МИНИАТЮРНЫЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР С ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ

Полезная модель относится к области лазерной техники, в частности к твердотельным лазерам с диодной накачкой, и может быть использована в приборостроении при создании малогабаритных лазерных устройств с высокой средней мощностью излучения.
К миниатюрным лазерам с непрерывным режимом работы без принудительного охлаждения с установкой на теплоотводящий корпус и с высокой средней мощностью излучения предъявляются повышенные требования в части эффективности преобразования мощности накачки в полезное излучение генерации в широком температурном рабочем диапазоне, которые обеспечиваются конструкцией лазера, оптимизацией параметров диодов накачки, активной среды и зеркал резонатора. Столь же важны оптимальные теплообменные характеристики элементов конструкции лазера, благодаря которым происходит отвод тепла от лазерного диода накачки и активного элемента.
Известен твердотельный лазер с накачкой лазерными диодами [1], включающий микрохолодильник, на теплопроводящей пластине которого установлены три лазерных диода накачки, пучки излучения которых, преобразованные цилиндрическими линзами, с помощью трапецеидальной призмы собираются в три параллельных пучка, фокусируемых с помощью астигматической линзы в активный элемент. Последовательно за активным элементом установлено выходное зеркало резонатора. На входном торце активного элемента нанесено входное зеркало резонатора в виде комбинированного покрытия, отражающее на рабочей длине волны лазера и пропускающее на длине волны лазерных диодов.
Предложенная в [1] конструкция твердотельного лазера с накачкой лазерными диодами позволяет увеличить выходную мощность лазера, улучшить пространственное распределение лазерного пучка при более низком пороге генерации.
В то же время недостатками [1] являются:
- применение технологически сложных в изготовлении и юстировке оптических элементов: цилиндрических и астигматической линз, трапецеидальной призмы,
- увеличенные габариты и усложненная конструкция лазера.
Известен квазитрехуровневый твердотельный лазер [2], содержащий лазерный диод для продольной накачки, устройство фокусировки излучения лазерного диода в активный элемент и резонатор лазера. Активный элемент выполнен с возможностью обеспечения четного числа проходов излучения накачки через него.
Лазер [2] содержит датчик температуры лазерного диода, блок термостабилизации, а также электрически с ними связанный блок управления током и температурой лазерного диода, позволяющий одновременно изменять его ток и температуру. Этим обеспечивается совпадение длины волны излучения накачки с центром линии поглощения активного элемента лазера.
Лазер [2] дополнительно содержит устройство оптической развязки, установленное между лазерным диодом и активным элементом и выполненное в виде либо 45-градусной ячейки Фарадея на длину волны излучения лазерного диода, либо поляризатора и четвертьволновой пластинки, последовательно установленных на оси распространения излучения лазерного диода. Оно служит для предотвращения попадания отраженного излучения накачки в лазерный диод.
Указанные дополнительные устройства позволили, как следует из [2], решить техническую задачу повышения надежности лазера, увеличения ресурса его работы и повышения средней мощности излучения.
Однако это достигнуто за счет значительного усложнения конструкции лазера путем введения в нее дополнительных оптических и электронных устройств, увеличения его массы и габаритов, что является существенным недостатком [2].
4
3+
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству (прототип) является коротковолновый микролазер (λ=914 нм) на кристалле YVO:Nd [3], содержащий лазерный диод накачки с волоконным выходом и последовательно установленные за торцом волокна объектив, обеспечивающий фокусировку излучения накачки, и активный элемент с резонатором, выполненный в виде диска, плоские торцы которого перпендикулярны оптической оси объектива.
Входное и выходное зеркала резонатора выполнены в виде отражающих диэлектрических покрытий, нанесенных непосредственно на плоских торцах активного элемента, при этом на входном торце нанесено покрытие, полностью отражающее на длине волны генерации и полностью пропускающее на длине волны накачки, а на выходном торце - полностью отражающее на длине волны накачки для второго прохода и частично пропускающее на длине волны генерации.
