УСТРОЙСТВО ОТРАЖЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРОВ
RADIATION REFLECTION DEVICE FOR SOLID-STATE LASERS

Изобретение относится к квантовой электронике (лазерной технике), а именно к твердотельным лазерам, и может быть использовано в энергетических лазерных установках, лазерной химии, лазерной медицине, металлургии. Устройство отражения представляет собой систему отражающих поверхностей фокусных плоскостей с полостью, в которую помещается источники накачки и активный элемент. Технических результат достигается в правильном отражении излучения от источников накачки таким образом, что центр пересечения всех лучей находится в месте помещения активного элемента, что обеспечивает широкий диапазон мощности генерации со стабильными характеристиками.
Известно устройство квантрона с диодной накачкой (Патент №2614079, МПК H01S 3/042), в котором квантрон снабжен отражателями, расположенными на держателях напротив каждого источника оптической накачки, система охлаждения выполнена в виде единого контура для охлаждения активного элемента и источников оптической накачки и снабжена каналами, выполненными в прижимах трубки. Входной, выходной патрубки соединены с каналами корпуса, которые соединяются с каналами прижимов, соединяющимися с коллекторами. Коллекторы соединены с радиальным зазором и с дополнительными каналами прижимов трубки, которые соединены с каналами корпуса, соединяющимися с каналами держателей, коллекторы образованы прижимами трубки и активным элементом.
Недостатками данной изобретения является то, что неравномерное и неполное заполнение излучением накачки активного элемента может приводить к образованию неоднородных областей возбуждения и возникновению термомеханических напряжений внутри кристалла, что может значительно снизить КПД квантрона и ограничить его мощность.
Известно устройство малогабаритный квантрон с жидкостным охлаждением (Патент №2623709, МПК H01S 3/042), в котором малогабаритный квантрон с жидкостным охлаждением содержит установленные в прямоугольной полости корпуса активный элемент в виде стержня и отражатель, источник оптической накачки, цилиндрическую линзу, пластину из прозрачного для излучения накачки материала, закрепленную рамкой на корпусе напротив источника оптической накачки, и каналы в корпусе. При этом активный элемент зафиксирован прижимами в корпусе, отражатель закреплен к дну полости корпуса, к которому прикреплен держатель, установленный через регулировочную пластину. На держателе размещен источник оптической накачки, в качестве которого используется матрица лазерных диодов, на излучающей части которой размещена цилиндрическая линза, расположенная вдоль активного элемента. На держатель установлены входной, выходной патрубки с каналами, соединенными с каналами держателя, которые соединяются с каналами регулировочной пластины, соединенными с каналами корпуса, которые соединены с полостью корпуса. Между рамкой и корпусом установлены регулировочные элементы. Технический результат заключается в обеспечении возможности повышения эффективности накачки и охлаждения квантрона.
Основным недостатком данного квантрона является ограничение по габаритам активного элемента и источника оптической накачки. Данный факт приводит к отсутствию наращивания мощности оптической накачки и как следствие отсутствие для возможности наращивания выходной мощности лазерного излучения. В квантроне охлаждение источника оптической накачки и активного элемента осуществляется одновременно, т.е. использование активных элементов, рабочая температура которых отличается от температуры охлаждающей жидкости лазерных диодов, не представляется возможным. Расходящееся излучение накачки, не поглотившееся в активном элементе, попадая на отражатель эллиптической формы, отразится параллельно оси эллипса, что приведет к неэффективному использованию накачки и снижению мощности генерации.
