Импульсно-периодический лазер

 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в твердотельных импульсно-периодических лазерах и лазерных усилителях, работающих без жидкостного охлаждения. Технический результат изобретения - повышение мощности излучения лазера в широком диапазоне мощностей накачек. Импульсно-периодический лазер содержит установленные в отражающем осветителе активный элемент в сапфировом трубчатом держателе и лампу накачки. Ближняя от лампы накачки часть активного элемента контактирует по всей длине с сапфировым держателем, а противоположная часть - с металлической пластиной с коэффициентом отражения не менее 0,85, причем толщина пластины В, диаметр активного элемента Д и внутренний диаметра d сапфирового держателя связаны соотношением 2 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике, а более конкретно к конструкции основного узла лазерного излучателя-квантрона, и может быть использовано в твердотельных импульсно-периодических лазерах и лазерных усилителях, работающих без жидкостного охлаждения.

Такой лазер обладает хорошей эффективностью только при небольших средних мощностях накачки. При увеличении средней мощности накачки (более 150 Вт) существенно увеличиваются термические деформации активного элемента, связанные с односторонним притоком тепла от лампы накачки. Эти деформации приводят к уменьшению мощности излучения.

Известен лазер, квантрон которого содержит активный элемент в трубчатом держателе из прозрачного теплопроводного материала и по крайней мере одной лампы накачки, контактирующей с ситалловым корпусом осветителя.

Теплоотвод от активного элемента, расположенного соосно в трубчатом держателе, осуществляемый через две индиевые прокладки, расположенные симметрично плоскости, проходящей через оси лампы накачки и активного элемента, уменьшает температуру активного элемента.

К недостаткам указанного лазера относится наличие клиновой термической деформации активного элемента в плоскости, проходящей через лампу накачки и активный элемент, а также недостаточный теплоотвод от активного элемента, размещенного с воздушным зазором в трубчатом держателе, что приводит к снижению мощности генерации лазера. Применение второй лампы с противоположной стороны активного элемента позволяет компенсировать клиновую деформацию активного элемента, но эффективность двухлампового осветителя в данном случае уменьшится в полтора раза по сравнению с одноламповым осветителем.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является лазер, содержащий в диффузно-отражающем осветителе лампу накачки и активный элемент, асимметрично расположенный в прозрачном трубчатом держателе (Балашов И. Ф. и др. Применение монокристаллических труб для выравнивания температуры в активной среде твердотельного лазера. Известия Академия Наук, Сер. Физическая, том 44, 2, с. 393-395).

Значительное уменьшение термических искажений активного элемента при средних мощностях накачки достигается путем смещения активного элемента в трубчатом держателе в сторону лампы накачки, что приводит к выравниванию температуры более нагретой со стороны лампы накачки части АЭ и противоположной, менее нагретой.

К недостаткам этого лазера относится снижение мощности генерации при увеличении мощности накачки (200 Вт и более) за счет перегрева активного элемента.

Целью настоящего изобретения является повышение мощности генерации лазера в широком диапазоне мощностей накачек (200÷350 Вт и более), уменьшения температуры активного элемента и его термооптических деформаций.

Указанная цель достигается тем, что в лазере, содержащем в диффузно-отражающем осветителе лампу накачки и активный элемент в прозрачном трубчатом держателе, ближняя к лампе накачки часть активного элемента контактирует по всей длине с трубчатым держателем, а противоположная часть боковой поверхности активного элемента находится в тепловом контакте с металлической пластиной с коэффициентом отражения не ниже 0,85 для излучения накачки, причем толщина пластины В диаметр активного элемента Д и внутренний диаметр трубчатого держателя d связаны соотношением Контакт ближней, более нагретой, от лампы накачки части активного элемента с прозрачным трубчатым держателем уменьшает температуру верхней части активного элемента по сравнению с нижней его частью. Поэтому для уменьшения градиента температуры, а следовательно, и термических искажений в активном элементе, возникает необходимость понижения температуры нижней части активного элемента, что достигается путем ее контакта с металлической пластиной.

Достаточно хороший коэффициент отражения контактирующей части пластины (не менее 0,85) для излучения накачки и незначительная площадь отражения поверхности пластины, находящейся в осветителе, не снижают его эффективность более чем на 10%.

Изобретение поясняется чертежами, где на фигуре 1 (показана конструкция квантрона лазера, на фигуре 2 (а, б) - зависимость спада энергии генерации от времени работы лазера.

Кривые а - для прототипа для мощности накачки 150 Вт.

Кривые б - для предлагаемого устройства, для мощности накачки 350 Вт.

