ЛАЗЕРНАЯ УСИЛИВАЮЩАЯ СРЕДА И ЛАЗЕРНЫЙ ГЕНЕРАТОР (ВАРИАНТЫ) С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТАКОЙ СРЕДЫ
LASER GAIN MEDIUM AND LASER GENERATOR (VERSIONS) USING SAID MEDIUM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к лазеру и более конкретно к структуре лазерной усиливающей среды и к лазерному генератору с использованием такой лазерной усиливающей среды.
Уровень техники
В последние годы в области лазерной обработки изделий и материалов и в других сферах появилась потребность в лазерных устройствах небольшого размера, но с большой выходной мощностью и с высоким качеством луча. Обычно в качестве лазеров с большой выходной мощностью широко применялись газовые лазеры с точки зрения выходной мощности и качества луча. Однако в последнее время стали быстро распространяться твердотельные лазеры с накачкой лазерными диодами (LD), использующие лазерные диоды в качестве источников излучения возбуждения.
Для реализации лазера с большой выходной мощностью на основе твердотельного лазера очень важно эффективно отводить тепло, выделяющееся в лазерной усиливающей среде.
На фиг.1 показана твердотельная лазерная система стержневого типа. Световые лучи 102 накачки направляют на цилиндрическую боковую поверхность лазерной усиливающей среды 101 стержневого типа, а усиленный лазерный луч 103 выходит через один из торцов стержня. В лазерной системе такого типа возникает градиент температуры в радиальном направлении внутри стержня 101 из лазерного усиливающего материала. Градиент температуры вызывает деградацию качества лазерного луча и снижение выходной мощности лазера. Кроме того, необходимо учитывать долговечность лазерной усиливающей среды в условиях действия градиента температуры и ограничивать выходную мощность. Более того, трудно реализовать лазерную усиливающую среду в виде стержня большого диаметра с точки зрения возможностей роста кристалла, так что имеет место предел в достижении большой выходной мощности.
Пластинчатая лазерная система с использованием лазерной усиливающей среды в форме пластины была предназначена для уменьшения указанного выше градиента температуры по сравнению с лазерной усиливающей средой стержневого типа. В лазерной системе такого типа лазерный световой луч распространяется зигзагообразно, испытывая полное отражение в лазерной усиливающей среде, и усиливается. В такой пластинчатой лазерной системе даже при возникновении градиента температуры в лазерной усиливающей среде влияние этого градиента температуры на лазерный луч может быть скомпенсировано, поскольку лазерный луч распространяется зигзагообразно через область градиента температуры.
Известен также способ использования лазерной усиливающей среды в форме диска для решения тепловых проблем, присущих твердотельной лазерной системе. На фиг.2 показана лазерная система проходного типа в качестве примера такой дисковидной лазерной системы. Световой луч 112 накачки направляют извне на лазерную усиливающую среду 111 в форме тонкого диска. Лазерный луч 114 вводят со стороны одной из поверхностей лазерной усиливающей среды 111, а из другой поверхности выходит усиленный лазерный луч 113. В такой лазерной системе за счет использования лазерной усиливающей среды в виде тонкого диска площадь поверхности приема излучения накачки может быть сделана большой. Более того, в этом случае можно равномерно охлаждать всю поверхность диска и тем самым подавить возникновение градиента температуры в лазерной усиливающей среде.
Такие лазерные системы дисковидного типа в зависимости от способа усиления лазерного луча подразделяются главным образом на лазерные системы проходного типа, показанные на фиг.2, и лазерные системы отражательного типа (типа активного зеркала), показанные на фиг.3.
В твердотельной лазерной системе проходного типа при облучении дисковидной лазерной усиливающей среды 111 лучом 112 накачки температура в диске растет, так что возникает градиент температуры. Для исключения повышения температуры и градиента температуры подают хладагент к передней и задней поверхностям диска для теплового излучения 115. В твердотельной лазерной системе проходного типа выходной лазерный луч проходит сквозь хладагент. По этой причине возникают проблемы, такие как деформация выходного лазерного луча и ограничения на возможные режимы работы (например, прекращение подачи хладагента во время лазерной генерации).
