НЕПРЕРЫВНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ

Полезная модель относится к области лазерной техники, в частности, к твердотельным лазерам с диодной накачкой, и может быть использована в приборостроении для создания лазерных осветительных систем с высокой средней мощностью излучения, применяемых в различных оптико-электронных системах, например, в приборах наведения летательных объектов по лазерному лучу.
Из существующего уровня техники известен наиболее близкий по технической сущности миниатюрный твердотельный лазер с диодной накачкой [1], который содержит лазерный диод накачки с волоконным выходом и последовательно установленные за выходным торцом волокна объектив, выполненный в виде одиночной линзы и обеспечивающий фокусировку излучения накачки, и активный элемент, выполненный в виде диска, плоские торцы которого перпендикулярны оптической оси объектива, входное и выходное зеркала резонатора выполнены в виде отражающих диэлектрических покрытий непосредственно на плоских торцах активного элемента, при этом на входном торце нанесено покрытие, полностью отражающее на длине волны генерации и полностью пропускающее на длине волны накачки, а на выходном торце - полностью отражающее на длине волны накачки и частично пропускающее на длине волны генерации, при этом на плоских торцах активного элемента расположены кольцеобразные прокладки из теплоотводящего эластичного материала.
Недостатками миниатюрного твердотельного лазера с диодной накачкой [1] являются ограниченный уровень средней мощности излучения генерации, нестабильность мощности при изменении температуры окружающей среды и недостаточная надежность вследствие использования окружающей среды и недостаточная надежность вследствие использования лишь одного лазерного диода накачки и невысокой эффективности элементов теплоотвода.
Задачами, поставленными в настоящей полезной модели, являются увеличение средней мощности, повышение стабильности излучения в широком диапазоне рабочих температур, а также повышение надежности и долговечности лазерного излучателя.
Поставленные задачи достигаются за счет того, что непрерывный лазерный излучатель включает оптически связанные первый лазерный диод накачки, снабженный волоконным световодом для вывода лазерного излучения, оптическую систему сопряжения и активный элемент с резонатором, выполненным в виде отражающих диэлектрических покрытий на его рабочих поверхностях, установленный в оправе, причем между оправой и рабочими поверхностями активного элемента расположены теплоотводящие прокладки, в отличие от прототипа, он содержит, по меньшей мере, второй лазерный диод накачки, снабженный волоконным световодом для вывода лазерного излучения, соединительный блок, в котором концы волоконных световодов закреплены параллельно друг другу, а их торцы расположены в одной плоскости, оптическая система сопряжения выполнена в виде телескопической оборачивающей системы, введены теплоотводящие прокладки, размещенные между нерабочими поверхностями активного элемента и оправой, металлический корпус, в котором размещены лазерные диоды с волоконными световодами, соединительный блок, оптическая система сопряжения, активный элемент в оправе, причем корпус имеет отверстие для выхода лазерного излучения с защитным стеклом, а все лазерные диоды соединены с корпусом через теплоотводящие прокладки и имеют длины волн излучения, соответствующие области полосы поглощения материала активного элемента.
По меньшей мере, один из лазерных диодов может отличаться от других по длине волны излучения.
Внутри корпуса может быть установлен датчик излучения, оптически сопряженный с активным элементом посредством защитного стекла.
Материал активного элемента может быть кристаллом алюмоиттриевого граната, активированного ионами иттербия.
Задача увеличения средней мощности генерируемого излучения решается за счет использования, по меньшей мере, двух лазерных диодов накачки. Увеличение числа лазерных диодов накачки пропорционально повышает мощность излучения генерации.
