АКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА

Полезная модель относится к лазерной технике и может быть использована при создании твердотельных лазеров с когерентной накачкой.
Одной из важнейших проблем в твердотельной лазерной технике является проблема, связанная с термооптическими аберрациями пучков генерации, возникающими из-за неравномерного нагрева лазерных элементов при накачке. Особенно это проявляется в мощных лазерах непрерывного и импульсно-периодического действия, в которых мощность накачки может достигать десятков киловатт.
В различных твердотельных лазерных средах, при различных схемах доставки излучения накачки в активный элемент и способах его охлаждения термооптические аберрации в той или иной степени существуют, являются неустранимым фактором, обусловленным природой физических процессов, протекающих при взаимодействии излучения с веществом, и теплофизическими характеристиками оптических материалов. Требование достижения в лазерных системах наилучших выходных характеристик диктует необходимость тщательным образом учитывать термооптические искажения лазерных пучков и применять технические решения, направленные на минимизацию их влияния на качество излучения.
При создании конструкции твердотельного лазера важно, во-первых, обеспечить уменьшение влияния тепловой линзы и иных термооптических аберраций на параметры генерируемого излучения, а во-вторых - и это самое главное, реализовать условия, при которых термооптика лазера не изменяется при его долговременной эксплуатации.
Известен активный элемент твердотельного лазера (патент США №5949805, опубл. 07.09.1999, H01S 3/04), включающий лазерную среду, помещенную между двумя металлическими теплопроводными элементами, вплотную прилегающими к боковым поверхностям активного элемента, на которые нанесен слой адгезивного теплопроводного материала. Данный активный элемент использован в твердотельном лазере с поперечной накачкой.
Известен активный элемент твердотельного лазера (патент США №7382818, опубл. 03.06.2008, H01S 3/07), включающий лазерную среду, помещенную внутри теплопроводной оболочки, диффузионно связанной с материалом лазерной среды, прозрачной для излучения накачки и поглощающей излучение люминесценции. Данный активный элемент использован в твердотельном лазере с поперечной накачкой.
Известен дисковый активный элемент твердотельного лазера (С. Вайлер «Дисковые лазеры для промышленности» // Научно-технический журнал «Фотоника», 2009, В.3, СС.10-13, www.photonics.su), включающий лазерную среду в виде плоского диска, расположенную на теплопроводном основании. Данный активный элемент использован в твердотельном лазере с квазипродольной накачкой.
4
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели и принятым за прототип является активный элемент твердотельного лазера с продольной накачкой (V.V.Kijko, E.N.Ofitserov. Study of thermooptic distortions of a (Nd:YVO) active element at different methods of its mounting. // Quantum Electronics, V.36, №5, 2006, PP.483-486) включающий лазерную среду, помещенную внутрь металлического корпуса, состоящего из двух фланцев, каждый из которых имеет сквозное отверстие. Фланцы в данном активном элементе спаяны друг с другом и установлены таким образом, что оптическая ось лазерной среды проходит через центры их сквозных отверстий, а между фланцами и лазерной средой расположен слой индия.
Основным недостатком прототипа является низкая долговременная стабильность термооптических характеристик, связанная с применением индия в качестве теплопроводного материала, расположенного между лазерной средой и металлическим корпусом. Известно, что индий обладает хорошими теплопроводными свойствами. Однако, применение индия в качестве теплопроводного материала в данной конструкции активного элемента неоправдано. Высокая степень окисляемости индия приводит к постепенному ухудшению его теплопроводящих свойств за счет образования оксидной пленки. Кроме того, различие в коэффициентах теплового расширения материала лазерной среды и металла, из которого выполнен корпус активного элемента, при многократных цикличных тепловых нагрузках приводит к неконтролируемому отслаиванию индия от поверхности лазерной среды, что в свою очередь ухудшает теплопроводящие свойства слоя. Конструкция прототипа выполнена неразборной и ненастраиваемой, что исключает возможность технического обслуживания активного элемента.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение долговременной стабильности работы твердотельных лазеров и улучшение их эксплуатационных характеристик.
Технический результат заявляемого технического решения состоит в улучшении термооптических характеристик активного элемента твердотельного лазера.
В заявляемом активном элементе твердотельного лазера указанный технический результат достигается за счет того, что теплопроводный слой между активным элементом и металлическим корпусом выполнен из олова. Олово обладает существенно меньшей степенью окисляемости, что повышает долговременную стабильность термооптических характеристик активного элемента твердотельного лазера. Заявляемая конструкция металлического корпуса активного элемента кроме двух фланцев включает также рубашку, соединенную с фланцами разъемным соединением, что обеспечивает возможность разборки активного элемента.
Сущность полезной модели состоит в том, что в активном элементе твердотельного лазера, включающем лазерную среду, помещенную внутрь металлического корпуса, содержащего два фланца, каждый их которых имеет сквозное отверстие и установлен таким образом, что оптическая ось лазерной среды проходит через центр его сквозного отверстия, металлический корпус дополнительно включает рубашку, расположенную между фланцами и соединенную с ними разъемными соединениями, на внутреннюю поверхность рубашки нанесен слой олова, а лазерная среда установлена внутри рубашки таким образом, что ее боковая поверхность соприкасается со слоем олова.
Кроме того, лазерная среда в заявляемом активном элементе может быть выполнена в виде цилиндра, при этом рубашка корпуса может иметь по меньшей мере один продольный разрез, а корпус дополнительно включать по меньшей мере одно обжимное кольцо, установленное на внешней поверхности рубашки.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показана конструкция заявляемого активного элемента в разрезе. На чертеже показаны лазерная среда 1, рубашка металлического корпуса 2, фланцы 3 и 4, крепежные болты разъемного резьбового соединения 5, теплопроводный слой из олова 6.
При цилиндрической форме лазерной среды задача обеспечения ее надежного теплового контакта с металлическим корпусом может быть решена за счет применения разрезной рубашки и по меньшей мере одного дополнительного обжимного кольца, с помощью которого можно регулировать усилие прижима внутренней поверхности рубашки с нанесенным на нее теплопроводным слоем олова к поверхности лазерной среды во время сборки конструкции активного элемента.
Заявляемая полезная модель работает следующим образом. Пучок излучения накачки направляют в лазерную среду через сквозное отверстие одного из фланцев. Излучение накачки поглощается в лазерной среде, в результате чего температура и показатель преломления лазерной среды в области распространения пучка накачки увеличиваются. В результате распространения тепла в лазерной среде формируется поперечный профиль температуры и показателя преломления, причем на поверхности лазерной среды тепловой поток распространяется через слой олова к металлическому корпусу. Температуру металлического корпуса поддерживают на заданном уровне, например, с помощью термостата. В случае существенного изменения термооптических характеристик активного элемента металлический корпус разбирают, отделяют фланцы от рубашки, а саму лазерную среду извлекают из рубашки, например, нагревая рубашку до температуры выше температуры плавления олова.
Предлагаемая разборная конструкция активного элемента твердотельного лазера с продольной накачкой и кондуктивным охлаждением лазерной среды через слой олова является новой, а ее практическое применение позволяет достичь заявленного технического результата, а именно улучшить термооптических характеристик активного элемента твердотельного лазера.