Твердотельный лазер
Твердотельный лазер с повышенным качеством излучения и сроком службы активного элемента включает резонатор со сферическим и плоским зеркалом и активный элемент. Активный элемент выполнен в виде усеченного конуса, вершина которого находится со стороны плоского зеркала, так, что боковая поверхность активного элемента совпадает с боковой поверхностью медового объема поля резонатора, а профиль активного элемента совпадает с каустикой поля.
Предлагаемое техническое решение относится к области лазерной техники и может быть использовано при проектировании и производстве твердотельных лазеров (ТТЛ).
В настоящее время большинство ТТЛ имеет активные элементы в виде стеклянных или кристаллических цилиндров. Резонаторы большинства лазеров представляют систему из одного сферического и одного плоского зеркал (резонатор плоскость-сфера) для повышения устойчивости генерации. Модовый объем, ограниченный каустикой поля резонатора, сужается по мере приближения к плоскому зеркалу. Поэтому часть активной среды в цилиндре не находится в области внутри модового объема резонатора. В результате не вся активная среда принимает участие в генерации излучении ТТЛ.
Возбуждение ТТЛ осуществляется оптической накачкой лампами или лазерными диодами через боковую поверхность либо с торца. ТТЛ, как правило, охлаждается хладагентом: водой или другими жидкостями, иногда газами. В процессе возбуждения активный элемент нагревается как непосредственно источником накачки, так и индуцированным излучением в модовом объеме. Поскольку в резонаторе плоскость-сфера плотность энергии излучения на оси резонатора у плоского зеркала примерно вдвое больше, чем у сферического, активный элемент у плоского зеркала нагревается больше. Причем со временем плоское зеркало лазера этим излучением выжигается. А охлаждается цилиндрическая поверхность одинаково по всей длине цилиндра. Неоднородность нагрева ухудшает качество излучения и сокращает срок его службы.
Известен ТТЛ, в котором активный элемент выполнен в форме многогранника, охлаждаемого через отверстие в центре (С.Г.Гречин, П.П.Николаев // Квантовая электроника, 2009, т.39, 
1, с.16.). Недостатком известного ТТЛ является большой градиент температур, возникающий в активном элементе, что приводит к напряжениям в нем, ухудшению качества излучения и сокращению срока службы.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является ручное лазерное устройство (патент на изобретение RU 2315403, МПК H01S 3/04, опубл. 20.01.2008), включающее кожух, имеющий значительное полое внутреннее пространство, лазерный эмиттер внутри вышеупомянутого внутреннего пространства, стержень лазерного эмиттера, изготовленный, по крайней мере, из лампы накачки и стержня активного лазерного вещества (активного элемента), отделенных друг от друга, причем вышеупомянутый стержень активного лазерного вещества имеет коническую конфигурацию или изготовлен в форме усеченной многоугольной пирамиды; и источник, вырабатывающий поток хладагента во внутренней полости кожуха. Коническая форма активного элемента обеспечивает наличие составляющей скорости хладагента, нормальной к боковой поверхности активного элемента, что повышает эффективность теплоотвода между активным элементом и хладагентом. Недостатком устройства является более высокая плотность энергии у плоского зеркала, обусловленная ролью индуцированного излучения и приводящая к дополнительному нагреву активного элемента. Эта роль возрастает в наиболее распространенном лазере с резонатором плоскость-сфера, и не компенсируется более высоким теплоотводом в области плоского зеркала. Неравномерный нагрев приводит к росту напряжений в материале активного элемента, что влечет уменьшение качества излучения и срока службы активного элемента.
Задачей предлагаемого технического решения является разработка ТТЛ с повышенным качеством излучения лазера и увеличенным сроком его службы за счет более полного использования объема активного элемента и обеспечения оптимального охлаждения.
Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что аналогично прототипу ТТЛ включает активный элемент конической конфигурации. В отличие от прототипа, он содержит резонатор, состоящий из плоского и сферического зеркал, а активный элемент изготовлен в виде усеченного конуса, вершина которого находится со стороны плоского зеркала так, что боковая поверхность активного элемента совпадает с боковой поверхностью медового объема поля резонатора, а профиль активного элемента совпадает с каустикой поля.
Благодаря перечисленной совокупности существенных признаков уменьшается объем активного элемента, а, значит, увеличивается энергосъем с единицы объема и улучшается охлаждение более нагретого участка активного элемента, расположенного у плоского зеркала, а, следовательно, повышается качество излучения и срок службы активного элемента.
Если бы активный элемент был бы изготовлен в виде усеченного конуса, вершина которого находится со стороны сферического зеркала, то боковая поверхность активного элемента не совпала бы с боковой поверхностью модового объема поля резонатора, а профиль активного элемента не совпал бы с каустикой поля. В результате не вся активная среда принимала бы участие в генерации излучении ТТЛ, что привело бы к ухудшению качества излучения лазера. При этом сильнее охлаждался бы менее нагретый участок активного элемента, что не привело бы к техническому результату - оптимальному охлаждению.
Сущность предлагаемого решения иллюстрируется фиг.1, на которой изображен продольный разрез ТТЛ, где 1 - сферическое зеркало, 2 - плоское зеркало, 3 - активный элемент в виде усеченного конуса, 4 - каустика поля, 5 - хладагент, находящийся в замкнутом объеме 6. Зеркала 1, 2 могут составлять одно целое с активным элементом 3. Накачка активного элемента 3 может осуществляться как газоразрядными лампами, например, помещенными в фокус эллиптического отражателя, так и лазерными диодами (на фиг.1 не указаны).
ТТЛ включает резонатор со сферическим зеркалом 1 и плоским зеркалом 2. Активный элемент 3 выполнен в виде усеченного конуса, вершина которого находится за плоским зеркалом 2. Боковая поверхность активного элемента 3 совпадает с боковой поверхностью медового объема поля резонатора, профиль активного элемента 3 и каустика поля 4 совпадают. В частном случае (фиг.1), профиль активного элемента 3 совпадает с каустикой поля 4 преимущественно на линейном участке. Полное совпадение профиля активного элемента 3 с каустикой поля 4 не целесообразно из-за технологических трудностей его изготовления. Хладагент 5 находится в замкнутом объеме 6 и полностью омывает активный элемент 3.
Профиль конического активного элемента 3 можно рассчитать по каустике поля (Ищенко Е.Ф., Климков Ю.М. Оптические квантовые генераторы. М.: Сов. Радио, 1968 г.).
ТТЛ работает следующим образом. При возбуждении светом лазерного диода или газоразрядной лампой накачки среда, из которой изготовлен элемент 3, становится активной. Фотон, испущенный возбужденным атомом активной среды в направлении плоского зеркала 2, индуцирует другие фотоны, причем плотность мощности излучения по мере продвижения фотонов вдоль элемента 3 к плоскому зеркалу 2 за счет конусности поля возрастает. Нарастает и температура внутри элемента 3 по мере приближения к плоскому зеркалу 2. Но рост температуры компенсируется, т.к. увеличивается теплоотвод за счет приближения границы хладагента 5 к оси активного элемента 3, благодаря тому, что активный элемент 3 выполнен в виде усеченного конуса, вершина которого находится со стороны плоского зеркала 2 так, что боковая поверхность активного элемента 3 совпадает с боковой поверхностью модового объема поля резонатора. В итоге напряжения в материале активного элемента 3 уменьшаются, растет качество излучения и повышается его срок службы.
Твердотельный лазер, включающий резонатор со сферическим и плоским зеркалами и активный элемент, выполненный в виде усеченного конуса, вершина которого находится со стороны плоского зеркала, так, что боковая поверхность активного элемента совпадает с боковой поверхностью модового объема поля резонатора, а профиль активного элемента совпадает с каустикой поля.
