Активная среда лазера на твердом теле
Изобретение относится к области твердых рабочих сред лазера для производства лазерного излучения путем стимулированной эмиссии фотонов. Заявленная активная среда лазера для генерации лазерного излучения является твердым телом и содержит светоизлучающую поверхность, через которую в рабочем режиме лазера лазерное излучение выходит из активной среды лазера, причем светоизлучающая поверхность имеет границу, которая определяется по меньшей мере одной фаской или желобком. При этом соотношение между поверхностью и объемом активной среды лазера составляет от 0,8 до 10. Другим объектом является лазерное устройство, содержащее такую активную среду лазера, источник накачки, предназначенный для ввода света накачки в активную среду лазера, и резонатор, предназначенный для многократного отражения фотонов, причем резонатор содержит зеркало для вывода излучения, образованное, в частности, частично отражающим покрытием, и торцевое зеркало, образованное, в частности, покрытием с высоким коэффициентом отражения. Предложен также способ изготовления активной среды лазера. Технический результат - возможность создания активной среды для лазера на твердом теле без необходимости устанавливать апертурные диафрагмы в качестве отдельных деталей, с одновременным обеспечением особенно высокой гибкости выделения излучения, и возможности оптимального выбора геометрии рабочей среды лазера в отношении плоскостей излучения накачки и монтажа. 3 н. и 19 з.п. ф-лы, 20 ил., 2 табл.
Изобретение относится к области твердых рабочих сред лазера для производства лазерного излучения путем стимулированной эмиссии фотонов.
Твердые тела рабочей среды лазеров, как правило, в виде лазерных стержней применяют в качестве светоусиливающих деталей в лазерах на твердом теле. Лазеры на твердом теле, как правило, устроены таким образом, что лазерный стержень помещают в оптический резонатор и облучают так называемым излучением накачки для возбуждения более высокого энергетического уровня. Резонатор предназначен при этом для регенерации фотонов, эмитируемых при переходе более высокого энергетического уровня в более низкий уровень, чтобы они многократно проходили через лазерный стержень и повышали вероятность возникновения индуцированной, т.е. стимулированной эмиссии.
Лазерный резонатор может быть реализован с помощью двух зеркал, расположенных напротив друг друга, причем одно из зеркал имеет почти стопроцентный коэффициент отражения (торцевое зеркало), а другое зеркало имеет более низкий коэффициент отражения, чтобы обеспечить выход части лазерного излучения из резонатора в виде лазерного пучка (выходное зеркало).
Лазерное излучение, как правило, проходит также апертуру или ограничено апертурной диафрагмой, чтобы в зависимости от применения обеспечить определенные свойства лучей, в частности поддержать образование необходимого диаметра пучка, расхождение пучка или профиль пучка и подавить паразитарную осцилляцию.
Апертурную диафрагму устанавливают, например, в качестве конструктивной детали на входе пучка перед выходным зеркалом. Посредством такой апертурной диафрагмы обеспечивают гибкое выделение выходящего лазерного излучения, в частности, путем выбора формы апертуры и расположением апертурной диафрагмы относительно активной среды лазера. Иногда необходимо даже боковое смещение апертуры относительно активной среды лазера для селекционирования излучения в соответствии с энергетической плотностью накачки в активной среде лазера. Это связано с тем, что энергетическая плотность в активной среде лазера, как правило, неоднородна и часто даже вращательно или зеркально несимметрична. С другой стороны, существует возможность отказа от апертурной диафрагмы в виде отдельной конструктивной детали.
Апертурные диафрагмы или апертуры в этом случае определены, в частности, геометрическим границами уже установленных деталей, в отдельных случаях, например, диаметром самого лазерного стержня. Это имеет ряд преимуществ, например, экономию на дополнительных деталях и стоимости, упрощение монтажа лазера на твердом теле и возможность повлиять на необходимые свойства пучков уже в рамках изготовления активной среды лазера.
Однако недостатком отказа от отдельных апертурных диафрагм, как правило, является сильное ограничение возможности гибкого выделения требуемых частей излучения. Причиной этого является значительно более сильная зависимость геометрии активной среды лазера, по сравнению с отдельной апертурной диафрагмой, не только от выделения излучения, но и от других факторов. Так, например, геометрия лазерных стержней должна иметь, например, оптимальные входные плоскости для излучения накачки, обеспечивать наиболее выгодные условия изготовления, иметь высокую прочность и обеспечивать надежный монтаж.
В документе ЕР 1 341 271 А1 раскрыто лазерное устройство с лазерным стержнем на основе Nd:YAG (алюмоиттриевый гранат, легированный неодимом). При этом применяемые лазерные стержни имеют относительно большие размеры, например диаметр 6 мм или более. Таким образом, особенно маленькие активные среды лазеров не реализуемы.
В документе DE 102 22 852 A1 также раскрыты разные структуры оптического устройства с оптической деталью, запирающей рассеянное излучение. Предложена удлиненная оптическая деталь с прорезью на боковой поверхности.
Следовательно, необходимо при выборе геометрии лазерных стержней оптимально учитывать названные факторы и одновременно иметь возможность отказаться от отдельных апертурных диафрагм и, несмотря на это, обеспечить гибкое выделение частей излучения. Это можно считать задачей изобретения. Следовательно, задача изобретения - предложить активную среду лазера, в частности лазерные стержни, определяющие уже своей геометрией определенную апертуру и апертурную диафрагму для обеспечения необходимых свойств излучения, причем с одновременным обеспечением особенно высокой гибкости выделения излучения, в частности, также в отношении энергетической плотности в активной среде лазера и возможности оптимального выбора геометрии рабочей среды лазера в отношении плоскостей излучения накачки и монтажа.
Другой важный аспект изобретения - предложить для активной среды лазера материал, обладающий, с одной стороны, отличными оптическими свойствами, и обеспечивающий, с другой стороны, экономичное изготовление. При этом, в частности, должна быть обеспечена возможность получения особенно малых размеров активной среды лазера и изготовления, например, лазерных стержней диаметром менее 6 мм.
Следовательно, часть задачи изобретения - это, в частности, предложить активные среды для лазера на твердом теле без необходимости устанавливать апертурные диафрагмы в качестве отдельных деталей.
Эту задачу решают посредством объектов независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
Согласно изобретению предложена активная среда лазера для производства лазерного излучения, причем активная среда лазера образована твердым телом и имеет светоизлучающую поверхность, излучающую свет в рабочем режиме лазера, причем светоизлучающая поверхность имеет границы, определяемые, по меньшей мере, фаской или желобком.
Активная среда лазера, выполненная, в частности, в виде лазерного стержня, имеет, следовательно, предпочтительно, по меньшей мере, только одну светоизлучающую поверхность, переходящую на грани в фаску или желобок в виде паза. В случае фаски переход светоизлучающей поверхности в граничащую поверхность фаски образует, в частности, тупой угол. Поверхность фаски также переходит, в частности, с образованием тупого угла в боковую поверхность активной среды лазера. Под углом (тупым) между светоизлучающей поверхностью и поверхностью фаски или между поверхностью фаски и, например, боковой поверхностью из предыдущего описания следует понимать внутренний угол активной среды лазера. Этот угол составляет предпочтительно 100 градусов, особенно предпочтительно, по меньшей мере, 120 градусов и наиболее предпочтительно, по меньшей мере, 130 градусов и/или предпочтительно максимально 170 градусов, особенно предпочтительно, по меньшей мере, 120 градусов и максимально 150 градусов и наиболее предпочтительно, по меньшей мере, 130 градусов и максимально 140 градусов. Одновременно для описания фаски используют также (острый) смежный угол с указанным углом, т.е. дополнительный до 180 градусов угол. Фаска в этом описании имеет, следовательно, предпочтительно угол, по меньшей мере, 10 градусов, особенно предпочтительно 30 градусов и наиболее предпочтительно, по меньшей мере, 40 градусов и/или максимально 80 градусов, особенно предпочтительно максимально 40 градусов и наиболее предпочтительно максимально 60 градусов. Угол, например, составляет от 10 до 80 градусов, особенно предпочтительно от 30 до 60 градусов и наиболее предпочтительно от 40 до 60 градусов.
Иначе говоря, светоизлучающая поверхность ограничена фаской или желобком. Таким образом, предложено, чтобы, по меньшей мере, ограничивающая светоизлучающую поверхность грань непосредственно не переходила в боковую поверхность активной среды лазера. Более того, по меньшей мере, две следующие друг за другом грани образуют сначала переход в боковую поверхность или в боковую наружную поверхность. Понятие желобок включает при этом, в частности, паз. Понятие фаска включает также каннелюру или закругление и т.д. Однако, в частности, по технологическим причинам предпочтительна фаска с плоской поверхностью фаски, проходящей под углом в светоизлучающую поверхность и/или в боковую поверхность или в боковую наружную поверхность. В зависимости от формы светоизлучающей поверхности, например четырехугольной, возможны несколько поверхностей фаски, например, по одной для каждой из четырех сторон или граней светоизлучающей поверхности, или же, например, при круглой светоизлучающей поверхности, полностью замкнутая поверхность фаски.