С другой стороны, в твердотельной лазерной системе типа активного зеркала, показанной на фиг.3, одна из поверхностей дисковидной лазерной усиливающей среды 121 покрыта отражательной пленкой, а лазерный луч 123 входит и выходит со стороны, противоположной отражательной пленке. Создав теплоотвод на всей поверхности, покрытой отражательной пленкой, можно эффективно отводить тепло, накопленное в лазерной усиливающей среде, в виде излучения 125. При этом можно вывести усиленный лазерный луч, не подвергая его влиянию теплоотвода. Кроме того, поскольку оптический путь лазерного луча в рассматриваемой системе имеет в отличие от лазерной системы проходного типа форму ломаной линии, возможно дополнительное усиление лазерного луча на обратном пути. Вследствие этого при использовании дисков одинаковой формы система отражательного типа имеет перед системой проходного типа преимущество в виде более высокого усиления лазерного луча.
В дополнение к приведенному выше описанию известны следующие документы:
публикации заявок на патенты Японии (JP-A-Heisei 9-312430 и JP-P2006-237170).
В указанной выше твердотельной лазерной системе при оптическом возбуждении в лазерной усиливающей среде выделяется большое количество тепла, и температура лазерной усиливающей среды растет. Вследствие этого для непрерывной работы лазерной системы необходимо охлаждать лазерную усиливающую среду, чтобы отводить выделяющееся тепло.
Однако, поскольку теплопроводность твердотельной лазерной усиливающей среды в общем случае невелика, между горячей внутренней частью и охлажденной частью поверхности возникает градиент температуры. По этой причине возможны такие явления, как возникновение градиента показателя преломлении, механические напряжения, деполяризация и расстройка. В результате это легко может привести к ухудшению качества луча, уменьшению выходной мощности лазера и разрушению твердотельной лазерной среды. Это приведет к большим проблемам при расширении сферы применения твердотельных лазеров в область больших выходных мощностей.
В лазерной усиливающей среде лазера с большой выходной мощностью должна накапливаться большая энергия. С другой стороны, известны способы использования многокаскадного усиления для достижения большого коэффициента усиления. В этом случае, поскольку лазерные усиливающие среды независимы одна от другой, оптическая ось входного лазерного луча, который усиливается, легко смещается из-за механических вибраций лазера.
Для получения лазерного луча высокого качества необходимо, чтобы усиление лазерного луча происходило равномерно во всей области лазерной усиливающей среды, через которую распространяется лазерный луч. Кроме того, требуется, чтобы усиливающие среды имели одинаковую температуру, поскольку в лазерной усиливающей среде в целом возникает градиент температуры, так что значительные изменения температуры лазерной усиливающей среды вследствие поглощения светового луча накачки оказывают нежелательное влияние на лазерную генерацию.
Раскрытие изобретения
Предметом настоящего изобретения является создание способа генерации лазерного луча высокого качества с большой выходной мощностью и при этом подавление нежелательного влияния тепловыделения в усиливающей среде.
Согласно одному из аспектов настоящего изобретения лазерная усиливающая среда включает оптическую среду, конфигурированную для передачи лазерного луча и имеющую входную поверхность, первую поверхность и вторую поверхность, противоположную первой поверхности, и усиливающие среды, конфигурированные для усиления лазерного луча при этом отражении лазерного луча. По меньшей мере одна из усиливающих сред присоединена к первой поверхности указанной оптической среды в качестве усиливающей среды первой поверхности, а по меньшей мере одна из остальных усиливающих сред присоединена ко второй поверхности оптической среды в качестве усиливающей среды второй поверхности. Лазерный луч падает в оптическую среду и усиливается усиливающей средой первой поверхности и усиливающей средой второй поверхности при поочередном отражении усиливающей средой первой поверхности и усиливающей средой второй поверхности.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения лазерный генератор включает оптический резонатор, содержащий отражательное зеркало входной стороны и отражательное зеркало выходной стороны, лазерную усиливающую среду, помещенную между отражательным зеркалом входной стороны и отражательным зеркалом выходной стороны; и источник оптической накачки, конфигурированный для подачи светового луча накачки в лазерную усиливающую среду. Лазерная усиливающая среда включает оптическую среду, конфигурированную для прохождения лазерного луча и луча оптической накачки и имеющую входную поверхность, первую поверхность и вторую поверхность, противоположную первой поверхности, и усиливающие среды, возбуждаемые лучом оптической накачки и конфигурированные для усиления лазерного луча при отражении лазерного луча. По меньшей мере одна из усиливающих сред присоединена к первой поверхности оптической среды в качестве усиливающей среды первой поверхности, и по меньшей мере одна из остальных усиливающих сред присоединена ко второй поверхности оптической среды в качестве усиливающей среды второй поверхности. Луч оптической накачки падает от светового источника оптической накачки в оптическую среду и накачивает усиливающие среды первой и второй поверхностей, пройдя по оптическому пути. Лазерный луч распространяется по оптическому пути и усиливается в оптическом резонаторе усиливающей средой первой поверхности и усиливающей средой второй поверхности при поочередном отражении усиливающей средой первой поверхности и усиливающей средой второй поверхности.