ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР С ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ
SOLID DIODE-PUMPED LASER

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано в различных отраслях, в частности при разработке и изготовлении лазерных устройств, для обработки материалов с высокой импульсной и средней мощностью излучения.
Для наиболее полного заполнения объема рабочей среды активного элемента твердотельного лазера излучением накачки широко используются диодные источники накачки, располагаемые со стороны малых противоположных торцевых граней активного элемента лазера и реализующие способ продольной накачки, когда направление формируемого ими пучка света направлено вдоль распространения основной моды, возбуждаемой в активном элементе. Диодные источники накачки выполнены, как правило, в виде одиночной лазерной диодной линейки или в виде двумерной матрицы лазерных диодных линеек.
Способ продольной накачки имеет ряд существенных преимуществ по сравнению со способом поперечной накачки лазеров, когда источники накачки располагаются вдоль больших боковых сторон активного элемента лазера, - более высокая эффективность, значительно меньший уровень шума в выходном сигнале лазера. Однако при использовании продольной накачки возникает проблема однородной фокусировки излучения накачки в интенсивное пятно на торцевой грани активного элемента, причем размер пятна должен быть близок к диаметру основной моды. Это условие необходимо для обеспечения максимальной эффективности использования излучения накачки.
Угловая расходимость пучка, излучаемого лазерным диодом и имеющего, как правило, форму эллипса, в типичном случае составляет: по оси Y, т.е. в направлении р-n-перехода, - (30-40)° и по оси X, т.е. в направлении, перпендикулярном р-n-переходу, - (10-15)° (фиг.1).
Для фокусировки излучения лазерных диодов, организованных в виде линейки или матрицы, в пятно требуемого размера и интенсивности в апертурной плоскости активного элемента используются различные оптические системы. Основная задача указанных оптических систем заключается в уменьшении угловой расходимости лазерного пучка накачки до величины около (0,5×0,5)° с последующей фокусировкой излучения на вход активного элемента.
Известен модуль твердотельного пластинчатого лазера с диодной накачкой, содержащий активный элемент твердотельного лазера, источник излучения накачки, выполненный в виде нескольких лазерных диодных линеек, расположенных со стороны торцевых противоположных граней активного элемента так, что направление формируемого ими пучка света коллинеарно с продольной осевой плоскостью активного элемента, оптические средства коллимирования излучения накачки в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и оптический элемент для фокусировки излучения накачки в апертурную плоскость активного элемента, выполненный в виде высокоапертурной цилиндрической линзы [1].
Известны устройства для диодной накачки, предназначенные, в частности, для формирования интенсивного лазерного пятна в апертурной плоскости волоконного лазера и содержащие источник излучения в виде линейки лазерных диодов, средства коллимирования излучения накачки, выполненные в виде двух цилиндрических линз, и линзу для фокусировки излучения в апертурную плоскость волоконного лазера [2, 3].
Известно устройство для формирования излучения нескольких лазерных диодов в сфокусированное интенсивное пятно, включающее источник излучения в виде лазерной диодной линейки, формирующую оптическую систему в виде двух цилиндрических линз и оптического элемента, осуществляющего поворот траекторий лазерных пучков на 90°, и оптического элемента для фокусировки излучения накачки, который может быть выполнен в виде одной сферической линзы или двух цилиндрических линз [4].
Известно устройство для диодной накачки волоконного лазера, содержащее источник излучения в виде лазерной диодной линейки и оптическую систему для коллимирования и фокусировки излучения накачки, включающую цилиндрические и сферические линзы [5].
Известно также устройство для диодной накачки, предназначенное для фокусировки излучения накачки в апертурную плоскость активного элемента лазера и содержащее в одном из вариантов устройства источник излучения накачки, выполненный в виде комбинации нескольких лазерных диодных матриц, и формирующую оптическую систему, включающую цилиндрические линзы и зеркала по числу диодных матриц и линзу для фокусировки излучения накачки указанных диодных матриц в апертурную плоскость активного элемента [6].
