Широкоапертурный лазер

Изобретение относится к области квантовой электроники, к устройствам для генерации и усиления лазерного излучения, используемым для воздействия на объекты с большими площадями или объемами. Лазер имеет неподвижное основание, корпус с активной средой в виде цилиндрической трубы, средство вращения, источник оптической накачки и устройство охлаждения. Внутри активной среды размещены не менее 2-х излучателей оптической накачки. С внешней, относительно оси вращения, стороны каждого излучателя установлены зеркала концентрации излучения накачки. Зеркала резонатора выполнены цилиндрическими. Центр радиуса кривизны зеркал резонатора совпадает с осью вращения активной среды. Образующие зеркал резонатора и образующие цилиндрической поверхности активной среды взаимно параллельны. Вращение корпуса обеспечивает циркуляцию активной среды через зону генерации и возможность эффективного охлаждения. Технический результат - увеличение апертуры лазерного излучения, увеличение КПД и мощности, повышение технологичности изготовления и эксплуатации. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области квантовой электроники, а именно к устройствам для генерации и усиления лазерного излучения, используемым для воздействия на объекты с большими площадями или объемами.

Известен полупроводниковый лазер [1], позволяющий получить широкоапертурное излучение. Однако получение излучения большой мощности у такого лазера затруднительно, поскольку активная область ограничена плоскостью р-n перехода. Создание р-n перехода больших размеров связано с технологическими трудностями.

Известны лазерные устройства, в которых для увеличения апертуры излучения используют оптические системы и лазерные усилители [2]. Оптические элементы вносят дополнительные потери и снижают КПД устройств. Кроме того, устройства сложны в изготовлении и эксплуатации.

Известен лазер с неустойчивым резонатором [3]. Он позволяет получать широкоапертурное излучение, однако для его работы необходимы большие объемы активной среды, что ограничивает возможности увеличения средней мощности лазерного излучения при использовании жидких и твердых активных сред. Поскольку ухудшаются условия накачки и теплоотвода.

Более совершенным устройством является мощный лазер [4], принятый за прототип.

Лазер содержит источник оптической накачки, неподвижное основание, устройство охлаждения, активную среду в виде трубы цилиндрической формы, размещенную в корпусе с окнами вывода излучения, связанном со средством вращения с возможностью вращения вокруг своей оси, и расположенную между зеркалами оптического резонатора. Зеркала находятся напротив окон. По крайней мере одно из них - выходное. Лазер позволяет увеличить апертуру излучения, КПД и мощность излучения, но имеет следующие недостатки:

- апертура излучения имеет кольцевую форму;

- минимальная толщина слоя активной среды ограничена дифракционными потерями, что ограничивает эффективность теплоотвода, а следовательно, и предельные значения средней мощности;

- высокие требования к оптическому качеству активной среды снижают технологичность изготовления и обслуживания лазера;

- имеет сильную зависимость средней мощности и КПД лазерного излучения от влияния термооптических неоднородностей.

Технический результат предлагаемого лазера заключается в следующем:

- увеличение апертуры лазерного излучения;

- увеличение КПД и мощности;

- повышение технологичности изготовления и эксплуатации.

Предлагаемый лазер содержит неподвижное основание, на которое установлено средство вращения, устройство охлаждения, активную среду в виде трубы цилиндрической формы, размещенную в корпусе с окнами вывода излучения, связанном со средством вращения с возможностью вращения вокруг своей оси. Активная среда (твердая, жидкая или газообразная) размещена между цилиндрическими зеркалами оптического резонатора, по крайней мере одно из них - выходное, имеющими радиус кривизны с центром, совпадающим с осью вращения активной среды. Зеркала установлены так, что их образующие и образующие цилиндрической поверхности активной среды взаимно параллельны. Источник оптической накачки состоит по крайней мере из 2-х излучателей, размещенных внутри активной среды со смещением относительно оси вращения в теневых от генерации зонах, образованных в результате условного пересечения секущих плоскостей, проходящих через ось вращения и края рабочих поверхностей зеркал по их образующим, причем угол между плоскостями не превышает 180°. С наружной стороны каждого излучателя, относительно оси вращения, установлены зеркала концентрации излучения шириной, не превышающей длину полуокружности внутренней трубы активной среды. Устройство охлаждения связано с корпусом.

Чтобы получить максимальный КПД, стенки активной среды выполняют минимального размера, при котором происходит полное поглощение излучения накачки в зоне генерации активной среды, в условиях максимально возможной концентрации активатора в ее матрице.

Для увеличения мощности и КПД устройства, а также для улучшения технологичности изготовления и обслуживания, активная среда установлена с возможностью вращения относительно корпуса. Корпус имеет по крайней мере функциональную связь с источником оптической накачки.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

Фиг.1. Сечение вдоль оси вращения широкоапертурного лазера с твердой активной средой.

Фиг.2. Сечение широкоапертурного лазера твердой активной средой в плоскости, перпендикулярной оси вращения.

Фиг.3 Сечение опытного образца широкоапертурного лазера с жидкой активной средой в плоскости, перпендикулярной оси вращения.

Фиг.4. Представлены варианты размещения зеркал резонатора.

