ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР С ЗИГЗАГООБРАЗНЫМ ХОДОМ ЛУЧЕЙ

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР С ЗИГЗАГООБРАЗНЫМ ХОДОМ ЛУЧЕЙ


RU (11) 2269848 (13) C1

(51) МПК
H01S 3/02 (2006.01) 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 07.12.2007 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

Документ: В формате PDF 
(21) Заявка: 2005112146/28 
(22) Дата подачи заявки: 2005.04.14 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2005.04.14 
(45) Опубликовано: 2006.02.10 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: US 5305345A, 19.04.1994.

US 5479430A, 26.12.1995.

US 2004052284A, 18.03.2004. 

JP 2000164954, 16.06.2000. 

RU 2200361C2, 10.03.2003.

RU 2069925C1, 27.11.1996. 
(72) Автор(ы): Волков Александр Сергеевич (RU); Иночкин Михаил Владимирович (RU); Портной Ефим Лазаревич (RU) 
(73) Патентообладатель(и): Закрытое акционерное общество "НАУЧНОЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ" (RU); Волков Александр Сергеевич (RU) 
Адрес для переписки: 191040, Санкт-Петербург, а/я 40, О.Л. Сандигурскому 

(54) ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР С ЗИГЗАГООБРАЗНЫМ ХОДОМ ЛУЧЕЙ

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано при разработке и изготовлении лазерных устройств с повышенной мощностью излучения. Твердотельный лазер с зигзагообразным ходом лучей содержит активный элемент, источники возбуждающего излучения, глухое и полупрозрачное зеркала, теплоотводящие элементы, оптические поглотители. Активный элемент в форме прямоугольного параллелепипеда, на одном торце которого нанесено отражающее, на другом - просветляющее покрытия. Теплоотводящие элементы прилегают к противоположным боковым граням активного элемента. Оптические поглотители установлены у других противоположных боковых граней активного элемента. Зеркала установлены под углом к торцу активного элемента с просветляющим покрытием. Показатель преломления материала активного элемента больше показателя преломления материала оптического поглотителя и больше показателя преломления материала теплоотводящего элемента. Теплопроводность материала активного элемента больше теплопроводности материала оптического поглотителя. Технический результат - повышения мощности излучения и коэффициента полезного действия лазера. 2 з.п. ф-лы, 2 ил. 




ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано при разработке и изготовлении лазерных устройств с повышенной мощностью излучения.

Твердотельные лазеры с зигзагообразным ходом лучей в активном элементе (АЭ), который выполнен в форме параллелепипеда, могут генерировать лазерное излучение более высокого качества, чем традиционные лазеры, построенные на АЭ в форме стержня круглого сечения. Это связано с тем, что при определенных условиях в таких лазерах происходит компенсация влияния возникающих тепловых линз на лазерный луч.

Известен твердотельный лазер, содержащий АЭ в форме параллелепипеда с торцевыми гранями, скошенными под углом Брюстера, US 4949346; АЭ возбуждается с двух противоположных сторон лазерными диодными источниками света через прозрачные теплоотводящие элементы, находящиеся в оптическом контакте с АЭ. С двух других боковых сторон к АЭ примыкают две теплоизолирующие пластины, что приводит к тому, что возникающий в активном элементе температурный градиент направлен перпендикулярно к плоскости грани, через которую идет накачка и охлаждение. При зигзагообразном распространении основного луча в активном элементе за счет эффекта полного внутреннего отражения (ПВО) на границе активного элемента с теплоотводящими пластинами, при условии, что плоскость зигзага перпендикулярна этой границе, происходит компенсация влияния на лазерный луч возникающих тепловых линз и других оптических возмущений, связанных с наличием указанного градиента температур.

Основным недостатком этого устройства является существование внутри активного элемента условий для усиления спонтанного излучения и возникновения паразитных мод генерации за счет ПВО на гранях элемента, что неизбежно ведет к потере мощности лазерного излучения и снижению коэффициента полезного действия лазера, особенно в режиме модуляции добротности; другим недостатком являются краевые искажения теплового поля вблизи торцов активного элемента, которые возникают из-за скошенности торцевых граней, что приводит к утрате осевой симметрии; эти искажения не могут быть скомпенсированы зигзагообразным ходом лучей в активном элементе, что обусловливает ухудшение качества лазерного излучения вследствие его расфокусировки.

