АКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДИСКОВОГО ЛАЗЕРА Российский патент 2012 года по МПК H01S3/06 

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в твердотельных дисковых лазерах.

В последнее время мощные твердотельные дисковые лазеры с полупроводниковой накачкой находят все большее применение в отраслях машиностроения, связанных с прецизионной обработкой, сваркой и резкой материалов. Одной из отличительных черт лазера на основе дискового активного элемента является обеспечение продольного лазерному излучению температурного градиента в активной среде, что позволяет сохранять его высокое качество при увеличении плотностей мощности излучения накачки и генерации соответственно. Наиболее используемой средой для дисковых лазеров на сегодняшний день является иттрий-алюминиевый гранат, легированный ионами иттербия (YAG:Yb³⁺), генерация в котором осуществляется по трехуровневой схеме. Хотя тепловыделение в данном материала не велико (на уровне 10-15% от мощности излучения накачки), при больших мощностях накачки оно достигает значительных величин и приводит к нагреву активной среды. Это приводит, во-первых, к увеличению заселенности нижнего лазерного уровня и, следовательно, к повышению порога генерации и снижению эффективности, а во-вторых, - к заметным оптическим искажениям и механическим разрушениям в активном элементе. Для того чтобы предотвратить данные нежелательные процессы, необходимо обеспечивать отведение тепла от активной среды, в частности присоединять ее к теплоотводящему основанию, которое может охлаждаться с помощью системы термостабилизации (система жидкостного охлаждения или термоэлектрические элементы Пельтье). Основной проблемой для такого активного элемента является обеспечение минимальных тепловых сопротивлений в промежуточных между активной средой и теплоотводящим основанием слоях, которыми являются высокоотражающее покрытие на длинах волн генерации и накачки, и буферный слой, обеспечивающий соединение активной среды с высокоотражающим покрытием и теплоотводящего основания.

Известен дисковый элемент [1], который представляет собой кристаллический диск активной среды, с нанесенными с противоположных сторон просветляющим на длинах волн излучения накачки и генерации (940 и 1030 нм соответственно) и высокоотражающим (99.8%) на длинах волн накачки и генерации покрытиями. Причем для обеспечения теплоотвода от активной среды кристаллический диск стороной с нанесенным высокоотражающим покрытием присоединяется к медному основанию через промежуточный слой индиевой фольги. Высокоотражающее покрытие представляет собой многослойное диэлектрическое покрытие. Как было установлено в наших экспериментах, использование диэлектрических покрытий, состоящих из большого числа слоев, для обеспечения высоких коэффициентов отражения на длинах волн излучения накачки и генерации не является оптимальным. Низкая теплопроводность многослойных диэлектрических покрытий (число слоев >30) не позволяет обеспечить работу с активным элементом при больших мощностях накачки из-за перегрева активной среды.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является активный элемент дискового лазера [2], включающий активную среду с просветляющим и высокоотражающим покрытиями на противоположных сторонах, присоединенную через буферный слой к теплоотводящему основанию. На высокоотражающее покрытие нанесен слой металла. Причем для металлизации используется медь. После нанесения медного покрытия активную среду металлизированной стороной через слой мягкого припоя или индия присоединяют к теплоотводящему основанию. Покрытие из меди служит для защиты высокоотражающего покрытия от непосредственного контакта между этим покрытием и припоем/индием. Слой меди является достаточно реакционноспособным, поэтому при совершении последовательности технологических операций, разнесенных во времени, его необходимо защищать слоем менее подверженного окислению металла, например никеля. Кроме того, использование металлического слоя в данной конструкции не приводит к снижению теплового сопротивления между активной средой и теплоотводящим основанием.

Задачей настоящего изобретения является создание конструкции активного элемента с высокой выходной мощностью лазерного излучения, получаемой на активном элементе при наличии резонатора и системы накачки посредством снижения теплового сопротивления между активной средой и теплоотводящим основанием.

Указанная задача решается за счет того, что в известном активном элементе дискового лазера, включающем активную среду с просветляющим и высокоотражающим покрытиями на противоположных сторонах, присоединенную через буферный слой к теплоотводящему основанию, высокоотражающее покрытие состоит из комбинации многослойного диэлектрического и металлических покрытий, обеспечивающей коэффициент отражения не ниже 99% для длин волн в диапазоне от 930 до 1040 нм при углах падения излучения от 0° до 30°.

