ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 2005 года по МПК H01S3/91 

Изобретение относится к квантовой электронике, конкретнее к твердотельным лазерам с непрерывным излучением, и может быть использовано в энергетических лазерных установках, лазерной химии, лазерной медицине, металлургии и других лазерных технологических процессах на Земле и в космическом пространстве.

Известен лазер с солнечной накачкой (Патент РФ №1701082, H 01 S 3/09, 1994 г.), содержащий систему из двух софокусных вогнутых разноапертурных зеркал и активный элемент, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД в него введены вторая система из двух софокусных разноапертурных параболоцилиндрических зеркал и два крышеобразных возвратных отражателя, зеркала первой системы выполнены параболоцилиндрическими, в меньшем зеркале первой системы выполнена щель, параллельная фокальной линии системы с шириной, равной апертуре меньшего зеркала второй системы, апертура большего зеркала второй системы равна апертуре меньшего зеркала первой системы, фокальные линии обеих систем параллельны друг другу, меньшее зеркало второй системы оптически связано по ходу излучения накачки с ее большим зеркалом через расположенные последовательно два возвратных отражателя и щель в меньшем зеркале первой системы, а активный элемент расположен между указанными отражателями, при этом один из крышеобразных возвратных отражателей размещен между фокальной линией и большим зеркалом второй системы, при этом в ней выполнена продольная щель, параллельная фокальной линии второй системы с шириной, равной апертуре меньшего зеркала первой системы.

Недостатком известного лазера является низкая эффективность накачки, поскольку спектр солнечного излучения близок к спектру теплового излучения черного тела, в котором интенсивность линий видимого диапазона везде одинаковая.

Поэтому кроме линий, совпадающих с полосой поглощения активатора, вся остальная область солнечного спектра только нагревает матрицу активного элемента. Мощность накачки ограничена постоянством солнечной радиации, работа лазера полностью зависит от погоды, необходима постоянная переориентация лазера по Солнцу. Более эффективно лазер с солнечной накачкой работает в космосе и то периодически (в тени Земли не работает).

Известен лазер (Патент США 5313485, H 01 S 3/0915, 1994 г.), в котором для улучшения согласования спектров излучения накачки и поглощения активатора применяется спектральное преобразование света лампы в фотолюминесцентное свечение люминофора.

Недостатком этого лазера является наличие лампы накачки, отсюда - низкий ресурс лазера, необходимость электропитания, размер активного элемента ограничен межэлектродным расстоянием лампы. Мощность генерации ограничен возможностями лампы накачки и потерями при спектральном преобразовании; лазер работает только в импульсном режиме на искусственных кристаллах. При ламповой накачке спектры согласованы слабо, к тому же сильное поглощение в матрице АИГ. Особенно вредно это в ультрафиолетовой области.

Светодиодная накачка согласована с поглощением активатора Nd³⁺ почти идеально, но она слаба по суммарной мощности из-за конструктивных проблем в излучателе. Поэтому лазеры со светодиодной накачкой в виде линеек имеют низкую мощность генерации и ограниченное применение. Известно, что газоразрядная лампа в качестве источника накачки не может работать без принудительного охлаждения, поскольку более 80% электроэнергии питания необходимо перевести в тепло для разогрева газа до состояния плазмы. Это внешнее тепло от лампы накачки суммируется с внутренним теплом в активном элементе из-за потерь на поглощение его матрицы. Поэтому для получения генерации необходимо водяное охлаждение активного элемента, так как перегрев резко повышает потери и порог генерации. Сильный нагрев по объему и теплосъем только с боковой поверхности активного элемента приводит к большим внутренним напряжениям, которые может выдержать только матрица из АИГ, а стекло не выдерживает и разрушается. Поэтому при ламповой накачке стекло не используется для получения непрерывного режима генерации, а только для импульсного.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является непрерывный твердотельный лазер (Патенты Японии №57-177584, 57-177585, H 01 S 3/091, 1982 г.) с электролюминесцентной накачкой. На активный элемент из Nd:YAG (неодим-иттрий-алюминиевый гранат) нанесены электропроводящие пленки с выходными электродами. Между пленками размещен слой люминофора. Внутренняя пленка выполнена прозрачной, а внешняя - отражающая. Зеркала резонатора нанесены на торцы активного элемента.