Известен твердотельный лазер с зигзагообразным ходом лучей, содержащий АЭ в форме прямоугольного параллелепипеда, на одном торце которого нанесено отражающее, а на другом - просветляющее покрытия, источник возбуждающего излучения, глухое и полупрозрачное зеркала, установленные под углом к торцу активного элемента с просветляющим покрытием, два теплоотводящих элемента, прилегающих к противоположным боковым граням активного элемента, US 5305345.

Данное техническое решение принято за прототип настоящего изобретения.

Центральные области активного элемента возбуждаются однородно, а области, примыкающие к торцам, возбуждаются неоднородно так, чтобы торцевые тепловые искажения были минимальны.

Однако и в данном устройстве сохраняются условия для усиления спонтанного излучения и возникновения паразитных мод генерации, которые ослабляют основное лазерное излучение, снижая его мощность и, как следствие, коэффициент полезного действия лазера.

В основу настоящего изобретения положено решение задачи повышения мощности излучения и коэффициента полезного действия лазера.

Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в твердотельном лазере с зигзагообразным ходом лучей, содержащем АЭ в форме прямоугольного параллелепипеда, на одном торце которого нанесено отражающее, а на другом - просветляющее покрытия, источники возбуждающего излучения, глухое и полупрозрачное зеркала, установленные под углом к торцу активного элемента с просветляющим покрытием, два теплоотводящих элемента, прилегающих к противоположным боковым граням активного элемента, у других противоположных боковых граней активного элемента установлены оптические поглотители, выполненные с возможностью поглощения генерируемого активным элементом излучения, при этом показатель преломления n1 материала активного элемента больше показателя преломления n2 материала оптического поглотителя, теплопроводность C1 материала активного элемента больше теплопроводности С2 материала оптического поглотителя, показатель преломления n3 материала теплоотводящего элемента меньше n1, при этом (+)90°, где , ; отражающее покрытие активного элемента может быть выполнено в виде многослойного диэлектрического зеркала с коэффициентом отражения, имеющим максимум при угле падения генерируемого активным элементом излучения на его торцевую грань , лежащим в пределах (85°-)(89°-); между источниками возбуждающего излучения и теплоотводящими элементами могут быть установлены селективные оптические фильтры, выполненные с возможностью пропускания возбуждающего излучения и поглощения излучения активного элемента.

Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, идентичных настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «новизна».

Реализация отличительных признаков изобретения обусловливает важный технический результат, который состоит в том, что полностью предотвращается возникновение паразитных мод, и снижаются потери за счет усиления спонтанного излучения, что особенно важно при высоком уровне накачки, а также при работе лазера в режиме модуляции добротности. Это достигается за счет того, что обеспечивается резкое уменьшение отражения спонтанного излучения от граней АЭ вне заданного диапазона углов падения фотонов на границах раздела сред с разными показателями преломления. 

Заявителем не обнаружены какие-либо источники информации, содержащие сведения о влиянии заявленных отличительных признаков на достигаемый вследствие их реализации технический результат. Это, по мнению заявителя, свидетельствует о соответствии данного технического решения критерию «изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображено:

на фиг.1 - вид спереди, зеркала условно не показаны;

на фиг.2 - разрез А-А по фиг.1

Твердотельный лазер содержит активный элемент 1 в форме прямоугольного параллелепипеда, выполненный в конкретном примере из алюминий-иттриевого граната, легированного неодимом (Nd:YAG). На торце 2 АЭ нанесено просветляющее покрытие, на торце 3 АЭ нанесено отражающее покрытие; источники 4 и 5 возбуждающего излучения представляют собой в конкретном примере лазерные линейки, однако могут быть использованы дискретные лазерные диоды или матрицы лазерных диодов. Глухое зеркало 6 и полупрозрачное зеркало 7 установлены под углом 90°- к торцу 2 АЭ. Угол (угол входа/выхода в/из АЭ луча лазера) регулируется из условий обеспечения целого числа зигзагов в АЭ и угла падения луча на боковые грани АЭ, к которым примыкают прозрачные для излучения теплоотводящие элементы 8 и 9, под углом, превышающим на 1-5° угол ПВО ; в конкретном примере теплоотводящие элементы выполнены из сапфира и =75,25° при оптическом контакте с АЭ и =58,3° при соединении элементов с АЭ с помощью оптического клея с показателем преломления n=1,55. У других противоположных граней АЭ установлены оптические поглотители 10 и 11, выполненные с возможностью поглощения генерируемого активным элементом излучения, при этом показатель преломления n1 материала активного элемента больше показателя преломления n2 материала оптического поглотителя, теплопроводность C1 материала активного элемента больше теплопроводности С2 материала оптического поглотителя, показатель преломления n3 материала теплоотводящего элемента меньше n1, при этом (+)90°, где



