Активный элемент твёрдотельного лазера и способ его охлаждения

Изобретение относится к лазерной технике. Активный элемент твердотельного лазера выполнен из прозрачного материала в виде полого тонкостенного цилиндра, высота которого много меньше его внутреннего и внешнего диаметров. Толщина стенки упомянутого полого тонкостенного цилиндра выбрана с учетом теплопроводности упомянутого прозрачного материала для гарантированного подавления термоупругих напряжений и критических значений градиента температуры. По внешней и внутренней поверхностям упомянутого полого тонкостенного цилиндра вдоль его образующих расположены линейки диодов накачки под углом к плоскости, касательной к поверхности упомянутого полого тонкостенного цилиндра в точке касания, с заданным шагом. Технический результат заключается в повышении эффективности использования импульса накачки, подавлении термоупругих напряжений и повышении частности при работе лазера. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится в общем к лазерной технике, а конкретно - к активному элементу твердотельного лазера и к способу охлаждения такого активного элемента.

Уровень техники

В настоящее время разрабатываются и исследуются конструкции лазеров на основе неодимового стекла для термоядерного синтеза и других областей применения с целью повышения эффективности использования импульса накачки; подавления термоупругих напряжений, возникающих в активном элементе; повышения частотности при работе лазера.

Известен твердотельный лазер с поперечной накачкой линейками лазерных диодов, размещенных параллельно длине активного элемента (патент РФ №2315404, опубл. 20.01.2008). При таком размещении линеек лазерных диодов невозможно добиться равномерного облучения активного элемента.

Известен также трубчатый твердотельный лазер (патент РФ №2407121, опубл. 20.12.2010; выдан на основании международной заявки WO 2006/110289, по которой выдан также патент США №7243030). Активный элемент этого лазера собран из нескольких отдельных активных элементов, имеющих в подложке микроканалы для охлаждения. Данная конструкция получается весьма сложной.

На Фиг. 1 показана конструкция твердотельного лазера, выбранная в качестве ближайшего аналога, в которой активный элемент состоит из нескольких дисков из неодимового стекла, либо индий-гадолиниевого или индий-алюминиевого граната, толщина которых не превышает 1 мм, а диаметр может составлять 100-200 мм, закрепленных на массивных медных пластинах-теплоотводах (А. Алеканавичюс и др., Квант, электрон., 2011, том 41, №7, стр. 590-594). На Фиг. 1 обозначено: 11 - массивные медные охлаждаемые теплоотводы, 12 - тонкие диски из активного вещества, 13 - поток излучения накачки, 14 - поток когерентного излучения.

В этой конструкции должны быть соблюдены высокие требования к параллельности двух независимых массивных металлических теплоотводов 11, что требует дополнительной системы механического крепления, требующей к тому же отдельной системы охлаждения массивных медных теплоотводов 11. Кроме того, диски 12 на теплоотводах 11 охлаждаются только с одной стороны, что вызывает образование градиента температуры по их толщине. Отклонения в геометрических размерах дисков 12 приводят к ухудшению качества пучка 14 излучения. Плотность пучка 13 накачки неравномерно распределяется по объему каждого диска 12, т.к. первые по очереди облучения диски 12 (левые на Фиг. 1) поглощают часть энергии накачки и работают в ином тепловом режиме по отношению к последующим дискам 12. Наконец, неравномерное распределение импульса накачки по площади тонкого диска 12 имеет следствием прогрев срединной части диска 12 и захолаживание его краев, что при превышении определенного уровня удельной мощности накачки должно вызывать термоупругие напряжения в дисках 12, отрицательно сказывающиеся на качестве генерируемого пучка когерентного излучения.

Раскрытие изобретения

Целью данного изобретения является создание активного твердотельного элемента и способа его охлаждения, которые обеспечили бы повышение эффективности использования импульса накачки, подавление возникающих в активном элементе термоупругих напряжений и повышение частотности при работе лазера.

Для решения этой задачи и достижения указанного технического результата в первом объекте данного изобретения предложен активный элемент твердотельного лазера, выполненный из прозрачного материала в виде полого тонкостенного цилиндра, высота которого много меньше его внутреннего и внешнего диаметров, причем толщина стенки полого тонкостенного цилиндра выбрана с учетом теплопроводности прозрачного материала для гарантированного подавления термоупругих напряжений и критических значений градиента температуры, при этом по внешней и внутренней поверхностям полого тонкостенного цилиндра вдоль его образующих расположены линейки диодов накачки под углом к плоскости, касательной к поверхности полого тонкостенного цилиндра в точке касания, с заданным шагом.