Задача повышения стабильности излучения в широком диапазоне рабочих температур реализуется, во-первых, повышением эффективности теплоотвода за счет:
- введения дополнительных теплоотводящих прокладок, размещенных между всеми поверхностями активного элемента и поверхностями оправы активного элемента, а также между основаниями лазерных диодов и металлическим корпусом излучателя;
- конструкцией и выбором материала оправы активного элемента, металлического корпуса излучателя и теплоотводящих эластичных прокладок, обеспечивающих отличный тепловой контакт и быстрый сброс тепла от лазерных диодов и активного элемента на массивные металлические корпусные детали;
- возможностью размещения лазерных диодов в удобных местах металлического корпуса, удаленных друг от друга с целью уменьшения их взаимного нагрева, благодаря наличию волоконных световодов;
во-вторых, благодаря применению лазерных диодов накачки, длины волн излучения которых могут отличаться друг от друга на величину D1. Известно, что длина волны излучения лазерного диода увеличивается при нагреве и уменьшается при охлаждении в среднем на 0,3 нм/град, а т.к. большинство активных сред имеют ограниченную спектральную полосу эффективного поглощения, то в широком диапазоне температур лазеры с диодной накачкой без принудительной термостабилизации уменьшают мощность на краях температурного диапазона вплоть до срыва генерации. В предлагаемой полезной модели, подобрав длины волн излучения диодов такими, чтобы излучение с большей длиной волны оставалось в полосе эффективного поглощения активной среды при низких температурах, а излучение с меньшей длиной волны - при высоких температурах, можно обеспечить стабильность мощности излучения в очень широком температурном диапазоне без принудительной термостабилизации.
Задача повышения надежности и долговечности излучателя обеспечивается тем, что при использовании двух и более лазерных диодов накачки для достижения требуемого уровня мощности нет необходимости работы лазерных диодов на повышенном токе питания, что увеличивает их ресурс, особенно при высоких температурах, кроме того, при выходе из строя одного из лазерных диодов изделие в целом остается работоспособным.
В частности, введение датчика наличия излучения обеспечивает возможность формирования сигнала о наличии лазерного излучения при пуске и выдачи сигнала о наличии лазерного излучения внешним потребителям.
Сущность предложенной полезной модели поясняется фигурами. На фиг. 1 изображена схема непрерывного лазерного излучателя. На фиг. 2 показана установка лазерного диода на корпус непрерывного лазерного излучателя через теплоотводащую прокладку.
Непрерывный лазерный излучатель (фиг. 1) включает в себя оптически связанные первый 1 и второй 2 лазерные диоды накачки, снабженные волоконными световодами соответственно 3 и 4 для вывода лазерного излучения, соединительный блок 5, в котором концы волоконных световодов 3 и 4 закреплены параллельно друг другу, а их торцы расположены в одной плоскости, оптическую систему сопряжения 6, активный элемент 7 с резонатором, выполненным в виде отражающих диэлектрических покрытий на его рабочих поверхностях, установленный в оправе 8, причем между оправой 8 и рабочими поверхностями активного элемента 7 расположены теплоотводящие прокладки 9. Введены теплоотводящие прокладки 10, размещенные между нерабочими поверхностями активного элемента 7 и оправой 8, и металлический корпус 11. В корпусе 11 размещены лазерные диоды 1 и 2, снабженные волоконными световодами 3 и 4 соответственно, соединительный блок 5, оптическая система сопряжения 6, выполненная в виде телескопической оборачивающей системы, активный элемент 7 в оправе 8, причем корпус 11 имеет отверстие для выхода лазерного излучения с защитным стеклом 12. Все лазерные диоды 1 и 2 соединены с корпусом 11 через теплоотводящие прокладки 13, как показано на фиг. 2, и имеют длины волн излучения, соответствующие области полосы поглощения материала активного элемента 7.
По меньшей мере, один из лазерных диодов 1 и 2 может отличаться от других по длине волны излучения.
Внутри корпуса 11 (фиг. 1) может быть установлен датчик излучения 12, оптически сопряженный с активным элементом 7 посредством защитного стекла 10.
Материал активного элемента 7 может быть кристаллом алюмоиттриевого граната, активированного ионами иттербия.
