ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР С ЗИГЗАГООБРАЗНЫМ ХОДОМ ЛУЧЕЙ Российский патент 2006 года по МПК H01S3/02 

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано при разработке и изготовлении лазерных устройств с повышенной мощностью излучения.

Твердотельные лазеры с зигзагообразным ходом лучей в активном элементе (АЭ), который выполнен в форме параллелепипеда, могут генерировать лазерное излучение более высокого качества, чем традиционные лазеры, построенные на АЭ в форме стержня круглого сечения. Это связано с тем, что при определенных условиях в таких лазерах происходит компенсация влияния возникающих тепловых линз на лазерный луч.

Известен твердотельный лазер, содержащий АЭ в форме параллелепипеда с торцевыми гранями, скошенными под углом Брюстера, US 4949346; АЭ возбуждается с двух противоположных сторон лазерными диодными источниками света через прозрачные теплоотводящие элементы, находящиеся в оптическом контакте с АЭ. С двух других боковых сторон к АЭ примыкают две теплоизолирующие пластины, что приводит к тому, что возникающий в активном элементе температурный градиент направлен перпендикулярно к плоскости грани, через которую идет накачка и охлаждение. При зигзагообразном распространении основного луча в активном элементе за счет эффекта полного внутреннего отражения (ПВО) на границе активного элемента с теплоотводящими пластинами, при условии, что плоскость зигзага перпендикулярна этой границе, происходит компенсация влияния на лазерный луч возникающих тепловых линз и других оптических возмущений, связанных с наличием указанного градиента температур.

Основным недостатком этого устройства является существование внутри активного элемента условий для усиления спонтанного излучения и возникновения паразитных мод генерации за счет ПВО на гранях элемента, что неизбежно ведет к потере мощности лазерного излучения и снижению коэффициента полезного действия лазера, особенно в режиме модуляции добротности; другим недостатком являются краевые искажения теплового поля вблизи торцов активного элемента, которые возникают из-за скошенности торцевых граней, что приводит к утрате осевой симметрии; эти искажения не могут быть скомпенсированы зигзагообразным ходом лучей в активном элементе, что обусловливает ухудшение качества лазерного излучения вследствие его расфокусировки.

Известен твердотельный лазер с зигзагообразным ходом лучей, содержащий АЭ в форме прямоугольного параллелепипеда, на одном торце которого нанесено отражающее, а на другом - просветляющее покрытия, источник возбуждающего излучения, глухое и полупрозрачное зеркала, установленные под углом к торцу активного элемента с просветляющим покрытием, два теплоотводящих элемента, прилегающих к противоположным боковым граням активного элемента, US 5305345.

Данное техническое решение принято за прототип настоящего изобретения.

Центральные области активного элемента возбуждаются однородно, а области, примыкающие к торцам, возбуждаются неоднородно так, чтобы торцевые тепловые искажения были минимальны.

Однако и в данном устройстве сохраняются условия для усиления спонтанного излучения и возникновения паразитных мод генерации, которые ослабляют основное лазерное излучение, снижая его мощность и, как следствие, коэффициент полезного действия лазера.

В основу настоящего изобретения положено решение задачи повышения мощности излучения и коэффициента полезного действия лазера.

Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в твердотельном лазере с зигзагообразным ходом лучей, содержащем АЭ в форме прямоугольного параллелепипеда, на одном торце которого нанесено отражающее, а на другом - просветляющее покрытия, источники возбуждающего излучения, глухое и полупрозрачное зеркала, установленные под углом к торцу активного элемента с просветляющим покрытием, два теплоотводящих элемента, прилегающих к противоположным боковым граням активного элемента, у других противоположных боковых граней активного элемента установлены оптические поглотители, выполненные с возможностью поглощения генерируемого активным элементом излучения, при этом показатель преломления n₁ материала активного элемента больше показателя преломления n₂ материала оптического поглотителя, теплопроводность C₁ материала активного элемента больше теплопроводности С₂ материала оптического поглотителя, показатель преломления n₃ материала теплоотводящего элемента меньше n₁, при этом (α+δ)≥90°, где , ; отражающее покрытие активного элемента может быть выполнено в виде многослойного диэлектрического зеркала с коэффициентом отражения, имеющим максимум при угле падения генерируемого активным элементом излучения на его торцевую грань β, лежащим в пределах (85°-α)≤β≤(89°-α); между источниками возбуждающего излучения и теплоотводящими элементами могут быть установлены селективные оптические фильтры, выполненные с возможностью пропускания возбуждающего излучения и поглощения излучения активного элемента.

Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, идентичных настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «новизна».

Реализация отличительных признаков изобретения обусловливает важный технический результат, который состоит в том, что полностью предотвращается возникновение паразитных мод, и снижаются потери за счет усиления спонтанного излучения, что особенно важно при высоком уровне накачки, а также при работе лазера в режиме модуляции добротности. Это достигается за счет того, что обеспечивается резкое уменьшение отражения спонтанного излучения от граней АЭ вне заданного диапазона углов падения фотонов на границах раздела сред с разными показателями преломления.

Заявителем не обнаружены какие-либо источники информации, содержащие сведения о влиянии заявленных отличительных признаков на достигаемый вследствие их реализации технический результат. Это, по мнению заявителя, свидетельствует о соответствии данного технического решения критерию «изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображено:

на фиг.1 - вид спереди, зеркала условно не показаны;

на фиг.2 - разрез А-А по фиг.1

Твердотельный лазер содержит активный элемент 1 в форме прямоугольного параллелепипеда, выполненный в конкретном примере из алюминий-иттриевого граната, легированного неодимом (Nd:YAG). На торце 2 АЭ нанесено просветляющее покрытие, на торце 3 АЭ нанесено отражающее покрытие; источники 4 и 5 возбуждающего излучения представляют собой в конкретном примере лазерные линейки, однако могут быть использованы дискретные лазерные диоды или матрицы лазерных диодов. Глухое зеркало 6 и полупрозрачное зеркало 7 установлены под углом 90°-γ к торцу 2 АЭ. Угол γ (угол входа/выхода в/из АЭ луча лазера) регулируется из условий обеспечения целого числа зигзагов в АЭ и угла падения луча на боковые грани АЭ, к которым примыкают прозрачные для излучения теплоотводящие элементы 8 и 9, под углом, превышающим на 1-5° угол ПВО α; в конкретном примере теплоотводящие элементы выполнены из сапфира и α=75,25° при оптическом контакте с АЭ и α=58,3° при соединении элементов с АЭ с помощью оптического клея с показателем преломления n=1,55. У других противоположных граней АЭ установлены оптические поглотители 10 и 11, выполненные с возможностью поглощения генерируемого активным элементом излучения, при этом показатель преломления n₁ материала активного элемента больше показателя преломления n₂ материала оптического поглотителя, теплопроводность C₁ материала активного элемента больше теплопроводности С₂ материала оптического поглотителя, показатель преломления n₃ материала теплоотводящего элемента меньше n₁, при этом (α+δ)≥90°, где

В конкретном примере оптические поглотители 10 и 11 выполнены из стекла, легированного самарием (Sm) марки S7010N фирмы VLOC (США).

Для подавления эффекта усиления спонтанного излучения в продольном направлении, отражающее покрытие активного элемента выполнено в виде многослойного диэлектрического зеркала с коэффициентом отражения, имеющим максимум при угле падения генерируемого активным элементом излучения на его торцевую грань β, лежащим в пределах (85°-α)≤β≤(89°-α).