В конкретном примере оптические поглотители 10 и 11 выполнены из стекла, легированного самарием (Sm) марки S7010N фирмы VLOC (США).

Для подавления эффекта усиления спонтанного излучения в продольном направлении, отражающее покрытие активного элемента выполнено в виде многослойного диэлектрического зеркала с коэффициентом отражения, имеющим максимум при угле падения генерируемого активным элементом излучения на его торцевую грань , лежащим в пределах (85°-)(89°-). 

При углах падения луча, меньших или больших , отражение резко падает. В конкретном примере отражающее покрытие выполнено в виде многослойного диэлектрического зеркала, состоящего из 30-40 чередующихся слоев TiO2 и SiO2 , толщина которых обеспечивает интерференционное гашение отраженных от слоев лучей, падающих на покрытие с углами, отличными от угла ; например, отличие на 5° может уменьшить отражение в 2-3 раза. Между источниками 4 и 5 возбуждающего излучения и теплоотводящими элементами 8 и 9 установлены селективные оптические фильтры 12 и 13, выполненные с возможностью пропускания возбуждающего излучения и поглощения излучения АЭ. В конкретном примере оптические фильтры выполнены из стекла, легированного самарием.

Твердотельный лазер работает следующим образом.

Источники возбуждающего света 4 и 5 генерируют излучение с энергией фотонов, соответствующей полосе поглощения материала АЭ. Возбуждающий свет направлен с двух противоположных боковых сторон АЭ и проходит на своем пути через прозрачные к этому излучению селективные фильтры 12 и 13, а также теплоотводящие элементы 8 и 9. Варьированием температуры источников 4 и 5 возбуждающего света добиваются требуемой величины коэффициента поглощения возбуждающего света в АЭ (4-5 см -1), при котором поглощается 80-90% возбуждающего света, что обеспечивает достаточно однородное возбуждение АЭ и достижение в нем условий инверсной заселенности верхних состояний активных атомов примеси (Nd). Выделяющееся при возбуждении АЭ тепло (стоксовские потери) отводится через верхнюю и нижнюю боковые поверхности АЭ в теплоотводящие элементы 8 и 9, по которым оно далее канализируется к холодильнику, например, медным башмакам, охлаждаемым проточной водой (на чертежах не показаны).

Боковые пластины - оптические поглотители 10 и 11, выполненные из материала с низкой теплопроводностью (существенно меньшей, чем теплопроводность материала АЭ) препятствуют отводу тепла из АЭ в горизонтальном направлении. Поэтому градиент температуры в АЭ направлен от центральной плоскости вверх и вниз. Вследствие того, что показатель преломления n1 материала активного элемента больше показателя преломления n2 материала оптического поглотителя, обеспечивается волноводный эффект для излучения возбуждающего света, распространяющегося в АЭ (что способствует более полному поглощению возбуждающего излучения в АЭ).

Резонатор лазера формируется двумя внешними зеркалами 6 и 7, при этом зеркало 7 отражает лазерное излучение практически полностью, а другое является полупрозрачным, то есть, частично отражающим, частично пропускающим свет. Это необходимо для образования положительной обратной связи в системе АЭ - зеркала 6 и 7. Положение зеркал, а также размеры АЭ определяют путь лазерного луча в АЭ. Для достижения максимальной мощности излучения и кпд лазера угол (настраивают (юстируют), исходя из совокупности следующих условий:

1. Внутри АЭ должно уложиться целое число зигзагов лазерного луча.

2. Вошедший в АЭ луч должен падать на границы АЭ - теплоотводящие элементы 8, 9 под углом 90- , превышающим угол не более чем на 1-5 градусов.