Известен квантрон твердотельного лазера с термостабилизацией диодной накачки (Патент №2579188, МПК H01S 3/05, H01S 3/042), который содержит размещенные в корпусе в виде многогранника: активный элемент, матрицы лазерных диодов, расположенные вокруг и вдоль активного элемента равномерно, и систему охлаждения, выполненную в виде двух независимых контуров для охлаждения активного элемента и матриц, контур охлаждения активного элемента содержит трубку, охватывающую активный элемент с образованием кольцевого канала шириной 5, и входной, выходной коллекторы, из которых выходят каналы. Квантрон снабжен световодами, расположенными параллельно оси активного элемента, контур охлаждения матриц содержит термоинтерфейс, теплоотводы и элементы термостабилизации, размещенные в теплообменном модуле и теплообменниках. В качестве элементов термостабилизации используются нагреватели и элементы охлаждения. Технический результат заключается в обеспечении возможности упрощения системы охлаждения активного элемента.
Недостатки данного изобретения является то, что конструкция квантрона и отражателя выполнена таким образом, при котором невозможно использовать активные элементы цилиндрической формы.
Известен квантрон с диодной накачкой (Патент №2614079, МПК H01S 3/042), который содержит размещенные в корпусе активный элемент в виде стержня, источники оптической накачки, расположенные на держателях равномерно относительно активного элемента, и систему охлаждения, которая содержит трубку, охватывающую активный элемент с образованием радиального зазора, входной, выходной патрубки и коллекторы, каналы в корпусе и держателях. Квантрон снабжен отражателями, расположенными на держателях напротив каждого источника оптической накачки, система охлаждения выполнена в виде единого контура для охлаждения активного элемента и источников оптической накачки и снабжена каналами, выполненными в прижимах трубки. Входной, выходной патрубки соединены с каналами корпуса, которые соединяются с каналами прижимов, соединяющимися с коллекторами. Коллекторы соединены с радиальным зазором и с дополнительными каналами прижимов трубки, которые соединены с каналами корпуса, соединяющимися с каналами держателей, коллекторы образованы прижимами трубки и активным элементом.
Недостатком данного метода является оптическая схема накачки, т.к. у матрицы лазерных диодов расходимость по медленной и быстрой осям излучения разная и составляет десятки градусов, а наличие цилиндрической линзы между активным элементом и устройствами накачки приводит к сжатию пучка только по одной оси, что ведет к неравномерной засветке активного элемента и потере полезного излучения накачки, а часть излучения накачки, прошедшая через активный элемент и отраженная от отражателей, будет расходиться и не обеспечит полного поглощения в активном элементе за два прохода, т.к. система оптически не замкнута, что приведет к снижению эффективности и созданию не возбужденных зон в объеме активного элемента.
Излучение, отразившееся от отражателя и повторно не поглотившееся в активном элементе, может повредить лазерные диоды.
Известно Устройство излучения накачки и способ накачки лазерно-активной среды (Патент США №9331451, МПК H01S 3/091; H01S 3/094; H01S 5/065), в котором устройство излучения накачки, содержит: источник излучения накачки для генерации излучения накачки, средство для стабилизации длины волны источника излучения накачки и активную лазером среду, через которую излучение накачки проходит двунаправленным образом. Устройство излучения накачки также имеет светоотражатель для отражения излучения накачки, которое не поглощается активной от лазера средой обратно к источнику излучения накачки, и элемент, селективный по длине волны, для предотвращения дестабилизации длины волны источника излучения накачки путем фильтрации нежелательных спектральные части излучения накачки, которое не поглощается лазерно-активной средой. Изобретение также относится к связанному способу накачки лазерно-активной среды.
Недостатком данного метода накачки являются требования к материалу активного элемента, что приводит к не универсальности метода. Активные среды с малым сечением перехода и большой длительностью времени жизни верхнего уровня предпочтительнее накачивать световыми импульсами, которые поглощаются за один проход, а представленный подход предпочтительнее использовать с малыми когерентными пучками элементов накачки и крайне малыми площадями засветки для создания непрерывной генерации лазерного излучения. Данным способом невозможно производить оптическую накачку активных элементов в виде стержней и пластин, что не позволит создать мощный стабилизированный лазер.
