Способ управления решетками лазерных диодов в импульсном твердотельном лазере Российский патент 2022 года по МПК H01S3/94 

Изобретение относится к лазерной технике, а именно, к импульсным твердотельным лазерам с диодной поперечной накачкой активных элементов.

Одним из перспективных направлений развития импульсных твердотельных лазеров является направление, связанное с заменой традиционной ламповой накачки активных элементов на накачку лазерными диодами, линейками лазерных диодов или решетками лазерных диодов [1].

Так, при поперечной накачке активного элемента из широко применяемого алюмоиттриевого граната с ионами Nd³⁺ (АИГ: Nd³⁺) две последовательно соединенные решетки лазерных диодов с излучением на длине волны 808 нм, расположенные вдоль активного элемента, частично окруженного зеркальным отражателем, создают в нем инверсную населенность ионов Nd³⁺ как и импульсная ксеноновая лампа. При этом энергия импульса разряда через лампу почти на порядок превышает энергию импульсов разряда через решетки. Такое преимущество решеток реализуется только при совпадении длины волны излучения с узкой линией (~ 2 нм) поглощения ионов Nd³⁺ в АИГ 808 нм. Так как длина волны лазерных диодов возрастает с ростом их температуры со скоростью 0,3 нм/°С для выполнения условия согласования спектров необходимо термостабилизировать лазерные диоды. Температура диодов определяется температурой окружающей среды, эффектом разогрева диодов током накачки через диоды и эффективностью теплоотвода [1]. Поэтому при изменении температуры окружающей среды или частоты повторения импульсов тока накачки эффективность отвода тепла от корпусов решеток лазерных диодов тоже должна изменяться.

Наиболее часто применяемые в твердотельных лазерах системы поперечной диодной накачки построены по осесимметричной схеме, в которой нуждающийся в охлаждении активный элемент, помещают в прозрачную для излучения накачки трубку с прокачиваемой по ней жидкостью. Решетки лазерных диодов располагают через 120° вокруг активного элемента с охлаждением корпусов решеток термоэлектрическими элементами Пельтье, которые в свою очередь охлаждаются той же жидкостью или воздушным потоком [1]. Однако в условиях эксплуатации лазера при отрицательных температурах окружающей среды такие конструкции систем диодной накачки следует охлаждать морозостойкой жидкостью. А известные морозостойкие жидкости либо агрессивны, либо подвержены фотохимической диссоциации под действием мощного излучения накачки. Более того, использование элементов Пельтье связано с большими дополнительными энергозатратами вследствие их низкого КПД (~ 10%) и со сложным алгоритмом управления питания элементов с помощью системы обратной связи по температуре диодов.

Охлаждение морозостойкой жидкостью допускает конструкция контактно-жидкостного охлаждения системы диодной накачки и активного элемента, предложенная в [2]. В этой конструкции тепло от корпусов двух последовательно соединенных решеток и активного элемента контактным способом отводится на радиатор, через который прокачивается морозостойкая жидкость типа тосол или антифриз, не подвергаемая воздействия излучения накачки. Управление решетками лазерных диодов происходит с помощью источника питания лазерных диодов, обеспечивающего прохождение через решетки серии импульсов тока накачки с частотой повторения несколько десятков герц. Длительность одной серии может достигать нескольких часов. При увеличении частоты повторения импульсов тока накачки тепловыделение в диодах возрастает и их температура увеличивается, что приводит к рассогласованию спектров излучения лазерных диодов с линией поглощения ионов Nd³⁺. При этом происходит падение эффективности системы накачки и выходной энергии импульсов излучения твердотельного лазера с выходом на стационарный режим за 15…20 мин.

Восстановление выходных энергетических параметров лазера происходит либо после прерывания серии импульсов тока накачки на паузу в работе длительностью 15…20 мин, либо после снижения температуры охлаждающей жидкости энергозатратными элементами Пельтье, расположенными в конструкции внешней системы охлаждения.

Большое время выхода лазера на стационарный режим объясняется следующим образом. В конструкции системы накачки, предложенной в [2], с противоположной решеткам боковой стороны активного элемента расположены сегменты зеркального отражателя, которые возвращают в активный элемент небольшую часть излучения накачки, непоглощенного в активном элементе при первом проходе. При повышении частоты повторения импульсов тока накачки из-за эффекта разогрева лазерных диодов током накачки длина волны излучения диодов увеличивается. Часть излучения, непоглощенного на первом проходе активного элемента, возрастает, а также возрастает часть излучения, непоглощенного на втором проходе активного элемента, которая попадает обратно в решетки и дополнительно их подогревает. Длина волны излучения решеток из-за этого смещается, что приводит к дальнейшему рассогласованию спектров, и, как следствие, к дополнительному разогреву решеток и увеличению времени выхода на стационарный тепловой режим до 15…20 мин. При уменьшении длительности серии импульсов тока накачки до десятков секунд температура диодов возрастает незначительно, а во время паузы в работе, такой же по длительности, как и длительность серии, возвращается к первоначальной температуре. Поэтому в режиме чередующихся серий импульсов тока накачки и пауз в работе (режим серии импульсов) происходят незначительные колебания температуры лазерных диодов и, следовательно, незначительные изменения выходных параметров лазера.