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения лазерный генератор включает оптический резонатор, содержащий отражательное зеркало входной стороны и отражательное зеркало выходной стороны, и лазерную усиливающую среду, помещенную между отражательным зеркалом входной стороны и отражательным зеркалом выходной стороны. Лазерная усиливающая среда включает оптическую среду, конфигурированную для прохождения лазерного луча и луча оптической накачки и имеющую входную поверхность, первую поверхность и вторую поверхность, противоположную первой поверхности, и усиливающие среды, возбуждаемые лучом оптической накачки и конфигурированные для усиления лазерного луча при отражении лазерного луча. По меньшей мере одна из усиливающих сред присоединена к первой поверхности указанной оптической среды в качестве усиливающей среды первой поверхности, и по меньшей мере одна из остальных усиливающих сред присоединена ко второй поверхности оптической среды в качестве усиливающей среды второй поверхности. Лазерный генератор включает также источник оптической накачки для каждой из усиливающих сред, конфигурированный для подачи луча оптической накачки в каждую из усиливающих сред. Лазерный луч распространяется по оптическому пути и усиливается в оптическом резонаторе усиливающей средой первой поверхности и усиливающей средой второй поверхности при поочередном отражении от усиливающей среды первой поверхности и усиливающей среды второй поверхности.
Согласно следующему аспекту настоящего изобретения лазерный генератор включает лазерную усиливающую среду; источник оптической накачки, конфигурированный для подачи светового луча оптической накачки в лазерную усиливающую среду; источник лазерного луча, конфигурированный для подачи лазерного луча, входную оптическую систему, конфигурированную для направления лазерного луча по оптическому пути, по которому распространяется луч оптической накачки; и выходную оптическую систему, конфигурированную для направления лазерного луча в направлении, отличном от указанного оптического пути. Лазерная усиливающая среда включает оптическую среду, конфигурированную для прохождения лазерного луча и луча оптической накачки и имеющую входную поверхность, первую поверхность и вторую поверхность, противоположную первой поверхности; и усиливающие среды, возбуждаемые лучом оптической накачки и конфигурированные для усиления лазерного луча при отражении лазерного луча. По меньшей мере одна из усиливающих сред присоединена к первой поверхности оптической среды в качестве усиливающей среды первой поверхности, и по меньшей мере одна из остальных усиливающих сред присоединена ко второй поверхности оптической среды в качестве усиливающей среды второй поверхности. Луч оптической накачки подается от источника оптической накачки в оптическую среду через входную оптическую систему и накачивает усиливающие среды первой и второй поверхностей, пройдя по оптическому пути. Лазерный луч распространяется по оптическому пути и усиливается усиливающей средой первой поверхности и усиливающей средой второй поверхности при поочередном отражении усиливающей средой первой поверхности и усиливающей средой второй поверхности, и усиленный лазерный луч выводится через выходную оптическую систему.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения лазерный генератор включает лазерную усиливающую среду; источник оптической накачки, конфигурированный для подачи луча оптической накачки; источник лазерного луча, конфигурированный для подачи лазерного луча; лазерную оптическую систему, конфигурированную для направления лазерного луча в лазерную усиливающую среду; и оптическую систему накачки, конфигурированную для направления светового луча оптической накачки в лазерную усиливающую среду. Лазерная усиливающая среда включает оптическую среду, конфигурированную для прохождения лазерного луча и луча оптической накачки и имеющую входную поверхность, первую поверхность и вторую поверхность, противоположную первой поверхности; и усиливающие среды, возбуждаемые световым лучом оптической накачки и конфигурированные для усиления лазерного луча при отражении лазерного луча. По меньшей мере одна из усиливающих сред присоединена к первой поверхности оптической среды в качестве усиливающей среды первой поверхности, и по меньшей мере одна из остальных усиливающих сред присоединена ко второй поверхности оптической среды в качестве усиливающей среды второй поверхности. Луч оптической накачки подается от светового источника оптической накачки в оптическую среду через оптическую систему накачки и накачивает усиливающие среды первой и второй поверхностей, пройдя по оптическому пути. Лазерный луч распространяется по оптическому пути и усиливается усиливающей средой первой поверхности и усиливающей средой второй поверхности при поочередном отражении усиливающей средой первой поверхности и усиливающей средой второй поверхности.
Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением становится возможным генерировать лазерный луч высокого качества с большой выходной мощностью без нежелательного влияния тепловыделения в усиливающих средах.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - схема, показывающая обычную твердотельную лазерную систему стержневого типа;
фиг.2 - схема, показывающая обычную дисковидную лазерную систему проходного типа;
фиг.3 - схема, показывающая обычную дисковидную лазерную систему отражательного типа;
фиг.4 - вид в перспективе, показывающий лазерную усиливающую среду, используемую в лазерной системе согласно настоящему изобретению;
фиг.5 - вид сечения, иллюстрирующий работу лазерного генератора, использующего лазерную усиливающую среду согласно первому варианту настоящего изобретения;
фиг.6 - схема, показывающая модификацию лазерного генератора согласно указанному первому варианту;
фиг.7 - схема, показывающая конструкцию лазерного генератора согласно второму варианту настоящего изобретения;
фиг.8 - схема, показывающая конструкцию модификации лазерного генератора согласно указанному второму варианту;
фиг.9 - схема, показывающая конструкцию лазерного генератора согласно третьему варианту настоящего изобретения;
фиг.10 - схема, показывающая конструкцию лазерного генератора согласно четвертому варианту настоящего изобретения;
фиг.11 - таблица, показывающая результаты подбора толщины и уровня легирования лазерной усиливающей среды в случае одного источника оптической накачки;
фиг.12 - таблица, показывающая результаты подбора толщины и уровня легирования лазерной усиливающей среды в случае двух источников оптической накачки;
фиг.13 - график, показывающий взаимосвязь между толщиной каждой усиливающей среды и коэффициентом поглощения луча оптической накачки; и
фиг.14 - схема, иллюстрирующая другой способ накачки лазерной усиливающей среды.
Описание предпочтительных вариантов
Далее лазерная система согласно настоящему изобретению будет описана со ссылками на прилагаемые чертежи.
[Первый вариант]
Фиг.4 представляет вид в перспективе, показывающий конструкцию лазерной усиливающей среды, используемой в лазерной системе согласно первому варианту настоящего изобретения. Лазерная усиливающая среда 10 имеет составную структуру, в которой соединены оптическая среда 1 и несколько усиливающих сред 2а-2е.
Оптическая среда 1 выполнена из такого же оптического керамического материала, как и множество усиливающих сред 2а-2е, но не легирована активными элементами, такими как Nd и Yb, которые включают для усиления лазерного луча. Оптическая среда имеет две боковые поверхности, параллельные плоскости YZ и противоположные одна другой. Каждая из боковых поверхностей имеет форму трапеции с нижней и верхней сторонами, если смотреть в направлении оси Z, и наклонными боковыми сторонами на торцах оптической среды 1. Оптическая среда 1 имеет плоскую верхнюю поверхность 4b, соединенную с указанными двумя верхними сторонами указанных двух трапеций. Верхняя поверхность 4b параллельна плоскости XY. Оптическая среда 1 имеет плоскую нижнюю поверхность 4а, соединенную с двумя нижними сторонами указанных двух трапеций. Нижняя поверхность 4а параллельна плоскости XY и противоположна верхней поверхности 4b. Оптическая среда 1 имеет первую наклонную торцевую поверхность S1, соединенную с плоской верхней поверхностью 4b, нижней поверхностью 4а и двумя наклонными боковыми сторонами указанных трапеций. Первая торцевая поверхность S1 образует заданный угол наклона меньше 90° с нижней поверхностью 4а. Оптическая среда 1 имеет плоскую вторую торцевую поверхность S2, соединенную с верхней поверхностью 4b, нижней поверхностью 4а и двумя оставшимися наклонными боковыми сторонами указанных трапеций. Вторая торцевая поверхность S2 образует заданный угол наклона меньше 90° с нижней поверхностью 4а. Эти углы наклона выбирают и устанавливают таким образом, чтобы подавить отражение на торцевых поверхностях, когда луч накачки или лазерный луч падает по зигзагообразному оптическому пути.
С верхней поверхностью 4b оптической среды 1 соединены несколько усиливающих сред 2b и 2d. Усиливающие среды 2b и 2d легированы по меньшей мере одним активным элементом для усиления лазерного луча. Множество усиливающих сред 2а, 2с и 2е соединены с нижней поверхностью 4а оптической среды 1. Усиливающие среды 2а, 2с и 2е легированы по меньшей мере одним активным элементом для усиления лазерного луча. Усиливающие среды 2а-2е пластинчатого типа (тонкие пластинки).
