[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

RU2664761C1 - Активный элемент твёрдотельного лазера и способ его охлаждения - Google Patents

Активный элемент твёрдотельного лазера и способ его охлаждения Download PDF

Info

Publication number
RU2664761C1
RU2664761C1 RU2017127013A RU2017127013A RU2664761C1 RU 2664761 C1 RU2664761 C1 RU 2664761C1 RU 2017127013 A RU2017127013 A RU 2017127013A RU 2017127013 A RU2017127013 A RU 2017127013A RU 2664761 C1 RU2664761 C1 RU 2664761C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
active element
walled cylinder
hollow thin
pump diodes
element according
Prior art date
Application number
RU2017127013A
Other languages
English (en)
Inventor
Тимофей Тимофеевич Кондратенко
Александр Николаевич Стародуб
Виктор Николаевич Пузырёв
Павел Валерьевич Максимов
Артём Тигранович Саакян
Мария Николаевна Дмитриева
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, (ФГБУН ФИАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, (ФГБУН ФИАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, (ФГБУН ФИАН)
Priority to RU2017127013A priority Critical patent/RU2664761C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2664761C1 publication Critical patent/RU2664761C1/ru

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06Construction or shape of active medium
    • H01S3/0602Crystal lasers or glass lasers
    • H01S3/0608Laser crystal with a hole, e.g. a hole or bore for housing a flashlamp or a mirror
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06Construction or shape of active medium
    • H01S3/0602Crystal lasers or glass lasers
    • H01S3/061Crystal lasers or glass lasers with elliptical or circular cross-section and elongated shape, e.g. rod

