Твердотельный лазер

Полезная модель относится к лазерной технике и может быть использована при построении твердотельных импульсных лазеров для систем дальнометрии, лидаров и др.
Известен излучатель лазера (ИЛ) [1], содержащий первый корпус с установленными в нем лампой накачки и активным элементом, оптически связанным с зеркалами резонатора в оправах и поляризатором, излучатель лазера дополнительно содержит второй корпус с фланцем, посредством которого соединен с первым корпусом, имеющим сквозную полость, в которой установлены оправа с зеркалом резонатора и поляризатор, при этом второй корпус и оправа с зеркалом выполнены с минимальными зазорами в едином блоке.
Недостатком ИЛ является то, что зеркала резонатора устанавливаются на двух раздельных корпусах, что увеличивает чувствительность лазерного резонатора к механическим воздействиям и изменениям температуры, а также требует подстройки резонатора после ремонтных работ, связанных с разделением корпусов, что уменьшает надежность ИЛ в целом.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является твердотельный лазер [2], включающий корпус и установленные в нем активный элемент, лампу накачки и резонатор, образованный поворотной двухгранной прямоугольной призмой и концевым элементом, включающим нанесенное на стеклянной подложке выходное зеркало и жестко закрепленную на ней вторую двухгранную прямоугольную призму, выполняющую роль «глухого» зеркала. При этом ребра призм при двухгранных преломляющих углах взаимоперпендикулярны. Корпус имеет две параллельные противоположные плоские торцевые грани, в которых выполнены посадочные отверстия. Поворотная призма и концевой элемент вклеены в соответствующие оправы, имеющие выступающие сферические посадочные поверхности, соответствующие посадочным отверстиям корпуса, при этом оправы установлены посадочными поверхностями в посадочные отверстия корпуса и закреплены на торцах корпуса излучателя по крайней мере двумя крепежными винтами или по крайней мере двумя парами винтов, в каждой из которых один винт является крепежным, а другой - упорным.
Недостатком прототипа является наличие концевого элемента, состоящего из нескольких частей, что увеличивает чувствительность резонатора к механическим воздействиям и изменению температуры, что соответственно увеличивает влияние на энергетические и пространственные параметры излучения указанных воздействий. Также недостатком является способ фиксации положения элементов резонатора посредством пар винтов, один из которых является крепежным, а другой - упорным. Учитывая требования, предъявляемые к габаритам подобных лазеров, в конструкции возможно использование только винтов малых диаметров. Как известно, винты, выступающие в качестве упорных элементов, не являются стабильным во времени конструктивным элементом из-за невозможности создания одинакового для всех пар винтов усилия зажатия, что повлечет взаимное смещение частей резонатора при механических воздействиях и изменениях температуры и приведет к нестабильности энергетических и пространственных параметров излучения.
Задачей предлагаемой полезной модели является стабилизация энергетических и пространственных параметров излучения в широком диапазоне температур окружающей среды и при воздействии ударов и вибрации в широком диапазоне частот и ускорений.
