Твердотельный лазер с поперечной накачкой линейками лазерных диодов

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к конструкциям твердотельных лазеров с накачкой лазерными диодами. Лазер состоит из резонатора, твердотельных активных элементов, поперечно накачиваемых излучением линеек лазерных диодов, и радиатора. Длина каждого активного элемента соразмерна длине излучающей области линейки лазерных диодов. Линейки лазерных диодов размещены параллельно оптической оси резонатора лазера, равномерно по окружности в плоскости поперечного сечения каждого активного элемента. Число линеек нечетно. Каждая из них независимо термостабилизирована с помощью термоэлемента Пельтье этой линейки, связанного с системой терморегулирования. Термоэлементы Пельтье имеют тепловой контакт с радиатором. Технический результат - увеличение средней мощности выходного излучения твердотельного лазера и обеспечение стабильности параметров этого излучения, улучшение пространственной однородности поперечного распределения выходного излучения и стабильности его параметров. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к конструкциям твердотельных лазеров с накачкой активного элемента лазерными диодами. Такие твердотельные лазеры могут быть использованы в системах лазерной локации и ночного видения, а также для обработки материалов.

Известны лазеры с поперечной накачкой активного элемента лазерными диодами, работающие в непрерывном или импульсном (например, [1]) режимах, содержащие установленные на радиаторе лазерные диоды, излучение которых направлено перпендикулярно оптической оси активного элемента. Излучение линейки или матрицы лазерных диодов с помощью различных оптических систем фокусируется в окрестности активного элемента. Вследствие большой расходимости излучения лазерных диодов, различия спектров излучения каждой линейки или матрицы и спектральной зависимости коэффициента поглощения излучения в активном элементе коэффициент полезного действия (КПД) системы накачки оказывается значительно ниже потенциально достижимого.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному устройству является твердотельный лазер с поперечной диодной накачкой по патенту US 6,917,634 В2 от 12.06.2005 г. (фиг.1), с состоящий из резонатора, образованного передним 1 и задним 2 зеркалами, последовательно установленных вдоль оптической оси резонатора твердотельных активных элементов 3, поперечно накачиваемых излучением линеек лазерных диодов 4, подключенных к формирователю импульсов тока 7 и термостабилизированных с помощью радиатора 6 и термоэлемента Пельтье 5, управляемого системой терморегулирования 8. Расположение линеек вдоль оптической оси активного элемента определяет относительно небольшую величину удельного коэффициента усиления (приходящегося на единицу длины резонатора этого лазера), что ограничивает достижимую величину средней мощности выходного излучения. Кроме того, такое расположение линеек лазерных диодов приводит к неоднородному поглощению излучения накачки в поперечном сечении активного элемента и, соответственно, к его неоднородному нагреву, из-за чего параметры выходного излучения лазера изменяются во времени. В известном устройстве осуществляется термостабилизация групп линеек лазерных диодов, параметры которых, в общем случае, различны. Это приводит к снижению удельного коэффициента усиления относительно потенциально возможного или требует использования линеек лазерных диодов с идентичными характеристиками.

Цель изобретения - увеличение средней мощности выходного излучения твердотельного лазера, улучшение пространственной однородности поперечного распределения выходного излучения и стабильности его параметров.

Поставленная цель достигается тем, что в твердотельном лазере с поперечной накачкой линейками лазерных диодов, состоящим из резонатора, образованного передним и задним зеркалами, последовательно установленных вдоль оптической оси резонатора твердотельных активных элементов, поперечно накачиваемых излучением линеек лазерных диодов, подключенных к формирователю импульсов тока и термостабилизированных с помощью радиатора и термоэлемента Пельтье, управляемого системой терморегулирования, длина каждого активного элемента уменьшена и соразмерна длине излучающей области линейки лазерных диодов, а линейки лазерных диодов размещены параллельно оптической оси резонатора лазера равномерно по окружности в плоскости поперечного сечения каждого активного элемента, причем число этих линеек нечетно, а каждая из них независимо термостабилизирована с помощью термоэлемента Пельтье этой линейки, связанного с системой терморегулирования, на боковую поверхность каждого активного элемента нанесено зеркально отражающее покрытие со щелевыми зазорами, параллельными его оптической оси, обеспечивающими прохождение излучения линеек лазерных диодов внутрь активного элемента, на поверхность активного элемента в щелевых зазорах нанесено просветляющее покрытие, соответствующее длине волны излучения линеек лазерных диодов, участки боковой поверхности каждого активного элемента под зеркально отражающим покрытием матированы, зеркально отражающие участки покрытия каждого активного элемента выполнены теплопроводящими и имеют тепловой контакт с радиатором, а каждый активный элемент термостабилизирован независимо путем включения термоэлемента Пельтье, управляемого системой терморегулирования, между теплопроводящими отражающими участками покрытия поверхности этого активного элемента и радиатором.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предложенное устройство отличается иным конструктивным исполнением известных элементов и их новыми связями. Следовательно, устройство соответствует критерию «новизна».

