ОХЛАЖДАЕМЫЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР

Полезная модель относится к лазерной технике, а именно к импульсным твердотельным лазерам, преимущественно для импульсных лазерных дальномеров.
Известны твердотельные лазеры, содержащие активный элемент с резонатором и лампу накачки [1].
Известен твердотельный моноимпульсный лазер, описанный в [2]. Этот твердотельный лазер содержит активный элемент с теплоотводом и оптический источник накачки, установленные в осветителе, а также резонатор, образованный глухим и полупрозрачным зеркалами.
Ввиду того, что накачка и теплоотвод в этом лазере осуществляются несимметрично относительно оптической оси активного элемента, имеет место неоднородность его накачки и неоднородность прогрева в поперечном сечении элемента. Это приводит, с одной стороны, к неоднородности плотности мощности в пучке лазерного излучения, а с другой - к возникновению термооптического клина в активном элементе [2-4]. Первый фактор вызывает неравномерность энергетической нагрузки на оптические элементы лазера и последующего оптического тракта, что приводит к снижению КПД накачки и ограничивает общий уровень мощности выходного излучения. Второй фактор приводит к отклонению лазерного пучка от оси лазера в резонаторе по мере прогрева активного элемента - до 60 угл. сек и более [4], что приводит к снижению кпд лазера вплоть до срыва генерации. Последнее особенно отрицательно сказывается в частотном квазинепрерывном режиме.
Наиболее близким к предлагаемому решению является лазер, описанный в [5]. Этот твердотельный лазер содержит оптический источник накачки, резонатор, образованный глухим и полупрозрачным зеркалами, два активных элемента с теплоотводами, расположенных параллельно источнику накачки по разные стороны от него, и оборачивающую призму, причем призма установлена так, что ее основание обращено к торцам активных элементов и ориентировано параллельно им.
Согласно описанию [5], отражения лазерного пучка происходят последовательно от боковой грани, основания и второй боковой грани оборачивающей призмы. В такой конфигурации трудно обеспечить режим полного внутреннего отражения, а изготовление такой призмы представляет сложную технологическую задачу. Неоднородность накачки и температурного режима отрицательно сказывается на выходной энергии и однородности излучения, а также на трудоемкости и надежности изготовления лазера.
Задачей полезной модели является увеличение выходной энергии лазера, повышение однородности энергии в сечении лазерного пучка и сохранение его направления в процессе работы лазера.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном охлаждаемом твердотельном лазере, содержащем оптический источник накачки, резонатор, образованный глухим и полупрозрачным зеркалами, два активных элемента с теплоотводами, и оборачивающую призму, причем призма установлена так, что ее основание обращено к торцам активных элементов и ориентировано перпендикулярно оптической оси резонатора, теплоотводы объединены в один плоский теплоотвод, введен второй оптический источник накачки, причем оба источника накачки установлены параллельно активным элементам с противоположной стороны от теплоотвода, в качестве оборачивающей призмы использована триппель-призма, входное световое отверстие на основании которой совпадает с проекцией торца одного из активных элементов и находится в пределах треугольника с вершинами, совпадающими с проекцией вершины триппель-призмы на ее основание, серединой одной из сторон основания и точкой пересечения этой стороны с проекцией ребра между отражающими гранями триппель-призмы, а второй активный элемент установлен так, что проекция его торца на основание триппель-призмы совпадает с ее выходным световым отверстием, симметрично расположенным относительно входного светового отверстия, причем, ширина основания трипель-призмы а≥1,333b+1,554r*, где b - расстояние между осями активных элементов; r*=r+Δr; r - радиус активного элемента; Δr - допуск на изготовление и установку активного элемента.
Минимальные габариты устройства обеспечиваются, если сторона основания триппель-призмы а, расстояние между осями активных элементов и эквивалентный радиус r* активного элемента с учетом допуска на его изготовление и установку связаны соотношениями а>9,52r* и b=6,79r*.
Глухое зеркало резонатора может быть выполнено в виде призмы полного внутреннего отражения БР-180, ребро между отражающими гранями которой лежит в плоскости, содержащей оптические оси активных элементов и перпендикулярно оптической оси резонатора.
Призма БР-180 может быть выполнена с возможностью вращения вокруг оси, перпендикулярной плоскости, содержащей оптические оси активных элементов.
Триппель-призма может иметь возможность поперечной подвижки в направлении между осями активных элементов и вращения вокруг своей продольной оси с фиксацией в рабочем положении.
На фиг. 1 представлена конструктивная схема лазера - в боковой проекции (фиг. 1а) и в верхней проекции (фиг. 1б). На фиг. 2 изображена передняя проекция устройства со стороны триппель-призмы при плотном размещении активных элементов относительно триппель-призмы. На фиг. 3 показано размещение активных элементов при произвольном расстоянии между ними. Фиг. 4 иллюстрирует распределение энергии излучения в каждом из активных элементов и на выходе лазера.
