Твердотельный лазер с зигзагообразным ходом лучей
Владельцы патента RU 2295183:
Закрытое акционерное общество "НАУЧНОЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ" (RU)
Волков Александр Сергеевич (RU)
Твердотельный лазер с зигзагообразным ходом лучей содержит активный элемент в форме бруска прямоугольного поперечного сечения, источники возбуждающего излучения, теплоотводящие элементы, глухое и полупрозрачное зеркала, установленные под углом к переднему торцу активного элемента, обеспечивающим целое число зигзагов лазерного луча между передним и задним торцами активного элемента. Каждый торец активного элемента содержит два участка, первый из которых перпендикулярен боковым граням активного элемента, а другой скошен по отношению к первому участку под углом , где b - высота первого участка, а - длина активного элемента. Соответствующие участки обоих торцов активного элемента размещены симметрично относительно центра активного элемента. На перпендикулярном участке переднего торца активного элемента нанесено просветляющее покрытие, а на скошенном участке этого торца нанесено отражающее покрытие. На противоположном торце на обоих его участках нанесено отражающее покрытие, при этом отношение площадей скошенных участков торцов активного элемента к площадям их перпендикулярных участков кратно целому числу. Кроме того, толщина d активного элемента удовлетворяет соотношению d=b/cosγ, где γ - угол наклона зеркал по отношению к перпендикулярному участку торца активного элемента в горизонтальной плоскости. Технический результат - повышение мощности излучения лазера как в непрерывном, так и в импульсном режимах. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.
Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано при разработке и изготовлении лазерных устройств с повышенной мощностью излучения.
Твердотельные лазеры с зигзагообразным ходом лучей в активном элементе (АЭ), который выполнен в форме бруска прямоугольного поперечного сечения, могут генерировать лазерное излучение более высокого качества, чем традиционные лазеры, построенные на АЭ в форме стержня круглого поперечного сечения. Это связано с тем, что при определенных условиях в таких лазерах происходит компенсация влияния возникающих тепловых линз на лазерный луч.
Известен твердотельный лазер, содержащий АЭ в форме параллелепипеда с торцевыми гранями, скошенными под углом Брюстера, US 4949346; АЭ возбуждается с двух противоположных сторон лазерными диодными источниками света через прозрачные теплоотводящие элементы, находящиеся в оптическом контакте с АЭ. С двух других боковых сторон к АЭ примыкают две теплоизолирующие пластины, что приводит к тому, что возникающий в активном элементе температурный градиент направлен перпендикулярно к плоскости грани, через которую идет накачка и охлаждение. При зигзагообразном распространении основного луча в активном элементе за счет эффекта полного внутреннего отражения (ПВО) на границе активного элемента с теплоотводящими пластинами при условии, что плоскость зигзага перпендикулярна этой границе, происходит компенсация влияния на лазерный луч возникающих тепловых линз и других оптических возмущений, связанных с наличием указанного градиента температур.
Недостатком этого устройства является малая площадь теплового контакта между АЭ и теплоотводящими элементами, которая определяется узкими боковыми гранями активного элемента. Это ограничивает допустимую мощность накачки и, соответственно, мощность лазерного излучения, особенно при работе в непрерывном режиме.
Известен твердотельный лазер с зигзагообразным ходом лучей, содержащий АЭ в форме бруска прямоугольного сечения, источники возбуждающего излучения, облучающие АЭ с двух сторон через узкие боковые грани, теплоотводящие элементы, прилегающие к этим же граням АЭ и прозрачные для возбуждающего излучения, глухое и полупрозрачное зеркала, установленные под углом к торцу активного элемента, обеспечивающие целое число зигзагов лазерного луча между торцами АЭ, US 5305345.
Данное техническое решение принято за прототип настоящего изобретения.