Особенность активного элемента по первому объекту данного изобретения состоит в том, что в качестве прозрачного материала может быть выбран материал из группы, включающей неодимовое стекло, иттрий-алюминиевый гранат и лазерную керамику.

Другая особенность активного элемента по первому объекту данного изобретения состоит в том, что диодные линейки могут быть расположены по внутренней поверхности полого тонкостенного цилиндра напротив середины расстояния между диодными линейками, расположенными по внешней поверхности полого тонкостенного цилиндра.

Еще одна особенность активного элемента по первому объекту данного изобретения состоит в том, что излучающие поверхности диодных линеек, расположенных на внутренней и внешней поверхностях полого тонкостенного цилиндра, могут быть направлены навстречу друг другу.

Еще одна особенность активного элемента по первому объекту данного изобретения состоит в том, что промежутки внутренней и внешней поверхностей полого тонкостенного цилиндра между диодными линейками могут быть покрыты светоотражательной пленкой.

При этом светоотражательная пленка может быть выполнена из металла, выбранного из группы, включающей серебро, алюминий и золото.

Для решения той же задачи и достижения того же технического результата во втором объекте данного изобретения предложен способ охлаждения активного элемента по первому объекту данного изобретения, в котором для охлаждения активного элемента используют охлаждающий агент, одновременно подаваемый на внутреннюю и внешнюю поверхности полого тонкостенного цилиндра с размещенными на них диодными линейками.

Особенность способа по второму объекту данного изобретения состоит в том, что в качестве охлаждающего агента могут использовать легкокипящую жидкость.

Краткое описание чертежей

Данное изобретение поясняется чертежами, на которых одинаковые элементы обозначены одними и теми же ссылочными позициями.

На Фиг. 1 показана конструкция известного твердотельного лазера.

На Фиг. 2 показан в поперечном разрезе активный элемент твердотельного лазера по первому объекту данного изобретения.

На Фиг. 3 показан внешний вид активного элемента твердотельного лазера по Фиг. 2 (с растянутым масштабом по продольной оси).

Подробное описание изобретения

Активный элемент твердотельного лазера по настоящему изобретению показан на Фиг. 2 и 3.

На Фиг. 2 ссылочной позицией 1 обозначен сам активный элемент выполненный из активного материала в виде полого тонкостенного цилиндра, высота которого много меньше его внутреннего и внешнего диаметров. В качестве прозрачного материала может быть выбран материал из группы, включающей неодимовое стекло, иттрий-алюминиевый гранат, индий-гадолиниевый гранат и лазерную керамику.

Все эти и другие возможные активные материалы известны специалистам в качестве материалов, из которых могут изготавливаться активные элементы твердотельных лазеров.

Толщина стенки полого тонкостенного цилиндра 1 выбрана с учетом теплопроводности прозрачного материала, из которого этот цилиндр 1 изготовлен, для гарантированного подавления термоупругих напряжений и критических значений градиента температуры в стенках цилиндра 1.

Как видно на Фиг. 2, по внешней и внутренней поверхностям полого тонкостенного цилиндра 1 вдоль его образующих (т.е. поперек плоскости чертежа) расположены линейки 2 и 3 диодов накачки под углом α к плоскости, касательной к соответствующей поверхности полого тонкостенного цилиндра 1 в точке касания. Шаг между соседними линейками 2 и 3 диодов накачки может быть выбран из конструктивных соображений, к примеру, для размещения требуемого числа линеек 2 или 3 диодов накачки по соответствующей поверхности полого тонкостенного цилиндра 1.

Предпочтительно - хотя и не обязательно - чтобы линейки 3 диодов накачки, расположенные по внутренней поверхности полого тонкостенного цилиндра 1, находились напротив середины расстояния между линейками 2 диодов накачки, расположенными по внешней поверхности полого тонкостенного цилиндра 1.

Предпочтительно также, чтобы излучающие поверхности линеек 2 и 3 диодов накачки, расположенных на внутренней и внешней поверхностях полого тонкостенного цилиндра 1, были направлены навстречу друг другу,как показано на Фиг. 2 (т.е. чтобы «зубцы», получающиеся из линеек 2 и 3 диодов накачки на внутренней и внешней поверхностях полого тонкостенного цилиндра 1, смотрели в противоположные стороны).

На Фиг. 2 показан предпочтительный вариант осуществления активного элемента твердотельного лазера, в котором промежутки внутренней и внешней поверхностей полого тонкостенного цилиндра 1 между линейками 2 и 3 диодов накачки покрыты светоотражательной пленкой, обозначенной ссылочными позициями 4 (на внешней поверхности) и 5 (на внутренней поверхности). Указанная светоотражательная пленка может быть выполнена из металла, выбранного из группы, включающей серебро, алюминий и золото. Кроме того, на Фиг. 2 ссылочными позициями 6 и 7 обозначены отражатели излучения линеек 2 и 3, соответственно. На Фиг. 2 ломаными линиями 8 и 9 показаны траектории движения лучей, соответственно, от линейки 2 диодов накачки, расположенной на внешней поверхности активного элемента, и от линейки 3 диодов накачки, расположенной на его внутренней поверхности.

