КОМПАКТНЫЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР С ПРОДОЛЬНОЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ НАКАЧКОЙ
COMPACT SOLID-STATE LASER WITH LONGITUDINAL SEMICONDUCTOR PUMPING

Изобретение относится к области квантовой электроники и лазерных технологических систем. Компактный твердотельный лазер с продольной полупроводниковой накачкой может быть использован в составе лазерных технологических комплексов, предназначенных для поверхностной обработки (маркировки) различных материалов, в приборостроении, для оптической связи и в медицине.
Известен твердотельный лазер с продольной накачкой, в котором излучение двух лазерных диодов фокусируется первой оптической системой, складывается поляризационной призмой и фокусируется второй оптической системой в активный элемент твердотельного лазера [Куратьев И.И. и др. Неодимовые излучатели с лазерной диодной накачкой. Известия АН СССР, сер. физическая. - М.: Наука, 1990, т.54, N10]. Резонатор лазера образован гранью активного элемента, обращенной ко второй фокусирующей системе, и выходным зеркалом. Для удержания требуемой длины волны накачки лазерные диоды установлены на двух микрохолодильниках, поддерживающих заданную рабочую температуру диодов. Лазер характеризуется относительно небольшой мощностью и предназначен для использования в лабораторных условиях.
Известен твердотельный лазер с продольной накачкой [Патент РФ №2172544]. Лазер включает последовательно соединенные оптический модуль накачки и резонатор лазера с выходным зеркалом и активным элементом, вклеенным теплопроводящим компаундом в калиброванный ложемент. Ложемент выполнен со стороны оптического модуля накачки в цилиндрической оправе резонатора, закрепленной в корпусе лазера соосно с оптической осью модуля накачки. Калибр ложемента D=d+(5-50) мкм, где d - диаметр активного элемента. Технический результат изобретения: обеспечение угловой стабилизации излучения в широком диапазоне температур. Лазер обладает небольшой мощностью в режиме непрерывного излучения и не может работать в режиме генерации импульсов с высокой пиковой мощностью.
В качестве прототипа выбран твердотельный лазер с продольной накачкой [патент РФ №2172544]. Лазер включает в себя последовательно соединенные оптический модуль накачки, резонатор лазера с активным элементом и выходным зеркалом. Активный элемент вклеен теплопроводящим компаундом в калиброванный ложемент, который выполнен со стороны оптического модуля накачки в цилиндрической оправе резонатора, закрепленной в корпусе лазера соосно с оптической осью модуля накачки. Резонатор выполнен в виде цилиндрической оправы, с одной стороны вклеен активный элемент, а на противоположном торце - выходное зеркало резонатора.
Недостатками лазера являются малая мощность излучения лазера, что не позволяет применять его, например, для решения задач лазерной технологии, невозможность генерации импульсов излучения с высокой пиковой мощностью в режиме модуляции добротности резонатора активным оптическим затвором.
Задачей является увеличение мощности лазера с высоким качеством пучка излучения, расширение области применения, упрощение конструкции лазера, что снижает себестоимость изделия и упрощает процесс сборки, повышение ремонтоспособности лазера в процессе эксплуатации.
Предложен компактный твердотельный лазер с продольной накачкой, включающий корпус, в котором последовательно установлены объектив накачки, заднее зеркало резонатора, активный элемент в теплоотводящей рубашке, переднее зеркало резонатора. Переднее зеркало резонатора закреплено на правом торце корпуса в юстировочной оправе, имеющей две угловые степени свободы, а заднее зеркало резонатора выполнено в виде отдельного оптического элемента. Активный элемент установлен в радиально симметричную теплоотводящую рубашку, закрепленную между зеркалами, в центре которой выполнен ложемент, в котором размещен активный элемент. Между боковой поверхностью элемента и установочной поверхностью ложемента помещена прокладка из теплопроводного материала. Оптический модуль вынесен за пределы корпуса лазера и связан с лазером оптоволокном, подключенным к объективу накачки, который установлен на торце корпуса лазера со стороны заднего зеркала резонатора.
Лазер может содержать оптический затвор, который установлен между активным элементом и передним зеркалом резонатора.
