ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР Российский патент 2003 года по МПК H01S3/42 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в импульсно-периодических твердотельных лазерах с кондуктивным охлаждением, работающих как в режиме кратковременных циклов излучения (десятки секунд), так и в продолжительном режиме (несколько минут) со стабильной энергией излучения, повышенным КПД и высокой направленностью излучения при средних (100-300 Вт) мощностях накачки.

Известен твердотельный лазер (см. патент RU 2102824 от 02.08.96), осветитель которого, состоящий из отражателя, лампы накачки и активного элемента, упруго прижат к основанию корпуса лазера.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится то, что данное устройство, слабо подверженное влиянию вибрации, механических и термических деформаций корпуса, критично к перегреву и термическим искажениям активного элемента, возникающим из-за значительного градиента температуры между ближней к лампе накачки и соответственно более нагретой частью и противоположной, менее нагретой при работе с повышенными мощностями накачки.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков и выбранным за прототип является твердотельный лазер (Балашов И.Ф. и др. "Охлаждение активного тела ОКГ с помощью металлического теплопроводника". Оптико-механическая промышленность, 4, 1968, с. 5), в котором активный элемент нижней частью посажен на теплоотвод посредством теплопроводной прослойки. В результате этого обеспечивается отвод тепла от активного элемента, что позволяет использовать более высокие мощности накачки.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится нескомпенсированный симметричный градиент температуры в плоскости, проходящей через оси лампы накачки и активного элемента, приводящий к возникновению цилиндрической тепловой линзы, что приводит к снижению выходных параметров излучения.

Сущность изобретения заключается в повышении КПД, мощности излучения и направленности излучения твердотельного лазера с безжидкостной системой охлаждения как в режиме кратковременных циклов излучения (десятки секунд), так и в продолжительном режиме (несколько минут) в широком диапазоне мощностей накачек (от 100 до 300 Вт).

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что верхняя часть осветителя содержит лампу накачки, а нижняя часть осветителя содержит активный элемент, теплоотводящую пластину, прозрачную для излучения накачки, прижимную пластину, при этом активный элемент выполнен пластинчатым и упруго прижат по всей длине нижней частью осветителя к теплопроводящей пластине, причем коэффициенты теплопроводности активного элемента λ и прозрачной пластины λ₁, коэффициенты теплопередачи α₁ верхней части активного элемента и α₂ нижней части активного элемента, контактирующего с прижимной подвижной частью осветителя, связаны следующими соотношениями:
λ₁≥2λ, 0,5<α₂/α₁<1.
На фиг.1 схематически изображен лазер, на фиг.2 представлены графики зависимости энергии генерации от времени работы для различных коэффициентов теплопередачи между прижимной частью осветителя и активным элементом.

Кривая 1 - для коэффициента теплопередачи α₂, удовлетворяющего условию 0,5<α₂/α₁<1;
Кривая 2 - для случая, когда α₂/α₁>>1 (коэффициент теплопередачи α₁ от верхней части активного элемента, контактирующего с прозрачной пластиной, значительно меньше α₂ коэффициента теплопередачи от нижней части активного элемента);
Кривая 3 - для случая, когда α₂/α₁<0,5 (прижимная пластина выполнена из молочного стекла).

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

Активный элемент 1 пластинчатого типа наиболее нагретой стороной (фиг.1) упруго прижат к плоской прозрачной пластине 2 прижимной пластиной 3 с отражающим покрытием. Верхняя часть осветителя с лампой накачки 4 изолирована тонкими теплоизоляционными фторопластовыми прокладками 5 от нижней части осветителя, содержащей активный элемент 1, пластину 2 и прижимную пластину 3. Пружинный механизм 6 осуществляет упругий прижим активного элемента 1 к прозрачной теплоотводящей пластине 2, имеющей хороший тепловой контакт с массивным алюминиевым корпусом 7 осветителя.

Устройство работает следующим образом,
В процессе работы лампы накачки активный элемент нагревается симметрично за счет притока тепла от баллона лампы накачки и поглощения излучения накачки, так как из-за различий в коэффициентах теплопроводности уравниваются температуры ближней к лампе накачки части активного элемента и противоположной. Одновременно с нагревом за счет контактирования ближней к лампе накачки грани активного элемента с прозрачной теплопроводной пластиной и противоположной грани с прижимной пластиной с меньшим коэффициентом теплопередачи тепло симметрично удаляется по данному пути на алюминиевый корпус осветителя и его ребрами рассеивается в наружную среду.

Постоянный упругий поджим активного элемента обеспечивает надежный теплоотвод как от верхней части активного элемента, так и нижней. Упругость прижима выбрана таким образом, чтобы для предельно допустимых мощностей накачек внутренние напряжения, возникшие в активном элементе, не вызвали его разрушения, а привели только к клиновой деформации активного элемента.

