ВОЛОКОННЫЙ ЛАЗЕР ДЛЯ НАКАЧКИ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2020 года по МПК H01S3/67 

Изобретение относится к устройствам для генерирования, усиления, модуляции, демодуляции или преобразования частоты, использующие стимулированное излучение электромагнитных волн с длиной волны большей, чем длина волны в ультрафиолетовом диапазоне, а именно к волоконным лазерам для накачки, например, гольмиевых активных элементов.

Накачка активных элементов, например гольмиевых, с помощью волоконного лазера, например тулиевого, уменьшает квантовый дефект ввиду минимальной разницы длин волн накачки и генерации, что значительно снижает тепловые нагрузки, являющиеся критическими для кристаллов. Волоконный лазер, например тулиевый, в таких системах должен обеспечивать оптимальные спектральные характеристики в широком диапазоне рабочих температур от -60°С до +60°С для эффективной накачки активного элемента в различных условиях эксплуатации, должен обеспечивать формирование необходимого лазерного пучка и иметь защиту от обратного излучения. Также конструкция лазера должна быть компактной и не требовать дополнительных устройств питания, охлаждения и др. для работы.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению и выбранным в качестве прототипа устройства является техническое решение, описанное в патенте на полезную модель №112520, опубл. 10.01.2012 г., МПК H01S 3/067, под названием «Волоконный лазер», содержащий блок питания и излучатель, включающий оптически связанные активный элемент в виде активного волоконного световода и источник диодной накачки, при этом первый выход блока питания электрически связан с входом излучателя, содержащего термодатчик, выход которого электрически связан с входом блока питания, не менее одного электрических нагревательных элементов, силовые выводы которых электрически связаны со вторым выходом блока питания. К недостаткам этого устройства следует отнести:

- отсутствие описания схемы лазера и его эффективности;

- наличие пластины с несколькими нагревательными элементами для нагрева активного элемента, что усложняет конструкцию и увеличивает массогабаритные характеристики.

Задачей настоящего изобретения является улучшение эксплуатационных возможностей с уменьшением массогабаритных характеристик, а именно возможность работы волоконного лазера в широком температурном диапазоне с выходной мощностью излучения не менее 30 Вт. и повышение эффективности накачки гольмиевых активных элементов в различных условиях эксплуатации.

Технический результат, заключается в обеспечении

- длины волны, оптимальной для накачки гольмиевых активных элементов;

- защиты лазера от обратного излучения;

- работоспособности волоконного лазера в широком диапазоне температур от -60°С до +60°С без применения дополнительных устройств терморегулирования, что позволило снизить массогабаритные характеристики и улучшить эксплуатационные возможности.

Указанный технический результат достигается тем, что волоконный лазер для накачки активных элементов, содержащий блок питания и излучатель, включающий оптически связанные активный элемент в виде активного волоконного световода и источник диодной накачки, при этом первый выход блока питания электрически связан с входом излучателя, содержащего термодатчик, выход которого электрически связан с входом блока питания, не менее одного нагревательных элементов, силовые выводы которых электрически связаны со вторым выходом блока питания, согласно изобретению снабжен оптоволоконными объединителями накачки, резонатором, образованным селективными зеркалами, выполненными в виде волоконных брегговских решеток с резонансной длиной волны в диапазоне 1907,6-1908,2, не менее чем одним источником диодной накачки, оборудованным эмиттерами, расположенными с противоположных сторон теплоотводящей пластины, образованной частью корпуса лазера, и волоконным выводом излучения, оснащенным кристаллическим наконечником, при этом в качестве источников диодной накачки использованы лазерные диоды с длиной волны 786 нм и температурным дрейфом длины волны 0,3 нм/К.

Кроме того, в волоконном лазере для накачки активных элементов использованы одиночные эмиттеры.

Кроме того, в волоконном лазере для накачки активных элементов использованы гольмиевые активные элементы.

Кроме того, в волоконном лазере для накачки активных элементов наконечник выполнен кварцевым.

Кроме того, в волоконном лазере для накачки активных элементов использованы брегговские решетки с шириной спектра не более 0,5 нм.

