Лазер с продольной диодной оптической накачкой и поперечной накачкой жидкой лазерно-активной среды
LASER WITH LONGITUDINAL DIODE PUMPING AND TRANSVERSE PUMPING OF LIQUID LASER-ACTIVE MEDIUM

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано для создания лазера с прокачиваемой жидкой лазерно-активной средой, обеспечивающего относительно высокое качество пучка лазерного излучения при прочих равных характеристиках лазера.
Известен лазер (патент US 7212558 В2). Аналог представляет собой жидкостной лазер с поперечной диодной оптической накачкой и прокачкой жидкой лазерно-активной среды через кювету, в которой обеспечивается генерация лазерного пучка в резонаторе лазера, оптическая ось которого расположена перпендикулярно к оптической оси пучка излучения накачки.
Недостатками известного аналога является поперечное расположение оптической оси пучка излучения накачки по отношению к оптической оси пучка лазерного излучения, а также прокачка жидкой лазерно-активной среды через кювету в одном направлении. Указанные недостатки приводит к возникновению в жидкой лазерно-активной среде оптической неоднородности типа фокусирующая линза и клин соответственно. Обе оптические неоднородности ухудшают качество пучка лазерного излучения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является лазер (патент US 6600766 В1). Лазер включает резонатор лазера, два источника диодной оптической накачки и две пространственно-разнесенные кюветы, заполненные жидкой лазерно-активной средой. Источники диодной оптической накачки расположены непосредственно в кюветах и оптическая ось излучения накачки ориентирована перпендикулярно оптической оси пучка лазерного излучения. Кюветы подключены к одному замкнутому контуру принудительной циркуляции с двумя теплообменниками. Течение жидкой лазерно-активной среды в кюветах происходит в противоположных направлениях, при этом жидкая лазерно-активная среда проходит две кюветы последовательно.
Недостатками известного устройства является поперечное расположение оптической оси пучка излучения накачки по отношению к оптической оси пучка лазерного излучения, а также прокачка жидкой лазерно-активной среды через две пространственно-разнесенные кюветы по общему контуру. Указанные недостатки приводят к возникновению в жидкой лазерно-активной среде оптической неоднородности типа фокусирующая линза и недостаточной компенсации оптической неоднородности типа клин соответственно.
Задача изобретения состоит в исключении указанных недостатков, а именно в минимизации оптических неоднородностей, возникающих в жидкой лазерно-активной среде.
Для исключения указанных недостатков в лазере состоящем из резонатора лазера, двух систем диодной оптической накачки, кюветы и системы принудительной циркуляции жидкой лазерно-активной среды, предлагается:
- резонатор лазера выполнить из по меньшей мере двух зеркал для формирования генерируемого пучка лазерного излучения;
- резонатор лазера обеспечить двумя, расположенными последовательно с зазором, элементами оптической развязки для разделения пучка лазерного излучения и пучка излучения накачки;
- кювету расположить в зазоре между элементами оптической развязки на общей оптической оси пучков лазерного излучения и излучения накачки;
- систему диодной оптической накачки выполнить из блока диодной накачки согласованного с блоком формирования пучка накачки посредством оптоволоконного кабеля;
- блок формирования пучка излучения накачки выполнить из последовательно расположенных коллиматора и гомогенизатора пучка излучения накачки;
- блок формирования пучка излучения накачки расположить на оптической оси совпадающей с оптической осью резонатора лазера, проходящей через элементы оптической развязки;
- гомогенизатор пучка излучения накачки выполнить с выходной апертурой в форме правильного четырехугольника;
- кювету обеспечить системой светопроницаемых перегородок, расположенных параллельно друг другу и установленных перпендикулярно оптической оси;
- светопроницаемые перегородки расположить с образованием между смежными светопроницаемыми перегородками по меньшей мере двух камер, общее число которых четное;
- в смежных камерах выполнить подвод и отвод жидкой лазерно-активной среды с возможностью обеспечения течения жидкой лазерно-активной среды в смежных камерах в противоположных направлениях.
