ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР С НАКАЧКОЙ ЛАЗЕРНЫМИ ДИОДАМИ

Изобретение предназначено для использования в приборостроении, в лазерной технике, оптической связи.
Из уровня техники известен твердотельный лазер с накачкой лазерными диодами (заявка ЕР №0469568, кл. Н01S 3/094, 1992), где используются лазерные диоды для накачки активного элемента лазера. Для повышения выходной мощности лазера применяют сложные излучения нескольких лазерных диодов (ЛД) в один пучок накачки посредством оптических волокон.
Известен твердотельный лазер с накачкой лазерными диодами. (/PCT/GB91/00207 от 12.02.91 г., МКИ Н01S 3/25), где для повышения мощности, вводимой в волокно, используют дополнительное суммирование излучений двух диодов, складываемых с помощью поляризационной призмы.
К недостаткам вышеуказанных лазеров можно отнести сложность конструкции, относительно большие потери при вводе излучения ЛД в волокно и широкий пучком накачки лазера из-за большой апертуры излучающего торца волокон.
Наиболее близким по конструкции к предлагаемому является твердотельный лазер с накачкой лазерными диодами (Патент RU №2105399, опубликован 1998.02.20, МПК: H01S 3/094). Лазер включает микрохолодильник, на теплоотводящей пластине которого установлены лазерные диоды с цилиндрическими линзами, а также последовательно соединенные сферическая линза, активный элемент и выходное зеркало резонатора, причем на торец активного элемента со стороны сферической линзы нанесено комбинированное покрытие, отражающее на рабочей длине волны лазера и пропускающее на длине волны лазерных диодов, а
на противоположный торец активного элемента нанесено просветляющее покрытие на рабочей длине волны лазера, введена трапецеидальная призма, на основание и противоположную грань которой нанесены просветляющие, а на две боковые грани нанесено отражающее на длине волны лазерных диодов покрытие.
К недостаткам данного твердотельного лазера можно отнести не оптимальность данной формы накачки, так как лазерная генерация активного элемента происходит на оптической оси, а форма накачки имеет прямоугольное сечение, не позволяющее эффективно использовать всю площадь сечения энергии накачки. А также при данном виде накачки возможно искажение лазерного пучка по вертикальной оси из-за появления несферической линзы.
Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности накачки активного элемента и улучшении качества излучения твердотельного лазера.
Технический результат достигается за счет того, что твердотельный лазер с накачкой лазерными диодами включает микрохолодильник, на теплопроводящей пластине которого установлены три лазерных диода с цилиндрическими линзами, трапецеидальная призма, на основание и противоположную грань которой нанесены просветляющие, а на две боковые грани нанесены отражающие на длине волны лазерных диодов, покрытия, причем лазерные диоды размещены соответственно со стороны двух боковых граней и основания трапецеидальной призмы, а также последовательно соединенные активный элемент и выходное зеркало резонатора. При этом на торец активного элемента со стороны выходного зеркала резонатора нанесено просветляющее покрытие на рабочей длине волны лазера, а на противоположный торец активного элемента нанесено комбинированное покрытие, отражающее на рабочей длине волны лазера и пропускающее на длине волны лазерных диодов. Твердотельный лазер с
накачкой лазерными диодами отличается от прототипа тем, что в него введена астигматическая линза, установленная между трапецеидальной линзой и активным элементом.
На рисунке (Фиг.1) представлена конструкция твердотельного лазера с накачкой лазерными диодами, где
1 - микрохолодильник;
2 - теплопроводящая пластина;
3 - первый лазерный диод;
4 - второй лазерный диод;
5 - третий лазерный диод;
6 - первая цилиндрическая линза;
7 - вторая цилиндрическая линза;
8 - третья цилиндрическая линза;
9 - трапецеидальная призма;
10 - астигматическая линза;
11 - активный элемент;
12 - выходное зеркало резонатора;
13 - первый лазерный пучок;
14 - второй лазерный пучок;
15 - третий лазерный пучок.