Кроме того, в волоконном лазере для накачки активных элементов электрические нагревательные элементы выполнены патронными.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результатуотличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного технического уровня техники.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень».

Предложенное техническое решение проиллюстрировано на следующих чертежах:

на фиг. 1 представлена функциональная схема волоконного лазера;

на фиг. 2 представлен источник диодной накачки;

на фиг. 3 схематично представлена конструкция лазера;

на фиг. 4 представлен спектр поглощения тулиевого волокна в области 785-795 нм;

на фиг. 5 представлен волоконный вывод излучения с кварцевым наконечником.

На чертежах введены следующие обозначения:

1 - блок питания;

2 - излучатель

3 - активный элемент (активный волоконный световод);

4 - источник диодной накачки (лазерный диод накачки);

5 - термодатчик;

6 - нагревательный элемент;

7 и 8 - оптоволоконные объединители накачки;

9 - глухое селективное зеркало;

10 - выходное селективное зеркало;

11 - эмиттеры;

12 - теплоотводящая пластина;

13 - волоконный вывод излучения;

14 - кристаллический наконечник.

Функциональная схема волоконного лазера для накачки активных элементов содержит в корпусе А (фиг. 1) блок питания 1, излучатель 2, вход которого электрически связан с первым выходом блока питания 1, включающий оптически связанные активный элемент 3, выполненный в виде активного волоконного световода, и источник диодной накачки 4 (лазерный диод накачки), а также термодатчик 5, выход которого электрически связан с входом блока питания 1. Кроме того, функциональная схема содержит один или несколько нагревательных элементов 6, выполненных патронными, силовые выводы которых электрически связаны со вторым выходом блока питания 1. Волоконный лазер для накачки активных элементов, снабжен оптоволоконными объединителями накачки 7 и 8, резонатором, образованным селективными зеркалами 9 и 10, выполненными в виде волоконных брегговских решеток. Источник диодной накачки 4 (лазерный диод накачки) оборудован эмиттерами 11 (фиг. 2), расположенными с противоположных сторон теплоотводящей пластины 12 (фиг. 3), образованной частью корпуса устройства (фиг. 3) и волоконным выводом излучения 13, оснащенным кристаллическим наконечником 14 (фиг. 5).

Устройство работает следующим образом.

Объединители накачки 7 и 8 объединяют излучение источника диодной накачки 4 (лазерного диода накачки) для достижения мощности излучения, необходимой для накачки активного элемента 3 (активного волоконного световода). Излучение источника диодной накачки 4 (лазерного диода накачки) возбуждает ионы активного элемента 3 (активного волоконного световода), находящиеся в основном состоянии, и инициирует их переход на верхние энергетические уровни, таким образом создавая инверсию населенностей. Резонатор, образованный зеркалами 9 и 10, обеспечивает лазерную генерацию на длине волны, соответствующей накачке активного элемента 3 (активного волоконного световода). Волоконный вывод излучения 13 доставляет излучение генерации до активного элемента 3 (активного волоконного световода), а кварцевый наконечник 14 защищает лазер от обратного излучения.

На предприятии был проэкспериментирован волоконный лазер для накачки гольмиевых активных элементов, состоящий из блока питания 1, излучателя 2, электрически связанным с блоком питания 1, гольмиевых активных элементов 3 с концентрацией ионов тулия (Tm³⁺) более 3%, источника диодной накачки 4 (лазерного диода накачки), оборудованного одиночными эмиттерами, оптоволоконных объединителей накачки 7 и 8, резонатора, образованного селективными зеркалами глухим 9 и выходным 10, выполненными в виде волоконных брегговских решеток с резонансной длиной волны в диапазоне 1907,6-1908,2 и с шириной спектра не более 0,5 нм, волоконного вывода излучения 13 с кварцевым наконечником 14, термодатчика 5 и электрических нагревательных элементов 6, выполненных патронными.