Следовательно, в частности, предложено, чтобы светоизлучающая поверхность имела со всех сторон границы, определенные, по меньшей мере, фаской или желобком. Светоизлучающая поверхность, таким образом, со всех сторон ограничена фаской или желобком. Светоизлучающая поверхность, таким образом, со всех сторон ограничена гранью с тупым углом.
То, что светоизлучающая поверхность согласно изобретению имеет границы, определенные, по меньшей мере, фаской или желобком, не обязательно предполагает, что границы светоизлучающей поверхности граничат с фаской или желобком. Так, например, (вместо выполненного в виде фаски желобка) предложен желобок в виде шлица, проекция которого вдоль оптической оси определяет границы светоизлучающей поверхности. Иначе говоря, границы светоизлучающей поверхности необязательно образованы гранью. Следовательно, светоизлучающая поверхность может быть частью торцевой поверхности активной среды лазера, границы которой определены, в частности, фаской или желобком, имеющими отстояние вдоль оптической оси. Однако, по технологическим причинам, однако, предпочтительны фаска или желобок, граничащие со светоизлучающей поверхностью.
Естественно, граница, т.е. край поверхности выхода излучения может быть определена также, по меньшей мере, фаской или, по меньшей мере, желобком, т.е., как правило, одной или несколькими фасками и/или одним или несколькими желобками.
Наличие у светоизлучающей поверхности согласно изобретению границы, определенной, по меньшей мере, фаской или желобком, обеспечивает предпочтительно возможность почти любой формы светоизлучающей поверхности. Например, лазерный стержень с квадратной плоскостью поперечного сечения после выполнения, по меньшей мере, одной фаски или одного желобка получает неквадратную, например прямоугольную, круглую или же в отдельных случаях также квадратную светоизлучающую поверхность с боковым смещением.
Одновременно геометрию активной среды лазера можно выбирать главным образом независимо от формы светоизлучающей поверхности. Например, простым способом изготавливают лазерный стержень с квадратным поперечным сечением и круглой светоизлучающей поверхностью или же лазерный стержень с круглым поперечным сечением и многоугольной светоизлучающей поверхностью. Таким образом, геометрию активной среды лазера выбирают с учетом, в частности, дальнейшего применения, например с многоугольным, как правило квадратным сечением, что имеет ряд практических преимуществ, например низкие производственные затраты, более простой и надежный монтаж с диодами световой накачки и теплоотводами.
В рабочем режиме лазера светоизлучающая поверхность может служить также апертурой, а, по меньшей мере, одна фаска или один желобок - апертурной диафрагмой, что формирует определенный профиль излучения. Таким образом, светоизлучающая поверхность или де фаски или желобок способствуют образованию определенных профилей излучения.
Выбираемые почти свободно и независимо от геометрии активной среды лазера форма и положение светоизлучающей поверхности обеспечивают, таким образом, и возможность очень гибкого выделения требующихся частей составляющих излучения, аналогично применению отдельной апертуры, любой формы и с боковым смещением. Однако, отдельная апертурная диафрагма (точечная диафрагма) как раз предпочтительно и не нужна. Таким образом, отпадает необходимость апертур и/или апертурных диафрагм в других местах лазерной системы, что делает лазерную систему целиком меньше, компактнее и легче. Это также сокращает производственные расходы. Кром этого уже при изготовлении лазерного стержня светоизлучающую поверхность изготовляют с сохранением необходимых свойств излучения. Таким образом, можно дополнительно повысить качество излучения.
В частности, центр светоизлучающей поверхности может иметь боковое смещение относительно оптической оси лазерного стержня, что обеспечивает возможность селекционирования излучения относительно неоднородной энергетической плотности в активной среде лазера. Изобретение обеспечивает также возможность снизить количество ошибок при монтаже лазеров, так как сама активная среда лазера имеет оптимальные апертурные формы, определенные посредством компьютерной симуляции. В частности, посредством фаски продолжают предпочтительно повышать запас прочности активной среды лазера, так как, например, тупой угол относительно невосприимчив.
По меньшей мере одна фаска или желобок являются, следовательно, апертурной диафрагмой, т.е. предназначены, в частности, для предотвращения выхода лазерного излучения из лазерного стержня через плоскость фаски или желобка. Фаска или желобок также рассеивают излучение. Таким образом, в резонаторе предпочтительно в месте нахождения фаски или желобка происходит образование лазерных мод параллельно оптической оси.
По меньшей мере, одна фаска или желобок предназначены также для воздействия определенным образом на профиль мод в рабочем режиме лазера, чтобы обеспечить определенные характеристики лазерного излучения и/или повысить качество лазерного излучения.
Специальное воздействие на генерирование мод априори можно рассчитать и учесть при формировании фаски или желобка.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения активная среда лазера имеет продольную ось и выполнена, в частности, в виде лазерного стержня с первой торцевой поверхностью, включающей светоизлучающую поверхность, с противоположной первой торцевой поверхности второй торцевой поверхностью и боковой поверхностью.
Предпочтительно первая торцевая поверхность образует светоизлучающую поверхность. Активная среда лазера имеет поэтому, в частности форму квадрата со скошенными кромками, цилиндра, усеченной пирамиды или усеченного конуса. Предложено, что на второй торцевой поверхности лазерного стержня отсутствует фаска или желобок или, что эта торцевая поверхность также имеет, по меньшей мере, фаску или желобок.
Следовательно, по меньшей мере, фаску или желобок, действующие, в частности, как апертура, выполняют только на одной лазерной поверхности или на обеих. На одной из поверхностей, оптически противоположных светоизлучающей поверхности, независимо от фасок или желобков, определяющих границы светоизлучающей поверхности, может иметь фаски. Однако, возможно, что одна/один или несколько фасок или желобков на второй торцевой поверхности определяют границы светоизлучающей поверхности. Одна/один или несколько фасок или желобков, ограничивающих вторую торцевую поверхность, отличаются, в частности, по форме, по меньшей мере, от фаски или желобка на светоизлучающей поверхности. Это, например, предпочтительно для обеспечения соответствующей асимметрии, влияющей на профиль мод и/или на энергетическую плотность.
Особенно предпочтительно активная среда лазера отличается плоскостью поперечного сечения, перпендикулярной продольной оси активной среды лазера и неизменной на большей части длины активной среды, в частности, многоугольной, предпочтительно квадратной или округлой, предпочтительно в виде круга.
Таким образом, активная среда лазера имеет на большей части своей длины поперечное сечение, получаемое за счет параллельного смещения, например, квадрата или круга. Активная среда лазера особенно предпочтительно выполнена в виде прямоугольного параллелепипеда с квадратным поперечным сечением, имеющим скошенные кромки на стороне светоизлучающей поверхности. В этом случае часть боковой или боковой наружной поверхности плоская и особенно практично контактирует с источником света накачки или теплоотводом. Следовательно, светоизлучающая поверхность, в частности, меньше плоскости поперечного сечения, перпендикулярной продольной оси активной среды лазера.
Светоизлучающая поверхность может иметь также боковое смещение вертикально относительно продольной оси активной среды лазера.
Таким образом, например, лазерное излучение выделяют из активной среды лазера в зависимости от асимметричной энергетической плотности. Асимметричная энергетическая плотность в активной среде лазера - это даже типичный случай, так как лазерные стержни, как правило, подвергают световой накачке через боковую или боковую наружную поверхность. Так как материал поглощает свет накачки и, тем самым, ослабляет его, энергетическая плотность в стержнях, как правило, неоднородна. Как правило, энергетическая плотность даже не имеет вращательной или зеркальной симметрии, даже если переданный свет накачки на противоположной стороне снова отражается, например зеркально, что создает возможность повторного поглощения.
Таким образом, например, асимметрия светоизлучающей поверхности обеспечивает выделение лазерного излучения только из зон активной среды лазера с (примерно) равномерной плотностью энергии.
При однородной плотности энергии в материале в резонаторе в зависимости от статистического количества отражений образуются профили излучения с гаусформой, цилиндрические или смешанной формы, с разной силой коллимирования. В определенных условиях предпочтительны разные профили излучения.
Светоизлучающая поверхность, в частности, многоугольной формы геометрически не аналогична плоскости поперечного сечения перпендикулярно продольной оси активной среды лазера и/или имеет другое, в частности, более меньшее число углов, в частности, при многоугольном поперечном сечении. Иначе говоря, предложено, чтобы форма светоизлучающей поверхности и плоскость поперечного сечения активной среды лазера не могла переходить друг в друга путем преобразования подобия. Это, например, имеет место, когда лазерный стержень имеет прямоугольное поперечное сечение, а светоизлучающая поверхность имеет квадратную или закругленную форму. Светоизлучающая поверхность, геометрически не аналогичная плоскости поперечного сечения перпендикулярно продольной оси активной среды лазера в зоне, не соответствующей светоизлучающей поверхности, задана и в случае лазерных стержней с вращательно-симметричным поперечным сечением или лазерных стержней с геометрией прямоугольного параллелепипеда.
