МИНИАТЮРНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ

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.
Такие устройства с непрерывным режимом работы широко применяются в современной технике, в частности для создания с помощью лазерного пучка излучения оптического поля для управления движением различных наземных механизмов или летательных аппаратов.
К ним предъявляются, кроме минимальных массо-габаритных характеристик, повышенные требования по эффективности преобразования мощности накачки в полезное излучение генерации, сохранению работоспособности в широком температурном рабочем диапазоне без принудительного охлаждения, с теплоотводом на корпус прибора.
Кроме того, важно обеспечить необходимые пространственные параметры оптического поля: угол расходимости лазерного излучения, диаметр пучка в перетяжках и распределение плотности мощности в поперечном сечении пучка.
Известен квазитрехуровневый твердотельный лазер [1], содержащий лазерный диод для продольной накачки, устройство фокусировки излучения лазерного диода в активный элемент и резонатор лазера. Лазер [1] 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 [1] 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 [1], 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.
4
3+
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству (прототип) является коротковолновый микролазер (λ=914 нм) на кристалле YVO:Nd [2], содержащий лазерный диод накачки с волоконным выходом и последовательно установленные за торцом волокна объектив, обеспечивающий фокусировку излучения накачки, и активный элемент, 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 покрытие, полностью отражающее на длине волны генерации и полностью пропускающее на длине волны накачки, а на выходном торце - полностью отражающее на длине волны накачки и частично пропускающее на длине волны генерации.
Диодная накачка микролазера производства фирмы «APhS GmH» с волокном (диаметр сердцевины 100 мкм) 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 повышая 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.
4
3+
Для фокусировки излучения накачки в активный элемент использован трехлинзовый объектив, трансформирующий изображение торца волокна в пятно накачки диаметром 60 мкм. Кристалл активного элемента YVO:Nd выполнен в виде диска длиной 0,5 мм и диаметром 4 мм.
Однако следует отметить и некоторые недостатки прототипа [2]:
- падение мощности излучения генерации при изменении температуры окружающей среды;
- возможные термические деформации активного элемента [3].
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.
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 [4] 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.
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 YVO4: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 [3].
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°С до +60°С.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое устройство, заключается в создании миниатюрного лазерного излучателя, 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 по сравнению с прототипом.
Предложен миниатюрный лазерный излучатель, содержащий лазерный диод накачки с волоконным выходом и последовательно установленные за выходным торцом волокна первый объектив, обеспечивающий фокусировку излучения накачки, и активный элемент, плоские рабочие торцы которого перпендикулярны оптической оси объектива.
Входное и выходное зеркала резонатора выполнены в виде отражающих диэлектрических покрытий непосредственно на плоских рабочих 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 и частично пропускающее на длине волны генерации.
Излучатель отличается от прототипа тем, что активный элемент выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда, на двух противоположных нерабочих гранях которого расположены две прокладки из теплопроводящего эластичного материала, и установлен с возможностью поперечного смещения относительно оптической оси.
В излучатель дополнительно введен второй объектив, состоящий, по меньшей мере, из трех линз, установленный на оптической оси за выходным торцом активного элемента, при этом вторая по ходу лучей линза второго объектива установлена с возможностью смещения вдоль оптической оси, а третья по ходу лучей линза установлена с возможностью смещения в плоскости, перпендикулярной оптической оси.
Активный элемент излучателя выполнен из кристалла алюмоиттриевого граната, активированного ионами иттербия.
Установка активного элемента с возможностью поперечного смещения относительно оптической оси 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 сместив активный элемент перпендикулярно оси и выбрав новую неповрежденную область кристалла для накачки и генерации.
Установка теплопроводящих прокладок на двух противоположных нерабочих гранях активного элемента решает задачу улучшения теплоотвода от активного элемента. Прокладки устанавливаются таким образом, чтобы площадь теплового контакта кристалла с массивным теплоотводящим корпусом была максимальной, для равномерного отвода тепла от прокачиваемого объема кристалла и уменьшения градиента температуры. Этим достигается уменьшение термических деформаций кристалла, ослабление 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 [4]. 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 Вт/(м·К),
3+
- YAG:Yb~10 Вт/(м·К).
3+
3+
3+
4
Кристалл YAG:YH, кроме низкого квантового дефекта и лучшей теплопроводности, обладает и более широкой спектральной полосой поглощения излучения накачки по сравнению с YVO:Nd. Кристалл YAG:Yb хорошо поглощает излучение [5] 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.
Введение второго объектива обеспечивает необходимые пространственные параметры излучения генерации: угол расходимости лазерного излучения, диаметр пучка в перетяжках и распределение плотности мощности в поперечном сечении пучка.
Возможность смещения вдоль оптической оси второй по ходу лучей линзы позволяет плавно менять угол расходимости лазерного пучка. Возможность смещения третьей линзы в плоскости, перпендикулярной оптической оси, позволяет изменять угол наклона лазерного пучка относительно оптической оси, благодаря чему можно существенно упростить юстировку всего лазерного канала в приборе. Подбор линз второго объектива с большой оптической силой минимизирует продольный габарит устройства.
Таким образом, предложенная полезная модель позволяет решить задачу создания миниатюрного лазерного излучателя, 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.
Сущность предложенной полезной модели поясняется чертежами.
На фиг.1 изображена структурная схема излучателя.
На фиг.2 изображено смещение активного элемента в плоскости, перпендикулярной оптической оси.
