ТРУБЧАТЫЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 2010 года по МПК H01S3/06 H01S3/42 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится, в общем, к лазерам, а более конкретно к трубчатым твердотельным лазерам с улучшенным качеством пучка и повышенной выходной мощностью.

Уровень техники

Современный твердотельный лазер (SSL) обладает простотой в использовании, может работать с высокой средней мощностью (НАР) и достигать высокого качества пучка (BQ). Такие лазеры имеют большое разнообразие и разработаны для разнообразных применений, включая противовоздушную оборону, высокоточное оружие, резку, сварку и бурение в автомобильной, аэрокосмической, судостроительной и нефтегазовой промышленности и непосредственную обработку материалов, такую как тепловая обработка, резка и сварка.

Лазерная генерирующая среда для твердотельных лазеров представляет собой атомы легирующей примеси в прозрачном кристаллическом или аморфном (стекле) материале-основе. Физически материал-основа может иметь разные формы, но интерес представляют пять главных конфигураций: стержень, пластина, диск, волокно и трубка.

Средняя мощность, генерируемая твердотельным лазером, ограничена главным образом соображениями, связанными с термооптическим искажением (также известным как образование тепловой линзы) и разрушением под действием тепловых напряжений. Особенно ограничены в этих областях стержневые лазеры, и на практике стержневые лазеры ограничены на выходе средней мощностью до примерно 1 кВт. Плоские лазеры (лазеры в форме пластины) преодолевают некоторые из ограничений стержневых лазеров, но имеют плохой коэффициент заполнения апертуры (из прямоугольной апертуры выводится эллиптический пучок). В частности, плоские лазеры с хорошим качеством пучка ограничены на выходе средней мощностью между примерно 15 кВт и примерно 20 кВт. Дисковые лазеры в функциональном плане являются многообещающими, поскольку они имеют очень малое искажение, но прежде чем дисковые лазеры смогут быть масштабированы до высокой средней мощности, следует преодолеть много препятствий. Что касается волокна, то выходная мощность одного волокна ограничена примерно 1 кВт, и, следовательно, для того чтобы генерировать пучок с высокой средней мощностью, следует объединить много волокон. Однако технология объединения пучков отстает в своем развитии. В трубчатом лазере активная среда твердотельного лазера имеет форму трубки и лазер усиливает кольцевой (имеющий кольцевое поперечное сечение) пучок.

Эпюры распределения температур приводят к напряжению в лазерном материале. Анализ для источника тепла равномерной плотности и равной мощности нагрева, приходящейся на единицу длины, показывает, что высота эпюры распределения температур в пластине составляет только 36% от этой высоты в стержне, а в трубке она составляет только 10% от этой высоты в стержне. В стержневом и трубчатом лазерах тепловое напряжение имеет круговую симметрию при расположении главных составляющих напряжения в азимутальном, радиальном и продольном направлениях. Максимальное напряжение на поверхности стержня не зависит от диаметра стержня. Следовательно, единственный способ поднять мощность стержневых лазеров заключается в том, чтобы использовать более длинный стержень или несколько стержней. Поверхностное напряжение для пластины или трубки пропорционально коэффициенту формы «b/а», где «а» представляет собой толщину пластины или трубки, а «b» представляет собой длину периметра трубки или поперечного сечения пластины. Выходная мощность пропорциональна объему лазерной генерирующей среды и ограничена тепловым разрушением, зависящим от поверхностного напряжения стержня, пластины или трубки. Для трубчатого лазера выходная мощность может быть в 10-20 раз выше, чем для стержневых лазеров равной длины. Преимущество трубчатой формы заключается в том, что с трубками может быть реализован гораздо больший коэффициент формы «b/а», чем с пластинами. Следовательно, трубчатые твердотельные лазеры сочетают многие привлекательные свойства стержневого лазера, плоского лазера и дискового лазера и преодолевают многие из вышеупомянутых недостатков.

Однако в предшествующих трубчатых твердотельных лазерах использовались импульсные лампы для возбуждения, несложная оптика резонатора и/или примитивные покрытия, приводившие к эффектам образования тепловой линзы и двойному лучепреломлению, двойной фокусировке и проблемам центрирования, связанным с трубчатым твердотельным лазером. Таким образом, весьма востребован усовершенствованный трубчатый твердотельный лазер, в котором уменьшены или устранены эффекты образования тепловой линзы и двойного лучепреломления, двойная фокусировка и проблемы центрирования.

Сущность изобретения

Варианты осуществления настоящего изобретения касаются усовершенствованного трубчатого твердотельного лазера (SSL), использующего диодную накачку, микроканальное охлаждение, оптику на основе аксикона / w-аксикона / рефлаксикона и/или новые процессы нанесения покрытия и соединения. Преимущество заключается в том, что настоящее изобретение позволяет уменьшить эффекты образования тепловой линзы и уменьшает или устраняет двойное лучепреломление, двойную фокусировку и проблемы центрирования, связанные с обычными трубчатыми твердотельными лазерами, обеспечивая при этом высокое качество пучка и высокие уровни средней мощности.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения предлагается модуль усилителя для твердотельного лазера, при этом модуль усилителя включает в себя: трубку, имеющую внутреннюю поверхность и внешнюю поверхность, причем трубка включает в себя лазерный активный материал; первую подложку, примыкающую к внутренней поверхности трубки, причем первая подложка включает в себя первое множество микроканалов; вторую подложку, примыкающую к внешней поверхности трубки, причем вторая подложка включает в себя второе множество микроканалов; и множество диодных матриц, расположенных снаружи второй подложки и скомпонованных таким образом, чтобы подавать излучение оптической накачки на лазерный активный материал.

Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения предлагается трубчатый твердотельный лазер, при этом лазер включает в себя модуль усилителя, скомпонованный таким образом, чтобы обеспечивать оптическое усиление света источника, модуль усилителя включает в себя элементы, описанные выше.

Согласно еще одному другому варианту осуществления настоящего изобретения предлагается способ лазерной генерации, при этом способ включает в себя этапы, на которых: обеспечивают модуль усилителя, включающий в себя: трубку, имеющую внутреннюю поверхность и внешнюю поверхность, причем трубка включает в себя лазерный активный материал; первую подложку, примыкающую к внутренней поверхности трубки, причем первая подложка включает в себя первое множество микроканалов; вторую подложку, примыкающую к внешней поверхности трубки, причем вторая подложка включает в себя второе множество микроканалов; и множество диодных матриц, расположенных снаружи второй подложки. Способ дополнительно включает в себя этапы, на которых подают излучение накачки из множества диодных матриц на лазерный активный материал модуля усилителя и обеспечивают протекание охлаждающего вещества через первое и второе множество микроканалов.

Объем изобретения определен формулой изобретения, которая включена в состав этого раздела посредством ссылки. Более полное понимание вариантов осуществления настоящего изобретения, равно как и реализация его дополнительных преимуществ будут доступны специалистам в данной области техники при рассмотрении нижеследующего подробного описания одного или нескольких вариантов осуществления изобретения. Будут даны ссылки на прилагаемые чертежи, которые сначала будут описаны кратко.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показан сборочный узел модуля лазерного усилителя согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

На фиг.2А показан вид в разрезе модуля лазерного усилителя, проиллюстрированного на фиг.1, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

На фиг.2В показан вид в разрезе модуля лазерного усилителя, выполненный по линии 2В-2В, показанной на фиг.2А, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

На фиг.2В1а показан вид в разрезе модуля лазерного усилителя, показанного на фиг.2А, согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения.

На фиг.2В1b показан еще один другой вид в разрезе модуля лазерного усилителя, показанного на фиг.2А, согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения.

На фиг.2С показан увеличенный вид сечения лазерной трубки согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

На фиг.2С1 показан увеличенный вид сечения лазерной трубки согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения.

На фиг.3 показана оптическая схема для сборочного узла модуля лазерного усилителя, проиллюстрированного на фиг.1, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

На фиг.4 показан вид в разрезе модуля лазерного усилителя согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения.

На фиг.5 показана оптическая схема для модуля лазерного усилителя, проиллюстрированного на фиг.4, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

На фигурах 6 и 7 показано использование множества модулей лазерного усилителя.

На фиг.8 показан сборочный узел модуля лазерного усилителя согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения.

На фиг.9 показана оптическая схема для сборочного узла модуля лазерного усилителя, проиллюстрированного на фиг.8, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Варианты осуществления настоящего изобретения и их преимущества наилучшем образом понятны при рассмотрении нижеследующего подробного описания. Следует иметь в виду, что одинаковые ссылочные позиции используются для обозначения одинаковых элементов, проиллюстрированных на одной или нескольких фигурах. Также следует иметь в виду, что фигуры не обязательно вычерчены в масштабе.

Подробное описание

Настоящее изобретение предлагает усовершенствованный трубчатый твердотельный лазер (SSL), использующий диодную накачку, микроканальное охлаждение, оптику на основе аксикона / w-аксикона / рефлаксикона и/или новые процессы нанесения покрытия и соединения для повышения качества пучка и выходной мощности. Настоящее изобретение сочетает преимущества качества пучка, которые присущи неустойчивым линейным резонаторам, с преимуществами эффективного использования пространства (и потому высокой мощности) и симметрии, присущим кольцевой (трубчатой) форме. В одном варианте своего осуществления настоящее изобретение также включает в себя оптические элементы (например, оптику на основе аксикона, w-аксикона и/или рефлаксикона) для преобразования кольцевого пучка в компактный цилиндрический пучок.

Ниже приведено определение терминов, используемых в этом документе.

