УСТРОЙСТВО СВЕТОДИОДНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКИ ДЛЯ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРОВ Российский патент 2025 года по МПК H01S3/02 H01S3/933 

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к конструкции квантронов твердотельных лазеров. Устройство представляет собой систему мощных светодиодов, фокусирующие линзы и активный элемент. Технический результат достигается фокусировкой излучения мощных светодиодов в место расположения активного элемента, что обеспечивает его оптическую накачку с последующей генерацией лазерного излучения.

Известно устройство отражения излучения для твердотельных лазеров (патент РФ № 2735133, МПК H01S 3/02), в котором устройство отражения излучения для твердотельных лазеров содержит отражатель излучения накачки, с размещенными внутри него активным элементом и лампами накачки, и помещено в квантрон, содержит фокусные плоскости, размещенные таким образом, что все излучение источника накачки собирается в области нахождения активного элемента, увеличивая мощность генерируемого лазерного излучения. Отражающее покрытие состоит из анодированного серебром алюминия толщиной от 0,2 мм до 1,5 мм, которое приклеено на основу плоскостно-дугового отражателя квантрона Технический результат заключается в обеспечении возможности повышения эффективности отражения в видимой и ближней инфракрасной части спектра накачки и в отсутствии необходимости высокоточной механической обработки основы плоскостно-дугового отражателя квантрона

Недостатком данного изобретения является то, что отражающее покрытие необходимо приклеивать на основу плоскостно-дугового отражателя квантрона и при интенсивной работе происходит нагрев и отклеивание отражающего покрытия. Это приводит не только к ухудшению отражающих свойств покрытий, но и к неправильному отражению, что приводит к уменьшению мощности излучения накачки активного элемента.

Известен квантрон твердотельного лазера с диодной накачкой (патент РФ № 2622237, МПК H01S 3/042, H01S 3/02), в котором активный элемент в виде стержня, источники оптической накачки, расположенные на держателях вокруг активного элемента, систему охлаждения активного элемента и источников оптической накачки, фланцы и элемент, соединяющий фланцы. Держатели расположены в соосных отверстиях фланцев, система охлаждения содержит трубку, охватывающую активный элемент с образованием радиального зазора, входной, выходной коллекторы и каналы держателей. Элемент, соединяющий фланцы, выполнен в виде рамы, содержащей параллельные пластины, соединенные ребрами. Держатели снабжены выполненными с обеих сторон ограничителями, взаимодействующими с торцевыми поверхностями фланцев, один из ограничителей каждого держателя выполнен с пазом, взаимодействующим с эксцентриком, эксцентрики установлены в отверстия одного из фланцев. Технический результат заключается в обеспечении возможности увеличения мощности и КПД, а также в повышении технологичности конструкции.

Недостатком данного изобретения является то, что в зависимости от геометрических размеров активного элемента необходимо корректировать расходимость излучения матриц лазерных диодов так, чтобы все излучение накачки попадало на активный элемент.

Известен лазер с диодной накачкой и встроенным каналом охлаждения (патент США № WO0079654A9, МПК H01S3/02; H01S3/04), в котором лазерное устройство включает в себя лазерный стержень, матрицу устройств накачки диодных лазеров, в которой каждый диодный лазер имеет прочное соединение с лазерным стержнем для максимальной передачи лазерной энергии. Радиальная матрица диодного лазера последовательно соединена с помощью покрытий и/или пальцев и/или сфер. Охлаждение лазерного стержня и радиальной матрицы диодного лазера осуществляется через общий жидкостный канал снаружи лазерного стержня, при этом охлаждающая жидкость протекает мимо лазерного стержня и радиальной матрицы диодного лазера. Раскрыты инновационные методы создания вариантов нанесения покрытий. Также раскрыты различные варианты применения плоского диодного лазера.

Недостатком данного изобретения является то, что устройство предназначено для использования с активными элементами определенных геометрических размеров.