В одном из вариантов осуществления изобретения светоизлучающая поверхность округлая и имеет границы, определенные проходящей по периметру фаской или желобком. Округлая светоизлучающая поверхность, таким образом, ограничена по периметру фаской или желобком. Под «округлая», как правило, понимают отсутствие углов у светоизлучающей поверхности. Светоизлучающая поверхность может быть также многоугольной, в частности прямоугольной и иметь границы, определенные несколькими, в частности тремя или четырьмя фасками или желобками. Многоугольная, в частности прямоугольная, светоизлучающая поверхность ограничена, следовательно, несколькими, в частности тремя или четырьмя фасками или желобками. Таким образом, светоизлучающая поверхность является, в частности, прямоугольной, причем высота и ширина прямоугольника отличаются друг от друга.
Светоизлучающая поверхность может иметь, в частности, форму круга или эллипса и быть ограничена конусообразной фаской. Под конусообразной фаской понимают фаску с выполненной на конус поверхностью. Ось конуса проходит при этом, в частности, параллельно продольной оси активной среды лазера, в частности, при светоизлучающей поверхности в виде круга или же под углом к продольной оси активной среды лазера, в частности, при эллипсоидной светоизлучающей поверхности. Подобную фаску, следовательно, называют также конической фаской. Фаска может быть выполнена на эллиптический конус.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения светоизлучающая поверхность плоская и направлена, в частности, перпендикулярно к продольной оси активной среды лазера и/или параллельно второй торцевой поверхности лазерного стержня. Активная среда лазера или лазерный стержень включает предпочтительно исходный материал и заложенный в него активный лазерный материал для стимулированной эмиссии фотонов, причем исходный материал состоит из стекла или кристаллов (например, фосфатные стекла, силикатные стекла, YAG-стекла (иттрий-алюминий-гранат) или сапфировое стекло) и/или лазерно-активный материал, например ионы иттербия и/или ионы эрбия (например, в производимых SCHOTT AG стеклах APG1, APG760, LG680, LG750, LG760, LG770), ионы титана (например, титан-сапфир), ионы хрома и/или ионы кобальта. Соответствующие фосфатные стекла содержат P2O5 предпочтительно, по меньшей мере, 50% масс, более предпочтительно, по меньшей мере, 55% масс и/или предпочтительно максимально 85% масс, более предпочтительно максимально 80% масс. Стекла содержат также Al2O3 предпочтительно, по меньшей мере. 1% масс, более предпочтительно, по меньшей мере, 2% масс и/или предпочтительно максимально 20% масс. Другими дополнительными компонентами фосфатных стекол являются фтор (предпочтительно от 0 до 20% масс), один или несколько окислов щелочных металлов (Li, Na, K, в сумме предпочтительно 0 до 20% масс), щелочноземельные металлы (Mg, Ca, Ba, Sr, в сумме предпочтительно от 0 до 20% масс) и окислы элементов B, Zn, La, Gd, Nb, Y, Bi, Ge, и/или Pb. Такие стекла описаны, например, в US 2017/0217828, US 5526369, US 5032315, US 5173456 и US 4929387, на которые в этом описании сделана ссылка в полном объеме.
Фосфатные стекла имеют превосходные свойства для применения в качестве активной среды лазера, например, по своим отличным характеристикам накачки и эмиссии, но их термические и механические параметры имеют очень низкие показатели. Так, например, как теплопроводность, так и предел прочности («fracture toughness») лазерного кристалла, например Nd:YAG (алюмоиттриевый гранат, легированный неодимом) соответственно на порядок выше, чем у фосфатных стекол, тепловой коэффициент линейного растяжения примерно на треть ниже, чем у фосфатных стекол, юнговский модуль в 5-6 раз выше. Следствием этого в рабочем режиме лазера с фосфатными стеклами при одинаковой геометрии является образование явно более высокого температурного профиля и, тем самым, тепловых линз, а излом материала из-за перепадов температур или теплового шока более вероятен. Поэтому необходимо максимальное сокращение размера активных компонентов лазерного стекла и канала теплопередачи с полезного объема до установленных снаружи теплоотводов.
Наряду с недостатками термических и механических свойств фосфатные стекла не подходят в качестве исходного материала также потому, что они гигроскопичны и водорастворимы. Они также легко ломаются и царапаются и имеют мягкую поверхность.
Неожиданно выяснилось, что у фосфатных стекол в качестве исходного материала реализуемы не только очень маленькие размеры лазерного стержня, но и что при определенных условиях даже по термическим причинам необходимо максимально уменьшать размеры лазерных стержней. У цилиндрических лазерных стержней диаметры составляют менее 6 мм, предпочтительно менее 5 мм и особенно предпочтительно менее 4 мм и даже менее 2 мм. Лазерные стержни из фосфатного стекла можно производить даже с диаметром, например, 1,5, 1,2, 1,0 или 0,9 мм. В частности, для этого используют фосфатные стекла LG960, LG950 и LG940 с добавлением лазерного активного материала. Указанные размеры действительны и для лазерных стержней с другими аналогичными геометриями, например, для лазерных стержней с многоугольным поперечным сечением.
Так как фосфатные стекла и, в частности, поверхность компонентов из фосфатного стекла очень чувствительны к воде, а более мелкие детали имеют поверхность, превосходящую в сравнении общий объем, исходят из того, что очень маленькие лазерные стержни из фосфатного стекла практически не применимы. Неожиданно выяснилось, что изготовление с сохранением качества лазерного стержня возможно при быстром монтаже с соответствующей инкапсуляцией и немногочисленными операциями и дополнительными отдельными деталями. Апертуры, предпочтительно улучшающие характеристики излучения у лазерных стержней указанных размеров, должны иметь специальную минимальную геометрическую точность относительно формы, размера поперечного сечения и позиционирования. Если апертура стержней указанного размера действует за счет фаски или желобка, то предпочтительно, чтобы фаска или желобок имели допуск по размеру и позиционированию предпочтительно менее 0,1 мм и особенно предпочтительно менее 0,01 мм. При этом даже для специалиста было неясно, что необходимо исходить вообще из возможности выполнения фаски или желобка по данному изобретению с необходимой точностью на компонентах из такого мягкого, водорастворимого, гигроскопичного материала с полированными поверхностями, даже с антирефлексионным покрытием и при очень малых размерах лазерного стержня.
Главным образом, и, не ограничиваясь описанными ранее предпочтительными вариантами осуществления, активный лазерный материал может включать ионы иттербия, эрбия, неодима, празеодима, самария, европия, гадолиния, тербия, диспрозия, гольмия, тулия, церия, хрома, кобальта, ванадия, никеля, молибдена и/или титана.
Твердые тела на ионах эрбия, в частности, предпочтительны для изготовления т.н. «безопасных для глаз» активных сред лазера. Их применяют, например, в медицине и военном деле. Оптически активными ионами, следовательно, являются ионы эрбия (Er3+), заложенные, например, в фосфатное стекло и испускающие лазерное излучение при примерно от 1535 до 1550 нм. Накачку производят опосредованно через иттербий Ytterbium (Yb3+, диодная накачка при 950 нм) или через хром (Cr3+) и иттербий (накачка вспышками видимого спектра и спектра ближнего ИК-диапазона).
Концентрация ионов иттербия предпочтительно составляет от 5 × 1020 cm-3 до 30 × 1020 cm-3, ионов эрбия от 0,1 × 1020 cm-3 до 2 × 1020 cm-3, ионов хрома от 0,01 × 1020 cm-3 до 0,2 × 1020 cm-3 и/или ионов неодима от 0,1 × 1020 cm-3 до 10 × 1020 cm-3.
Таким образом, предусмотрены, например, следующие концентрации ионов (легирования):
- диодная накачка: Yb3+: 15 * 1020 cm-3
Er3+: 0.5* 1020 cm-3
- или: Yb3+: 20* 1020 cm-3
Er3+: 0.2* 1020 cm-3
- накачка вспышками: Yb3+: 23* 1020 cm-3
Er3+: 0.2* 1020 cm-3
Cr3+: 0.05* 1020 cm-3
В одном из вариантов осуществления изобретения активная среда лазера содержит частично отражающее покрытие, нанесенное на светоизлучающую поверхность, в частности на первый торец.
Частично отражающее покрытие на светоизлучающей поверхности работает, следовательно, в качестве зеркала резонатора, предназначенного для вывода излучения. Таким образом, наряду с апертурной диафрагмой можно отказаться еще от одной детали лазерной системы для экономии стоимости и облегчения монтажа.
