Многоволновой лазерный излучатель

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Научно-исследовательское учреждение Институт прикладных физических проблем имени А.Н.Севченко Белорусского государственного университета(72) Автор Лобаневский Александр Леонидович(73) Патентообладатель Научно-исследовательское учреждение Институт прикладных физических проблем имени А.Н.Севченко Белорусского государственного университета(57) 1. Многоволновой лазерный излучатель, содержащий источник накачки, источник излучения, характеризующийся главными передней и задней оптическими осями, а также боковыми передними и задними оптическими осями, при этом многоволновой лазерный излучатель наделен спектрально-селективными свойствами и снабжен частично-пропускающими зеркалами, а также преимущественно-отражающими зеркалами и зеркалами,расположенными в точках пересечения главных и боковых оптических осей, отличающийся тем, что спектрально-селективные свойства многоволнового лазерного излучателя обеспечены, как минимум, одним зеркалом, расположенным в точке пересечения главной и боковой оптических осей, при этом, по крайней мере, одно зеркало, расположенное в точке пересечения главной и боковой оптических осей, выполнено с возможностью его введения и выведения из упомянутой точки пересечения. 50112008.12.30 2. Излучатель по п. 1, отличающийся тем, что одно из частично-пропускающих зеркал расположено на главной передней оптической оси, а остальные - на боковых передних оптических осях. 3. Излучатель по п. 1, отличающийся тем, что все частично-пропускающие зеркала расположены на боковых передних оптических осях. 4. Излучатель по п. 1, отличающийся тем, что одно из преимущественно-отражающих зеркал расположено на главной задней оптической оси. 5. Излучатель по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что любым из частичнопропускающих зеркал совместно с любым из преимущественно-отражающих зеркал и соответствующими им зеркалами, расположенными в точках пересечения главных и боковых оптических осей, образован резонатор, имеющий спектрально-селективные свойства. 6. Излучатель по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что любой парой частичнопропускающих зеркал совместно с любой парой преимущественно-отражающих зеркал и соответствующими им зеркалами, расположенными в точках пересечения главных и боковых оптических осей, образован сложный резонатор, имеющий спектрально-селективные свойства. 7. Излучатель по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что в многоволновой лазерный излучатель введена, как минимум, одна шторка для перекрытия, как минимум, одной из оптических осей. 8. Излучатель по любому пп. 1-7, отличающийся тем, что спектрально-селективные свойства многоволнового лазерного излучателя также обеспечены, как минимум, одним преимущественно-отражающим зеркалом и/или, как минимум, одним частично-пропускающим зеркалом 9. Излучатель по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что возможность введения и выведения из точки пересечения главных и боковых оптических осей, по крайней мере,одного в ней расположенного зеркала обеспечена полным или частичным перекрытием апертуры лазерного луча или полным выведением этого зеркала из этой апертуры.(56) 1. Прикладная лазерная медицина Учебное и справочное пособие. - М. Интерэксперт,1997. - С. 57-59. 2. Патент 665 , МПК А 61 В 18/00, 2002 (прототип). 3. Пахомов И.И., Рожков О.В., Рождествин В.Н. Оптико-электронные квантовые приборы Учеб. пособие для вузов / Под ред. И.И. Пахомова. - М. Радио и связь, 1982. 4. Звелто О. Принципы лазеров Пер. с англ. - М. Мир, 1984. 5. Микаэлян А.Л., Тер-Микаелян М.Л., Турков Ю.Г. Оптические генераторы на твердом теле. - М. Советское радио, 1967. 6. Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров. - М. Информационно-издательский центр Госкомсанэпиднадзора России, 1993. 7. Институт прикладных физических проблем имени А.Н. Севченко // Техника, экономика, организация. -1(56). - 2007 Спец. выпуск Медицинская техника Республики Беларусь. - С. 27. Полезная модель относится к области лазерной техники и касается устройств воздействия на объекты с помощью лазерного излучения, преимущественно для медицинских целей. Известен лазерный излучатель 1 с активным элементом, лампой накачки, отражателем и неподвижно установленными резонаторными зеркалами. Недостатком такого излучателя является ограниченность его применения из-за возможности генерировать только на одной длине волны. 