Диодная накачка микролазера производства фирмы «APhS GmH» с волокном (диаметр сердцевины 100 мкм, числовая апертура sin U=0,22) имеет длину волны излучения 808 нм и обеспечивает мощность до 2,5 Вт. Волоконный выход излучения лазерного диода, выполненный средствами и технологией интегральной оптики, обеспечивает герметичность и значительно упрощает конструкцию лазера (отпадает необходимость в цилиндрических и астигматических линзах), улучшает качество пучка излучения накачки, преобразуя пучок в форму осесимметричного конуса с перетяжкой на выходном торце волокна, и повышает равномерность распределения мощности по поперечному сечению пучка. Наличие волокна также защищает эмиттер лазерного диода от обратного излучения и позволяет размещать диод накачки в любом удобном месте внутри прибора на массивной теплоотводящей стенке корпуса, обеспечив его оптимальное конвективное охлаждение.
Для фокусировки излучения накачки в активный элемент использован трехлинзовый объектив, трансформирующий изображение торца волокна в пятно накачки диаметром 60 мкм.
4
3+
Кристалл активного элемента YVO:Nd выполнен в виде диска длиной 0,5 мм и диаметром 4 мм. Для повышения эффективности продольной накачки реализована двухпроходная схема: покрытие выходного зеркала резонатора полностью отражает излучение накачки (λ=808 нм) в активный элемент для второго прохода и пропускает излучение генерации (λ=914, 1064 и 1340 нм). Для этой же цели в прототипе [3] решена технически непростая задача создания входного зеркала резонатора с малой разницей длин волн генерации лазера и накачки (Δλ~100 нм) в виде многослойного диэлектрического покрытия с переменными параметрами.
Однако следует отметить и некоторые недостатки прототипа [3]:
- падение мощности излучения генерации при изменении температуры окружающей среды;
- возможные термические деформации активного элемента [4].
Падение мощности излучения генерации при изменении температуры окружающей среды связано с тремя факторами:
1. Лазерный диод испытывает сильный саморазогрев от собственного электропитания (КПД преобразования электрической мощности в излучение ~50%), это вызывает падение мощности излучения, особенно заметное при высокой температуре окружающей среды. При работе в области отрицательных температур многие лазерные диоды также снижают мощность излучения, но менее заметно.
4
3+
2. Спектральная полуширина полосы поглощения ионов неодима в кристалле ванадата иттрия YVO:Nd составляет в области излучения накачки (λ=808 нм) по данным [5] не более 20 нм. При изменении температуры корпуса лазерного диода среднее изменение длины волны его излучения равно 0,3 нм/град., что соответствует диапазону изменения температуры корпуса менее 70 град. При смещении длины волны излучения накачки на край полосы поглощения ионов неодима также происходит падение мощности излучения генерации.
4
3+
3. Активный элемент разогревается излучением лазерного диода накачки, т.к эффективность его преобразования в излучение генерации составляет ~50%, это приводит вследствие относительно малой теплопроводности кристалла ванадата иттрия YVO:Nd к градиенту температуры в плоскости сечения, перпендикулярной направлению накачки, появлению тепловой линзы и двулучепреломления, термической деформации активного элемента и, как следствие, падению мощности и ухудшению параметров лазерного пучка (увеличение расходимости, «провал» плотности мощности на оси пучка), а при недостаточно хорошем теплоотводе от активного элемента может привести даже к разрушению кристалла [4].
Совместное влияние указанных негативных факторов резко снижает мощность излучения генерации, иногда до нулевого уровня, на краях рабочего температурного диапазона лазера, который для практических целей часто составляет от -40°C до +60°C.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое устройство, заключается в создании миниатюрного твердотельного лазера с диодной накачкой, обладающего повышенной средней мощностью излучения в широком диапазоне рабочих температур при высокой эффективности преобразования мощности накачки в полезное излучение генерации, лучшим тепловым режимом работы, долговечностью и надежностью, высокой технологичностью и простотой конструкции по сравнению с прототипом.
Предложен миниатюрный твердотельный лазер, содержащий лазерный диод накачки с волоконным выходом и последовательно установленные за выходным торцом волокна объектив, обеспечивающий фокусировку излучения накачки, и активный элемент с резонатором, выполненный в виде диска, плоские торцы которого перпендикулярны оптической оси объектива.
Входное и выходное зеркала резонатора выполнены в виде отражающих диэлектрических покрытий непосредственно на плоских торцах активного элемента, при этом на входном торце нанесено покрытие, полностью отражающее на длине волны генерации и полностью пропускающее на длине волны накачки, а на выходном торце - полностью отражающее на длине волны накачки для второго прохода и частично пропускающее на длине волны генерации.
Лазер отличается от прототипа тем, что объектив выполнен в виде одиночной короткофокусной линзы.
