ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР С ПРОДОЛЬНОЙ НАКАЧКОЙ Российский патент 2001 года по МПК H01S3/02 

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

Известен твердотельный лазер с продольной накачкой (Куратьев И.И. и др. Неодимовые излучатели с лазерной диодной накачкой, Известия АН СССР, сер. физическая. - М. : Наука, 1990, т. 54, N 10), в котором излучение двух лазерных диодов фокусируется первой оптической системой, складывается поляризационной призмой и фокусируется второй оптической системой в активный элемент твердотельного лазера. Резонатор лазера образован гранью активного элемента, обращенной ко второй фокусирующей системе, и выходным зеркалом. Для удержания требуемой длины волны накачки лазерные диоды установлены на двух микрохолодильниках, поддерживающих заданную рабочую температуру диодов.

Такой лазер характеризуется относительно небольшой мощностью и предназначен для использования в лабораторных условиях.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является твердотельный лазер с накачкой лазерными диодами (Патент N 2105399, МКИ: 6 H 01 S 3/094, приоритет 3.12.96), включающий микрохолодильник, на теплопроводящей пластине которого установлены лазерные диоды с цилиндрическими линзами, трапецеидальную призму, а также последовательно соединенные сферическую линзу, активный элемент и выходное зеркало резонатора, причем на торец активного элемента со стороны сферической линзы нанесено комбинированное покрытие, а на противоположный торец нанесено просветляющее покрытие.

Недостатком известного лазера является угловая нестабильность выходного излучения лазера при изменении температуры окружающей среды и ограниченный температурный диапазон его работы, что не позволяет использовать его в промышленных условиях.

Целью изобретения является обеспечение угловой стабилизации лазерного излучения в широком температурном диапазоне, упрощение конструкции, сборки и юстировки элементов лазера.

Поставленная цель достигается тем, что в твердотельном лазере с продольной накачкой, в корпусе которого установлены последовательно соединенные оптический модуль накачки и резонатор лазера с активным элементов и выходным зеркалом, активный элемент вклеен теплопроводящим компаундом в калиброванный ложемент, который выполнен со стороны оптического модуля накачки в цилиндрической оправе резонаторов, закрепленной в корпусе лазера соосно с оптической осью модуля накачки, при этом калибр ложемента D= d + (5-50) мкм, где d - диаметр активного элемента.

Вклейка активного элемента теплопроводящим компаундом в калиброванный ложемент цилиндрической оправы резонатора, закрепленной в корпусе лазера соосно с оптической осью модуля накачки, и выбор калибра ложемента D = d + (5-50) мкм, где d - диаметр активного элемента, позволили обеспечить угловую стабилизацию лазерного излучения в широком температурном диапазоне. Размещение элементов резонатора лазера в цилиндрической оправе, то есть выполнение его в виде отдельного блока позволило упростить конструкцию, сборку и юстировку элементов лазера.

Заявителю не известны твердотельные лазеры с продольной накачкой, в которых бы обеспечение угловой стабилизации лазерного излучения в широком температурном диапазоне достигалось подобным образом.

На фигуре 1 представлена конструкция твердотельного лазера с продольной накачкой.

На фигуре 2 - разрез А-А на фигуре 1.

Твердотельный лазер с продольной накачкой (фиг. 1) содержит корпус 1, в котором установлены оптический модуль накачки 2 и резонатор лазера, состоящий из цилиндрической оправы 3 с закрепленными в ней активным элементом 4 и выходным зеркалом с оправой 5. Активный элемент 4 вклеен в калиброванный ложемент 6, который выполнен в цилиндрической оправе 3 резонатора лазера, теплопроводящим компаундом. Резонатор лазера закреплен между опорной 7 и зажимной 8 (фиг. 2) частями корпуса 1 лазера соосно с оптической осью модуля накачки 2. На торец 9 активного элемента 4, обращенного к оптическому модулю накачки 2, нанесено комбинированное покрытие, отражающее на рабочей длине волны лазера и пропускающее на длине волны накачки. На противоположный торец 10 активного элемента 4 нанесено просветляющее покрытие на рабочую длину волны лазера. Оптический модуль накачки 2 в простейшем случае содержит лазерный диод с цилиндрической линзой 11, фокусирующую линзу 12 и микрохолодильник 13. Для более мощного лазера оптический модуль накачки 2 может содержать, например, три лазерных диода, как у прототипа, излучение которых суммируется с помощью трапецеидальной призмы и линзы сумматора.

