Твердотельный лазер

Область применения: предлагаемая полезная модель относится к лазерной технике, а именно, к конструкциям твердотельных лазеров. Задача: стабилизация параметров излучения лазера в широком диапазоне температур окружающей среды и при других неблагоприятных эксплуатационных условиях, а также обеспечение оперативного ремонта прибора при эксплуатации. Сущность: твердотельный лазер содержит закрепленные на основании лампу накачки с отражателем, активный элемент с отражателем и оптический резонатор, состоящий из двух зеркал, одно из которых сферическое, а другое - плоское, при этом зеркала жестко закреплены на параллельных торцах основания резонатора, имеющего жесткий профиль. Устройство представляет собой модульную конструкцию, закрепленную на корпусе и включающую в себя соединенные между собой модуль накачки, модуль активного элемента и модуль резонатора. Лампа накачки с отражателем расположена в модуле накачки, а активный элемент с отражателем расположен модуле активного элемента. В модуле резонатора на поверхность плоского зеркала нанесена диафрагма, сцентрированная с активным элементом. Кроме того, элементы модуля накачки и модуля активного элемента, а также соединения между элементами выполнены из материалов с высокой теплопроводностью, а крепление основания резонатора в модуле резонатора выполнено эластичным клеем на ограниченной площади у центра тяжести основания. Модуль накачки установлен в корпус лазера, со стороны опор корпуса, а его внешняя поверхность размещена у опорной поверхности лазера и касается ее упругой теплопроводящей прокладкой. 1 с.п. ф-лы, 3 з.п. ф-лы, 2 илл.

Предлагаемая полезная модель относится к лазерной технике, а именно, к конструкциям твердотельных лазеров.

Известно, что вибрации прибора, механические и термические деформации корпуса лазера приводят к разъюстировке зеркал резонатора и потерям энергии выходного излучения.

В настоящее время существуют конструкции лазеров, в которых уменьшено влияние вредных эксплуатационных воздействий на характеристики выходного излучения лазера, повышены ремонтопригодность и технологичность в производстве.

Так, например, для решения этих задач служит устройство (патент РФ №2102824, Кл. Н 01 S 3/02, опуб. 1998 г.), содержащее активный элемент и оптический резонатор, состоящий из двух зеркал, одно из которых сферическое. Активный элемент и зеркала установлены на основании. Основание выполнено в виде угольника или иного жесткого профиля, зеркала резонатора жестко зафиксированы на плоских параллельных торцах основания, закрепленного в корпусе лазера. Одно из зеркал резонатора выполнено составным, в виде сферического зеркала, закрепленного по своей боковой поверхности в плоскопараллельной пластине, причем ось сферического зеркала параллельна нормали к поверхности пластины. Соединение элементов резонатора и соединение основания с корпусом лазера выполнены клеевыми.

Известное устройство обладает следующими недостатками:

- не обеспечивается стабильность расположения центра кривизны сферической поверхности в диапазоне температур -40°С - +70°С, что обусловлено неравномерностью клеевого шва по боковой поверхности;

- необходимостью юстировки положения сферы в подложке;

- необходимостью процедуры старения клеевого шва.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемой полезной модели является твердотельный лазер (свидетельство РФ на полезную модель №16415 кл. Н 01 S 3/02, Н 01 S 3/05, Н 01 S 3/08, опуб. 2000 г.). Известный лазер содержит активный элемент, установленный в осветителе, внутри которого тесно расположены лампа накачки и отражатель. Осветитель своими опорными элементами устанавливается на компенсационные прокладки, расположенные на основании и прижат к нему посредством пружины, жестко закрепленной на корпусе лазера. Опорные элементы осветителя и компенсационные прокладки выполнены из материала с высоким коэффициентом трения, а основание имеет форму угольника или иного жесткого профиля и закреплено в корпусе лазера. Зеркала резонатора жестко зафиксированы на плоских параллельных торцах основания.

В известном лазере, влияние вредных эксплуатационных воздействий (вибрации, механические и термические деформации корпуса) на характеристики выходного излучения лазера сведены к минимуму за счет эластичного крепления основания резонатора к корпусу лазера. Устойчивость взаимного положения осветителя и резонатора определяется высоким коэффициентом трения между опорными площадками и усилием пружины. Такая фиксация осветителя позволяет снимать его для ремонта.

Недостатком прототипа является невозможность обеспечения стабильности выходных параметров излучения в широком диапазоне температур и частот следования импульсов. Другим недостатком известного лазера, выбранного в качестве прототипа, является повышенная расходимость излучения. Кроме того, в прототипе необходима юстировка и индивидуальная подгонка каждого резонатора в паре с конкретным осветителем.