При углах падения луча, меньших или больших β, отражение резко падает. В конкретном примере отражающее покрытие выполнено в виде многослойного диэлектрического зеркала, состоящего из 30-40 чередующихся слоев TiO₂ и SiO₂, толщина которых обеспечивает интерференционное гашение отраженных от слоев лучей, падающих на покрытие с углами, отличными от угла β; например, отличие на 5° может уменьшить отражение в 2-3 раза. Между источниками 4 и 5 возбуждающего излучения и теплоотводящими элементами 8 и 9 установлены селективные оптические фильтры 12 и 13, выполненные с возможностью пропускания возбуждающего излучения и поглощения излучения АЭ. В конкретном примере оптические фильтры выполнены из стекла, легированного самарием.

Твердотельный лазер работает следующим образом.

Источники возбуждающего света 4 и 5 генерируют излучение с энергией фотонов, соответствующей полосе поглощения материала АЭ. Возбуждающий свет направлен с двух противоположных боковых сторон АЭ и проходит на своем пути через прозрачные к этому излучению селективные фильтры 12 и 13, а также теплоотводящие элементы 8 и 9. Варьированием температуры источников 4 и 5 возбуждающего света добиваются требуемой величины коэффициента поглощения возбуждающего света в АЭ (4-5 см^-1), при котором поглощается 80-90% возбуждающего света, что обеспечивает достаточно однородное возбуждение АЭ и достижение в нем условий инверсной заселенности верхних состояний активных атомов примеси (Nd). Выделяющееся при возбуждении АЭ тепло (стоксовские потери) отводится через верхнюю и нижнюю боковые поверхности АЭ в теплоотводящие элементы 8 и 9, по которым оно далее канализируется к холодильнику, например, медным башмакам, охлаждаемым проточной водой (на чертежах не показаны).

Боковые пластины - оптические поглотители 10 и 11, выполненные из материала с низкой теплопроводностью (существенно меньшей, чем теплопроводность материала АЭ) препятствуют отводу тепла из АЭ в горизонтальном направлении. Поэтому градиент температуры в АЭ направлен от центральной плоскости вверх и вниз. Вследствие того, что показатель преломления n₁ материала активного элемента больше показателя преломления n₂ материала оптического поглотителя, обеспечивается волноводный эффект для излучения возбуждающего света, распространяющегося в АЭ (что способствует более полному поглощению возбуждающего излучения в АЭ).

Резонатор лазера формируется двумя внешними зеркалами 6 и 7, при этом зеркало 7 отражает лазерное излучение практически полностью, а другое является полупрозрачным, то есть, частично отражающим, частично пропускающим свет. Это необходимо для образования положительной обратной связи в системе АЭ - зеркала 6 и 7. Положение зеркал, а также размеры АЭ определяют путь лазерного луча в АЭ. Для достижения максимальной мощности излучения и кпд лазера угол (настраивают (юстируют), исходя из совокупности следующих условий:

1. Внутри АЭ должно уложиться целое число зигзагов лазерного луча.

2. Вошедший в АЭ луч должен падать на границы АЭ - теплоотводящие элементы 8, 9 под углом 90^-β, превышающим угол α не более чем на 1-5 градусов.

Благодаря тому, что (α+δ)≥90°, предотвращается образование кольцевых паразитных мод при отражении на боковых гранях АЭ, сопрягаемых с теплоотводящими элементами 8, 9 и оптическими поглотителями 10, 11. Излучение, генерируемое АЭ под любым произвольным углом, либо сразу, либо после одного внутреннего отражения покидает АЭ. Фотоны, которые попадают на границу АЭ с оптическими поглотителями 10, 11 под углом, меньшим δ, выходят из АЭ и поглощаются далее оптическими поглотителями 10 и 11; фотоны, которые попадают на эту границу под углом, равным или большим δ, отражаются вследствие эффекта ПВО, попадают на границу АЭ и теплоотводящих элементов 8, 9 под углом, меньшим α (поскольку (α+δ)≥90°), выходят из АЭ, и частично рассеиваются в теплоотводящих элементах 8 и 9. Оставшаяся часть фотонов проходит через элементы 8 и 9 и попадает в селективные фильтры 12 и 13, где поглощается полностью.

