Твердотельный лазер с продольной накачкой

Изобретение относится к лазерной технике, к твердотельным лазерам с продольной накачкой, и предназначено для использования в приборостроении, оптической связи. Лазер включает корпус, оптический модуль накачки, резонатор лазера. Резонатор лазера состоит из корпуса, в котором установлена цилиндрическая оправа с выходным зеркалом и активным элементом. Активный элемент вклеен теплопроводящим компаундом в калиброванный ложемент. Ложемент выполнен в цилиндрической оправе со стороны оптического модуля накачки. Термоэлектрический модуль расположен на торце корпуса резонатора со стороны калиброванного ложемента. Термоэлектрический модуль соединен с цилиндрической оправой теплоотводом резонатора. Теплоизоляционная прокладка размещена между цилиндрической оправой и корпусом резонатора. Лазер снабжен контроллером температуры и термодатчиком. Входы управления контроллера температуры соединены с выходами термодатчика, выходы - с входами термоэлектрического модуля. Технический результат - стабилизация мощности лазерного излучения в широком температурном диапазоне. 1 ил.

 

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к твердотельным лазерам с продольной накачкой, и предназначено для использования в приборостроении, в лазерной технике и оптической связи.

Известен твердотельный лазер с накачкой лазерными диодами (патент №2105399, МПК: 6 Н 01 S 3/094, приоритет 03.12.1996 г.), включающий микрохолодильник, на теплопроводящей пластине которого установлены лазерные диоды с цилиндрическими линзами, трапециедальную призму, а также последовательно установленные сферическую линзу, активный элемент и выходное зеркало резонатора, причем на торец активного элемента со стороны сферической линзы нанесено комбинированное покрытие, а на противоположный торец нанесено просветляющее покрытие.

Недостатком такого лазера является угловая нестабильность выходного излучения лазера при изменении температуры окружающей среды и ограниченный температурный диапазон его работы. При изменении температуры корпуса на ±10°С относительно средней температуры 20°С наблюдается уход лазерного пучка на 30 угловых минут относительно среднего положения при значительном, в несколько раз, изменении выходной мощности. При большем изменении температуры генерация лазерного излучения прекращается.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является твердотельный лазер с продольной накачкой (патент №2172544, МПК: 6 Н 01 S 3/02, приоритет 02.03.2000 г.), включающий последовательно соединенные оптический модуль накачки и резонатор лазера с выходным зеркалом и активным элементом, вклеенным теплопроводящим компаундом в калиброванный ложемент. Ложемент выполнен со стороны оптического модуля накачки в цилиндрической оправе резонатора, закрепленной в корпусе лазера соосно с оптической осью модуля накачки.

В этом лазере отвод тепла от активного элемента лазера осуществляется через теплопроводящий компаунд радиально в цилиндрическую оправу и далее через места крепления цилиндрической оправы в корпус лазера. При этом в активном элементе не возникает эффекта тепловой изменяющейся цилиндрической линзы, приводящей к угловому смещению выходного излучения лазера.

Недостатком этого лазера является снижение мощности выходного излучения лазера при предельно низких температурах окружающей среды и в связи с этим недостаточный температурный диапазон его работы.

Задачей предлагаемого изобретения является стабилизация мощности лазерного излучения в широком температурном диапазоне.

Технический результат достигается за счет того, что в твердотельном лазере с продольной накачкой, включающем корпус с последовательно установленными и оптически сопряженными оптическим модулем накачки и резонатором лазера, состоящим из цилиндрической оправы с выходным зеркалом и активным элементом, вклеенным теплопроводящим компаундом в калиброванный ложемент, выполненный в ней со стороны оптического модуля накачки, цилиндрическая оправа установлена в корпусе резонатора, закрепленном в корпусе лазера, на торце корпуса резонатора со стороны калиброванного ложемента с активным элементом установлен термоэлектрический модуль, теплоотводящая пластина которого соединена теплоотводом резонатора с цилиндрической оправой, между остальной частью цилиндрической оправы и корпусом резонатора размещена теплоизоляционная прокладка, при этом лазер снабжен контроллером температуры и расположенным на теплоотводе резонатора термодатчиком, входы управления контроллера температуры соединены с выходами термодатчика, а выходы - с входами термоэлектрического модуля.

Создание лазеров, работающих в широком температурном диапазоне, до настоящего времени остается актуальной задачей в лазерной технике, решение которой позволит существенно расширить область применения устройств, содержащих в своем составе лазер.

Изменение температуры деталей, составляющих резонатор лазера, может существенно влиять на характеристики излучения, такие как мощность, диаграмма направленности, спектральный и модовый состав.