Термин «лазерная активная среда» относится к оптическому материалу, у которого решетка основы легирована подходящими ионами, которые в объекте изобретения накачиваются для лазерного перехода. Хотя это изобретение не ограничено конкретным лазерным генерирующим материалом, или конкретным источником накачки, предпочтительными материалами решетки основы являются: алюмоиттриевый гранат (YAG), гадолиний-галлиевый гранат (GGG), гадолиний-скандий-галлиевый гранат (GSGG), фторид иттрия-лития (YLF), ванадат иттрия, фосфатное лазерное стекло, силикатное лазерное стекло и сапфир. Подходящие легирующие примеси для этих лазерных генерирующих сред включают в себя Ti, Сu, Со, Ni, Сr, Се, Pr, Nd, Sm, Еu, Yb, Но, Dy и Tm, но не ограничены ими. Лазерная активная среда может также иметь сложную конструкцию, содержащую легированную и нелегированную секции, или секции, легированные различными ионами.

Термин «лазерный диод» относится к источнику оптического излучения, содержащему полупроводниковый лазерный диод. Диод может быть смонтирован на подложке и помещен на теплообменник. Диод может быть применим для накачки лазерной активной среды до лазерного перехода.

Термин «диодная матрица» относится к группе, содержащей один или несколько лазерных диодов. Диоды могут быть механически или электрически соединены, оснащены электрическими клеммами и помещены на теплообменник с жидкостным охлаждением.

Термин «микроканал» относится к устройствам, спроектированным на микроуровне для достижения высокой площади контакта на единичный объем системы (например, при тонкопленочном контактировании), обеспечивающем равномерное распределение потока с существенно более высокой пропускной способностью по отношению к общему объему системы и гораздо более высокими интенсивностями тепло- и массопереноса, чем те, что присутствуют в технологиях макроуровня.

Термин «нелегированная концевая крышка» относится к нелегированному участку лазерной трубки и может представлять собой то же самое, что и нелегированный лазерный генерирующий материал, прикрепленный к концу легированного участка лазерной трубки.

Термин «аксикон (w-аксикон, рефлаксикон)» относится к оптическому элементу, который имеет два концентрических конических зеркала для преобразования кольцевого пучка в компактный цилиндрический пучок.

Термин «двойной рефлаксикон» относится к оптическому элементу, который имеет четыре концентрических конических зеркала для преобразования кольцевого пучка в компактный цилиндрический пучок, устраняя при этом проблемы, связанные с поляризацией.

Настоящее изобретение предоставляет несколько преимуществ, включая нижеследующие преимущества (но не ограничиваясь ими):

1. Снижение или минимизация температурного градиента между внутренней и наружной поверхностями лазерной трубки, используя для этого торические оптически прозрачные внутреннюю и внешнюю подложки, которые имеют соединение (например, посредством диффузионной сварки или анодирования) с лазерной трубкой или герметически прикреплены к ней O-образными кольцами. Каждая оптически прозрачная подложка содержит встроенный теплообменник с микроканалами, так что как внутренняя, так и наружная поверхности лазерной трубки охлаждаются таким образом, что охлаждающее вещество может непосредственно смачивать наружную и внутреннюю поверхности активной среды лазерной трубки. Осуществляя независимое управление расходом и температурой охлаждающего вещества как для внутреннего, так и для наружного теплообменников, можно минимизировать температурный градиент между поверхностями трубки. Этот новый подход обеспечивает очень высокую теплопередачу и эффективно минимизирует тепловые деформацию и напряжение лазерной трубки.

2. Уменьшение или минимизация изгиба оси лазерной трубки, а тем самым ослабление эффекта тепловой линзы, за счет изготовления внешней и внутренней охлаждающих подложек очень жесткими из материала, оптически прозрачного на длине волны диодов накачки.

3. Реализация высокого коэффициента переноса и равномерности накачки для излучения накачки за счет размещения пакетов диодных матриц накачки вокруг внешнего теплообменника близко к лазерной генерирующей трубке, причем покрытие внутренней поверхности является просветленным или отражающим на длине волны излучения накачки. Повышение равномерности излучения может быть достигнуто посредством вращения трубки относительно пакета диодных матриц накачки или посредством вращения пакета диодных матриц накачки относительно трубки или наружной подложки. Излучение диодов накачки вводится в лазерную генерирующую трубку через оптически прозрачную наружную подложку и микроканалы, действующие как теплообменник. Материал-основа трубки легирован ионами активного вещества лазера, так что мощность накачки поглощается за два или более прохода.

4. Снижение риска разрушения, ослабление эффекта образования линзы на торцевых поверхностях трубки, уменьшение длины пути завихряющихся лучей усиленного спонтанного излучения (ASE), если они существуют, и изолирование оптического покрытия на конце лазерной трубки от участка трубки, имеющего тепловую нагрузку, за счет использования нелегированных торических концевых крышек, которые могут быть прикреплены к легированным участкам лазерной трубки посредством процесса диффузионной сварки. Таким образом, те поверхности, которые в отсутствие концевой крышки испытывают деформацию растяжения, теперь удерживаются в сжатом деформированном состоянии, что снижает риск разрушения и уменьшает или минимизирует параболическую кривизну на торцевых поверхностях лазерной трубки.