В данном устройстве для обеспечения параллельности плоскости зигзага и возникающего при возбуждении АЭ градиента температуры охлаждение АЭ также ведется через его узкие грани. Такое ограничение площади теплового контакта АЭ с теплоотводящими элементами не позволяет получать высокие мощностные характеристики лазера при работе в непрерывном режиме или в импульсном режиме при высокой частоте повторения импульсов.
В основу настоящего изобретения положено решение задачи повышения мощности излучения лазера как в непрерывном, так и в импульсном режимах.
Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в твердотельном лазере с зигзагообразным ходом лучей, содержащем активный элемент в форме бруска прямоугольного поперечного сечения, источники возбуждающего излучения, теплоотводящие элементы, глухое и полупрозрачное зеркала, установленные под углом к переднему торцу активного элемента, обеспечивающим целое число зигзагов лазерного луча между передним и задним торцами активного элемента, каждый торец активного элемента содержит два участка, первый из которых перпендикулярен боковым граням активного элемента, а другой скошен по отношению к первому участку под углом , где b - высота первого участка, а - длина активного элемента, соответствующие участки обоих торцов активного элемента размещены симметрично относительно центра активного элемента, на перпендикулярном участке переднего торца активного элемента нанесено просветляющее покрытие, а на скошенном участке этого торца нанесено отражающее покрытие, на противоположном торце на обоих его участках нанесено отражающее покрытие, при этом отношение площадей скошенных участков торцов активного элемента к площадям их перпендикулярных участков кратно целому числу; толщина d активного элемента может удовлетворять соотношению d=b/cosγ, где γ - угол наклона зеркал по отношению к перпендикулярному участку торца активного элемента в горизонтальной плоскости.
Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, идентичных настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "новизна".
Реализация отличительных признаков изобретения обусловливает важный технический результат, который состоит в обеспечении возможности отвода тепла не от двух боковых граней АЭ, как это имеет место в прототипе и других известных решениях, а от всех четырех боковых граней АЭ; вследствие этого в несколько раз возрастает допустимый предел мощности возбуждающего излучения и, соответственно, существенно возрастают средняя и пиковая мощности лазерного излучения.
Отличительные признаки изобретения - особая форма АЭ и положение зеркал - обеспечивают зигзагообразный ход лучей в АЭ одновременно в двух перпендикулярных плоскостях: вертикальной и горизонтальной. Именно это и позволяет при относительно небольшой апертуре входящего/выходящего лазерного луча, определяемой высотой b перпендикулярного участка переднего торца АЭ, вести охлаждение АЭ через все четыре боковые грани. Накачка АЭ возбуждающим излучением может производиться через любые боковые грани АЭ. (В случае если через эти же грани осуществляется отвод тепла от АЭ, теплоотводящие элементы должны быть выполнены прозрачными для возбуждающего излучения.)
Заявителем не обнаружены какие-либо источники информации, содержащие сведения о влиянии заявленных отличительных признаков на достигаемый вследствие их реализации технический результат. Это, по мнению заявителя, свидетельствует о соответствии данного технического решения критерию "изобретательский уровень".
Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображено:
на фиг.1 - вид сбоку, источники возбуждающего излучения и теплоотводящие элементы условно не показаны;
на фиг.2 - вид сверху по фиг.1;
на фиг.3 - вид спереди;
на фиг.4 - схема прохождения лазерного луча в АЭ, вид сбоку;
на фиг.5 - схема прохождения лазерного луча в АЭ, вид сверху;
на фиг.6 - схема прохождения лазерного луча в АЭ, вид спереди;
на фиг.4, 5, 6 - для лучшей иллюстрации хода луча, прямой и обратный ходы луча в АЭ условно изображены со сдвигом;
на фиг.7 - схема прохождения лазерного луча в АЭ, вид в аксонометрии.
