Унифицированный модуль квантрона твердотельного лазера с поперечной накачкой линейками лазерных диодов

Предложен унифицированный модуль квантрона твердотельного лазера с поперечной накачкой активного элемента линейками лазерных диодов, состоящий из основания-радиатора, имеющего запорный штуцер, герметизирующие и соединительные конструктивные элементы, к которому прикреплены теплопроводящий держатель со вклеенным активным элементом и модули накачки, каждый из которых состоит из последовательно соединенных линейки лазерных диодов, теплопроводящей пластины, термоэлектрического элемента, теплопроводящего установочного элемента и фланцевого электрического соединителя. Объединение необходимого числа таких модулей совместно с другими элементами лазера позволяет создавать различные модификации твердотельных лазеров, обладающих свойствами технологичности и ремонтопригодности, а также снижает затраты на их изготовление. 1 н.п.ф., 4 з.п.ф., 4 илл.

Изобретение относится к лазерной технике, а именно - к конструкциям твердотельных лазеров с накачкой активного элемента лазерными диодами. Такие твердотельные лазеры могут быть использованы в системах лазерной локации и ночного видения, а также для обработки материалов.

Известны различные конструкции квантронов лазеров с поперечной накачкой активного элемента лазерными диодами, работающих в непрерывном или импульсном режимах. Эти конструкции, как правило, оригинальны, поскольку разрабатываются в соответствии с совокупностью требований, предъявляемых конечными потребителями к изделию, в состав которого входит создаваемый лазер. Такие конструкции являются уникальными и не подлежат модификации [1-3].

Вместе с тем, к лазерам с накачкой активного элемента лазерными диодами предъявляется ряд требований, которые можно считать общими: эффективный отвод тепла от активного элемента и линеек лазерных диодов; герметичность лазера; ремонтопригодность. Эти требования могут быть эффективно реализованы в модульной конструкции квантрона, однако, до настоящего времени такие конструкции не применялись.

Наиболее близким техническим решением является модуль поперечной накачки активного элемента линейками лазерных диодов [4], состоящий (фиг.1) из основания-радиатора 1, активного элемента 2 и линеек лазерных диодов 3, прикрепленных через теплопроводящие пластины 4 к термоэлектрическим элементам 5, которые установлены на основании-радиаторе 1.

Конструкция модуля допускает его герметизацию, однако не обеспечивает эффективный отвод тепла от активного элемента и не обладает ремонтопригодностью.

Целью изобретения является унификация конструкций квантронов лазеров с поперечной накачкой активных элементов лазерными диодами, позволяющая обеспечить как эффективный отвод тепла от активного элемента и линеек лазерных диодов, герметизацию лазера, его ремонтопригодность, так и достижение соответствующих требованиям потребителей различных характеристик выходного лазерного излучения путем каскадного соединения необходимого числа унифицированных модулей квантрона.

Поставленная цель достигается тем, что в известный модуль поперечной накачки активного элемента лазерными диодами дополнительно введены держатель активного элемента, теплопроводящие установочные элементы, запорный штуцер и фланцевые электрические соединители, выполненные герметичными, причем держатель активного элемента, выполненный в виде цилиндрической втулки с фланцевой частью и сквозным

центральным отверстием, в которое с помощью теплопроводящего состава вклеен активный элемент, имеет продольные прорези для прохождения излучения линеек лазерных диодов к поверхности активного элемента, выполнен из теплопроводящего материала, например, меди, по технологии, не приводящей к возникновению внутренних напряжений в материале, например, электроэрозионной, и крепится фланцевой частью к основанию-радиатору так, что его продольная ось параллельна продольной оси основания-радиатора или совпадает с ней, линейка лазерных диодов и термоэлектрический элемент с теплопроводящей пластиной, прикрепленный к теплопроводящему установочному элементу, соединены с фланцевым электрическим соединителем гибкими электрическими связями и образуют модуль накачки, причем крепление теплопроводящего установочного элемента к основанию-радиатору обеспечивает возможность перемещения линейки лазерных диодов относительно активного элемента, а основание-радиатор, к одной торцевой поверхности которого крепится фланец держателя активного элемента, имеет отверстия в боковой поверхности для установки модулей накачки и выборки на другой торцевой поверхности для крепления теплопроводящих установочных элементов каждого модуля накачки, основание-радиатор имеет элементы - например, параллельные его продольной оси сквозные отверстия - позволяющие объединять один или несколько таких модулей с другими элементами лазера - узлами зеркал, поляризатором, модулятором и т.д., а торцевые поверхности основания-радиатора имеют конструктивные элементы, обеспечивающие герметизацию