С другой стороны, возможно нанесение покрытия с высоким коэффициентом отражения (т.е. с почти 100% коэффициентом отражения) на торцевую поверхность, боковую поверхность и/или на указанную по меньшей мере одну фаску или желобок (т.е. на поверхности фаски или желобка). Нанесенное на поверхность активной среды лазера, противоположную светоизлучающей поверхности, покрытие с высоким коэффициентом отражения служит, в частности, торцевым зеркалом резонатора. Это также обеспечивает возможность экономии деталей и, тем самым, стоимости.
Покрытия на активную среду лазера наносят, в частности, путем атомно-слоевого осаждения. Таким образом, лазерные стержни, в частности, малых размеров полностью герметизированы, причем в отдельных случаях выполнено отверстие для световой накачки.
Активная среда лазера предпочтительно имеет также по меньшей мере одну поверхность световой накачки для ввода излучения накачки. Лазерный стержень накачивают, например, через боковую сторону или боковую поверхность. Иначе говоря, по меньшей мере одну боковую поверхность активной среды лазера выполняют в виде поверхности световой накачки. В этом случае накачку производят только с одного направления, т.е. через одну боковую поверхность, при этом отражающее покрытие, в частности, покрытие с высоким коэффициентом отражения, может быть нанесено на боковую поверхность, находящуюся напротив поверхности световой накачки. Указанное покрытие отражает свет накачки обратно внутрь стержня. Это обеспечивает более эффективный энергетический КПД накачки.
При этом переход светоизлучающей поверхности в указанную по меньшей мере одну боковую поверхность, выполненную как поверхность световой накачки, образован только одной кромкой, причем угол перехода составляет предпочтительно 90 градусов. Иначе говоря, в зависимости от геометрии лазера и его свойств фаски или желобки, ограничивающие апертуру, предпочтительно выполняют только на боковых поверхностях (или на их гранях со светоизлучающей поверхностью), через которые не проводят световую накачку, а на боковой поверхности накачки фаску не выполняют. Концентрация инверсных состояний и, тем самым, плотность энергии на этой боковой поверхности самые высокие, что обеспечивает возможность полноценного использования этой зоны объема.
Поверхность световой накачки может быть также образована, например, частью боковой поверхности. Например, выполняют окошко внутри отражающего покрытия, в частности с высоким коэффициентом отражения, образующего поверхность световой накачки. Такое окошко выполняют, например, в виде щели. Вместе с противоположным отражающим покрытием это дополнительно повышает эффективность накачки. Это также снижает нагрев других деталей лазерной системы. Такое отражающее покрытие можно нанести и на все боковые поверхности и оставить для накачки только щелевидное окошко.
Отражающие покрытия, т.е. указанное покрытие, может быть, например, диэлектрической многослойной системой или металлическим покрытием с отражением в соответствующем диапазоне спектра, например покрытием из золота, меди, серебра или алюминия.
В одном из вариантов осуществления изобретения длина активной среды лазера вдоль продольной оси составляет по меньшей мере 1 мм, предпочтительно, по меньшей мере 5 мм и/или максимально 1000 мм, предпочтительно, максимально 500 мм, в специальных вариантах выполнения предпочтительно максимально 50 мм. Плоскость поперечного сечения активной среды лазера предпочтительно перпендикулярна продольной оси и составляет по меньшей мере 0,25 мм2 и максимально 10000 мм2, предпочтительно, максимально 1000 мм2, в специальных вариантах выполнения предпочтительно максимально 100 мм2. Так, например, предложены лазерные стержни с диаметром до 100 мм и длиной до 700 мм.
Геометрия лазерных стержней может быть, например следующей:
- с квадратным поперечным сечением 1,5 × 1,5 × 20 мм,
- прямоугольным поперечным сечением 2 × 5 × 10 мм,
- округлым поперечным сечением Ø 1,8 × 25 мм, причем стержни имеют соответственно по меньшей мере одну фаску, служащую не только апертурной диафрагмой, но и снижающую опасность разрушения. Круглый стержень имеет, например круглую фаску, повышающую запас прочности. Это также снижает риск возникновения сколов кромки, потенциально способных поцарапать поверхность.
В таблице 1 для вращательно-симметричных лазерных стержней в качестве активной среды лазера по вариантам 1 и 2 указаны, например, варианты выполнения с предпочтительными и особенно предпочтительными размерами. Другие предпочтительные размеры обозначены цифрами 1, 2 и 3. Пример 1 и Пример 2 обозначают два особенно предпочтительных размера лазерных стержней по данному изобретению. Эти вращательно-симметричные лазерные стержни согласно таблице 1, т.е. по вариантам 1 или 2, размерам 1, 2 или 3, или по примерам 1 или 2 предпочтительно содержат указанные ранее фосфатные стекла, в частности, производимые SCHOTT AG стекла LG960, LG950 и LG940.
Таблица 1. Предпочтительные размеры лазерных стержней с вращательно-симметричным поперечным сечением
| Диаметр цилиндра [мм] | Высота цилиндра [мм] | Поверхность [мм2] | Объем [мм3] | Поверхность к объему [мм-1] |
|
| Вариант 1 | 4 | 60 | 779,1 | 754,0 | 1,0 |
| Вариант 2 | 2,5 | 30 | 245,4 | 147,3 | 1,7 |
| Размер 1 | 1,8 | 25 | 146,5 | 63,6 | 2,3 |
| Размер 2 | 1,5 | 20 | 97,8 | 36,3 | 2,8 |
| Размер 3 | 1,2 | 11 | 43,7 | 12,4 | 3,5 |
| Пример 1 | 1 | 10 | 33,0 | 7,9 | 4,2 |
| Пример 2 | 0,7 | 5 | 11,8 | 1,9 | 6,1 |
В таблице 2 для лазерных стержней с квадратной геометрией в качестве активной среды лазера по вариантам 1 и 2 показаны, например, варианты выполнения с предпочтительными и особенно предпочтительными размерами, Другие предпочтительные размеры обозначены цифрами 1, 2 и 3. Пример 1 и Пример 2 обозначают два особенно предпочтительных размера лазерных стержней по данному изобретению. Эти вращательно-симметричные лазерные стержни согласно таблице 2, т.е. по вариантам 1 или 2, размерам 1, 2 или 3, или по примерам 1 или 2 предпочтительно содержат указанные ранее фосфатные стекла, в частности производимые SCHOTT AG стекла LG960, LG950 и LG940.
Таблица 2. Предпочтительные размеры лазерных стержней в форме параллелепипеда
| Длина парал-лелепи-педа [мм] | Ширина парал-лелепи-педа [мм] | Высота парал-лелепи-педа [мм] | Поверхность [мм2] | Объем [мм3] | Поверхность к объему [мм-1] |
|
| Вариант 1 | 30 | 5 | 5 | 650,0 | 750,0 | 0,9 |
| Вариант 2 | 10 | 6 | 1.3 | 161,6 | 78,0 | 2,1 |
| Размер 1 | 25 | 4 | 4 | 432,0 | 400,0 | 1,1 |
| Размер 2 | 20 | 1,5 | 1,5 | 124,5 | 45,0 | 2,8 |
| Размер 3 | 20 | 6 | 1,2 | 158,4 | 72,0 | 2,2 |
| Пример 1 | 4 | 2 | 1 | 28,0 | 8,0 | 3,5 |
| Пример 2 | 3 | 0,7 | 0,7 | 9,4 | 1,5 | 6,4 |
В данном изобретении соотношение поверхности и объема (“Соотношение A/V”) играет центральную роль, так как, с одной стороны, малый объем активной среды лазера - это принципиально положительный фактор, так как обеспечивает возможность относительно простого помещения в соответствующий теплоотвод и отведения тепла из накаченного объема. С другой стороны, необходима также определенная длина для обеспечения возможности оптимального использования необходимых оптических характеристик активной среды лазера в сочетании с лазерным излучением.
Значение A/V-соотношения поэтому составляет по меньшей мере 0,8, предпочтительно, по меньшей мере 1 и особенно предпочтительно по меньшей мере 2. Одновременно A/V-соотношение не должно превышать 10, предпочтительно 8 и особенно предпочтительно 7. Поэтому у активной среды лазера по данному изобретению с фосфатным стеклом в качестве материала-основы соотношение поверхности и объема активной среды лазера составляет от 0,8 до 10, предпочтительно от 1 до 8 и особенно предпочтительно от 2 до 7.
С такими маленькими компонентами юстировка и ориентирование дополнительных компонентов диафрагм очень затратны, что делает в данном изобретении ограничение светоизлучающей поверхности по меньшей мере одной фаской или желобком очень предпочтительным.
