ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЧАСТОТНЫЙ ЛАЗЕР

Полезная модель относится к лазерной технике, а именно к импульсным твердотельным лазерам, работающим в частотном режиме, преимущественно для импульсных лазерных дальномеров.
Известны твердотельные лазеры, содержащие активный элемент с резонатором и лампу накачки [1].
Известен твердотельный частотный лазер, описанный в [2]. Этот лазер содержит активный элемент с теплоотводом и оптический источник накачки, установленные в осветителе, а также резонатор, образованный глухим и полупрозрачным зеркалами.
Ввиду того, что накачка и теплоотвод в этом лазере осуществляются несимметрично относительно оптической оси активного элемента, имеет место неоднородность его накачки и неоднородность прогрева в поперечном сечении элемента. Это приводит, с одной стороны, к неоднородности плотности мощности в пучке лазерного излучения, а с другой - к возникновению термооптического клина в активном элементе [2-4]. Первый фактор вызывает неравномерность энергетической нагрузки на оптические элементы лазера и последующего оптического тракта, что приводит к снижению КПД накачки и ограничивает общий уровень мощности выходного излучения. Второй фактор приводит к отклонению лазерного пучка от оси лазера в резонаторе по мере прогрева активного элемента - до 60 угл. сек и более [4], что приводит к снижению кпд лазера вплоть до срыва генерации. Последнее особенно отрицательно сказывается в частотном квазинепрерывном режиме.
Наиболее близким к предлагаемому решению является лазер, описанный в [5]. Этот твердотельный частотный лазер содержит резонатор, образованный глухим и полупрозрачным зеркалами, оптический источник накачки, два активных элемента с теплоотводами, расположенных параллельно источнику накачки симметрично относительно его оси и оборачивающая треугольная призма с нечетным числом отражений больше единицы, причем призма установлена так, что ее основание обращено к торцам активных тел и ориентировано параллельно им, перекрывая проекции обоих торцов.
Согласно описанию [5], отражения лазерного пучка происходят последовательно от боковой грани, основания и второй боковой грани оборачивающей призмы. В такой конфигурации трудно обеспечить режим полного внутреннего отражения, а изготовление такой призмы представляет сложную технологическую задачу. Неоднородность накачки и температурного режима отрицательно сказывается на выходной энергии и однородности излучения, а также на трудоемкости и надежности изготовления лазера.
Задачей полезной модели является увеличение выходной энергии излучения, повышение однородности энергии в сечении лазерного пучка и обеспечение стабильности направления лазерного пучка в процессе работы лазера.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном твердотельном частотном лазере, содержащем резонатор, образованный глухим и полупрозрачным зеркалами, оптический источник накачки, два активных элемента с теплоотводами, расположенных параллельно источнику накачки симметрично относительно его оси, и оборачивающую призму, установленную так, что ее основание обращено к торцам активных элементов и ориентировано параллельно им, перекрывая проекции обоих торцов, оборачивающая призма выполнена в виде призмы-крыши, ребро которой расположено между осями активных элементов перпендикулярно плоскости, в которой лежат эти оси, а одно из зеркал резонатора выполнено в виде призмы БР-180°, ребро которой параллельно ребру оборачивающей призмы-крыши.
Теплоотводы могут быть установлены на поверхности активных элементов, противоположные источнику накачки.
Теплоотводы могут быть связаны между собой, образуя корпус, в который установлены источник накачки и активные элементы.
Внутренняя поверхность теплоотводов может быть выполнена с возможно высоким коэффициентом отражения на рабочей длине волны источника накачки.
Зеркало резонатора, образованное призмой БР-180° может быть выполнено вращающимся вокруг оси, лежащей в плоскости, перпендикулярной ее ребру и перпендикулярной к оптической оси резонатора.
Призма-крыша может иметь возможность поперечной подвижки и вращения вокруг своей продольной оси с фиксацией в рабочем положении.
На фиг. 1 представлена оптическая схема твердотельного моноимпульсного лазера. На фиг. 2 а) и б) показан вид лазера со стороны оборачивающей призмы при раздельных (фиг. 2 а) и соединенных (фиг. 2 б) теплоотводах. На фиг. 3 показано распределение энергии излучения в каждом из активных элементов, а также суммарное распределение энергии на выходе лазера.