внутреннего объема лазера - например, канавку с эластичным уплотнителем и выступ, фланцевые электрические соединители после установки модулей накачки герметизируются в отверстиях основания-радиатора, на боковой поверхности которого имеется запорный штуцер для вакуумирования или заполнения осушенным газом - например, инертным - внутреннего объема лазера, а к внешней боковой поверхности основания-радиатора прикрепляются дополнительные теплоотводящие элементы - например, воздушные радиаторы или известные теплообменные устройства.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предложенное устройство отличается иным конструктивным исполнением известных элементов и их новыми связями. Сравнение с другими техническими решениями показывает, что конструкция предлагаемого унифицированного модуля квантрона твердотельного лазера обеспечивает эффективный отвод тепла от активного элемента и линеек лазерных диодов; позволяет реализовать различные характеристики выходного излучения лазера путем каскадного соединения необходимого числа таких модулей, а также обеспечивает герметичность внутреннего объема лазера и его ремонтопригодность. Предложенные технические решения позволяют использовать предлагаемые унифицированные модули в научно-исследовательских и образовательных целях, так как конструкция модуля обеспечивает замену активных элементов и модулей накачки путем выполнения несложных сборочных операций.

На фиг.1 представлен модуль поперечной накачки активного элемента линейками лазерных диодов [4], где изображены: 1 - основание-радиатор; 2 - активный элемент; 3 - линейка лазерных диодов; 4 - теплопроводящая пластина; 5 - термоэлектрический элемент.

На фиг.2 изображен унифицированный модуль квантрона твердотельного лазера с поперечной накачкой линейками лазерных диодов с одним установленным модулем накачки: 1 - основание-радиатор; 2 - активный элемент; 3 - линейка лазерных диодов; 4 - теплопроводящая пластина; 5 - термоэлектрический элемент; 6 - теплопроводящий установочный элемент; 7 - держатель активного элемента; 8 - фланцевый электрический соединитель, выполненный герметичным; 9 - запорный штуцер; 10 - выборки для крепления теплопроводящих установочных элементов модулей накачки; 11 - сквозные отверстия для обеспечения соединения унифицированных модулей квантрона и других конструктивных элементов лазера; 12 - конструктивные герметизирующие элементы; 13 - отверстия для установки модулей накачки.

На фиг.3 изображен унифицированный модуль квантрона твердотельного лазера с поперечной накачкой линейками лазерных диодов со стороны торцевой поверхности крепления держателя активного элемента: 1 - основание-радиатор; 2 - активный элемент; 7 - держатель активного элемента; 11 - сквозные отверстия для обеспечения соединения унифицированных модулей квантрона и других конструктивных элементов лазера; 12 - конструктивные герметизирующие элементы; 13 - отверстия для

установки модулей накачки; 14 - поверхность крепления держателя активного элемента.

На фиг.4 изображена одна из возможных реализации соединения унифицированных модулей и других конструктивных элементов лазера: 15 - унифицированный модуль квантрона твердотельного лазера с поперечной накачкой линейками лазерных диодов; 16 - узел зеркала резонатора лазера; 17 - крепежная шпилька; 18 - уплотнительное кольцо из эластичного материала.

Унифицированный модуль квантрона состоит из следующих основных узлов: основания-радиатора, держателя со вклеенным активным элементом и модулей накачки.

Предложенная конструкция держателя активного элемента обеспечивает эффективный отвод тепла от участков активного элемента по всей его длине, что препятствует перегреву активного элемента и возникновению существенных термооптических искажений. Развитая поверхность фланца держателя активного элемента обеспечивает эффективную передачу тепла к основанию-радиатору. Технология формирования продольных пазов сложной формы для прохождения излучения линеек лазерных диодов к поверхности активного элемента должна исключить возникновение внутренних напряжений в материале держателя с целью предотвращения деформации внутренней поверхности держателя, сопрягаемой с поверхностью активного элемента. Для обеспечения эффективной передачи тепла от активного элемента к

держателю и закрепления активного элемента он вклеивается в отверстие держателя с использованием теплопроводящего состава.

Предложенная конструкция модуля накачки обеспечивает несложную установку его в основание-радиатор путем перемещения через отверстие 13 до соприкосновения сопрягаемых поверхностей фланцевого электрического соединителя и основания-радиатора. Возможность юстировки положения линейки накачки относительно активного элемента в результате перемещения установочного элемента по поверхности выборки 10 основания-радиатора обеспечивается соединением гибкими проводниками линейки лазерных диодов, термоэлектрического элемента и переходных контактов фланцевого электрического соединителя. Юстировка линеек лазерных диодов обеспечивает максимальное использование энергии их излучения и достижение как наибольшего КПД лазера в целом, так и требуемого качества пучка излучения при формировании распределения инверсной населенности уровней атомов в поперечном сечении активного элемента, близкого к равномерно-симметричному.