2 50112008.12.30 Известен более универсальный и наиболее близкий по сущности к полезной модели многоволновой лазерный излучатель 2, настроенный на генерацию разных длин волн. Он содержит источник накачки, источник излучения, характеризующийся главными передней и задней оптическими осями, а также боковыми передними и задними оптическими осями, при этом многоволновой лазерный излучатель наделен спектральноселективными свойствами и снабжен частично-пропускающими зеркалами, а также преимущественно-отражающими зеркалами и зеркалами, расположенными в точках пересечения главных и боковых оптических осей. Причем спектрально-селективные свойства многоволнового лазерного излучателя обеспечены дополнительным введением в его конструкцию неподвижных спектральных селекторов. Недостатками прототипа 2 являются сложность конструкции многоволнового лазерного излучателя и его сравнительно большие габариты. Это происходит из-за того, что введены дополнительно неподвижные спектральные селекторы. Они имеют технически сложную конструкцию своего выполнения и сравнительно дороги. Они также имеют большие габариты. Совместно с подводимыми к ним устройствами ввода-вывода они занимают значительное пространство в лазерном излучателе, в связи с чем остальные оптические элементы в схеме такого излучателя должны быть отодвинуты друг от друга. Поэтому это увеличивает габариты, массу и стоимость всего устройства многоволнового лазерного излучателя. При этом увеличивается также длина оптического резонатора прототипа (резонатор - это замкнутый и многократно повторяющийся оптический ход лучей 2), что, как известно 3, С. 145, 4, С. 141, 5, С. 162, увеличивает оптические потери и уменьшает к.п.д. и, в конечном итоге, снижает эффективность работы многоволнового лазерного излучателя. Причем, в случае получения длин волн, обладающих теоретически низким к.п.д. генерации, наличие упомянутых оптических потерь в резонаторе является, в ряде случаев,критически важным 3, С. 211. Это объясняется тем, что в таких резонаторах частичнопропускающие выходные зеркала имеют большой коэффициент отражения для компенсации значительных оптических потерь в резонаторе. При определенных неблагоприятных условиях 4, С. 168 в конструкции прототипа 2 данный недостаток может привести к тому, что генерация вообще не возникнет или возникнет лишь очень малой (околопороговой) мощности. Это еще больше снижает эффективность работы многоволнового лазерного излучателя. Кроме того, наличие сравнительно большого количества элементов такого излучателя может не удовлетворять санитарным нормам, правилам устройства и эксплуатации лазерных установок 6, так как увеличивается количество генерирующих оптических элементов для многолазерных установок, что связано с увеличением количества вредных выбросов. Это снижает безопасность работы многоволнового лазерного излучателя. Поэтому задачей полезной модели является упрощение конструкции, уменьшение габаритов многоволнового лазерного излучателя, а также повышение эффективности, надежности и безопасности его работы. Поставленная задача решается тем, что многоволновой лазерный излучатель, содержащий источник накачки, источник излучения, характеризующийся главными передней и задней оптическими осями, а также боковыми передними и задними оптическими осями,при этом многоволновой лазерный излучатель наделен спектрально-селективными свойствами и снабжен частично-пропускающими зеркалами, а также преимущественноотражающими зеркалами и зеркалами, расположенными в точках пересечения главных и боковых оптических осей, имеет отличительный признак, а именно спектральноселективные свойства многоволнового лазерного излучателя обеспечены, как минимум,одним зеркалом, расположенным в точке пересечения главной и боковой оптических осей,при этом, по крайней мере, одно зеркало, расположенное в точке пересечения главной и боковой оптических осей, выполнено с возможностью его введения и выведения из упомянутой точки пересечения. 3 50112008.12.30 Обеспечение спектрально-селективных свойств многоволнового лазерного излучателя, как минимум, одним поворотным зеркалом направлено на устранение из конструкции этого излучателя применения сложных и громоздких неподвижных спектральных селекторов в отличие от прототипа 2. При этом в процессе работы многоволнового лазерного излучателя повысится его к.п.