Непрерывный лазерный излучатель работает следующим образом.
Излучение лазерных диодов 1 и 2 (фиг. 1) выходит из торцов волоконных световодов 3 и 4, концы которых жестко закреплены параллельно друг другу в соединительном блоке 5, а их торцы расположены в одной плоскости, и фокусируется оптической системой сопряжения 6, выполненной в виде телескопической оборачивающей системы, внутри активного элемента 7, вызывая излучение генерации. Активный элемент 7 установлен в металлической оправе 8 через эластичные теплоотводящие прокладки 9 и 10, расположенные на рабочих и нерабочих поверхностях активного элемента 7 и обеспечивающие отличный тепловой контакт и быстрый сброс тепла от активного элемента 7 на массивную металлическую оправу 8. От оправы 8 тепло отводится на массивный металлический корпус 11, в котором размещены все компоненты излучателя: лазерные диоды 1 и 2 с волоконными световодами 3 и 4, соединительный блок 5, оптическая система сопряжения 6 и активный элемент 7 в оправе 8.
Излучение генерации выходит из активного элемента 7 в виде параллельных пучков по числу лазерных диодов 1 и 2 и выводится из корпуса 11 через отверстие с защитным стеклом 12. Число лазерных диодов может быть два или более, что пропорционально повышает мощность излучателя по сравнению с прототипом [1], имеющим лишь один лазерный диод накачки.
Возможность размещения лазерных диодов 1 и 2 в удобных местах металлического корпуса 11, удаленных друг от друга благодаря наличию волоконных световодов, позволяет уменьшить их взаимный нагрев. Все лазерные диоды соединены с корпусом 11 через эластичные теплоотводящие прокладки 13 (фиг. 2) и имеют длины волн излучения, соответствующие области поглощения материала активного элемента.
По меньшей мере, один из лазерных диодов может отличаться от других по длине волны излучения, благодаря чему обеспечивается стабильность мощности излучения в широком температурном диапазоне без принудительной термостабилизации.
Активный элемент может быть выполнен из кристалла алюмоиттриевого граната, активированного ионами иттербия, имеющего более широкую спектральную полосу поглощения по сравнению с аналогичными кристаллами. Этим обеспечивается высокая эффективность преобразования излучения накачки в излучение генерации, не допускается перегрев диодов 1 и 2 и активного элемента 7, и, следовательно, также повышаются стабильность мощности в широком температурном диапазоне и надежность излучателя.
Незначительная доля излучения генерации, выходящего через защитное стекло 12 (фиг. 1), отражается от просветленной поверхности защитного стекла 12 и попадает на датчик излучения 14, который может быть установлен внутри корпуса 11 и служить для формирования сигнала о наличии лазерного излучения при пуске и выдачи сигнала о наличии лазерного излучения внешним потребителям.
Один из возможных вариантов выполнения непрерывного лазерного излучателя приведен ниже.
Лазерный излучатель включает 4 лазерных диода с волоконными многомодовыми световодами длиной до 1 м каждый с параметрами:
- диаметр сердцевины, мкм
62.5 или 250;
- числовая апертура излучения, sin U
0.15 или 0.22.
В качестве материала активного элемента используется кристалл Yb(5 ат.%):YAG или Yb(10 ат.%):YAG, оправы - медь, металлического корпуса - алюминий, теплоотводящих прокладок - специальная резина или металлическая фольга, обладающие повышенной теплопроводностью.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет создать простой, надежный и малогабаритный непрерывный лазерный излучатель с большой мощностью и высокой стабильностью в широком температурном диапазоне без принудительной термостабилизации. При этом введением датчика излучения обеспечивается возможность выдачи сигнала о наличии лазерного излучения внешним потребителям.
Источник информации:
1. BY 7230 U (ОАО «ПЕЛЕНГ») 2011.04.30, весь документ - Прототип.