Активный элемент дискового лазера с системой охлаждения
ACTIVE ELEMENT OF A DISK LASER WITH A COOLING SYSTEM

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в дисковых лазерах с высоким уровнем тепловой нагрузки на оптических элементах.
Недостатком существующих активных элементов дискового лазера является значительный перепад температуры в плоскости оптического элемента, вызванный неоднородным тепловыделением в нем. Тепловыделение обусловлено прохождением излучения, часть которого поглощается и переходит в тепло. Эти поперечные градиенты температуры приводят к радиальной зависимости всех характеристик, зависящих от температуры, а также к возникновению механических напряжений. В результате возникают искажения волнового фронта проходящего излучения («тепловая линза») и появляется дополнительное линейное двулучепреломление (фотоупругий эффект). А высокое значение механических напряжений приводит к растрескиванию элемента (т.н. «термошок»).
Тепловые эффекты, появляющиеся при проходе излучения с субкиловаттной средней мощностью через оптические элементы дискового лазера, ухудшают характеристики устройства и качество пучка. Уменьшается эффективность прибора, растут поляризационные и фазовые потери. Наибольший вклад в поляризационные искажения мощного лазерного пучка вносит так называемая термонаведенная деполяризация, обусловленная фотоупругим эффектом. (А.В. Мезенов, Л.Н. Сомс, А.И. Степанов, Термооптика твердотельных лазеров (Машиностроение, 1986)).
Из уровня техники известны конструкции активных элементов дисковых лазеров с системой охлаждения (патент РФ № RU 2582909 МПК H01S 5/04, H01S 3/094 публ. 27.04.2016; патент РФ № RU 2517963 МПК H01S 3/0941, H01S 3/08 публ. 10.06.2014; патент США № US 6577666 МПК H01S 3/094 публ. 15.11.2001; патент США № US 6891874 МПК H01S 3/06 публ. 06.02.2003 и др.). Недостатками этих конструкций являются большой перепад температуры по радиусу дискового активного элемента, который может привести к термошоку, и высокий уровень термонаведенных искажений (фазовых и поляризационных) при работе с мощным лазерным излучением, которые ухудшают качество проходящего излучения и свойства дискового лазера.
3+
2
2
2
Конструкция активного элемента дискового лазера подробно описана в патенте РФ № RU 2439761, МПК H01S 3/06, публ. 10.01.2012. На противоположные стороны активной среды в форме диска нанесены просветляющее покрытие и высокоотражающее покрытие, представляющее собой комбинацию многослойного диэлектрического покрытия и металлических покрытий, обеспечивающую заданные параметры. Такой активный элемент через буферный слой присоединяется к теплоотводящему основанию, которое, в свою очередь, присоединяется к охлаждающему радиатору. В аналоге активная среда выполнена в форме кристаллического диска с диаметром 12 мм, толщиной 200 мкм и концентрацией ионов Yb 15%. Просветляющее покрытие представляет собой четвертьволновый слой MgF. Высокоотражающее покрытие, нанесенное на заднюю сторону диска, представляет собой многослойное диэлектрическое покрытие, состоящее из слоев SiO и ZrO, на которое нанесено покрытие из Ag, защищенное покрытием из Cr. Кристаллический диск с указанными покрытиями соединяется с теплоотводящим основанием, изготовленным из меди (Cu), после нанесения на соединяемые поверхности слоя индия (In) посредством холодной диффузионной сварки.
Недостатками устройства аналога являются высокий уровень термонаведенных искажений, ухудшающих качество пучка дискового лазера, и риск термошока, вызванные значительным перепадом температуры по радиусу дискового активного элемента при работе с мощным лазерным излучением.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой конструкции можно считать активный элемент дискового лазера с системой охлаждения, рассмотренный в патенте США № US 8379680, МПК H01S 3/04, публ. 19.02.2013, «Direct cooling of thin disk laser». В устройстве прототипе активная лазерная среда также выполнена в форме диска с наружной и внутренней стороной. На наружную сторону этого диска нанесено просветляющее покрытие. На внутреннюю сторону диска нанесено высокоотражающее покрытие. Защитный барьерный слой (теплоотводящее основание) покрывает высокоотражающее покрытие, причем материал барьерного слоя имеет коэффициент температурного расширения (КТР) близкий к КТР других материалов дискового элемента. Между барьерным слоем и высокоотражающим покрытием может располагаться промежуточный слой для адгезии и долговечности.
На фиг. 1 представлена схема устройства прототипа. На активную среду 1 нанесено просветляющее покрытие 2 и высокоотражающее покрытие 3, представляющее собой комбинацию многослойного диэлектрического покрытия и металлических покрытий, обеспечивающую заданные параметры. Активная среда 1 с нанесенными покрытиями 2 и 3 через буферный слой присоединяется к теплоотводящему основанию 4, которое, в свою очередь, присоединяется к охлаждающему радиатору.
