайбы, припаянной к торцу электрода, обращенного к ближайшему торцу активного элемента, а проточка на активном элементе выполнена кольцевой.

Возможно, если узел крепления размещен внутри электрода, при этом на внутренней поверхности электрода выполнена проточка, а пружинный элемент выполнен в виде разрезного кольца.

Практически, если разрядная трубка выполнена из оптически непрозрачного, диэлектрического материала с повышенным коэффициентом отражения в полосах спектра накачки активного элемента, например керамики.

Совокупность отличительных признаков заявителям не известна, что является доказательством новизны предложения, а каждый из признаков совокупности со всей очевидностью не следует из уровня техники, что является доказательством наличия изобретательского уровня в предложении. При этом авторы подчеркивают наличие причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков изобретения и достигаемым техническим результатом.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 изображено лазерное оптическое устройство. На фиг. 2 изображено лазерное оптическое устройство с возможным конструктивным выполнением узла крепления активного элемента.

Лазерное оптическое устройство содержит активный элемент 1, выполненный в виде стержня цилиндрической формы, представляющий собой кристалл АИГ: Er диаметром 4 мм, длиной 60 мм или 100 мм. На торцах активного элемента выполнены многогранники полного внутреннего отражения 2 с усеченной вершиной 3 на выходном торце, представляющие собой полностью и частично отражающие зеркала лазерного резонатора. Активный элемент размещен внутри разрядной трубки 4, входящей в лампу накачки, предпочтительно выполненной из керамики на основе Al₂O₃, являющейся оптически непрозрачным материалом и диэлектриком с повышенным коэффициентом отражения в полосах спектра накачки активного элемента. Активный элемент установлен в разрядной трубке с образованием равномерного зазора между разрядной трубкой и активным элементом. У торцев разрядной трубки припаяны или скреплены с ней при помощи припоя или компаунда 5 герметизирующие колпачки 6. С герметизирующими колпачками соединены электроды 7, выполненные в виде колец, установленных с зазором по отношению к активному элементу. Активный элемент крепится при помощи узлов крепления, соединенных с электродами. Допускается жесткое крепление электрода и узла крепления. Узел крепления лазерного оптического устройства, изображенного на фиг. 1, выполнен в виде цилиндрической проточки 8, выполненной на активном элементе, и пружинного элемента 9 в виде шайбы, припаянной к торцу электрода, обращенного к ближайшему торцу активного элемента. Узел крепления лазерного оптического устройства, изображенного на фиг. 2, выполнен внутри электрода и включает в себя кольцевую проточку 8, выполненную на активном элементе у его торца, дополнительный буртик-проточку 10, выполненную на внутренней поверхности электрода, и пружинного элемента 9 в виде разрезного кольца, находящегося между уступами, образованными проточками на активном элементе и внутренней поверхности электрода. Проточки невелики по размеру и составляют всего 0,1 мм. Пружинный элемент в виде разрезного кольца выполняется из вольфрамовой проволоки диаметром ⊘ 0,3 мм. Пружинный элемент в виде шайбы выполняется из ниобиевой фольги толщиной 0,1 мм. Его пружинящие свойства проявляются в поперечном направлении.

Предлагаемые узлы крепления активного элемента позволяют за счет упругости элементов в них входящих или возможности перемещения элементов крепления в пределах упругих деформаций исключить возможность возникновения в активном элементе напряжений, приводящих к изменению его оптических свойств.