Фланцевый электрический соединитель выполнен герметичным путем вклеивания при помощи герметизирующего состава в отверстие фланца диэлектрической пластины с переходными контактами, к которым с внешней стороны припаяны токоведущие проводники, а с внутренней - гибкие проводники. Фланец имеет проточку, в которую вставлено кольцо из эластичного материала, обеспечивающее герметизацию фланца по периметру отверстия 13 при его креплении к основанию-радиатору. Такое

конструктивное решение обеспечивает герметичность внутреннего объема лазера.

Основание-радиатор выполняет функции несущей конструкции унифицированного модуля квантрона и обеспечивает передачу тепловых потоков от активного элемента и линеек лазерных диодов к внешней поверхности для их последующей диссипации посредством конвективного теплообмена с окружающей средой или кондуктивного теплообмена с внешними теплообменными устройствами. Конструкция основания-радиатора обеспечивает возможности соединения нескольких таких модулей между собой и присоединения к ним других элементов лазера при одновременной герметизации периметров сопрягаемых поверхностей за счет деформации уплотнительных колец из эластичного материала в результате закрепления указанных элементов с помощью шпилек 17.

Вакуумирование или заполнение осушенным газом, например - инертным, внутреннего объема лазера через запорный штуцер обеспечивает увеличение срока его службы и возможность эксплуатации при отрицательных температурах. Запорный штуцер может быть выполнен, например, в виде резьбовой пробки с осевым отверстием для подачи или удаления газов и коническим запорным узлом.

ЛИТЕРАТУРА

1. Koechner W., Bass M. Solid State Lasers - Springer-Verlag, 2003. - 409 с.

2. Патент США US 6,917,634 B2 от 12.06.2005 г.

3. Пространственные характеристики излучения мощных полупроводниковых лазерных излучателей ИЛПИ-111 / Е.В.Бурый, А.Е.Косых, М.Н.Грудень и др. // Приборы и техника эксперимента. - №4. - 1996. - С.119-122.

4. Абазадзе А.Ю., Зверев Г.М., Колбацков Ю.М. Исследование расходимости излучения и энергетической эффективности импульсного YAG: Nd ³⁺ - лазера с поперечной накачкой линейками лазерных диодов // Квантовая электроника. - Т. 32. - №3. - С.205-209.

1. Унифицированный модуль квантрона твердотельного лазера с поперечной накачкой линейками лазерных диодов, состоящий из основания-радиатора, активного элемента и линеек лазерных диодов, установленных через теплопроводящие пластины на термоэлектрических элементах, отличающийся тем, что дополнительно введены держатель активного элемента, теплопроводящие установочные элементы, запорный штуцер и фланцевые электрические соединители, выполненные герметичными, причем держатель активного элемента, выполненный в виде цилиндрической втулки с фланцевой частью и сквозным центральным отверстием, в которое с помощью теплопроводящего состава вклеен активный элемент, имеет продольные прорези для прохождения излучения линеек лазерных диодов к поверхности активного элемента, выполнен из теплопроводящего материала, например, меди, по технологии, не приводящей к возникновению внутренних напряжений в материале, например, электроэрозионной, и крепится фланцевой частью к основанию-радиатору так, что его продольная ось параллельна продольной оси основания-радиатора или совпадает с ней, линейка лазерных диодов и термоэлектрический элемент с теплопроводящей пластиной, прикрепленный к теплопроводящему установочному элементу, соединены с фланцевым электрическим соединителем гибкими электрическими связями и образуют модуль накачки, причем крепление теплопроводящего установочного элемента к основанию-радиатору обеспечивает возможность перемещения линейки лазерных диодов относительно активного элемента, а основание-радиатор, к одной торцевой поверхности которого крепится фланец держателя активного элемента, имеет отверстия в боковой поверхности для установки модулей накачки и выборки на другой торцевой поверхности для крепления теплопроводящих установочных элементов каждого модуля накачки.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что основание-радиатор имеет элементы - например, параллельные его продольной оси сквозные отверстия - позволяющие объединять один или несколько таких модулей с другими элементами лазера - узлами зеркал, поляризатором, модулятором и т.д.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что торцевые поверхности основания-радиатора имеют конструктивные элементы, обеспечивающие герметизацию внутреннего объема лазера - например, канавку с эластичным уплотнителем и выступ, а фланцевые электрические соединители после установки модулей накачки герметизируются в отверстиях основания-радиатора.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что на боковой поверхности основания-радиатора имеется запорный штуцер для вакуумирования или заполнения осушенным газом - например, инертным - внутреннего объема лазера.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что к внешней боковой поверхности основания-радиатора прикрепляются дополнительные теплоотводящие элементы - например, воздушные радиаторы или известные теплообменные устройства.