Активные элементы 1 и 2 с оптическими источниками накачки 3 и 4 установлены перед оборачивающей призмой (триппель-призмой) 5 (фиг. 1). У противоположных торцов активных элементов установлены глухое зеркало 6 и полупрозрачное зеркало 7, световое отверстие которого является выходом лазерного резонатора, образуемого зеркалами 6 и 7. Активные элементы установлены на общий теплоотвод 8, расположенный с противоположной стороны от источников накачки.
Устройство работает следующим образом.
При включении оптических источников накачки 3, 4 происходит возбуждение активирующей примеси в активных элементах 1 и 2. В качестве оптического источника накачки может использоваться импульсная газоразрядная лампа [3] или лазерная диодная линейка [4]. При достижении порога возбуждения происходит генерация лазерного импульса с характеристиками, определяемыми параметрами резонатора, образуемого зеркалами 6 и 7. Излучение лазера выходит через полупрозрачное зеркало 7.
1
2
Σ
В процессе накачки в активных элементах выделяется тепло, для отведения которого предусмотрен теплоотвод 8. В связи с тем, что энергия накачки поступает с одной стороны активного элемента, а его охлаждение происходит с противоположной стороны, в каждом активном элементе возникает термооптический клин, вызывающий отклонение оси лазерного пучка. При описанной структуре устройства термооптические клинья оказываются направленными в противоположные стороны и компенсируют друг друга. В результате лазерное излучение на выходе лазера сохраняет свое направление, несмотря на отклонение в каждом из активных элементов, как показано на фиг. 4, где E*(x) - распределение энергии лазерного излучения на выходе активного элемента 1; Е*(х) - распределение на выходе активного элемента 2; Е*(х) - суммарное распределение на выходе лазера. Тем самым обеспечивается сохранение добротности резонатора как в течение одного импульса накачки, так и в частотном режиме излучения, когда происходит непрерывное повышение температурной неоднородности активных элементов и наведенной в них клиновидности.
При исполнении глухого зеркала 6 в виде призмы полного внутреннего отражения упрощается юстировка резонатора, а при обеспечении ее вращения возможна модуляция добротности резонатора для генерации гигантского лазерного импульса [1].
Возможность подвижки триппель-призмы в поперечном направлении и ее вращения вокруг продольной оси позволяет точно сопрягать оси активных элементов в процессе сборки лазера.
Из схемы фиг. 3 следуют расчетные соотношения в поперечном сечении устройства при произвольном соотношении между эквивалентным радиусом активного элемента r* и расстоянием между активными элементами b=2 b''.
3
3
Из ΔOQQ
3
OQ=r*/cos30°.
Q'N=h⋅tg30°.
Из (1) и (2)
b''=а''-h'⋅tg30°-r*/cos30°=а''-(b''tg30°+r*)⋅tg30°-r*/cos30°,
2
b''=a''-b''⋅tg30°-r*⋅tg30°-r*/cos30°, откуда
или
a''=1,333b''+1,73r*
Пример.
r*=2 мм; b=20 мм.
a=1,333b+3,46r*=33,6 мм.
На схеме фиг. 2 показано наиболее компактное размещение активных элементов относительно триппель-призмы. Для этого сечение правого (входного) пучка должно вписываться в прямоугольный треугольник OM'N, образованный проекциями ребер триппель-призмы на ее основание. Левый (выходной) пучок располагается симметрично относительно проекции ребра LO.
Радиус вписанной окружности [6]  где m и p - катеты треугольника, a q - его гипотенуза. Согласно построению фиг. 4,
m=M'N=а''=а/2.
Таким образом, приведенное выше условие выполняется при
или
3
3
При данном условии в прямоугольном треугольнике OQN
3
3
OQ=r*.
3
3
Угол ONQ=15°.
Тогда  и
И наоборот:
Из (6) и (7) следует условие наиболее плотной компоновки
Пример.
r*=2 мм.
Из (6): а=9,52r*=19,1 мм.
Из(9): b=6,79r*=13,58 мм.
Предлагаемый охлаждаемый твердотельный лазер имеет следующие преимущества.
- Использование оптических элементов с полным внутренним отражением обеспечивает высокую добротность резонатора.
- Благодаря компенсации термонаведенной клиновидности выравнивается однородность выходного излучения и обеспечивается постоянство его направленности.
- Непосредственный контакт теплоотвода с активными элементами обеспечивает эффективный съем избыточного тепла, выделяющегося при накачке.
- Применение призмы БР-180 в качестве глухого зеркала позволяет использовать это зеркало для оптико-механической модуляции добротности лазера.
Указанные преимущества обеспечивают решение поставленной задачи: увеличение выходной энергии лазера, повышение однородности энергии в сечении лазерного пучка и сохранение его направления в процессе работы лазера.
Данный вывод подтвержден положительными результатами изготовления и испытаний макетного образца лазера.
Источники информации
1. Справочник по лазерной технике. Киев,  1978 г., с. 60.
2. Импульсно-периодический лазер. Патент РФ №2197043.
3. Твердотельный лазер. Патент РФ №2346367.
4. Лазер. Патент РФ №2202845.
5. Мощный твердотельный лазер. Патент РФ №2100881 - прототип.
6. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М., Наука, 1982. - 832 с.