ЛАЗЕР Российский патент 2003 года по МПК H01S3/00 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в импульсно-периодических твердотельных лазерах с безжидкостным охлаждением.

Известен лазер (cм.: Балашов И.Ф. и др. Термические деформации активного элемента ОКГ периодического действия без принудительного охлаждения. Известия вузов. Приборостроение, 1978, т.21, 2, с.122-126), в отражателе которого расположены лампа накачки и активный элемент.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится то, что из-за притока тепла от нагретого баллона лампы на ближнюю к ней часть активного элемента, в последнем возникают значительные термооптические искажения, имеющие характер оптического клина.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков и выбранным за прототип является твердотельный лазер, в отражателе которого расположена лампа накачки, активный элемент, помещенный внутрь теплопроводящей и прозрачной для излучения накачки сапфировой трубки (см.: патент 3676798 США, И.Ф. Балашов и др. Применение монокристаллических труб для выравнивания температуры в активной среде твердотельного лазера. Известия АН СССР. Серия физическая, т.44, 2, 1980 г., с. 393-396). К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства относится то, что хотя трубка и обеспечивает частичное снижение неравномерности температуры в активном элементе из-за более симметричного его нагрева, но преобладание притока тепла со стороны лампы с неизбежностью приводит к термооптическим искажениям активного элемента.

Сущность изобретения заключается в уменьшении термооптических искажений активного элемента и, как следствие, повышении стабильности диаграммы направленности и энергии излучения.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в лазере, в отражателе которого установлены лампа накачки, активный элемент в оптически прозрачном трубчатом держателе (трубке), на лампу накачки по длине ее разрядного промежутка со стороны активного элемента нанесено отражающее покрытие из окиси цинка на силикатной основе. Покрытие имеет коэффициент отражения не менее 0,85 в диапазоне длин волн 0,5-0,9 мкм, причем ширина полоски составляет 30-35% наружного диаметра баллона лампы накачки.

На фиг.1 изображена схема лазера, на фиг.2 представлена зависимость клиновой деформации активного элемента (отклонения диаграммы направленности излучения) от времени работы лазера, на фиг.3 - зависимость энергии излучения от времени работы при указанной выше мощности накачки. Кривые 1 - для случая отсутствия покрытия на баллоне лампы, кривые 2 - при его наличии.

На фиг.4 показана зависимость изменения эффективности предлагаемого устройства от ширины полоски отражающего покрытия, иллюстрирующая оптимально выбранные размеры полоски.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем:
Лазер содержит активный элемент 1, расположенный в оптически прозрачном трубчатом держателе (трубке) 2, лампу накачки 3 с нанесенной по всей длине разрядного промежутка со стороны активного элемента 1 полоской диффузно-отражающего покрытия 4.

Активный элемент 1 с трубчатым держателем 2 и лампа накачки 3 размещены в цилиндрической полости отражателя 5.

Устройство работает следующим образом.

В процессе работы лазера световое излучение от лампы накачки 3 и отраженное от стенок отражателя 5 направляется на активный элемент 1. Тепловой поток от разогретого баллона лампы 3 попадает на ближнюю к ней часть активного элемента 1 и создает в нем градиент температуры, приводящий к возникновению термооптических искажений.

Термооптические искажения активного элемента (имеющие характер оптического клина) вызывают флуктуации диаграммы направленности излучения и существенно снижают энергию генерации, особенно, если лазер содержит плоскопараллельный резонатор.

Нанесенная по всей длине лампы полоска диффузно-отражающего покрытия частично уменьшает долю прямого теплового потока на ближнюю к лампе накачки часть активного элемента, совместно с теплопроводящей трубкой выравнивает температуру активного элемента, уменьшая тем самым термооптические искажения в активном элементе. При этом, вследствие высокого коэффициента отражения покрытия в спектральном диапазоне накачки, эффективность осветителя практически не уменьшается (не более 15%), так как часть излучения возвращается в плазму лампы, подогревая ее, что эквивалентно дополнительно подводимой к лампе электрической энергии.

В конкретном варианте твердотельного лазера применялся активный элемент из калий-гадолиниевого вольфрамата, активированный ионами неодима (КГВ: Nd³⁺), диаметром 4 мм и длиной 50 мм, лампа накачки типа ИНПЗ-35А, установленные в диффузно-отражающем отражателе.

Активный элемент соосно устанавливался в сапфировой трубке с толщиной стенки 1,2 мм, внутренним диаметром 7 мм и длиной 80 мм. Расстояние между осями лампы накачки и активного элемента 8 мм. Для обеспечения теплоотвода от сапфировой трубки ее концы (по 15 мм с каждого края) контактировали с металлическим корпусом лазера 6.

На лампу накачки со стороны активного элемента по всей длине ее разрядного промежутка нанесена полоска диффузно-отражающего покрытия из окиси цинка на силикатной основе шириной 30-35% наружного диаметра лампы накачки. Коэффициент отражения покрытия - 0,85 в диапазоне длин волн 0,5-0,9 мкм.

Сравнительные испытания лазеров (фиг.2 и 3), выполненных по прототипу и изобретению, показали, что при экранировании части теплового потока с последующим переотражением в плазму накачки клиновая деформация активного элемента уменьшается примерно в 3-4 раза, а спад энергии генерации в конце цикла излучения уменьшается примерно в 1,5 раза. При этом (см. фиг.4) эффективность устройства при отношении ширины полоски L к наружному диаметру лампы накачки D, равном L/D=0,35, уменьшалась не более чем на 15%.

Эксперименты проводились в плоскопараллельном резонаторе длиной 230 мм, с коэффициентом отражения выходного зеркала R=30%, в качестве глухого зеркала использовалась призма полного внутреннего отражения, энергия накачки 7 Дж, частота следования импульсов накачки 20 Гц.

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к импульсно-периодическим твердотельным лазерам с безжидкостным охлаждением. Лазер содержит расположенные в резонаторе отражатель с активным элементом в оптически прозрачном трубчатом держателе и лампу накачки. На лампу накачки по всей длине разрядного промежутка со стороны активного элемента нанесено диффузно-отражающее покрытие. Покрытие сделано в виде продольной полосы шириной 30-35% наружного диаметра баллона лампы накачки. В состав покрытия входят окись цинка на силикатной основе с коэффициентом отражения не менее 0,85 в области длин волн 0,5-0,9 мкм. Технический результат изобретения - повышение стабильности диаграммы направленности и энергии излучения. 4 ил.

Лазер, содержащий расположенные в резонаторе отражатель с активным элементом в оптически прозрачном трубчатом держателе и лампу накачки, отличающийся тем, что на лампу накачки по всей длине разрядного промежутка со стороны активного элемента нанесено диффузно-отражающее покрытие в виде продольной полосы шириной 30-35% наружного диаметра баллона лампы накачки, включающее окись цинка на силикатной основе с коэффициентом отражения не менее 0,85 в области длин волн 0,5-0,9 мкм.