Активные элементы 1 и 2 с теплоотводами 3 и 4 установлены параллельно оптическому источнику накачки 5 по разные стороны от его оси. Оптические оси активных элементов совмещены с помощью оборачивающей призмы 6 с двумя отражающими гранями. У противоположных торцов активных элементов установлены глухое зеркало 7 в виде призмы полного внутреннего отражения БР-180° и полупрозрачное зеркало 8, световое отверстие которого является выходом лазерного резонатора, образуемого зеркалами 7 и 8.
Устройство работает следующим образом.
При включении оптического источника накачки 5 происходит возбуждение активирующей примеси в активных элементах 1 и 2. В качестве оптического источника накачки может использоваться импульсная газоразрядная лампа [3] или две лазерных диодных линейки [4] - каждая для своего активного элемента. При достижении порога возбуждения происходит генерация лазерного импульса с характеристиками, определяемыми параметрами резонатора, образуемого зеркалами 7 и 8. Излучение лазера выходит через полупрозрачное зеркало 8.
1
1
Σ
В процессе накачки в активных элементах выделяется тепло, для отведения которого предусмотрены теплоотводы 3 и 4. В связи с тем, что энергия накачки поступает с одной стороны активного элемента, а его охлаждение происходит с противоположной стороны, в каждом активном элементе возникает термооптический клин, вызывающий отклонение оси лазерного пучка. При описанной структуре устройства излучение поочередно проходит горячие и холодные области активных элементов, как показано пунктиром на фиг. 1. Тем самым термооптические клинья оказываются направлены в противоположные стороны и компенсируют друг друга. В результате лазерное излучение на выходе лазера сохраняет свое положение, несмотря на отклонение в каждом из активных элементов, как показано на фиг. 3, где E*(x) - распределение энергии лазерного излучения на выходе активного элемента 1; Е*(х) - распределение на выходе активного элемента 2. Суммарное распределение Е*(x) на выходе лазера симметрично и однородно по сечению лазерного пучка. При этом вследствие разнонаправленности термооптических клиньев боковые отклонения в каждом элементе компенсируются, а направление выходного излучения сохраняется в процессе нагрева активных элементов.
Для обеспечения высокой эффективности накачки внутренние поверхности теплоотводов 3, 4 могут быть выполнены с высоким коэффициентом отражения, например, путем изготовления из серебра.
Теплоотводы 3 и 4 могут быть соединены перемычкой как с одной, так и с обеих сторон активных элементов. В последнем случае они образуют единый корпус-отражатель 9 (фиг. 2 б). Это, во-первых, улучшает отвод тепла, во-вторых, увеличивает концентрацию излучения накачки в активных элементах и, в-третьих, обеспечивает компактное и жесткое конструктивное исполнение лазера.
Глухое зеркало 7 может быть выполнено вращающимся вокруг оси, лежащей в плоскости, перпендикулярной ее ребру и перпендикулярной к оптической оси резонатора. В этом случае при вращении этого зеркала с необходимой скоростью возможно осуществление режима модуляции добротности [1].
Возможность подвижки призмы-крыши в поперечном направлении и ее вращения вокруг продольной оси позволяет точно сопрягать оси активных элементов в процессе сборки лазера.
Предлагаемый твердотельный частотный лазер имеет следующие преимущества.
- Использование оптических элементов с полным внутренним отражением обеспечивает высокую добротность резонатора.
- Использование стандартных прямоугольных призм повышает технологичность конструкции лазера и снижает трудоемкость его изготовления и юстировки.
- Непосредственный контакт теплоотводов с активными элементами обеспечивает эффективный съем избыточного тепла, выделяющегося при накачке.
- Использование призмы БР-180° в качестве глухого зеркала позволяет использовать это зеркало для оптико-механической модуляции добротности лазера.
Указанные преимущества обеспечивают решение поставленной задачи: увеличение выходной энергии излучения, повышение однородности энергии в сечении лазерного пучка и обеспечение стабильности направления лазерного пучка в процессе работы лазера.
Данный вывод подтвержден положительными результатами изготовления и испытаний макетного образца лазера.
Источники информации
1. Справочник по лазерной технике. Киев, «Технiка», 1978 г.
2. Импульсно-периодический лазер. Патент РФ №2197043.
3. Твердотельный лазер. Патент РФ №2346367.
4. Лазер. Патент РФ №2202845.
5. Мощный твердотельный лазер. Патент РФ №2100881 - прототип.