Активный элемент установлен с поперечным смещением относительно оптической оси объектива и возможностью вращения вокруг собственной оси.
На плоских торцах активного элемента расположены кольцеобразные прокладки из теплопроводящего эластичного материала.
Активный элемент выполнен из кристалла алюмо-иттриевого граната, активированного ионами иттербия.
Одна или обе рабочие поверхности линзы объектива выполнены асферическими.
Выполнение объектива в виде одиночной линзы с минимально возможным фокусным расстоянием позволяет упростить конструкцию и технологию сборки лазера, до минимума сократить продольный габарит лазера, расширяет диапазон изменения увеличения объектива в процессе фокусировки излучения в активный элемент при его минимальных продольных смещениях. Правильный выбор увеличения и связанных с ним параметров: положения плоскости фокусировки, входной числовой апертуры пучка и формируемого размера перетяжки внутри активного элемента обеспечивает заметное повышение мощности генерации лазера.
Установка активного элемента с поперечным смещением относительно оптической оси объектива увеличивает надежность и долговечность лазера по сравнению с прототипом. В случае местного повреждения кристалла внутри или на его поверхности из-за «острой» фокусировки непрерывного излучения большой мощности можно легко отремонтировать лазер, просто повернув активный элемент вокруг собственной оси.
Расположение на торцах активного элемента кольцеобразных прокладок из теплопроводящего эластичного материала решает задачу улучшения теплоотвода от активного элемента. Прокладки устанавливаются таким образом, чтобы тепловой контакт кристалла с массивным теплоотводящим корпусом был максимальным, при этом диаметр отверстия в прокладке выполнен минимально возможным для увеличения площади теплового контакта кристалла с корпусом и равномерного по всем направлениям отвода тепла от прокачиваемого объема кристалла для уменьшения градиента температуры. Этим достигается уменьшение термических деформаций поверхности кристалла, ослабления оптической силы наведенной внутри него тепловой линзы или двулучепреломления, и как следствие, увеличение мощности и улучшение качества пучка генерируемого излучения.
3+
3+
Решению этой же задачи служит и выбор материала для активного элемента. В предложенном устройстве активный элемент для генерации излучения в области 1,03…1,05 мкм выполнен из кристалла алюмоиттриевого граната YAG:Yb, активированного ионами иттербия. Его паразитное тепловыделение вследствие более низкого квантового дефекта значительно меньше, чем у кристаллов, активированных ионами неодима [5]. В ионах иттербия отсутствуют также потери на поглощение из возбужденного состояния, которые ярко выражены для ионов неодима. Кроме того, как известно из справочников, кристалл YAG:Yb обладает по сравнению с материалом прототипа вдвое большей теплопроводностью:
4
3+
- YVO:Nd~5 Bт/(м·К),
3+
- YAG:Yb~10 Вт/(м·К).
3+
3+
3+
4
Кристалл YAG:Yb, кроме низкого квантового дефекта и лучшей теплопроводности, обладает и более широкой спектральной полосой поглощения излучения накачки по сравнению с YVO:Nd. При двухпроходной схеме накачки кристалл YAG:Yb хорошо поглощает излучение [6] в спектральном диапазоне от 912 до 950 нм (Δλ=38 нм). Это обеспечивает при выборе диода накачки с λ=940 нм в нормальных условиях значительное расширение (до 110 град.) диапазона рабочих температур лазера без принудительного охлаждения по сравнению с прототипом.
Выполнение одной или обеих рабочих поверхностей линзы объектива асферическими обеспечивает минимизацию сферической аберрации объектива.
Таким образом, предложенная полезная модель позволяет решить задачу создания миниатюрного твердотельного лазера с диодной накачкой, обладающего повышенной средней мощностью излучения в широком диапазоне рабочих температур при высокой эффективности преобразования мощности накачки в полезное излучение генерации, лучшим тепловым режимом работы, долговечностью и надежностью, высокой технологичностью и простотой конструкции.
Авторам не известны миниатюрные твердотельные лазеры, обладающие сходными признаками, отличающими предлагаемое устройство от прототипа, поэтому данное устройство обладает новизной.
Сущность предложенной полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена схема лазера.
Миниатюрный твердотельный лазер включает в себя лазерный диод накачки 1 с волоконным выходом в виде многомодового оптического волокна 2 с коннектором и последовательно установленные за выходным торцом 3 волокна объектив 4, обеспечивающий (фокусировку излучения накачки из плоскости торца 3 волокна, и активный элемент 5 с резонатором, выполненный в виде диска, плоские торцы которого перпендикулярны оптической оси объектива 4.