Твердотельный лазер с накачкой лазерными диодами содержит микрохолодильник 1. В качестве микрохолодильника может быть использован термоэлектрический микрохолодильник на основе эффекта Пельтье типа К 1-12 7-1,4/1,1, на теплоотводящей пластине 2 которого установлены все элементы лазера: лазерные диоды 3, 4, 5 с установленными на них цилиндрическими линзами 6, 7, 8, трапецеидальная призма 9, астигматическая линза 10, активный элемент 11, выходное зеркало 12.
Такой микрохолодильник обеспечивает отвод тепла при установке трех лазерных диодов с выходной мощностью 3 Вт. Выходная мощность лазера на длине волны 1,064 мкм составляет при этом не менее 3 Вт в одномодовом режиме.
Резонатор лазера образован торцом активного элемента 11, обращенным к астигматической линзе 10, и выходным зеркалом 12.
Работа твердотельного лазера с накачкой лазерными диодами осуществляется следующим образом. Излучение лазерного диода 3 коллимируется цилиндрической линзой 6, проходит основание и противоположную грань трапецеидальной призмы 9, образуя на ее выходе пучок 13. Излучение ЛД 4 и 5 коллимируется соответственно цилиндрическими линзами 7 и 8 и отражается от боковых граней трапецеидальной призмы 9, образуя пучки 14, 15. Лазерные пучки 13, 14, 15, имеющие одинаковое направление распространения и соприкасающиеся соответствующими сторонами, фокусируются астигматической линзой 10 в активный элемент 11, осуществляя его накачку. Роль астигматической линзы 10 заключается в следующем. Форма излучения лазерного диода с цилиндрической линзой имеет вид прямоугольника с соотношением сторон ≈ 10:1. При использовании цилиндрической линзы форма излучения от трех лазерных диодов при фокусировке на активный элемент имеет вид прямоугольника с соотношением сторон ≈ 10:2, что не позволяет эффективно использовать всю площадь сечения энергии накачки. Для увеличения эффективности накачки дополнительно вводят астигматическую линзу 10, которая позволяет получить форму излучения, падающего на активный элемент, в виде, максимально приближенном к квадрату. При этом более эффективно используется вся площадь сечения энергии накачки, что приводит к улучшению выходных параметров лазера, а именно, увеличению выходной мощности лазера на 30%.
д
д
д
л
ц
л
ц
л
ц
Пример 1. При использовании в качестве активного элемента алюмоиттриевого граната с неодимом (YAG: Nd), имеющего рабочую длину волны λ=1,064 мкм, лазерные диоды 1, 2, 3 должны иметь центральную длину волны излучения λ=808 нм, которая устанавливается выбором рабочей температуры ЛД и регулируется микрохолодильником 11. Все оптические элементы лазера имеют покрытия. На цилиндрические линзы 4, 5, 6, сферическую линзу 8, основание призмы 7 и ее противоположную грань нанесены просветляющие покрытия на длину волны λ. На торец активного элемента 9, обращенный к линзе 8, нанесено комбинированное покрытие, имеющее коэффициент пропускания τ≥95% для λ=808 нм и коэффициент отражения ρ≥99,8% для λ=1,064 мкм. На противоположный торец активного элемента нанесено просветляющее покрытие с коэффициентом пропускания τ≥0,1% для λ=1,064 мкм. Грань призмы 7, противоположная основанию, имеет ширину Н=φF, где φ - расходимость излучения лазерного диода в плоскости, перпендикулярной излучающему переходу, F - фокусное расстояние цилиндрической линзы. При типичной расходимости излучения ЛД φ=45° и F=0,3 мм получаем Н=0,24 мм.
В качестве микрохолодильника может быть использован термоэлектрический микрохолодильник на основе эффекта Пельтье типа К 1-127-1,4/1,1, на теплоотводящей пластине 12 которого установлены все элементы лазера, включая тепловыделяющие элементы - лазерные диоды и активный элемент. Такой микрохолодильник обеспечивает отвод тепла при установке трех лазерных диодов с выходной мощностью 3 Вт. Выходная мощность лазера на длине волны 1,064 мкм составляет при этом не менее 3 Вт в одномодовом режиме.
Сравнительные характеристики твердотельных лазеров при использовании сферической и астигматической линзы отражены в
таблице Фиг.2. Предложенная конструкция твердотельного лазера с накачкой лазерными диодами позволяет увеличить выходную мощность лазера, пространственное распределение лазерного пучка при более низком пороговом токе генерации.