Известно твердотельное лазерное устройство с возбуждением рассеянного света и интегрирующей сферой (Патент США №5490161, МПК H01S 3/0915; H01S 3/093; H01S 3/02), в котором твердотельное лазерное устройство с оптическим резонатором, включающим в себя твердотельный лазерный носитель, например, в виде пластинчатого кристалла, импульсная лампа служит источником света возбуждения твердотельного лазерного носителя, и отражатель служит для введения света, генерируемого источником света, в лазерную среду. Отражатель из вспененного кварцевого стекла обладает высокой диффузионной отражательной способностью в широком диапазоне длин волн от инфракрасного до ультрафиолетового. Вспененное кварцевое стекло является предпочтительным также в качестве интегрирующего сферического материала для оптических измерений.
Основным недостатком данного изобретения является наличие диффузной отражающей поверхности отражателя, в таком квантроне интенсивность излучения накачки падает с квадратом расстояния между активным элементом и импульсной лампой. Этот факт приводит к снижению накачки активного элемента, как следствие падает уровень излучаемой лазером энергии. При использовании диффузного отражателя в лазерах с непрерывной накачкой необходимо значительно поднимать ее мощность, в отличии от зеркального отражения, где при одинаковых условиях плотность мощности отраженного светового потока элементами накачки значительно выше.
Известен Модифицированный эвольвентный отражатель (Патент США №4641315, МПК H01S 3/04; H01S 3/042; H01S 3/0915), в котором описывается лазер включающий в себя отражатель, поперечное сечение которого в плоскости, перпендикулярной оси лазерной лампы-вспышки, определяет модифицированную эвольвенту на основе краевого угла лампы-вспышки.
Эвольвентный отражатель не позволяет фокусировать излучение накачки от ламп в активном элементе. Распространяющееся в сторону активного элемента излучение от ламп накачки будет параллельно оси эвольвенты отражателя, это приведет к снижению эффективности накачки и снижению энергии генерации.
В качестве прототипа выбран патент описывающий устройство квантрона твердотельного лазера (Патент №2091935, МПК H01S 3/02), в котором активные элементы отделены от источника световой накачки фильтрующим ультрафиолетовое излучение покрытием. Покрытие выполнено двухслойным, причем первый слой из диоксида церия толщиной 0,25-1,5 мкм нанесен на прозрачные детали источника световой накачки и/или оптических деталей, входящих в отражатель квантрона и отделяющих источник световой накачки от активной среды. Второй слой выполнен из диоксида кремния толщиной 0,5-1,0 мкм и нанесен на слой из диоксида церия.
Недостатками данного изобретения является наличие покрытия фильтрующего УФ излучение на отражателе, т.к. происходит его непосредственный контакт с охлаждающей жидкости, который во время работы приведет к смыванию фильтрующего покрытия. В момент накачки лампами активного элемента, под воздействием прошедшего УФ излучения, произойдет потеря мощности излучения лазера за счет деградации активного элемента. Составной отражатель может быть выполнен только из материалов прозрачных для излучения накачки, что в свою очередь усложняет механическую обработку составных частей квантрона и ухудшает надежность квантрона. Геометрическая форма составного отражателя в виде крута или эллипса не позволяет максимально эффективно доставить излучение накачки в активный элемент из-за наличия областей расположенных за лампами в плоскости обратной активному элементу. Это приводит к снижению эффективности генерации лазера.
Технической задачей изобретения является повышение эффективного поглощения отраженного излучения накачки от фокусных плоскостей отражателя активным элементом.
Технический результат изобретения - увеличение мощности генерируемого лазерного излучения вследствие эффективного поглощения отраженного излучения накачки от фокусных плоскостей отражателя активным элементом.
Технический результат достигается тем, что устройство отражения излучения для твердотельных лазеров содержит фокусные плоскости, размещенные таким образом, что все излучение источника накачки собирается в области нахождения активного элемента, увеличивая мощность генерируемого лазерного излучения, причем отражающее покрытие состоит из анодированного серебром алюминия толщиной от 0.2 мм до 1.5 мм, которое приклеено на основу плоскостно-дугового отражателя квантрона.