Температурное воздействие на элементы конструкции лазера приводит, с одной стороны, к деформациям, вызывающим разъюстировку резонатора, и, как следствие, ухудшение параметров излучения, а с другой стороны, происходит изменение физических характеристик активной среды лазера, что, в основном, оказывает влияние на мощность, расходимость лазерного пучка и спектр выходного излучения.

Основная особенность работы резонатора твердотельного лазера состоит в том, что на параметры выходного излучения оказывают существенное влияние термооптические искажения, возникающие вследствие неравномерного разогрева активного элемента излучением накачки.

При расчете длины резонатора и радиуса кривизны выходного зеркала принималось во внимание наличие величины наведенной в оптическом элементе термической линзы, фокусное расстояние которой в общем случае зависит от мощности накачки, вводимой в активный элемент.

На практике в большинстве случаев термооптические искажения происходят из-за появления в активном элементе термической линзы, которую можно приближенно выразить в виде идеальной линзы с фокусным расстоянием:

F_то=2πК_т/(Рγηω_p ²)dn/dT,

где К_т - коэффициент теплопроводности активного элемента;

Р - средняя мощность накачки;

γ - доля мощности накачки, поглощенная в активном элементе;

η - эффективность поглощения излучения накачки;

ω_р - радиус пятна накачки на уровне 1/е²;

dn/dT - температурный градиент показателя преломления.

В формуле К_т, γ, η, dn/dT имеют температурную зависимость, что вызывает в диапазоне ±50°С изменения фокусного расстояния термооптической линзы в два раза.

Особенно сильно эти изменения термической линзы оказывают влияние на резонаторы с динамической стабильностью.

Установление цилиндрической оправы в корпусе резонатора, закрепленном в корпусе лазера, расположение на торце корпуса резонатора со стороны калиброванного ложемента с активным элементом термоэлектрического модуля, теплоотводящая пластина которого соединена с цилиндрической оправой теплоотводом резонатора, размещение между остальной частью цилиндрической оправы и корпусом резонатора теплоизоляционной прокладки, снабжение лазера контроллером температуры и расположенным на теплоотводе резонатора термодатчиком и соединение входов управления контроллера температуры с выходами термодатчика, а выходов - с входами термоэлектрического модуля позволило снизить влияние температуры окружающей среды на температуру резонатора лазера и тем самым обеспечить стабилизацию мощности лазерного излучения в широком температурном диапазоне.

На чертеже представлена конструкция твердотельного лазера с продольной накачкой.

Твердотельный лазер с продольной накачкой содержит корпус 1, в котором установлены оптический модуль накачки 2 и резонатор лазера 3. Резонатор лазера 3 состоит из установленной в корпусе резонатора 4 цилиндрической оправы 5 с закрепленными в ней активным элементом 6 и выходным зеркалом с оправой 7. Активный элемент 6 вклеен в калиброванный ложемент 8, который выполнен в цилиндрической оправе 5 со стороны модуля накачки 2. На торце корпуса резонатора 4 со стороны активного элемента 6 установлен термоэлектрический модуль 9, теплоотводящая пластина которого через теплоотвод резонатора 10 соединена с цилиндрической оправой 5. Между остальной частью цилиндрической оправы 5 и корпусом резонатора 4 расположена теплоизоляционная прокладка 11. На торец 12 активного элемента 6, обращенный к оптическому модулю накачки 2, нанесено комбинированное покрытие, отражающее на рабочей длине волны лазера и пропускающее на длине волны накачки. На противоположный торец 13 активного элемента 6 нанесено просветляющее покрытие на рабочую длину волны лазера. Корпус резонатора 4 закреплен между опорной 14 и зажимной 15 частями корпуса лазера 1 соосно с оптической осью модуля накачки 2. Лазер снабжен контроллером температуры 17 и расположенным на теплоотводе резонатора 10 термодатчиком 16, входы управления контроллера температуры 17 соединены с выходами термодатчика 16, а выходы - с входами термоэлектрического модуля 9.

Активный элемент 6 выполнен из кристалла АИГ: Nd³⁺ с повышенными требованиями к однородности, прозрачности, концентрации ионов неодима, чистоте торцевых поверхностей и оптическим покрытиям на них. Концентрация ионов Nd в кристалле составляет ˜1 ат.%.

Активный элемент 6 вклеен в калиброванный ложемент 8 цилиндрической оправы 5 теплопроводящим компаундом, в качестве которого можно использовать эпоксидные клеи или самополимеризующиеся герметики, предпочтительно с теплопроводностью не хуже 2 Вт/(м·К).