Твердотельный лазер с зигзагообразным ходом лучей содержит активный элемент 1 (АЭ) в форме бруска прямоугольного поперечного сечения, выполненный из алюминий-иттриевого граната, легированного неодимом (Nd:YAG), источники 2, 3, 4, 5 возбуждающего излучения, теплоотводящие элементы 6, 7, 8, 9, глухое зеркало 10 и полупрозрачное зеркало 11, обеспечивающие целое число зигзагов лазерного луча между торцами АЭ. Передний и задний торцы АЭ имеют соответственно участки 12, 13, перпендикулярные боковым граням АЭ, и участки 14, 15, которые скошены по отношению к участкам 12, 13 под углом 
, где b - высота участка 12, а - длина АЭ. Участки 12 и 13, а также участки 14 и 15 торцов АЭ размещены симметрично относительно центра (точка R) АЭ.
На участке 12 нанесено просветляющее покрытие, а на участках 13, 14, 15 нанесено отражающее покрытие.
Отношение площадей участков 14 и 15 к площадям участков 12 и 13 кратно целому числу. Это число определяет количество зигзагов в вертикальной плоскости. В представленном конкретном примере это отношение равно 1 и ему соответствует 1 зигзаг.
Толщина d активного элемента удовлетворяет соотношению d=b/cosγ, где γ - угол наклона зеркал 10 и 11 по отношению к перпендикулярному участку 12 торца активного элемента в горизонтальной плоскости.
В конкретном примере теплоотводящие элементы выполнены из сапфира. Отражающее покрытие АЭ выполнено в виде многослойного диэлектрического зеркала, состоящего из 30-40 чередующихся слоев TiO2 и SiO2.
Твердотельный лазер с зигзагообразным ходом лучей работает следующим образом.
Источники возбуждающего света 2, 3, 4, 5, которыми могут служить лазерные диоды, линейки и матрицы лазерных диодов, генерируют излучение в области длин волн, соответствующей полосе поглощения материала АЭ, в конкретном примере Nd:YAG, в области 804-808 нм. Возбуждающий свет направлен с боковых сторон АЭ, в любой комбинации, включая все четыре боковые грани АЭ. В случаях, когда направления потоков возбуждающего излучения и тепла, отводимого от АЭ через теплоотводящие элементы, совпадают, материал, из которого выполнены теплоотводящие элементы, должен быть прозрачным для возбуждающего излучения. В конкретном примере теплоотводящие элементы выполнены из сапфира, прозрачного в области длин волн 804-808 нм.
Варьированием температуры источников 2, 3, 4, 5 возбуждающего света добиваются требуемой величины коэффициента поглощения возбуждающего света в АЭ (4-8 см-1), при котором поглощается 80-90% возбуждающего света, что обеспечивает достаточно однородное возбуждение АЭ и достижение в нем условий инверсной заселенности верхних состояний активных атомов примеси (Nd). Выделяющееся при возбуждении АЭ тепло (стоксовские потери) отводится через теплоотводящие элементы 6, 7, 8, 9, по которым оно далее канализируется к холодильнику, например, медным башмакам, охлаждаемым проточной водой (на чертежах не показаны).
Резонатор лазера формируется двумя внешними зеркалами 10 и 11, при этом зеркало 10 отражает лазерное излучение практически полностью, а зеркало 11 является полупрозрачным, то есть частично отражающим, частично пропускающим свет. Это необходимо для образования положительной обратной связи в системе АЭ - зеркала 10 и 11. Положение зеркал, а также форма и размеры АЭ определяют путь лазерного луча в АЭ.
Рассмотрим ход лазерного луча, отраженного от полупрозрачного зеркала, вошедшего и вышедшего из АЭ с переднего торца.
Луч, расположенный в горизонтальной плоскости, падает на участок 12 переднего торца АЭ под углом γ и входит в АЭ под углом, определяемым законом преломления света. Юстировкой наклона зеркал 10 и 11 угол γ настраивают исходя из выполнения 2-х условий: дополняющий угол 90°-γ должен превосходить угол полного внутреннего отражения (ПВО) на боковых гранях АЭ и одновременно удовлетворять условию обеспечения целого числа зигзагов лазерного луча в АЭ между его торцами в горизонтальной плоскости. Последнее условие является необходимым для того, чтобы апертуры входящего и выходящего лучей совпадали.