Известен патент лазерное устройство с вертикальным внешним резонатором и поверхностным излучением с оптической накачкой (патент США № US9099834B2, H0I S5/041), в котором содержится по меньшей мере один VECSEL и несколько лазерных диодов накачки. Лазерные диоды накачки выполнены с возможностью оптической накачки активной области VECSEL путем отражения излучения накачки от зеркального элемента. Зеркальный элемент расположен на оптической оси VECSEL и предназначен для концентрации излучения накачки в активной области и для формирования одновременно внешнего зеркала VECSEL. Предлагаемое устройство позволяет избежать трудоемкой настройки лазеров накачки относительно активной области VECSEL и обеспечивает очень компактную конструкцию лазерного устройства.

Недостатком данного изобретения является то, что лазерные диоды накачки представляют собой диоды VCSEL, которые необходимо эпитаксиально выращивать и закреплять на поверхности теплообменника, на котором расположена активная область для последующей ее накачки. Это является трудоемким процессом, требующим специального оборудования.

Известен патент твердотельный лазер и устройство для обработки лазерным лучом, использующее тот же (патент Япония № JP2000269577A, МПК В23К26/08; H01S3/094; H01S3/0941;), в котором твердотельное лазерное устройство, возбуждается лазерным диодом, которое излучает лазерный свет путем возбуждения и колебания твердотельной лазерной среды, например, кристалла YAG, путем излучения света лазерным диодом.

Недостатком данного изобретения является то, что отсутствует возможность изменения диаметра пучка излучения накачки на активном элементе для возбуждения одной основной или нескольких поперечных мод.

Известен патент устройство для продольной накачки лазерной среды (патент США № US20100014547A1, МПК H01S3/09415), в котором содержится, по меньшей мере, один лазерный диод, способный излучать, по меньшей мере, один лазерный луч. Средство для фокусирования указанного лазерного луча на указанной усиливающей лазерной среде и средство для коллимации указанного лазерного луча, способное генерировать коллимированный лазерный луч. Изобретение отличается тем, что указанное средство фокусировки содержит, по меньшей мере, одно зеркало, причем указанное зеркало расположено таким образом, что указанный коллимированный луч отражается в сторону усиливающей среды.

Недостатком данного изобретения является то, что фокусировка излучения накачки одним зеркалом может привести к аберрациям, что может вызвать несовпадение оптической оси резонатора с осью накачки, также отсутствует возможность изменения размера пучка излучения накачки на активном элементе.

В качестве прототипа выбран патент твердотельное лазерное устройство с оптической накачкой и самонастраивающейся оптикой для накачки (патент РФ № 2608972, МПК H01S 3/0941, H01S 3/02), в котором твердотельное лазерное устройство с оптической накачкой содержит активный элемент в резонаторе. Несколько лазерных диодов накачки выполнены с возможностью отражения излучения накачки от одной поверхности зеркала резонатора. Указанное зеркало обеспечивает направление излучения накачки в активный элемент твердотельного лазера. Дополнительно на второй поверхности указанного зеркала в центральной части расположена линза. Техническим результатом предлагаемого решения является упрощение настройки оптической накачки и получение компактного лазерного устройства.

Недостатком данного изобретения является то, что устройство предназначено для работы с определенной геометрией активного элемента (диск) и определенной конфигурацией резонатора, при этом не прослеживается возможность использования устройства с цилиндрическим активным элементом и, например, концентрическим резонатором.

Техническим результатом изобретения является генерация лазерного излучения вследствие эффективного поглощения излучения накачки мощных светодиодов, сфокусированного на активном элементе цилиндрическими оптическими элементами.

Технический результат достигается тем, что устройство светодиодной оптической накачки для твердотельных лазеров состоит из мощных светодиодов, расположенных на поверхности квантрона таким образом, что излучение светодиодного источника накачки фокусируется в область расположения активного элемента цилиндрической линзой, что обеспечивает необходимую плотность мощности излучения накачки и генерацию лазерного излучения.