Усиливающие среды 2а-2е выполнены из керамики, кристаллической или иной формы иттрий-алюминиевого граната (YAG) в качестве оптического материала и легированы активными элементами, такими как Nd и Yb. Лазерная усиливающая среда 10 является элементом составного типа, в котором оптическая среда 1 и усиливающие среды 2а-2е соединены один с другим спеканием. В другом варианте оптическая среда 1 и усиливающие среды 2а-2е могут быть соединены с помощью клея, оптического связующего материала и т.п. В лазерной усиливающей среде 10 не возникают оптические отклонения даже при воздействии механических вибраций на лазерную усиливающую среду 10, поскольку оптическая среда 1 и усиливающие среды 2а-2е соединены как единое целое.
Изготовить лазерную усиливающую среду большого размера, подходящую для создания лазера с большой выходной мощностью, можно при использовании керамического материала для лазерной усиливающей среды. Это позволяет увеличить область накачки. Кроме того, появляется возможность «заставить» усиливающие среды поглощать луч оптической накачки большой интенсивности благодаря высокой термостойкости керамического материала.
Фиг.5 представляет сечение, иллюстрирующее работу лазерного генератора, использующего лазерную усиливающую среду 10 согласно первому варианту настоящего изобретения. Лазерный генератор снабжен оптическим резонатором, включающим зеркало 5, полностью отражающее лазерный луч, в качестве отражательного зеркала с входной стороны и выходное зеркало 6 в качестве отражательного зеркала на выходной стороне. Лазерная усиливающая среда 10 расположена между зеркалом 5, полностью отражающим лазерный луч, и выходным зеркалом 6.
Луч 3 оптической накачки от источника 12 оптической накачки проходит сквозь зеркало 5, полностью отражающее лазерный луч, и падает на торцевую поверхность S1. Падающий луч 3 оптической накачки, вошедший в торцевую поверхность S1, отражается поочередно усиливающими средами 2а, 2с и 2е, соединенными с нижней поверхностью 4а, а также усиливающими средами 2b и 2d, соединенными с верхней поверхностью 4b, для образования зигзагообразного оптического пути. То есть падающий луч 3 накачки последовательно отражается усиливающими средами 2а, 2b, 2с, 2d и 2е, так что образуется зигзагообразный оптический путь. Луч 3 оптической накачки отражается одной из поверхностей (в дальнейшем именуемой задней поверхностью) каждой усиливающей среды 2а-2е, противоположной поверхности, соединенной с оптической средой 1. Например, усиливающие среды 2а, 2с и 2е, соединенные с нижней поверхностью 4а оптической среды 1, имеют в качестве отражающей поверхности заднюю поверхность, противоположную нижней поверхности 4а оптической среды 1. Усиливающие среды 2b и 2d, соединенные с верхней поверхностью 4b оптической среды 1, имеют в качестве отражающей поверхности заднюю поверхность, противоположную верхней поверхности 4b оптической среды 1. На отражающие задние поверхности может быть нанесено покрытие с большим коэффициентом отражения. Усиливающие среды 2а-2е предпочтительно расположены в таких местоположениях, чтобы луч 3 оптической накачки, распространяющийся по зигзагообразному оптическому пути, полностью отражался, причем без нанесения высокоотражающего покрытия. Структуру лазерной усиливающей среды 10, в которой используются полные отражения, можно реализовать путем подбора угла падения луча 3 оптической накачки на первую торцевую поверхность S1 и выбора расположения усиливающих сред 2а-2е.
При распространении в оптической среде 1 луч 3 оптической накачки не поглощается. Луч 3 оптической накачки входит в каждую из усиливающих сред 2а-2е через нижнюю поверхность 4а или верхнюю поверхность 4b оптической среды 1, поглощается в усиливающих средах 2а-2е, отражается от задней поверхности усиливающей среды и возвращается в оптическую среду 1 через нижнюю поверхность 4а или верхнюю поверхность 4b. Поскольку луч 3 оптической накачки не поглощается внутри оптической среды 1, эта оптическая среда 1 сама по себе не выделяет тепла. Усиливающие среды 2а-2е выделяют тепло в результате поглощения луча 3 оптической накачки, но имеют форму тонких пластин. Следовательно, при охлаждении задних поверхностей усиливающих сред 2а-2е эти усиливающие среды эффективно и равномерно охлаждаются. Тепло, выделяющееся в усиливающих средах 2а-2е, рассеивается в оптической среде 1, что способствует возникновению эффекта тепловой линзы и тепловому двойному лучепреломлению.