Миниатюрный лазерный излучатель (фиг.1) включает в себя лазерный диод накачки 1 с волоконным выходом 2 в виде многомодового оптического волокна с коннектором и последовательно установленные за выходным торцом 3 волокна первый объектив 4, обеспечивающий фокусировку излучения накачки из плоскости торца волокна, и активный элемент 5, плоские рабочие торцы которого перпендикулярны оптической оси объектива 4.
Входное 6 и выходное 7 зеркала резонатора выполнены в виде отражающих диэлектрических покрытий непосредственно на плоских рабочих 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 - полностью отражающее на длине волны накачки и частично пропускающее на длине волны генерации.
Объектив 4 может быть выполнен в виде одиночной короткофокусной линзы с одной или двумя асферическими поверхностями.
Активный элемент 5, выполненный в виде прямоугольного параллелепипеда, на противоположных нерабочих гранях которого расположены прокладки 8 из теплопроводящего эластичного материала, имеет рабочие торцы в форме вытянутых прямоугольников и установлен с возможностью поперечного смещения А (фиг.2) относительно оптической оси вдоль длинной стороны прямоугольника. В случае местного повреждения кристалла можно сместить активный элемент, выбрав новую неповрежденную область кристалла для накачки.
Две прокладки 8 из теплопроводящего эластичного материала обеспечивают тепловой контакт активного элемента 5 с массивным теплоотводящим корпусом 9.
Прокладки 8 устанавливаются вдоль длинного ребра рабочего торца активного элемента 5 для того, чтобы площадь теплового контакта кристалла с массивным теплоотводящим корпусом 9 была максимальной, обеспечивая равномерный отвод тепла от прокачиваемого объема кристалла и уменьшения градиента температуры. Этим достигается уменьшение термических деформаций кристалла, ослабление 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 значительно меньше, чем у кристаллов, активированных ионами неодима [4]. 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 Вт/(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:Ybхорошо поглощает излучение [5] 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.
Второй объектив, состоящий из линз 10, 11, 12 и установленный за выходным торцом активного элемента 5 на оптической оси, введен для обеспечения необходимых пространственных параметров излучения генерации: угла расходимости лазерного излучения, диаметра пучка в перетяжках и распределения плотности мощности в поперечном сечении пучка.
Линза 11 второго объектива установлена с возможностью смещения вдоль оптической оси относительно линз 10 и 12, а линза 12 установлена с возможностью смещения в плоскости, перпендикулярной оптической оси. Смещение вдоль оптической оси линзы 11 плавно меняет угол расходимости лазерного пучка. Смещение линзы 12 в плоскости, перпендикулярной оптической оси, изменяет угол наклона лазерного пучка относительно оптической оси, существенно упрощая юстировку всего лазерного канала в приборе. Подбор линз 10, 11, 12 с большой оптической силой минимизирует продольный габарит устройства.
Излучатель работает следующим образом (фиг.1). 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 выходного 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 входного зеркала 6 резонатора на его рабочем торце, полностью пропускающее на длине волны накачки λ=915…950 нм.
3+
Активный элемент 5 выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда длиной по оси 5 мм, рабочие торцы которого перпендикулярны оптической оси объектива 4 и имеют размер 2 мм × 5 мм. 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 на его выходном рабочем торце.
3+
Активный элемент 5 установлен с возможностью поперечного смещения А (фиг.2) вдоль длинной стороны прямоугольного рабочего торца. В случае местного повреждения кристалла можно сместить активный элемент, выбрав новую неповрежденную область кристалла для накачки. Активный элемент 5 выполнен из кристалла алюмо-иттриевого граната, активированного ионами иттербия, YAG:Yb для генерации излучения в области 1,03…1,05 мкм.
Две прокладки 8 из теплопроводящего эластичного материала обеспечивают тепловой контакт активного элемента 5 с массивным теплоотводящим корпусом 9, обеспечивая равномерный отвод тепла от прокачиваемого объема кристалла для уменьшения градиента температуры.
Излучение генерации с длиной волны 1,03 мкм, пройдя сквозь выходное зеркало 7 резонатора, попадает во второй объектив, состоящий из линз 10, 11, 12, и, проходя сквозь него, направляется в последующие элементы лазерного канала прибора. Подбор линз 10, 11, 12 с большой оптической силой минимизирует продольный габарит устройства.
Смещая линзу 11 вдоль оптической оси относительно линз 10 и 12, можно плавно изменять угол расходимости лазерного пучка. Смещая линзу 12 в плоскости, перпендикулярной оптической оси, можно изменять угол наклона лазерного пучка относительно оптической оси, существенно упрощая юстировку всего лазерного канала в приборе.
Литература:
1. Патент RU 2360341 С2, МПК H01S 3/16, публ. 2009 г.
4
3+
2. В.А.Сычугов, В.А.Михайлов и др. «Коротковолновый (λ=914 нм) микролазер на кристалле YVO:Nd», «Квантовая электроника», 30, №1 (2000) - прототип.
4
3. В.В.Кийко, Е.Н.Офицеров, «Исследование термооптических искажений активного элемента (Nd:YVO) при различных способах его крепления», «Квантовая электроника», 36, №5 (2006).
4. «Справочник по лазерам» под ред. А.М.Прохорова, М., «Сов. радио»,1978.
5. Отчет о НИР "Макет иттербиевого лазера с диодной накачкой" (научн. рук. Н.В.Кулешов). - БНТУ. 2008.12. №ГР 20081369.