Данное устройство обеспечивает высокоэффективную фокусировку излучения светодиодного источника накачки в область расположения активного элемента и не требует высокоточной механической обработки основы отражателя квантрона.

Изобретение поясняется представленными фигурами:

фиг. 1 - принципиальная схема квантрона с обозначением основных элементов: 1 - корпус квантрона, 2 - мощные светодиоды, 3 - термоэлектрические преобразователи, 4 - цилиндрические линзы, 5 -активный элемент, 6 - кварцевая трубка.

фиг. 2 - принципиальная схема хода лучей от мощных светодиодов через фокусирующую цилиндрическую линзу к активному элементу.

Мощные светодиоды 2 расположены на термоэлектрических преобразователях 3, установленных на внутренней поверхности корпуса квантрона 1. Активный элемент 5 помещен в кварцевую трубку 6 для обеспечения протока охлаждающей жидкости по поверхности активного элемента и его термостабилизации. Поток излучения накачки мощных светодиодов 2 фокусируется в область расположения активного элемента цилиндрическими линзами 4. Использование данного устройства накачки позволит снизить стоимость отражателя, так как в этом случае не требуется высокоточная обработка внутренней поверхности квантрона. Оптическая накачка обеспечивается использованием мощных светодиодов и высокоэффективной фокусировкой цилиндрическими линзами.

Устройство работает следующим образом. При подаче рабочего напряжения на мощные светодиоды 2 (фиг. 1) осуществляется генерация излучения накачки, падающее на цилиндрическую линзу 4 (фиг. 2). Излучение накачки фокусируется цилиндрической линзой 4 (фиг. 2) в область расположения активного элемента 5. При этом величина потерь мощности излучения накачки при прохождении цилиндрической линзы и кварцевой трубки составляет не более 5%. Термостабилизация активного элемента осуществляется путем прокачки охлаждающей жидкости по внутреннему объему трубок из кварцевого стекла 6 (фиг. 1). При генерации излучения накачки мощными светодиодами 2 (фиг. 1) выделившееся тепло отводится термоэлектрическими преобразователями 3 непосредственно на корпус квантрона 1.

Заявленное изобретение основано на проведенных исследовательских работах по использованию мощных светодиодов с различной диаграммой направленности излучения и расчетах выполненных в специальном программном обеспечении.

Особенность данного изобретения заключается в том, что устройство накачки позволяет масштабировать плотность мощности излучения накачки на активном элементе, и может применяться с активными элементами различных геометрических размеров (цилиндр, брусок, планар и т.п.), легированными различными ионами активаторами. Такое решение приводит не только к унификации готовых изделий, но и к увеличению мощности генерируемого лазерного излучения за счет более эффективного поглощения излучения накачки активным элементом.

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к конструкции квантронов твердотельных лазеров. Устройство светодиодной оптической накачки для твердотельных лазеров, содержащее светодиоды, линзы и помещенное в квантрон, отличающееся тем, что оно содержит мощные светодиоды, расположенные на поверхности квантрона таким образом, что излучение светодиодного источника накачки фокусируется в область расположения активного элемента цилиндрической линзой, обеспечивающей необходимую плотность мощности излучения накачки и генерацию лазерного излучения. Технический результат - генерация лазерного излучения вследствие эффективного поглощения излучения накачки мощных светодиодов, сфокусированного на активном элементе цилиндрическими оптическими элементами. 2 ил.

Устройство светодиодной оптической накачки для твердотельных лазеров, содержащее светодиоды, линзы и помещенное в квантрон, отличающееся тем, что оно содержит мощные светодиоды, расположенные на поверхности квантрона таким образом, что излучение светодиодного источника накачки фокусируется в область расположения активного элемента цилиндрической линзой, обеспечивающей необходимую плотность мощности излучения накачки и генерацию лазерного излучения.