Способ изготовления осветителя твердотельного лазера Российский патент 2004 года по МПК H01S3/09 G02B5/08 

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано при изготовлении осветителей твердотельных лазеров.

Неотъемлемой частью осветителей твердотельных лазеров, как импульсного так и непрерывного режимов работы, является отражатель (зеркальный или диффузный), обеспечивающий максимально возможную передачу излучения лампы накачки активному элементу.

При создании малогабаритных лазеров, работающих в частотном режиме без принудительного охлаждения, к отражателю предъявляется требование по обеспечению хорошего отвода тепла из полости отражателя.

Известен способ изготовления осветителя твердотельного лазера, включающий нанесение серебряного покрытия на кварцевую трубку или моноблок по наружному диаметру и установку ее в корпус осветителя. При применении такого осветителя не обеспечивается требуемый отвод тепла из его полости из-за низкого коэффициента теплопроводности кварца - 1,2 Вт/м·К [1].

Известен способ изготовления осветителя твердотельного лазера, включающий нанесение зеркального покрытия на внешнюю поверхность трубки или моноблока из лейкосапфира, коэффициент теплопроводности которого - 35 Вт/м·К, с последующей установкой такого отражателя в корпусе осветителя [2]. Однако технологически изготовление отражателя из сапфира трудоемкий, дорогостоящий и длительный процесс, а эффективность такого отражателя существенно ниже из-за потерь на поглощение в материале и отражение от стенок трубки.

Известен способ изготовления осветителя твердотельного лазера [3], в котором отражатель получают методом гальванического серебрения металлического корпуса. В этом случае коэффициент отражения зависит от качества поверхности, подлежащей серебрению, а также от чистоты проведения технологического процесса. Посеребренная таким образом поверхность требует дополнительной защиты от потемнения, что снижает коэффициент отражения, а срок эффективной работы такого отражателя незначителен.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ изготовления осветителя твердотельного лазера, содержащий отражатель из металлической (серебряной или алюминиевой) фольги с зеркальной поверхностью [4].

Недостатком этого способа является необходимость нанесения защитного покрытия на отражающую поверхность, а также относительно невысокие коэффициенты отражения: для серебра - 92...93%, для алюминия - до 90%.

Задачей настоящего изобретения является создание способа изготовления безжидкостного кондуктивно охлаждаемого осветителя твердотельного лазера с ламповой накачкой, способного обеспечить работу лазера в диапазоне частот, необходимых для решения задач дальнометрирования и целеуказания при высокой технологичности и низкой стоимости изделия.

Поставленная задача решается за счет того, что в предложенном способе изготовления осветителя твердотельного лазера, содержащего отражатель из металлической фольги с зеркальной поверхностью, металлическую фольгу с зеркальной поверхностью получают путем химического серебрения кварцевой подложки с последующим нанесением гальваническим методом слоев меди и никеля и удаления фольги с кварцевой подложки, причем отражатель устанавливают в корпусе осветителя с обеспечением теплового контакта (с помощью теплопроводящего клея, пасты и прочее) между металлической фольгой и корпусом. Таким образом, благодаря применению металлической фольги и наличию теплового контакта между фольгой и корпусом обеспечивается передача тепла теплоаккумулирующему корпусу осветителя.

Известна технология нанесения зеркального серебряного покрытия химическим путем на кварцевые подложки [5]. Для получения качественного покрытия необходимо соблюдение следующих основных условий:

- полированная, тщательно очищенная от загрязнений поверхность подложки;

- предохранение поверхности подложки от образования устойчивых окислов от окончания полирования до начала процесса химического серебрения;

- чистота серебрящего раствора и концентрация в нем азотнокислого серебра;

- наличие качественных покрытий из меди и никеля.

Выполненное по известным технологиям покрытие должно быть прочно и не иметь отслоений.

После удаления полученной металлической фольги с кварцевой подложки отражатель устанавливают в теплоаккумулирующим корпусе осветителя посредством теплопроводящего клея, пасты, компаунда и т.д., обеспечивая тепловой контакт между металлической фольгой и корпусом.

Полученная указанным методом фольга обладает высоким коэффициентом отражения в широкой спектральной области, большой механической прочностью и гибкостью, позволяющей наклеивать ее на внутреннюю поверхность осветителей произвольной формы (например цилиндрических эллиптического, кругового сечения). Серебряное покрытие фольги обладает также повышенной химической стойкостью, что объясняется высокой чистотой осажденного серебра или переносом с кварцевой подложки мономолекулярного защитного слоя. Ускоренные испытания показали, что в составе герметизированного безжидкостного осветителя фольга может сохранять свои свойства не менее 10 лет.

