МИКРОЛАЗЕРНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ

Заявляемая полезная модель относится к области лазерной техники, в частности, к твердотельным микролазерам, и может быть применима в системах диагностики и контроля, в голографии, интерферометрии, системах записи и вывода изображения, когерентных оптических датчиках, средствах локации и подводной связи, в робототехнике и медицине.
Микролазеры представляют собой новую технологическую платформу, дающую преимущества по сравнению с лазерами, построенными по классической схеме.
Микролазеры более экономичны с точки зрения затрат за счет малых габаритных размеров.
Известен микрочиповый лазер, в котором резонатор состоит из входного и выходного зеркал и расположенной между ними усилительной среды (активного элемента), а также, по крайней мере, один нелинейный кристалл (патент US №5402437, кл. H01S 003/094, 1995) [1].
Недостатками конструкции известного микрочипового лазера являются:
- необходимость стендовой настройки длины резонатора в рабочем режиме дополнительной юстировкой разнесенных на необходимое расстояние входного и выходного зеркал резонатора;
- сложность конструкции при использовании способа создания продольного или поперечного напряжения в активном элементе, т.к. этот способ требует применения дополнительных прецизионных механических или пьезоэлектрических устройств;
- сложность изготовления компактного теплоизолирующего устройства в конструкции температурной подстройки микролазера из-за необходимости поддержания температуры с высокой точностью, что в реальных условиях работы микролазера при различных температурах окружающей среды осуществить без надежной и громоздкой теплоизоляции сложно.
Указанные недостатки устранены в микролазере по патенту на изобретение №2304332 [2] созданием компактной конструкции микролазера, в которой подстройка резонатора методом коррекции, наведенной в активном элементе термической линзы, осуществляется пассивными элементами, находящимися вне и/или внутри резонатора.
Известный микролазер содержит источник накачки в виде лазерного диода, коллиматор и/или фокусирующую оптику, резонатор, состоящий из входного и выходного зеркал, расположенного между ними активного элемента и двух пластин, выполненных из не поглощающего лазерное излучение теплопроводящего материала, причем пластины, активный элемент и зеркала выполнены плоскопараллельными, а все перечисленные элементы резонатора находятся в плотном контакте друг с другом, причем источник накачки и резонатор установлены, по крайней мере, на один термоэлектрический модуль. Указанный микролазер является по совокупности существенных признаков наиболее близким устройством того же назначения к заявляемой полезной модели. Поэтому он принят в качестве прототипа.
Указанный микролазер по своим весогабаритным и некоторым техническим характеристикам не только не уступает лазерам, построенным по традиционной классической схеме, но и превосходит их. В широком интервале мощности накачки 0.3÷1.5 Вт на микролазерах с активными элементами из кристаллов Nd:LSB был, получен дифференциальный КПД 65%. Это близко к теоретическому пределу (76%). По таким параметрам, как стабильность выходной мощности и среднеквадратичный уровень шумов, измеренный в диапазоне 10 Гц ÷ 1 ГГц, микролазер не уступают лучшим образцам, выпускаемым в мире.
Однако для промышленного применения микролазер должен быть выполнен в корпусе, конструктивно и технологически совместимом с соответствующим промышленным оборудованием.
Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемой полезной моделью является получение миниатюрного микролазерного излучателя, излучающего в зеленой - 531 нм области спектра и работающего в непрерывном или импульсном режимах, с возможностью размещения его в корпусе лазерного диода.
Сущность полезной модели состоит в том, что микролазерный излучатель содержащий источник накачки в виде лазерного диода, коллиматор и/или фокусирующую оптику, резонатор, состоящий из входного и выходного зеркал, расположенного между ними активного элемента и двух пластин, выполненных из не поглощающего лазерное излучение теплопроводящего материала, причем пластины, активный элемент и зеркала выполнены плоскопараллельными, а все перечисленные элементы резонатора находятся в плотном контакте друг с другом, причем источник накачки и резонатор установлены, по крайней мере, на один термоэлектрический модуль. При этом резонатор заключен в корпус чипа, закрепленного на опорном элементе, который размещен на
термоэлектрическом модуле, при этом вся конструкция заключена в корпус, состоящий из основания и крышки;
- при этом чип дополнительно снабжен конусообразным элементом с продольным отверстием для прохождения лазерного луча, поджатым к корпусу чипа пружинным элементом;
- при этом крышка корпуса снабжена выходным окном, расположенным на наклонном участке крышки;
- при этом крышка корпуса выполнена с внешним рантом, обеспечивающим возможность ее крепления к основанию.
Перечень графических материалов, иллюстрирующих заявляемую полезную модель.
Фиг.1. Общий вид заявляемого микролазерного излучателя в разрезе по А-А.
Фиг.2. Вид сверху заявляемого микролазерного излучателя.
Заявляемый микролазерный излучатель содержит источник накачки в виде лазерного диода 1, коллиматора и/или фокусирующей оптики, резонатор 2. Фокусирующая оптика может быть выполнена в виде цилиндрической, или сферической, или градиентной линзы. Фокусирующая оптика, например, может состоять из одной цилиндрической линзы диаметром 150 мкм, установленной на теплоотводе лазерного диода 1 накачки.