Способ управления решетками лазерных диодов в импульсном твердотельном лазере, включающий накачку активного элемента с его боковой стороны сериями импульсов тока накачки через две решетки лазерных диодов, предложенный в [2], является наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу (прототип).

Недостатком этого способа является ограничение по частоте повторения импульсов излучения твердотельного лазера, связанное с перегревом решеток лазерных диодов, приводящим к рассогласованию спектров излучения диодов и поглощения ионов Nd и, как следствие, к падению эффективности накачки и к падению выходных энергетических параметров твердотельного лазера, работающего в импульсно-периодическом режиме.

Задачей изобретения является увеличение частоты повторения импульсов твердотельного лазера с сохранением его выходных энергетических параметров.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе управления решетками лазерных диодов в импульсном твердотельном лазере, включающем накачку активного элемента с его боковой стороны сериями импульсов тока накачки через две решетки лазерных диодов, в момент начала серии импульсов тока накачки через одну решетку серию импульсов тока накачки через другую решетку прерывают на длительность паузы в работе, при этом длительность серий и пауз в работе для каждой решетки устанавливают одинаковыми с помощью двух идентичных источников питания лазерных диодов, подключенных каждый к своей решетке, и коммутационного устройства, переключающего импульсы запуска источников питания.

Существенным отличием предлагаемого способа от известного способа является возможность реализации импульсно-периодического режима работы твердотельного лазера при сохранении эффективности накачки каждой решетки лазерных диодов и при сохранении выходных энергетических параметров импульсного твердотельного лазера при повышенной частоте повторения импульсов накачки.

Предлагаемый способ управления решетками лазерных диодов осуществляется следующим образом. В блок-схему известного устройства лазера дополнительно устанавливают второй источник питания лазерных диодов, идентичный первому источнику питания. Управление решетками осуществляется через источники питания с помощью их запуска от дополнительного коммутационного устройства, запускающегося с частотой F_u от внешнего генератора, которое переключает запуск каждого источника с периодом Т, равный длительности серий импульсов тока накачки и пауз в работе для каждой решетки. При этом период Т изменяют от нескольких десятков секунд при положительных температурах окружающей среды до нескольких часов при отрицательных температурах окружающей среды.

Экспериментальная проверка подтвердила, что в режиме серий импульсов со скважностью 0,5 выходные параметры лазера остаются на первоначальном уровне при длительности серий 25 с и частоте повторения импульсов 20 Гц (500 импульсов в каждой серии). Падение же выходной энергии импульсов излучения лазера в импульсно-периодическом режиме с частотой 20 Гц составило 70%.

Таким образом, поставленную перед предлагаемым способом задачу по увеличению частоты повторения импульсов твердотельного лазера с сохранением его выходных энергетических параметров следует считать решенной.

Источники информации

1. Гречин С.Г., Николаев П.П. Квантроны твердотельных лазеров с поперечной полупроводниковой накачкой. Квантовая электроника. 2009. е. 39, №1 с. 1-17.

2. Ляшенко А.И., Володина Е.М., Сапожников С.М., Подкопаев А.В. Моноимпульсные лазеры на AHT:Nd с резонаторами на основе оптической схемы четырехпроходового усилителя с поперечной диодной накачкой активного элемента. Радиотехника и электроника. 2021, Том 66, №12 с. 1240-1244.

Изобретение относится к импульсным твердотельным лазерам с диодной накачкой активных элементов. Накачка активного элемента с его боковой стороны осуществляется сериями импульсов тока накачки через две решетки лазерных диодов. В момент начала серии импульсов тока накачки через одну решетку серию импульсов тока накачки через другую решетку прерывают на длительность паузы в работе. Длительность серий импульсов тока накачки и длительность пауз в работе для каждой решетки устанавливают одинаковыми с помощью двух идентичных источников питания лазерных диодов. Источники подключены каждый к своей решетке. Коммутационное устройство переключает импульсы запуска источников. Технический результат: увеличение частоты повторения импульсного твердотельного лазера с сохранением его выходных энергетических параметров.

Способ управления решетками лазерных диодов в импульсном твердотельном лазере, включающий накачку активного элемента с его боковой стороны сериями импульсов тока накачки через две решетки лазерных диодов, отличающийся тем, что в момент начала серии импульсов тока накачки через одну решетку серию импульсов тока накачки через другую решетку прерывают на длительность паузы в работе, при этом длительность серий импульсов тока накачки и длительность пауз в работе для каждой решетки устанавливают одинаковыми с помощью двух идентичных источников питания лазерных диодов, подключенных каждый к своей решетке, и коммутационного устройства, переключающего импульсы запуска источников питания.