ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 2003 года по МПК H01S3/02 H01S3/94 

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в приборостроении, военной технике, оптической связи и лазерной локации.

Известна конструкция твердотельного лазера [1], в котором зеркало резонатора и активный элемент закреплены на жестких опорах, снижающих вредное воздействие механических вибраций и шумов.

Устройство содержит жесткую трубу, два средства крепления, охватывающие внешнюю поверхность труб 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 регулировочные винты для юстировки зеркал.

Указанное устройство содержит большое количество деталей сложной формы, что увеличивает себестоимость лазера при его производстве.

Кроме того, регулировочные винты поддерживают точную юстировку зеркал в течение ограниченного промежутка времени, после истечения которого необходима подъюстировка зеркал.

Такой лазер не пригоден для работы в условиях повышенной вибрации, ударных, акустических и тепловых воздействий.

Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является твердотельный лазер [2] , содержащий осветитель, активный элемент и оптический резонатор.

Осветитель состоит из цилиндрического отражателя, являющегося фокусирующим элементом для цилиндрической лампы накачки.

Активный элемент выполнен в виде стержня и установлен в осветителе.

Оптический резонатор состоит из двух зеркал, первое из которых является глухим для излучения лазера, а второе - полупрозрачным сферическим. Зеркала оптического резонатора установлены на основании, которое выполнено в виде угольника или иного жесткого профиля. Осветитель прижат к основанию посредством пружины, жестко закрепленной на корпусе лазера. Зеркала оптического резонатора зафиксированы на плоских параллельных торцах основания, закрепленного в корпусе лазера.

Недостатком ближайшего аналога является использование в качестве источника света лампы накачки, имеющей ограниченный срок службы и квантовую эффективность, не превышающую 2%. В результате энергозатраты для лазера с выходной мощностью несколько ватт составляют сотни ватт. Кроме того, лампы накачки возбуждают высокоэнергетические уровни энергии примесных ионов активного элемента. Энергия этого возбуждения передается кристаллической решетке активного элемента, в результате чего он сильно нагревается. Поэтому лампу накачки и активный элемент следует охлаждать водой, что значительно увеличивает габариты, вес и стоимость лазера. И, наконец, лампы накачки имеют весьма ограниченный во времени ресурс работы, что требует их замены на новые.

В результате такой лазер невозможно применять в оптико-механических устройствах ответственного назначения, требующих высокого уровня надежности и длительного ресурса работы.

Задачей данного изобретения является создание экономичного малогабаритного твердотельного лазера с большим сроком службы, позволяющим работать в условиях вибрационных, ударных, механических и температурных нагрузок.

Технический результат: повышение надежности, срока службы, технологичности изготовления лазера.

Сущность изобретения заключается в том, что в твердотельном лазере, содержащем осветитель, оптический резонатор и активный элемент, причем осветитель состоит из источника света и фокусирующего элемента, оптический резонатор состоит из двух зеркал, одно из которых сферическое, между которыми расположен активный элемент, причем оптический резонатор установлен на основании, выполненном в виде угольника или иного жесткого профиля, и оба его зеркала зафиксированы на плоских параллельных торцах основания, закрепленного в корпусе лазера, в отличие от известного, источник света выполнен в виде одного или нескольких лазерных диодов, каждый из которых последовательно соединен с цилиндрической и конической линзами, которые являются фокусирующими элементами в осветителе, за которыми введен коллимирующий объектив, далее расположено первое зеркало оптического резонатора, а второе зеркало выполнено сферическим, ось обоих зеркал совмещена с осью активного элемента и коллимирующего объектива, а осветитель закреплен на отдельном основании, которое также жестко крепится на корпусе.

Коллимирующий объектив может быть выполнен в виде выпукло-плоской линзы, обращенной плоскостью к оптическим световодам.

Первое зеркало оптического резонатора может быть выполнено в виде плосковыпуклой линзы, обращенной плоскостью внутрь оптического резонатора, и на нее нанесено зеркальное покрытие.

Второе сферическое зеркало оптического резонатора выполнено в виде плосковогнутой линзы, вогнутая поверхность которой обращена внутрь оптического резонатора, и на нее нанесено светоделительное покрытие.

За оптическим резонатором может быть установлена телескопическая система типа Галилея с видимым увеличением менее I на отдельном основании, которое жестко крепится в корпусе. Кроме того, между конической линзой и коллимирующим объективом могут быть введены световоды, выполняющие оптическое сопряжение конических линз и коллимирующего объектива.

На чертеже изображен твердотельный лазер.

Твердотельный лазер состоит из нескольких блоков, последовательно установленных в корпусе 1 - осветитель, оптический резонатор и телескопическая система. Осветитель состоит из одного или нескольких лазерных диодов 2, с установленными последовательно за каждым из них цилиндрической 3 и конической 4 линзами, которые могут быть соединены с оптическими световодами 5, торцы которых расположены в фокальной плоскости коллимирующего объектива 6. Оптический резонатор состоит из двух зеркал: первое зеркало 7 и второе сферическое зеркало 8. Между ними на кронштейне 9 расположен активный элемент 10.

