ЛАЗЕР Российский патент 2003 года по МПК H01S3/00 

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

Известен лазер (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, с.393-396), в отражателе которого расположены лампа накачки и активный элемент, соосно установленный с воздушным зазором в оптически прозрачную для излучения накачки сапфировую трубку.

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 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 содержится лампа накачки, активный элемент, помещенный соосно внутрь теплопроводящей и прозрачной для излучения накачки сапфировой трубки, с концов которой осуществляется теплоотвод на корпус лазера (см. патент США 3676798).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится то, что хотя и снижается общая температура активного элемента путем отвода тепла от сапфировой трубки на корпус лазера, однако не достигается полного выравнивания температуры по поверхности активного элемента. Преобладание притока тепла со стороны разогретого баллона лампы на ближнюю к ней часть активного элемента с неизбежностью приводит к термооптическим искажениям активного элемента.

Сущность изобретения заключается в повышении средней мощности излучения лазера и стабильности диаграммы направленности излучения путем уменьшения термических деформаций активного элемента и снижения его температуры.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в лазере, в отражателе которого установлены лампа накачки и активный элемент в оптически прозрачном для излучения накачки трубчатом держателе, контактирующими через диффузно-отражающее покрытие с корпусом лазера, активный элемент в трубчатом держателе смещен в сторону лампы накачки таким образом, что отношение величины зазора между верхней к лампе накачки частью активного элемента и стенкой трубчатого держателя к величине зазора между нижней частью активного элемента и стенкой трубчатого держателя лежит в пределах 1/3-1/5.

На фиг. 1 изображена схема лазера, на фиг.2 - зависимость энергии излучения от времени работы: а) при соосной установке активного элемента в трубчатом держателе, б) при смещении активного элемента в трубчатом держателе в сторону лампы на оптимальную величину, определяемую отношением δ=1/3-1/5, на фиг.3 представлена зависимость отклонения диаграммы направленности излучения от времени работы лазера: кривая а - для случая установки активного элемента по центру (соосно) трубчатого держателя, б - для случая контакта (прижима) ближней от лампы накачки части активного элемента к трубчатому держателю, в - при смещении активного элемента в трубчатом держателе в сторону лампы накачки на оптимальную величину, определяемую отношением δ=1/3-1/5.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем.

Лазер содержит расположенный в резонаторе (условно не показан) активный элемент 1, асимметрично размещенный в оптически прозрачном трубчатом держателе 2, диффузный отражатель 3, лампу накачки 4, причем трубчатый держатель 2 и лампа накачки 4 контактируют каждый наполовину своего диаметра с корпусом диффузного отражателя 3. Диффузно отражающее покрытие с высоким интегральным коэффициентом отражения (не менее 96%) и достаточно хорошей теплопроводностью нанесено на металлический корпус 5 лазера.

Устройство работает следующим образом.

Тепловой поток от разогретого баллона лампы накачки 4 (при средней мощности накачки 150 Вт баллон нагревается до температуры 250-300^oС) направляется на активный элемент 1, помещенный в оптически прозрачном трубчатом держателе 2, изготовленном из теплопроводного материала. Трубчатый держатель 2 обеспечивает более равномерное растекание тепла по поверхности активного элемента с последующим его выводом на корпус лазера. Однако ввиду близости трубчатого держателя 2 к лампе накачки (2-3 мм) ближняя к баллону лампы поверхность активного элемента в случае его соосного размещения в трубчатом держателе нагревалась бы более сильно, чем противоположная. В результате в активном элементе из-за наличия градиента температуры возникли бы значительные термооптические искажения. Это привело бы к снижению энергии генерации и увеличению нестабильности диаграммы направленности излучения.