Поставленная задача решается тем, что в твердотельном лазере, содержащем корпус, активный элемент, лампу накачки и резонатор, состоящий из оптически связанных устройства для излома оси резонатора в оправе и концевого элемента в оправе, включающего выходное и глухое зеркала, корпус выполнен в виде моноблока, имеющего две параллельные противоположные плоские торцевые грани, перпендикулярные оптической оси резонатора, к одной из которых крепится оправа с концевым элементом, а к другой - оправа с устройством для излома оси резонатора, и имеющего продольную сквозную полость, в которой расположены активный элемент и лампа накачки, при этом активный элемент закреплен в корпусе и расположен между выходным зеркалом и устройством для излома оси резонатора, в отличие от прототипа, устройство для излома оси резонатора выполнено в виде трехгранной призмы БкР - 180°, концевой элемент выполнен в виде стеклянной подложки с нанесенными выходным и глухим зеркалами, резонатор также содержит лазерный электрооптический затвор и поляризатор, а оправа с концевым элементом и оправа с устройством для излома оси резонатора имеют плоскую опорную поверхность, опирающуюся на соответствующую торцевую грань корпуса, корпус имеет по крайней мере две противоположные плоские боковые грани, параллельные оптической оси резонатора, причем в корпусе выполнена сквозная полость прямоугольной формы, проходящая через указанные противоположные плоские боковые грани, на боковых гранях корпуса напротив полости установлены две платформы, на первой платформе закреплен первый отражатель, а на второй платформе закреплен второй отражатель, лампа накачки, лазерный электрооптический затвор и поляризатор, при этом платформы установлены так, что закрепленные на них элементы обращены внутрь сквозной полости, при этом первый и второй отражатели, имеющие внутреннюю рабочую поверхность в виде части цилиндра с диффузно отражающим покрытием, совместно образуют цилиндрическую поверхность, охватывающую активный элемент и лампу накачки, при этом поляризатор и лазерный электрооптический затвор расположены между глухим зеркалом и трехгранной призмой БкР - 180°.
Выполнение концевого элемента резонатора в виде стеклянной подложки с нанесенными выходным и глухим зеркалами и использование его совместно с устройством для излома оси резонатора, выполненного в виде трехгранной призмы БкР - 180°, обеспечивает устойчивость резонатора к разъюстировкам, возникающим вследствие взаимного углового смещения указанных элементов при механических воздействиях и изменении температуры. Использование лазерного электрооптического затвора совместно с поляризатором, а также выполнение отражателя в виде цилиндра с диффузно отражающим покрытием повышает эффективность преобразования световой энергии лампы накачки в излучение лазера. Снабжение корпуса закрепленной на нем платформой, на которой расположены с фиксацией взаимного положения лазерный электрооптический затвор и поляризатор, обеспечивает стабильное взаимное угловое положение лазерного электрооптического затвора и поляризатора при механических воздействиях и изменении температуры. Выполнение корпуса лазера в виде моноблока, имеющего первую и вторую параллельные противоположные плоские торцевые грани, перпендикулярные оптической оси резонатора и по крайней мере две противоположные плоские боковые грани, параллельные оптической оси резонатора, с выполнением в корпусе сквозной прямоугольной полости, проходящей через указанные противоположные плоские боковые грани, обеспечивает равномерное распределение в корпусе деформирующих напряжений, возникающих при изменении температуры. При этом деформации корпуса сводятся к линейному удлинению или укорочению и тем самым минимизируется разъюстировка резонатора. Выполнение оправы концевого элемента и оправы устройства для излома оси резонатора с плоской опорной поверхностью, опирающейся на соответствующую торцевую грань корпуса, исключает деформацию соответствующей оправы при закреплении на корпусе и обеспечивает стабильное взаимное положение концевого элемента и устройства для излома оси резонатора. Все это обеспечивает стабильность энергетических и пространственных параметров излучения в широком диапазоне температур окружающей среды и при воздействии ударов и вибрации в широком диапазоне частот и ускорений.
На фиг. 1 представлен эскиз твердотельного лазера с местным вырезом, лежащим в плоскости расположения осей активного элемента и лампы накачки.
На фиг. 2 представлено продольное сечение твердотельного лазера, проходящее вдоль активного элемента.
На фиг. 3 представлено поперечное сечение твердотельного лазера, проходящее через лазерный затвор, активный элемент и лампу накачки.
На фиг. 4 представлено поперечное сечение лазерного электрооптического затвора с указанием расположения электрического вектора поляризации  излучения и оси X и Y наведенного двойного лучепреломления.
Твердотельный лазер (фиг. 1, 2, 3) содержит корпус 1, активный элемент 2, закрепленный в корпусе, лампу накачки 3 и резонатор, состоящий из оптически связанных устройства 4 для излома оси резонатора в оправе 5 и концевого элемента 6 в оправе 7, выполненного в виде стеклянной подложки с нанесенными на ней выходным и глухим зеркалами (на чертежах не показаны). Устройство 4 для излома оси резонатора выполнено в виде трехгранной призмы БкР - 180°.