На чертеже представлена схема предлагаемого активного элемента дискового лазера. На активную среду 1 нанесено просветляющее покрытие 2 и высокоотражающее покрытие 3, представляющее собой комбинацию многослойного диэлектрического покрытия 4 и металлических покрытий 5, обеспечивающую заданные параметры. Активная среда 1 с нанесенными покрытиями 2 и 3 через буферный слой 6 присоединяется к теплоотводящему основанию 7.

Предлагаемый активный элемент дискового лазера работает следующим образом, при присоединении активного элемента дискового лазера к системе термостабилизации, наличии резонатора и системы введения излучения накачки (обеспечивает многократное прохождение излучения накачки через активную среду 1, в зависимости от конфигурации системы угол падения излучения составляет от 0° до 30°), после включения источника накачки в активной среде 1 осуществляется преобразование излучения накачки на длинах волн в области 940 нм в излучение генерации на длинах волн в области 1030 нм (определяется выходным зеркалом, образующим вместе с активным элементом дискового лазера резонатор), при этом часть излучения накачки (~10%) преобразуется в тепло. От активной среды 1 образующееся тепло отводится через высокоотражающее покрытие 3, буферный слой 6 и теплоотводящее основание 7 и далее сбрасывается на систему термостабилизации.

В предлагаемом активном элементе активная среда выполнена в форме кристаллического диска с диаметром 12 мм, толщиной 200 мкм и концентрацией ионов Yb³⁺ 15%. На одну сторону этого диска нанесено просветляющее покрытие, представляющее собой четвертьволновый слой MgF₂. На заднюю сторону диска нанесено высокоотражающее покрытие, представляющее собой многослойное диэлектрическое покрытие, состоящее из небольшого (не более 10) числа слоев SiO₂ и ZrO₂ (или аналогичной им пары материалов с высоким и низким показателями преломления), на которое нанесено покрытие из Ag, защищенное покрытием из Cr, обеспечивающее отражение на уровне более 99% на длинах волн накачки и генерации. Вместо слоя Ag можно использовать слой Cu или Au. Кристаллический диск с указанными покрытиями соединяется с теплоотводящим основанием, изготовленным из меди (Cu), после нанесения на соединяемые поверхности слоя индия (In) посредством холодной диффузионной сварки. В результате проведенных экспериментов было установлено, что тепловое сопротивление между активной средой и теплоотводящим основанием в такой конструкции не превышает 5·10^-6 (K·м²)/Вт.

В результате испытаний предлагаемого активного элемента и известного активного элемента с высокоотражающим многослойным диэлектрическим покрытием, металлизированным медью, в составе макета дискового лазера было установлено, что предлагаемый активный элемент обеспечивает увеличение выходной мощности более чем в 1,5 раза.

Источники информации

1. K.Contag, U.Brauch, A.Giesen, I.Johannsen, M.Karszewski, U.Schiegg, C.Stewen, A.Voss, "Multihundred-watt diode-pumped Yb:YAG thin disc laser" (Proceedings Paper), Proceedings Vol.2986, Solid State Lasers VI, Richard Scheps, Editors, pp.2-9 (1997).

2. Европейский патент EP 0632551 - прототип.

Активный элемент включает активную среду с просветляющим и высокоотражающим покрытиями на противоположных сторонах, присоединенную через буферный слой к теплоотводящему основанию. Высокоотражающее покрытие состоит из комбинации многослойного диэлектрического и металлических покрытий, обеспечивающей коэффициент отражения не ниже 99% для длин волн в диапазоне от 930 до 1040 нм при углах падения излучения от 0° до 30°. Технический результат заключается в повышении выходной мощности лазерного излучения посредством снижения теплового сопротивления между активной средой и теплоотводящим основанием. 1 ил.

Активный элемент дискового лазера, включающий активную среду с просветляющим и высокоотражающим покрытиями на противоположных сторонах, присоединенную через буферный слой к теплоотводящему основанию, отличающийся тем, что высокоотражающее покрытие состоит из комбинации многослойного диэлектрического и металлических покрытий, обеспечивающей коэффициент отражения не ниже 99% для длин волн в диапазоне от 930 до 1040 нм при углах падения излучения от 0° до 30°.