При установке активного элемента в трубчатом держателе со смещением в сторону лампы накачки из-за уменьшения толщины воздушного зазора скорость отвода тепла от ближней к лампе накачки части активного элемента через трубчатый держатель на корпус лазера увеличивается. Это приводит к выравниванию температуры по поверхности активного элемента и снижению ее общего уровня. В результате уменьшаются термооптические искажения в активном элементе, повышается стабильность энергии генерации и диаграммы направленности при работе лазера в частотном режиме при повышенных мощностях накачки.

В конкретном варианте твердотельного лазера применялся активный элемент из калий-гадолиниевого вольфрамата, активированного ионами неодима (КГБ: Nd3+), диаметром 4 мм и длиной 50 мм, лампа накачки типа ИНПЗ-35А, контактирующие наполовину своего диаметра через диффузно-отражающее покрытие с металлическим корпусом отражателя.

Активный элемент устанавливался в сапфировой трубке с толщиной стенки 1,2 мм, внутренним диаметром 4,7 мм и длиной 50 мм со смещением в сторону лампы накачки таким образом, что отношение величины зазора между верхней к лампе накачки частью активного элемента и стенкой трубчатого держателя к величине зазора между нижней частью активного элемента и стенкой трубчатого держателя лежало в пределах 1/3-1/5. Расстояние между осями лампы накачки и активного элемента 8 мм.

Плоскопараллельный резонатор длиной 200 мм образован плоскими зеркалами с коэффициентами отражения R=30% - для выходного и 99,5% - для "глухого".

Мощность накачки 150 Вт, продолжительность накачки - 5 с, время паузы между сериями импульсов - 15 с, количество серий - 6.

Сравнительные испытания лазеров (фиг.2, 3), выполненных по прототипу и изобретению, показали, что при смещении активного элемента в трубчатом держателе в сторону лампы накачки на величину, определяемую отношением величины зазора между верхней к лампе накачки частью активного элемента и стенкой трубчатого держателя к величине зазора между нижней частью активного элемента и стенкой трубчатого держателя и удовлетворяющую соотношению 1/3-1/5, термооптические деформации в активном элементе минимальные, при этом увеличивается стабильность диаграммы направленности излучения (примерно в 6 раз, фиг. 3 кривая в), а средняя мощность излучения увеличивается примерно в 1,5 раза по сравнению с соосно установленным в трубчатом держателе активным элементом (фиг.2 а).

Если δ=0, что отвечает случаю контакта активного элемента с верхней частью трубчатого держателя, тогда за счет интенсивного теплоотвода ближняя к лампе накачки часть активного элемента охлаждается быстрее, чем нижняя. Это приводит к увеличению термооптической деформации активного элемента, при этом меняется и знак деформации (фиг. 3 кривая б). Если δ=1 (соосная установка активного элемента), тогда, аналогично как для прототипа, термооптические деформации также значительны, что приводит к нестабильности выходных параметров излучения (фиг. 3 кривая а).

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к импульсно-периодическим твердотельным лазерам с естественным охлаждением активного элемента. Твердотельный лазер содержит расположенную в резонаторе лампу накачки, активный элемент, установленный в оптически прозрачном трубчатом держателе, и контактирующий с последним диффузный отражатель. Активный элемент установлен в оптически прозрачном трубчатом держателе асимметрично. Отношение величины зазора между верхней к лампе накачки частью активного элемента и стенкой оптически прозрачного трубчатого держателя к величине зазора между нижней частью активного элемента и стенкой трубчатого держателя выбрано в пределах 1/3-1/5. Технический результат изобретения - повышение стабильности диаграммы направленности и энергии излучения. 3 ил.

Твердотельный лазер, содержащий расположенную в резонаторе лампу накачки, активный элемент, установленный в оптически прозрачном трубчатом держателе, и контактирующий с последним диффузный отражатель, отличающийся тем, что активный элемент установлен в оптически прозрачном трубчатом держателе асимметрично, при этом отношение величины зазора между верхней к лампе накачки частью активного элемента и стенкой оптически прозрачного трубчатого держателя к величине зазора между нижней частью активного элемента и стенкой трубчатого держателя выбрано в пределах 1/3-1/5.