Корпус 1 выполнен в виде моноблока, имеющего две параллельные противоположные плоские торцевые грани, перпендикулярные оптической оси резонатора, и продольную сквозную полость A, также имеет по крайней мере две противоположные плоские боковые грани, параллельные оптической оси резонатора, через которые проходит сквозная полость Б прямоугольной формы.
К одной из торцовых граней корпуса напротив полости А крепится оправа 7 с концевым элементом 6, а к другой оправа 5 с устройством 4 для излома оси резонатора, при этом оправа 7 с концевым элементом 6 и оправа 5 с устройством 4 для излома оси резонатора имеют плоскую опорную поверхность, опирающуюся на соответствующую торцевую грань корпуса.
Резонатор также содержит поляризатор 8, лазерный электрооптический затвор 9 и клиновый компенсатор 10, выполненный в виде двух оптических клиньев, закрепленных в корпусе с возможностью поворота вокруг оси резонатора. При этом ось резонатора делится в корпусе лазера на две ветви. Первая ветвь ограничена глухим зеркалом и трехгранной призмой БкР - 180° и содержит поляризатор 8, лазерный электрооптический затвор 9, и первый оптический клин клинового компенсатора 10. Вторая ветвь ограничена выходным зеркалом и трехгранной призмой БкР - 180° и содержит активный элемент 2 и второй оптический клин клинового компенсатора 10.
На боковых гранях корпуса напротив полости Б установлены платформы 11 и 12. На платформе 11 закреплен первый отражатель 13, а на платформе 12 закреплен второй отражатель 14, лампа накачки 3, поляризатор 8 и лазерный электрооптический затвор 9, при этом платформы установлены так, что закрепленные на них элементы обращены внутрь полости Б. Отражатели 13 и 14 имеют внутреннюю рабочую поверхность в виде части цилиндра с диффузно отражающим покрытием и совместно образуют цилиндрическую поверхность, охватывающую активный элемент 2 и лампу накачки 3.
Концевой элемент 6 изготовлен из прозрачного оптического кварцевого стекла и разделен на две зоны: выходное зеркало и глухое зеркало. Выходное зеркало резонатора имеет коэффициент отражения на рабочей длине волны, находящийся в пределах от 0,1 до 0,9. Глухое зеркало резонатора имеет коэффициент отражения на рабочей длине волны не менее 0,99.
В качестве лампы накачки 3 используется ксеноновая импульсная лампа типа ИНП-3/35 или ИНП-3/45.
Активный элемент 2 может быть изготовлен в виде стержня круглого сечения из лазерного кристалла либо из лазерного фосфатного стекла.
Поляризатор 8 изготовлен из прозрачного оптического кварцевого стекла в виде прозрачной пластины с плоскопараллельными рабочими гранями и расположен таким образом, что нормаль к плоскопараллельным рабочим граням поляризатора составляет с оптической осью лазерного резонатора угол, близкий к углу Брюстера. Для увеличения степени поляризации излучения на одну плоскопараллельную рабочую грань поляризатора 8 нанесено поляризующее интерференционное покрытие.
Лазерный электрооптический затвор 9 может быть изготовлен из кристаллов ниобата лития или тантала лития, или кристаллов КТР, RKTP, RTP, ВВО.
Отражатели 13 и 14 могут быть изготовлены из металла, оптического молочного стекла либо ситалла или иного неметаллического материала и крепятся на платформах клеевым соединением либо при помощи винтов.