Благодаря тому, что отражающее покрытие активного элемента выполнено в виде многослойного диэлектрического зеркала с коэффициентом отражения, имеющим максимум при угле падения генерируемого активным элементом излучения на его торцевую грань β, лежащим в пределах (85°-α)≤β≤(89°-α), существенно ослабляются потери, связанные с усилением паразитного излучения генерируемого АЭ в продольной плоскости. Излучение, генерируемое под углом, меньшим α, покидает АЭ, уходя в теплоотводящие элементы. Излучение, генерируемое под углом, большим α, отражается от границ АЭ - теплоотводящие элементы и падает на торцевые грани АЭ. Излучение, изначально направленное в сторону торцевой грани с просветляющим покрытием, сразу покидает АЭ. Излучение, изначально направленное в сторону грани с отражающим покрытием, в зависимости от угла падения на эту грань, может отразиться или выйти из АЭ. Если этот угол превышает α не более чем на 1-5°, то угол падения излучения на торцевую грань находится вблизи значения β, при котором отражение имеет максимальное заданное значение, и излучение практически полностью отражается от грани.

Именно это и происходит с лазерным лучом, который падает на торцевую грань с отражающим покрытием под углом β. Паразитное излучение, падающее на торцевую грань с отражающим покрытием под углами, превышающими β более чем на 3-5°, ослабляется за счет частичного выхода из АЭ, поскольку покрытие становится частично пропускающим. Степень ослабления луча зависит от угловой зависимости отражения многослойного зеркала и величины угла падения луча. Этим и достигается уменьшение потерь, связанных с усилением в АЭ паразитного излучения в продольной плоскости.

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано при разработке и изготовлении лазерных устройств с повышенной мощностью излучения. Твердотельный лазер с зигзагообразным ходом лучей содержит активный элемент, источники возбуждающего излучения, глухое и полупрозрачное зеркала, теплоотводящие элементы, оптические поглотители. Активный элемент в форме прямоугольного параллелепипеда, на одном торце которого нанесено отражающее, на другом - просветляющее покрытия. Теплоотводящие элементы прилегают к противоположным боковым граням активного элемента. Оптические поглотители установлены у других противоположных боковых граней активного элемента. Зеркала установлены под углом к торцу активного элемента с просветляющим покрытием. Показатель преломления материала активного элемента больше показателя преломления материала оптического поглотителя и больше показателя преломления материала теплоотводящего элемента. Теплопроводность материала активного элемента больше теплопроводности материала оптического поглотителя. Технический результат - повышения мощности излучения и коэффициента полезного действия лазера. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Твердотельный лазер с зигзагообразным ходом лучей, содержащий активный элемент в форме прямоугольного параллелепипеда, на одном торце которого нанесено отражающее, а на другом - просветляющее покрытия, источники возбуждающего излучения, глухое и полупрозрачное зеркала, установленные под углом к торцевой грани активного элемента с просветляющим покрытием, два теплоотводящих элемента, прилегающих к противоположным боковым граням активного элемента, отличающийся тем, что у других противоположных боковых граней активного элемента установлены оптические поглотители, выполненные с возможностью поглощения генерируемого активным элементом излучения, при этом показатель преломления n₁ материала активного элемента больше показателя преломления n₂ материала оптического поглотителя, теплопроводность С₁ материала активного элемента больше теплопроводности C₂ материала оптического поглотителя, показатель преломления n₃ материала теплоотводящего элемента меньше n₁, при этом (α+δ)≥90°, где

2. Твердотельный лазер по п.1, отличающийся тем, что отражающее покрытие активного элемента выполнено в виде многослойного диэлектрического зеркала с коэффициентом отражения, имеющим максимум при угле падения генерируемого активным элементом излучения на его торцевую грань β, лежащим в пределах