Изобретение также относится к лазерному устройству с активной средой лазера по данному изобретению, источником накачки для ввода света накачки в активную среду лазера и резонатором для многократного отражения фотонов, причем резонатор имеет, в частности, зеркало для вывода излучения, образованное покрытием с частичным отражением, или торцевое зеркало, образованное, в частности, покрытием с высоким коэффициентом отражения. Покрытие с частичным отражением или с высоким отражением называют также отражающим покрытием. При этом фаски или желобки, определяющие границы светоизлучающей поверхности активной среды лазера, т.е. задающие апертуру фаски или желобки, расположены на стороне с отражающим покрытием, на стороне с неотражающим покрытием или на обеих сторонах.
Изобретение относится также к способу изготовления активной среды лазера, причем предложена активная среда лазера со светоизлучающей поверхностью и по меньшей мере одной кромкой, образующей переход светоизлучающей поверхности в боковую поверхность активной среды лазера, и на указанной по меньшей мере одной кромке выполнена фаска, в частности путем шлифовки, полировки и/или фрезерования.
Под «выполнением фаски» понимают, в частности, обработку кромки с образованием двух кромок, что не исключает, следовательно, образование также канелюра или закругления. Такое выполнение фаски осуществляют вручную или на CNC-станке (станок с ЧПУ). Предложено также выполнение более двух кромок, в частности, путем выборки фальца или паза и т.п.
Согласно изобретению для очень маленьких и мягких компонентов используют процессы шлифовки или полировки, в которых очень малоабразивные мелкозернистые полировочные материалы очень медленно снимают материал. Как правило, для полировки стекла используют полировочный абразив из окиси церия, так как он хорошо прилипает к стеклу и обладает высокой эффективностью сноса. При выполнении фаски или желобка это нежелательно. Поэтому для изготовления активной среды лазера лучше использовать полировочный абразив с менее сильным ковалентным соединением с лазерным материалом, например Al2O3, SiO2, или алмаз. При этом для обеспечения высокой точности шероховатость поверхности шлифованной фаски или желобка и, соответственно, полировочного абразива не должна быть слишком высокой. Предпочтительно это соответствует категории Grit 400 или выше. При этом можно работать с несвязанным абразивом («Slurries» = пасты) или со связанным абразивом. Также предпочтительно при снятии очень малого объема материала не нацеливать процесс по центру, как в отношении размера, так и в отношении позиционирования. Более того, результат более вероятен при снятии материала только в пределах верхней границы допуска и, тем самым, с дополнительным снятием материала в отдельных случаях. Если при таком процессе снятия материала заходят за нижнюю границу допуска, то компонент не соответствует по качеству, так как задним числом материал невозможно нарастить. Также предпочтительно, в частности, при очень маленьких размерах фаски по спецификации работать с несколькими повторениями операции снятия материала и обратной связи для проверки замеров. Размер фаски или желобка измеряют с помощью микроскопа. Это обеспечивает возможность выполнения фасок на лазерном стержне с диаметром менее 2 мм с пределом точности менее 10 микрометров при условии, что эти лазерные стержни состоят из мягкого, водорастворимого фосфатного стекла или имеют в своем составе подобное фосфатное стекло.
В специальном варианте осуществления лазерный стержень с прямоугольным поперечным сечением оптически накачивают через боковую поверхность. Так как накачку осуществляют путем поглощения, интенсивность света накачки затухает экспоненциально расстоянию до поверхности, через которую осуществляют накачку. Наибольшая энергетическая плотность образуется, таким образом, непосредственно на соответствующей боковой поверхности. В этом случае недостатком было бы обрезание лазерного излучения фаской на кромке, образующей входную или выходную поверхности лазера с поверхностью накачки. Чтобы предпочтительным образом выполнить апертуру, фаску выполняют на этой кромке или на одной из трех других кромок входной или выходной поверхности лазера, а кромку на поверхности накачки оставляют без фаски.
В похожем варианте осуществления по той же причине округлые или прямоугольные, ограниченные фасками апертуры расположены асимметрично и ближе к стороне накачки лазерного стержня.
Некоторые варианты осуществления изобретения далее более подробно раскрыты на основе фигур, причем одинаковые или аналогичные элементы имеют совпадающие условные обозначения. На фигурах изображено:
фиг. 1 - лазерное устройство с лазерным стержнем, источником света накачки и резонатором;
фиг. 2 - квадратный лазерный стержень с расположенной по центру прямоугольной апертурой и фасками под 45 градусов;
фиг. 3 - квадратный лазерный стержень с расположенной по центру прямоугольной апертурой и фасками под разными углами;
фиг. 4 - квадратный лазерный стержень с расположенной по центру круглой апертурой и конусообразной фаской, причем оси симметрии лазерного стержня и фаски идентичны;
фиг. 5 - квадратный лазерный стержень со смещенной относительно центра круглой апертурой и конусообразной фаской, причем оси симметрии лазерного стержня и фаски параллельны;
фиг. 6 - квадратный лазерный стержень с эллипсоидной апертурой и конусообразной фаской, причем оси симметрии лазерного стержня и фаски проходят под углом друг к другу;
фиг. 7 - квадратный лазерный стержень с расположенной по центру эллипсоидной апертурой и фаской под 45 градусов;
фиг. 8 - квадратный лазерный стержень с расположенной по центру круглой апертурой и выполненным в виде фальца желобком (уступом), причем оси симметрии лазерного стержня и уступа идентичны;
фиг. 9 - круглый лазерный стержень с расположенной по центру круглой апертурой и ступенчатым желобком (фальцем), причем оси симметрии лазерного стержня и фальца идентичны;
фиг. 10 - круглый лазерный стержень с расположенной не по центру круглой апертурой и ступенчатым желобком (фальцем), причем оси симметрии лазерного стержня и фальца параллельны;
фиг. 11 - круглый лазерный стержень с расположенной по центру круглой апертурой и ступенчатым желобком (фальцем), причем оси симметрии лазерного стержня и фальца идентичны, а на граничащих с боковой наружной поверхности кромках дополнительно выполнена предохранительная фаска;
фиг. 12 - круглый лазерный стержень с расположенной по центру круглой апертурой и ступенчатым желобком (фальцем), причем оси симметрии лазерного стержня и фальца идентичны, а на граничащих с боковой наружной поверхности кромках дополнительно выполнена предохранительная фаска;
фиг. 13 - круглый лазерный стержень с расположенной по центру восьмиугольной апертурой;
фиг. 14 - круглый лазерный стержень с расположенной по центру круглой апертурой и щелевидным желобком (круглым пазом), причем оси симметрии лазерного стержня и паза идентичны;
фиг. 15 - круглый лазерный стержень с расположенной по центру круглой апертурой и щелевидным желобком (круглым пазом), причем оси симметрии лазерного стержня и паза идентичны и выполнены дополнительные (не апертурные) предохранительные фаски;
фиг. 16 - квадратный лазерный стержень с прямоугольной апертурой и фасками на трех из четырех сторон светоизлучающей поверхности, за счет чего она непосредственно граничит с одной из боковых поверхностей;
фиг. 17 - квадратный лазерный стержень с прямоугольной апертурой и фасками на трех из четырех сторон светоизлучающей поверхности, за счет чего она непосредственно граничит с одной из боковых поверхностей, являющейся поверхностью световой накачки, а три другие боковые поверхности имеют отражающее покрытие;
фиг. 18 - лазерный стержень с установленной со смещением относительно центра круглой апертурой и конусообразной фаской, причем оси симметрии лазерного стержня и фаски параллельны, апертура смещена в сторону продольной кромки (кромка, параллельная продольной оси активной среды лазера), на этой продольной комке заполирована входная поверхность для света накачки, а на четыре боковые поверхности нанесено отражающее покрытие, отражающее свет накачки;
фиг. 19 - квадратный лазерный стержень с размещенной по центру прямоугольной апертурой и фасками под разными углами, причем (а) сторона лазерного стержня с фаской имеет (частично) отражающее покрытие, а другая сторона лазерного стержня имеет не отражающее покрытие или (b) сторона лазерного стержня с фаской имеет неотражающее покрытие, а другая сторона лазерного стержня имеет (частично) отражающее покрытие;
фиг. 20 - квадратный лазерный стержень с размещенной по центру прямоугольной апертурой и двумя парами фасок на противоположных сторонах лазерного стержня, причем фаски выполнены под углом 45 градусов.
На фиг. 1а показан пример сильно упрощенного лазерного устройства 2, включающего активную среду 10 лазера, резонатор с торцевым зеркалом 12 и противолежащим зеркалом 14 вывода излучения, а также источник 16 света накачки для генерации света накачки 18. Свет накачки 18 создает в активной среде 10 лазера инверсию населенностей.
Многие лазерные устройства имеют внутри кавитатора и другие элементы, например, насыщаемые поглотители в качестве модулятора добротности (англ. Q-Switch) (например, из шпинели кобальта) импульсных лазерных систем.