r
Недостатки известных устройств обусловлены, в основном, неоднородностью пятна накачки по поперечному сечению активного элемента, которое приводит также к неоднородной накачке и по длине активной среды твердотельного лазера, что существенно ухудшает выходные характеристики лазера. В том случае, когда источник излучения накачки содержит большое количество излучающих элементов (лазерных диодов), например, когда он выполнен в виде нескольких диодных матриц высокой мощности (более 2000 Вт каждая), суммарная мощность излучения, падающая на выходную фокусирующую линзу, существенно увеличивается. Поскольку распределение интенсивности излучения I, прошедшего через линзу, осуществляющую фокусировку излучения на вход активного элемента, имеет резко выраженный максимум с боковыми лепестками значительно меньшей интенсивности (фиг.2), оптические системы в упомянутых выше устройствах фокусируют излучение в пятно малого диаметра относительно поперечного сечения активного элемента, что существенно ухудшает однородность накачки.
Кроме того, существенное увеличение мощности падающего на линзу излучения может привести к локальному разрушению просветляющего покрытия торцевой поверхности активного элемента. Тем самым ограничивается эффективность накачки, так как вероятность такого локального разрушения обуславливает необходимость уменьшения падающей на линзу мощности, в результате чего снижается максимально достижимый уровень плотности мощности накачки в апертурной плоскости активного элемента.
В качестве ближайшего аналога заявляемого технического решения выбран твердотельный лазер с диодной накачкой, содержащий активный элемент, резонатор, образованный двумя зеркалами, источники излучения накачки на основе лазерных диодов, расположенные со стороны торцевых противоположных граней активного элемента так, что направление формируемого ими пучка света ориентировано вдоль оси резонатора лазера, оптические средства для коллимирования излучения накачки, выполненные в виде линз с гиперболическим профилем, и линзу для фокусировки излучения накачки на торцевую грань активного элемента [7].
Недостатком указанного устройства является недостаточная однородность распределения излучения накачки в активном элементе лазера, обусловленная формой пятна на торцевой грани активного элемента и неоднородным распределением интенсивности излучения в нем, которая приводит к сравнительно невысокому КПД такого лазера, в том случае, когда источник излучения накачки выполнен в виде нескольких лазерных диодных матриц.
Задача, решаемая изобретением, - повышение однородности распределения излучения накачки в активном элементе лазера и увеличение его КПД.
k1
k2
Указанная задача решается тем, что в твердотельном лазере с диодной накачкой, содержащем активный элемент, резонатор, образованный глухим и полупрозрачным зеркалами; источники излучения накачки на основе лазерных диодов, расположенные, по меньшей мере, с одной стороны торцевых противоположных граней активного элемента так, что направление формируемого ими пучка накачки ориентировано вдоль оси резонатора лазера, оптические средства для коллимирования излучения накачки и оптический элемент для фокусировки излучения накачки на торцевые грани активного элемента, упомянутый оптический элемент для фокусировки излучения накачки выполнен в виде призменного растра, состоящего из двух рядов оптических клиньев, последовательно расположенных по ходу распространения излучения накачки, при этом клинья каждого ряда расположены параллельно друг другу и ортогонально относительно клиньев другого ряда; преломляющие грани клиньев второго ряда обращены к активному элементу, а преломляющие грани клиньев первого ряда ориентированы в противоположном направлении; величины преломляющих углов θ, θ клиньев в каждом ряду уменьшаются в направлении от края ряда к его центру в соответствии с формулами:
k1
k2
k1
k2
1
2
где θ, θ - величины преломляющих углов клиньев в первом и втором ряду клиньев соответственно, h, h - расстояния от оси резонатора лазера до наиболее удаленной от оси резонатора грани k-ого клина в первом и втором ряду клиньев соответственно, f - фокусное расстояние оптического элемента для фокусировки излучения накачки на торцевые грани активного элемента, состоящего из двух рядов оптических клиньев, определяемое как расстояние между торцевой гранью активного элемента и средней плоскостью упомянутого оптического элемента, a, a - размеры лазерного пятна излучения накачки на торцевой грани активного элемента, соответствующие первому и второму ряду клиньев, n - показатель преломления клиньев.
В варианте технического решения источники излучения накачки состоят из лазерных диодных матриц.
В варианте технического решения источники излучения накачки состоят из лазерных диодных матриц, расположенных симметрично относительно оси резонатора лазера.