Лазерная усиливающая среда 10 может быть окружена теплоотводом или устройством охлаждения, в котором по заданному тракту протекает жидкий азот или аналогичный материал. Устройство охлаждения осуществляет охлаждение задних поверхностей по меньшей мере усиливающих сред 2а-2е.
В общем, в большинстве случаев теплопроводность высокоотражающей пленки покрытия невелика. Поэтому, когда задние поверхности усиливающих сред 2а-2е не покрыты высокоотражающей защитной пленкой и сами полностью отражают свет, теплопроводность этих поверхностей достаточно высока и охлаждение может происходить более эффективно.
Луч 3 оптической накачки поглощается усиливающими средами 2а-2е лазерной усиливающей среды 10. Лазерный луч, поступающий от источника лазерного луча (не показан) и усиливаемый в результате поглощения луча оптической накачки, резонирует между зеркалом 5, полностью отражающим лазерный луч, и выходным зеркалом 6 и выходит в виде лазерного луча 4 из лазерной усиливающей среды 10 через выходное зеркало 6.
Повышение температуры, обусловленное поглощением луча оптической накачки в усиливающих средах 2а-2е, поддерживают постоянным. Это можно реализовать, выбирая различную толщину усиливающих сред и/или разные уровни легирования активным элементом(ами).
Согласно варианту настоящего изобретения множество усиливающих сред присоединены к верхней поверхности 4b и к нижней поверхности 4а оптической среды 1. В примерах, показанных на фиг.4 и 5, три усиливающие среды 2а, 2с и 2е присоединены к нижней поверхности 4а и две усиливающие среды 2b и 2d присоединены к верхней поверхности 4b. Такая конструкция позволяет легко получить различные регулируемые коэффициенты усиления для усиливающих сред, расположенных в разных местоположениях на оптическом пути. Примеры коэффициентов усиления усиливающих сред 2а-2е приведены ниже. Коэффициенты усиления регулируют таким образом, чтобы сделать примерно одинаковой величину повышения температуры для каждой усиливающей среды из-за выделения тепла вследствие поглощения луча оптической накачки.
Интенсивность луча 3 оптической накачки в каждой точке оптического пути тем выше, чем ближе эта точка к источнику 12 оптической накачки. Поэтому при падении луча 3 оптической накачки на одну из усиливающих сред, имеющих идентичные характеристики, в усиливающей среде, расположенной ближе к источнику 12 оптической накачки, выделяется больше тепла. В соответствии с рассматриваемым вариантом настоящего изобретения, регулируя толщину усиливающих сред 2а-2е или уровни легирования активным элементом(ами) таким образом, чтобы увеличить коэффициент поглощения луча 3 оптической накачки в усиливающей среде, расположенной дальше от источника 12 оптической накачки на оптическом пути, можно получить примерно одинаковое количество теплоты, выделяемое в усиливающих средах, расположенных в разных точках на оптическом пути.
Согласно модифицированному варианту настоящего изобретения, показанному на фиг.5, луч оптической накачки подают не сквозь отражающее зеркало на входной стороне, а с внешней стороны отражающего зеркала на входной стороне. Например, луч оптической накачки может быть подан наклонно с внешней стороны отражающего зеркала 5 на входной стороне, используя показатель преломления, зависящий от длины волны, таким образом, чтобы получить зигзагообразный оптический путь. В данном случае желаемый результат можно получить путем использования угла Брюстера (угла полной поляризации) для длины волны лазерного луча и луча оптической накачки.
На фиг.6 показан лазерный генератор в модификации первого варианта настоящего изобретения. В этой модификации четыре усиливающие среды 2a-2d присоединены к верхней поверхности 4b и к нижней поверхности 4а по принципу «два на два». Боковая поверхность лазерной усиливающей среды 10 имеет форму параллелограмма. Даже в такой конструкции можно добиться указанного выше эффекта путем использования различных коэффициентов усиления усиливающих сред 2a-2d.
[Второй вариант]
Фиг.7 представляет схему, показывающую конструкцию лазерного генератора согласно второму варианту настоящего изобретения. Лазерный генератор согласно второму варианту настоящего изобретения может быть реализован с использованием лазерной усиливающей среды 10, показанной на фиг.4 и 5. Такой лазерный генератор содержит лазерную усиливающую среду 10, источник 12 оптической накачки, зеркало 5, полностью отражающее лазерный луч, вращатель 7 плоскости поляризации, полностью отражающее зеркало 8 и поляризационный расщепитель 9 луча.