Экспериментальные исследования спектра поглощения ионов тулия в диапазоне 785-795 нм (фиг. 4) показали, что максимум поглощения соответствует длине волны 788 нм. Поэтому использование источников диодной накачки 4 (лазерных диодов накачки) с длиной волны 786 нм при температуре 25°С позволяет использовать пассивное охлаждение, т.к. дрейф длины волны источников диодной накачки 4 (лазерных диодов накачки) составляет 0,3 нм/К. Конструкция волоконного лазера для накачки активных элементов, например гольмиевых (фиг. 3) обеспечивает тепловой режим работы, при котором спектр излучения источников диодной накачки 4 (лазерных диодов накачки) соответствует спектру поглощения ионов тулия в активном элементе 3 (активном волоконном световоде) в широком температурном диапазоне от -60°С до +60°С. В предлагаемом волоконном лазере для накачки активных элементов, образованном селективными зеркалами 9, 10, обеспечивает длину волны генерации 1907,6-1908,2 и ширину спектра не более 0,5 нм, что является оптимальным для накачки гольмиевых активных элементов. Волоконный вывод излучения 13 с кварцевым наконечником 14 предотвращает попадание в сердцевину излучения, отразившегося от внешней оптической схемы, в которой может использоваться заявляемое техническое решение.

Заявляемый техническое решение позволило существенно снизить массогабаритные характеристики волоконного лазера для накачки активных элементов, а также обеспечить его работу в широком температурном диапазоне от -60°С до +60°С и при высоком уровне обратного излучения (до 15%), что идеально подходит для использования в портативных лазерных устройствах, например гольмиевых.

Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, экспериментально подтверждена работоспособность волоконного лазера для накачки активных элементов и способность достижения указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

Изобретение относится к лазерной технике. Волоконный лазер для накачки активных элементов содержит блок питания и излучатель, включающий оптически связанные активный элемент в виде активного волоконного световода и источник диодной накачки. Первый выход блока питания электрически связан с входом излучателя, содержащего термодатчик, выход которого электрически связан с входом блока питания, не менее одного нагревательных элементов, силовые выводы которых электрически связаны со вторым выходом блока питания. Лазер снабжен оптоволоконными объединителями накачки, резонатором, образованным селективными зеркалами, выполненными в виде волоконных брегговских решеток с резонансной длиной волны в диапазоне 1907,6-1908,2, не менее чем одним источником диодной накачки, оборудованным эмиттерами, расположенными с противоположных сторон теплоотводящей пластины, образованной частью корпуса лазера, и волоконным выводом излучения, оснащенным кристаллическим наконечником. В качестве источников диодной накачки использованы лазерные диоды с длиной волны 786 нм и температурным дрейфом длины волны 0,3 нм/К. Технический результат заключается в обеспечении возможности улучшения эксплуатационных возможностей с уменьшением массогабаритных характеристик. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Волоконный лазер для накачки активных элементов, содержащий блок питания и излучатель, включающий оптически связанные активный элемент в виде активного волоконного световода и источник диодной накачки, при этом первый выход блока питания электрически связан с входом излучателя, содержащего термодатчик, выход которого электрически связан с входом блока питания, не менее одного нагревательных элементов, силовые выводы которых электрически связаны со вторым выходом блока питания, отличающийся тем, что он снабжен оптоволоконными объединителями накачки, резонатором, образованным селективными зеркалами, выполненными в виде волоконных брегговских решеток с резонансной длиной волны в диапазоне 1907,6-1908,2, не менее чем одним источником диодной накачки, оборудованным эмиттерами, расположенными с противоположных сторон теплоотводящей пластины, образованной частью корпуса лазера, и волоконным выводом излучения, оснащенным кристаллическим наконечником, при этом в качестве источников диодной накачки использованы лазерные диоды с длиной волны 786 нм и температурным дрейфом длины волны 0,3 нм/К.

2. Волоконный лазер для накачки активных элементов по п. 1, отличающийся тем, что использованы одиночные эмиттеры.

3. Волоконный лазер для накачки активных элементов по п. 1, отличающийся тем, что использованы гольмиевые активные элементы.

4. Волоконный лазер для накачки активных элементов по п. 1, отличающийся тем, что наконечник выполнен кварцевым.

5. Волоконный лазер для накачки активных элементов по п. 1, отличающийся тем, что использованы брегговские решетки с шириной спектра не более 0,5 нм.

6. Волоконный лазер для накачки активных элементов по п. 1, отличающийся тем, что нагревательные элементы выполнены патронными.