Сравнение с другими техническими решениями показывает, что предлагаемые конструктивные исполнения как отдельных элементов, так и всего лазера в целом позволяют в несколько раз увеличить среднюю выходную мощность излучения лазера, приходящуюся на единицу его объема, и повысить качество излучения. Эти технические решения неочевидны, что позволяет сделать вывод о соответствии предложенного решения критерию изобретения «изобретательский уровень».

На фиг.1 представлена структура твердотельного лазера по патенту US 6,917,634 В2 от 12.06.2005 г., где изображены: 1 - переднее зеркало, 2 - заднее зеркало, 3 - активный элемент, 4 - линейка лазерных диодов, 5 - термоэлемент Пельтье линейки лазерных диодов, 6 - радиатор, 7 - формирователь импульсов тока, 8 - система терморегулирования.

На фиг.2 приведена структура предлагаемого твердотельного лазера по п.1 формулы, где изображены: 1 - переднее зеркало, 2 - заднее зеркало, 3 - активный элемент, 4 - линейка лазерных диодов, 5 - термоэлемент Пельтье линейки лазерных диодов, 6 - радиатор, 7 - формирователь импульсов тока линейки, 8 - система терморегулирования линейки.

На фиг.3 представлены элементы конструкции предлагаемого твердотельного лазера по п.2 формулы, где изображены: 3 - активный элемент, 4 - линейка лазерных диодов, 5 - термоэлемент Пельтье линейки лазерных диодов, 6 - радиатор, 9 - зеркально отражающее покрытие, 10 - просветляющее покрытие.

На фиг.4 представлены элементы конструкции предлагаемого твердотельного лазера по п.3 формулы, где изображены: 3 - активный элемент, 4 - линейка лазерных диодов, 5 - термоэлемент Пельтье линейки лазерных диодов, 6 - радиатор, 9 - зеркально отражающее покрытие, 10 - просветляющее покрытие, 11 - матированный участок под зеркально отражающим покрытием.

На фиг.5 представлены элементы конструкции предлагаемого твердотельного лазера по п.4 формулы, где изображены: 3 - активный элемент, 4 - линейка лазерных диодов, 5 - термоэлемент Пельтье линейки лазерных диодов, 6 - радиатор, 9 - зеркально отражающее покрытие, 10 - просветляющее покрытие, 11 - матированный участок под зеркально отражающим покрытием (может отсутствовать).

На фиг.6 представлены элементы конструкции предлагаемого твердотельного лазера по п.5 формулы, где изображены: 3 - активный элемент, 4 - линейка лазерных диодов, 5 - термоэлемент Пельтье линейки лазерных диодов, 6 - радиатор, 9 - зеркально отражающее покрытие, 10 - просветляющее покрытие, 11 - матированный участок под зеркально отражающим покрытием (может отсутствовать), 12 - термоэлемент Пельтье активного элемента, 13 - система терморегулирования активного элемента.

Радиальное расположение линеек лазерных диодов относительно оси активного элемента при одновременном уменьшении его длины обеспечивает существенное увеличение удельного коэффициента усиления по сравнению с прототипом и, как следствие [2], приводит к существенному увеличению средней мощности выходного излучения лазера.

Вследствие конечной величины коэффициента поглощения излучения накачки активным элементом излучение линейки лазерных диодов не полностью поглощается в нем. Нанесение на участки поверхности активного элемента зеркально отражающего покрытия обеспечивает повышение КПД накачки в результате обеспечения распространения излучения через активный элемент до его полного поглощения.

