ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР

Заявляемая полезная модель относится к лазерной технике, а именно к конструкциям твердотельных лазеров, и может быть использована в различных системах лазерной дальнометрии.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является твердотельный лазер (далее - ТЛ) [1], содержащий корпус, активный элемент, лампу накачки, отражатель, модулятор добротности и резонатор, включающий выходное и глухое плоские зеркала, корпус выполнен в виде моноблока, имеющего две параллельные противоположные плоские торцовые грани, перпендикулярные оси резонатора, имеет сквозное отверстие вдоль оси резонатора, которая перпендикулярна плоским торцовым граням, и боковые грани, отражатель выполнен разъемным и состоит из двух частей, на обращенные друг к другу поверхности которых, образующие вместе цилиндрическую поверхность, нанесено светорассеивающее отражающее покрытие, активный элемент и лампа накачки размещены внутри отражателя, выходное и глухое зеркала выполнены на одной подложке, а для оптической связи элементов резонатора используется отражательная призма типа БкР-180°, при этом для возможности настройки резонатора в процессе сборки ТЛ в него введены два оптических клина, закрепленных в корпусе с возможностью поворота вокруг оси резонатора. 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 с источником питания и модулятор добротности, при этом платформы установлены так, что закрепленные на них элементы обращены вовнутрь сквозной полости.
Прототип обладает следующими недостатками, препятствующими достижению указанного ниже технического результата.
1. Прототип имеет довольно сложную конструкцию, включающую большое количество узлов и связей между ними. В частности, неоправданно усложняют конструкцию узел прецизионной призмы БкР-180° с одной преломляющей и тремя отражающими гранями, узел оптического компенсатора в резонаторе лазера, включающий два поворотных клина с механизмами их стопорения, а также наличие двух платформ с закрепленными на них элементами функциональной схемы лазера. Наличие этих узлов приводит к повышению трудоемкости изготовления деталей, сборки, настройки оптической схемы твердотельного лазера, а также к увеличению его габаритных размеров.
2. Наличие в оптической схеме ТЛ призмы БкР-180° и двух клиньев оптического компенсатора приводит к снижению коэффициента пропускания оптической системы за счет поглощения света в стеклах указанных элементов, отражения от их преломляющих граней и поляризационных эффектов вследствие отражения от отражающих граней призмы БкР-180°, а, следовательно, к увеличению внутрирезонаторных потерь и уменьшению коэффициента полезного действия (КПД) ТЛ. Кроме того, многократные переотражения света от преломляющих граней призмы БкР-180° и клиньев оптического компенсатора внутри резонатора приводят к дополнительным потерям световой энергии на выходе ТЛ, зависящим от ошибок пространственного положения призмы БкР-180° и случайного взаимного положения клиньев после юстировки оптической системы, и тем самым вызывают нарушение структуры лазерного пучка.
3. Относительно невысокий КПД прототипа не позволяет осуществить эффективное преобразование длины волны излучения ТЛ на основе вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) и получить на выходе излучение с безопасной для глаз длиной волны.
Задачей заявляемой полезной модели является упрощение конструкции и уменьшение габаритных размеров ТЛ, улучшение пространственно-энергетических характеристик лазерного пучка, а также обеспечение возможности генерации лазерного излучения с безопасной для глаз длиной волны.