5. Ослабление генерации радиальной моды и негативного эффекта от запертого усиленного спонтанного излучения и паразитной моды (если усиленное спонтанное излучение существует), которые уменьшают вывод лазерной энергии и увеличивают поглощение излучения накачки. Внутренняя поверхность лазерной трубки может включать в себя конусность и полированное покрытие или покрытие, отражающее или просветленное на длине волны лазера или длине волны излучения накачки. Этот новый подход обеспечивает изменение угла отражения лучей радиальной моды за счет использования покрытия, отражающего на длине волны лазера, или полированного покрытия на наружной поверхности трубки и использования эффекта полного внутреннего отражения (TIR) для преобразования части энергии лазерной генерации радиальной моды в энергию лазерной генерации аксиальной моды. Настоящее изобретение может также уменьшить пути запертых лучей усиленного спонтанного излучения за счет изменения угла отражения завихряющихся лучей (если усиленное спонтанное излучение существует), увеличивая при этом поглощение мощности накачки за счет изменения угла отражения лучей излучения накачки, что значительно увеличивает количество проходов лучей излучения накачки. Прозрачная наружная подложка не ограничена цилиндрической формой, но может также быть выполнена в виде многогранника, имеющего нечетное количество боковых поверхностей, что минимизирует усиленное спонтанное излучение после отражения от поверхностей многогранника.

6. Уменьшение или устранение двойного лучепреломления и двойной фокусировки за счет использования двух одинаково нагруженных трубчатых лазерных активных элементов, разделенных между собой торическим кварцевым вращателем плоскости поляризации на 90 градусов. Обе поверхности вращателя прикреплены к торическим поверхностям концевых крышек лазерной трубки посредством процессов соединения при помощи оптического контакта или диффузионной или анодной сварки, аналогичных тем процессам, что используются для прикрепления наружной и внутренней охлаждающих подложек к лазерной трубке. Таким образом, наружная и внутренняя охлаждающие подложки могут быть использованы также для охлаждения кварцевого вращателя. Этот новый подход обеспечивает плотный контакт между вращателем и торическими поверхностями трубки и устраняет негативные проблемы, связанные с линзой и центрированием, что обеспечивает хорошее качество пучка.

7. Уменьшение или устранение проблем, связанных с поляризацией, и очень сложных проблем центрирования (трубчатого лазерного резонатора) между двумя рефлаксиконами и лазерной трубкой, причем эти два рефлаксикона включены в состав оптически прозрачной полой призмы с 4 коническими поверхностями, которые имеют покрытие, отражающее на длине волны лазера. Полая призма может быть изготовлена из того же самого или другого материала, что и материал, использованный для трубчатого лазера, и может быть прикреплена к торическому концу лазерной трубки посредством процесса диффузионной сварки.

8. Объединение посредством процесса соединения двух лазерных трубок, кварцевого вращателя, двух рефлаксиконов, торических концевых крышек и наружных и внутренних охлаждающих подложек с распределительными охлаждающими магистральными линиями в один монолитный компактный лазерный блок.

9. Уменьшение или минимизация технических проблем, связанных с масштабированием трубчатого твердотельного лазера (использующего твердотельный лазер в качестве основного генератора) до высокой средней мощности.

10. Уменьшение или минимизация технических проблем, связанных с масштабированием твердотельного лазера до высокой средней мощности и сверхвысокой мощности посредством использования монолитного блока твердотельного лазера в качестве усилителя.

Теперь обратимся к фигурам 1, 2А, 2В, 2С и 3, на которых показана система 100 лазерного усилителя, включающая в себя модуль 120 лазерного усилителя. На фиг.2А показан вид в разрезе модуля 120, объединенного посредством процессов предварительной юстировки и соединения, на фиг.2В показан вид в разрезе модуля лазерного усилителя, выполненный по линии 2В-2В, показанной на фиг.2А, а на фиг.2С показан увеличенный вид сечения лазерной трубки согласно варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг.3 показана оптическая схема для системы 100 лазерного усилителя согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Система 100 лазерного усилителя включает в себя модуль 120 лазерного усилителя, содержащий диодные матрицы 101, трубку 108, включающую в себя лазерные активные элементы 108а, разделенные между собой оптически прозрачным кварцевым вращателем 118 плоскости поляризации на 90 градусов (смотри также фиг.2С), нелегированные концевые крышки 106 трубок, плоское зеркало 104 с высоким отражением (HR), внутреннюю и внешнюю подложки 107а и 107b (каждая включает в себя множество микроканалов 132 (смотри фиг.2С)) и призму 103, которая в одном примере включает в себя двойной рефлаксикон, состоящий из оптически прозрачной подложки с зеркальными поверхностями 109 из покрытия с высоким отражением. Система 100 дополнительно включает в себя плоское зеркало 110, плоское выходное зеркало (ОС) или «снимающее» зеркало с расположенным в центре отверстием 111 и зеркало 113 обратной связи с высоким отражением. Система 100 дополнительно включает в себя оптическую стойку 116, регулировочные пластины 115, оптическую скамью 114 и корпус 117.