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

Изобретение относится к лазерной технике. Активный элемент твердотельного лазера выполнен из прозрачного материала в виде полого тонкостенного цилиндра, высота которого много меньше его внутреннего и внешнего диаметров. Толщина стенки упомянутого полого тонкостенного цилиндра выбрана с учетом теплопроводности упомянутого прозрачного материала для гарантированного подавления термоупругих напряжений и критических значений градиента температуры. По внешней и внутренней поверхностям упомянутого полого тонкостенного цилиндра вдоль его образующих расположены линейки диодов накачки под углом к плоскости, касательной к поверхности упомянутого полого тонкостенного цилиндра в точке касания, с заданным шагом. Технический результат заключается в повышении эффективности использования импульса накачки, подавлении термоупругих напряжений и повышении частности при работе лазера. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится в общем к лазерной технике, а конкретно - к активному элементу твердотельного лазера и к способу охлаждения такого активного элемента.
Уровень техники
В настоящее время разрабатываются и исследуются конструкции лазеров на основе неодимового стекла для термоядерного синтеза и других областей применения с целью повышения эффективности использования импульса накачки; подавления термоупругих напряжений, возникающих в активном элементе; повышения частотности при работе лазера.
Известен твердотельный лазер с поперечной накачкой линейками лазерных диодов, размещенных параллельно длине активного элемента (патент РФ №2315404, опубл. 20.01.2008). При таком размещении линеек лазерных диодов невозможно добиться равномерного облучения активного элемента.
Известен также трубчатый твердотельный лазер (патент РФ №2407121, опубл. 20.12.2010; выдан на основании международной заявки WO 2006/110289, по которой выдан также патент США №7243030). Активный элемент этого лазера собран из нескольких отдельных активных элементов, имеющих в подложке микроканалы для охлаждения. Данная конструкция получается весьма сложной.
На Фиг. 1 показана конструкция твердотельного лазера, выбранная в качестве ближайшего аналога, в которой активный элемент состоит из нескольких дисков из неодимового стекла, либо индий-гадолиниевого или индий-алюминиевого граната, толщина которых не превышает 1 мм, а диаметр может составлять 100-200 мм, закрепленных на массивных медных пластинах-теплоотводах (А. Алеканавичюс и др., Квант, электрон., 2011, том 41, №7, стр. 590-594). На Фиг. 1 обозначено: 11 - массивные медные охлаждаемые теплоотводы, 12 - тонкие диски из активного вещества, 13 - поток излучения накачки, 14 - поток когерентного излучения.
В этой конструкции должны быть соблюдены высокие требования к параллельности двух независимых массивных металлических теплоотводов 11, что требует дополнительной системы механического крепления, требующей к тому же отдельной системы охлаждения массивных медных теплоотводов 11. Кроме того, диски 12 на теплоотводах 11 охлаждаются только с одной стороны, что вызывает образование градиента температуры по их толщине. Отклонения в геометрических размерах дисков 12 приводят к ухудшению качества пучка 14 излучения. Плотность пучка 13 накачки неравномерно распределяется по объему каждого диска 12, т.к. первые по очереди облучения диски 12 (левые на Фиг. 1) поглощают часть энергии накачки и работают в ином тепловом режиме по отношению к последующим дискам 12. Наконец, неравномерное распределение импульса накачки по площади тонкого диска 12 имеет следствием прогрев срединной части диска 12 и захолаживание его краев, что при превышении определенного уровня удельной мощности накачки должно вызывать термоупругие напряжения в дисках 12, отрицательно сказывающиеся на качестве генерируемого пучка когерентного излучения.
Раскрытие изобретения
Целью данного изобретения является создание активного твердотельного элемента и способа его охлаждения, которые обеспечили бы повышение эффективности использования импульса накачки, подавление возникающих в активном элементе термоупругих напряжений и повышение частотности при работе лазера.
Для решения этой задачи и достижения указанного технического результата в первом объекте данного изобретения предложен активный элемент твердотельного лазера, выполненный из прозрачного материала в виде полого тонкостенного цилиндра, высота которого много меньше его внутреннего и внешнего диаметров, причем толщина стенки полого тонкостенного цилиндра выбрана с учетом теплопроводности прозрачного материала для гарантированного подавления термоупругих напряжений и критических значений градиента температуры, при этом по внешней и внутренней поверхностям полого тонкостенного цилиндра вдоль его образующих расположены линейки диодов накачки под углом к плоскости, касательной к поверхности полого тонкостенного цилиндра в точке касания, с заданным шагом.
Особенность активного элемента по первому объекту данного изобретения состоит в том, что в качестве прозрачного материала может быть выбран материал из группы, включающей неодимовое стекло, иттрий-алюминиевый гранат и лазерную керамику.
Другая особенность активного элемента по первому объекту данного изобретения состоит в том, что диодные линейки могут быть расположены по внутренней поверхности полого тонкостенного цилиндра напротив середины расстояния между диодными линейками, расположенными по внешней поверхности полого тонкостенного цилиндра.
Еще одна особенность активного элемента по первому объекту данного изобретения состоит в том, что излучающие поверхности диодных линеек, расположенных на внутренней и внешней поверхностях полого тонкостенного цилиндра, могут быть направлены навстречу друг другу.
Еще одна особенность активного элемента по первому объекту данного изобретения состоит в том, что промежутки внутренней и внешней поверхностей полого тонкостенного цилиндра между диодными линейками могут быть покрыты светоотражательной пленкой.
При этом светоотражательная пленка может быть выполнена из металла, выбранного из группы, включающей серебро, алюминий и золото.