Благодаря тому, что (+)90°, предотвращается образование кольцевых паразитных мод при отражении на боковых гранях АЭ, сопрягаемых с теплоотводящими элементами 8, 9 и оптическими поглотителями 10, 11. Излучение, генерируемое АЭ под любым произвольным углом, либо сразу, либо после одного внутреннего отражения покидает АЭ. Фотоны, которые попадают на границу АЭ с оптическими поглотителями 10, 11 под углом, меньшим , выходят из АЭ и поглощаются далее оптическими поглотителями 10 и 11; фотоны, которые попадают на эту границу под углом, равным или большим , отражаются вследствие эффекта ПВО, попадают на границу АЭ и теплоотводящих элементов 8, 9 под углом, меньшим (поскольку (+)90°), выходят из АЭ, и частично рассеиваются в теплоотводящих элементах 8 и 9. Оставшаяся часть фотонов проходит через элементы 8 и 9 и попадает в селективные фильтры 12 и 13, где поглощается полностью. 

Благодаря тому, что отражающее покрытие активного элемента выполнено в виде многослойного диэлектрического зеркала с коэффициентом отражения, имеющим максимум при угле падения генерируемого активным элементом излучения на его торцевую грань , лежащим в пределах (85°-)(89°-), существенно ослабляются потери, связанные с усилением паразитного излучения генерируемого АЭ в продольной плоскости. Излучение, генерируемое под углом, меньшим , покидает АЭ, уходя в теплоотводящие элементы. Излучение, генерируемое под углом, большим , отражается от границ АЭ - теплоотводящие элементы и падает на торцевые грани АЭ. Излучение, изначально направленное в сторону торцевой грани с просветляющим покрытием, сразу покидает АЭ. Излучение, изначально направленное в сторону грани с отражающим покрытием, в зависимости от угла падения на эту грань, может отразиться или выйти из АЭ. Если этот угол превышает не более чем на 1-5°, то угол падения излучения на торцевую грань находится вблизи значения , при котором отражение имеет максимальное заданное значение, и излучение практически полностью отражается от грани.

Именно это и происходит с лазерным лучом, который падает на торцевую грань с отражающим покрытием под углом . Паразитное излучение, падающее на торцевую грань с отражающим покрытием под углами, превышающими более чем на 3-5°, ослабляется за счет частичного выхода из АЭ, поскольку покрытие становится частично пропускающим. Степень ослабления луча зависит от угловой зависимости отражения многослойного зеркала и величины угла падения луча. Этим и достигается уменьшение потерь, связанных с усилением в АЭ паразитного излучения в продольной плоскости.




ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


1. Твердотельный лазер с зигзагообразным ходом лучей, содержащий активный элемент в форме прямоугольного параллелепипеда, на одном торце которого нанесено отражающее, а на другом - просветляющее покрытия, источники возбуждающего излучения, глухое и полупрозрачное зеркала, установленные под углом к торцевой грани активного элемента с просветляющим покрытием, два теплоотводящих элемента, прилегающих к противоположным боковым граням активного элемента, отличающийся тем, что у других противоположных боковых граней активного элемента установлены оптические поглотители, выполненные с возможностью поглощения генерируемого активным элементом излучения, при этом показатель преломления n1 материала активного элемента больше показателя преломления n2 материала оптического поглотителя, теплопроводность С1 материала активного элемента больше теплопроводности C2 материала оптического поглотителя, показатель преломления n3 материала теплоотводящего элемента меньше n1, при этом (+)90°, где



2. Твердотельный лазер по п.1, отличающийся тем, что отражающее покрытие активного элемента выполнено в виде многослойного диэлектрического зеркала с коэффициентом отражения, имеющим максимум при угле падения генерируемого активным элементом излучения на его торцевую грань , лежащим в пределах 

3. Твердотельный лазер по п.1, отличающийся тем, что между источниками возбуждающего излучения и теплоотводящими элементами установлены селективные оптические фильтры, выполненные с возможностью пропускания возбуждающего излучения и поглощения излучения активного элемента.



ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к лазерным квантовым генераторам, а именно лазеры и лазерное оборудование:

- твердотельные полупроводниковые лазеры

- газовые лазеры

- химические лазеры

- практическое применение в промышленности, науке и в быту газовых, твердотельных и химических лазеров.


Лазеры. Лазерное оборудование






СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+газовый -лазер".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "лазер" будут найдены слова "лазеры", "лазерный" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("лазер!").



Рейтинг@Mail.ru