00
Расстояние между зеркалами - база резонатора, и положение активного элемента внутри резонатора определяется расчетным путем, исходя из требуемой выходной мощности лазера, условием генерации моды ТЕМ, а также критерием устойчивости резонатора [Ананьев Ю.А. Оптические резонаторы и лазерные пучки. - М.: Наука, 1990, 263 с.].
Перегрев активного элемента с последующим срывом генерации предотвращается путем эффективного радиально симметричного отвода тепла через боковую поверхность элемента на корпус и рассеиванием тепла в окружающую среду. Именно для этого активный элемент установлен в ложемент «рубашки», выполненной из материала, хорошо проводящего тепло, например, меди. Хороший сплошной тепловой контакт боковой поверхности активного элемента с ложементом рубашки обеспечивается с помощью прокладки, например, фольги из мягкого металла, например индия, обернутой вокруг элемента. Рубашка с элементом размещены в корпусе лазера между зеркалами резонатора. Тепловой контакт рубашки с корпусом обеспечивается за счет теплопроводящей прокладки. Внешняя поверхность корпуса может иметь ребра для повышения отдачи тепла в окружающую среду, что позволяет увеличить мощность лазера. Торцевая накачка активного элемента осуществляется с помощью объектива накачки, который фокусирует излучение накачки в центральную часть торца активного элемента. Излучение накачки от диодной линейки передается в объектив по оптоволокну, что позволяет получить высокое качество пучка излучения.
00
Рубашка имеет полукольца, внутренний радиус которых равен радиусу активного элемента. При сжатии полукольцами рубашки боковой поверхности активного элемента, обернутого прокладкой, например, фольгой с усилием, обеспечивающим пластическую деформацию фольги, происходит перераспределение материала фольги, который полностью заполняет зазор между поверхностями. Высокая теплопроводность прокладки обеспечивает быстрый радиально симметричный отвод тепла из активного элемента. Описанная конструкция рубашки обеспечивает радиально симметричное тепловое поле в активном элементе, в связи с чем появляется возможность дополнительно увеличить мощность накачки с соответствующим приростом выходной мощности излучения лазера. Кроме того, это способствует генерации одномодового излучения ТЕМ, что является признаком высокого качества излучения.
Конструктивное исполнение лазера позволяет установить между активным элементом и передним резонаторным зеркалом оптический затвор и работать в режиме модуляции добротности резонатора. В этом случае лазер генерирует периодическую последовательность импульсов излучения с высокой пиковой мощностью, что позволяет расширить область применения. Такие лазеры широко применяются, например, в лазерных технологических установках, предназначенных для маркировки и гравировки поверхности различных материалов.
Предлагаемый лазер обладает минимальным количеством механических и оптических деталей, что снижает себестоимость изделия и упрощает процесс сборки. Установка активного элемента в теплоотводящую рубашку позволяет менять активный элемент без демонтажа резонатора, что повышает ремонтоспособность лазера в процессе эксплуатации.
Применение оптического затвора, например акустооптического, позволяет расширить области использования лазера.
Таким образом, совокупность отличительных признаков является достаточной и необходимой для выполнения поставленной задачи.
Компактный твердотельный лазер с продольной полупроводниковой накачкой содержит корпус 1, оптоволокно 2, объектив накачки 3, заднее зеркало резонатора - отдельный оптический элемент 4, активный элемент 5, теплоотводящая рубашка 6, оптический затвор 7, переднее резонаторное зеркало 8, оптический модуль 9 (Фиг.1).
Работает лазер следующим образом.
00
Были проведены испытания макета лазера, собранного в соответствии со схемой, приведенной на Фиг.1. Модовый состав пучка лазерного излучения регистрировался с помощью анализатора качества лазерного пучка Spiricon LBA 300. Изображение распределения интенсивности в поперечном сечении лазерного пучка в дальней зоне приведено на Фиг.3. Распределение имеет форму гаусса, что соответствует моде ТЕМ.