Со стороны выходного торца 3 активного элемента с торцем разрядной трубки герметично соединена втулка 11. Соединение осуществлено путем сварки. Во втулке герметично закреплена входная линза 12 или окно оптической системы (на чертежах не показано). Входная линза или окно размещены на оптической оси активного элемента, причем пространство между входной линзой и выходным торцем 3 активного элемента заполнено инертным газом. Разрядная трубка со стороны полностью отражающего зеркала 2 активного элемента 1 снабжена откачным штенгелем 13, соединенным с герметизирующим колпачком 6 и служащим для откачивания воздуха и заполнения разрядной трубки инертным газом. После заполнения инертным газом штенгель запаивают. Разрядная трубка может быть выполнена из светопрозрачного материала и сверху покрыта светонепрозрачным напыленным слоем металла 14 (показан пунктиром). Внутренний диаметр разрядной трубки составлял 7 мм, а наружный - 9 мм. Расстояние между кольцевыми электродами составляло 45 мм (для активного элемента длиной 60 мм) и 85 мм (для активного элемента длиной 100 мм). Упругий элемент в виде шайбы выполнялся из ниобиевой фольги. Входная линза оптической системы диаметром 10 мм с фокусным расстоянием 20 мм изготавливалась из стекла К-8. Скрепление деталей устройства осуществлялось пайкой с помощью припоя на основе олова или с помощью клея. Герметичные соединения осуществлялись электроннолучевой сваркой.

Работа устройства осуществляется следующим образом. После подачи на электроды 7 импульсного напряжения от источника тока (на чертеже не показан) в коаксиальном зазоре между активным элементом 1 и внутренней поверхностью разрядной трубки 4 формируется импульсный разряд. За счет оптического излучения разряда осуществляется оптическая накачка активного элемента и формирование в лазерном резонаторе 2, 3 лазерного излучения, которое выводится из устройства через линзу 12, которая фокусирует его на объект. Более эффективное использование оптического излучения в предлагаемой конструкции по сравнению с известной позволяет увеличить ее КПД в 1,5 - 2,5 раза. Использование поверхностей разрядной трубки в качестве отражателя, выполнение узла крепления активного элемента чрезвычайно простым и компактным благодаря размещению входной линзы оптического устройства на разрядной трубке позволило качественно улучшить технические характеристики лазерного оптического устройства, расширить область применения лазерного излучения.

Для заявленного изобретения, в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы, подтверждена возможность осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета методом и средств.

В свою очередь заявленное изобретение при его осуществлении способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем результата. Следовательно, оно соответствует критерию "промышленная применимость".

Изобретение относится к лазерной технике, к устройствам со стимулированным излучением и может быть использовано в различных областях техники, в т. ч. медицинской, в области лучевой терапии, например в устройствах бесконтактной перфорации кожного покрова для забора крови. Сущность заключается в том, что активный элемент размещают на продольной оси разрядной трубки и входную линзу оптической системы на разрядной трубке, что позволило узел крепления активного элемента выполнить предельно простым и разместить его на электроде. Техническим результатом является повышение КПД устройства и минимизация его габаритов. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Лазерное оптическое устройство, содержащее твердотельный активный элемент в виде стержня, разрядную лампу накачки, включающую разрядную трубку, наполненную инертным газом, и впаянные в нее электроды, полностью и частично отражающие зеркала лазерного резонатора, оптическую систему, включающую входную линзу или окно, отличающееся тем, что активный элемент установлен в разрядной трубке с образованием равномерного зазора между разрядной трубкой и активным элементом при помощи узла крепления, соединенного с соответствующим электродом и концом активного элемента, при этом каждый электрод выполнен в виде кольца, установленного с зазором по отношению к активному элементу, а входная линза закреплена на разрядной трубке так, что пространство между входной линзой или окном и активным элементом заполнено инертным газом. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что узел крепления выполнен в виде проточки, выполненной на активном элементе, и пружинного элемента, установленного в ней. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что пружинный элемент выполнен в виде шайбы, припаянной к торцу электрода, обращенного к ближайшему торцу активного элемента, а проточка на активном элементе выполнена цилиндрической. 4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что узел крепления размещен внутри электрода, при этом на внутренней поверхности электрода выполнены кольцевая проточка и дополнительная проточка, а пружинный элемент выполнен в виде разрезного кольца. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что разрядная трубка выполнена из оптически непрозрачного, диэлектрического материала с повышенным коэффициентом отражения в полосах спектра накачки активного элемента, например керамики.