На Фиг. 3 показан внешний вид активного элемента твердотельного лазера по Фиг. 2. Следует иметь в виду, что для наглядности размеры по продольной оси (оси симметрии тонкостенного цилиндра 1) сильно увеличены. На Фиг. 3 ссылочная позиция 10 обозначает направление света от активного элемента, излучение которого имеет форму кольца, показанного пунктирными линиями.

Конструкция активного элемента твердотельного лазера по данному изобретению позволяет повысить эффективность использования импульса накачки, поскольку излучение линеек 2 и 3 диодов накачки распространяется в объеме цилиндрического элемента, и этот объем может быть дополнительно ограничен светоотражательными пленками 4 и 5. Кроме того, такая конструкция позволяет увеличить рабочий объем активного элемента за счет увеличения внутреннего и внешнего радиуса полого тонкостенного цилиндра 1 при постоянной толщине его стенки и высоте (или длине).

Тонкая стенка активного элемента, толщина которой много меньше внешнего и внутреннего диаметров полого тонкостенного цилиндра 1, обеспечивает такие параметры потока генерируемого излучения как: минимально возможная разница в интенсивности по толщине этой стенки, благодаря чему подавляются возникающие в активном элементе термоупругие напряжения; минимально возможная разница в частотах генерируемых мод; большее число импульсов (особенно мощных) в единицу времени, генерируемых без изменений параметров излучения в импульсе, за счет более равномерного нагрева активного элемента, что соответствует повышению частотности; минимально возможная расходимость потока, излучаемого твердотельным лазером (при соответствующем резонаторе).

Сверх того, данная конструкция дает возможность реализовать способ охлаждения такого активного элемента, когда для его охлаждения используют охлаждающий агент, одновременно подаваемый как на внутреннюю, так и на внешнюю поверхности полого тонкостенного цилиндра 1 с размещенными на этих поверхностях линейками 2 и 3 диодов накачки. При этом в качестве охлаждающего агента предпочтительно использовать легкокипящую жидкость, например, эфир, имеющий температуру кипения 60°. Однако в качестве охлаждающего агента можно использовать и обычную воду, и даже керосин.

1. Активный элемент твердотельного лазера, выполненный из прозрачного материала в виде полого тонкостенного цилиндра, высота которого много меньше его внутреннего и внешнего диаметров, причем толщина стенки упомянутого полого тонкостенного цилиндра выбрана с учетом теплопроводности упомянутого прозрачного материала для гарантированного подавления термоупругих напряжений и критических значений градиента температуры, при этом по внешней и внутренней поверхностям упомянутого полого тонкостенного цилиндра вдоль его образующих расположены линейки диодов накачки под углом к плоскости, касательной к поверхности упомянутого полого тонкостенного цилиндра в точке касания, с заданным шагом.

2. Активный элемент по п. 1, в котором в качестве упомянутого прозрачного материала выбран материал из группы, включающей неодимовое стекло, иттрий-алюминиевый гранат, индий-гадолиниевый гранат и лазерную керамику.

3. Активный элемент по п. 1, в котором упомянутые линейки диодов накачки расположены по внутренней поверхности упомянутого полого тонкостенного цилиндра напротив середины расстояния между линейками диодов накачки, расположенными по внешней поверхности упомянутого полого тонкостенного цилиндра.

4. Активный элемент по любому из пп. 1-3, в котором излучающие поверхности упомянутых линеек диодов накачки, расположенных на внутренней и внешней поверхностях упомянутого полого тонкостенного цилиндра, направлены навстречу друг другу.

5. Активный элемент по п. 4, в котором промежутки упомянутых внутренней и внешней поверхностей упомянутого полого тонкостенного цилиндра между упомянутыми линейками диодов накачки покрыты светоотражательной пленкой.

6. Активный элемент по п. 5, в котором упомянутая светоотражательная пленка выполнена из металла, выбранного из группы, включающей серебро, алюминий и золото.

7. Способ охлаждения активного элемента по п. 1, в котором для охлаждения упомянутого активного элемента используют охлаждающий агент, одновременно подаваемый на упомянутые внутреннюю и внешнюю поверхности упомянутого полого тонкостенного цилиндра с размещенными на них упомянутыми линейками диодов накачки.

8. Способ по п. 7, в котором в качестве упомянутого охлаждающего агента используют легкокипящую жидкость.