В частном случае выполнения лазера предлагается:
- систему принудительной циркуляции выполнить из по меньшей мере двух проточных частей, включающих подводящий патрубок, устройство для прокачки и отводящий патрубок, соединенные последовательно;
- лазер снабдить системой охлаждения жидкой лазерно-активной среды;
- систему охлаждения выполнить из по меньшей мере одного теплообменника;
- полости отводящего патрубка, теплообменника и устройства для прокачки соединить последовательно с образованием единой проточной части;
- лазер снабдить системой термостабилизации жидкой лазерно-активной среды;
- систему термостабилизации выполнить из по меньшей мере одного смесителя;
- полости подводящего патрубка, устройства для прокачки и смесителя соединить последовательно с образованием единой проточной части;
Сущность изобретения поясняется фигурами 1-5, где на фиг. 1 - схема варианта исполнения лазера с продольной диодной оптической накачкой и поперечной прокачкой жидкой лазерно-активной среды, на фиг. 2 - схема варианта исполнения системы принудительной циркуляции жидкой лазерно-активной среды, и организация течения жидкой лазерно-активной среды через кювету, на фиг. 3-5 - примеры конкретного исполнения кюветы в поперечном сечении и двух продольных разрезах.
На фигурах 1-5 приняты следующие обозначения: 1 - блок диодной накачки; 2 -гомогенизатор; 3 - зеркало; 4 - камера; 5 - коллиматор; 6 - оптоволоконный кабель; 7 -отводящий патрубок; 8 - подводящий патрубок; 9 - светопроницаемая перегородка; 10 -устройство для прокачки; 11 - элемент оптической развязки.
Лазер с продольной диодной оптической накачкой и поперечной прокачкой жидкой лазерно-активной среды, состоит из резонатора лазера, двух систем диодной оптической накачки и кюветы.
Резонатор лазера включает в себя по меньшей мере два зеркала 3 для формирования генерируемого пучка лазерного излучения.
Кювета заполнена жидкой лазерно-активной средой и подключена к системе принудительной циркуляции.
Резонатор имеет два элемента оптической развязки 11 для разделения пучка лазерного излучения и пучка излучения накачки.
Элементы оптической развязки 11 расположены последовательно с зазором.
В зазоре пучки лазерного излучения и излучения накачки имеют общую оптическую ось. На общей оптической оси внутри зазора расположена кювета.
Расположение пучка лазерного излучения и пучка излучения накачки на общей оптической оси обеспечивает продольную накачку жидкой лазерно-активной среды. Это позволяет исключить образование оптической неоднородности типа фокусирующая линза.
В системе диодной оптической накачки блок диодной накачки 1 согласован с блоком формирования пучка излучения накачки посредством оптоволоконного кабеля 6.
Блок формирования пучка излучения накачки состоит из последовательно расположенных коллиматора 5 и гомогенизатора 2 пучка излучения накачки.
Оптическая ось блока формирования пучка излучения накачки совпадает с оптической осью резонатора лазера и проходит через элементы оптической развязки 11 пучков лазерного излучения и излучения накачки.
Гомогенизатор 2 пучка излучения накачки имеет выходную апертуру, выполненную в форме правильного четырехугольника.
Форма выходной апертуры гомогенизатора 2 пучка излучения накачки в виде правильного четырехугольника обеспечивает равномерность накачки жидкой лазерно-активной среды. Это позволяет исключить образование оптической неоднородности типа фокусирующая линза.
Кювета имеет систему светопроницаемых перегородок 9, расположенных параллельно друг другу и установленных перпендикулярно оптической оси. Смежные светопроницаемые перегородки 9 образуют по меньшей мере две камеры 4, количество камер четное.
Смежные камеры 4 имеют подвод и отвод жидкой лазерно-активной среды с возможностью обеспечения течения жидкой лазерно-активной среды в смежных камерах 4 в противоположных направлениях.
Камеры 4 со светопроницаемыми перегородками 9, в которых течение жидкой лазерно-активной среды происходит в противоположных направлениях, позволяют исключить образование оптической неоднородности типа клин.
Система принудительной циркуляции снабжена по меньшей мере двумя проточными частями, включающими подводящий патрубок 8, устройство для прокачки 10 и отводящий патрубок 7, соединенные последовательно.
Система принудительной циркуляции позволяет обеспечить непрерывную прокачку жидкой лазерно-активной среды через камеры 4.
Лазер снабжен системой охлаждения жидкой лазерно-активной среды, включающей по меньшей мере один теплообменник. Последовательно соединенные полости отводящего патрубка 7, теплообменника и устройства для прокачки 10 образуют единую проточную часть.