С развитием дисковых лазеров, в частности, с увеличением средней мощности излучения лазеров проявились недостатки конструкции прототипа. Недостатками устройства прототипа, как и аналогов, является значительный перепад температуры по радиусу активного элемента, достигающий десятков градусов, что приводит к риску термошока и высокому уровню термонаведенных искажений, ухудшающих свойства излучения.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка активного элемента дискового лазера с системой охлаждения, обеспечивающих уменьшение поперечных перепадов температуры, а значит и термонаведенных эффектов («тепловая линза» и термонаведенная деполяризация) в активном элементе дискового лазера с проходящим излучением высокой мощности, что позволяет улучшить качество пучка дискового лазера - уменьшить расходимость и степень деполяризации (отношение мощности деполяризованной компоненты к суммарной мощности излучения), а также эффективность накачки. Также при этом уменьшается вероятность термошока. Эти факторы приводят к улучшению пользовательских характеристик дискового лазера.
Технический результат в разработанном активном элементе дискового лазера с системой охлаждения достигается за счет того, что он, как и прототип, содержит активную среду в форме диска, на которую нанесено просветляющее покрытие с одной стороны и высокоотражающее покрытие с другой стороны, присоединенную торцом к теплоотводящему основанию, и, по крайней мере, один охлаждающий радиатор.
Новым в разработанном активном элементе дискового лазера с системой охлаждения является то, что теплоотводящее основание конструктивно выполнено в виде двух раздельных частей, внутренняя из которых представляет собой круг, а внешняя - кольцо вокруг круга, разделенные тонким промежутком (размер промежутка много меньше диаметра активного элемента), при этом температура внутренней части теплоотводящего основания поддерживается ниже температуры внешней части.
Радиус внутреннего круга и разница температур определяются радиусом лазерного пучка, его мощностью и параметрами среды соответственно. Размер промежутка между внешней и внутренней частями теплоотводящего основания много меньше диаметра дискового активного элемента и определяется требуемой разницей температур между внутренней и внешней частями теплоотводящего основания. Проведенные авторами расчеты показывают, что для задачи минимизации перепада температуры для гауссова профиля тепловыделения в активном элементе оптимальный радиус внутренней части основания совпадает с радиусом тепловыделения, а оптимальная разница температур между внутренней и внешней частями теплоотводящего основания равна нагреву центральной области активного элемента с цельным теплоотводящим основанием. Практически необходимая разность температур определяется по параметрам выходного излучения лазера.
Такое построение устройства для охлаждения, в соответствии с п. 1 формулы, позволяет уменьшить радиальный перепад температуры и фазовые и поляризационные искажения излучения проходящего через активный элемент.Этот результат достигается за счет того, что тензор пьезооптических коэффициентов, термооптический коэффициент (dn/dT), и другие материальные постоянные среды являются функциями температуры. Авторами установлено, что радиальный перепад температуры в случае оптимального подбора радиуса внутренней части теплоотводящего основания и разницы температур между внутренней и внешней частями теплоотводящего основания значительно (более чем в 4 раза) уменьшается, что и приводит к требуемому результату уменьшения термонаведенных эффектов, то есть позволяет улучшить качество пучка дискового лазера.
В первом частном случае реализации разработанного активного элемента дискового лазера с системой охлаждения целесообразно присоединить внутреннюю часть теплоотводящего основания в форме круга к одному охлаждающему радиатору, а внешнюю часть теплоотводящего основания в форме кольца - к другому охлаждающему радиатору, при этом температуру первого радиатора целесообразно поддерживать ниже температуры второго радиатора, и за счет этого обеспечить необходимую разницу температур между внутренней и внешней частями теплоотводящего основания.
Во втором частном случае реализации разработанного активного элемента дискового лазера с системой охлаждения целесообразно внутреннюю часть теплоотводящего основания прикрепить к элементу Пельтье, который, как и внешнюю часть теплоотводящего основания, целесообразно присоединить к общему охлаждающему радиатору. При этом элемент Пельтье и один охлаждающий радиатор позволяют устанавливать требуемую разницу температур между внутренней и внешней частями теплоотводящего основания.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
- на фиг. 1 представлена в разрезе схема активного элемента дискового лазера прототипа.
- на фиг. 2 представлена в разрезе схема разработанного активного элемента дискового лазера с системой охлаждения в соответствии с пунктами 1 и 2 формулы.
- на фиг. 3 представлена в разрезе схема активного элемента дискового лазера с системой охлаждения в соответствии с пунктами 1 и 3 формулы.
