АКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДИСКОВОГО ЛАЗЕРА
ACTIVE ELEMENT OF DISC LASER

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в твердотельных дисковых лазерах.
3+
В последнее время мощные твердотельные дисковые лазеры с полупроводниковой накачкой находят все большее применение в отраслях машиностроения, связанных с прецизионной обработкой, сваркой и резкой материалов. Одной из отличительных черт лазера на основе дискового активного элемента является обеспечение продольного лазерному излучению температурного градиента в активной среде, что позволяет сохранять его высокое качество при увеличении плотностей мощности излучения накачки и генерации соответственно. Наиболее используемой средой для дисковых лазеров на сегодняшний день является иттрий-алюминиевый гранат, легированный ионами иттербия (YAG:Yb), генерация в котором осуществляется по трехуровневой схеме. Хотя тепловыделение в данном материала не велико (на уровне 10-15% от мощности излучения накачки), при больших мощностях накачки оно достигает значительных величин и приводит к нагреву активной среды. Это приводит, во-первых, к увеличению заселенности нижнего лазерного уровня и, следовательно, к повышению порога генерации и снижению эффективности, а во-вторых, - к заметным оптическим искажениям и механическим разрушениям в активном элементе. Для того чтобы предотвратить данные нежелательные процессы, необходимо обеспечивать отведение тепла от активной среды, в частности присоединять ее к теплоотводящему основанию, которое может охлаждаться с помощью системы термостабилизации (система жидкостного охлаждения или термоэлектрические элементы Пельтье). Основной проблемой для такого активного элемента является обеспечение минимальных тепловых сопротивлений в промежуточных между активной средой и теплоотводящим основанием слоях, которыми являются высокоотражающее покрытие на длинах волн генерации и накачки, и буферный слой, обеспечивающий соединение активной среды с высокоотражающим покрытием и теплоотводящего основания.
Известен дисковый элемент [1], который представляет собой кристаллический диск активной среды, с нанесенными с противоположных сторон просветляющим на длинах волн излучения накачки и генерации (940 и 1030 нм соответственно) и высокоотражающим (99.8%) на длинах волн накачки и генерации покрытиями. Причем для обеспечения теплоотвода от активной среды кристаллический диск стороной с нанесенным высокоотражающим покрытием присоединяется к медному основанию через промежуточный слой индиевой фольги. Высокоотражающее покрытие представляет собой многослойное диэлектрическое покрытие. Как было установлено в наших экспериментах, использование диэлектрических покрытий, состоящих из большого числа слоев, для обеспечения высоких коэффициентов отражения на длинах волн излучения накачки и генерации не является оптимальным. Низкая теплопроводность многослойных диэлектрических покрытий (число слоев >30) не позволяет обеспечить работу с активным элементом при больших мощностях накачки из-за перегрева активной среды.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является активный элемент дискового лазера [2], включающий активную среду с просветляющим и высокоотражающим покрытиями на противоположных сторонах, присоединенную через буферный слой к теплоотводящему основанию. На высокоотражающее покрытие нанесен слой металла. Причем для металлизации используется медь. После нанесения медного покрытия активную среду металлизированной стороной через слой мягкого припоя или индия присоединяют к теплоотводящему основанию. Покрытие из меди служит для защиты высокоотражающего покрытия от непосредственного контакта между этим покрытием и припоем/индием. Слой меди является достаточно реакционноспособным, поэтому при совершении последовательности технологических операций, разнесенных во времени, его необходимо защищать слоем менее подверженного окислению металла, например никеля. Кроме того, использование металлического слоя в данной конструкции не приводит к снижению теплового сопротивления между активной средой и теплоотводящим основанием.
Задачей настоящего изобретения является создание конструкции активного элемента с высокой выходной мощностью лазерного излучения, получаемой на активном элементе при наличии резонатора и системы накачки посредством снижения теплового сопротивления между активной средой и теплоотводящим основанием.
Указанная задача решается за счет того, что в известном активном элементе дискового лазера, включающем активную среду с просветляющим и высокоотражающим покрытиями на противоположных сторонах, присоединенную через буферный слой к теплоотводящему основанию, высокоотражающее покрытие состоит из комбинации многослойного диэлектрического и металлических покрытий, обеспечивающей коэффициент отражения не ниже 99% для длин волн в диапазоне от 930 до 1040 нм при углах падения излучения от 0° до 30°.
На чертеже представлена схема предлагаемого активного элемента дискового лазера. На активную среду 1 нанесено просветляющее покрытие 2 и высокоотражающее покрытие 3, представляющее собой комбинацию многослойного диэлектрического покрытия 4 и металлических покрытий 5, обеспечивающую заданные параметры. Активная среда 1 с нанесенными покрытиями 2 и 3 через буферный слой 6 присоединяется к теплоотводящему основанию 7.
Предлагаемый активный элемент дискового лазера работает следующим образом, при присоединении активного элемента дискового лазера к системе термостабилизации, наличии резонатора и системы введения излучения накачки (обеспечивает многократное прохождение излучения накачки через активную среду 1, в зависимости от конфигурации системы угол падения излучения составляет от 0° до 30°), после включения источника накачки в активной среде 1 осуществляется преобразование излучения накачки на длинах волн в области 940 нм в излучение генерации на длинах волн в области 1030 нм (определяется выходным зеркалом, образующим вместе с активным элементом дискового лазера резонатор), при этом часть излучения накачки (~10%) преобразуется в тепло. От активной среды 1 образующееся тепло отводится через высокоотражающее покрытие 3, буферный слой 6 и теплоотводящее основание 7 и далее сбрасывается на систему термостабилизации.
3+
-6
2
2
2
2
В предлагаемом активном элементе активная среда выполнена в форме кристаллического диска с диаметром 12 мм, толщиной 200 мкм и концентрацией ионов Yb 15%. На одну сторону этого диска нанесено просветляющее покрытие, представляющее собой четвертьволновый слой MgF. На заднюю сторону диска нанесено высокоотражающее покрытие, представляющее собой многослойное диэлектрическое покрытие, состоящее из небольшого (не более 10) числа слоев SiO и ZrO (или аналогичной им пары материалов с высоким и низким показателями преломления), на которое нанесено покрытие из Ag, защищенное покрытием из Cr, обеспечивающее отражение на уровне более 99% на длинах волн накачки и генерации. Вместо слоя Ag можно использовать слой Cu или Au. 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. В результате проведенных экспериментов было установлено, что тепловое сопротивление между активной средой и теплоотводящим основанием в такой конструкции не превышает 5·10 (K·м)/Вт.
В результате испытаний предлагаемого активного элемента и известного активного элемента с высокоотражающим многослойным диэлектрическим покрытием, металлизированным медью, в составе макета дискового лазера было установлено, что предлагаемый активный элемент обеспечивает увеличение выходной мощности более чем в 1,5 раза.
Источники информации
1. K.Contag, U.Brauch, A.Giesen, I.Johannsen, M.Karszewski, U.Schiegg, C.Stewen, A.Voss, "Multihundred-watt diode-pumped Yb:YAG thin disc laser" (Proceedings Paper), Proceedings Vol.2986, Solid State Lasers VI, Richard Scheps, Editors, pp.2-9 (1997).
2. Европейский патент EP 0632551 - прототип.