Внутренняя подложка 107а примыкает к внутренней поверхности лазерной трубки 108 и образует внутреннюю концентрическую трубку. Внешняя подложка 107b примыкает к внешней поверхности лазерной трубки 108 и образует внешнюю концентрическую трубку. Таким образом, подложки 107а и 107b окружают «сэндвичем» лазерную трубку 108, образуя набор концентрических трубок (смотри фиг.2 В). Первая магистральная линия 102 и вторая магистральная линия 105 используются для, соответственно, подачи и отвода/рециркуляции охлаждающего вещества через теплообменник и микроканалы подложек 107а и 107b, и в одном варианте осуществления изобретения эти магистральные линии являются частью корпуса 117. Подходящие охлаждающие вещества могут включать в себя жидкости, такие как деионизированную воду, этиловый спирт, элементы семейства фреонов и жидкий азот, но не ограничены ими.

Обратимся теперь, в частности, к фигурам 2А, 2В и 2С, на которых подложки 107а и 107b изготовлены из материала, оптически прозрачного для излучения накачки. В одном примере может быть использован плавленый кварц, но также могут быть использованы и другие оптические материалы, прозрачные для излучения накачки и подходящие для получения микроканалов. Поскольку подложки и охлаждающее вещество являются оптически прозрачными на длинах волн излучения накачки, то излучение накачки из диодных матриц 101 проходит через подложки и охлаждающее вещество в лазерные активные элементы 108а.

В одном варианте осуществления изобретения микроканалы 132 выполнены составляющими единое целое как с внутренней подложкой 107а, так и с внешней подложкой 107b, и множество микроканалов выполнены по существу параллельными продольной оси А трубки (фиг.2А) или по существу параллельными продольному контуру внешней поверхности лазерной трубки 108 (смотри микроканалы 132 на фиг.2С). Наличие двух независимых наборов микроканалов 132 (один набор, составляющий единое целое с подложкой 107а, и второй набор, составляющий единое целое с подложкой 107b) позволяет снизить или минимизировать температурный градиент между поверхностями трубки 108 посредством изменения расхода и/или температуры охлаждающего вещества, подаваемого через микроканалы. Примеры применимых микроканалов и других релевантных элементов описаны в полученном совместно несколькими правообладателями патенте США №6339605 и опубликованных заявках US 2002/0097769 (00-173), US 2002/0110164 (00-213 и 253) и US 2002/0172253 (00-245), которые для всех целей включены в данный документ посредством ссылки.

Вообще говоря, вклад в образование линзы от теплового напряжения отличен для света, поляризованного параллельно главным осям тензора напряжения, по сравнению со светом, поляризованным перпендикулярно главным осям тензора напряжения. Вызванное напряжением двойное лучепреломление и двойная фокусировка значительно уменьшают мощность и качество пучка для лазерного пучка. Для устранения двойного лучепреломления и двойной фокусировки лазерная трубка 108 состоит из двух одинаково нагруженных лазерных активных элемента 108а, разделенных между собой прозрачным кварцевым вращателем 118 плоскости поляризации на 90 градусов с нелегированными концевыми крышками 106 на обоих концах лазерных элементов. Кварцевый вращатель 118 посредством процессов диффузионной сварки и предварительной юстировки прикреплен на обоих концах и поверхностях к концевым крышкам 106 и торическим поверхностям лазерных активных элементов 108а.

В качестве альтернативы, кварцевый вращатель может быть объединен с трубчатыми лазерными элементами с использованием оптического контакта между поверхностями вращателя и торическими поверхностями концевых крышек, когда внешняя и внутренняя подложки, действующие как теплообменники, прикрепляются к лазерным активным элементам 108а посредством процесса диффузионной сварки. Прежде чем два лазерных активных элемента 108а будут собраны с кварцевым вращателем 118, один лазерный активный элемент 108а должен быть соединен посредством диффузионной сварки с двумя концевыми крышками на каждом конце, а другой лазерный активный элемент 108а должен быть соединен посредством диффузионной сварки с одной концевой крышкой на одном конце и с призмой 103 на другом конце.

Нелегированные концевые крышки обеспечивают ряд полезных эффектов, включая, но не в ограничительном смысле, изоляцию посредством оптического покрытия концов лазерной трубки от тепловой нагрузки и обеспечение теплопроводящего пути для отвода тепла из активной среды, что уменьшает тепловые напряжения и связанные с ними искажения. Преимущество заключается в том, что использование с лазерными активными элементами нелегированных концевых крышек устраняет или уменьшает риск разрушения, уменьшает или минимизирует эффект образования линзы на торцевой поверхности трубки и заменяет деформацию растяжения на деформацию сжатия.

Для ослабления генерации радиальной моды и негативных эффектов от запертого усиленного спонтанного излучения (ASE) и паразитной моды (если усиленное спонтанное излучение существует) и для увеличения поглощения излучения накачки внутренняя и внешняя поверхности трубчатых лазерных активных элементов 108а могут иметь конусность 119 (смотри фиг.2А, 2С), так что диаметр трубчатого лазерного активного элемента увеличивается от центрального участка по направлению к наружному концу аналогично раструбу или конической форме. По этой же самой причине внутренние поверхности лазерных трубчатых элементов имеют покрытие, отражающее на длине волны лазера и накачки, а внешние поверхности лазерных трубчатых элементов могут иметь покрытие, отражающее на длине волны лазера.