д., снизятся оптически потери, уменьшатся излучающие выбросы, что приведет в конечном итоге к повышению эффективности и безопасности работы многоволнового лазерного излучателя. Выполнение, по крайней мере, одного зеркала, расположенного в точке пересечения главной и боковой оптических осей, с возможностью введения и выведения его из упомянутой точки пересечения будет способствовать повышению оперативности переключения режимов работы многоволнового лазерного излучателя, работающего на различных длинах волн излучения. Вариантами выполнения многоволнового лазерного излучателя являются нижеследующие одно из частично-пропускающих зеркал расположено на главной передней оптической оси, а остальные - на боковых передних оптических осях все частично-пропускающие зеркала расположены на боковых передних оптических осях одно из преимущественно-отражающих зеркал расположено на главной задней оптической оси любым из частично-пропускающих зеркал совместно с любым из преимущественноотражающих зеркал и соответствующими им зеркалами, расположенными в точках пересечения главных и боковых оптических осей, образован резонатор, имеющий спектрально-селективные свойства любой парой частично-пропускающих зеркал совместно с любой парой преимущественно-отражающих зеркал и соответствующими им зеркалами, расположенными в точках пересечения главных и боковых оптических осей, образован сложный резонатор, имеющий спектрально-селективные свойства в многоволновой лазерный излучатель введена, как минимум, одна шторка для перекрытия, как минимум, одной из оптических осей спектрально-селективные свойства многоволнового лазерного излучателя также обеспечены, как минимум, одним преимущественно-отражающим зеркалом и/или, как минимум, одним частично-пропускающим зеркалом возможность введения и выведения из точки пересечения главных и боковых оптических осей, по крайней мере, одного в ней расположенного зеркала обеспечена полным или частичным перекрытием апертуры лазерного луча или полным выведением этого зеркала из этой апертуры. Сущность полезной модели поясняется принципиальными схемами многоволнового лазерного излучателя. На фиг. 1 показана принципиальная схема излучателя, в котором имеется выведение лучей в разные стороны. На фиг. 2 - то же, но в одну сторону. На фиг. 3-5 показаны принципиальные схемы излучателя с различным образованием его резонатора для обеспечения излучения с тремя длинами волн. На фиг. 6-8 показаны возможные варианты управления перекрытием лазерного луча. Многоволновой лазерный излучатель содержит источник накачки 1, источник излучения 2, характеризующийся главными передней и задней оптическими осями 3, 4, а также боковыми передними и задними оптическими осями 5, 6 и 7, 8. При этом многоволновой лазерный излучатель наделен спектрально-селективными свойствами и снабжен частичнопропускающими зеркалами 9-11, а также преимущественно-отражающими зеркалами 1214 и подвижными зеркалами 15-18, расположенными в точках пересечения главных и боковых оптических осей 3, 4 и 5-8. 4 50112008.12.30 Для изменения направления излучения в схему (фиг. 2) может быть введена дополнительно еще одна боковая передняя оптическая ось 19, в точке пересечения которой с главной передней оптической осью 3 расположено неподвижное зеркало 20. При этом спектрально-селективные свойства многоволнового лазерного излучателя обеспечены, как минимум, одним подвижным зеркалом, например 15 или несколькими,например, 16, 18, или всеми сразу 15-18. Вариантами выполнения многоволнового лазерного излучателя являются нижеследующие одно из частично-пропускающих зеркал 9-11 (например 9) расположено на главной передней оптической оси 3, а остальные - на боковых передних оптических осях 5, 6(фиг. 1) все частично-пропускающие зеркала 9-11 расположены на боковых передних оптических осях 5, 6, 19 (фиг. 2) одно из преимущественно-отражающих зеркал 12-14 (например 14) расположено на главной задней оптической оси 4, а остальные - на боковых задних оптических осях 7, 8(фиг. 1 и 2) любым из частично-пропускающих зеркал 9-11 совместно с любым из преимущественно-отражающих зеркал 12-14 и соответствующими их расположению зеркалами 15-18(фиг. 1 и 2) или неподвижным зеркалом 20 (фиг. 2) образован резонатор, имеющий спектрально-селективные свойства любой парой частично-пропускающих зеркал 9-11 совместно с любой парой преимущественно-отражающих зеркал 12-14 и соответствующими их расположению зеркалами 15-18 (фиг. 1, 2) или неподвижным зеркалом 20 образован сложный резонатор, имеющий спектрально-селективные свойства в многоволновой