МОНОИМПУЛЬСНЫЙ Nd:YAG ЛАЗЕР С ПОПЕРЕЧНОЙ ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ

Полезная модель относится к области лазерной техники, а именно, к твердотельным лазерам с диодной накачкой, и может найти применение в системах лазерной локации, ночного видения, передачи информации, а также для обработки материалов.
Для получения излучения высокой мощности в твердотельных лазерах используют моноимпульсный режим генерации. Однако при увеличении энергии накачки происходит ограничение роста выходной энергии излучения и коэффициента усиления активной среды. Это явление в значительной мере обусловлено развитием суперлюминесценции и генерации при многократном отражении излучения от боковых поверхностей активного элемента и поверхностей отражателя системы накачки. В твердотельных лазерах с поперечной диодной накачкой отражение излучения происходит так же и от выходных зеркал лазерных диодов или линеек, которые, как правило, располагаются вблизи боковой поверхности активного элемента. Компактность твердотельных лазеров с поперечной диодной накачкой облегчает возникновение суперлюминесценции и генерации в поперечном направлении и, следовательно, еще быстрее ограничивает рост выходной энергии излучения лазера, работающего в моноимпульсном режиме. Увеличение энергии излучения лазера, работающего в моноимпульсном режиме, достигается путем ухудшения условий для формирования излучения суперлюминесценции в направлении, перпендикулярном оси резонатора. Для ухудшения условий формирования излучения суперлюминесценции с участием элементов системы накачки осуществляют их экранирование от активного элемента соответствующими светофильтрами, а с участием активного элемента - специальной обработкой его боковой поверхности.
Известен лазер [1] с ламповой накачкой активного элемента, изготовленного из Nd:YAG кристалла в виде цилиндра, на боковую поверхность которого нанесена метрическая резьба с шагом 0,3 мм. Такая обработка боковой поверхности активного элемента позволила почти в два раза увеличить энергию моноимпульса лазерного излучения по сравнению с обработкой, обеспечивающей получение матированной боковой поверхности активного элемента.
Основной причиной, препятствующей достижению указанных ниже технических результатов, является невозможность эффективного использования активного элемента, на боковую поверхность которого нанесена метрическая резьба, в компактных твердотельных лазерах с боковой диодной накачкой. Это связано с тем, что в данных лазерах для эффективного охлаждения активного элемента необходимо обеспечить хороший тепловой контакт активного элемента с охлаждающим основанием, который осуществляется с помощью клея с хорошей теплопроводностью. Однако, клей, заполняя резьбовые неровности боковой поверхности активного элемента, улучшает условия возникновения суперлюминесценции и паразитной генерации, которые ограничивают энергию моноимпульса лазерного излучения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели и выбранным за прототип является твердотельный лазер с поперечной диодной накачкой [2], активный элемент которого, выполненный в виде цилиндра, прикрепленного за боковую поверхность к охлаждаемому основанию с помощью клеящего состава, накачивается двумя диодными линейками.
К основной причине, препятствующей достижению указанных ниже технических результатов при использовании прототипа, является ограничение роста выходной энергии излучения и коэффициента усиления активной среды при увеличении энергии накачки, так как боковая поверхность активного элемента и поверхности системы накачки способствуют возникновению суперлюминисценции и паразитной генерации в направлении перпендикулярной оси резонатора.
Технической задачей полезной модели является создание Nd:YAG лазера с поперечной диодной накачкой, обеспечивающего эффективную генерацию моноимпульсного излучения путем ухудшения условий для формирования излучения суперлюминесценции и паразитной генерации в направлении перпендикулярном оси резонатора за счет использования клеящего слоя.
Поставленная техническая задача решается тем, что в моноимпульсном Nd:YAG лазере с поперечной диодной накачкой, включающем твердотельный активный элемент, закрепленный на охлаждающем основании, и оптический затвор, помещенные в резонатор, образованный двумя зеркалами, одно из которых полностью, а второе частично отражает лазерное излучение, и устройство диодной накачки в виде лазерных диодных линеек, закрепленных вместе с охлаждающим основанием на механическом держателе, твердотельный активный элемент закреплен на охлаждающем основании клеящим слоем, толщина которого, задаваемая соотношением внутреннего диаметра охлаждающего основания и диаметра твердотельного активного элемента, составляет 150-210 мкм.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг.1 изображена схема лазера с поперечной диодной накачкой, а на фиг.2 - изометрическое изображение механического держателя с активным элементом и диодными линейками, где:
1 - твердотельный активный элемент;
2 - охлаждающее основание;
3 - клеящий слой;
4 - механический держатель;
5 - лазерные диодные линейки;
6 - оптический затвор;
7, 8 - зеркало резонатора;
h - толщина.