Луч 3 оптической накачки от источника 12 оптической накачки проходит сквозь зеркало 5, полностью отражающее лазерный луч, и поляризационный расщепитель 9 луча и входит в лазерную усиливающую среду 10 с первой торцевой поверхности S1. Луч 3 оптической накачки возбуждает или «накачивает» усиливающие среды 2а-2е. С другой стороны, усиливаемый лазерный луч 4 падает от источника 12 лазерного луча и направляется по тому же оптическому пути, что и луч 3 оптической накачки с помощью зеркала 5, полностью отражающего лазерный луч. Усиливаемый лазерный луч 4 усиливается внутри лазерной усиливающей среды 10, и усиленный лазерный луч выходит из второй торцевой поверхности S2. Лазерный луч 4 отражается полностью отражающим зеркалом 8 и возвращается ко второй торцевой поверхности S2. Угол поляризации лазерного луча 4 поворачивается или изменяется на заданную величину при прохождении через вращатель 7 плоскости поляризации, установленный между второй торцевой поверхностью S2 и полностью отражающим зеркалом 8. Поляризационный расщепитель 9 луча направляет усиленный лазерный луч 4, возвращенный от второй торцевой поверхности S2 к первой торцевой поверхности S1, в направлении, отличном от оптического пути, по которому распространяется луч 3 оптической накачки, и усиленный лазерный луч выводится наружу.
На фиг.8 изображена схема лазерного генератора, имеющего схему согласно фиг.7, из которой удалены вращатель 7 плоскости поляризации, полностью отражающее зеркало 8 и поляризационный расщепитель 9 луча, в качестве другой модификации второго варианта реализации изобретения. В таком лазерном генераторе лазерный луч 4 усиливается в лазерной усиливающей среде 10, и усиленный лазерный луч 4 выходит наружу из второй торцевой поверхности S2 без отражения его каким-либо полностью отражающим зеркалом.
[Третий вариант]
Фиг.9 представляет схему, показывающую конструкцию лазерного генератора согласно третьему варианту настоящего изобретения. Лазерный генератор в этом варианте может быть реализован с использованием лазерной усиливающей среды 10, показанной на фиг.4 и 5. Однако толщина и/или уровень легирования усиливающих сред 2а-2е регулируется таким образом, чтобы сделать примерно одинаковой величину повышения температуры для каждой усиливающей среды 2а-2е, когда усиливающие среды 2а-2е поглощают лучи 3а и 3b оптической накачки от нескольких источников 12а и 12b оптической накачки, и в результате поглощения выделяется тепло. Лазерный генератор содержит лазерную усиливающую среду 10, источники 12а и 12b оптической накачки, зеркала 5а и 5b, полностью отражающие лазерный луч, и выходное зеркало 6.
Источник 12а оптической накачки испускает луч 3а оптической накачки. Луч 3а оптической накачки проходит сквозь зеркало 5а, полностью отражающее лазерный луч, и падает на первую торцевую поверхность S1 оптической среды 1. Падающий луч 3а оптической накачки образует описанный выше зигзагообразный оптический путь, поскольку он поочередно отражается усиливающими средами 2а, 2с и 2е на нижней поверхности 4а и усиливающими средами 2b и 2d на верхней поверхности 4b. Источник 12b оптической накачки испускает луч 3b оптической накачки. Луч 3b оптической накачки проходит сквозь зеркало 5b, полностью отражающее лазерный луч, и падает на вторую торцевую поверхность S2 оптической среды 1. Падающий луч 3b оптической накачки образует такой же зигзагообразный оптический путь, как и луч 3а оптической накачки.
Полностью отражающее лазерный луч зеркало 5b, расположенное между второй торцевой поверхностью S2 и источником 12b оптической накачки, направляет луч 3а оптической накачки в направлении, отличном от оптического пути между второй торцевой поверхностью S2 и источником 12b оптической накачки. Выходное зеркало 6 установлено на пути выходного луча. Луч 3а оптической накачки и луч 3b оптической накачки полностью поглощаются усиливающими средами 2а-2е лазерной усиливающей среды 10 и вызывают люминесценцию. Люминесцентное излучение резонирует в оптическом резонаторе между зеркалом 5а, полностью отражающим лазерный луч, и выходным зеркалом 6 и выходит из выходного зеркала 6 в виде лазерного луча 4.