В показанном на фиг. 1b также сильно упрощенном примере активная среда 10 лазера имеет покрытие 15, причем покрытие 15 является частично отражающим покрытием для обеспечения выхода света. Частично отражающее покрытие и торцевое зеркало 12 служат резонатором. Как это понятно для специалиста, резонатором может служить и наоборот покрытие с высоким отражением вместе с торцевым зеркалом.
В показанных на фиг. 1а и 1b примерах индуцированная эмиссия фотонов через активный материал активной среды лазера, усиленная многократным отражением фотонов в резонаторе, возбуждает лазерные моды 22 вдоль оптической оси.
Активная среда 10 лазера в показанных примерах имеет фаску 21. Она, например, препятствует (как показано) образованию и в месте расположения фаски 21 лазерных мод параллельно оптической оси. С другой стороны, фаска 21 целенаправленно воздействует на профиль мод и/или плотность энергии в активной среде 10 лазера, в частности, в поперечном или наклонном направлении (здесь не показано).
Фаска 21 служит также, в частности, апертурной диафрагмой для пространственного выделения лазерного излучения, в частности, в плоскости, перпендикулярной оптической оси. Фаска 21 определяет, следовательно, служащую апертурой светоизлучающую поверхность 20, через которую фотоны выходят из активной среды лазера. Таким образом, генерируют лазерное излучение 24, сформированное фаской 21. На фиг. 2-20 показаны примеры вариантов осуществления активной среды лазера по меньшей мере с одной фаской или желобком. Показанные варианты осуществления не следует понимать как исключительные.
На фиг. 2 показана активная среда 10, выполненная в виде лазерного стержня (фиг. 2а) в вертикальной проекции (фиг. 2b) и виде спереди (фиг. 2с) на светоизлучающую поверхность 20.
Активная среда 10 лазера имеет прямоугольное, здесь квадратное, поперечное сечение, как показано на фиг. 2с. Светоизлучающая поверхность 20 со всех сторон ограничена фасками 21, 23, 25, 27, действующими совместно в качестве апертурной диафрагмы.
Фаски образуют соответствующие переходы в наружную поверхность 50 активной среды лазера: фаска 27 образует переход в боковую поверхность 32 наружной поверхности 50, а фаска 25 образует переход в боковую поверхность 30 наружной поверхности 50, как показано в боковой проекции по фиг. 2а. Аналогично этому фаска 23 образует переход в боковую поверхность 42 наружной поверхности 50, а фаска 21 образует переход в боковую поверхность 40 наружной поверхности 50, как показано в боковой проекции по фиг. 2b.
Действующая в качестве апертуры светоизлучающая поверхность 20 в показанном примере выполнена прямоугольной, причем ширина В и высота Н имеют разную протяженность. Поперечное сечение активной среды 10 лазера, здесь квадратное, по своей геометрии, следовательно, не соответствует светоизлучающей поверхности. В этом примере светоизлучающая поверхность 20 расположена по центру продольной оси активной среды 10 лазера. Иначе говоря, центр светоизлучающей поверхности 20 лежит на оптической оси. Или другими словами, светоизлучающая поверхность 20 линейно не смещена.
Углы между светоизлучающей поверхностью 20 и поверхностями фасок 21, 23, 25, 27 могут быть идентичными, в частности, тупыми углами, составляющим здесь соответственно 135 градусов. Смежный до 180 градусов угол составляет соответственно 45 градусов, поэтому речь и идет о фаске пол 45 градусов. Углы между поверхностями фасок 21, 23, 25, 27 и соседними боковыми поверхностями 40, 42, 30, 32 соответственно идентичны и составляют 135 градусов.
На фиг. 3, как и на фиг. 2, все углы между поверхностями фасок и светоизлучающей поверхностью и между поверхностями фасок и наружной поверхностью являются тупыми углами. Лазерный стержень имеет также квадратное поперечное сечение и прямоугольную апертуру по центру.
Однако, в отличие от примера по фиг. 2 углы между светоизлучающей поверхностью 20 и поверхностями фасок 21, 23, 25, 27 не идентичны. Углы между поверхностями фасок 21, 23, 25, 27 и наружной поверхностью 50 также не идентичны. Таким образом, фаски имеют разный угол наклона.
Как правило, не ограничиваясь этими примерами, одна или несколько фасок могут иметь в разных направлениях разные углы. Вследствие этих разных углов (в отличие от активной среды 10 лазера по фиг. 2) снятие ограничивающих светоизлучающую поверхность фасок 21, 23, 25, 27 активной среды 10 лазера в направлении ее продольной оси идентично.
По фиг. 4-7 активная среда лазера с некруглым поперечным сечением (например, с прямоугольным или квадратным) может иметь, например, круглую или эллипсоидную светоизлучающую поверхность 20 (апертуру). При этом поверхность фасок образована частью конусообразной поверхности. Это называют также конусообразной фаской. На фиг. 4 активная среда 10 лазера, выполненная в виде лазерного стержня, показана в боковой проекции (фиг. 4а), в аксонометрии (фиг. 4b) и в виде спереди на светоизлучающую поверхность 20 (фиг. 4с).
Лазерный стержень имеет многоугольное, здесь квадратное, поперечное сечение и округлую, здесь в виде круга, светоизлучающую поверхность 20. Светоизлучающая поверхность 20 в этом примере отцентрована относительно оси симметрии стержня.
Фаску 21 можно назвать конусообразной фаской, в этом примере также конической фаской, так как поверхность фаски образована прямым конусом кругового поперечного сечения. Ось симметрии этого прямого конуса кругового поперечного сечения в этом случае идентична продольной оси активной среды 10 лазера. Иначе говоря, ось симметрии фаски или поверхности фаски идентична оси симметрии стержня.
Апертурный угол конуса составляет 90 градусов. Это образует фаску под 45 градусов. Как правило, конус может иметь почти любой апертурный угол, необходимый для сохранения необходимого угла фаски.
В примере по фиг. 4 диаметр светоизлучающей поверхности равен примерно апертуре около 80% боковой кромки. Не ограничиваясь этим примером, светоизлучающая поверхность может составлять, в частности, от 10 до 99%, предпочтительно от 20 до 95%, особенно предпочтительно от 30 до 90% плоскости поперечного сечения активной среды 10 лазера, перпендикулярной ее продольной оси.
В примере по фиг. 4 диаметр светоизлучающей поверхности равен примерно апертуре около 80% боковой кромки. Не ограничиваясь этим примером, светоизлучающая поверхность может составлять, в частности, от 10 до 99%, предпочтительно от 20 до 95%, особенно предпочтительно от 30 до 90% плоскости поперечного сечения активной среды 10 лазера, перпендикулярной ее продольной оси.
На фиг. 5 ось симметрии конуса (прямого с круговым сечением), образующего поверхность фаски 21, может быть смещена относительно оси симметрии (продольной оси) стержня или же быть параллельной ей. Иначе говоря, ось симметрии фаски относительно оптической оси стержня смещена в одном или в обоих направлениях перпендикулярно продольной оси стержня на одинаковое или разное расстояние, за счет чего светоизлучающая поверхность 20 (апертура) не центрирована.
Этот вариант осуществления интересен, в частности, если свет накачки закачивают в активную среду лазера не через все боковые поверхности 30, 40, 32, 42 равномерно, а лазерное излучение образуется путем распределения энергетической плотности не в центре лазерного стержня. Асимметричный вид показанной на Фиг.5 активной среды 10 лазера, следовательно, соответствует асимметрии энергетической плотности в активной среде лазера. Параметры для такого соответствия можно усовершенствовать посредством компьютерной симуляции.
По фиг. 6 ось симметрии конуса (прямого с круглым сечением), образующего поверхность фаски 21, проходит под углом относительно продольной оси активной среды 10 лазера. В соответствии с теорией конических сечений это обеспечивает, в частности, сохранение эллипсоидной светоизлучающей поверхности 20. В частности, это имеет место в случае, если светоизлучающая поверхность 20 ориентирована перпендикулярно продольной оси стержня.
Иначе говоря, угол оси симметрии конусообразной фаски относительно оптической оси активной среды 10 лазера отличен от нуля. Эллипсоидные апертуры (светоизлучающие поверхности 20) особенно предпочтительным образом компенсируют нарушения вращательной симметрии за счет несимметричной геометрии стержня (например, прямоугольной) или за счет накачки.
На фиг. 7 выполненная в виде лазерного стержня активная среда 10 лазера показана в боковой проекции (фиг. 7а), в вертикальной проекции (фиг. 7b) и в виде спереди на светоизлучающую поверхность 20 (фиг. 7с). Активная среда лазера имеет эллипсоидную светоизлучающую поверхность 20 с одинаковым по периметру углом фаски (45 градусов).
Эллипсоидная апертура обеспечена, следовательно, при наличии у фаски постоянно неизменного угла. Поверхность фаски имеет, следовательно, также две оси симметрии.