Система охлаждения позволяет обеспечить постоянство температуры жидкой лазерно-активной среды поступающей через подводящий патрубок 8.
Лазер снабжен системой термостабилизации жидкой лазерно-активной среды, включающей по меньшей мере один смеситель для перемешивания жидкой лазерно-активной среды с разной температурой. Последовательно соединенные полости подводящего патрубка 8, смесителя и устройства для прокачки 10 образуют единую проточную часть.
Система термостабилизации позволяет обеспечить постоянство разности температур жидкой лазерно-активной среды между подводящим патрубком 8 и отводящим патрубком 7.
Работа лазера осуществляется следующим образом.
Жидкая лазерно-активная среда заполняет систему принудительно циркуляции, систему термостабилизации, систему охлаждения и кювету. Устройства для прокачки 10 обеспечивают поступление жидкой лазерно-активной среды в кювету через систему термостабилизации и подводящие патрубки 8. Внутри кюветы жидкая лазерно-активная среда разделяется светопроницаемыми перегородками 9 на четное число камер 4. В смежные камеры 4 жидкая лазерно-активная среда поступает в противоположных направлениях. Жидкая лазерно-активная среда покидает кювету через отводящие патрубки 7 и, проходя через систему охлаждения, вновь поступает в устройство для прокачки 10.
Системы диодной оптической накачки генерируют излучение накачки в блоках диодной накачки 1. Излучение накачки поступает на входы блоков формирования пучков излучения накачки через оптоволоконные кабели 6. Пучок излучения накачки формируется при прохождении последовательно коллиматора 5 и гомогенизатора 2 пучка излучения накачки. Два пучка излучения накачки направляются на элементы оптической развязки 11, попадая на оптическую ось резонатора лазера. Проходя камеры 4 кюветы, пучки излучения накачки возбуждают жидкую лазерно-активную среду. Излучение, возникающее в жидкой лазерно-активной среде вследствие лазерной генерации, проходит через элементы оптической развязки 11 к зеркалам 3 резонатора лазера. Зеркала 3 резонатора лазера формируют пучок лазерного излучения. Пример конкретного исполнения устройства.
Все элементы устройства монтируются на оптическом столе. Резонатор лазера выполнен из двух зеркал 3 диаметром 40 мм и двух элементов оптической развязки 11 диаметром 40 мм, изготовленных из кварцевого стекла с диэлектрическим покрытием.
Блок диодной накачки 1 генерирует излучение накачки на длине волны 808 нм.
Выходная апертура гомогенизатора выполнена в форме прямоугольника со сторонами 20×10 мм.
+.
Кювета заполнена жидкой лазерно-активной средой, изготовленной из неорганических лазерных жидкостей, активированной ионами Nd3
Кювета содержит пять параллельных светопроницаемых перегородок 9, изготовленных из кварцевого стекла. Система светопроницаемых перегородок 9 образует четыре смежные камеры 4 прямоугольного сечения и габаритами 20×10×10 мм.
Прокачка жидкой лазерно-активной среды осуществляется мембранным насосом.
В системе термостабилизации применяется смеситель снабженный каналом с регулируемым расходом.
В системе охлаждения применяется пластинчатый теплообменник.
Все конструктивные элементы контура принудительной циркуляции, светонепроницаемые стенки кюветы, системы термостабилизации и системы охлаждения изготовлены из фторопласта. Камеры 4 кюветы, системы принудительной циркуляции, системы охлаждения и системы термостабилизации герметичны относительно внешней среды.
2
В качестве сравнительного критерия качества пучка лазерного излучения выбран безразмерный параметр качества M, который оценивается по формуле:
K
где θ - полный угол расходимости пучка лазерного излучения, θ - полный угол расходимости полностью когерентного одномодового гауссова пучка лазерного излучения.
2
2
Расчетные оценки рассмотренного в примере конкретного исполнения устройства показали, что в сравнении с устройством наиболее близкого аналога к заявляемому объекту (патент US 7212558 В2) достижимое значение параметра качества находится на уровне не хуже М<2. У устройства в указанном наиболее близком аналоге при совпадающих характеристиках лазера, таких как мощность, длина волны и диаметр поперечного сечения в перетяжки пучка лазерного излучения достижимый параметр качества M>10.
Технический результат - обеспечение относительно высокого качества пучка лазерного излучения при прочих равных характеристиках лазера.