Резонатор лазера выполнен в виде отдельного блока. Юстировка резонатора лазера осуществляется предварительно на оптическом стенде. После предварительной юстировки он устанавливается (фиг. 2) между опорной 7 и зажимной 8 частями корпуса 1 лазера соосно с оптической осью модуля накачки 2 таким образом, чтобы активный элемент 4 располагался со стороны оптического модуля накачки 2.

Калибр ложемента D = d + (5 - 50) мкм, где d - диаметр активного элемента. Величина зазора между калиброванным ложементом 6 цилиндрической оправы 3 и активным элементом 4 резонатора лазера определяется величиной зерен наполнителя теплопроводящего компаунда и, предпочтительно, должна в два - четыре раза превышать максимальный размер зерен.

Отношение внешнего диаметра цилиндрической оправы 3 резонатора лазера к диаметру активного элемента 4 определяется теплопроводностью материала, из которого выполнена цилиндрическая оправа. При изготовлении цилиндрической оправы 3 из алюминиевых сплавов это отношение целесообразно выбирать больше четырех.

В качестве теплопроводящего компаунда можно использовать эпоксидные клеи или самополимеризующиеся герметики, предпочтительно с теплопроводностью не хуже 2 Вт/(м•К).

Твердотельный лазер с продольной накачкой работает следующим образом.

Излучение лазерного диода с цилиндрической линзой 11 оптического модуля накачки 2 проходит фокусирующую линзу 12 и через комбинированное покрытие, нанесенное на торец 9 активного элемента 4 резонатора лазера, отражающее на рабочей длине волны и пропускающее на длине волны накачки, проходит в активный элемент 4 резонатора лазера и осуществляет его накачку. На выходном торце 10 активного элемента 4 нанесено просветляющее покрытие на рабочую длину волны лазера. Резонатор лазера снабжен выходным зеркалом 5.

Отвод тепла от активного элемента 4 лазера осуществляется через теплопроводящий компаунд радиально в цилиндрическую оправу 3 и далее через места крепления (опорная 7 и зажимная 8 части корпуса) цилиндрической оправы в корпус 1 лазера. При этом в активном элементе 4 не возникает тепловой изменяющейся цилиндрической линзы, приводящей к угловому смещению выходного излучения лазера.

В прототипе, при изменении температуры корпуса на ± 10^oC относительно средней температуры 20^oC наблюдался уход лазерного пучка до 30 угловых минут относительно среднего положения при значительном, в несколько раз, изменении выходной мощности. При большем изменении температуры генерация лазерного излучения прекращалась.

Экспериментальные исследования предлагаемого лазера в диапазоне температур от -40^oC до +50^oC показали, что угловое положение лазерного пучка относительно его положения при температуре корпуса 20^oC изменяется не более единиц угловых секунд, при изменении выходной мощности лазера не более 20%.

Предложенная конструкция твердотельного лазера с продольной накачкой, в которой активный элемент вклеен теплопроводящим компаундом в калиброванный ложемент, выполненный со стороны оптического модуля накачки в цилиндрической оправе резонатора, закрепленной в корпусе лазера соосно с оптической осью модуля накачки, при этом калибр ложемента D = d + (5-50) мкм, где d - диаметр активного элемента, позволила, путем отвода тепла с активного элемента в цилиндрическую оправу и затем на корпус лазера, обеспечить угловую стабилизацию лазерного излучения в широком диапазоне температур. Размещение элементов резонатора лазера в цилиндрической оправе, то есть выполнение резонатора в виде отдельного блока позволило упростить конструкцию, облегчить сборку и настройку лазера.

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к твердотельным лазерам с продольной накачкой. Лазер включает последовательно соединенные оптический модуль накачки и резонатор лазера с выходным зеркалом и активным элементом, вклеенным теплопроводящим компаундом в калиброванный ложемент. Ложемент выполнен со стороны оптического модуля накачки в цилиндрической оправе резонатора, закрепленной в корпусе лазера соосно с оптической осью модуля накачки. Калибр ложемента D = d + (5 - 50) мкм, где d - диаметр активного элемента. Технический результат изобретения: обеспечение угловой стабилизации излучения в широком диапазоне температур. 2 ил.

Твердотельный лазер с продольной накачкой, в корпусе которого установлены последовательно соединенные оптический модуль накачки и резонатор лазера с активным элементом и выходным зеркалом, отличающийся тем, что активный элемент вклеен теплопроводящим компаундом в калиброванный ложемент, который выполнен со стороны оптического модуля накачки в цилиндрической оправе резонатора, закрепленной в корпусе лазера соосно с оптической осью модуля накачки, при этом калибр ложемента D = d + (5 - 50) мкм, где d - диаметр активного элемента.