Твердотельный лазер с диодной накачкой

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Безъязычная Татьяна Владимировна Богданович Максим Владимирович Григорьев Александр Викторович Кабанов Владимир Викторович Лебедок Егор Викторович Рябцев Андрей Геннадьевич Рябцев Геннадий Иванович Тепляшин Леонид Леонидович Щемелев Максим Анатольевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Твердотельный лазер с диодной накачкой, содержащий активный элемент с накачкой,поворотную прямоугольную призму для излома оси резонатора, клиновый компенсатор,оптический затвор, отличающийся тем, что установлены лазерные диодные линейки для накачки активного элемента и двухзонное зеркало, зона а которого выполняет функции выходного зеркала резонатора, а зона б - функции глухого зеркала резонатора, причем зона а изготовлена таким образом, что при требуемом коэффициенте отражения излучения на длине волны генерации практически полностью пропускает излучение юстировочного лазера, установленного напротив зоны а, и проходящее через отверстие в экране,расположенном между юстировочным лазером и зоной а, а зона б изготовлена таким образом, что при максимальном коэффициенте отражения излучения на длине волны генерации отражает более 70 излучения юстировочного лазера. Полезная модель относится к области лазерной техники, а именно к компактным твердотельным лазерам с диодной накачкой. Она может найти применение при разработке лазерных систем и приборов для специального назначения, медицины и науки. В настоящее время потребность в твердотельных лазерах с диодной накачкой, генерирующих излучения в области длин волн, условно безопасной для глаз, стремительно растет. Это объясняется массовой заменой в лазерных системах и приборах лазерных источников излучения с ламповой накачкой на лазерные источники излучения с диодной накачкой,что позволяет значительно улучшить потребительские свойства этих систем и приборов. Серийное же производство лазерных источников излучения, наряду с высокими требованиями к их потребительским свойствам, предполагает также их высокую технологичность в изготовлении, что позволяет упростить и удешевить производство. На данный момент предложено и реализовано множество схем и компоновок твердотельных лазеров с диодной накачкой. Однако, по нашему мнению, наиболее эффективными для использования в различных климатических и технических условиях являются лазеры с изломом оси резонатора различными призмами, обеспечивающие стабильность энергии излучения при наличии значительных разъюстировок концевых элементов резонатора и термооптических искажений активного элемента. Известен лазер 1 с изломом оси резонатора трехгранной прямоугольной призмой,обеспечивающей два параллельных потока лучей, отражаемых в обратном направлении общим плоским зеркалом с максимальным коэффициентом отражения на длине волны генерации. Внутрь резонатора помещены активный элемент, электрооптический затвор, фазовый элемент и юстировочная линза для тонкой юстировки потока излучения. Излучение из резонатора лазера выводится через одну из поверхностей призмы, на которую нанесен диэлектрический слой, выполняющий функции поляризатора. На этой поверхности падающее излучение делится на две компоненты, излучение одной из которых поляризовано в плоскости, проходящей через два параллельных луча, распространяющихся внутри резонатора, а излучение другой поляризовано перпендикулярно излучению первой. Излучение первой компоненты практически полностью выводится из резонатора лазера, тогда как излучение второй компоненты практически полностью остается в резонаторе лазера. Внутрирезонаторный фазовый элемент позволяет изменять соотношение между выходным излучением и излучением, направляемым внутрь резонатора лазера. К основным причинам, препятствующим достижению указанных ниже технических результатов при использовании известного устройства, относится наличие трех отражающих поверхностей, изготовленных в виде диэлектрических покрытий, усложняющих визуальный контроль юстировки резонатора лазера с помощью излучения юстировочного лазера, и фазового элемента, вносящего дополнительные потери, а также сложность и высокая стоимость изготовления элементов резонатора. Известен лазер 2 с изломом оси резонатора трехгранной прямоугольной призмой,обеспечивающей два параллельных потока лучей, отражаемых в обратном направлении двумя раздельными зеркалами сферическим выходным зеркалом и