В одном варианте осуществления изобретения призма 113 может быть изготовлена из того же самого или другого нелегированного материала, как тот, что использован для трубчатого лазерного активного элемента, и включает в себя четыре конические поверхности 109 (смотри фиг.1) с покрытием, отражающим на длине волны лазера. Эта конструкция позволяет объединить два одинаковых рефлаксикона и концевую крышку в один блок, который преобразует кольцевой пучок в компактный цилиндрический пучок. Использование двух рефлаксиконов одного и того же типа устраняет проблемы, связанные с нарушением поляризации, тогда как трубчатый конец призмы 103 может выполнять ту же самую функцию, что и функция концевой крышки 106.

Теперь обратимся к фигурам 2В1а, 2В1b и 2С1, на которых показаны разрезы модуля лазерного усилителя согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения. На фигурах 2В1а и 2В1b показаны разрезы этого модуля, аналогичные тем, что показаны на фиг.2В, за тем исключением, что множество микроканалов 132, которые выполнены едиными как с внутренней подложкой 107а, так и с внешней подложкой 107b, проходят по существу перпендикулярно продольной оси А лазерной трубки (фиг.2А). На фиг.2 В1а показан разрез с магистральными линиями 102, 105, но без микроканалов 132. На фиг.2В1b показан разрез, включающий в себя микроканалы 132. На фиг.2С1 показан увеличенный вид сечения лазерной трубки, аналогичный тому, что показан на фиг.2С, за тем исключением, что множество микроканалов 132 выполнены по существу перпендикулярными продольной оси А лазерной трубки.

Обратимся теперь особо к фиг.3, на которой вокруг внешней поверхности оптически прозрачной подложки 107b (смотри фигуры 1, 2А, 2В и 2С) размещен пакет диодных матриц 101, который в одном варианте осуществления изобретения может дополнительно вращаться относительно подложки 107b для повышения равномерности распределения излучения накачки. Поскольку лазеры на полупроводниковых диодах обычно имеют эффективность преобразования электрической энергии в оптическое излучение, подходящее для накачки лазера, составляющую 30-50%, то для предотвращения перегрева диодов предусмотрена охлаждающая система. Пакет диодных матриц 101 подает оптическое излучение 114 на лазерные активные элементы 108а. Лазерные активные элементы 108а могут быть легированы ионами активного вещества лазера, которые поглощают значительные порции падающего оптического излучения 114 и накачиваются для перехода лазера на более высокий уровень. Соответственно, лазерные трубчатые активные элементы 108а усиливают лазерный пучок 112а, 112b резонатора.

На призму 103 падает кольцевой пучок 112а, который преобразуется призмой 103 в цилиндрический пучок 112b. Пучок 112b отражается плоским зеркалом 110, а затем выходным зеркалом или «снимающим» зеркалом с расположенным в центре отверстием 111. Через это отверстие лазерный пучок падает на зеркало 113 обратной связи с высоким отражением. Лазерный пучок, падающий на зеркало 111, выводится как пучок 112.

Возвратный пучок отражается от зеркала 113 обратной связи с высоким отражением и плоского зеркала 110 в призму 103, включающую в себя двойной рефлаксикон. После того как цилиндрический пучок преобразован призмой 103 в кольцевой пучок, этот пучок проходит через лазерные активные элементы 108 и отражается от плоского зеркала 104 с высоким отражением. Плоское зеркало 104 с высоким отражением, входящее в состав резонатора, получено посредством покрытия плоской торической поверхности концевой крышки 106.

Теперь обратимся к фигурам 4 и 5, на которых показаны вид в разрезе модуля 220 лазерного усилителя системы 200 и оптическая схема для него согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения. Аналогично модулю 120 усилителя, описанному выше в связи с фигурами с 1 по 3, модуль 220 усилителя представляет собой монолитный компактный лазерный блок, объединенный посредством процессов предварительной юстировки и соединения. Согласно этому варианту осуществления изобретения лазер с высокой средней мощностью включает в себя монолитный блок, содержащий два трубчатых лазерных активных элемента 208а, разделенных между собой торическим кварцевым вращателем 218 и концевыми крышками 206. Модуль 220 дополнительно включает в себя нелегированные концевые крышки 206 на обоих концах трубчатых лазерных элементов и двойной рефлаксикон в призме 203. Оптически прозрачные подложки 207 каждая включает в себя протоки и множество микроканалов аналогично тому, что описано в отношении фигур с 1 по 3, и благодаря этому функционируют в качестве теплообменников. Модуль 220 дополнительно включает в себя пакет диодных матриц 201. Недостатком этих схем является то, что выходное и входное отверстия для охлаждающего вещества (магистральные линии 202 и 205) могут проходить в нелегированные, имеющие кольцевое сечение трубчатые концы призмы 203 модуля 220, что может вызвать некоторое (хотя и незначительное) искажение лазерного пучка. Для того чтобы смягчить эту проблему, желательно, чтобы охлаждающее вещество имело показатель преломления, по существу схожий с показателем преломления материала лазерной трубки.

