ЛАЗЕРНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ Российский патент 2015 года по МПК H01S3/06 H01S3/08 

Изобретение относится к твердотельным лазерным излучателям и может быть использовано как миниатюрный лазерный излучатель в различных устройствах, в частности в медицинских лазерных устройствах бесконтактной перфорации биологических тканей, работающих в режиме одиночных импульсов.

Как известно из уровня техники, соответствующего настоящему изобретению, например, из Н.Г. Рябцев "Материалы квантовой электроники", Москва, Советское радио, 1972 год, стр.34, активный элемент твердотельного лазерного излучателя размещается в оптическом резонаторе. Оптический резонатор представляет собой два зеркала, размещенных параллельно друг другу, при этом одно из зеркал является глухим с коэффициентом отражения более 99%, второе - полупрозрачным, в большинстве случаев с коэффициентом отражения от 20% до 98%.

Зеркала оптического резонатора могут быть нанесены непосредственно на торцы активного элемента. При такой конструкции лазерный излучатель имеет меньшее количество деталей, что упрощает процесс его сборки.

В отличие от лазерных излучателей, в которых зеркала оптического резонатора выполнены в виде отдельных от активного элемента деталей, зеркала резонатора такого лазерного излучателя не могут быть разъюстированы в процессе эксплуатации лазерного излучателя, например, вследствие удара или ослабевания крепежа зеркал оптического резонатора, что повышает стабильность работы конечного прибора.

Кроме того, такой лазерный излучатель может быть выполнен меньшего размера по сравнению с лазерным излучателем, в котором зеркала оптического резонатора выполнены в виде отдельных от активного элемента деталей.

К преимуществам известных из уровня техники твердотельных лазерных излучателей с зеркалами оптического резонатора, нанесенными на торцы активного элемента, можно отнести меньшее количество энергии, требуемой для накачки активного элемента, по сравнению с твердотельными лазерными излучателями, у которых оптический резонатор выполнен в виде отдельных от активного элемента деталей, так как их внутрирезонаторные потери ниже, чем у лазерных излучателей с отдельными зеркалами оптического резонатора. Уменьшение энергии, требуемой для накачки активного элемента, означает уменьшение мощности и количества энергии, подаваемой на лампу накачки, что означает уменьшение мощности системы электропитания лазерного излучателя. В случае с мобильным лазерным излучателем потребуется уменьшение емкости элементов электропитания, что означает уменьшение веса и размеров лазерного излучателя.

Кроме того, как известно из уровня техники, наибольшая эффективность лазерного излучателя достигается при сферической форме одного или обоих торцов активного элемента.

В настоящее время твердотельные лазерные излучатели нашли применение в миниатюрных устройствах, например в медицинских лазерных устройствах для бесконтактной перфорации биологических тканей (кожи) пальца для забора крови на анализ, в том числе и для личного пользования, например, при проведении экспресс анализа на уровень сахара в крови при помощи персонального глюкометра. В случае интеграции лазерного устройства для прокалывания с персональным глюкометром в одном корпусе, размер лазерного излучателя и его вес должны быть как можно меньшими для обеспечения лучшей эргономики прибора.

Таким образом, в основу настоящего изобретения положена задача повышения эффективности (КПД) твердотельного лазерного излучателя с зеркалами, нанесенными на торцы активного элемента, то есть повышение мощности излучения лазерного излучателя без повышения его энергопотребления или снижение размеров, массы и энергопотребления лазерного излучателя без снижения мощности его излучения и с сохранением простоты сборки лазерного излучателя, в особенности для лазерных излучателей с оптически плотным активным элементом, например активным элементом из монокристалла иттрий-алюминиевого граната, легированного ионами эрбия.

Задача, положенная в основу настоящего изобретения, решается с помощью лазерного излучателя, содержащего отражатель с размещенными в нем активным элементом и лампу накачки активного элемента, при этом зеркала оптического резонатора нанесены на торцы активного элемента, при этом зеркала оптического резонатора выполнены под углом друг к другу и активный элемент сориентирован таким образом, что вершина угла, образованная плоскостями торцов активного элемента, лежит в плоскости, образованной осями лампы накачки и активного элемента, располагается с противоположной относительно лампы накачки активного элемента стороны.