В варианте технического решения длина L и ширина b клиньев выбираются из условий:
x
y
где D, D - поперечные совокупные размеры пучков излучения накачки после прохождения средств коллимирования.
В варианте технического решения в оптическом элементе для фокусировки излучения на торцевые грани активного элемента образована сквозная полость.
В варианте технического решения клинья имеют одинаковую ширину.
В варианте технического решения клинья имеют различную ширину.
В варианте технического решения оптические средства для коллимирования излучения накачки выполнены в виде двух рядов последовательно и ортогонально расположенных цилиндрических микролинз.
В варианте технического решения активный элемент выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда.
r
Сущность изобретения заключается в выполнении оптического элемента, фокусирующего излучение накачки на торцевую грань активного элемента лазера, в виде призменного растра, состоящего из двух рядов оптических клиньев, причем геометрия клиньев и их взаимное расположение позволяет осуществить суммирование излучения накачки от всех лазерных диодных матриц и фокусировку суммарного излучения в пятно требуемого размера на торцевой грани активного элемента с «квазиплоским» распределением интенсивности I по поперечному сечению пятна (фиг.3).
L
Применение в качестве фокусирующего оптического элемента призменного растра в сочетании со световодными свойствами активного элемента прямоугольного сечения позволяет использовать явление полного внутреннего отражения от боковых граней стержня. Излучение накачки, попавшее в активный элемент (YAG-Nd) под углом, меньшим критического, остается «сфокусированным» на всей его длине, и активный элемент, выполненный в виде прямоугольного параллелепипеда, играет роль световода. Коэффициент пропускания такого световода η зависит от отношения апертуры к длине светопровода (a/L), от величины фокуса призменного растра f и от качества отражающей поверхности световода.
Критический угол падения излучения накачки на торец активной среды, при котором излучение накачки все еще будет распространяться вдоль световода, как это следует из фиг.4, определяется выражением:
1
2
где n и n - показатели преломления соответствующих сред.
Зная расположение диодных матриц (рис.5) и расходимость их излучения, можно определить оптимальный фокус призменного растра, при котором пятно в фокусе растра будет согласовано с апертурой поперечного сечения активного элемента. При этом падающее излучение будет распространяться по активному элементу как по световоду.
ак
пор
min
2
2
Для того чтобы полностью прокачать достаточно большую длину активного элемента (l=110-120 мм - максимально возможная длина стержня YAG-Nd с хорошим качеством оптических параметров), необходимо достичь эффекта насыщения (на длине 55-60 мм в рассматриваемом случае - при двухсторонней накачке). Предельная плотность энергии накачки, при которой отсутствует повреждение просветляющего покрытия активного элемента (лазерного стержня), достигает значения E=5…10 Дж/см. Если энергия импульса накачки от одной лазерной диодной матрицы равна 0,25 Дж, то максимальная суммарная энергия, например, от восьми матриц составит 2 Дж. Коэффициент пропускания призменного растра обычно равен 0,9. Из этих данных можно найти минимальное поперечное сечение стержня с квадратным поперечным сечением, которое можно использовать в этом случае: S=а×а≈4×4 мм. Следовательно, минимально возможное сечение световода, роль которого выполняет активный элемент, в нашем случае составляет 16 мм.
s
0
max
max
Зная интенсивность насыщения I и коэффициент линейного поглощения α среды активного элемента, можно найти максимальную длину активного элемента l при заданном сечении S или для заданной длины l найти максимальное сечение активного элемента S.
Таким образом, применение растр-световодной системы позволяет сочетать высокую интенсивность и пространственную однородность излучения накачки. Это дает возможность накачивать достаточно большие длины активной среды до нескольких десятков миллиметров. Кроме того, фокусировка в пятно заданного квадратного сечения частично устраняет нежелательное явление возникновения оптического пробоя, которое имеет место при фокусировке излучения накачки обычной линзой.
Изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг.1 иллюстрируется характер излучения, эмитируемого лазерным диодом, на фиг.2, 3 показано распределение интенсивности излучения в пятне, фокусируемом на торцевую грань активного элемента лазера с помощью линзы и призменного растра, на фиг.4 иллюстрируется расчет критического угла для явления полного внутреннего отражения, на фиг.5 иллюстрируется расчет геометрии клиньев призменного растра, на фиг.6 схематически показано расположение рядов клиньев, их положение относительно оси резонатора и взаимная геометрия четырех пучков излучения накачки, на фиг.7 показано расположение двух рядов клиньев относительно активного элемента, на фиг.8 схематически изображен заявляемый твердотельный лазер с расположением источников накачки с одной стороны торцевой грани активного элемента, на фиг.9 схематически изображен твердотельный лазер с расположением источников излучения накачки с противоположных торцевых граней активного элемента.
Твердотельный лазер с диодной накачкой (фиг.8) содержит активный элемент (стержень-световод) 1, резонатор, образованный глухим (полностью отражающим на длине волны генерируемого излучения) зеркалом 2 и выходным полупрозрачным на длине волны генерируемого излучения зеркалом 3; источники излучения накачки, выполненные, например, в виде четырех или восьми лазерных диодных матриц 4, расположенных в плоскости, перпендикулярной оси резонатора лазера, симметрично относительно оси резонатора, оптические средства для коллимирования излучения накачки, состоящие из двух рядов последовательно и ортогонально расположенных цилиндрических микролинз 5, и оптический элемент (призменный растр) 6 для фокусировки излучения накачки на торцевую грань активного элемента 1, состоящий из двух рядов оптических клиньев, расположенных соответственно по ходу распространения излучения накачки. Зеркало 2 расположено за плоскостью призменного растра 6, если смотреть со стороны активного элемента 1.
Первый и второй ряды клиньев 7 и 8 (рис.7) состоят соответственно из 2Р и 2Q оптических клиньев (Р и Q - целые числа), расположенных в каждом ряду 7 и 8 параллельно друг другу, при этом преломляющие грани 9 клиньев в ряду 7 обращены к зеркалу 2, а преломляющие грани 9 клиньев в ряду 8 обращены к активному элементу 1. Плоские грани 10 клиньев ряда 7 обращены к плоским граням 10 клиньев в ряду 8 так, что зазор между ними отсутствует, и среднюю плоскость А призменного растра можно определить как плоскость, проходящую через плоские грани клиньев в рядах 7 и 8. В центре рядов 7 и 8 соответствующие клинья отсутствуют, вследствие чего в призменном растре 6 образуется сквозная полость. В том случае, когда все клинья имеют одинаковую ширину b, размер указанной сквозной полости равен b×b. Таким образом, с каждой стороны от указанной сквозной полости располагаются по Р клиньев в ряду 7 и Q клиньев в ряду 8. Преломляющие грани 9 клиньев в каждом ряду 7 и 8 ориентированы в одном направлении, при этом направление ориентации клиньев в ряду 7 ортогонально направлению ориентации клиньев в ряду 8 (на фиг.7 в целях лучшего понимания геометрии клиньев ряды 7 и 8 разнесены друг от друга).
k1
k2
k1
k2
Оптические клинья представляют собой призмы с преломляющим углом θk (фиг.5). Для обеспечения фокусировки излучения накачки, выходящего из последнего ряда цилиндрических микролинз 5, на торцевую грань активного элемента 1 в пятно требуемого размера а×а с высокой плотностью мощности и «квазиплоским» распределением интенсивности по поперечному сечению активного элемента 1, клинья в рядах 7 и 8 ориентированы, как было отмечено выше, ортогонально относительно друг друга (например, клинья в ряду 7 ориентированы в горизонтальном направлении, а клинья в ряду 8 - в вертикальном направлении или наоборот) и выполнены с переменной величиной углов преломления θ, θ, так что указанные величины преломляющих углов θ, θ клиньев в каждом ряду уменьшаются в направлении от края ряда к его центру в соответствии с формулами (2) и (3):
k1
k2
k1
k2
1
2
где θ, θ - величины преломляющих углов клиньев в первом и втором ряду клиньев, соответственно, h, h - расстояния от оси резонатора лазера до наиболее удаленной от оси резонатора грани k-ого клина в первом и втором ряду клиньев соответственно, f - фокусное расстояние оптического элемента для фокусировки излучения накачки на торцевые грани активного элемента, состоящего из двух рядов оптических клиньев, определяемое как расстояние между торцевой гранью активного элемента и средней плоскостью упомянутого оптического элемента, a, а - размеры лазерного пятна.