Разработанный активный элемент дискового лазера с системой охлаждения в соответствии с п. 1 формулы, представленный и на фиг. 2, и на фиг. 3, содержит активную среду 1 в форме диска с диаметром, значительно превышающим толщину. На одну сторону этого диска нанесено просветляющее покрытие 2. На противоположную сторону диска нанесено высокоотражающее покрытие 3, представляющее собой многослойное диэлектрическое покрытие, на которое нанесена металлизация, обеспечивающая необходимый коэффициент отражения и тепловой контакт с теплоотводящим основанием 4. Активная среда 1 с указанными покрытиями соединяется с теплоотводящим основанием 4, выполненным в виде двух независимых частей: внутреннего центрального круга 5 и внешнего кольца 6. Радиус круга 5 определяется расчетным радиусом пучка излучения, падающего на активный элемент. Размер промежутка между внешней 6 и внутренней 5 частями теплоотводящего основания выбирается много меньше диаметра диска активной среды 1 и определяется требуемой разницей температур между этими частями теплоотводящего основания 4. Теплоотводящее основание 4 может быть выполнено из алмаза, сапфира, меди, или других материалов с высокой теплопроводностью.
В первом частном случае реализации разработанного устройства, представленном на фиг. 2, радиаторы 7 и 8 охлаждаются с помощью потоков хладагента разной температуры, за счет чего достигается необходимая разность температур. Две части 5 и 6 теплоотводящего основания 4, в свою очередь, прикрепляются к радиаторам 7 и 8, дающим возможность независимо регулировать температуру двух частей теплоотводящего основания. Необходимая разница температур определяется по тепловой нагрузке на активный оптический элемент.
Во втором частном случае реализации разработанного устройства, представленном на фиг. 3, внутренняя часть теплопроводящего основания 5 прикреплена к элементу Пельтье 10, который, как и внешняя часть 6 теплопроводящего основания, присоединен к общему радиатору 9, охлаждаемому, например, потоками газа или жидкости. Управляя напряжением на элементе Пельтье 10, можно регулировать разницу температур между внутренней и внешней частями 5 и 6 теплопроводящего основания.
Разработанное устройство функционирует следующим образом. Излучение проходит через внешнее просветляющее покрытие 2, активную среду 1, отражается от его внутреннего высокоотражающего покрытия 3, снова проходит через активную среду 1 и выходит наружу. Излучение включает в себя излучение накачки и излучение генерации. При этом часть излучения поглощается и переходит в тепло (как за счет линейного поглощения, так и за счет дефекта кванта). Выделяющееся тепло приводит к неравномерному распределению температуры по радиусу активного элемента и, как следствие, к неравномерному распределению материальных постоянных среды, зависящих от температуры. Однако, за счет того, что активный элемент дискового лазера присоединен к двум раздельным концентрическим частям 5 и 6 теплоотводящего основания 4 и температура внутренней части 5 поддерживается ниже температуры внешней части 6, становится возможным уменьшить радиальный перепад температуры внутри активного элемента и соответственно фазовые и поляризационные искажения излучения проходящего через активный элемент, что улучшает качество пучка дискового лазера - уменьшает расходимость и степень деполяризации (отношение мощности деполяризованной компоненты к суммарной мощности излучения), а также эффективность накачки. Также при этом уменьшается вероятность термошока.
Особенностью работы предлагаемого устройства по п. 2 формулы является то, что части 5 и 6 основания присоединяются каждая к своему радиатору 7 и 8, охлаждаемым до разных температур, причем температура внутреннего радиатора 7 поддерживается ниже температуры внешнего радиатора 8. Это позволяет уменьшить фазовые и поляризационные искажения излучения, проходящего через активный элемент. Этот результат достигается за счет того, что в случае оптимального подбора радиуса внутренней части 5 теплоотводящего основания 4 и разницы температур между внутренним радиатором 7 и внешним радиатором 8, радиальный перепад температуры в активном элементе значительно (более чем в 4 раза) уменьшается. Поэтому разница в материальных постоянных среды, зависящих от температуры, в различных точках пучка также уменьшается, что и приводит к требуемому результату уменьшения фазовых и поляризационных искажений излучения в активном элементе, то есть улучшению качества пучка дискового лазера.
Особенностью работы предлагаемого устройства по п. 3 формулы является то, что внутренняя часть 5 теплопроводящего основания 4 прикреплена к элементу Пельтье 10, которая, как и внешняя часть 6 теплопроводящего основания 4, присоединена к общему радиатору 9, охлаждаемому потоком хладагента (фиг. 3). Управляя напряжением на элементе Пельтье 10, можно регулировать разницу температур между внутренней 5 и внешней 6 частями теплопроводящего основания 4, за счет чего и достигается положительный эффект. Такая конструкция позволяет использовать только один охлаждающий радиатор 9, а требуемую разницу температур между внутренней 5 и внешней 6 частями теплоотводящего основания обеспечивает за счет элемента Пельтье 10.
Результатом этого является уменьшение поперечных перепадов температур вдоль радиуса дискового активный элемента, что приводит к уменьшению риска термошока и к снижению уровня фазовых и поляризационных искажений пучка, а следовательно, к улучшению качества излучения и повышению эффективности дискового лазера.