ЛАЗЕРНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ С ПРОДОЛЬНОЙ НАКАЧКОЙ

Полезная модель относится к области лазерной техники, в частности к твердотельным лазерам с диодной накачкой, и может быть использована в приборостроении для создания дальномерных систем.
Из существующего уровня техники известен компактный твердотельный лазер с продольной полупроводниковой накачкой [1], включающий вынесенный за пределы корпуса лазера оптический модуль, содержащий линейку лазерных диодов, и оптически связанный с резонатором лазера оптоволокном, подключенным к объективу накачки, установленному на торце корпуса лазера, в котором установлены резонатор с зеркалами, активный элемент и оптический затвор.
Недостатками компактного твердотельного лазера с продольной полупроводниковой накачкой [1] являются недостаточная устойчивость конструкции резонатора к разъюстировкам при изменении температуры окружающей среды и недостаточная надежность и долговечность лазера, обусловленные наличием дополнительных котировочных упругих элементов и излишним количеством внутрирезонаторных поверхностей с нанесенными просветляющими покрытиями.
Задачей настоящей полезной модели является повышение надежности и долговечности лазерного излучателя, в том числе в условиях изменения температуры окружающей среды и воздействия механических нагрузок.
Поставленная задача достигается тем, что лазерный излучатель с продольной накачкой включает оптически связанные оптический модуль накачки, содержащий, по меньшей мере, один лазерный диод накачки, объектив и размещенные в общем корпусе заднее зеркало резонатора, активный элемент в виде плоскопараллельной пластинки, модулятор добротности и выходное зеркало резонатора, при этом активный элемент установлен так, что нормаль к его рабочим поверхностям составляет угол Брюстера с осью резонатора, заднее и выходное зеркала резонатора установлены с возможностью поворота вокруг осей, перпендикулярных оси резонатора, а ось поворота заднего зеркала перпендикулярна оси поворота выходного зеркала.
Активный элемент может быть выполнен из стекла, легированного трехвалентными ионами эрбия или иттербия и эрбия.
Модулятор добротности может быть выполнен в виде пассивного затвора в виде плоскопараллельной пластинки.
Пассивный затвор может быть установлен так, что нормаль к его рабочим поверхностям составляет угол Брюстера с осью резонатора.
Пассивный затвор может быть выполнен из кристалла магний алюминиевой шпинели, легированной ионами двухвалентного кобальта.
Модулятор добротности может быть выполнен в виде электрооптического затвора, установленного между активным элементом и выходным зеркалом резонатора.
Корпус может быть выполнен из материала с коэффициентом температурного расширения, близким к коэффициенту температурного расширения стекла.
Между оптическим модулем накачки и задним зеркалом резонатора может быть расположен светофильтр с максимальным коэффициентом пропускания на длине волны накачки и максимальным коэффициентом отражения на длине волны генерации.
Оптический модуль накачки может содержать волоконный световод для завода излучения накачки в объектив.
Заднее и выходное зеркала резонатора могут быть закреплены в оправах, установленных на двух взаимно ортогональных плоских поверхностях корпуса.
Заднее и выходное зеркала резонатора могут быть закреплены в оправах, установленных в двух отверстиях корпуса с взаимно перпендикулярными осями.
Оправы заднего и выходного зеркал резонатора могут быть выполнены из материала с коэффициентом температурного расширения близким к коэффициенту температурного расширения стекла.