Недостатком лазера является необходимость электропитания, применение искусственного кристалла Nd:YAG и низкая мощность оптической накачки, которая ограничена тем, что на электроды нельзя подавать большую электрическую мощность из-за вероятности пробоя люминесцентного слоя. Свечение люминофора экранируется соседними слоями по толщине, поэтому на активный элемент эффективно работает только один внутренний слой. Неизбежны потери излучения накачки и в электропроводящей внутренней пленке.

Данное изобретение решает задачу создания непрерывного твердотельного полностью автономного лазера с большим ресурсом работы и широким диапазоном мощности генерации со стабильными характеристиками. Сущность изобретения заключается в том, что в твердотельном лазере, содержащем активный элемент, резонатор и источник оптической накачки, покрытый люминесцентным слоем, согласно изобретению источник накачки выполнен в виде пакета плоских элементов из световодного материала с центральным отверстием, установленных последовательно и соосно на активном элементе лазера, а люминесцентный слой выполнен из радиолюминесцентного материала и размещен на боковых поверхностях плоских элементов.

Торцевая поверхность плоских элементов может быть покрыта светоотражающим слоем, плоские элементы выполнены в виде дисков и размещены перпендикулярно продольной оси активного элемента.

На фиг.1 изображен лазер.

На фиг.2 - световодная пленка, покрытая радиолюминофором.

Твердотельный лазер содержит активный элемент 1, резонатор 2 и источник оптической накачки. Резонатор лазера выполнен в виде многослойных интерференционных зеркал, которые напыляются на торцы активного элемента или на стеклянные подложки, установленные в юстировочном устройстве. Конструктивно устройство накачки выполнено из пакета плоских элементов 3, предпочтительно в виде дисков из световодных стеклянных пленок с отверстием в центре под диаметр активного элемента.

Диск в данном случае понимается как круговой цилиндр с малой высотой, равной толщине пленки.

Диски установлены последовательно и соосно на активном элементе лазера. Для повышения эффективности устройства плоские элементы в виде дисков выполнены минимально возможной толщины, чтобы их в пакете было как можно больше. Тем самым увеличивается суммарная площадь свечения и общая мощность накачки. На боковую поверхность каждого диска (основание цилиндра) нанесен тонкий люминесцентный слой из самосветящейся радиолюминесцентной краски 4, который излучает одновременно на два смежных диска световода. Множество соосных дисков образуют пакет (цилиндр), внешняя цилиндрическая поверхность которого полируется, а затем на нее напыляется золотой отражатель 5. Диаграмма направленности свечения от каждого элементарного точечного источника (зерна радиолюминесцентной краски) имеет вид полусферы внутри световода. Все лучи (кроме нормальных к поверхности) после многократных отражений собираются и попадают на боковую поверхность активного элемента. Эффективность отражения для лучей, исходящих от радиолюминесцентной краски в каждый плоский элемент, выполненный в виде диска под разными углами, разная и определяется формулами Френеля. Все световые лучи в диске, падающие на границу раздела двух сред стекло-радиолюминесцентная краска под углом Брюстера и больше, испытывают полное внутреннее отражение. Лучи, падающие под меньшим углом, частично обладают потерями из-за иммерсии на границе раздела двух сред, однако они малы, так как твердость (коэффициент преломления) сред сильно отличаются. Эти потери можно практически полностью устранить, если использовать для изготовления дисков пленки многослойные или с градиентом коэффициента преломления по поперечному сечению с минимальным коэффициентом в центре пленки. В этом случае вошедший в диск свет от радиолюминесцентной краски не отражается от противоположной границы раздела, а не доходит до нее, плавно или скачками преломляется, поворачивается и идет по центру толщины пленки к золотому отражателю или в центр диска к активному элементу. Таким образом, практически весь излученный свет собирается на боковую поверхность активного элемента.

Отсутствие электропитания для накачки делает лазер полностью независимым и автономным, что позволяет резко расширить области его применения. Промышленностью освоено производство радиолюминесцентных красок, излучение которых лежит в узких диапазонах и в совокупности перекрывает области спектра от ультрафиолетовой до инфракрасной. Поэтому можно выбрать в качестве источника оптической накачки такой радиолюминесцентный материал, спектральный максимум излучения которого совпадает, например, с основными линиями поглощения активатора Nd³⁺. Реально получить весьма эффективное согласование спектров излучения накачки и поглощения активатора, а в области поглощения матрицы потери свести к минимуму. Таким образом, значительно повышается КПД оптической накачки.