лазерный излучатель введены управляемые от приводов 21 шторки 22 или 23 для перекрытия, соответственно, главных оптических осей 3, 4 спектрально-селективные свойства многоволнового лазерного излучателя также обеспечены, как минимум, одним преимущественно-отражающим зеркалом 12-14 и/или, как минимум, одним частично-пропускающим зеркалом 9-11 возможность введения и выведения из точки пересечения главных и боковых оптических осей 3, 4 и 5-8, по крайней мере, одного в ней расположенного подвижного зеркала,например зеркала 17 (как показано), обеспечена полным или частичным перекрытием апертуры 24 лазерного луча 25 (фиг. 6, 7) или полным выведением этого зеркала 17 из этой апертуры 24 (фиг. 8). Шторки 22, 23 вводятся в зону расположения главных оптических осей 3, 4 для обеспечения безопасности, чтобы случайное срабатывание источника накачки 1 не смогло привести к случайной генерации лазерного излучения через частично-пропускающие зеркала 9-11 и преимущественно-отражающие зеркала 12-14. Кроме того, при начале генерации лазерного излучения возникают переходные процессы в источнике излучения 2, которые определяются термооптическими, механическими и электрическими эффектами. При этом может формироваться в начальный момент времени лазерное излучение в недопустимых параметрах, которые могут либо вывести из строя оптические элементы многоволнового лазерного излучателя, либо привести к генерации излучения, не соответствующего заданным характеристикам, которые необходимы в установившемся режиме генерации. Поэтому шторки 22 и 23 также желательны. Для недопущения выше упомянутой первой из этих проблем шторки 22, 23 всегда закрыты, что обеспечивает защиту многоволнового лазерного излучателя от случайного срабатывания источника накачки 1. Во втором случае решения второй проблемы шторки 22, 23 могут открываться спустя некоторое время после начала работы источника накачки 1. Для источников излучения 2 малой мощности или имеющих резонаторы с большими оптическими потерями может применяться одна шторка 22 или 23, которая может быть 5 50112008.12.30 расположена либо на передней главной оптической оси 3 (как показано), либо на одной из передних боковых оптических осей 19, 5, 6 (не показано). Для более мощных источников излучения 2 применяют две шторки 22 и 23 (как показано на фиг. 1 и 2) во избежание паразитной генерации по задней главной оптической оси 4. Это направлено против повреждения шторки 23 и оптических элементов многоволнового лазерного излучателя, расположенных на передней главной оптической оси 3. В случае одновременной генерации нескольких длин волн целесообразно применять более двух шторок 23, 24 (не показано). Действие многоволнового лазерного излучателя показано на примере выведения направлений трех излучений в одну сторону (фиг. 2). При этом действие излучателя при выведении направлений излучений в разные стороны (фиг. 1) будет аналогично. Предварительно с помощью приводов 21 перемещают шторки 22, 23, освобождая зоны перекрытия главных оптических осей 3 и 4. В случае применения простой схемы получения лазерного излучения первой длины волны (фиг. 3) подвижные зеркала 15-18 предварительно выводят полностью из оптических осей 3 и 4. При этом резонатор будет образован частично-пропускающим зеркалом 9 и преимущественно-отражающим зеркалом 14. Далее, с помощью источника накачки 1 обеспечивают подачу энергии на источник излучения 2, который усиливает оптическое излучение с первой длиной волны, обладающей наименьшим коэффициентом оптических потерь в конкретном резонаторе с учетом оптического коэффициента усиления для разных длин волн в источнике излучения 2. На фиг. 3 элементы резонатора (9, 20, 2, 14) показаны затемненными. За счет этого усиления и многопроходности резонатора (9, 20, 2, 14) оптическое излучение с выбранной длиной волны при каждом обходе резонатора частично выходит через частично-пропускающее зеркало 9. В результате создается полезный поток энергии, который далее используется потребителем. Например, врачом, для воздействия на биологическую ткань пациента. Для получения лазерного излучения со второй длиной волны (фиг. 4) подвижные зеркала 15 и 18 должны быть введены полностью, а подвижные зеркала 16 и 17 выведены полностью из главных оптических осей 3, 4. В этом случае образуется сложный резонатор источника излучения 2, куда также входят частично-пропускающее зеркало 10, подвижные зеркала 15, 18 и преимущественно-отражающее зеркало 13. На фиг. 