Фаска может быть также выполнена в разных направлениях с разными углами, в частности, при эллипсоидном конусе, образующем поверхность фаски. Коническое сечение с первой торцевой поверхностью активной среды 10 лазера образует в этом случае эллипс, соответствующий светоизлучающей поверхности 20. Это действительно и в том случае, если оси симметрии конуса параллельны оптической оси стержня.
По фиг. 8-12 активная среда 10 лазера имеет, по меньшей мере, желобок 21’, иначе говоря, уступ или фальц. Аналогично фаске желобок 21' препятствует образованию в зоне желобка 21' лазерных мод параллельно оптической оси. Желобок 21' определяет, следовательно, (как и фаска) границы апертуры, т.е. выполняет, в частности, роль апертурной диафрагмы.
На фиг. 8-12 соответственно выполненные в виде лазерных стержней активные среды 10 лазера показаны в боковой проекции (фиг. 8а-12а) и в виде спереди на светоизлучающую поверхность 20 (фиг. 8b-12b). Показанный на фиг. 8 лазерный стержень имеет квадратное поперечное сечение, а показанный на фиг. 9-12 лазерный стержень имеет поперечное сечение округлой, точнее в форме круга, формы.
По фиг. 11 и 12 предложено, в частности для желобка 21', определяющего границы светоизлучающей поверхности 20, снятие фаски на одной или на нескольких кромках желобка, т.е. выполнение фаски 26, причем понятие фаски не исключает закругления или канелюры и т.д. Фаску 26 выполняют, в частности, в виде предохранительной фаски, т.е. повышая запас прочности лазерного стержня на соответствующей кромке. Иначе говоря, на кромке, в частности на кромке желобка 21' выполняют фаску 26 для повышения запаса прочности активной среды лазера.
По фиг. 11 такая предохранительная фаска 26 не должна определять границы светоизлучающей поверхности. Однако, предохранительная фаска может воздействовать на апертуру: на фиг. 12 границы светоизлучающей поверхности 20 обозначены пунктирной линией. Предохранительная фаска воздействует также на профиль мод.
Показанная на фиг. 13 активная среда 10 лазера имеет многоугольную светоизлучающую поверхность 20, ограниченную со всех сторон несколькими фасками 21, граничащими со светоизлучающей поверхностью 20. Граница со всех сторон, т.е. замкнутая кромка светоизлучающей поверхности 20, имеет несколько прямых участков, в данном случае восемь отрезков кромки, за счет чего светоизлучающая поверхность 20 выполнена в виде восьмиугольника.
По фиг. 14 и 15 граница светоизлучающей поверхности 20 определена также желобком 21'', граничащим со светоизлучающей поверхностью. Желобок 21'' в этом примере называют также обегающим пазом. Желобок 21'' проходит, как правило, по касательной или перпендикулярно оптической оси или продольной оси активной среды лазера. Позиция желобка 21'' расположена вдоль оптической оси таким образом, чтобы подавлять образование лазерных мод в зоне желобка 21'' параллельно оптической оси. Желобок 21'' воздействует, следовательно, на апертуру, т.е. ограничивает апертуру светоизлучающей поверхностью 20.
В этом случае светоизлучающая поверхность 20 ограничена, следовательно, не кромкой. Более того, торцевая сторона активной среды лазера включает светоизлучающую поверхность 20 в качестве части своей поверхности. Иначе говоря, светоизлучающая поверхность 20 плавно переходит в мертвую зону 20' торцевой стороны активной среды лазера.
По фиг. 15 предложены также фаски 26 в виде предохранительных фасок. В этом случае предохранительные фаски расположены соответственно в мертвой зоне 20' торцевой стороны лазерного стержня и поэтому не воздействуют на апертуру.
На фиг. 16 и 17 соответственно выполненные в виде лазерного стержня активные среды 10 лазера показаны в боковой проекции (фиг. 16а и 17а), в вертикальной проекции (фиг. 16b и 17b) и в виде спереди на светоизлучающую поверхность 20 (фиг. 16с и 17с).
По фиг. 16 торцевая сторона 30 переходит только одной кромкой в светоизлучающую поверхность 20. Иначе говоря, на этой кромке между торцевой стороной 30 и светоизлучающей поверхностью 20 фаска или желобок не выполнены.
Следовательно, в общем, предложено, чтобы первая граница (правый прямой участок края) светоизлучающей поверхности 20 была определена торцевой стороной 30 активной среды лазера, т.е. не фаской или желобком на или в активной среде лазера, например, на или в этой торцевой стороне 30. Предпочтительно одновременно, по меньшей мере, одна из или другие границы, определяющие совместно с первой границей замкнутую границу светоизлучающей поверхности 20 (верхний, левый и нижний участок края) определяют светоизлучающую поверхность 20 посредством фаски (фаски 21 , 23, 27) или желобка.
Следовательно, боковая поверхность 30 больше противоположной боковой поверхности 32. Это, в частности, предпочтительно для привнесения света накачки. Боковая поверхность 30 выполнена, следовательно, предпочтительно в качестве поверхности света накачки или включает поверхность света накачки. Для повышения запаса прочности предложены также выполненные в качестве предохранительных фасок фаски 26 вдоль продольной оси активной среды лазера. Наружная поверхность активной среды 10 лазера в этом случае включает поэтому боковую поверхность 30 в качестве поверхности света накачки, другие боковые поверхности 32, 40, 42 и фаски 26. Также предложено, чтобы активная среда лазера была зеркально симметрична плоскости, перпендикулярной продольной оси. В частности, показанная активная среда 10 лазера имеет на обеих торцевых сторонах по светоизлучающей поверхности 20 или 20b, причем предложены воздействующие на апертуру (т.е. определяющие границы светоизлучающих поверхностей) фаски 21, 23, 27 или 21b, 23b, 27b.
На фиг. 17 показана активная среда 10 лазера по фиг. 16, причем боковая поверхность 50 имеет отражающее покрытие 60 за исключением поверхности для света накачки. Следовательно, через боковую поверхность 30 в рабочую среду 10 лазера можно вводить свет накачки 18 от источника 16 света накачки. Как указано выше, отражающее покрытие повышает КПД накачки.
На фиг. 18 выполненная в виде лазерного стержня активная среда 10 лазера показана в боковой проекции (фиг. 18а) и в виде спереди на светоизлучающую поверхность 20 (фиг. 18b), причем активная среда 10 лазера имеет конусообразную фаску 21 (аналогично фиг. 5). Наружная поверхность 50 за исключением поверхности света накачки имеет отражающее покрытие 60, причем для наглядности отражающее покрытие 60 на фиг. 18 не показано. Относительно изготовления при этом предложено наносить отражающее покрытие 60 сначала, по меньшей мере, на часть активной среды 10 лазера, например на часть боковой поверхности 50, а затем выполнять поверхность света накачки путем удаления части отражающего покрытия, в частности, с частью активной среды 10 лазера. Также предложено выполнение по меньшей мере одной фаски, в данном случае конусообразной фаски 21, после нанесения отражающего покрытия 60.
Поверхность света накачки в данном случае выполнена снятием фаски на продольной кромке активной среды 10 лазера с нанесенным отражающим покрытием.
Выполненная в виде лазерного стержня активная среда 10 лазера имеет, следовательно, пятиугольное поперечное сечение и пять боковых поверхностей 30, 31, 32, 40, 42, причем боковая поверхность 31 выполнена в качестве поверхности света накачки. Светоизлучающая поверхность 20 в данном случае смещена вбок таким образом, что светоизлучающая поверхность 20 расположена ближе к поверхности света накачки, чем на одной из боковых поверхностей активной среды 10 лазера. Это предпочтительно, так как плотность энергии вблизи поверхности света накачки, как правило, максимальная.
На фиг. 19а и 19b выполненная в виде лазерного стержня активная среда 10 лазера показана боковой проекции (слева) и в виде спереди на светоизлучающую поверхность 20 (справа).
Показанный на фиг. 19а лазерный стержень имеет отражающее покрытие 15' на торцевой стороне с выполненной фаской, причем отражающее покрытие выполнено в виде частично или полностью отражающего покрытия. Иначе говоря, торцевая сторона с выполненной фаской лазерного стержня имеет частично или полностью отражающее покрытие. Если покрытие 15' является частично отражающим покрытием, то, как правило, торцевая сторона со снятой фаской лазерного стержня выполнена в качестве светоизлучающей поверхности. Торцевая сторона, противоположная торцевой стороне со снятой фаской лазерного стержня, имеет антирефлексионное покрытие 13.
Показанный на фиг. 19b лазерный стержень наоборот имеет неотражающее покрытие 13 на торцовой стороне с выполненной фаской и (частично) отражающее покрытие 15' на противоположной торцевой стороне. Если покрытие 15' является частично отражающим покрытием, то торцевая сторона, противоположная торцевой стороне с выполненной фаской, включает, как правило, светоизлучающую поверхность (как часть поверхности).