Осветитель собран на основании 11 с жестким профилем и установлен в корпусе лазера соосно с активным элементом 10.

Оптический резонатор собран на отдельном основании 12, а оба его зеркала 7 и 8 закреплены в плоскопараллельных торцах 13 основания 12.

Коллимирующий объектив 6 выполнен в виде выпукло-плоской линзы, обращенной плоскостью к оптическим световодам. Первое зеркало 7 оптического резонатора выполнено в виде выпукло-плоской линзы, плоская поверхность которой обращена внутрь оптического резонатора, и на нее нанесено покрытие, прозрачное к поступающему из осветителя излучению и отражающее (более 99,5%) излучение твердотельного лазера.

Второе сферическое зеркало 8 выполнено в виде плосковогнутой линзы, вогнутая поверхность обращена внутрь оптического резонатора, и на нее нанесено отражающее покрытие, а на плоскую поверхность - просветляющее для излучения лазера, что необходимо, чтобы между сферической и плоской поверхностью линзы не было интерференции лучей.

Телескопическая система состоит из окуляра 14, выполненного в виде двояковогнутой линзы и объектива, состоящего из линзы 15, выполненной в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к оптическому резонатору, и плосковыпуклой линзы 16, обращенной плоскостью к оптическому резонатору. Причем телескопическая система также жестко закреплена на основании 17, которое, в свою очередь, жестко крепится в корпусе 1.

Лазерные диоды 2 закреплены на теплопроводящих пластинах 18, которые установлены на микрохолодильниках 19, а они, в свою очередь, в радиаторе охлаждения 20. В осветителе установлен драйвер 21, который электрическим кабелем 22 связан с контроллером (не показан), создающим программу температурного режима работы и циклограмму токов лазерных диодов 2. Торцы световодов 5 крепятся на кронштейне 23.

В качестве активного элемента 10 используется кристалл иттрий-алюминиевого граната с примесью ионов Nd³⁺ с концентрацией 1,2 am% длиной 6 мм и диаметром 4 мм. Кронштейн 9 выполнен из бескислородной меди для быстрого отвода тепла от активного элемента 10.

Первое зеркало 7 и второе сферическое зеркало 8 выполнены из стекла марки K108. У первого зеркала 7 радиус кривизны выпуклой сферической поверхности равен 8,3 мм, толщина вдоль оси - 3,6 мм, диаметр - 6,3 мм. Второе сферическое зеркало 8 представляет собой плосковогнутую линзу с радиусом кривизны, равным 100 мм, толщиной вдоль оси 3 мм и диаметром 7 мм. Вогнутая поверхность линзы обращена внутрь оптического резонатора, и на ее поверхность нанесено интерференционное отражающее покрытие с коэффициентом пропускания 8% на длине волны излучения лазера. На плоскую поверхность второго сферического зеркала 8 нанесено просветляющее покрытие на длине волны излучения лазера. Лазерные диоды 2, размещенные в осветителе, крепятся на индивидуальных микрохолодильниках 19, которые обеспечивают с помощью драйвера 21 и контроллера оптимальную для работы лазерного диода 2 температуру в диапазоне 20-22^oС с точностью 0,1^oС независимо от температуры окружающей среды. Для устойчивости к ударным нагрузкам лазерные диоды 2 с линзами 3 и 4, световодами 5 и микрохолодильниками 19 укреплены на опорных прокладках, выполненных из титана (ГОСТ 19807-91, ГОСТ 222178-76), в опорных прокладках сделаны пропилы, в которые уложены световоды 5, идущие от конических линз 4 на оптическое сопряжение с коллимирующим объективом 6, который формирует параллельный пучок лучей с угловой расходимостью 16 минут и диаметром 220 мкм. Зеркала 7 и 8 оптического резонатора, лазерные диоды 2 с линзами 3 и 4 и световодами 5, кронштейн 9 с активным элементом 10 и микрохолодильники 19 соединены с опорными поверхностями с помощью эпоксидного клея ОК - 72 ГОСТ 14887-88. Параметры телескопической системы: видимое увеличение - 0,1, диаметр выходного зрачка 2,2 мм. Окуляр 14 телескопической системы - двояковогнутая линза из стекла ТФ5 с радиусом кривизны поверхностей - 4,57 мм, а объектив выполнен из двух линз, расположенных на расстоянии 0,3 мм. Первая линза 15 - положительный мениск с радиусами кривизны поверхностей - 60,7 мм и 23,3 мм соответственно. Вогнутая поверхность ее обращена плоскостью к оптическому резонатору. Вторая линза 16 - плосковыпуклая, обращенная плоскостью к оптическому резонатору. Радиус кривизны выпуклой поверхности - 51 мм. Материал обеих линз - стекло ТФ5. Для компенсации расходимости лазерного луча, имеющего гауссовское распределение интенсивности в радиальном направлении, в телескопической системе предусмотрена грубая юстировка путем изменения расстояния между окуляром и объективом с точностью 0,05 мм и тонкая юстировка путем изменения расстояния между линзами объектива с точностью 0,02 мм.