Задачей предлагаемой полезной модели является: стабилизация параметров излучения лазера в широком диапазоне температур окружающей

среды и при других неблагоприятных эксплуатационных условиях (вибрация, удары и т.п.), а также обеспечение оперативного ремонта прибора при эксплуатации.

Для решения поставленной задачи предлагается твердотельный лазер, который, как и наиболее близкий к нему выбранный в качестве прототипа, содержит лампу накачки с отражателем, активный элемент с отражателем и оптический резонатор, закрепленные на основании. Оптический резонатор состоит из двух зеркал, одно из которых сферическое, а другое - плоское, при этом зеркала жестко закреплены на параллельных торцах основания резонатора, имеющего жесткий профиль.

Особенностью предлагаемого лазера, отличающей его от прототипа, является то, что устройство представляет собой модульную конструкцию, закрепленную на корпусе винтами, и включающую в себя соединенные между собой - модуль накачки, модуль активного элемента, модуль резонатора. Кроме того, в модуле резонатора на поверхность плоского зеркала нанесена кольцевая диафрагма, сцентрированная с активным элементом. Внутренний диаметр диафрагмы на 10-20% меньше диаметра активного элемента.

Сущность полезной модели заключается в следующем. В стационарном режиме работы твердотельного лазера повышение температуры его элементов пропорционально выделяющейся и проходящей через них тепловой энергии и обратно пропорционально эффективности теплоотвода от элементов. От лампы и активного элемента осуществляется кондуктивный теплоотвод, при этом эффективность теплоотвода возрастает с уменьшением длины пути теплового потока от охлаждаемого элемента до поглощающей тепло опорной поверхности, на которую установлен твердотельный лазер. Также возрастает эффективность теплоотвода с увеличением площади сечения и повышением теплопроводности теплоотводящих элементов. В предлагаемой конструкции лампа в модуле накачки расположена на минимальном расстоянии от опорной поверхности. Теплоотвод от лампы осуществляется по всей длине и половине внешней

поверхности лампы. Модуль накачки контактирует непосредственно с опорной поверхностью по всей длине большой наружной поверхности модуля накачки. Материалы металлических клеящих и электроизолирующих элементов модуля накачки подобраны с максимальной для таких элементов теплопроводностью. Таким образом, выполнены вышеперечисленные условия для повышения эффективности теплоотвода от лампы, как основного источника тепловыделения в твердотельном лазере. Эффективность теплоотвода от активного элемента повышена за счет увеличения площади сечения теплоотвода путем подклейки отражателя к металлическому кронштейну по большой наружной поверхности отражателя теплоотводящим клеем. Кроме того, снижен тепловой поток через элементы модуля активного элемента за счет отсутствия непосредственной механической связи между модулями лампы и модулем активного элемента. А наличие гарантированного зазора между модулем накачки и модулем активного элемента исключает кондуктивный поток от перегретой, по отношению к активному элементу, лампы к отражателю. Перечисленные изменения конструкции позволяют увеличить среднюю мощность, подводимую к лампе накачки, то есть увеличить частоту следования импульсов излучения или повысить среднюю выходную мощность излучения твердотельного лазера при тех же, что и в прототипе, максимальных значениях температур лампы и активного элемента. В свою очередь, размещение резонатора в отдельном модуле, непосредственно не контактирующим с тепловыделяющими элементами лазера, обеспечивает отсутствие тепловых потоков через элементы модуля резонатора и, соответственно, обеспечивает отсутствие термодеформации резонатора, что обеспечивает стабильность взаимного положения зеркал резонатора вне зависимости от режимов работы лазера. Кроме того, эластичное крепление основания резонатора к кронштейну модуля резонатора обеспечивает отсутствие деформации резонатора при деформации корпуса лазера. Раздельное крепление всех модулей к корпусу винтами, отсутствие иных, кроме механических - через корпус - связей между ними, позволяет

раздельно заменять модули при эксплуатации. Принадлежность всех электроцепей и элементов к модулю лампы позволяет производить пайку, заклейку и электроизоляционную заливку всех электроэлементов лазера в отсутствии рядом оптических элементов лазера. Это позволяет применить в конструкции модуля лампы некоторые материалы с высокой теплопроводностью, которым в процессе монтажа требуется специальная термическая или химическая обработка, невозможные при наличии рядом оптических элементов. Таким образом, предложенная совокупность существенных признаков позволяет решить поставленные задачи.

Предлагаемый твердотельный лазер иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1 и фиг.2.

На фиг.1 представлена аксонометрическая проекция предлагаемого твердотельного лазера.