Отношение внешнего диаметра цилиндрической оправы 5 резонатора лазера 3 к диаметру активного элемента 6 определяется теплопроводностью материала, из которого выполнена цилиндрическая оправа.

При изготовлении цилиндрической оправы 5, например, из алюминиевых сплавов это отношение целесообразно выбирать больше четырех.

Корпус резонатора выполнен, например, из алюминиевого сплава В95.

В качестве термоэлектрического модуля можно использовать круглые термоэлектрические модули с отверстием в центре, например, ТВ-38-1,0-1,5 CHR.

В качестве теплоизоляционной прокладки 11 между цилиндрической оправой 5 резонатора и корпусом резонатора 4 может быть использована прокладка, например, из полиамида.

Твердотельный лазер с продольной накачкой работает следующим образом.

Излучение с блока накачки 2 через комбинированное покрытие, нанесенное на торец 12 активного элемента 6 и пропускающее на длине волны накачки, проходит в активный элемент 6 резонатора лазера 3 и осуществляет его накачку. На противоположном торце 13 активного элемента 6 нанесено просветляющее покрытие на рабочую длину волны лазера. Резонатор лазера 3 снабжен выходным зеркалом с оправой 7.

Отвод тепла от активного элемента 6 лазера осуществляется через теплопроводящий компаунд радиально в цилиндрическую оправу 5 и далее через теплоотвод резонатора 10 на термоэлектрический модуль 9.

Поддержание заданного уровня температуры, необходимого для нормальной работы активного элемента 6 лазера при изменении температуры окружающей среды, осуществляется с помощью термоэлектрического модуля 9, который установлен на торце корпуса резонатора 4 со стороны активного элемента 6. Для этого на теплоотводе резонатора 10 установлен термодатчик 16, выходы которого соединены с входами контроллера температуры 17. Выходы контроллера температуры 17 соединены с входами термоэлектрического модуля 9. Контроллер температуры 17 в зависимости от сопротивления термодатчика 16 изменяет величину и знак напряжения, подаваемого на входы термоэлектрического модуля 9, осуществляя тем самым поддержание постоянной температуры на теплоотводе резонатора 10. Так как теплоотвод резонатора 10 соединен с цилиндрической оправой 5, то температура цилиндрической оправы 5 также поддерживается постоянной, и изменения параметров лазера при изменении температуры окружающей среды не наблюдается.

В качестве контроллера температуры 17 можно использовать, например, интегральный контроллер температуры МАХ1978.

Для уменьшения влияния температуры окружающей среды на остальной поверхности цилиндрической оправы 5 между ней и корпусом резонатора 4 установлена теплоизоляционная прокладка 11.

Экспериментальные исследования предлагаемого лазера в диапазоне температур ±50°С показали, что угловое положение лазерного пучка относительно его положения при температуре корпуса 20°С изменяется на величину не более единиц угловых секунд при изменении выходной мощности лазера не более 10%.

Таким образом, установление в предлагаемом твердотельном лазере с продольной накачкой цилиндрической оправы в корпусе резонатора, закрепленном в корпусе лазера, расположение на торце корпуса резонатора со стороны калиброванного ложемента с активным элементом термоэлектрического модуля, теплоотводящая пластина которого соединена с цилиндрической оправой теплоотводом резонатора, размещение между остальной частью цилиндрической оправы и корпусом резонатора теплоизоляционной прокладки, снабжение лазера контроллером температуры и расположенным на теплоотводе резонатора термодатчиком, соединение входов управления контроллера температуры с выходами термодатчика, а выходов - с входами термоэлектрического модуля позволило снизить влияние температуры окружающей среды на температуру резонатора лазера и тем самым обеспечить стабилизацию мощности лазерного излучения в широком температурном диапазоне.

Твердотельный лазер с продольной накачкой, включающий корпус с последовательно установленными и оптически сопряженными оптическим модулем накачки и резонатором лазера, состоящим из цилиндрической оправы с выходным зеркалом и активным элементом, вклеенным теплопроводящим компаундом в калиброванный ложемент, выполненный в ней со стороны оптического модуля накачки, отличающийся тем, что цилиндрическая оправа установлена в корпусе резонатора, закрепленном в корпусе лазера, на торце корпуса резонатора со стороны калиброванного ложемента с активным элементом установлен термоэлектрический модуль, теплоотводящая пластина которого соединена с цилиндрической оправой теплоотводом резонатора, между остальной частью цилиндрической оправы и корпусом резонатора размещена теплоизоляционная прокладка, при этом лазер снабжен контроллером температуры и расположенным на теплоотводе резонатора термодатчиком, входы управления контроллера температуры соединены с выходами термодатчика, а выходы - с входами термоэлектрического модуля.