Такая конструкция лазера обеспечивает выходную мощность 5 Вт на длине волны излучения 1,064 мкм при мощности осветителя 12 Вт на длине волны 0,808 мкм. Диаметр светового пятна по уровню 0,3 на выходе телескопической системы составляет 2,20 мм и расходимость менее 4,5'.

Твердотельный лазер работает следующим образом. Излучение накачки, выходящее из лазерных диодов 2, проходит через цилиндрические 3, конические 4 линзы, световоды 5 и собирается в фокальной плоскости коллимирующего объектива 6, который направляет это излучение в оптический резонатор в виде параллельного пучка лучей через первое зеркало 7. Выпуклая поверхность первого зеркала 7, расположенная па входе в оптический резонатор, фокусирует излучение лазерных диодов 2 в центр активного элемента 10. Под действием этого излучения в активном элементе 10 возбуждаются энергетические уровни примесных ионов Nd³⁺ и, когда инверсная населенность энергетических уровней превысит пороговую, начинается генерация излучения на рабочей длине волны. Светоделительное покрытие, нанесенное на плоскую поверхность первого зеркала 7, выполнено так, что оно пропускает 95% излучения лазерных диодов 2 и является отражающим с коэффициентом отражения 99,5% для излучения лазера. Таким образом, зеркальная поверхность первого зеркала 7, вместе с зеркальной поверхностью второго сферического зеркала 8 участвуют в процессе многократного прохождения излучения через активный элемент 10. Далее лазерное излучение выходит из второго сферического зеркала 8 и проходит через телескопическую систему 14, 15, 16, на выходе которой имеем излучение заданной мощности и расходимости.

Таким образом, в результате предложенного решения обеспечено получение технического результата: создана конструкция экономичного малогабаритного твердотельного лазера с большим сроком службы, позволяющим работать в условиях вибраций, ударных, механических и температурных нагрузок.

Источники информации
1. ЕР, патент 0469568, кл. H 01 S 3/094, опубл. 1995 г.

2. Россия, патент 2102824, кл. H 01 S 3/02, 3/05, опубл. 1998 г.

Изобретение относится к лазерной технике (твердотельным лазерам) и может быть использовано в приборостроении, военной технике, оптической связи и лазерной локации. Твердотельный лазер выполнен в жестком корпусе и собран из отдельных блоков: блока осветителя, блока оптического резонатора и блока телескопической системы. Каждый из этих блоков расположен на отдельном основании, и сопрягаются они между собой в параллельном ходе лучей. Технический результат изобретения: упрощение сборки, повышение долговечности, стабильности выходной мощности и ремонтоспособности лазера. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Твердотельный лазер, содержащий установленные в корпусе осветитель, оптический резонатор и активный элемент, причем осветитель состоит из источника света и фокусирующего элемента, оптический резонатор состоит из двух зеркал, одно из которых сферическое, между зеркалами расположен активный элемент, при этом оптический резонатор установлен на основании, выполненном в виде угольника или иного жесткого профиля, и оба его зеркала зафиксированы на плоских параллельных торцах основания, закрепленного в корпусе лазера, отличающийся тем, что источник света выполнен в виде одного или нескольких диодов, каждый из которых последовательно соединен с цилиндрической и конической линзами, являющимися фокусирующими элементами в осветителе, за которыми введен коллимирующий объектив, далее расположено первое зеркало оптического резонатора, а второе зеркало выполнено сферическим, ось обоих зеркал совмещена с осью активного элемента и коллимирующего объектива, а осветитель закреплен на отдельном основании, которое также жестко крепится на корпусе. 2. Твердотельный лазер по п. 1, отличающийся тем, что коллимирующий объектив выполнен в виде выпукло-плоской линзы, обращенной плоскостью к оптическим световодам. 3. Твердотельный лазер по п. 1, отличающийся тем, что первое зеркало оптического резонатора выполнено в виде плосковыпуклой линзы, обращенной плоскостью внутрь оптического резонатора, и на нее нанесено зеркальное покрытие. 4. Твердотельный лазер по п. 1, отличающийся тем, что второе сферическое зеркало оптического резонатора выполнено в виде плосковогнутой линзы, вогнутая поверхность которой обращена внутрь оптического резонатора, и на нее нанесено светоделительное покрытие. 5. Твердотельный лазер по п. 1, отличающийся тем, что за оптическим резонатором на отдельном основании, которое жестко крепится в корпусе, установлена телескопическая система типа Галилея с видимым увеличением менее 1. 6. Твердотельный лазер по п. 1, отличающийся тем, что между конической линзой и коллимирующими объективом введены световоды.