Выполнение торцов активного элемента под углом друг к другу позволяет компенсировать термоакустическое воздействие лампы накачки и тем самым повысить кпд лазерного излучателя.

Один из торцов активного элемента может быть выполнен сферическим, при этом на этом торце наносится глухое зеркало оптического резонатора.

Также оба торца активного элемента могут быть выполнены сферическими.

Выполнение торцов активного элемента и соответственно зеркал оптического резонатора сферическими повышает эффективность устройства.

Наибольший эффект от предложенных нововведений достигается, когда активный элемент выполнен из оптически плотного материала с поглощением излучения лампы накачки близким к 100% за один проход на толщине активного элемента, например, из кристалла иттрий-алюминиевого граната, легированного ионами эрбия (ИАГ:Er). Предпочтительно, концентрация эрбия в кристалле иттрий-алюминиевого граната составляет 30% до 80% ат.

Также наибольший положительный эффект достигается в случае, если угол между зеркалами оптического резонатора составляет от 30 угловых секунд до 2 угловых минут, предпочтительно, от 30 угловых секунд до 60 угловых секунд.

Кроме того, задача, положенная в основу настоящего изобретения, решается с помощью активного элемента лазерного излучателя, на торцах которого нанесены зеркала оптического резонатора, при этом зеркала оптического резонатора выполнены под углом друг к другу.

Выполнение торцов активного элемента под углом друг к другу позволяет компенсировать термоакустическое воздействие лампы накачки и тем самым повысить кпд лазерного излучателя.

Один из торцов активного элемента может быть выполнен сферическим, при этом на этом торце наносится глухое зеркало оптического резонатора.

Также оба торца активного элемента могут быть выполнены сферическими.

Выполнение торцов активного элемента и соответственно зеркал оптического резонатора сферическими повышает эффективность устройства.

Наибольший эффект от предложенных нововведений достигается, когда активный элемент выполнен из оптически плотного материала с поглощением излучения лампы накачки близким к 100% за один проход на толщине активного элемента, например из кристалла иттрий-алюминиевого граната, легированного ионами эрбия (ИАГ:Er). Предпочтительно, концентрация эрбия в кристалле иттрий-алюминиевого граната составляет 30% до 80% ат.

Также наибольший положительный эффект достигается в случае, если угол между зеркалами оптического резонатора составляет от 30 угловых секунд до 2 угловых минут, предпочтительно, от 30 угловых секунд до 60 угловых секунд.

Далее приводится описание предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 изображает принципиальную схему расположения элементов лазерного излучателя;

фиг.2 изображает принципиальную схему элементов лазерного излучателя согласно одному из вариантов выполнения изобретения;

фиг.3 изображает принципиальную схему элементов лазерного излучателя согласно одному из вариантов выполнения изобретения.

Как показано на фиг.1 лазерный излучатель состоит из активного элемента 1, лампы 2 накачки и отражателя 3.

Активный элемент имеет цилиндрическую форму. В случае лазерного излучателя, предназначенного для использования в медицинских лазерных устройствах бесконтактной перфорации биологических тканей, диаметр активного элемента составляет от 2 до 5 мм.

Согласно предпочтительному варианту выполнения настоящего изобретения, в качестве активного элемента 1 используется монокристалл иттрий-алюминиевого граната, легированного ионами эрбия (ИАГ:Er).

Активный элемент 1 и лампа 2 накачки установлены внутри отражателя 3.

Отражатель 3 имеет форму полого цилиндра. Внутренняя поверхность отражателя 3 имеет отражающие свойства. Предпочтительно отражатель 3 выполняется в виде кварцевой трубки, внешняя поверхность которой покрыта слоем серебра и дополнительными защитными слоями, предотвращающими серебряный слой от процесса окисления под воздействием внешней среды.

Излучатель работает следующим образом.

На лампу 2 накачки подается питание, лампа инициируется и начинает работу, а именно, начинает излучать световое излучение.

Световое излучение от лампы 2 накачки попадает на активный элемент 1 и на отражающую поверхность отражателя 3. Световое излучение, отраженное и переотраженное от отражателя 3, также попадает на активный элемент 1.