Повышение надежности и долговечности лазерного излучателя, в том числе в условиях изменения температуры окружающей среды и воздействия механических нагрузок в заявляемом техническом решении обеспечивается за счет:
установки заднего и выходного зеркал резонатора с возможностью поворота вокруг осей, перпендикулярных оси резонатора, при этом ось поворота заднего зеркала перпендикулярна оси поворота выходного зеркала и, в частности, закрепления заднего и выходного зеркал резонатора в оправах, установленных на двух взаимно ортогональных плоских поверхностях корпуса либо установленных в двух отверстиях корпуса с взаимно перпендикулярными осями с возможностью поворота вокруг осей, перпендикулярных оси резонатора, что обеспечивает отсутствие дополнительных котировочных упругих элементов в конструкции и снижение ее массогабаритных характеристик. Известно, что отсутствие дополнительных котировочных упругих элементов в конструкции приводит к снижению ее терморасстраиваемости, а снижение массогабаритных характеристик конструкции приводит к снижению частот собственных колебаний конструкции, что повышает устойчивость конструкции резонатора к воздействию ударных и вибрационных нагрузок;
установки активного элемента так, что нормаль к его рабочим поверхностям составляет угол Брюстера с осью резонатора, что обеспечивает отсутствие потерь на отражение от граней активного элемента для линейно поляризованного излучения, генерируемого в резонаторе, и, как следствие, отсутствие необходимости нанесения просветляющих покрытий, которые снижают поверхностную лучевую прочность и стойкость рабочих поверхностей активного элемента и его надежность при долговременной работе;
установки светофильтра с максимальным коэффициентом пропускания на длине волны накачки и максимальным коэффициентом отражения на длине волны генерации между оптическим модулем накачки и задним зеркалом резонатора, что обеспечивает дополнительную защиту оптического модуля накачки от излучения на длине волны генерации из-за остаточного пропускания заднего зеркала резонатора.
Одновременно предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить также:
получение генерации в спектральной области около 1,5 мкм, которая является условно безопасной для органов зрения, находится в «окне» прозрачности атмосферы и совпадает со спектральным диапазоном работы высокочувствительных фотоприемников за счет выполнения активного элемента из стекла, легированного трехвалентными ионами эрбия или иттербия и эрбия;
получение режима модулированной добротности за счет использования пассивного затвора в виде плоскопараллельной пластинки, либо электрооптического затвора, установленного между активным элементом и выходным зеркалом резонатора;
уменьшение электромагнитных наводок за счет оптического модуля накачки, содержащего, по меньшей мере, один лазерный диод накачки, и модулятора добротности, выполненного в виде пассивного затвора в виде плоскопараллельной пластинки;
улучшение пространственных характеристики генерируемого излучения за счет использования оптического модуля накачки, содержащего волоконный световод для завода излучения накачки в объектив, и(или) пассивного затвора в виде плоскопараллельной пластинки;
получение генерации в спектральной области около 1,5 мкм в режиме пассивной модуляции добротности за счет выполнения пассивного затвора из кристалла магний алюминиевой шпинели, легированной ионами двухвалентного кобальта;
повышение мощности генерируемого излучения при использовании модулятора добротности, выполненного в виде электрооптического затвора, установленного между активным элементом и выходным зеркалом резонатора;
повышение эффективности генерации за счет использования оптического модуля накачки, содержащего волоконный световод для завода излучения накачки в объектив;
повышения надежности и долговечности за счет установки пассивного затвора так, что нормаль к его рабочим поверхностям составляет угол Брюстера с осью резонатора;
дополнительное повышение надежности и долговечности за счет использования в конструкции излучателя материала с коэффициентом температурного расширения, близким к коэффициенту температурного расширения стекла.
Сущность полезной модели поясняется схемой варианта исполнения лазерного излучателя с продольной накачкой, приведенной на чертеже (фиг.).
Лазерный излучатель с продольной накачкой включает в себя оптически связанные оптический модуль накачки 1, содержащий, по меньшей мере, один лазерный диод накачки, объектив 2 и, размещенные в общем корпусе 3, заднее зеркало 4 резонатора, активный элемент 5 в виде плоскопараллельной пластинки, модулятор добротности 6 и выходное зеркало 7 резонатора. Активный элемент 5 установлен так, что нормаль к его рабочим поверхностям составляет угол Брюстера а с осью резонатора, заднее 4 и выходное 7 зеркала резонатора установлены с возможностью поворота вокруг осей, перпендикулярных оси резонатора, при этом ось поворота заднего зеркала 4 перпендикулярна оси поворота выходного зеркала 7.
Активный элемент 5 может быть выполнен из стекла, легированного трехвалентными ионами эрбия или иттербия и эрбия.
