Осветитель твердотельного лазера

Осветитель твердотельного лазера

Реферат

 

Использование: изобретение относится к лазерной технике, в частности к осветителям твердотельных лазеров. Сущность: осветитель твердотельного лазера, содержащий отражатель с цилиндрическим или эллиптическим профилем, внутри которого расположены источник накачки, закрепленный на его торцах, и термопроводящая светопропускающая оболочка, окружающая активный элемент и амортизирующий слой, обладающий светопропусканием и теплопроводностью, размещенный в радиальном зазоре между оболочкой и активным элементом. Оболочка выполнена светопропускающей в диапазоне длин волн поглощения активного элемента, закреплена внутри отражателя на середине длины его внутренней поверхности, на длине не более двух диаметров ее поперечного сечения. Амортизирующий слой выполнен в виде компаунда. Активный элемент закреплен в оболочке при помощи резиноподобного уплотняющего состава, расположенного в краевых радиальных зазорах на концах оболочки. 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к осветителям твердотельных лазеров.

В твердотельных ОКГ в качестве источника накачки для получения инверсной населенности, в частности, могут применяться импульсные лампы и лампы непрерывного горения. Для повышения эффективности накачки лампу и активный элемент размецают в осветителе, представляющем собой, как правило, замкнутую оптическую систему, в которой излучаемая лампой световая энергия специальным отражателем направляется на активный элемент. Концентрация световой энергии осветителем осуществляется далеко не идеально. Наряду с неполным использованием энергии, поглощенной активным элементом, потери в осветителе являются одним из основных факторов, определяющих невысокий КПД твердотельных лазеров. Активные элементы - стержни твердотельных лазеров - малоэффективны и преобразуют только малую часть поглощенной ими энергии в лазерное излучение, а большая часть энергии преобразуется ими в тепловую. Из-за того, что эффективность большинства твердотельных лазерных стержней уменьшается с увеличением температуры, дополнительное тепло, производимое неэффективным использованием лазером энергии источника накачки, усиливает непроизводительную работу лазера. Для того чтобы уменьшить нагревание и связанные с ним проблемы неэффективности работы, тепло отводится специальной системой охлаждения активного элемента.

В ряде приборов предыдущего уровня техники используется распыление генерируемого тепла (диссипация). Например, активный элемент может быть охлажден потоком жидкости, циркулирующим вокруг него в теплообменнике. Вместо жидкости также может быть использован сжатый газ. Такая динамическая система охлаждения имеет много недостатков. В случае сжатого газа главная проблема состоит в высокой цене изоляции циркулирующего охлажденного газа, которая при этом способна пропускать свет источника накачки. Для жидкостных систем охлаждения основные проблемы связаны с невосстановимыми изменениями жидкости под воздействием излучения источника накачки и активного элемента.

Из-за этих недостатков были попытки охладить стержень посредством теплопроводности. Например, в осветителе по [1] активный элемент охлаждается посредством осажденного отражающего металлического слоя на одной стороне активного элемента, который припаян к теплоотводу. При этом способе охлаждения сильно искажаются оптические свойства активного элемента по двум основным причинам. Во-первых, поскольку активный элемент жестко прикреплен к теплопроводящей опоре, в них развиваются напряжения во время накачки и охлаждения, так как активный элемент изменяется в меньшей степени, чем опора, вследствие различия коэффициентов термического расширения материалов. Это неодинаковое расширение вызывает двойное лучепреломление. Во-вторых, активный элемент соприкасается с опорой не по всей длине, а только по своей периферии, что создает температурный градиент внутри активного элемента и вследствие этого неоднородное его охлаждение. В результате вносятся аберрации в выходное оптическое излучение лазера.

Известен осветитель лазера по [2], в котором накачка осуществляется с помощью ряда источников светового излучения, ими могут быть и лазерные диоды, которые расположены вдоль продольной оси активного элемента и создают излучение накачки, перпендикулярное этой оси. В аналоге используется составной активный элемент, состоящий из самого стержня и окружающей его оболочки, которая выполнена из базового материала активного элемента - иттрий алюминиевого граната, но без примесей неодима. Этот материал имеет почти тот же самый показатель преломления, что и материал активного элемента. Оболочка не влияет на излучение с длиной волны накачки и с длиной волны выходного излучения активного элемента (не поглощает и не усиливает). Диаметр оболочки большой, поэтому интенсивность выходного излучения лазера практически равна 0 на наружной ее поверхности.

Использование в осветителе по [2] составного активного элемента эффективно увеличивает поглощение энергии накачки в поперечном режиме, что позволяет существенно уменьшить требуемый диаметр стержня из активного материала при одновременном уменьшении пороговой величины его выходной мощности, так как у поверхности стержня коэффициент усиления максимальный, а к его центру он существенно уменьшается.