Входное 6 и выходное 7 зеркала резонатора выполнены в виде отражающих диэлектрических покрытий непосредственно на плоских боковых торцах активного элемента 5, при этом на входном торце нанесено покрытие, полностью отражающее на длине волны генерации λ=1030…1050 нм и полностью пропускающее на длине волны накачки λ=915…950 нм, а на выходном торце - покрытие, полностью отражающее на длине волны накачки для второго прохода и частично пропускающее на длине волны генерации.
Объектив 4 выполнен в виде одиночной короткофокусной линзы.
Активный элемент 5 установлен с поперечным смещением А относительно оптической оси 8 объектива 4 и возможностью вращения вокруг собственной оси 9.
На плоских торцах активного элемента 5 расположены кольцеобразные прокладки 10 из теплопроводящего эластичного материала для обеспечения теплового контакта активного элемента 5 с теплоотводящим корпусом 11.
Активный элемент 5 выполнен из кристалла алюмо-иттриевого граната, активированного ионами иттербия.
Одна или обе рабочие поверхности линзы объектива 4 выполнены асферическими, что обеспечивает минимизацию его сферической аберрации.
Использование в объективе 4 одиночной линзы с минимально возможным фокусным расстоянием позволяет упростить конструкцию и технологию сборки лазера, до минимума сократить продольный габарит лазера, расширяет диапазон изменения увеличения объектива 4 в процессе фокусировки излучения в активный элемент 5 при его минимальных продольных смещениях. Правильный выбор увеличения и связанных с ним параметров: положения плоскости фокусировки, входной числовой апертуры пучка и формируемого размера перетяжки внутри активного элемента 5 обеспечивает заметное повышение мощности генерации лазера.
Установка активного элемента 5 с поперечным смещением А относительно оптической оси 8 объектива 4 увеличивает надежность и долговечность лазера. В случае местного повреждения кристалла внутри или на его поверхности из-за «острой» фокусировки непрерывного излучения большой мощности можно легко отремонтировать лазер, просто повернув активный элемент 5 вокруг собственной оси 9.
Расположение на боковых поверхностях активного элемента 5 кольцеобразных прокладок 10 из теплопроводящего эластичного материала решает задачу улучшения теплоотвода от активного элемента 5. Прокладки 10 устанавливаются таким образом, чтобы тепловой контакт кристалла с массивным теплоотводящим корпусом 11 был максимальным, при этом диаметр отверстия в прокладке 10 выполнен минимально возможным для увеличения площади теплового контакта кристалла с корпусом 11 и равномерного по всем направлениям отвода тепла от прокачиваемого объема кристалла для уменьшения градиента температуры. Этим достигается уменьшение термических деформаций поверхности кристалла, ослабления оптической силы наведенной внутри него тепловой линзы или двулучепреломления, и как следствие, увеличение мощности и улучшение качества пучка генерируемого излучения.
3+
3+
Решению этой же задачи служит и выбор материала для активного элемента 5. В предложенном устройстве активный элемент 5 для генерации излучения в области 1,03…1,05 мкм выполнен из кристалла алюмоиттриевого граната YAG:Yb, активированного ионами иттербия. Его паразитное тепловыделение вследствие более низкого квантового дефекта [5] значительно меньше, чем у кристаллов, активированных ионами неодима. В ионах иттербия отсутствуют также потери на поглощение из возбужденного состояния, которые ярко выражены для ионов неодима. Кроме того, как известно из справочников, кристалл YAG:Yb обладает по сравнению с материалом прототипа вдвое большей теплопроводностью:
4
3+
- YVO:Nd~5 Bт/(м·К),
3+
- YAG:Yb~10 Вт/(м·К).
3+
3+
3+
4
Кристалл YAG:Yb, кроме низкого квантового дефекта и лучшей теплопроводности, обладает и более широкой спектральной полосой поглощения излучения накачки по сравнению с YVO:Nd. При двухпроходной схеме накачки кристалл YAG:Yb хорошо поглощает излучение [6] в спектральном диапазоне от 912 до 950 нм (Δλ=38 нм). Это обеспечивает при выборе диода накачки с λ=940 нм в нормальных условиях значительное расширение (до 110 град.) диапазона рабочих температур лазера без принудительного охлаждения.