Данное устройство обеспечивает высокоэффективное отражение в видимой и ближней инфракрасной части спектра накачки и не требует высокоточной механической обработки основы плоскостно-дугового отражателя квантрона.
Изобретение поясняется представленными фигурами:
фиг. 1 - принципиальная схема квантрона с обозначением основных элементов: 1 - трубка из кварцевого стекла, 2 - дуговые поверхности отражателя, 3 - плоскостно-дуговой отражатель, 4 - отражающая слой из анодированного серебром алюминия, 5 - трубка из кварца легированного желтого, 6 - активный элемент, 7 - плоские отражающие поверхности, 8 - лампы накачки;
фиг. 2 - принципиальная схема хода лучей от ламп накачки к активному элементы от плоской поверхности;
фиг. 3 - принципиальная схема хода лучей от ламп накачки к активному элементы от дуговой отражающей поверхности;
фиг. 4 - принципиальная схема хода лучей от ламп накачки к активному элементы в прямом падении.
Лампы накачки 8 помещены в трубки 1 из кварцевого стекла для обеспечения протока охлаждающей жидкости. Активный элемент 6 помещается в трубки 5 из цветного кварца марки КЛЖ-3 или КЛЖ-7 с толщиной 2-3 мм, что позволяет не только обеспечить проток охлаждающей жидкости по поверхности активного элемента, для его термостабилизации, но и обеспечит эффективную фильтрацию УФ спектра излучения накачки. В качестве материала основы для плоскостно-сферического отражателя 3 применяется алюминий, медь или нержавеющая сталь на поверхность которого клеится отражающий слой 4,7 из анодированного серебром алюминия. Данный факт снизит стоимость и сроки изготовления отражателя, т.к. не требуется высокоточная механическая обработка основы из металла, по сравнению с зеркальными кварцевыми или диффузными отражателями. Высокоэффективное отражение в видимой и ближней инфракрасной части спектра накачки обеспечивается слоем из анодированного серебром алюминия.
Устройство работает следующим образом. При подачи рабочего импульса с заданной амплитудой тока и уровнем напряжения на лампы накачки 8 (фиг. 1) возникает излучение накачки, проходящее сквозь трубку из кварцевого стекла 1 и охлаждающую жидкость. Незначительная часть излучения накачки поглощается при прохождении через охлаждающую жидкость и кварцевую трубку. Излучение накачки от лампы распространяется с равномерной интенсивностью в поперечном направлении. Часть излучения не поглотившаяся в активном элементе 6 в прямом падении (фиг. 3) отражается от плоской отражающей поверхности 7 (фиг. 1) падает на плоскостно-дуговой отражатель 3 и фокусируется в области активного элемента (фиг. 2). Излучение, падающее непосредственно на плоскостно-дуговой отражатель фокусируется в активном элементе (фиг. 3). Часть энергии накачки теряется при переотражении излучения от плоской отражающей поверхности и плоскостно-дугового отражателя. Термостабилизация активного элемента и охлаждение ламп накачки происходит с помощью прокачки охлаждающей жидкости по внутреннему объему трубок из кварцевого стекла и трубки из кварца легированного желтого 5 (фиг. 1).
Заявленное изобретение основано на проведенных исследовательских работах по использованию отражателей различных конфигураций и расчетах сделанных в специальном программном обеспечении.
Особенность данного изобретения заключается в том, что отражатель является плоскостно-сферическим, может масштабироваться и применяться в стандартных квантронах с разными геометрическими размерами стержневых активных элементов. Такое решение приводит не только к унификации готовых изделий, но и к увеличению мощности генерируемого лазерного излучения за счет более эффективного отражения излучения накачки в активный элемент.