ОСВЕТИТЕЛЬ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА Российский патент 2003 года по МПК H01S3/02 H01S3/09 

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к осветителям твердотельных лазеров.

Осветитель является основным конструктивным элементом твердотельных лазеров, в котором осуществляется эффективная передача энергии светового излучения накачки активной среде. Основной вклад в нагрев активного элемента вносит излучение длин волн, поглощенных активной средой, но не участвующих в процессе генерации лазерного излучения, поэтому элементы отражателя должны быть прозрачны лишь в диапазоне полос возбуждения активного элемента. Нагрев активного элемента тем больше, чем больше мощность излучения накачки и чем дольше работает лазер.

Однако с повышением температуры активной среды увеличивается заселенность нижнего лазерного уровня, коэффициент усиления снижается, генерация прекращается. В процессе генерации лазерного излучения в активном элементе возникают термические деформации, также приводящие к различным нарушениям в работе лазеров.

Известны различные методы охлаждения активных сред, такие как охлаждение циркулирующим потоком жидкости, воздушное или газовое циркулирующее охлаждение [1] . Для жидкостных систем охлаждения основные проблемы связаны со значительными габаритами, энергопотреблением, техническими задачами обслуживания, а также с возможными невосстанавливаемыми изменениями жидкости под воздействием излучения источника накачки.

Недостатки использования сжатого газа еще более значительны. Охлаждение контактным методом приводит к сильным искажениям оптических свойств активного элемента и к значительным аберрациям выходного излучения лазера.

Известны конструкции осветителей твердотельных лазеров различных конфигураций с применением органического компаунда, синтезированного на основе поликонденсапонных полимеров, у которого нижняя граница пропускания спектра оптической накачки - 344 нм, коэффициент теплопроводности - 0,15 Вт/мК, предельная рабочая температура - не ниже 200^oС [2].

Недостатком этих осветителей является применение органического материала, имеющего существенные ограничения по удельной светостойкости и, в силу этого, эффективность и ресурс такого осветителя невысоки.

Известен также осветитель твердотельного лазера, в котором активный элемент размещен в термопроводящей и светопропускающей оболочке с использованием амортизирующего слоя в виде компаунда, размещенного в краевых радиальных зазорах между оболочкой и активным элементом [3].

Этот осветитель имеет следующие недостатки: радиальный зазор между активным элементом и оболочкой, составляющий не более 0,05 мм, технологически трудно реализовать, так как требуется очень высокоточная обработка отверстия оболочки, поверхность активного элемента должна быть полирована, что ограничивает возможности применения подобной конструкции, кроме того, применение компаунда в качестве амортизирующего слоя между активным элементом и оболочкой имеет свои ограничения по удельной светостойкости.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является осветитель твердотельного лазера [4], содержащий отражатель, внутри которого расположены источник накачки и активный элемент, установленный в канале термопроводящего держателя, в радиальном зазоре которого помещен амортизирующий слой в виде геля. Активный элемент и источник накачки закреплены на торцах. Тепло, вырабатываемое в активном элементе, отводится при помощи амортизирующего геля. Гель находится в полужидком состоянии, и любые механические напряжения не передаются на активный элемент или оболочку, поскольку напряжения заставляют гель свободно расширяться и вытекать из открытых концов радиального зазора между активным элементом и оболочкой. Температурные напряжения также уменьшаются, так как гель равномерно отводит тепло от активного элемента к оболочке. Такая конструкция осветителя обеспечивает теплопроводное охлаждение активного элемента, уменьшает двойное лучепреломление, вызванное механическими и термическими напряжениями, что позволяет получить выходное лазерное излучение с минимальными оптическими искажениями и хорошими коллимационными характеристиками.

Однако этот осветитель имеет следующие недостатки: используемый силиконовый гель является органическим материалом, который не выдерживает значительных удельных световых нагрузок, теряет свои оптические свойства, кроме того, при низких температурах вязкость геля увеличивается, что ограничивает его подвижность и, тем самым, снижает преимущества его применения.

Задачей настоящего изобретения является создание конструкции осветителя, в котором обеспечены оптимальные условия для эффективной передачи света источника накачки активному элементу как по его сечению, так и по его длине, а также дня равномерного не изменяющегося во времени отвода тепла от активного элемента, что позволит существенно снизить массогабаритные параметры прибора за счет отказа от использования системы охлаждения.

Для решения поставленной задачи предложен осветитель твердотельного лазера, содержащий отражатель, внутри которого расположены источник накачки и активный элемент, установленный в канале отражателя и закрепленный с концов посредством уплотняющих упругих кольцеобразных прокладок, в котором радиальный зазор между активным элементом и стенками канала составляет не менее 0,1 мм и заполнен водно-солевым раствором. Водно-солевой раствор может содержать хлориды щелочных и/или щелочноземельных металлов, хлорид лития в эвтектике, хлорид кальция в эвтектике, содержать хлорид лития и хлорид кальция.

Выбранный размер радиального зазора не менее 0,1 мм позволяет использовать реальные стандартные допуски на диаметр активного элемента и на диаметр канала и обеспечить максимально возможный равномерный отвод тепла от активного элемента, а также создать эффективный иммерсионный слой. При размере радиального зазора менее 0,1 мм трудно обеспечить необходимый массообмен теплоносителя.