Резонатор 2 выполнен по патенту №2304332 и состоит из входного и выходного зеркал (не обозначены), расположенного между ними активного элемента 3 и двух пластин, выполненных из не поглощающего лазерное излучение теплопроводящего материала, причем пластины, активный элемент и зеркала выполнены плоскопараллельными. Элементы резонатора находятся в плотном механическом контакте друг с другом. Резонатор 2 заключен в корпус 4 чипа, закрепленного винтом 5 на опорном элементе 6. Опорный элемент 6 закреплен на термоэлектрическом модуле 7. Источник накачки 1 и резонатор 2 установлены на один термоэлектрический модуль 7, который служит для их (1 и 2) термостабилизации. Чип снабжен конусообразным элементом 8 с продольным отверстием для прохождения лазерного луча. Для обеспечения плотности конусообразный элемент 8 поджат к корпусу 6 чипа пружинным элементом 9.
Вся конструкция заключена в состоящий из основания 10 и крышки 11 металлический корпус, который обеспечивает плотный контакт всех элементов излучателя и на который сбрасывается тепло, выделяемое в активном элементе 3 и переносимое теплопроводящими пластинами.
На наклонном участке крышки 11 корпуса расположено выходное окно 12. Через него осуществляется вывод рабочего оптического излучения (531 nm) во внешнюю среду. Выходное окно 12 является фильтром для проходящего через него излучения, исключения присутствия в выходном излучении генерации первой гармоники (1062 мм) резонатора, т.е. в качестве выходного фильтра, так как на одной из поверхностей окна нанесено оптическое зеркальное покрытие с высоким отражением на 1062 нм. Выходное окно 12 служит также для обеспечения герметичности всей конструкции.
Выходное окно 12 в крышке выполнено наклонным для предотвращения попадания отраженного излучения в резонатор лазера. Для обеспечения этого условия угол наклона может составлять 12°.
Крышка 11 корпуса выполнена с внешним рантом 13 для обеспечения возможности крепления к основанию 10. Соединение между крышкой и основанием может быть выполнено с помощью двухкомпонентного компаунда с высокими эксплуатационными характеристиками, позволяющими качественно соединить две детали.
Основанием 10 служит корпус ТО-3 лазерного диода [3].
Резонатор 2 может состоять из одного кристалла - активного элемента Nd:LSB, двух - кристалла Nd:LSB и кристалла иттрий-алюминиевого граната, активированного ионами хрома Cr4+:YAG, выполняющего роль пассивного затвора или кристалла Nd:LSB и нелинейного кристалла калий-титанил фосфата KTJOP04 (КТР), трех кристаллов - Nd:LSB, КТР и Cr4+:YAG. Кристаллы, из которых построен микрочип, представляют собой плоскопараллельные пластины размерами 2×2 мм и толщиной 0.3÷1.0 мм, на торцевые поверхности которых нанесены оптические покрытия. Такие миниатюрные размеры микрочипа позволяют разместить его в корпусе ТО-3 лазерного диода [3].
Заявляемая конструкция позволяет изготавливать миниатюрные лазерные излучатели с высокими техническими характеристиками. Микролазер в корпусе ТО-3 (фиг.1) имеет единую систему термостабилизации диода накачки и лазерного микрочипа. В качестве источника 1 накачки служит лазерный диод с линзой диаметром 150 мкм. При накачке лазерным диодом мощностью 1В-т@808 нм, выходная мощность лазерного излучения в зеленой области спектра составляет до 250 мВт@531 нм.
Работа микролазерного излучателя.
Необходимое напряжение питания подается на лазерный диод 1 накачки, который излучает свою рабочую длину волны 808 nm и, пройдя через
формирующую оптику и входное зеркало лазерного резонатора, попадает на активный элемент 2, где посредством выходного зеркала резонатора генерируется лазерное излучение с длиной волны 1062 nm. Затем излучение попадает в нелинейный элемент удвоения, расположенный внутри резонатора и преобразует основную длину волны излучения-1062 nm в 531 nm, которое и выходит из резонатора через продольное отверстие конусообразного элемента.
Плотное соединение друг с другом плоскопараллельных активного элемента, теплопроводящих пластин и зеркал обеспечивает изготовление резонатора, не требующего дополнительной юстировки, поскольку собранные в плотном контакте перечисленные элементы образуют плоскопараллельный резонатор.
Все элементы микролазерного излучателя помещены в металлический корпус, основанием которого служит стандартный корпус ТО-3 лазерного диода. Такая конструкция заявляемого микролазерного излучателя обеспечивает конструктивную и технологическую совместимость с соответствующим промышленным оборудованием.
На заявляемый микролазерный излучатель разработана техническая документация, изготовлены опытные образцы.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ.
1.Патент США №5402437, кл. H01S 003/094, 1995.
2.Патент РФ №2304332 на изобретение «Микролазер», опубл. 2007.08.10 (прототип).
3. Интернет-ресурс http://www.rmtltd.ru/. Компания RMT Ltd. Корпуса ТО-3, применяемые при производстве микросхем. Спецификация.