На фиг.1 представлен осветитель твердотельного лазера, изготовленный предлагаемым способом. Осветитель 1 содержит отражатель 2 из металлической фольги, состоящей из зеркального серебряного слоя 3, слоя меди 4 и никеля 5. Тепловой контакт обеспечен в данном случае с помощью теплопроводящего клея 6.

На фиг.2 представлена спектральная зависимость коэффициента отражения зеркальной поверхности металлической фольги, полученной на подложке из кварцевого стекла марки КЛЖ. Как видно из графика, коэффициент отражения в области спектра ниже 470 нм снижается, что способствует снижению нагрева активного элемента, улучшая тем самым работу активного элемента.

Измерение коэффициента отражения полученной таким образом фольги было произведено на акустооптическом спектрофотометре AOS-3 SL в диапазоне длин волн 370-1100 нм.

Предлагаемый способ изготовления осветителей, содержащих отражатель из металлической фольги, позволяет создавать твердотельные лазеры малой и средней мощности без принудительного охлаждения, работающие в циклическом режиме в течение длительного времени в широком диапазоне температур без потери эффективности, для задач дальнометрии и целеуказания. Блок осветителя может представлять металлическую теплоаккумулирующую деталь произвольного объема и формы.

Примером конкретного выполнения служит осветитель твердотельного лазера, содержащий отражатель из металлической фольги с зеркальной серебряной поверхностью, установленный в излучателе дальномера, в котором в качестве активной среды используется алюмоиттриевый гранат с неодимом АИГ - Nd³⁺ размером ⊘3х50 мм, а источником накачки является лампа ИНП 2-3/35. Использование предложенного осветителя позволило обеспечить надежную работу излучателя на частоте 5...10 Гц в широком диапазоне температур до +65°С без снижения параметров в циклическом режиме при длительности цикла до 20 с.

Предлагаемый способ изготовления осветителя твердотельного лазера может применяться при создании малогабаритной аппаратуры типа частотных дальномеров, целеуказателей и т.д. и позволяет значительно снизить их массу и повысить надежность по сравнению с аналогичной аппаратурой, использующей жидкостное охлаждение лазерных излучателей. Стоимость отражателя из металлической фольги ниже стоимости кварцевого или сапфирового моноблока более чем в 10 раз.

Источники информации

1. Белостоцкий Б.Р. Основы лазерной техники. Твердотельные ОКГ. - М., Советское радио, 1972, стр. 23.

2. Оптический журнал, том 67, № 8, 2000.

3. Зверев Г.М., Голяев Ю.Д. Лазеры на кристаллах и их применение. - М., Радио и связь, 1994, стр. 245-246.

4. Микаэлян А.Л., Тер-Микаелян М.Л., Турков Ю.Г. Оптические квантовые генераторы на твердом теле. - М., Советское радио, 1967, стр. 103 - прототип.

5. Бардин А.Н. Технология оптического стекла - М., Высшая школа, 1963, стр. 461-465.

Способ изготовления осветителя твердотельного лазера, содержащего отражатель из металлической фольги с зеркальной поверхностью, включает получение металлической фольги с зеркальной поверхностью путем химического серебрения кварцевой подложки с последующим нанесением гальваническим методом слоев меди и никеля и удаления фольги с кварцевой подложки. Отражатель из металлической фольги устанавливают в корпусе осветителя с обеспечением теплового контакта между металлической фольгой и корпусом. Обеспечивается создание способа изготовления безжидкостного кондуктивно охлаждаемого осветителя твердотельного лазера с ламповой накачкой, способного обеспечить работу лазера в диапазоне частот, необходимых для задач дальнометрирования и целеуказания при высокой технологичности и низкой стоимости изделия, а также способ позволяет значительно снизить массу и повысить надежность по сравнению с аналогичной аппаратурой, использующей жидкостное охлаждение лазерных излучателей. 2 ил.

Способ изготовления осветителя твердотельного лазера, содержащего отражатель из металлической фольги с зеркальной поверхностью, отличающийся тем, что металлическую фольгу с зеркальной поверхностью получают путем химического серебрения кварцевой подложки с последующим нанесением гальваническим методом слоев меди и никеля и удаления фольги с кварцевой подложки, причем отражатель устанавливают в корпусе осветителя с обеспечением теплового контакта между металлической фольгой и корпусом.