Для решения поставленной задачи в ТЛ, содержащем корпус, активный элемент, импульсную лампу накачки, отражатель, модулятор добротности и резонатор, включающий выходное и глухое зеркала, корпус выполнен в виде моноблока, имеющего две параллельные противоположные плоские торцовые грани, перпендикулярные оси резонатора, боковые грани, параллельные оси резонатора и сквозное отверстие вдоль оси резонатора, отражатель выполнен разъемным и состоит из двух частей, обращенные друг к другу поверхности которых, образующие вместе цилиндрическую поверхность, обладают светорассеивающими свойствами, активный элемент и лампа накачки размещены внутри отражателя, а также блок питания, электрически связанный с лампой накачки. Новым является то, что на торцовых гранях корпуса закреплены оправы, каждая из которых имеет плоскую опорную поверхность для сопряжения с корпусом, в одной из оправ закреплено выходное зеркало резонатора, имеющее плоскую рабочую поверхность, а в другой оправе, установленной с возможностью котировочных перемещений вдоль опорной поверхности и фиксации в найденном положении, закреплено глухое зеркало, имеющее сферическую рабочую поверхность, при этом рабочие поверхности зеркал резонатора обращены друг к другу, на одной из боковых граней корпуса выполнено отверстие для доступа к его внутренней полости, закрываемое крышкой, на другой боковой грани корпуса выполнены элементы сопряжения с изделием применения, во внутренней полости корпуса размещены кронштейн с активным элементом, установленным на эластичных прокладках с возможностью котировочных поворотов вокруг двух взаимно ортогональных осей, перпендикулярных оси резонатора, а также первая часть отражателя и модулятор добротности, а импульсная лампа накачки и вторая часть отражателя закреплены на крышке, при этом, активный элемент выполнен из материала, преобразующего генерируемую на рабочем переходе длину волны излучения в стоксовые компоненты, рабочая поверхность глухого зеркала максимально отражает излучение с длиной волны первой стоксовой компоненты и максимально пропускает излучение с длинами волн, соответствующими нерабочим переходам активного элемента, рабочая поверхность выходного зеркала максимально отражает излучение, генерируемое на длине волны рабочего перехода активного элемента, частично пропускает излучение на длине волны первой стоксовой компоненты и максимально пропускает излучение с длинами волн, соответствующими нерабочим переходам активного элемента и второй стоксовой компоненты, а блок питания выполнен в виде единой платы, включающей источник питания, конденсатор, формирователь импульсов напряжения, импульсный трансформатор, при этом, выводы первичной обмотки импульсного трансформатора соединены с выходом формирователя импульсов напряжения, первый вывод вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с катодным выводом лампы накачки, второй вывод вторичной обмотки импульсного трансформатора, первая обкладка конденсатора и корпус электрически соединены между собой, первый вывод источника питания соединен со второй обкладкой конденсатора и анодным выводом лампы накачки, второй вывод источника питания электрически соединен с корпусом.
Возможно выполнение модулятора добротности на основе электрооптического элемента и поляризатора, при этом блок питания включает модуль управления модулятором добротности, выводы которого подключены к электрооптическому элементу.
Модулятор добротности также может быть выполнен в виде кристаллического пассивного лазерного затвора из кристалла, вырезанного вдоль одной из кристаллографических осей [100], [010] или [001], имеющего начальное пропускание на длине волны рабочего перехода от 20 до 60%, установленного с возможностью вращения вокруг оси резонатора и фиксации в найденном положении, а блок питания включает модуль отсечки второго импульса, выполненный в виде ключа с возможностью замыкания первой и второй обкладок конденсатора.
Упрощение конструкции и уменьшения габаритных размеров в предлагаемой полезной модели достигается за счет усовершенствования по сравнению с прототипом схемы лазера, позволившего существенно сократить количество сложных в изготовлении оптических элементов и сборочных единиц с котировочными подвижками и стопорными механизмами.
Улучшение пространственно-энергетических характеристик лазерного пучка: угла расходимости, энергии и длительности импульса, в том числе их стабильность в широком диапазоне рабочих температур и в условиях ударных и вибрационных нагрузок, достигается:
- во-первых, рациональным делением конструкции ТЛ на три части:
1) корпус, во внутренней полости которого размещены оптически связанные активный элемент, первая часть отражателя, зеркала резонатора и модулятор добротности; 2) крышку с закрепленными на ней лампой накачки и второй частью отражателя; 3) блок питания в виде единой платы; это обеспечивает удобство, доступность и надежность их закрепления, юстировки и замены при необходимости;
- во-вторых, закреплением активного элемента, выполненного в виде длинного кристаллического стержня, чувствительного к механическим и температурным деформациям, в кронштейне на эластичных прокладках с возможностью котировочных поворотов вокруг двух взаимно ортогональных осей, перпендикулярных оси резонатора, что упрощает юстировку лазера и защищает кристалл от внутренних напряжений, способствуя температурной стабильности конструкции;
- в-третьих, установкой оправ с зеркалами резонатора на двух торцовых гранях корпуса с возможностью смещения глухого сферического зеркала перпендикулярно оси резонатора, чем обеспечивается удобство сборки, юстировки и замены зеркал при необходимости;
- в-четвертых, выполнением блока питания на единой плате вне корпуса, что улучшает теплоотвод от элементов и доступность при настройке;
- в-пятых, наличием в блоке питания модуля управления модуляцией добротности при выполнении модулятора добротности на основе электрооптического элемента и поляризатора либо модуля отсечки второго импульса при выполнении модулятора добротности в виде кристаллического пассивного лазерного затвора, чем обеспечивается высокое качество пространственных и энергетических характеристик импульсов излучения: угла расходимости, формы пятна, энергии и длительности импульса в любых условиях эксплуатации.
