ОСВЕТИТЕЛЬ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА

Полезная модель относится к лазерной технике и может быть использована в осветителях малогабаритных твердотельных лазеров.
В малогабаритных лазерах с частотным режимом работы без принудительного охлаждения требование высокой оптической эффективности осветителя при ограниченном температурном рабочем диапазоне лазера обеспечиваются лишь оптимальными теплообменными характеристиками конструкции, благодаря которым происходит отвод тепла от лампы накачки и активного элемента.
Для осветителей твердотельных лазеров, в которых применяется накачка от газоразрядной лампы, обязательным элементом является отражатель, обеспечивающий концентрацию излучения накачки на активный элемент [1].
Широко известны осветители с трубчатыми или моноблочными отражателями из кварцевого стекла или лейкосапфира [1], [2], имеющими зеркальное гальваническое покрытие на наружной поверхности трубки или моноблока и установленные в корпусе лазера. Чаще всего в твердотельных лазерах применяются моноблочные кварцевые отражатели, зеркальная поверхность которых выполнена в виде эллиптического цилиндра, а в двух цилиндрических отверстиях моноблока, совпадающих с его фокальными осями, расположены параллельно друг другу лампа накачки и активный элемент. При определенных геометрических соотношениях в них можно добиться высокой концентрации излучения накачки на активный элемент. Высокий коэффициент отражения зеркальной поверхности - до 95%, можно обеспечить в широком спектральном диапазоне накачки, если использовать серебро, химически нанесенное на наружную полированную поверхность
кварцевого моноблока и защищенное снаружи осажденными гальваническим способом слоями никеля и меди.
Но проблема отвода тепла от лампы и активного элемента в кварцевом моноблоке эффективно решается только принудительным, лучше всего раздельным, охлаждением лампы накачки и активного элемента за счет прокачки жидкости, так как кварц плохо отводит тепло. Однако по габаритным соображениям принудительное охлаждение часто оказывается неприемлемым.
Лейкосапфир, обладающий высокой теплопроводностью, очень дорог и трудоемок в обработке.
В осветителе с трубчатым полым отражателем, имеющим одно цилиндрическое отверстие под лампу и активный элемент, стабильный тепловой режим и продолжительная работа лазера в частотном режиме может быть обеспечена за счет заполнения отверстия отражателя теплопроводящим компаундом [2]. Но кроме теплопроводности компаунд должен обладать высокой прозрачностью в широкой области спектра накачки и не терять своих свойств при длительной эксплуатации, что является непростой технической задачей.
С точки зрения концентрации излучения на активный элемент и эффективности накачки полый отражатель предпочтительней моноблочного, если выдержаны оптимальные соотношения геометрической формы, размеров и взаимного расположения лампы накачки, активного элемента и отражателя, так как в моноблоках выше потери излучения лампы из-за многократных отражений.
Известен осветитель твердотельного лазера, содержащий полый отражатель из металлической (серебряной или алюминиевой) фольги [3]. Внутри одной полости с зеркальной поверхностью, имеющей форму кругового, а чаще эллиптического цилиндра, расположены лампа накачки и активный элемент. Но серебряная фольга существенно снижает коэффициент отражения, как с течением времени, так и под действием ультрафиолетового
излучения, а обычные алюминиевые зеркальные покрытия имеют коэффициент отражения не более 80%.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству (прототип) является осветитель твердотельного лазера [4], содержащий лампу накачки, активный элемент и отражатель из металлической фольги с зеркальной поверхностью, установленный в корпусе осветителя с обеспечением теплового контакта между металлической фольгой и корпусом. Тепловой контакт фольги с корпусом осветителя посредством теплопроводящего компаунда улучшает отвод тепла.
Корпус осветителя представляет собой теплоаккумулирующую, чаще всего металлическую, деталь произвольного объема и формы.
В прототипе металлическую фольгу с зеркальной поверхностью получают путем химического серебрения кварцевой подложки с последующим гальваническим нанесением слоев меди и никеля и удалением фольги с кварцевой подложки.
Как следует из описания и чертежей [4], серебряная зеркальная поверхность фольги является наружной, и повышение ее химической стойкости обеспечивается лишь высокой чистотой осажденного серебра или переносом с кварцевой подложки мономолекулярного защитного слоя.
В прототипе обеспечено создание безжидкостного кондуктивно охлаждаемого осветителя твердотельного лазера меньшей массы, более технологичного и надежного по сравнению с аналогичной аппаратурой, использующей жидкостное охлаждение и кварцевые или сапфировые моноблоки в качестве отражателей. Это позволило, как следует из описания [4], создать излучатель на частоте 5...10 Гц в диапазоне температур до +65°С в циклическом режиме работы при длительности цикла 20 с.