На фиг.2 представлен разнесенный вид твердотельного лазера.

Твердотельный лазер (фиг.1) содержит модуль накачки 1, модуль активного элемента 2, модуль резонатора 3, корпус 4. Модули 1, 2, 3 монтируются в корпус 4 с разных сторон и крепятся к корпусу 4 винтами. Зазор между плоскостью опор корпуса 4 и нижней стороной модуля накачки 1 выбирает прикрепленная к модулю накачи эластичная прокладка 5 (фиг.2). В конструкции используется цилиндрическая лампа накачки 6 типа ИНП 2-35. Крепление лампы 6 в отражателе 7 выполнено с помощью пластичной теплопроводящей прокладки и электроизолирующего теплопроводящего компаунда. К металлическому основанию 8 модуля накачки отражатель 7 и электроэлементы 9 крепятся теплопроводящим клеем. Активный элемент 10 сделан из активированного стекла ЛГС-ХМ и приклеен оптическим эластичным теплопроводящим клеем к отражателю 11, который, в свою очередь, приклеен теплопроводящим клеем к металлическому кронштейну 12. В модуле резонатора 3 сферическое зеркало 13 и плоское зеркало 14 с диафрагмой 15 жестко зафиксированы клеем на плоских параллельных торцах основания резонатора 16. Зеркала 13, 14 и основание резонатора 16 изготовлены из оптических стекол одной марки или с близкими

коэффициентами линейного расширения. Соединение основания резонатора 16 с кронштейном 17 выполнено на ограниченном участке вблизи центра тяжести основания резонатора 16. Оптическая ось резонатора 3 твердотельного лазера задана положением диафрагмы 15 и нормалью к поверхности плоского зеркала 14.

Устройство работает как обычный твердотельный лазер. В силу специфики условий работы конструкции, она должна обеспечивать взаимную стабильность положения оптических элементов в широком диапазоне температур, при воздействии ударов и вибраций в широком диапазоне частот и ускорений, а также эффективный теплоотвод от лампы и активного элемента и возможность ремонта в процессе эксплуатации путем замены вышедших из строя модулей. Взаимная согласованность модулей обеспечивается путем применения точных кондукторов и шаблонов в процессе склейки элементов.

Юстировка модуля резонатора осуществляется следующим образом. Сначала на общем приспособлении по имитатору модуля активного элемента 2 устанавливается плоское зеркало 14 с диафрагмой 15 с помощью двухкоординатной линейной подвижки. Предварительно на контактную поверхность основания резонатора 16 наносится светополимеризующий клей, который после установки плоского зеркала 14 в нужное положение полимеризуется ультрафиолетовой лампой в течение 1 минуты. Аналогичная процедура проводится при приклейке сферического зеркала 13. Подвижкой сферического зеркала 13 добиваются совмещения центра кривизны сферического зеркала 13 с осью, проходящей через центр диафрагмы 15 перпендикулярно поверхности плоского зеркала 14. Для данной процедуры используется визир-коллиматор, что значительно упрощает процесс юстировки. По окончании юстировки производится полимеризация, предварительно нанесенного в зоне контакта клея. Такой способ юстировки удобен при массовом производстве лазеров и позволяет производить сложный контроль оптическими методами и обеспечивать взаимозаменяемость модулей.

1. Твердотельный лазер, содержащий лампу накачки с отражателем, активный элемент с отражателем и оптический резонатор, состоящий из двух зеркал, одно из которых сферическое, а другое - плоское, при этом зеркала жестко закреплены на параллельных торцах основания резонатора, имеющего жесткий профиль, закрепленные на основании, отличающийся тем, что устройство представляет собой модульную конструкцию, закрепленную на корпусе и включающую в себя соединенные между собой модуль накачки, модуль активного элемента, модуль резонатора, при этом лампа накачки с отражателем расположена в модуле накачки, а активный элемент с отражателем расположен модуле активного элемента, кроме того, в модуле резонатора на поверхность плоского зеркала нанесена диафрагма, сцентрированная с активным элементом.

2. Твердотельный лазер по п.1, отличающийся тем, что элементы модуля накачки и модуля активного элемента, а также соединения между элементами выполнены из материалов с высокой теплопроводностью.

3. Твердотельный лазер по п.1, отличающийся тем, что крепление основания резонатора в модуле резонатора выполнено эластичным клеем на ограниченной площади у центра тяжести основания.

4. Твердотельный лазер по п.2, отличающийся тем, что модуль накачки установлен в корпус лазера, со стороны опор корпуса, а его внешняя поверхность размещена у опорной поверхности лазера и касается ее упругой теплопроводящей прокладкой.