Для снижения влияния эффекта межрезонаторного взаимодействия полупроводниковых лазерных диодов [3], приводящего к непрогнозируемым флуктуациям мощности их излучения, число линеек лазерных диодов предложено выбирать нечетным.

Выполнение отражающих покрытий теплопроводящими позволяет обеспечить эффективный отвод тепла от активного элемента. Учитывая то, что коэффициент теплопроводности активных сред, как правило, на порядок меньше, чем коэффициенты теплопроводности меди или алюминия [4], широко используемых в качестве материалов радиатора, отвод тепла с поверхности активного элемента позволяет существенно повысить среднюю мощность накачки активного элемента.

Индивидуальная термостабилизация линеек лазерных диодов обеспечивает повышение эффективности накачки до 20% [5].

Выполнение участков поверхности активного элемента под наносимым зеркально отражающим покрытием матированными обеспечивает ламбертовский характер рассеяния отраженного от него излучения накачки [6], что улучшает однородность накачки в поперечном сечении активного элемента и, как следствие, приводит к улучшению пространственной однородности инверсной населенности. В сочетании с близким к равномерному по образующей поверхности активного элемента отводом теплового потока существенно повышается однородность пространственного распределения интенсивности излучения, а термостабилизация активного элемента приводит к стабильности характеристик выходного излучения [7].

Рассмотрим конкретный пример реализации твердотельного лазера с поперечной накачкой линейками лазерных диодов, структура которого представлена на фиг.2. Лазер состоит из резонатора, образованного передним 1 и задним 2 зеркалами, цилиндрических твердотельных активных элементов 3. Линейки лазерных диодов 4 смонтированы совместно с термоэлементами Пельтье 5, которые имеют тепловой контакт с радиатором 6. Каждая из линеек 4 установлена независимо на теплопроводящем (медном) основании, на котором, в непосредственной близости от линейки, установлен датчик системы терморегулирования 8. Теплопроводящее основание прикреплено к одной из сторон термоэлемента Пельтье 5. Второй стороной термоэлемент Пельтье 5 прикреплен к радиатору 6. Система терморегулирования 8 автоматически управляет величиной и направлением тока, протекающего через соответствующий термоэлемент Пельтье, и тем самым обеспечивает поддержание заранее заданной величины рабочей температуры каждой линейки лазерных диодов. Величина рабочей температуры линейки лазерных диодов определяется в результате анализа экспериментально полученной температурной зависимости обеспечиваемого этой линейкой уровня инверсной населенности среды активного элемента. Предлагаемое размещение активного элемента 3, закрепляемого, например, в радиаторе 6, и окружающих его N (например, 5) линеек лазерных диодов обеспечивают увеличение удельного коэффициента усиления примерно в N раз при одновременном уменьшении длины резонатора лазера также примерно в N раз. За счет этого существенно увеличиваются как абсолютная величина средней мощности выходного излучения лазера, которая может быть оценена в соответствии с [8], так и величина средней мощности выходного излучения лазера, приходящаяся на единицу объема лазера.

Нанесение зеркально отражающего покрытия на боковую поверхность активного элемента обеспечивает многократное прохождение излучения накачки линеек лазерных диодов через поперечное сечение активного элемента до его полного поглощения. В результате увеличивается не только КПД системы накачки, но и уровень инверсной населенности активного элемента, и, как следствие, увеличивается коэффициент усиления. Каждый активный элемент имеет матированную поверхность с выполненными в ней прозрачными полированными щелевыми зазорами, параллельными оптической оси активного элемента. В области щелевых зазоров на поверхность активного элемента нанесено просветляющее покрытие, соответствующее длине волны излучения линеек лазерных диодов, а на матированную поверхность нанесено зеркально отражающее покрытие, например, осаждением металла. Нанесение просветляющих покрытий в области щелевых зазоров зеркального покрытия уменьшает потери при распространении излучения накачки линеек лазерных диодов через границу поверхности активного элемента на 8...10%, что приводит к увеличению КПД системы накачки и средней выходной мощности излучения лазера. Каждый активный элемент закреплен по всей своей длине в радиаторе 6 (например, медном), имеющем зазоры, расположенные в местах, соответствующих положению щелевых зазоров зеркально отражающего теплопроводящего покрытия 9, нанесенного на поверхность активного элемента 3. По образующей активных элементов, напротив щелевых зазоров в медном основании и соответственно в активных элементах, с технологическим зазором установлены линейки лазерных диодов 4, общее количество линеек для каждого активного элемента 3 равно количеству щелевых зазоров. Каждая из линеек лазерных диодов 4 соединена с независимым формирователем импульсов тока 7. Все формирователи импульсов тока и системы терморегулирования объединены в единую многоканальную систему накачки и термостатирования линеек лазерных диодов.