Однако предложенный в [4] осветитель имеет недостатки, наиболее существенные из которых:
- потемнение наружной серебряной зеркальной поверхности фольги под действием излучения, воздуха и влаги, требующее периодической полировки отражателя или дополнительного защитного покрытия;
- ограниченный срок эффективной работы из-за ухудшения качества наружной серебряной зеркальной поверхности с течением времени;
- сложная технология и высокая стоимость изготовления отражателя из фольги с наружным зеркальным серебряным покрытием.
Задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, заключается в создании безжидкостного кондуктивно охлаждаемого осветителя малогабаритных твердотельных лазеров, обладающего при высокой эффективности накачки лучшим тепловым режимом работы, долговечностью и надежностью, высокой технологичностью изготовления и низкой стоимостью по сравнению с прототипом.
Поставленная задача решается тем, что в осветителе твердотельного лазера, содержащем лампу накачки, активный элемент и отражатель из металлической фольги с зеркальной поверхностью, установленные в корпусе с обеспечением теплового контакта между металлической фольгой и корпусом, в отличие от прототипа металлическая фольга выполнена из алюминия с интерференционным покрытием, ее зеркальная поверхность имеет коэффициент отражения в спектральном диапазоне накачки активного элемента 0.4...0.7 мкм не менее 95%, а для ультрафиолетового (УФ) излучения коэффициент отражения составляет менее 55%, при этом лампа накачки и активный элемент расположены внутри отражателя на минимальном расстоянии друг от друга, отверстие под отражатель в корпусе осветителя выполнено в форме кругового или эллиптического цилиндра, при этом эксцентриситет эллиптического цилиндра минимален и составляет величину 0.24...0.48.
Такая конструкция осветителя обеспечивает высокую эффективность накачки за счет максимальной концентрации излучения лампы на активном элементе.
Лучший тепловой режим работы в предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом обеспечивается не только за счет пониженного до 55% коэффициента отражения зеркальной поверхности в УФ-области спектра, но также за счет сильной зависимости этого коэффициента от угла падения излучения на зеркальную поверхность. Известно, что УФ-излучение увеличивает тепловыделение собственно активного элемента, сильно разогревая его [2]. При малых углах падения излучения («нормальное» падение) УФ-излучение поглощается зеркальной поверхностью отражателя значительно сильнее, чем при больших углах падения.
«Нормальное» падение излучения обеспечивается конструктивно в отражателе в форме кругового или эллиптического с минимальным эксцентриситетом цилиндра при расположении лампы и активного элемента в центре отражателя близко друг к другу. Наоборот, сильно вытянутый эллипс, с расположенными на его фокальных осях лампой и активным элементом, увеличивает углы падения и долю УФ-излучения, отраженного от зеркальной поверхности и попадающего на активный элемент.
Надежность и долговечность предлагаемого осветителя обеспечиваются высокими техническими характеристиками зеркальной поверхности алюминиевой фольги, а именно:
- высоким коэффициентом отражения - 95% в широком спектральном диапазоне накачки, большой механической прочностью и эластичностью, позволяющими придавать отражателю различную геометрическую форму,
- высокой стойкостью к действию интенсивного УФ-излучения лампы накачки.
Коэффициент отражения зеркальной поверхности сохраняет свое высокое значение в течение всего времени эксплуатации, в отличие от прототипа, в котором слой химического серебра темнеет под действием УФ-излучения, и коэффициент отражения заметно снижается со временем.
Сущность предложенного устройства поясняется чертежами.
На фиг.1 показана конструктивная схема осветителя.
На фиг.2, 3 показана зависимость углов падения излучения лампы от конструкции отражателя.
Осветитель твердотельного лазера (фиг.1) включает в себя теплоаккумулирующий корпус 1 с отверстием, в котором параллельно оси отверстия расположены лампа накачки 2 и активный элемент 3. В отверстии корпуса 1 находится отражатель 4 из алюминиевой фольги с зеркальной поверхностью, геометрическая форма и размеры которого соответствуют отверстию корпуса, зеркальная поверхность отражателя находится со стороны лампы и активного элемента. Между поверхностями отверстия корпуса 1 и отражателя 4 находится слой 5 теплопроводящего компаунда, обеспечивающий тепловой контакт между алюминиевой фольгой и корпусом.