1/2
Оптические элементы лазера установлены в жестком несущем корпусе 1, например, цилиндрической формы. Излучение накачки от диодной линейки, расположенной в оптическом модуле, передается в объектив по оптоволокну 2 в объектив накачки 3, который сквозь заднее зеркало резонатора 4 концентрирует излучение в объеме, например, цилиндрического активного элемента 5. Активный элемент выполнен из алюмоиттриевого граната, активированного ионами неодима, концентрация активатора ~0.9-1,1%. Поперечный размер области концентрации имеет величину порядка ~(λ×L). На заднее зеркало резонатора нанесено многослойное диэлектрическое отражающее покрытие, которое практически полностью отражает излучение с длиной волны 1.06 мкм и хорошо пропускает излучение накачки 0.808 мкм. Переднее зеркало резонатора закреплено на правом торце корпуса в юстировочной оправе, имеющей две угловые степени свободы. Активный элемент 5 установлен в ложемент медной рубашки 6 (Фиг.2). Рубашка состоит из двух полуколец 6а и 6б, которые охватывают боковую поверхность активного элемента (Фиг.2). Между боковой поверхностью элемента и поверхностью ложемента рубашки заложена, например, индиевая фольга толщиной, например, 120 мкм.
Рубашка установлена внутрь корпуса 1 и прижимается к внутренней вертикальной стенке корпуса торцевой поверхностью.
При включении лазера излучение накачки из оптического модуля, располагающегося в блоке питания, по оптоволокну 2 поступает в объектив накачки 3, который фокусирует излучение внутрь активного элемента 5. Ионы неодима, содержащиеся в активном элементе 5, поглощают кванты излучения накачки и переходят в возбужденное состояние. Через некоторое время ионы неодима возвращаются в исходное энергетическое состояние, излучая часть запасенной энергии в виде фотонов с длиной волны 1.064 мкм. Фотоны, вышедшие из активного элемента 5 и распространяющиеся вдоль оси лазера, в направлении заднего зеркала 4 резонатора отражаются от этого зеркала и возвращаются в активный элемент, где происходит лавинообразное увеличение числа фотонов - генерация света за счет процесса вынужденного излучения. Далее усиленный поток фотонов распространяется в направлении переднего зеркала 8 резонатора, которое часть фотонов отражает, и они возвращаются в активный элемент, тем самым создавая условия для поддержания процесса генерации света, а часть пропускает наружу. Таким образом, на выходе лазера формируется пучок непрерывного излучения, который можно использовать для решения различных практических задач.
Между активным элементом и передним зеркалом резонатора может быть установлен оптический затвор 7. В случае, когда затвор включен, усиленный поток фотонов из активного элемента не достигает переднего зеркала резонатора, что приводит к срыву генерации - на выходе лазера отсутствует пучок излучения, а в активном элементе накапливается энергия. Когда затвор отключается, происходит выплеск накопленной в элементе энергии в виде короткого импульса излучения с высокой пиковой мощностью. Периодическое включение и выключение затвора приводит к синхронному формированию на выходе лазера пучка излучения в виде повторяющихся световых импульсов.
Следует отметить, что эффективность преобразования энергии излучения накачки в лазерное не более 50%. Остальная энергия выделяется в активном элементе 5 в виде тепла, которое через боковую поверхность элемента отводится в рубашку 6 и затем в корпус 1, с поверхности которого тепло рассеивается в окружающую среду.
Технико-экономический эффект
00
Совокупность предлагаемых технических решений обеспечивает выходную мощность излучения лазера не менее 10 Вт, что значительно выше, чем у прототипа, и имеет модовый состав излучения: ТЕМ. Предлагаемый лазер имеет простую конструкцию с минимальным количеством механических и оптических деталей, что снижает себестоимость изделия и упрощает процесс сборки. Установка активного элемента в теплоотводящую рубашку позволяет менять активный элемент без демонтажа резонатора, что повышает ремонтоспособность лазера в процессе эксплуатации.
Применение оптического затвора, например акустооптического, позволяет осуществлять генерацию лазерных импульсов высокой пиковой мощности с энергией до 5 мДж, длительностью 25-60 нс и частотой повторения до 100 кГц. Такой лазер может применяться для решения ряда задач лазерной технологии, например, в технологических установках для лазерной гравировки и маркировки поверхности различных изделий, установках для подгонки номинала пленочных резисторов и т.д.