Первоначальная юстировка осуществляется автоколлимационным способом. Контролируется непараллельность, с некоторым допуском, поверхности концевого элемента 6 и торца активного элемента 2. При необходимости угловое положение концевого элемента 6 изменяется путем снятия металла с плоской опорной поверхности оправы 7, опирающейся на соответствующую торцевую грань корпуса. Так как резонатор является плоскопараллельным, т.е. образован плоскими зеркалами, для его устойчивой работы требуется, чтобы излучение при многократном проходе внутри резонатора, попадало на зеркала под прямым углом. При этом следует учитывать наличие в резонаторе активного элемента 2, поляризатора 8 и лазерного электрооптического затвора 9, имеющих собственную клиновидность, приводящую к искажению траектории излучения. Для компенсации этой клиновидности внутри резонатора устанавливается клиновой компенсатор 10. Точная и окончательная юстировка производится путем вращения первого и второго оптических клиньев клинового компенсатора 10 с одновременным контролем качества и энергии излучения.
Предложенный твердотельный лазер работает следующим образом.
В начальный момент времени лазерный электрооптический затвор 9 закрыт. Под действием излучения лампы накачки 3 в активном элементе 2, образуется инверсная населенность активных атомарных уровней. Когда достигается максимальная инверсная населенность, происходит принудительное открытие лазерного электрооптического затвора 9. В этот момент времени усиление в лазере будет существенно превышать потери и накопленная энергия выделится в виде короткого и интенсивного импульса света. Мощность индуцированного излучения будет чрезвычайно велика и инверсная населенность "снимется" вынужденным излучением за очень короткое время. При условии, что затвор открывается за время, которое является коротким по сравнению со временем линейного развития лазерного импульса, выходное излучение состоит из одиночного гигантского импульса. Для того чтобы твердотельный лазер излучал когерентный монохроматический свет, необходимо часть излученного светового потока направить обратно в активный элемент 2. Вынужденное излучение проходит через активный элемент 2, усиливается, отражается от глухого зеркала резонатора, вновь проходит через активный элемент 2 и еще более усиливается. Через выходное зеркало резонатора часть излучения испускается во внешнюю среду в виде монохроматического когерентного света, а часть отражается обратно в резонатор и снова усиливается.
Работа лазерного электрооптического затвора 9 основана на эффекте Поккельса. Для обеспечения работы затвора используется поляризатор 8, расположенный в резонаторе таким образом, что нормаль к плоскопараллельным рабочим граням поляризатора составляет с оптической осью резонатора угол, близкий к углу Брюстера, а электрический вектор поляризации  излучения расположен в плоскости падения излучения на плоскопараллельные рабочие грани поляризатора. К затвору прикладывается высокое напряжение (порядка 0,5-1 кВ) таким образом, что оси X и Y наведенного двойного лучепреломления лежат в плоскости, перпендикулярной оси резонатора лазера (Фиг. 4), и составляют угол 45° с электрическим вектором поляризации , прошедшим через поляризатор излучения.
При соответствующем значении напряжения двойное лучепреломление излучения в затворе 9 приводит к тому, что линейно-поляризованное поляризатором 8 излучение после затвора станет циркулярно-поляризованным. После отражения от глухого зеркала концевого элемента 6 это циркулярно-поляризованное излучение еще раз проходит через затвор 9 и снова преобразуется, но уже в линейно-поляризованное излучение, поляризация которого теперь перпендикулярна его исходной поляризации. Следовательно, это излучение уже не пропускается поляризатором 8. Таким образом, такое состояние соответствует закрытому затвору 9. Затвор 9 открывается при снятии напряжения, поскольку при этом двойное лучепреломление исчезает и падающее излучение проходит без изменения поляризации.
Реализованная конструкция твердотельного лазера обеспечивает стабилизацию энергетических и пространственных параметров излучения в широком диапазоне температур окружающей среды и при воздействии ударов и вибрации в широком диапазоне частот и ускорений.
Источники информации
1. RU 78375 U1 (ОАО «Пеленг») 20.11.2008, весь документ.
2. RU 59332 U1 (ФГУП "ЦКБ "Точприбор") 10.12.2006, весь документ - прототип.