Для решения той же задачи и достижения того же технического результата во втором объекте данного изобретения предложен способ охлаждения активного элемента по первому объекту данного изобретения, в котором для охлаждения активного элемента используют охлаждающий агент, одновременно подаваемый на внутреннюю и внешнюю поверхности полого тонкостенного цилиндра с размещенными на них диодными линейками.
Особенность способа по второму объекту данного изобретения состоит в том, что в качестве охлаждающего агента могут использовать легкокипящую жидкость.
Краткое описание чертежей
Данное изобретение поясняется чертежами, на которых одинаковые элементы обозначены одними и теми же ссылочными позициями.
На Фиг. 1 показана конструкция известного твердотельного лазера.
На Фиг. 2 показан в поперечном разрезе активный элемент твердотельного лазера по первому объекту данного изобретения.
На Фиг. 3 показан внешний вид активного элемента твердотельного лазера по Фиг. 2 (с растянутым масштабом по продольной оси).
Подробное описание изобретения
Активный элемент твердотельного лазера по настоящему изобретению показан на Фиг. 2 и 3.
На Фиг. 2 ссылочной позицией 1 обозначен сам активный элемент выполненный из активного материала в виде полого тонкостенного цилиндра, высота которого много меньше его внутреннего и внешнего диаметров. В качестве прозрачного материала может быть выбран материал из группы, включающей неодимовое стекло, иттрий-алюминиевый гранат, индий-гадолиниевый гранат и лазерную керамику.
Все эти и другие возможные активные материалы известны специалистам в качестве материалов, из которых могут изготавливаться активные элементы твердотельных лазеров.
Толщина стенки полого тонкостенного цилиндра 1 выбрана с учетом теплопроводности прозрачного материала, из которого этот цилиндр 1 изготовлен, для гарантированного подавления термоупругих напряжений и критических значений градиента температуры в стенках цилиндра 1.
Как видно на Фиг. 2, по внешней и внутренней поверхностям полого тонкостенного цилиндра 1 вдоль его образующих (т.е. поперек плоскости чертежа) расположены линейки 2 и 3 диодов накачки под углом α к плоскости, касательной к соответствующей поверхности полого тонкостенного цилиндра 1 в точке касания. Шаг между соседними линейками 2 и 3 диодов накачки может быть выбран из конструктивных соображений, к примеру, для размещения требуемого числа линеек 2 или 3 диодов накачки по соответствующей поверхности полого тонкостенного цилиндра 1.
Предпочтительно - хотя и не обязательно - чтобы линейки 3 диодов накачки, расположенные по внутренней поверхности полого тонкостенного цилиндра 1, находились напротив середины расстояния между линейками 2 диодов накачки, расположенными по внешней поверхности полого тонкостенного цилиндра 1.
Предпочтительно также, чтобы излучающие поверхности линеек 2 и 3 диодов накачки, расположенных на внутренней и внешней поверхностях полого тонкостенного цилиндра 1, были направлены навстречу друг другу,как показано на Фиг. 2 (т.е. чтобы «зубцы», получающиеся из линеек 2 и 3 диодов накачки на внутренней и внешней поверхностях полого тонкостенного цилиндра 1, смотрели в противоположные стороны).
На Фиг. 2 показан предпочтительный вариант осуществления активного элемента твердотельного лазера, в котором промежутки внутренней и внешней поверхностей полого тонкостенного цилиндра 1 между линейками 2 и 3 диодов накачки покрыты светоотражательной пленкой, обозначенной ссылочными позициями 4 (на внешней поверхности) и 5 (на внутренней поверхности). Указанная светоотражательная пленка может быть выполнена из металла, выбранного из группы, включающей серебро, алюминий и золото. Кроме того, на Фиг. 2 ссылочными позициями 6 и 7 обозначены отражатели излучения линеек 2 и 3, соответственно. На Фиг. 2 ломаными линиями 8 и 9 показаны траектории движения лучей, соответственно, от линейки 2 диодов накачки, расположенной на внешней поверхности активного элемента, и от линейки 3 диодов накачки, расположенной на его внутренней поверхности.
На Фиг. 3 показан внешний вид активного элемента твердотельного лазера по Фиг. 2. Следует иметь в виду, что для наглядности размеры по продольной оси (оси симметрии тонкостенного цилиндра 1) сильно увеличены. На Фиг. 3 ссылочная позиция 10 обозначает направление света от активного элемента, излучение которого имеет форму кольца, показанного пунктирными линиями.
Конструкция активного элемента твердотельного лазера по данному изобретению позволяет повысить эффективность использования импульса накачки, поскольку излучение линеек 2 и 3 диодов накачки распространяется в объеме цилиндрического элемента, и этот объем может быть дополнительно ограничен светоотражательными пленками 4 и 5. Кроме того, такая конструкция позволяет увеличить рабочий объем активного элемента за счет увеличения внутреннего и внешнего радиуса полого тонкостенного цилиндра 1 при постоянной толщине его стенки и высоте (или длине).
Тонкая стенка активного элемента, толщина которой много меньше внешнего и внутреннего диаметров полого тонкостенного цилиндра 1, обеспечивает такие параметры потока генерируемого излучения как: минимально возможная разница в интенсивности по толщине этой стенки, благодаря чему подавляются возникающие в активном элементе термоупругие напряжения; минимально возможная разница в частотах генерируемых мод; большее число импульсов (особенно мощных) в единицу времени, генерируемых без изменений параметров излучения в импульсе, за счет более равномерного нагрева активного элемента, что соответствует повышению частотности; минимально возможная расходимость потока, излучаемого твердотельным лазером (при соответствующем резонаторе).
Сверх того, данная конструкция дает возможность реализовать способ охлаждения такого активного элемента, когда для его охлаждения используют охлаждающий агент, одновременно подаваемый как на внутреннюю, так и на внешнюю поверхности полого тонкостенного цилиндра 1 с размещенными на этих поверхностях линейками 2 и 3 диодов накачки. При этом в качестве охлаждающего агента предпочтительно использовать легкокипящую жидкость, например, эфир, имеющий температуру кипения 60°. Однако в качестве охлаждающего агента можно использовать и обычную воду, и даже керосин.