Авторами изготовлены экспериментальные образцы твердотельного лазера с поперечной накачкой активного элемента тремя линейками лазерных диодов и многоканальной системы накачки линейки лазерных диодов. При суммарной мощности излучения накачки 75 мДж получена средняя мощность импульсов излучения в режиме свободной генерации 14 мДж, что подтверждает эффективность предложенных технических решений.

ЛИТЕРАТУРА

1. Абазадзе А.Ю., Зверев Г.М., Колбацков Ю.М. Исследование расходимости излучения и энергетической эффективности импульсного YAG:Nd³⁺-лазера с поперечной накачкой линейками лазерных диодов // Квантовая электроника. - Т. 34. - №6. - С.511-517.

2. Тарасов Л.В. Физика процессов в генераторах когерентного оптического излучения. - М.: Радио и связь, 1981. - 440 с.

3. Бурый Е.В., Косых А.Е. Пространственно-временные характеристики излучения матрицы инжекционных лазеров в режиме генерации наносекундных импульсов // Квантовая электроника. - 1995. - Т.22. - №8.

4. Физические величины. Справочник. / Под ред. И.С.Григорьева, Е.З.Мейлихова. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с.

5. Koechner W., Bass М. Solid State Lasers - Springer-Verlag, 2003. - 409 с.

6. Ландсберг Г.С. Оптика. - М.: Наука, 1976. - 926 с.

7. Мезенов А.В., Соме Л.Н., Степанов А.И. Термооптика твердотельных лазеров. - Л.: Машиностроение, 1986. - 148 с.

8. Голяев Ю.Д., Зверев Г.М. Лазеры на кристаллах и их применение. - М.: Радио и связь, 1994. - 311 с.

1. Твердотельный лазер с поперечной накачкой линейками лазерных диодов, состоящий из резонатора, образованного передним и задним зеркалами, последовательно установленных вдоль оптической оси резонатора твердотельных активных элементов, поперечно накачиваемых излучением линеек лазерных диодов, подключенных к формирователю импульсов тока, и радиатора, отличающийся тем, что длина каждого активного элемента соразмерна длине излучающей области линейки лазерных диодов, а линейки лазерных диодов размещены параллельно оптической оси резонатора лазера, равномерно по окружности в плоскости поперечного сечения каждого активного элемента, причем число этих линеек нечетно, а каждая из них независимо термостабилизирована с помощью термоэлемента Пельтье этой линейки, связанного с системой терморегулирования, при этом термоэлементы Пельтье имеют тепловой контакт с радиатором.

2. Твердотельный лазер по п.1, отличающийся тем, что на боковую поверхность каждого активного элемента нанесено зеркально отражающее покрытие со щелевыми зазорами, параллельными его оптической оси, обеспечивающими прохождение излучения линеек лазерных диодов внутрь активного элемента, а на поверхность активного элемента в щелевых зазорах нанесено просветляющее покрытие, соответствующее длине волны излучения линеек лазерных диодов.

3. Твердотельный лазер по п.2, отличающийся тем, что зеркально отражающие участки покрытия каждого активного элемента выполнены теплопроводящими и имеют тепловой контакт с радиатором.

4. Твердотельный лазер по п.3, отличающийся тем, что каждый активный элемент термостабилизирован независимо путем включения термоэлементов Пельтье, управляемых системой терморегулирования, между теплопроводящими отражающими участками покрытия поверхности этого активного элемента и радиатором.

5. Твердотельный лазер по п.2, отличающийся тем, что участки боковой поверхности каждого активного элемента под зеркально отражающим покрытием матированы.