Зеркальная поверхность отражателя 4 представляет собой слой осажденного на алюминиевую ленту чистого алюминия, на котором расположены последовательно интерференционные слои двуокисей кремния и титана. Например, отражатель может быть выполнен из алюминиевой ленты с зеркальной поверхностью марки MIRO 2 LCD фирмы ALANOD Aluminium-Veredlung GmbH & Co. KG.
Коэффициент отражения зеркальной поверхности в спектральном диапазоне накачки активного элемента от 400 до 700 нм составляет не менее 95%, при этом коэффициент отражения для вредной ультрафиолетовой части спектра (длина волны менее 400 нм) значительно ниже 55%.
Лампа накачки 2 и активный элемент 3 расположены в центре отражателя на минимальном расстоянии друг от друга так, что их оси параллельны между собой и образующей цилиндрической поверхности отражателя.
Отверстие для отражателя 4 в корпусе 1 осветителя выполнено в форме кругового или эллиптического цилиндра с минимальным эксцентриситетом (фиг.2).
Геометрия эллиптического цилиндра в сечении определяется параметрами а, в, с (фиг.3), где: а - большая полуось, в - малая полуось, с - половина расстояния между фокусами эллипса. При этом
а эксцентриситет эллипса
должен быть минимально возможным, благодаря чему обеспечивается лучший тепловой режим работы в предлагаемом устройстве, что объясняется рисунками на фиг.2, 3.
Осветитель работает следующим образом.
Большая часть излучения лампы накачки 2 (фиг.2, 3), расположенной на одной из фокальных осей эллиптического цилиндрического отражателя 4, попадает на его зеркальную поверхность и, отражаясь от нее, концентрируется на активном элементе 3, находящемся на второй фокальной оси. Исключение составляет лишь небольшая часть излучения, попадающая от лампы непосредственно на активный элемент 3 в зоне прямого действия, и часть излучения, попадающая на отражатель в зоне экранирования и потому бесполезно потерянная для накачки.
Коэффициент отражения зеркальной алюминиевой фольги для спектрального диапазона накачки активного элемента от 400 до 700 нм составляет не менее 95%, при этом коэффициент отражения для вредной УФ-области спектра (длина волны менее 400 нм), отрицательно влияющей на работу активного элемента, значительно ниже 55%.
Коэффициент отражения зеркальной поверхности в УФ-области спектра сильно зависит от угла падения излучения на поверхность. При малых углах падения излучения («нормальное» падение) УФ-излучение поглощается зеркальной поверхностью отражателя значительно сильнее, чем
при больших углах падения, улучшая тем самым тепловой режим работы лазера.
«Нормальное» падение излучения от лампы 2 на отражатель 4 обеспечивается конструктивно в предлагаемом осветителе тем, что он выполнен в форме кругового или эллиптического с минимальным эксцентриситетом цилиндра, а лампа 2 и активный элемент 3 расположены в центре как можно ближе друг к другу (фиг.2). В этом случае углы падения излучения α от лампы на отражатель минимальны, и значительная часть ультрафиолетового излучения лампы поглощается зеркальной поверхностью. На активном элементе в этом случае концентрируется излучение, в котором доля вредного УФ-излучения заметно снижена.
Наоборот, расположение лампы 2 и активного элемента 3 на фокальных осях сильно вытянутого эллиптического цилиндра (фиг.3) увеличивает углы падения α и долю вредного УФ-излучения, отраженного от зеркальной поверхности, попадающего на активный элемент и разогревающего его.
Расчет показывает, что при диаметре колбы лампы 6 мм и диаметре активного элемента 4 мм минимальный эксцентриситет эллипса, при котором углы падения излучения на отражатель не превысят 26°, будет в пределах 0.24...0.48.
Таким образом, предложенная полезная модель осветителя твердотельного лазера обеспечит при высокой эффективности накачки лучший отвод тепла из полости отражателя и лучший тепловой режим, увеличение срока службы лазера, стабильности его работы и надежности за счет высоких технических характеристик зеркального покрытия отражателя по сравнению с прототипом.
Источники информации:
1. Б.Р.Белостоцкий и др. «Основы лазерной техники. Твердотельные ОКГ.», гл.1 - М., «Советское радио», 1972 г.
2. «Оптический журнал», том 67, №8, 2000 г.
3. Микаэлян А.П., Тер-Микаэлян М.Л., Турков Ю.Г. «Оптические квантовые генераторы на твердом теле» - М., Советское радио, 1967 г.
4. Патент RU 2225061 С1, МПК H01S 3/09, G02B 5/08, публ. 2004 г. - прототип