Описанное устройство обладает следующими недостатками: 1. В аналоге не описано крепление активного элемента - составного стержня - к отражателю. В случае обычного неконтактного крепления необходимо, чтобы стержень был длиннее отражателя, для того, чтобы закрепить его на концах. Это уменьшает эффективность накачки и ухудшает условия теплоотвода на концах стержня.

2. В аналоге представлена сложная конструкция активного элемента, требующая больших затрат при производстве, что экономически невыгодно.

В качестве прототипа выбран осветитель твердотельного лазера по [3], который содержит отражатель с цилиндрическим или эллиптическим профилем, внутри которого расположены источник накачки и активный элемент, окруженный светопропускающей термопроводящей оболочкой и амортизирующим слоем в виде геля, который помещен в радиальном зазоре между активным элементом и оболочкой.

Активный элемент и источник накачки закреплены на торцах. Тепло, вырабатываемое в стержне, отводится при помощи амортизирующего слоя. Гель находится в полужидком состоянии, и любые механические напряжения не передаются на активный элемент или оболочку, поскольку напряжения заставляют гель свободно расширяться и вытекать из открытых концов радиального зазора между активным элементом и оболочкой. Температурные напряжения также уменьшаются, так как гель равномерно отводит тепло от активного элемента к оболочке, которая передает его дальше к внешнему теплоотводу. Прототип обеспечивает теплопроводное охлаждение активного элемента, уменьшает двойное лучепреломление, вызванное механическими и термическими напряжениями, что дает возможность твердотельному лазеру генерировать пучок света с минимальными оптическими искажениями и хорошими коллимационными характеристиками.

Прототип обладает следующими недостатками: 1. Свободное вытекание полужидкого геля вследствие температурного расширения требует увеличения длины стержня активного элемента, который должен выходить за пределы торцов оболочки, что конструктивно необходимо для недопущения попадания геля на торцы активного элемента. Это снижает эффективность накачки и ухудшает условия теплоотвода на его концах.

2. Материал оболочки пропускает УФ часть излучения источника накачки к активному элементу, что существенно ухудшает его тепловой режим.

Задачей изобретения является обеспечение эффективной однородной передачи света источника накачки активному элементу как по его сечению, так и по его длине; при этом осуществить "мягкое" крепление активного элемента, не допускающее возникновения в нем значительных механических напряжений и одновременно обеспечивающее фиксированную ориентацию оси активного элемента; также обеспечить эффективный, не изменяющийся во времени симметричный теплоотвод от активного элемента.

Для решения поставленных задач предлагается осветитель твердотельного лазера, содержащий отражатель с цилиндрическим или эллиптическим профилем, внутри которого расположены источник накачки, закрепленный на его торцах, и термопроводящая светопропускающая оболочка, окружающая активный элемент и амортизирующий слой, обладающий светопропусканием и теплопроводностью, размещенный в радиальном зазоре между оболочкой и активным элементом. Изобретение отличается от прототипа тем, что оболочка выполнена светопропускающей в диапазоне длин волн поглощения активного элемента. Наружный диаметр оболочки не менее чем в n раз больше диаметра активного элемента, где n - коэффициент преломления материала оболочки. Радиальный зазор между активным элементом и оболочкой составляет не более 0,05 мм. Оболочка внутри отражателя закреплена посередине длины его внутренней боковой поверхности на длине не более двух диаметров ее поперечного сечения. Соединение оболочки внутри отражателя выполнено клеевым. Амортизирующий слой выполнен в виде компаунда. Активный элемент закреплен в оболочке при помощи резиноподобного уплотняющего состава, расположенного в краевых радиальных зазорах на концах оболочки. Амортизирующий слой имеет пористую структуру. Длины активного элемента, оболочки и отражателя выполнены равными.

Сущность изобретения: разработана конструкция оболочки для активного элемента, в которой предотвращена возможность вытекания компаунда из зазора при высоких (более 100^oC) температурах. Это позволяет рассчитывать на промышленное применение метода вклеивания активного элемента в оболочке при использовании компаунда. Кроме того, это позволяет выполнить равными длины активного элемента, оболочки и отражателя, что повышает эффективность накачки и улучшает условия теплоотвода по всей длине активного элемента. В изобретении предложено закрепление оболочки в середине ее длины по боковой внутренней стенке отражателя, что обеспечивает надежную фиксацию оболочки при отсутствии ее механических деформаций, несмотря на то что коэффициенты линейного температурного расширения оболочки и отражателя различны. Кроме того, такое крепление оболочки в отражателе обеспечивает более полное и равномерное по сравнению с прототипом освещение активного элемента по его длине. Материал оболочки не пропускает УФ часть излучения источника накачки к активному элементу, что существенно улучшает его тепловой режим. В конструкции используется компаунд в качестве амортизирующего слоя. Преимущества применения таких веществ в осветителях твердотельных лазеров описаны в [4].