Источник оптической накачки имеет блок питания 1 и излучатели оптической накачки 1а, 1б. Средство вращения 7 установлено на неподвижном основании 2. Активная среда 4 выполнена в виде трубы цилиндрической формы с радиусом R и установлена в корпусе 6, имеющим выходные окна 10а и 10б. Подшипники 5а и 5б обеспечивают возможность вращения активной среды 4. Излучатели оптической накачки 1а и 1б установлены внутри активной среды 4 и смещены относительно оси вращения 8, с наружной стороны каждого излучателя 1а и 1б установлены концентрирующие зеркала 9а и 9б. Напротив окон 10а и 10б расположены зеркала резонатора 11а и 11б - выходное, выполненные цилиндрическими с радиусами кривизны R1 и R2 соответственно, центры которых совпадают с осью вращения 8, а их образующие параллельны образующим активной среды 4. Устройство охлаждения 3 связано с корпусом 6 и обеспечивает охлаждение наружной поверхности активной среды 4, источника оптической накачки 1, 1а, 1б и зеркал 9а, 9б, 11а, 11б. Источник оптической накачки (1, 1а, 1б) связан, по крайней мере функционально, со средством вращения 7 и устройством охлаждения 3. Излучение резонатора 12, сформированное в резонаторе с зеркалами 11а и 11б, попадает на объект воздействия 13 с апертурой 14. Функциональные связи показаны стрелками.

Лазер работает следующим образом. От блока питания 1 на излучатели 1а и 1б, установленные внутри активной среды 4, подают электропитание. Излучение накачки зеркалами 9 (а, б) концентрируется в секторах активной среды 4, расположенных напротив выходных окон 10 (а, б) и зеркал резонатора 11 (а, б). Средство вращения 7, установленное на неподвижном основании 2, приводит во вращение корпус 6 с осью вращения 8. Активная среда 4 установлена в корпусе 6 через подшипники 5 (а, б), что обеспечивает перемещение активной среды 4 из зоны генерации в теневую от засветки зону, где происходит ее охлаждение с помощью устройства 3. Излучение генерации 12 проходит через окно 10а, отражается от зеркала 11а и выходит через окно 10б и зеркало 11б по направлению объекта воздействия 13 с апертурой 14. При необходимости зеркало 11a может быть также выходным.

Экспериментальный образец широкоапертурного лазера имеет активную среду 4, выполненную из двух кварцевых труб 15 и 16 длиной 160 мм, внутренний диаметр внешней трубы 54 мм, а внешний диаметр внутренней трубы 50 мм. Требование в отношении оптического качества материала труб 15, 16 не существенно. В полость между трубами 15, 16 залит раствор металлоорганического соединения на основе бензоилтрифторацетоната в ацетонитриле с концентрацией 8·10^-3 моль/л, объемом 3 см³. Активная среда 4 помещена в металлический корпус 6, охлаждаемый с помощью турбины 3, установленной на корпусе 6. Зеркала резонатора 11а и 11б нанесены диаметрально противоположно непосредственно на внешнюю поверхность кварцевой трубы 15 методом напыления, причем зеркало 11a имеет коэффициент отражения 98%, а выходное зеркало 11б имеет коэффициент отражения 30%. Источник оптической накачки состоит из двух импульсных ламп 1а и 1б, каждая с энергией накачки 800 Дж и с частотой следования 2 импульса в минуту. Зеркала концентрации 9а и 9б нанесены диаметрально противоположно непосредственно на внешнюю поверхность кварцевой трубы 16 методом напыления. Лампы 1а и 1б помещены внутрь внутренней кварцевой трубы 16 между зеркалами концентрации 9а и 9б. Каждое из зеркал 9 (а, б) имеет длину вдоль оси вращения 100 мм и угловой размер дуги 150°. В процессе генерации формируется лазерное излучение 12 с энергией импульса 2,4 Дж.

Измерения производили с помощью ИМО-2, при этом у выходного окна лазера 10б устанавливали фокусирующую оптику.

Апертура лазерного излучения 14 на экране, установленном на расстоянии 1 м от выходного окна 10б корпуса 6, составляет 600×120 мм.

Источники информации

1. Н.Г.Рябцев. Материалы квантовой электроники, Москва, Сов. радио, 1972 г., с.270.

2. Справочник по лазерной технике под редакцией Ю.В.Байбородина и др., Киев "Техника", 1978 г., с.120-127; 143-145.

3. И.И.Пахомов и др. Оптикоэлектронные квантовые приборы, Москва, "Радио и связь", 1982 г., с.198-203.

4. Патент США №4567597, НПК 372-34, 1986 г.

1. Широкоапертурный лазер, содержащий источник оптической накачки, неподвижное основание, устройство охлаждения, активную среду в виде трубы цилиндрической формы, размещенную в корпусе с окнами вывода излучения, связанном со средством вращения с возможностью вращения вокруг своей оси, и между зеркалами, по крайней мере одно из которых - выходное, оптического резонатора напротив окон, отличающийся тем, что зеркала выполнены цилиндрическими с радиусами кривизны, центры которых совпадают с осью вращения активной среды, и установлены так, что их образующие и образующие цилиндрической поверхности активной среды взаимно параллельны, при этом источник оптической накачки состоит, по крайней мере, из 2 излучателей, размещенных внутри активной среды со смещением относительно оси вращения в теневых от генерации зонах, образованных в результате условного пересечения секущих плоскостей, проходящих через ось вращения и края рабочих поверхностей зеркал по их образующим, причем угол между плоскостями не превышает 180°, а с наружной стороны каждого излучателя относительно оси вращения установлены зеркала концентрации излучения накачки шириной, не превышающей длину внутренней полуокружности трубы активной среды.

2. Широкоапертурный лазер по п.1, отличающийся тем, что толщина стенки активной среды имеет минимальный размер, при котором происходит полное поглощение излучения накачки в зоне генерации активной среды в условиях максимально возможной концентрации активатора в ее матрице.

3. Широкоапертурный лазер по п.1 или 2, отличающийся тем, что активная среда установлена с возможностью вращения относительно корпуса, который имеет, по крайней мере, функциональную связь с источником оптической накачки.