Водно-солевой раствор обладает коэффициентом теплопроводности, близким к максимальному 0,6. . .0,56 Вт/мК при Т=200^oС, не взаимодействует с кварцем, лейкосапфиром, резинами, эластомером, обладает меньшей вязкостью, чем силиконовый гель, высокой удельной светостойкостью - 5 Дж/см, практически определяющей ресурс работы осветителя, высокой температурой кипения, имеет показатель преломления, равный или близкий показателю преломления активного элемента и материала моноблока n=1,43...1,45, обладает высоким поверхностным натяжением раствора, низкой температурой Т=минус 60...-80^oС температурой фазового перехода - температурой замерзания; раствор нетоксичен и недорог, так как состоит из хлоридов щелочных и/или щелочноземельных металлов, либо из солей лития в эвтектике, либо из солей кальция в эвтектике, либо состоит из солей лития и кальция. Водно-солевой раствор позволяет создать иммерсионный слой, а также обеспечить равномерный отвод тепла с поверхности активного элемента, и, таким образом обеспечить эффективную работу лазера без принудительного охлаждения при значительной средней мощности в широком диапазоне температур в течение длительного времени в циклическом режиме.

На чертеже представлена схема предлагаемого осветителя твердотельного лазера.

Осветитель 1, в котором собраны отражатель 2, источник накачки 3 и активный элемент 4, закрепленный с концов в канале 5 уплотняющими упругими прокладками кольцеобразной формы 6, с зазорам 7, заполненным водно-солевым раствором, устанавливается по технологической посадке с помощью теплопроводной пасты в корпус излучателя, являющегося одновременно тепловым аккумулятором и радиатором, и может быть выполненным из любого теплопроводящего или аккумулирующего тепло материала, например алюминия.

Предлагаемый осветитель работает следующим образом
При включении источника накачки световое излучение лампы накачки передается активному элементу и, при наличии резонатора, происходит генерация лазерного излучения. Тепло, образующееся в активном элементе при этом, отводится посредством водно-солевого раствора через отражатель на корпус осветителя и далее на корпус излучателя. Теплоотвод от корпуса излучателя рассчитывается в зависимости от конкретного режима излучателя и может быть осуществлен любым известным способом, например принудительно-воздушным и т.д.

В предлагаемом осветителе применен зеркальный цилиндрический отражатель диаметром d= 11 мм в виде моноблока из лейкосапфира с двумя отверстиями под лампу и активный элемент. Источником накачки служит лампа ИНП 2-3/35 с колбой из кварца, легированного церием для фильтрации УФ части спектра излучения накачки. В качестве активной среды использован активный элемент ГСГГ: Cr³⁺: Nd³⁺ размером 3х50. Водно-солевой раствор состоит из солей лития. Активный элемент установлен с помощью резиновых уплотняющих прокладок кольцеобразной формы.

В результате испытаний предлагаемого осветителя в излучателе частотного целеуказателя было установлено, что эффективность излучателя с предлагаемым осветителем не уступает эффективности излучателя с жидкостным охлаждением при одинаковых световых нагрузках в течение времени, требуемого для работы частотного целеуказателя, что позволяет существенно снизить массогабаритные параметры прибора.

В результате испытаний предлагаемого осветителя в излучателе частотного целеуказателя было установлено, что в предлагаемом осветителе созданы оптимальные условия для эффективной передачи света источника накачки активному элементу как по его сечению, так и по его длине, а также обеспечен равномерный, не изменяющийся во времени отвод тепла от активного элемента. Эффективность излучателя с предлагаемым осветителем не уступает эффективности излучателя с жидкостным охлаждением при одинаковых световых нагрузках в течение времени, требуемого для работы частотного целеуказателя, что позволяет существенно снизить массогабаритные параметры прибора.

Источники информации
1. Белостоцкий Б. Р. Основы лазерной техники. Твердотельные ОКГ. - М.: Советское радио, 1972, с.21-22.

2. Оптический журнал, том 67, 8, 2000.

3. Патент РФ 2110126, H 01 S 3/09, 1998.

4. Международная заявка РСТ 86/01344, H 01 S 3/093, 3/02, 1986 - прототип.

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к осветителям твердотельных лазеров. Осветитель содержит отражатель, внутри которого расположены источник накачки и активный элемент, установленный в канале отражателя и закрепленный с концов посредством уплотняющих упругих кольцеобразных прокладок. Радиальный зазор между активным элементом и стенками канала составляет не менее 0,1 мм и заполнен водно-солевым раствором. Технический результат изображения состоит в повышении эффективности теплообмена в осветителе. 4 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Осветитель твердотельного лазера, содержащий отражатель, внутри которого расположены источник накачки и активный элемент, установленный в канале отражателя и закрепленный с концов посредством уплотняющих упругих кольцеобразных прокладок, отличающийся тем, что радиальный зазор между активным элементом и стенками канала составляет не менее 0,1 мм и заполнен водно-солевым раствором. 2. Осветитель твердотельного лазера по п. 1, отличающийся тем, что водно-солевой раствор содержит хлориды щелочных и/или щелочноземельных металлов. 3. Осветитель твердотельного лазера по п. 1, отличающийся тем, что водно-солевой раствор содержит хлорид лития в эвтектике. 4. Осветитель твердотельного лазера по п. 1, отличающийся тем, что водно-солевой раствор содержит хлорид кальция в эвтектике. 5. Осветитель твердотельного лазера по п. 1, отличающийся тем, что водно-солевой раствор содержит хлориды лития и кальция.