В результате работы лампы 2 накачки на этапе накачки лазера световое излучение от лампы 2 накачки и отраженное, а также переотраженное световое излучение от отражателя 3 проходит через активный элемент 1. Другими словами, на активный элемент 1 подается энергия накачки лазера.

Как известно, при прохождении определенного светового излучения через активный элемент 1, происходит индуцирование вынужденного излучения.

Для накопления и соответственно усиления вынужденного излучения активный элемент 1 помещается в оптический резонатор.

В традиционных конструкциях твердотельных лазеров активный элемент помещается между двумя зеркалами. Одно из зеркал является выходным с коэффициентом отражения от 20 до 98%, второе является глухим с коэффициентом отражения более 99%.

В результате происходит многократное отражение индуцированного вынужденного излучения от зеркал оптического резонатора с прохождением этого излучения через активный элемент 1. При этом данное проходящее вынужденное излучение вызывает генерацию атомами активного элемента 1 новых фотонов. Таким образом происходит накопление и усиление лазерного излучения.

После накопления энергии лазерного излучения до определенного уровня через выходное зеркало испускается энергия лазерного излучения высокой интенсивности.

Уровень энергии лазерного излучения определяется характеристиками выходного зеркала и параметрами накачки.

Очевидно, что для достижения максимальной эффективности, зеркала оптического резонатора должны быть расположены параллельно друг другу и перпендикулярно центральной оси активного элемента 1. Иначе происходит потеря накапливаемого лазерного излучения и снижается эффективность генерации лазерного излучения активным элементом.

Согласно настоящему изобретению, для обеспечения небольших размеров лазерного излучателя, для упрощения конструкции и повышения надежности лазерного излучателя глухое зеркало 4 и выпускное зеркало 5 оптического резонатора нанесены непосредственно на торцевые грани активного элемента 1. Предпочтительно глухое зеркало 4 и выпускное зеркало 5 напылены на торцевые грани активного элемента 1.

В результате проведенных исследований было выявлено, что на этапе накачки в режиме работы одиночных импульсов активного элемента 1 в лазерном излучателе возникают следующие эффекты.

На активный элемент 1 воздействует ударная волна от лампы накачки 2. В результате происходит деформация активного элемента 1, а именно его механический прогиб.

Также имеет место неравномерный прогрев оптического элемента 1 в момент накачки, поскольку лампа 2 накачки расположена с одной стороны относительно активного элемента 1. Таким образом сторона активного элемента 1, обращенная к лампе 2 накачки, поглощает большее количество излучения от лампы 2 накачки, чем противоположная относительно лампы 2 накачки сторона активного элемента 1.

В результате указанного выше неравномерного нагрева также происходит деформация активного элемента 1, а именно, его механический прогиб.

В случае, соответствующем настоящему изобретению, когда зеркала 4 и 5 нанесены непосредственно на торцевые грани активного элемента 1, при деформации активного элемента 1 происходит разъюстировка зеркал 4 и 5 оптического резонатора друг относительно друга. В результате зеркала 4 и 5 выходят из параллельного положения, то есть изменяются угловые характеристики оптического резонатора, происходит увеличение внутрирезонаторных потерь и снижается эффективность генерации лазерного излучателя.

Как указано выше, в качестве активного элемента 1, согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, используется кристалл иттрий-алюминиевого граната, легированного ионами эрбия (ИАГ:Er).

Материал ИАГ:Er с концентрацией эрбия 50% ат. является оптически плотной средой и свет от лампы накачки большей частью поглощается за один проход по сечению кристалла в отличие, от материала иттрий-алюминиевого граната, легированного ионами неодима (Nd:YAG) с концентрацией неодима 1% ат., где для полного поглощения излучение от лампы 2 накачки проходит через кристалл 4-6 раз, переотражаясь от поверхности отражателя 3.

Таким образом, термический эффект для оптически плотных сред, таких как кристалл ИАГ:Er, выражен более сильно по сравнению с оптически прозрачными средами.

Указанное выше воздействие лампы 2 накачки, оказываемое на активный элемент 1, называется термоакустическим воздействием.