специальным плоским двухзонным зеркалом, жестко связанными между собой посредством их крепления на торцы активного элемента (газоразрядную трубку). Специальное плоское зеркало имеет две равные зоны, на одну из которых нанесено отражающее покрытие с максимальным 2 82262012.04.30 коэффициентом отражения для излучения на длине волны генерации, на другую - просветляющее покрытие для излучения на длине волны генерации, так как эта зона зеркала находится внутри резонатора (внешняя поверхность подложки этого зеркала также просветлена). К причине, препятствующей достижению указанных ниже технических результатов при использовании известного устройства, относится невозможность использования данной схемы резонатора лазера в компактных твердотельных лазерах с диодной накачкой. Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели и выбранным за прототип является твердотельный лазер 3 с изломом оси резонатора призмой БР-180, в который введена вторая призма БР-180, составляющая с выходным зеркалом единый концевой элемент резонатора. Внутрь резонатора лазера также помещены активный элемент, клиновый компенсатор для юстировки резонатора, оптический затвор (пассивный или электрооптический). Активный элемент накачивается с помощью трубчатой лампы. К причинам, препятствующим достижению указанных ниже технических результатов при использовании прототипа, относятся использование ламповой накачки активного элемента, не позволяющей создать компактный твердотельный лазер с повышенной стабильностью энергии излучения в условиях возможных разъюстировок концевых элементов резонатора, и наличие нескольких отражающих поверхностей, усложняющих визуальный контроль юстировки резонатора лазера с помощью излучения юстировочного лазера, что приводит к усложнению и, как следствие, к удорожанию серийного производства таких лазеров. Технической задачей полезной модели является создание компактного твердотельного лазера с диодной накачкой, обладающего повышенной стабильностью энергии излучения в условиях возможных разъюстировок концевых элементов резонатора и позволяющего производить визуальный контроль юстировки его резонатора с помощью излучения юстировочного лазера с целью упростить и, как следствие, удешевить серийное производство таких лазеров. Поставленная техническая задача решается тем, что в твердотельном лазере с диодной накачкой, содержащем активный элемент с накачкой, поворотную прямоугольную призму для излома оси резонатора, клиновый компенсатор, оптический затвор, установлены лазерные диодные линейки для накачки активного элемента и двухзонное зеркало, зона а которого выполняет функции выходного зеркала резонатора, а зона б - функции глухого зеркала резонатора, причем зона а изготовлена таким образом, что при требуемом коэффициенте отражения излучения на длине волны генерации практически полностью пропускает излучение юстировочного лазера, установленного напротив зоны а, и проходящее через отверстие в экране, расположенном между юстировочным лазером и зоной а, а зона б изготовлена таким образом, что при максимальном коэффициенте отражения излучения на длине волны генерации отражает более 70 излучения юстировочного лазера. Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена схема твердотельного лазера с диодной накачкой, где 1 - двухзонное зеркало 2 - поворотная прямоугольная призма 3 - активный элемент 4 - лазерные диодные линейки 5 - оптический затвор 6 - клиновый компенсатор 7 - юстировочный лазер 8 - экран с отверстием. 3 82262012.04.30 На фиг. 2 представлены графики зависимости коэффициентов отражения двухзонного зеркала от зоны а (выходное зеркало резонатора) и от зоны б (глухое зеркало резонатора) от длины волны излучения. На фиг. 3 изображены пятна а и б излучения юстировочного лазера, отраженного от зоны а и от зоны б двухзонного зеркала. Твердотельный лазер с диодной накачкой (фиг. 1) состоит из двухзонного зеркала 1,нанесенного на плоскую стеклянную подложку, причем зона а представляет собой выходное зеркало резонатора и при требуемом коэффициенте отражения излучения на длине волны генерации практически полностью пропускает излучение юстировочного лазера, а зона б представляет собой глухое зеркало резонатора и при максимальном коэффициенте отражения излучения на длине волны генерации отражает более 70 излучения юстировочного лазера поворотной прямоугольной призмы 2, производящей излом оси резонатора, активного элемента 