Генерация лазерного излучения с безопасной для глаз длиной волны обеспечивается путем высокоэффективного внутрирезонаторного ВКР-преобразования длины волны излучения, генерируемой на рабочем переходе активного элемента, в стоксовую компоненту с безопасной длиной волны. При этом не происходит усложнения конструкции или увеличения габаритов лазера.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана блок-схема ТЛ.
На фиг. 2 показана реализация модулятора добротности на основе электрооптического элемента.
На фиг. 3 показана реализация модулятора добротности на основе кристаллического пассивного лазерного затвора.
ТЛ содержит (фиг. 1) корпус 1, активный элемент 2, импульсную лампу накачки 3, отражатель 4, модулятор добротности 5 и резонатор, включающий выходное 6 и глухое 7 зеркала. Корпус 1 выполнен в виде моноблока, имеющего две параллельные противоположные плоские торцовые грани 8, 9, перпендикулярные оси резонатора 10, боковые грани 11, 12, параллельные оси резонатора 10 и сквозное отверстие 13 вдоль оси резонатора 10. Отражатель 4 выполнен разъемным и состоит из двух частей, обращенные друг к другу поверхности которых, образующие вместе цилиндрическую поверхность, обладают светорассеивающими свойствами и выполнены из алюминиевого сплава с нанесенным светорассеивающим лаком. Активный элемент 2 и лампа накачки 3 размещены внутри отражателя 4. ТЛ содержит также блок питания 14, электрически связанный с лампой накачки 3.
На торцовых гранях 8, 9 корпуса 1 закреплены оправы 15, 16, каждая из которых имеет плоскую опорную поверхность для сопряжения с корпусом 1. В оправе 15 закреплено выходное зеркало резонатора 6, имеющее плоскую рабочую поверхность, а в оправе 16, установленной с возможностью котировочных перемещений вдоль опорной поверхности и фиксации в найденном положении, закреплено глухое зеркало 7, имеющее сферическую рабочую поверхность, при этом рабочие поверхности зеркал 6 и 7 резонатора обращены друг к другу.
На боковой грани 11 корпуса 1 выполнено отверстие 17 для доступа к внутренней полости 18, закрываемое крышкой 19. На боковой грани 12 выполнены элементы сопряжения 20 с изделием применения.
Во внутренней полости 18 размещены кронштейн 21 с активным элементом 2, установленным на эластичных прокладках 22 с возможностью котировочных поворотов вокруг двух взаимно ортогональных осей, перпендикулярных оси резонатора 10, первая часть отражателя 4 и модулятор добротности 5.
Лампа накачки 3 и вторая часть отражателя 4 закреплены на крышке 19. Для обеспечения ВКР-преобразования активный элемент 2 выполнен из кристалла, преобразующего генерируемую на рабочем переходе длину волны излучения в стоксовую компоненту. Рабочая поверхность глухого зеркала 7 максимально отражает излучение с длиной волны первой стоксовой компоненты и максимально пропускает излучение с длинами волн, соответствующими нерабочим переходам активного элемента 2. Рабочая поверхность выходного зеркала 6 максимально отражает излучение, генерируемое на длине волны рабочего перехода активного элемента 2, частично пропускает излучение на длине волны первой стоксовой компоненты и максимально пропускает излучение с длинами волн, соответствующими нерабочим переходам активного элемента и второй стоксовой компоненты.
Блок питания 14 выполнен в виде единой платы, включающей источник питания 23, конденсатор 24, формирователь импульсов напряжения 25, импульсный трансформатор 26. Выводы первичной обмотки импульсного трансформатора 26 соединены с выходом формирователя импульсов напряжения 25, первый вывод вторичной обмотки импульсного трансформатора 26 соединен с катодным выводом лампы накачки 3, второй вывод вторичной обмотки импульсного трансформатора 26, первая обкладка конденсатора 24 и корпус 1 электрически соединены между собой. Первый вывод источника питания 23 соединен со второй обкладкой конденсатора 24 и анодным выводом лампы накачки 3, второй вывод источника питания 23 электрически соединен с корпусом 1.