На фиг.3 показано поперечное сечение зондирующего пучка излучения на длине волны генерации, прошедшего через трехслойный элемент, имитирующий охлаждающее основание и твердотельный активный элемент прототипа.
На фиг.4 показано поперечное сечение зондирующего пучка излучения на длине волны генерации, прошедшего через трехслойный элемент, имитирующий охлаждающее основание и твердотельный активный элемент предлагаемой полезной модели.
Предлагаемая (фиг.1, 2) полезная модель состоит из резонатора, образованного зеркалами 7, 8, внутрь которого помещены оптический затвор 6 и твердотельный активный элемент 1, закрепленный на охлаждающем основании 2 с помощью клеящего слоя 3 толщиной h, которое, в свою очередь, закреплено на механическом держателе 4, к которому также крепятся лазерные диодные линейки 5 для накачки твердотельного активного элемента.
Твердотельный активный элемент 1 лазера изготовлен из кристалла Nd:YAG в форме цилиндра с матированной боковой поверхностью, торцевые поверхности которого просветлены на длину волны генерации 1,064 мкм. Охлаждающее основание 2 изготовлено из сапфира в виде трубки с внутренним диаметром (позиция не указана) на 300-420 мкм больше диаметра (позиция не указана) твердотельного активного элемента. Твердотельный активный элемент 1 крепится внутри охлаждающего основания с помощью клеящего слоя 3, толщина h которого задается соотношением внутреннего диаметра охлаждающего основания 2 и диаметра твердотельного активного элемента 1 и составляет 150-210 мкм, что обеспечивает необходимое ухудшение условий для формирования излучения суперлюминесценции и паразитной генерации в направлении перпендикулярном оси резонатора. Охлаждающее основание 2, в свою очередь, крепится на механический держатель 4, к которому также крепятся лазерные диодные линейки 5, осуществляющие накачку твердотельного активного элемента 1. Твердотельный активный элемент 1 на механическом держателе 4 и оптический затвор 6 помещены в резонатор лазера, образованный двумя зеркалами 7 и 8, одно из которых полностью, а второе частично отражает лазерное излучение.
Сущность работы моноимпульсного Nd:YAG лазера с поперечной диодной накачкой заключается в следующем. Лазерные диодные линейки 5 генерируют излучение, которое через боковые поверхности охлаждающего основания 2, клеящий слой 3 и боковые поверхности твердотельного активного элемента 1 попадает внутрь твердотельного активного элемента. Под воздействием излучения лазерных диодных линеек 5 (излучения накачки) в лазере, резонатор которого образован зеркалами 7, 8 и, кроме твердотельного активного элемента 1, содержит также оптический затвор 6, возникает генерация моноимпульсного излучения. Благодаря наличию клеящего слоя 3 толщиной h=150-210 мкм, излучение на длине волны генерации, распространяющееся в направлении, перпендикулярном оси резонатора лазера, претерпевает значительное рассеяние (фиг.3, 4) при выходе из твердотельного активного элемента, что ухудшает условия для формирования излучения суперлюминесценции и паразитной генерации в этом направлении, обеспечивая тем самым эффективную генерацию моноимпульсного излучения.
Для проверки работы предлагаемой полезной модели создан и опробован моноимпульсный Nd:YAG лазер с твердотельным активным элементом цилиндрической формы длинной 50 мм и диаметром 5 мм, накачиваемый тремя лазерными диодными линейками. Лазерные диодные линейки работали в импульсном режиме с длительностью импульса 200 мкс и частотой следования до 30 Гц. Максимальная энергия импульса накачки составила 600 мДж. В ходе испытания полезной модели исследовались характеристики моноимпульсного режима генерации при креплении твердотельного активного элемента к охлаждаемому основанию клеящим слоем толщиной h=165 мкм. Исследования показали, что в случае использования клеящего слоя происходит увеличение энергии моноимпульса излучения на 43%.
Источники информации, принятые во внимание
1 Батище С.А., Малевич Н.А., Мостовников В.А., Малышев П.И. - ЖПС, 1985, т.43, №4, С.576-579.
2 Патент US 5140607, 18.08.1992