Миниатюрный твердотельный лазер работает следующим образом.
Лазерный диод 1 при подаче электропитания генерирует непрерывное излучение накачки с длиной волны в нормальных условиях λ=940 нм, которое распространяется практически без потерь по многомодовому оптическому волокну 2 и выходит из торца 3 волокна в виде осесимметричного конуса с перетяжкой на торце диаметром 100 мкм и числовой апертурой sin U=0,15, после чего фокусируется объективом 4 внутри активного элемента 5, без потерь проходя сквозь покрытие 6 входного зеркала резонатора, полностью пропускающее на длине волны накачки λ=915…950 нм.
При напряжении питания 1,6 В…2 В и изменении тока накачки от 4 А до 8 А мощность излучения накачки в нормальных условиях практически линейно возрастает от 3 Вт до 6,5 Вт [6], несколько уменьшаясь при высоких температурах и возрастая при низких.
3+
2
Активный элемент 5 выполнен в виде диска длиной по оси 1,75 мм и диаметром 5 мм, плоские торцы которого перпендикулярны оптической оси объектива 4. В прокачиваемом объеме кристалла излучение накачки поглощается ионами активатора Yb, вызывая генерацию излучения на длине волны 1,03 мкм, которое частично выходит вдоль оси активного элемента 5 через покрытие выходного зеркала 7 резонатора. Не поглощенное за первый проход излучение накачки полностью отражается от покрытия выходного зеркала 7 и поглощается на втором проходе, повышая суммарную мощность генерации на ~25%. При токе лазерного диода в 5А мощность генерируемого лазером непрерывного излучения достигает 2,2 Вт, при этом параметр качества пучка М близок к 1.
Объектив 4 выполнен в виде одиночной линзы. Одна или обе рабочие поверхности линзы объектива 4, выполненные асферическими, обеспечивают минимизацию его сферической аберрации.
Использование в объективе 4 одиночной линзы с минимально возможным фокусным расстоянием, например, F'=2 мм, упрощает конструкцию и технологию сборки лазера, до минимума сокращает его продольный габарит.
Выбор поперечного увеличения объектива V=-0,6 крат и соответственно задней числовой апертуры пучка sin U'=0,25 с учетом остаточной сферической аберрации объектива 4 обеспечивает в плоскости фокусировки внутри активного элемента 5 формирование перетяжки диаметром ~100 мкм, оптимальную конфигурацию прокачиваемого объема кристалла при двухпроходной схеме и заметно повышает мощность генерации лазера.
Активный элемент 5 установлен с поперечным смещением А=0,4 мм относительно оптической оси 8 объектива 4 и возможностью вращения вокруг собственной оси 9.
Кольцеобразные прокладки 10 из теплопроводящего эластичного материала, расположенные на плоских торцах активного элемента 5 обеспечивают тепловой контакт активного элемента с теплоотводящим корпусом 11, при этом диаметр отверстия в прокладке 10, выполненный минимально возможным, увеличивает площадь теплового контакта и равномерный по всем направлениям отвод тепла от прокачиваемого объема кристалла, уменьшая градиент температуры.
3+
Активный элемент 5 выполнен из кристалла алюмо-иттриевого граната, активированного ионами иттербия, YAG:Yb для генерации излучения в области 1,03…1,05 мкм. Благодаря хорошим теплофизическим свойствам данного кристалла достигается высокая мощность непрерывного излучения генерации в широком температурном диапазоне.
Источники информации:
1. Патент RU 74011 U1, МПК HolS 3/094, публ. 2006 г.
2. Патент RU 2360341 C2, МПК H01S 3/16, публ. 2009 г.
4
3+
3. В.А.Сычугов, В.А.Михайлов и др. «Коротковолновый (λ=914 нм) микролазер на кристалле YVO:Nd», «Квантовая электроника», 30, №1 (2000) - прототип.
4
4. В.В.Кийко, Е.Н.Офицеров, «Исследование термооптических искажений активного элемента (Nd:YVO) при различных способах его крепления», «Квантовая электроника», 36, №5 (2006).
5. «Справочник по лазерам» под ред. А.М.Прохорова, М., «Сов. радио», 1978.
6. Отчет о НИР "Макет иттербиевого лазера с диодной накачкой" (научн. рук. Н.В.Кулешов). - БНТУ. 2008.12. № ГР 20081369.