Система 200 (смотри Фиг.5), кроме того, включает в себя оптику, включающую в себя плоское зеркало 210, выходное зеркало (ОС) или «снимающее» зеркало с расположенным в центре отверстием 211, зеркало 213 обратной связи с высоким отражением и плоское зеркало 204 с высоким отражением. Возвратный пучок отражается от зеркала 213 обратной связи с высоким отражением и плоского зеркала 210 в двойной рефлаксикон 203. После того как цилиндрический пучок преобразован двойным рефлаксиконом 203 в кольцевой пучок, этот пучок проходит через лазерные активные элементы 208а и двойной рефлаксикон 203, который преобразует кольцевой пучок в цилиндрический пучок и, наконец, попадает на зеркало 204 с высоким отражением.

Различие между модулем 120 и модулем 220 заключается в том, что вместо того, чтобы включать в себя поверхность трубчатого лазерного элемента, имеющую покрытие с высоким отражением, монолитный лазерный блок объединяет в себе два двойных рефлаксикона 203 с добавленным к ним плоским зеркалом 204 с высоким отражением. Преимущество заключается в том, что описанная конструкция в этом варианте осуществления изобретения обеспечивает повышенную гибкость в конструкции резонатора, при которой лазерный монолитный блок может быть расположен в произвольном месте внутри лазерного резонатора и между выходным зеркалом и зеркалом с высоким отражением.

Также эта концепция позволяет легко использовать модуль 220 трубчатого лазера в качестве усилителя. На фигурах 6 и 7 показаны оптические схемы систем 600 и 700, использующие множество лазерных модулей 220 с зеркалами. Система 600 включает в себя зеркало 621 с высоким отражением, плоские зеркала 622, «снимающее» зеркало 623 и зеркало 624 обратной связи. Система 700 включает в себя зеркало 704 с высоким отражением, плоское зеркало 710, «снимающее» зеркало 730 и зеркало 740 обратной связи.

Теперь обратимся к фигурам 8 и 9, на которых показаны система 300 лазерного усилителя, включающая в себя модуль 320 лазерного усилителя и оптическую схему для него согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения. Модуль (320) усилителя содержит пакет диодных матриц 301, два одинаково нагруженных трубчатых лазерных активных элемента 308а (аналогичных активным элементам 108а на фиг.2А), разделенных между собой оптически прозрачным кварцевым вращателем 118 плоскости поляризации на 90 градусов с двумя нелегированными концевыми крышками 306 (аналогичными концевым крышкам 106 на фиг.2А) на обоих концах лазерной трубки 308. Модуль 320 дополнительно включает в себя протоки и множество микроканалов внутри оптически прозрачных подложек 307 и магистральные линии 302 и 305 для протекания охлаждающего вещества. Система 300 дополнительно включает в себя плоское зеркало 304 с высоким отражением, два w-аксиконовых зеркала 326а и 326b с оправкой 325 w-аксиконового зеркала, плоское зеркало 310, выходное плоское зеркало или «снимающее» зеркало со смещенным от центра отверстием 311, зеркало 313 обратной связи с высоким отражением, оптическую стойку 316, регулировочные пластины 315, оптическую скамью 314 и корпус 317.

Пакет диодных матриц 301 подает оптическое излучение 314 на два лазерных активных элемента 308а трубки 308. Лазерная активная среда легирована подходящими ионами активного вещества лазера, которые поглощают значительные порции падающего оптического излучения 314 и накачиваются для перехода лазера на более высокий уровень. Соответственно, трубчатые лазерные активные элементы усиливают лазерный пучок резонатора и выходной пучок 312. После того как кольцевой пучок 112а преобразован w-аксиконовым зеркалом 326b в цилиндрический пучок, этот пучок отражается от плоского зеркала 310 на выходное зеркало или «снимающее» зеркало со смещенным от центра отверстием 311. Через это отверстие лазерный пучок падает на зеркало 313 обратной связи с высоким отражением. Использование выходного зеркала или «снимающего» зеркала, которое имеет смещенную апертуру для прохождения возвратного пучка, позволяет оптической оси резонатора более не быть центрированной по вершине w-аксиконового зеркала 326b, и эта вершина может быть усечена без значительного нарушения селекции мод.

Возвратный пучок отражается от зеркала 313 обратной связи с высоким отражением и плоского зеркала 310 на w-аксиконовое зеркало 326b. После того как цилиндрический пучок преобразован w-аксиконовым зеркалом 326b в кольцевой пучок, этот пучок проходит через лазерные активные элементы 308а и отражается от w-аксиконового зеркала 326а (которое преобразует кольцевой пучок в цилиндрический пучок) на плоское зеркало 304 с высоким отражением.

Отмечается, что в настоящем изобретении могут быть использованы разнообразные оптические элементы, примеры которых описаны в полученных совместно несколькими правообладателями патентах US 4514850, US 4516244 и US 4598408, которые для всех целей включены в данный документ посредством ссылки.

Варианты осуществления изобретения, описанные выше, иллюстрируют, но не ограничивают изобретение. Также следует понимать, что возможны многочисленные модификации и изменения в соответствии с принципами настоящего изобретения. Соответственно, объем изобретения определен только нижеследующей формулой изобретения.