На фиг.1 позицией 1а обозначен активный элемент при термоакустическом воздействии (схематическое изображение).

Данный эффект обуславливает более существенное отрицательное воздействие на эффективность работы лазерного излучателя в режиме работы одиночных импульсов, т.к. при других режимах генерации, например, в частотном режиме или непрерывном режиме, активный элемент через некоторое время переходит в состояние равновесия термооптических процессов.

Как показано на фиг.2, для повышения эффективности лазерного излучателя, согласно настоящему изобретению, применяется активный элемент 1, в котором зеркала 4 и 5 оптического резонатора нанесены непосредственно на торцы активного элемента 1, и торцы активного элемента изготовлены с обеспечением компенсации термоакустического воздействия, возникающего при запуске лампы 2 накачки.

Торцы активного элемента 1, согласно настоящему изобретению, выполняются не параллельно друг другу, а под определенным углом α₁ друг относительно друга.

Соответственно, зеркала 4 и 5 оптического резонатора, нанесенные на торцы активного элемента 1, также размещены не параллельно, а под углом α₁ друг относительно друга.

Данный угол α₁ подбирается с обеспечением компенсации изменений характеристик оптического резонатора, возникающих в результате термоакустического воздействия на активный элемент 1 лазерного излучателя.

А именно, данный угол α₁ выбирается таким образом, что зеркала 4 и 5 оптического резонатора при деформации активного элемента 1 при термоакустическом воздействии приводятся в параллельное или близкое к параллельному положение.

При этом активный элемент 1 размещается относительно лампы 2 накачки таким образом, что вершина угла α₁, образованная плоскостями торцов активного элемента 1, лежит в плоскости, образованной осями лампы 2 накачки и активного элемента 1 и располагается с противоположной относительно лампы 2 накачки стороны.

Данный аспект обеспечивает снижение внутрирезонаторных потерь. Соответственно, повышается эффективность процесса индуцирования вынужденного излучения в активном элементе 1. В результате излучение от лампы 2 накачки используется более эффективно, что позволяет повысить кпд лазерного излучателя.

Соответственно, имеется возможность повышения мощности излучения лазерного излучателя без повышения его энергопотребления или возможность снижения размеров, массы и энергопотребления лазерного излучателя без снижения мощности его излучения. При этом сохраняется простота сборки лазерного излучателя, так как данный лазерный излучатель не содержит каких-либо дополнительных деталей.

В результате выполнения торцов активного элемента 1 и соответственно зеркал 4 и 5 оптического резонатора под углом α₁ друг относительно друга, торцы активного элемента 1 и соответственно зеркала 4 и 5 оптического резонатора также расположены под углами α₂ и α₃ относительно центральной оси активного элемента 1.

Конкретное значение углов α₁, α₂ и α₃ выбирается с учетом размеров активного элемента 1, его плотности, его оптической плотности, параметров накачки активного элемента, в том числе характеристик лампы 2 накачки и ее расположения относительно активного элемента 1 и отражателя 3, а также характеристик отражателя 3. Указанные углы наклона выбираются с обеспечением максимальной компенсации термоакустического воздействия на активный элемент 1.

Так, для активного элемента 1, выполненного из кристалла иттрий-алюминиевого граната, легированного ионами эрбия (ИАГ:Er), угол α₁ составляет от 30 угловых секунд до 2 угловых минут.

В некоторых случаях, при определенных характеристиках лазерного излучателя, один из торцов активного элемента 1 и соответственно одно из зеркал 4 и 5 оптического резонатора может быть выполнено перпендикулярно центральной оси активного элемента 1.

Таким образом, углы α₂ и α₃ могут иметь значение от 90° до 90° - α₁.

Как указывается выше, наибольшая эффективность лазерного излучателя достигается при сферической форме одного или обоих торцов активного элемента 1.

На фиг.3 показан вариант выполнения активного элемента 1 с обоими торцами сферической формы.

Для данного варианта выполнения присущи все признаки активного элемента с плоскими торцами и соответствующего лазерного излучателя.

Однако сферическая поверхность одного или обоих торцов активного элемента 1 формируется с обеспечением наклона секущей плоскости образованного сегмента сферы. Углы α₁, α₂ и α₃ задаются и определяются в отношении секущей плоскости образованного сегмента сферы.