Модулятором добротности 6 может быть выполнен в виде пассивного затвора в виде плоскопараллельной пластинки, при этом пассивный затвор может быть установлен так, что нормаль к его рабочим поверхностям составлять угол Брюстера с осью резонатора. Пассивный затвор может быть выполнен из кристалла магний алюминиевой шпинели, легированной ионами двухвалентного кобальта.
Модулятор добротности 6 может быть выполнен в виде электрооптического затвора, установленного между активным элементом 5 и выходным зеркалом 7 резонатора.
Корпус 3 может быть выполнен из материала с коэффициентом температурного расширения, близким к коэффициенту температурного расширения стекла.
Между оптическим модулем накачки 1 и задним зеркалом 4 резонатора может быть расположен светофильтр 8 с максимальным коэффициентом пропускания на длине волны накачки и максимальным коэффициентом отражения на длине волны генерации.
Оптический модуль накачки 1 может содержать волоконный световод для завода излучения накачки в объектив 2.
Заднее 4 и выходное 7 зеркала резонатора могут быть закреплены в оправах 9 и 10, соответственно, установленных на двух взаимно ортогональных плоских поверхностях корпуса 3 или установленных в двух отверстиях корпуса 3 с взаимно перпендикулярными осями.
Оправы 9 и 10 заднего 4 и выходного 7 зеркал резонатора, соответственно, могут быть выполнены из материала с коэффициентом температурного расширения близким к коэффициенту температурного расширения стекла.
Лазерный излучатель с продольной накачкой работает следующим образом.
При включении лазерного излучателя излучение оптического модуля накачки 1 заданного спектрального диапазона фокусируется объективом 2 внутрь активного элемента 5, практически без потерь проходя объектив 2, заднее зеркало 4 резонатора и светофильтр 8. В прокачиваемом объеме активного элемента 5, нормаль к рабочим поверхностям которого составляет угол Брюстера с осью резонатора, излучение накачки поглощается ионами-активаторами, что приводит к возникновению инверсии населенностей в активном элементе 5. Модулятор добротности 6 в начальный момент времени обеспечивает низкую добротность резонатора для предотвращения начала лазерного испускания и увеличения запасенной энергии в активном элементе 5 до необходимого уровня, по достижении которого модулятором добротности 6 обеспечивается переключение на высокий уровень добротности резонатора, и запасенная в активном элементе 5 энергия высвобождается в форме мощного импульса наносекундной длительности, который, выводится наружу вдоль оси резонатора через выходное зеркало 7.
Один из возможных вариантов выполнения лазерного излучателя с продольной накачкой приведен ниже.
20
-3
Лазерный излучатель с продольной накачкой включает оптический модуль накачки с одним лазерным диодом накачки с волоконным световодом, излучающим в спектральной области от 900 нм до 980 нм. Объектив выполнен из одиночной линзы с фокусным расстоянием 10 мм. Светофильтр расположен между объективом и задним зеркалом резонатора. В качестве активного элемента используется плоскопараллельная пластинка из стекла, легированного ионами трехвалентного эрбия с концентрацией 2×10 см. Модулятором добротности является пассивный затвор, выполненный из кристалла магний алюминиевой шпинели, легированной ионами двухвалентного кобальта, с начальным внутренним пропусканием 85%. Коэффициент пропускания выходного зеркала составляет 80%. Корпус и оправы зеркал резонатора выполнены из нержавеющей стали.
Предлагаемое техническое решение позволяет получить генерацию лазерного импульса с энергией не менее 2 мДж на длине волны 1,54 мкм при близком к дифракционному качеству лазерного пучка в температурном диапазоне от -50°С до +60°С при воздействии ударных и вибрационных нагрузок.
Таким образом, заявляемая полезная модель обеспечивает повышение надежности и долговечности лазерного излучателя с продольной накачкой, и, как следствие, дальномерной системы, в которой он применяется, в том числе в условиях изменения температуры окружающей среды и воздействия механических нагрузок.
Использованные источники информации.
1. RU 2382458 C1, H01S 3/0933, 20.02.2010 Бюл. №5 (прототип).