4 элементы резонатора (10, 15, 2, 18, 13) показаны затемненными. За счет селективных свойств подвижного зеркала 15 и/или подвижного зеркала 18, а также селективных свойств частично-пропускающего зеркала 10 и/или преимущественноотражающего зеркала 13 в источнике излучения 2 происходит усиление светового потока со второй длиной волны, которая в данном резонаторе будет иметь теперь наименьшие оптические потери с учетом наличия разных величин коэффициента усиления источника излучения 2 на разных длинах волн. За счет многопроходности данного сложного резонатора (10, 15, 2, 18, 13) лазерное излучение со второй длиной волны при каждом обходе резонатора частично пропускается частично-пропускающим зеркалом 10. При этом формируется полезный поток лазерной энергии со второй длиной волны для использования потребителем. Аналогично, так же как и в описанном выше случае со второй длиной волны, обеспечивается генерация с третьей длиной волны (фиг. 5). При этом должны быть полностью выведены подвижные зеркала 15, 18 и введены подвижные зеркала 16 и 17 в зоны расположения главных оптических осей 3, 4. В этом случае сложный резонатор источника излучения 2 образуется частичнопропускающим зеркалом 11, подвижными зеркалами 16, 17 и преимущественно-отражающим зеркалом 12. Полезный поток лазерной энергии с третьей длиной волны будет 50112008.12.30 выходить через частично-пропускающее зеркало 11. На фиг. 5 элементы резонатора (11,16, 2, 17, 12) показаны затемненными. Данные примеры генерации первой, второй и третьей длин волн приведены для создания резонаторов разной геометрической длины, которая определяется оптическими расстояниями от частично-пропускающих зеркал 9-11 до преимущественно-отражающих зеркал 12-14 для каждого из резонаторов. При этом разная длина резонаторов обеспечивает разную расходимость и апертуру лазерного луча 25 (фиг. 6). Возможно также создание резонаторов с тремя различными длинами волн и одинаковой геометрической длиной. В этом случае резонатор первой длины волны (фиг. 2) может быть организован частично-пропускающим зеркалом 9, неподвижным зеркалом 20, подвижным зеркалом 17 и преимущественно-отражающим зеркалом 12. Резонатор второй длины волны - частично-пропускающим зеркалом 10, подвижными зеркалами 15, 18 и преимущественно-отражающим зеркалом 13, а резонатор третьей длины волны - частично-пропускающим зеркалом 11, подвижным зеркалом 16, неподвижным зеркалом 22 и преимущественно-отражающим зеркалом 14. В данном случае расходимость выходных лучей может быть примерно одинаковой. В некоторых случаях необходимо создавать лазерное излучение с определенными различными свойствами. Поэтому по полезной модели возможно создание резонаторов с различными соотношениями их геометрических длин. Показанный на фиг. 1 вариант расположения частично-пропускающего зеркала 9, через которое выходит поток излучения с первой длиной волны, обеспечивает меньшее количество деталей. Но при таком варианте выполнения многоволнового лазерного излучателя он будет в определенной степени неудобен в своем применении для некоторых объектов воздействия, так как лазерные лучи 25 будут выходить в разных направлениях. На фиг. 2 вариант выполнения многоволнового лазерного излучателя дополнительно характеризуется наличием неподвижного зеркала 20. Это обеспечивает выход лазерных лучей 25 в одном направлении и на одинаковом расстоянии от объекта воздействия или от устройства, использующего такое лазерное излучение, например от линзы, сводящей все или несколько лазерных лучей в одну точку (не показано). Кроме того, в системе управления многоволновым лазерным излучателем может быть три положения подвижных зеркал 15-18 (фиг. 6-8) с полным (фиг. 6) и частичным (фиг. 7) перекрытием апертуры 24 лазерного луча 25, а также с его неперекрытием (фиг. 8). Частичное выведение подвижных зеркал 15-18 из апертуры лазерного луча 25 (фиг. 7) может быть использовано для одновременной генерации нескольких длин волн, так как часть излучения, перекрытая таким образом, будет генерироваться одним резонатором, а неперекрытая часть данного излучения будет генерироваться вторым резонатором (или третьим и т.д.). Промышленная применимость полезной модели подтверждена фактом применения многоволнового лазерного излучателя (с тремя длинами волн в диапазонах 1,061,1 мкм 1,321,34 мкм и 1,41,44 мкм) в конструкции лазерного хирургического аппарата нового поколения 7. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 9