Лазерный излучатель содержит отражатель с размещенными в нем активным элементом и лампой накачки активного элемента. При этом зеркала оптического резонатора нанесены на торцы активного элемента, торцы оптического резонатора выполнены под углом друг к другу. Активный элемент сорентирован таким образом, что вершина угла, образованная торцами активного элемента, лежит в плоскости, образованной осями лампы накачки и активного элемента, располагается с противоположной относительно лампы накачки стороны. При этом угол между зеркалами оптического резонатора составляет от 30 угловых секунд до 2 угловых минут. Технический результат - компенсация термоакустических воздействия лампы накачки. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Лазерный излучатель, содержащий отражатель с размещенными в нем активным элементом и лампу накачки активного элемента, при этом зеркала оптического резонатора нанесены на торцы активного элемента, отличающийся тем, что зеркала оптического резонатора выполнены под углом друг к другу и активный элемент сориентирован таким образом, что вершина угла, образованная плоскостями торцов активного элемента, лежит в плоскости, образованной осями лампы накачки и активного элемента, располагается с противоположной относительно лампы накачки стороны, при этом угол между зеркалами оптического резонатора составляет от 30 угловых секунд до 2 угловых минут.

2. Лазерный излучатель по п. 1, отличающийся тем, что один из торцов активного элемента выполнен сферическим, при этом на этом торце нанесено глухое зеркало оптического резонатора.

3. Лазерный излучатель по п. 2, отличающийся тем, что оба торца активного элемента выполнены сферическими.

4. Лазерный излучатель по любому из пп. 1, 2 или 3, отличающийся тем, что активный элемент может быть выполнен из оптически плотного материала, с поглощением излучения лампы накачки близким к 100% за один проход на толщине активного элемента.

5. Лазерный излучатель по п. 4, отличающийся тем, что активный элемент выполнен из кристалла иттрий-алюминиевого граната, легированного ионами эрбия (ИАГ:Er).

6. Лазерный излучатель по п. 5, отличающийся тем, что концентрация эрбия в кристалле иттрий-алюминиевого граната составляет от 30% до 80% ат.

7. Лазерный излучатель по любому из пп. 1, 2, 3, 5 или 6, отличающийся тем, что угол между зеркалами оптического резонатора составляет от 30 угловых секунд до 60 угловых секунд.

8. Лазерный излучатель по п. 4, отличающийся тем, что угол между зеркалами оптического резонатора составляет от 30 угловых секунд до 60 угловых секунд.

9. Активный элемент лазерного излучателя, на торцах которого нанесены зеркала оптического резонатора, отличающийся тем, что зеркала оптического резонатора выполнены под углом друг к другу, при этом угол между зеркалами оптического резонатора составляет от 30 угловых секунд до 2 угловых минут.

10. Активный элемент лазерного излучателя по п. 9, отличающийся тем, что один из торцов активного элемента выполнен сферическим, при этом на этом торце нанесено глухое зеркало оптического резонатора.

11. Активный элемент лазерного излучателя по п. 10, отличающийся тем, что оба торца активного элемента выполнены сферическими.

12. Активный элемент лазерного излучателя по любому из пп. 9, 10 или 11, отличающийся тем, что активный элемент может быть выполнен из оптически плотного материала с поглощением излучения лампы накачки близким к 100% за один проход на толщине активного элемента.

13. Активный элемент лазерного излучателя по п. 12, отличающийся тем, что активный элемент выполнен из кристалла иттрий-алюминиевого граната, легированного ионами эрбия (ИАГ:Er).

14. Активный элемент лазерного излучателя по п. 13, отличающийся тем, что концентрация эрбия в кристалле иттрий-алюминиевого граната составляет от 30% до 80% ат.

15. Активный элемент лазерного излучателя по любому из пп. 9, 10, 11, 13 или 14, отличающийся тем, что угол между зеркалами оптического резонатора составляет от 30 угловых секунд до 60 угловых секунд.

16. Активный элемент лазерного излучателя по п. 12, отличающийся тем, что угол между зеркалами оптического резонатора составляет от 30 угловых секунд до 60 угловых секунд.