Модулятор добротности 5 (фиг. 2) может быть выполнен на основе электрооптического элемента 27 и поляризатора 28, а блок питания 14 может включать модуль управления модулятором добротности 29, выводы которого подключены к электрооптическому элементу 27.
Модулятор добротности 5 (фиг. 3) также может быть выполнен в виде кристаллического пассивного лазерного затвора 30 из кристалла, вырезанного вдоль одной из кристаллографических осей [100], [010] или [001], имеющего начальное пропускание на длине волны рабочего перехода от 20 до 60%, который установлен с возможностью вращения вокруг оси резонатора 10 и фиксации в найденном положении.
Блок питания 14 в этом случае может включать модуль отсечки второго импульса 31, выполненный в виде ключа с возможностью замыкания первой и второй обкладок конденсатора 24.
ТЛ работает следующим образом.
В блоке питания 14 (фиг. 1) источник питания 23 заряжает конденсатор 24 и создает разность потенциалов между электродами лампы накачки 3. В качестве лампы накачки используется импульсная ксеноновая лампа типа ИНП-3/35 либо ИНП 3/45.
По команде «ПУСК» импульс напряжения от формирователя импульсов напряжения 25, многократно усиленный импульсным трансформатором 26, вызывает газовый разряд и формирует импульс излучения накачки в лампе накачки 3. Излучение накачки концентрируется отражателем 4 на активном элементе 2, создавая в нем инверсию населенности.
н
р
р
с
Для эффективного ВКР-преобразования активный элемент 2 выполнен из кристалла КГВ, легированного неодимом. Через промежуток времени ^вдержки от начала импульса накачки модулятор добротности 5 запускает импульс излучения генерации. Генерация на длине волны нерабочего перехода λ=1067 нм подавляется, так как глухое 6 и выходное 7 зеркала резонатора максимально пропускают излучение с этой длиной волны, но максимально усиливается генерация излучения на длине волны рабочего перехода λ=1351 нм, которое полностью отражается от зеркал 6 и 7 и запирается внутри резонатора. Мощное излучение с λ=1351 нм вызывает в кристалле активного элемента 2 ВКР-преобразование излучения в стоксовую компоненту с длиной волны λ=1538 нм, которое частично выходит из резонатора через выходное зеркало 6 в виде импульса лазерного излучения с безопасной для глаз длиной волны. Таким образом, применение ВКР-преобразования решает задачу создания лазерных дальномеров с условно безопасной длиной волны. При этом не происходит усложнения конструкции или увеличения габаритов лазера.
В предлагаемой полезной модели, в отличие от прототипа, исключены сложные в изготовлении и юстировке оптические элементы: призма БкР-180° и клинья с их оправами, котировочными и стопорными механизмами. Тем самым решена задача упрощения конструкции и уменьшения габаритных размеров, а также повышения КПД лазера за счет снижения потерь излучения на пропускание и отражение и потерь из-за поляризационных эффектов в призме БкР-180°.
В заявляемой конструкции твердотельного лазера решена задача улучшения пространственно-энергетических характеристик лазерного пучка и их стабильности в широком диапазоне рабочих температур и в условиях ударных и вибрационных нагрузок за счет рациональной конструкции ТЛ, крепления активного элемента с использованием эластичных прокладок с возможностью его юстировки относительно оси резонатора, максимального упрощения устройств юстировки резонатора, применения источника питания с возможностью управления режимами генерации лазерного излучения с учетом температуры окружающей среды.
Таким образом, заявляемый ТЛ, в отличие от прототипа, обеспечивает упрощение конструкции и уменьшение габаритных размеров ТЛ, повышение пространственно-энергетических характеристик лазерного пучка, а также возможность генерации лазерного излучения с безопасной для глаз длиной волны. Упрощение конструкции ТЛ приводит к снижению трудоемкости его изготовления и себестоимости готового изделия. Улучшение пространственно-энергетических характеристик лазерного пучка при простоте конструкции обеспечивает повышение надежности работы изделия и точности измерения дистанции до цели. Обеспечение генерации лазерного излучения с условно безопасной для глаз длиной волны позволяет повысить потребительские качества изделия и увеличить объем реализации продукции с использованием заявляемого ТЛ.
Использованные источники информации:
1. Патент BY №10816 U, H01S 3/107, 30.10.2015 (прототип).