[Четвертый вариант]
Фиг.10 представляет схему, показывающую конструкцию лазерного генератора согласно четвертому варианту настоящего изобретения. Лазерный генератор в этом варианте может быть реализован с использованием лазерной усиливающей среды 10, показанной на фиг.4 и 5. Однако толщину и/или уровни легирования усиливающих сред 2а-2е регулируют таким образом, чтобы сделать примерно одинаковой величину повышения температуры для каждой усиливающей среды 2а-2е, даже при выделении в этих средах тепла при поглощении каждой усиливающей средой 2а-2е оптической накачки от нескольких источников оптической накачки. Такой лазерный генератор содержит лазерную усиливающую среду 10, источники 12а и 12b оптической накачки, зеркала 5а и 5b, полностью отражающие лазерный луч, вращатель 7 плоскости поляризации и поляризационный расщепитель 9 луча.
В этом варианте по сравнению с лазерным генератором согласно второму варианту добавлен источник 12b оптической накачки. Луч 3b оптической накачки от источника 12b оптической накачки проходит сквозь зеркало 5b, полностью отражающее лазерный луч, и вращатель 7 плоскости поляризации и направляется по тому же оптическому пути, что и луч 3а оптической накачки от источника 12а оптической накачки. Лучи 3а и 3b оптической накачки возбуждают или накачивают усиливающие среды 2а-2е. Аналогично второму варианту лазерный луч 4 направляют по тому же оптическому пути, что и лучи 3а и 3b оптической накачки, так что лазерный луч 4 усиливается усиливающими средами 2а-2е, а поляризационный расщепитель 9 луча выводит усиленный лазерный луч из генератора наружу в направлении, отличном от оптического пути лучей 3а и 3b оптической накачки.
Подобно первому варианту в лазерной системе согласно вариантам 2-4 добиваются равномерного распределения температуры путем подбора коэффициентов поглощения с использованием усиливающих сред 2а-2е. Таким образом возможно генерировать усиленный лазерный луч высокого качества. Кроме того, подобно первому варианту тепло, выделяющееся в усиливающих средах 2а-2е, можно эффективно отводить посредством устройства охлаждения. Следует отметить, что число усиливающих сред и размер каждой усиливающей среды не ограничены описанными выше вариантами, и они могут быть определены на основе усиления и выходной мощности.
Следует отметить, что в лазерной системе согласно вариантам 1-4 луч оптической накачки входит в лазерную усиливающую среду 10 через торцевые поверхности S1 и/или S2. Однако, как показано на фиг.14, луч оптической накачки может подаваться в каждую усиливающую среду лазерной усиливающей среды с направления, противоположного усиливающей среде, независимо от других усиливающих сред. В этом случае могут быть получены такие же эффекты, как и в лазерных генераторах, показанных на фиг.4-10. В данном случае величину повышения температуры в усиливающих средах в результате поглощения лучей оптической накачки делают одинаковой, подбирая толщину и уровни легирования усиливающих сред.
Авторы изобретения подбирали толщину и уровни легирования усиливающих сред 2а-2е таким образом, чтобы выполнялись следующие условия:
(1) величина повышения температуры для каждой усиливающей среды одинаковая и не превышает 20 К при определенной мощности возбуждения и размере луча,
(2) лазерная усиливающая среда поглощает не менее 99% луча оптической накачки, и
(3) при прохождении лазерного луча туда и обратно по одному оптическому пути в лазерной среде можно эффективно извлечь накопленную энергию.
На фиг.11 и 12 показаны результаты расчетов для случая, когда толщина усиливающих сред 2а-2е и концентрация легирующего активного элемента(ов) в усиливающих средах 2а-2е являются постоянными, и для случая подбора концентрации легирующего элемента(ов). На фиг.11 показаны результаты в случае одного источника оптической накачки, а на фиг.12 показаны результаты в случае двух источников оптической накачки.
На фиг.13 представлена взаимосвязь между толщиной усиливающих сред и коэффициентом поглощения луча оптической накачки, когда угол падения луча на усиливающие среды 2а-2е равен 60°. На вертикальной оси справа показано поглощение при использовании источника света мощностью 500 Вт.
Разность температур ΔT на фиг.11 и 12 рассчитана по следующей формуле:
ΔT=Q×d/k×S,
где Q - тепловая мощность (Вт) (20% поглощенной мощности),
d - толщина среды (мм),
k - коэффициент теплопроводности (20 Вт/мК),
S - площадь пятна луча на поверхности (2r=5 мм).