Так как верхняя часть активного элемента нагревается больше из-за близости к баллону лампы накачки по сравнению с противоположной, теплопроводность материала прозрачной пластины, с которой контактирует данная часть активного элемента, должна быть больше теплопроводности материала прижимной части и соответствовать соотношению λ₁≥2λ. При этом коэффициент теплопередачи α₁ от верхней части активного элемента, контактирующего с прозрачной пластиной, и коэффициент теплопередачи α₂ от нижней части активного элемента, контактирующего с прижимной пластиной, должны соответствовать соотношению 0,5<α₂/α₁<1.
В противном случае, как показали экспериментальные исследования (см. фиг. 2, кривые 2, 3) в активном элементе из-за значительного градиента температуры возникают значительные термооптические искажения, что вызывает резкое падение энергии генерации, соответственно, и КПД устройства. При уравнении скорости отвода тепла от активного элемента (кривая 1, фиг.2) удалось минимизировать термооптические искажения в активном элементе и получить стабильную энергию излучения при минимальном (не более несколько секунд) переходном процессе.

Сравнительные испытания лазеров, выполненных по прототипу и изобретению, показали, что при работе в циклическом режиме с частотой следования импульсов 20 Гц и энергией накачки 4-5 Дж лазер, выполненный по изобретению, по сравнению с прототипом, обеспечивал стабильную работу в течение 1-1,5 мин в плоскопараллельном резонаторе длиной 29 см, в то время как у прототипа для компенсации симметричной термооптической составляющей в активном элементе применялся устойчивый резонатор, что в конечном счете приводило к повышению расходимости излучения.

В конкретном варианте твердотельного лазера использовался активный элемент из КГВ: Nd³⁺ толщиной и шириной 3 мм, длиной 50 мм, коэффициентом теплопроводности λ= 2,8 Вт•м^-1 град^-1. Плоскость поляризации излучения активного элемента проходила через плоскость, содержащую активный элемент и лампу накачки типа ИНПЗ-35. В качестве прозрачного теплоотвода от ближней к лампе части активного элемента использовалась лейкосапфировая пластина толщиной 1 мм, шириной 10 мм и длиной 70 мм с коэффициентом теплопроводности λ= 35 Вт•м^-1 град^-1. В качестве теплоотвода для нижней части активного элемента использовалась алюминиевая пластина толщиной 5 мм, длиной 50 мм и высотой 15 мм. При использовании зеркального осветителя в виде отражающего покрытия на прижимной пластине использовалась посеребренная полоска, изолированная от прижимной пластины тонким (~0,1-0,2 мм) слоем герметика ВГО-1 для выполнения соотношения 0,5<α₂/α₁<1. Для осветителя с диффузно-отражающим покрытием на прижимную пластину со стороны контакта с активным элементом наносилось диффузно-отражающее покрытие из окиси цинка. Размеры пластины, количество слоев и тип покрытия выбирались с расчетом уравнения скорости теплоотвода от верхней и нижней части активного элемента.

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к импульсно-периодическим твердотельным лазерам. Импульсно-периодический лазер содержит осветитель, внутри которого расположены активный элемент и лампа накачки. Верхняя часть осветителя содержит лампу накачки, а нижняя часть осветителя содержит активный элемент, теплоотводящую пластину, прозрачную для излучения накачки, прижимную пластину. Активный элемент выполнен пластинчатым и упруго прижат нижней частью осветителя по всей длине к теплопроводящей пластине. Коэффициенты теплопроводности активного элемента λ и прозрачной пластины λ₁, коэффициенты теплопередачи α₁ верхней части активного элемента, α₂ нижней части активного элемента, контактирующего с прижимной пластиной, связаны следующими соотношениями: λ₁≥2λ, 0,5<α₂/α₁<1. Технический результат изобретения - повышение эффективности охлаждения лазера. 2 ил.

Импульсно-периодический лазер, содержащий осветитель, внутри которого расположены активный элемент и лампа накачки, отличающийся тем, что верхняя часть осветителя содержит лампу накачки, а нижняя часть осветителя содержит активный элемент, теплоотводящую пластину, прозрачную для излучения накачки, прижимную пластину, при этом активный элемент выполнен пластинчатым и упруго прижат по всей длине нижней частью осветителя к теплопроводящей пластине, причем коэффициенты теплопроводности активного элемента λ и прозрачной пластины λ₁, коэффициенты теплопередачи α₁ верхней части активного элемента и α₂ нижней части активного элемента, контактирующего с прижимной пластиной осветителя, связаны следующими соотношениями λ₁≥2λ, 0,5<α₂/α₁<1.о