В конкретном примере для АЭ, выполненного из Nd:YAG, угол ПВО равен 75,25° на границе с теплоотводящими элементами из сапфира при оптическом контакте с АЭ.
Луч, вошедший в АЭ через участок 12, покрытый просветляющим покрытием, проходит путь е, отражается от левой боковой грани АЭ, идет по пути f, отражается от скошенного участка 15 заднего торца АЭ, направляется наклонно вниз по пути g, отражается от правой боковой грани АЭ, идет по пути h, отражается от скошенного участка 14 переднего торца АЭ, идет по пути i, отражается от левой грани АЭ, идет по пути j, отражается от участка 13 заднего торца АЭ, покрытого отражающим покрытием, идет по пути k, отражается от правой боковой грани АЭ, идет по пути l, отражается от участка 14 переднего торца АЭ, идет по пути m наклонно наверх, отражается от левой боковой грани АЭ, идет по пути n, отражается от участка 15 заднего торца, идет по пути о, отражается от правой боковой грани АЭ, идет по пути р, падает на участок 12 переднего торца, покрытого просветляющим покрытием, и выходит из АЭ.
Далее луч, отразившись от глухого зеркала 10, идет, усиливаясь в АЭ, в обратном направлении по описанному выше пути, выходит из АЭ и достигает полупрозрачного зеркала 11, где часть излучения выходит из резонатора, а отраженная часть возвращается назад, образуя положительную связь в системе АЭ/зеркала, необходимую для генерации лазерного излучения.
Формирование пути лазерного луча внутри АЭ в виде зигзагов в двух перпендикулярных плоскостях, горизонтальной и вертикальной, позволяет компенсировать негативное влияние тепловых линз, возникающих в АЭ вследствие градиентов температуры. При этом принципиальное значение имеет тот факт, что компенсация имеет место при любом произвольном направлении градиента температуры, что и позволяет вести охлаждение АЭ со всех его четырех боковых граней. Увеличение площади теплового контакта АЭ с теплоотводящими элементами ведет к возрастанию допустимого уровня мощности накачного возбуждающего излучения и, как следствие, возрастанию мощности излучения лазера.
Для формирования выходного лазерного луча симметричной формы, характеризуемой форм-фактором, равным 1, размер d должен соотноситься с высотой b участка 12 как d=b/cosγ.
1. Твердотельный лазер с зигзагообразным ходом лучей, содержащий активный элемент в форме бруска прямоугольного поперечного сечения, источники возбуждающего излучения, теплоотводящие элементы, глухое и полупрозрачное зеркала, установленные под углом к переднему торцу активного элемента, обеспечивающим целое число зигзагов лазерного луча между передним и задним торцами активного элемента, отличающийся тем, что каждый торец активного элемента содержит два участка, первый из которых перпендикулярен боковым граням активного элемента, а другой скошен по отношению к первому участку под углом 
, где b - высота первого участка, а - длина активного элемента, соответствующие участки обоих торцов активного элемента размещены симметрично относительно центра активного элемента, на перпендикулярном участке переднего торца активного элемента нанесено просветляющее покрытие, а на скошенном участке этого торца нанесено отражающее покрытие, на противоположном торце на обоих его участках нанесено отражающее покрытие, при этом отношение площадей скошенных участков торцов активного элемента к площадям их перпендикулярных участков кратно целому числу.
2. Твердотельный лазер с зигзагообразным ходом лучей по п.1, отличающийся тем, что толщина d активного элемента удовлетворяет соотношению: d=b/cosγ, где γ - угол наклона зеркал по отношению к перпендикулярному участку торца активного элемента в горизонтальной плоскости.