Компаунд обладает значительно меньшей теплопроводностью, чем материалы активного элемента и окружающей его оболочки, следовательно, радиальный зазор, в котором размещается компаунд, должен быть минимальным. Такой размер зазора необходим также для обеспечения фиксированной ориентации оси активного элемента при "мягком" креплении его в оболочке. Требование к диаметру оболочки (не менее чем в n раз больше диаметра активного элемента, где n - коэффициент преломления материала оболочки) вызвано необходимостью концентрации излучения накачки на активном элементе. Радиус оболочки должен быть таким, чтобы луч, касательный к наружному цилиндру оболочки, после преломления стал касательным к наружной поверхности активного элемента.

На фиг. 1, 2 показан сборочный чертеж осветителя, общий вид.

Осветитель твердотельного лазера содержит отражатель 1, внутри которого расположены источник накачки 2 и термопроводящая светопропускающая оболочка 3, окружающая активный элемент 4. Амортизирующий слой 5 размещен в радиальном зазоре между оболочкой 3 и активным элементом 4. 6 - соединение оболочки 3 внутри отражателя 4 посередине длины его внутренней боковой поверхности. Резиноподобный уплотняющий состав 7, закрепляющий активный элемент 4 в оболочке, расположен в краевых радиальных зазорах на концах последней.

Отражатель 1 в предлагаемом устройстве сделан из стекла марки КУ-2. Источником накачки 2 служит цилиндрическая лампа ИНП 2 - 3/35. В качестве материала активного элемента 4 использовано активированное стекло типа ЛГС-Х2. Оболочка 3 сделана из стекла марки ЖС - 4. Амортизирующий слой 5 представляет собой иммерсионный светофильтр ИСС-9 (компаунд) [4]. Оболочка 3 закреплена в отражателе при помощи эпоксидного клея ОК-72 ФТ ГОСТ 14887-88. Активный элемент 4 закреплен в оболочке 3 при помощи резинового клея высокой очистки [4].

Лазерный осветитель работает аналогично [5].

Предлагается осветитель твердотельного лазера, обеспечивающий эффективную однородную передачу света лампы накачки активному элементу; "мягкое" крепление активного элемента, не допускающее возникновения в нем значительных механических напряжений и одновременно обеспечивающее фиксированную ориентацию оси активного элемента и эффективный, не изменяющийся во времени симметричный теплоотвод от активного элемента.

Источники информации 1. Патент США N 4210389.

2. Патент США N 4860295, кл. H 01 S 3/098, 1989.

3 . Патент PCT WO 86/01344, кл. H 01 S 3/093, 3/02, 1986 (прототип).

4. Электронная техника, сер. 11, 1985, N 5.

5. Белостоцкий Б. Р. Основы лазерной техники. Твердотельные ОКГ. - М.: Советское радио, 1972. с. 21 - 22.

Формула изобретения

1. Осветитель твердотельного лазера, содержащий отражатель с цилиндрическим или эллиптическим профилем, внутри которого расположены источник накачки, закрепленный на его торцах, и термопроводящая светопропускающая оболочка, окружающая активный элемент и амортизирующий слой, обладающий светопропусканием и теплопроводностью, размещенный в радиальном зазоре между оболочкой и активным элементом, отличающийся тем, что оболочка выполнена светопропускающей в диапазоне длин волн поглощения активного элемента, закреплена внутри отражателя на середине длины его внутренней поверхности, на длине не более двух диаметров ее поперечного сечения, амортизирующий слой выполнен в виде компаунда, а активный элемент закреплен в оболочке при помощи резиноподобного уплотняющего состава, расположенного в краевых радиальных зазорах на концах оболочки.

2. Осветитель по п.1, отличающийся тем, что наружный диаметр оболочки не менее чем в n раз больше диаметра активного элемента, где n - коэффициент преломления материала оболочки, а радиальный зазор между активным элементом и оболочкой составляет не более 0,05 мм.

3. Осветитель по п.1, отличающийся тем, что соединение оболочки внутри отражателя выполнено клеевым.

4. Осветитель по п.1, отличающийся тем, что амортизирующий слой имеет пористую структуру.

5. Осветитель по п.1, отличающийся тем, что длины активного элемента, оболочки и отражателя выполнены равными.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2