Температурный баланс, существующий при накачке твердотельного активного элемента радиолюминесцентным методом, выгодно отличается от известных технических решений. Здесь нет высокотемпературной плазмы, а спектр излучения накачки оптимально согласован с линиями поглощения активатора. Следовательно, внутренний и внешний нагрев активного элемента многократно меньше. Отпадает необходимость водяного охлаждения. Упрощается конструкция лазера, достигается полная его автономность.

Без водяного охлаждения небольшое количества тепла равномерно распределено по объему твердотельного активного элемента, поэтому в нем нет больших внутренних напряжений. Появляется возможность использовать стекло с Nd³⁺ для получения непрерывного режима генерации. Оптически чистая стеклянная матрица активного элемента значительно снижает вредные потери на поглощение. Стекло во много раз дешевле искусственно выращенных кристаллов АИГ. Активные элементы из стекла можно изготавливать значительных размеров без ущерба качеству. В стекло более равномерно входит активатор Nd³⁺, есть возможность широко варьировать его концентрацию без потери качества матрицы.

Для многих применений лазерного излучения решающим фактором является стабильность мощности генерации (связь, управление химическими реакциями и др.) которая, в основном, зависит от стабильности накачки. При ламповой накачке газоразрядная лампа не является стабильной по свечению из-за физического состояния плазмы разряда. Ситуация усугубляется турбулентностью потока охлаждения вдоль активного элемента, которая фактически приводит к шумовой модуляции потерь в резонаторе лазера из-за термической нестабильности активного элемента.

При диодной накачке стабильность ее значительно выше, но и она полностью зависит от стабильности электропитания. Радиолюминесцентная накачка полностью свободна от этих недостатков и является идеально стабильной. Никакими другими методами превзойти такую стабильность невозможно. Очевидно, что область применения высокостабильных лазеров значительно шире. Поскольку активаторами радиолюминесцентной краски используются отходы атомной промышленности, которые имеют огромные сроки (сотни лет) периода полураспада, то существование самого факта радиолюминесценции и наличие энергии накачки равно этим же срокам. Недостижимый никакими другими способами ресурс такого источника накачки делает лазер практически вечным. В нем нет элементов, которые деградируют во времени.

Высокая чистота и однородность стекла в пленочном световоде обеспечивают его высокую радиационную стойкость к воздействию активатора радиолюминесцентной краски. Более того, невосприимчивость стеклянной пленки к радиации обусловлена составом радиации, поскольку в нем нет γ -составляющей, а β- и α-излучения имеют корпускулярный характер с очень малой проникающей способностью (α-излучение задерживает лист бумаги). К тому же радиолюминесцентные (самосветящиеся) краски, например, на основе отходов атомной промышленности выпускаются изначально радиационно-безопасными в соответствии с требованиями стандарта к такого рода материалам. Таким образом, применение радиолюминесцентного световодного метода накачки позволяет создать устройство, которое полностью автономно и независимо, обладает огромным ресурсом и выдает непрерывное лазерное излучение.

Изобретение относится к квантовой электронике. Устройство содержит активный элемент, резонатор и источник оптической накачки, покрытый люминесцентным слоем, причем источник накачки выполнен в виде пакета плоских элементов из световодного материала с центральным отверстием, установленных последовательно и соосно на активном элементе лазера, а люминесцентный слой выполнен из радиолюминесцентного материала и размещен на боковых поверхностях плоских элементов. Техническим результатом изобретения является отсутствие внешнего потребления энергии и большой ресурс работы. 3 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Твердотельный лазер, содержащий активный элемент, резонатор и источник оптической накачки, покрытый люминесцентным слоем, отличающийся тем, что источник накачки выполнен в виде пакета плоских элементов из световодного материала с центральным отверстием, установленных последовательно и соосно на активном элементе лазера, а люминесцентный слой выполнен из радиолюминесцентного материала и размещен на боковых поверхностях плоских элементов.2. Твердотельный лазер по п.1, отличающийся тем, что торцевая поверхность плоских элементов покрыта светоотражающим слоем.3. Твердотельный лазер по п.1, отличающийся тем, что плоские элементы выполнены в виде дисков.4. Твердотельный лазер по п.1, отличающийся тем, что плоские элементы размещены перпендикулярно продольной оси активного элемента.