Примером конкретного выполнения является лазер, содержащий в плоскосферическом резонаторе длиной 150 мм, образованным 100% отражающим зеркалом с кривизной r= 1200 м и выходным зеркалом с коэффициентом отражения R=70% (на чертеже условно не показан), активный элемент 1 из КГВ с внутренним диаметром ⊘ 5х50 мм в лейкосапфировом держателе 2 с внутренним диаметром ⊘ 5,2 мм, длиной 50 мм и толщиной стенки 1,5 мм и лампу накачки 3 типа ИНПЗ/35А. В нижней части лейкосапфирового держателя 2 и металлического (сплав Д16Т) корпуса 4 лазера сделаны симметричные продольные пропилы шириной 1,5 мм и длиной 51 мм, в которые вставляется алюминиевая пластина 5 толщиной 1,5 мм, длиной 50 мм и высотой 15 мм. Верхняя часть пластины 5 выполнена с радиусом R=2,5 мм и обеспечивает тепловой контакт с активным элементом 1.

Пластина 5 с помощью пружин 6 прижимает активный элемент 1 к верхней части лейкосапфирового держателя 2. Для обеспечения теплового контакта боковой поверхности пластины 5 с металлическим корпусом лазера 4 применяется теплопроводная паста КПТ-8.

Предложенное устройство работает следующим образом.

Упругий прижим активного элемента 1 металлической пластиной 5 с помощью пружин 6, по сравнению с жестким прижимом, предотвращает возможность прогиба АЭ, уменьшает внутренние деформации в нем. Пружины 6 изготовлены из ленты Бр Б2-Т-0,5-н шириной 4 мм и длиной 20 мм.

Тепловой поток от лампы накачки 3 создает градиент температуры в активном элементе 1 и связанные с ним клиновые термические деформации активного элемента (АЭ) 1, приводящие к уменьшению мощности генерации.

Осуществляя контакт ближней от лампы накачки 3 более нагретой части боковой поверхности АЭ1 уменьшается нагрев АЭ1 за счет теплоотвода на лейкосапфировый держатель 2.

Чем больше отношение Д, тем эффективнее теплоотвод, но вместе с тем эта часть АЭ1 за счет интенсивного теплоотвода становится менее нагретой по сравнению с нижней, противоположной частью АЭ1. Поэтому для избежания значительного градиента температуры, нижняя часть активного элемента 1 также охлаждается с помощью металлической пластины 5. Следовательно, теплоотвод от верхней и нижней части АЭ1 уменьшает термические искажения в активном элементе, существенно понижает его температуру, что в конечном счете приводит к повышению мощности генерации. Тем самым достигается цель изобретения.

Максимальный эффект в снижении температуры в термооптических деформаций активного элемента 1, приводящих к увеличению мощности генерации, без уменьшения эффективности осветителя достигается при использовании соотношений между диаметром АЭ Д, внутренним диаметром лейкосапфирового держателя d и толщины пластины В, приведенных в формуле изобретения.

Проведенные эксперименты показали, что уменьшение отношения Д/d с 0,90 до 0,8 ведет к увеличению спада энергии генерации на 15÷20% за счет ухудшения теплоотвода от АЭ (уменьшается площадь эффективного контакта АЭ с лейкосапфировым держателем).

При значениях Д/d>0,95 возрастают термические искажения АЭ, что влечет за собой спад энергии излучения в серии импульсов генерации.

Увеличение отношения B/Д с 0,30 до 0,40 ведет к снижению эффективности осветителя на 15÷20% и возрастанию градиента температуры за счет более интенсивного теплоотвода от нижней части АЭ по сравнению с его ближней от лампы накачки частью АЭ, при уменьшении B/Д от 0,25 и менее, наоборот интенсивность теплоотвода от нижней части активного элемента недостаточна для компенсации градиента температуры.

Технико-экономическая эффективность изобретения заключается в том, что предложенная выше конструкция импульсно-периодического неохлаждаемого лазера (его основной части - квантрона) обеспечивает минимальные термооптические деформации активного элемента и тем самым высокую стабильность энергетических характеристик лазерного излучения как в генерационном, так и в усилительном режимах.

Формула изобретения

Импульсно-периодический лазер, содержащий установленные в диффузно-отражающем осветителе лампу накачки, активный элемент в прозрачном трубчатом держателе со смещением в сторону лампы накачки, отличающийся тем, что, с целью повышения мощности излучения в широком диапазоне мощностей накачки за счет уменьшения термооптических деформаций активного элемента и снижения его температуры, ближняя от лампы накачки часть активного элемента контактирует по всей длине с прозрачным трубчатым держателем, а противоположная часть боковой поверхности активного элемента находится в тепловом контакте с металлической пластиной с коэффициентом отражения не менее 0,85 для излучения накачки, причем толщина пластины В, диаметр активного элемента Д и внутренний диаметр трубчатого держателя d связаны соотношением

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2