Иначе говоря, у лазерных стержней с отражающей или частично отражающей торцевой стороной (и торцевой стороной без покрытия или, например, с противоположной торцевой стороной с неотражающим покрытием), по меньшей мере, одна фаска (или желобок) может быть расположена, как на одной, так и на другой торцевой стороне лазерного стержня.
По фиг. 20, в частности, существует также возможность выполнить фаски (или желобки) одновременно на обеих торцевых сторонах, за счет чего границы светоизлучающей поверхности 20 совместно определяют фаски (или желобки), выполненные на обеих торцевых сторонах. В показанном примере фаски 21, 23 расположены на одной торцевой стороне, а фаски 25, 27 расположены на другой торцовой стороне, причем обе эти пары фасок расположены относительно друг друга под углом 90 градусов.
У показанных в примерах вариантов осуществления лазерных стержней в случае цилиндрической геометрии, как показано, например, на фиг. 9, 10, 11, 12 или же 13, диаметр цилиндра составляет 4 мм, а высота цилиндра равна 60 мм. Как указано выше, существует также возможность изготовления значительно более маленьких цилиндрических лазерных стержней с диаметром цилиндра только примерно 1 мм и даже только 0,7 мм и высотой цилиндра 10 мм или даже 5 мм.
В случае лазерных стержней в виде прямоугольных параллелепипедов в качестве активной среды лазера, как показано, например, на фиг. 2, 3, 4 или 5, 6, 7 или 8, длина прямоугольного параллелепипеда составляет 30 мм, ширина прямоугольного параллелепипеда составляет 5 мм, а высота прямоугольного параллелепипеда составляет 5 мм. Здесь также возможны, как указано выше, значительно меньшие размеры с длиной прямоугольного параллелепипеда 4 мм, шириной прямоугольного параллелепипеда 4 мм и высотой прямоугольного параллелепипеда 1 мм или с длиной прямоугольного параллелепипеда 3 мм, шириной прямоугольного параллелепипеда 0,7 мм и высотой прямоугольного параллелепипеда 0,7 мм. Соотношение A/V составляет при этом от 0,8 до 10, предпочтительно от 1 до 8 и особенно предпочтительно от 2 до 7. В принципе возможны варианты выполнения и с более большими размерами. Так, например, длина активной среды лазера может составлять до 250 мм или более, а в других вариантах выполнения эта длина может составлять примерно до 500 мм. Поперечные сечения и/или длины торцов активной среды лазера могут превосходить указанной выше, например до 25, 4 мм или более и в других вариантах выполнения до 50 мм.
Особый интерес представляют, однако, изготовление активных сред лазеров с лазерными стержнями на базе фосфатного стекла с указанными ранее малыми размерами.
1. Активная среда лазера для генерации лазерного излучения, характеризующаяся тем, что является твердым телом и содержит светоизлучающую поверхность, через которую в рабочем режиме лазера лазерное излучение выходит из активной среды лазера, причем светоизлучающая поверхность имеет границу, которая определяется по меньшей мере одной фаской или желобком,
при этом соотношение между поверхностью и объемом активной среды лазера составляет от 0,8 до 10.
2. Активная среда лазера по п. 1, в которой соотношение между поверхностью и объемом активной среды лазера составляет предпочтительно от 1 до 8 и особенно предпочтительно от 2 до 7.
3. Активная среда лазера по п. 1 или 2, в которой светоизлучающая поверхность имеет замкнутую границу, определяемую по меньшей мере одной фаской или желобком.
4. Активная среда лазера по любому из пп. 1-3, в которой светоизлучающая поверхность служит апертурой, и указанная по меньшей мере одна фаска или желобок служит апертурной диафрагмой для формирования определенного профиля излучения.
5. Активная среда лазера по любому из пп. 1-4, в которой в рабочем режиме лазера указанная по меньшей мере одна фаска или желобок предназначены для воздействия определенным образом на профиль мод, чтобы обеспечить определенные свойства пучка лазерного излучения и/или повысить качество пучка лазерного излучения.
6. Активная среда лазера по любому из пп. 1-5, которая имеет продольную ось и выполнена, в частности, в виде лазерного стержня, имеющего первый торец, содержащий светоизлучающую поверхность, второй торец, противоположный первому торцу, и боковую поверхность.
7. Активная среда лазера по п. 6, в которой сечение, перпендикулярное продольной оси активной среды лазера, является одинаковым на большей части длины активной среды лазера, в частности, имеет вид многоугольника, предпочтительно квадрата, или округлую форму, предпочтительно форму круга.
8. Активная среда лазера по п. 7, в которой по отношению к указанному сечению, перпендикулярному продольной оси активной среды лазера, светоизлучающая поверхность имеет меньшую площадь, смещена в боковом направлении, геометрически не идентична ему и/или имеет отличающееся, в частности, меньшее число углов, в частности, при не округлом сечении.
9. Активная среда лазера по любому из пп. 1-8, в которой светоизлучающая поверхность имеет форму круга и границу, определяемую круговой фаской или желобком.
10. Активная среда лазера по любому из пп. 1-9, в которой светоизлучающая поверхность имеет многоугольную форму, в частности прямоугольную форму, и границу, определяемую несколькими, в частности, тремя или четырьмя фасками или желобками.
11. Активная среда лазера по любому из пп. 1-10, в которой светоизлучающая поверхность имеет форму круга или эллипса и ограничена конусообразной фаской, в частности фаской, которая представляет собой поверхность конуса, ось которого проходит параллельно или под углом к продольной оси активной среды лазера.
12. Активная среда лазера по п. 6, в которой светоизлучающая поверхность является плоской и проходит, в частности, перпендикулярно продольной оси активной среды лазера и/или параллельно второму торцу лазерного стержня.
13. Активная среда лазера по п. 6, в которой светоизлучающая поверхность геометрически не идентична поверхности сечения, перпендикулярного продольной оси активной среды лазера.
14. Активная среда лазера по любому из пп. 1-13, содержащая материал-основу и внедренное в него активное вещество для индуцированного испускания фотонов, причем материал-основа представляет собой стекло или кристалл.
15. Активная среда лазера по п. 14, в которой материал-основа выбрана из группы фосфатных стекол, в которую входят фосфатные стекла с обозначением LG960, LG950 или LG940.
16. Активная среда лазера по п. 14 или 15, в которой активное вещество содержит ионы по меньшей мере одного из следующих веществ: иттербия, эрбия, неодима, празеодима, самария, европия, гадолиния, тербия, диспрозия, гольмия, тулия, церия, хрома, кобальта, ванадия, никеля, молибдена и титана.
17. Активная среда лазера по п. 16, в котором концентрация ионов иттербия предпочтительно составляет от 5 × 1020 cm-3 до 30 × 1020 cm-3, ионов эрбия - от 0,1 × 1020 cm-3 до 2 × 1020 cm-3, ионов хрома - от 0,01 × 1020 cm-3 до 0,2 × 1020 cm-3, ионов неодима - от 0,1 × 1020 cm-3 до 10 × 1020 cm-3.
18. Активная среда лазера по любому из пп. 1-17, содержащая частично отражающее покрытие, нанесенное на светоизлучающую поверхность, в частности на первую торцевую поверхность.
19. Активная среда лазера по п. 18, содержащая сильноотражающее покрытие, нанесенное на вторую торцевую поверхность, и/или боковую поверхность, и/или на указанную по меньшей мере одну фаску или желобок.
20. Активная среда лазера по любому из пп. 6-19, которая имеет длину вдоль продольной оси по меньшей мере 1 мм, предпочтительно, по меньшей мере 5 мм и/или максимально 1000 мм, предпочтительно, максимально 500 мм, в частном случае предпочтительно максимально 50 мм, и/или сечение, перпендикулярное продольной оси, составляет по меньшей мере 0,25 мм2 и максимально 10000 мм2, предпочтительно, максимально 1000 мм2, в частном случае предпочтительно максимально 100 мм2.
21. Лазерное устройство, содержащее активную среду лазера по любому из пп. 1-20, источник света накачки, выполненный с возможностью ввода света накачки в активную среду лазера, и резонатор, выполненный с возможностью многократного отражения фотонов, причем резонатор содержит зеркало для вывода излучения, образованное, в частности, частично отражающим покрытием, или торцевое зеркало, образованное, в частности, покрытием с высоким коэффициентом отражения.
22. Способ изготовления активной среды лазера по любому из пп. 1-16, содержащий этапы, на которых:
- подготавливают активную среду лазера, содержащую светоизлучающую поверхность и по меньшей мере одну кромку, образующую переход между светоизлучающей поверхностью и боковой поверхностью указанной активной среды лазера,
- выполняют фаску на указанной по меньшей мере одной кромке, в частности, путем шлифовки, и/или полировки, и/или фрезерования указанной кромки,
при этом соотношение между поверхностью и объемом активной среды лазера составляет от 0,8 до 10.