Лазер включает модуль усилителя, который содержит трубку, имеющую внутреннюю поверхность и внешнюю поверхность, причем трубка включает в себя активный материал лазера. К внутренней поверхности трубки примыкает первая подложка, причем первая подложка включает в себя первое множество микроканалов. К внешней поверхности трубки примыкает вторая подложка, причем вторая подложка включает в себя второе множество микроканалов. Снаружи второй подложки расположены диодные матрицы, скомпонованные таким образом, чтобы подавать излучение оптической накачки на активный материал лазера. При реализации способа лазерной генерации подают излучение накачки из множества диодных матриц на лазерный активный материал указанного модуля усилителя и пропускают охлаждающее вещество через первое и второе множество микроканалов. Технический результат заключается в устранении или уменьшении эффектов образования тепловой линзы, двойного лучепреломления, двойной фокусировки и проблемы центрирования, при этом обеспечиваются высокое качество пучка и высокие уровни средней мощности. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Модуль усилителя для твердотельного лазера, содержащий:
трубку, имеющую внутреннюю поверхность и внешнюю поверхность, причем трубка включает в себя активный материал лазера;
первую подложку, примыкающую к внутренней поверхности трубки, причем первая подложка включает в себя первое множество микроканалов;
вторую подложку, примыкающую к внешней поверхности трубки, причем вторая подложка включает в себя второе множество микроканалов; и
множество диодных матриц, расположенных снаружи второй подложки и скомпонованных таким образом, чтобы подавать излучение оптической накачки на активный материал лазера.

2. Модуль усилителя по п.1, в котором трубка включает в себя два одинаково нагруженных лазерных активных элемента, разделенных между собой торическим кварцевым вращателем плоскости поляризации на 90° и оптически прозрачными концевыми крышками.

3. Модуль усилителя по п.1, в котором первая и вторая подложки являются оптически прозрачными.

4. Модуль усилителя по п.1, в котором внутренняя и наружная поверхности трубки включают в себя конусность.

5. Модуль усилителя по п.1, в котором первое и второе множества микроканалов примыкают к трубке.

6. Модуль усилителя по п.1, в котором первое и второе множества микроканалов выполнены, по существу, параллельными продольной оси трубки или, по существу, перпендикулярными продольной оси трубки.

7. Модуль усилителя по п.1, дополнительно содержащий оптику, функционально связанную по меньшей мере с одним концом трубки, причем оптика выбрана из группы, состоящей из оптики на основе аксикона, w-аксикона и рефлаксикона.

8. Модуль усилителя по п.1, в котором множество диодных матриц может вращаться относительно трубки.

9. Модуль усилителя по п.1, дополнительно содержащий нелегированный лазерный генерирующий материал, прикрепленный к концу легированного участка лазерной трубки.

10. Модуль усилителя по п.1, дополнительно содержащий корпус для размещения трубки, первой подложки, второй подложки и множества диодных матриц, причем корпус включает в себя магистральные линии охлаждающего вещества для циркуляции охлаждающего вещества по первому и второму множествам микроканалов.

11. Твердотельный лазер с модулем усилителя, скомпонованный таким образом, чтобы обеспечивать оптическое усиление света источника, при этом модуль усилителя содержит:
трубку, имеющую внутреннюю поверхность и внешнюю поверхность, причем трубка включает в себя активный материал лазера;
первую подложку, примыкающую к внутренней поверхности трубки, причем первая подложка включает в себя первое множество микроканалов;
вторую подложку, примыкающую к внешней поверхности трубки, причем вторая подложка включает в себя второе множество микроканалов; и
множество диодных матриц, расположенных снаружи второй подложки и скомпонованных таким образом, чтобы подавать излучение оптической накачки на активный материал лазера.

12. Лазер по п.11, дополнительно содержащий множество модулей усилителя, функционально связанных друг с другом для усиления лазерного пучка.

13. Способ лазерной генерации, содержащий этапы, на которых:
обеспечивают модуль усилителя, включающий в себя:
трубку, имеющую внутреннюю поверхность и внешнюю поверхность, причем трубка включает в себя активный материал лазера;
первую подложку, примыкающую к внутренней поверхности трубки, причем первая подложка включает в себя первое множество микроканалов;
вторую подложку, примыкающую к внешней поверхности трубки, причем вторая подложка включает в себя второе множество микроканалов; и множество диодных матриц, расположенных снаружи второй подложки;
подают излучение накачки из множества диодных матриц на лазерный активный материал лазера модуля усилителя и
пропускают охлаждающее вещество через первое и второе множества микроканалов.

14. Способ по п.13, в котором управляют пропусканием охлаждающего вещества через первое и второе множества микроканалов раздельно.

15. Способ по п.13, дополнительно содержащий этап, на котором:
функционально связывают оптическую схему, по меньшей мере, с одним концом модуля усилителя, причем оптическую схему выбирают из группы, состоящей из оптических элементов на основе аксикона, w-аксикона и рефлаксикона, и
функционально связывают множество модулей усилителя друг с другом для усиления лазерного пучка.