В результате преломляющие грани 6 клиньев образуют многогранную поверхность, огибающая которой по форме близка к цилиндрической поверхности.
Ширина b клиньев выбирается существенно меньшей длины клиньев L, которая, в свою очередь, выбирается из условия
x
y
x
y
где D, D - поперечные совокупные размеры пучков излучения накачки после прохождения средств коллимирования. Клинья могут иметь как одинаковую, так и различную ширину, что позволяет варьировать форму лазерного пятна на торцевой грани активного элемента, согласуя ее с формой поперечного сечения активного элемента. При этом все клинья в каждом ряду имеют одинаковую ширину, но в общем случае отличную от ширины клиньев в другом ряду, например b и b.
Количество клиньев в каждом ряду 7 и 8 определяется требуемым размером пятна изображения на торцевой грани активного элемента 1 и максимально возможной плотностью мощности излучения накачки. В общем случае число Р не равно Q, что связано с различными размерами излучающей области диодной матрицы по двум ортогональным осям.
x
y
Твердотельный лазер с диодной накачкой работает следующим образом. Излучение лазерных диодных матриц 4 коллимируется посредством двух рядов цилиндрических микролинз 5 в двух перпендикулярных плоскостях и имеет после них форму прямоугольного растра, образованного совокупностью лазерных пятен, излученных диодными матрицами 4, с размерами D и D. Затем посредством оптических клиньев в рядах 7 и 8 осуществляется суммирование излучения накачки от всех лазерных диодных матриц 4 и фокусировка суммарного излучения в пятно, имеющее, например, форму квадрата с размерами b×b, согласованного с размерами а×а торцевой грани активного элемента 1. За счет преломления лучей в каждом клине в двух ортогональных плоскостях указанное пятно имеет «квазиплоское» распределение интенсивности излучения. Такой характер распределения интенсивности минимизирует вероятность разрушения просветляющего покрытия торцевой грани активного элемента при достижении наиболее однородной и наиболее высокой плотности мощности излучения накачки.
Возбуждаемое в активном элементе 1 излучение усиливается резонатором при отражении от зеркал 2 и 3 до уровня генерации. Наличие в рядах клиньев 7 и 8 сквозной полости исключает потери при прохождении излучения между зеркалами 2 и 3 и увеличивает эффективность работы заявляемого лазера.
Существенное повышение выходной мощности лазерного излучения реализуется при использовании схемы твердотельного лазера с двумя источниками излучения накачки (фиг.9), когда излучение накачки вводится в активный элемент через две противоположные торцевые грани активного элемента.
Таким образом, выполнение в заявляемом твердотельном лазере фокусирующего оптического элемента в виде двух рядов оптических клиньев с определенной геометрией и взаимным расположением согласно изобретению позволяет сформировать на торцевой грани активного элемента пятно требуемой формы с «квазиплоским» распределением интенсивности излучения, что приводит к повышению однородности поперечного и продольного распределения излучения накачки в активном элементе, и, как следствие, к увеличению мощности лазерного излучения, генерируемого твердотельным лазером, и его КПД.
Кроме того, реализация в заявляемом лазере однородного распределения излучения накачки в активном элементе позволяет применить более эффективную систему охлаждения активного элемента по сравнению со случаем поперечной накачки, за счет использования жидкостного хладагента, находящегося в непосредственном контакте с активным элементом по наиболее большой из возможных площадей соприкосновения, равной площади боковых граней активного элемента.
Использованная литература
1. Патент РФ 2200361, МКИ 7 H01S 3/0933, 2002 г.
2. Патент США 5802092, НКИ 372/50, 1998 г.
3. Патент США 5541951, НКИ 372/101, 1996 г.
4. Патент США 5243619, НКИ 372/97, 1993 г.
5. Патент США 6700709, НКИ 359/641, 2004 г.
6. Патент США 6377410, НКИ 359/837, 2002 г.
7. Патент США 5139609, НКИ 156/643, 1992 г. (прототип).