3, лазерных диодных линеек 4 для накачки активного элемента 3, оптического затвора 5 для реализации режима модулированной добротности,а также клинового компенсатора 6, юстировочного лазера 7 и экрана с отверстием 8 (далее по тексту - экран 8) для юстировки резонатора. Твердотельный лазер с диодной накачкой работает следующим образом. Излучение юстировочного лазера 7 (фиг. 1) направляют внутрь резонатора лазера через отверстие в экране 8 и зону а двухзонного зеркала 1 в направлении оптической оси резонатора так, чтобы это излучение, пройдя все внутрирезонаторные элементы, попало на зону б двухзонного зеркала. Вследствие специально подобранной зависимости коэффициентов отражения от длины волны (фиг. 2) для двухзонного зеркала 1 и наличия внутрирезонаторных диафрагмирующих элементов, основным из которых является активный элемент 3, на экране 8, перпендикулярном лучу юстировочного лазера 7, вблизи отверстия в этом экране наблюдаются (фиг. 3) пятна а и б излучения юстировочного лазера, отраженного от зоны а и от зоны б двухзонного зеркала 1. Коэффициенты отражения зоны а и зоны б двухзонного зеркала для длины волны излучения юстировочного лазера 7 подобраны таким образом, что пятно а излучения юстировочного лазера, отраженного от зоны а, имеет значительно меньшую яркость по сравнению с пятном б излучения, отраженного от зоны б. Вращая клиновый компенсатор 6 вокруг оси резонатора,совмещают пятно излучения юстировочного лазера, отраженное от зоны б, с отверстием в экране 8 и таким образом производят предварительную юстировку резонатора лазера. Хотя пятно излучения юстировочного лазера, отраженного от зоны а, имеет больший диаметр, чем пятно, отраженное от зоны б, перемещение этого пятна легко визуально наблюдается даже на фоне пятна излучения, отраженного от зоны а, так как яркость этих пятен значительно отличается. Включают лазерные диодные линейки 4, под действием излучения которых возникает поток излучения в активном элементе 3, распространяющийся внутри резонатора. Если предварительная юстировка резонатора лазера не обеспечила возникновение генерации лазерного излучения, то вращением клинового компенсатора 6 выполняют дополнительную юстировку с визуальным ее контролем по перемещению пятна излучения юстировочного лазера 7, отраженного от зоны б двухзонного зеркала 1, по экрану 8. Возникновение генерации лазерного излучения фиксируют с помощью измерителя мощности (позиция не указана). Оптический затвор 5 обеспечивает реализацию режима модулированной добротности. Экспериментальная проверка работы предлагаемой полезной модели проведена на лабораторном макете твердотельного лазера с накачкой лазерными диодными линейками. Для излома оси резонатора лазера использована трехгранная прямоугольная призма. Активный элемент лазера в форме прямоугольного параллелепипеда с размерами 3022 мм изготовлен из кристалла(г 1,06 мкм) или эрбиевого стекла (г 1,54 мкм). Расстояние между двухзонным зеркалом и поворотной прямоугольной призмой составило 4 82262012.04.30 67 мм, а расстояние между лучами, распространяющимися внутри резонатора параллельно друг другу, составило 20 мм. Взаимное расположение твердотельного лазера, юстировочного - лазера и экрана с диаметром отверстия 1 мм обеспечивало получение на экране пятна излучения юстировочного лазера, отраженного от зоны а, диаметром 5,1 мм и пятна излучения, отраженного от зоны б, диаметром 1,8 мм. Причем, соотношение яркостей этих пятен обеспечивало четкий визуальный контроль перемещения второго пятна на фоне первого пятна при вращении клинового компенсатора, что значительно упрощает процесс юстировки. В ходе испытаний установлено, что юстировка предлагаемой полезной модели занимает времени приблизительно в три раза меньше, чем юстировка моделей, в которых не используется двухзонное зеркало со специальными параметрами отражающего слоя, оптимальными не только для генерации излучения лазера, но и для юстировки его резонатора с помощью юстировочного лазера. Таким образом, использование твердотельного лазера с диодной накачкой, состоящего из поворотной прямоугольной призмы, двухзонного зеркала, активного элемента, лазерных диодных линеек, клинового компенсатора, оптического затвора, значительно упрощает процесс его юстировки, уменьшает время юстировки приблизительно в три раза и тем самым удешевляет серийное производство данного лазера. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5