Claims (8)

1. Активный элемент твердотельного лазера, выполненный из прозрачного материала в виде полого тонкостенного цилиндра, высота которого много меньше его внутреннего и внешнего диаметров, причем толщина стенки упомянутого полого тонкостенного цилиндра выбрана с учетом теплопроводности упомянутого прозрачного материала для гарантированного подавления термоупругих напряжений и критических значений градиента температуры, при этом по внешней и внутренней поверхностям упомянутого полого тонкостенного цилиндра вдоль его образующих расположены линейки диодов накачки под углом к плоскости, касательной к поверхности упомянутого полого тонкостенного цилиндра в точке касания, с заданным шагом.
2. Активный элемент по п. 1, в котором в качестве упомянутого прозрачного материала выбран материал из группы, включающей неодимовое стекло, иттрий-алюминиевый гранат, индий-гадолиниевый гранат и лазерную керамику.
3. Активный элемент по п. 1, в котором упомянутые линейки диодов накачки расположены по внутренней поверхности упомянутого полого тонкостенного цилиндра напротив середины расстояния между линейками диодов накачки, расположенными по внешней поверхности упомянутого полого тонкостенного цилиндра.
4. Активный элемент по любому из пп. 1-3, в котором излучающие поверхности упомянутых линеек диодов накачки, расположенных на внутренней и внешней поверхностях упомянутого полого тонкостенного цилиндра, направлены навстречу друг другу.
5. Активный элемент по п. 4, в котором промежутки упомянутых внутренней и внешней поверхностей упомянутого полого тонкостенного цилиндра между упомянутыми линейками диодов накачки покрыты светоотражательной пленкой.
6. Активный элемент по п. 5, в котором упомянутая светоотражательная пленка выполнена из металла, выбранного из группы, включающей серебро, алюминий и золото.
7. Способ охлаждения активного элемента по п. 1, в котором для охлаждения упомянутого активного элемента используют охлаждающий агент, одновременно подаваемый на упомянутые внутреннюю и внешнюю поверхности упомянутого полого тонкостенного цилиндра с размещенными на них упомянутыми линейками диодов накачки.
8. Способ по п. 7, в котором в качестве упомянутого охлаждающего агента используют легкокипящую жидкость.
RU2017127013A 2017-07-27 2017-07-27 Активный элемент твёрдотельного лазера и способ его охлаждения RU2664761C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017127013A RU2664761C1 (ru) 2017-07-27 2017-07-27 Активный элемент твёрдотельного лазера и способ его охлаждения

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017127013A RU2664761C1 (ru) 2017-07-27 2017-07-27 Активный элемент твёрдотельного лазера и способ его охлаждения

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2664761C1 true RU2664761C1 (ru) 2018-08-22

Family

ID=63286791

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017127013A RU2664761C1 (ru) 2017-07-27 2017-07-27 Активный элемент твёрдотельного лазера и способ его охлаждения

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2664761C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2696944C1 (ru) * 2018-10-09 2019-08-07 Публичное акционерное общество "ОДК-Уфимское моторостроительное производственное объединение" (ПАО "ОДК-УМПО") Кольцевой объёмный оптический резонатор

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4751716A (en) * 1986-05-01 1988-06-14 Amada Engineering & Service Co., Inc. Hollow cylindrical solid state laser medium and a laser system using the medium
SU1141964A1 (ru) * 1983-03-31 1994-04-30 Институт высоких температур АН СССР Лазер (его варианты)
US5708675A (en) * 1995-02-08 1998-01-13 Litton Systems, Inc. Laser apparatus
RU2407121C2 (ru) * 2005-04-07 2010-12-20 Те Боинг Компани Трубчатый твердотельный лазер
US8432943B2 (en) * 2007-02-22 2013-04-30 The Boeing Company Monolithic fiber laser beam combiner

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1141964A1 (ru) * 1983-03-31 1994-04-30 Институт высоких температур АН СССР Лазер (его варианты)
US4751716A (en) * 1986-05-01 1988-06-14 Amada Engineering & Service Co., Inc. Hollow cylindrical solid state laser medium and a laser system using the medium
US5708675A (en) * 1995-02-08 1998-01-13 Litton Systems, Inc. Laser apparatus
RU2407121C2 (ru) * 2005-04-07 2010-12-20 Те Боинг Компани Трубчатый твердотельный лазер
US8432943B2 (en) * 2007-02-22 2013-04-30 The Boeing Company Monolithic fiber laser beam combiner

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2696944C1 (ru) * 2018-10-09 2019-08-07 Публичное акционерное общество "ОДК-Уфимское моторостроительное производственное объединение" (ПАО "ОДК-УМПО") Кольцевой объёмный оптический резонатор

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5033058A (en) Rod laser with optical pumping from a source having a narrow emitting area
US4969155A (en) Integrating laser diode pumped laser apparatus
JP3065937B2 (ja) 光学的にポンプされた固体レーザヘッド
JP7037731B2 (ja) フォノンバンド端発光に基づく全固体大出力スラブレーザ
JP5146436B2 (ja) レーザ光吸収装置及びその固体レーザ装置
RU2200361C2 (ru) Модуль твердотельного пластинчатого лазера с диодной накачкой
US9640935B2 (en) Radially polarized thin disk laser
RU2664761C1 (ru) Активный элемент твёрдотельного лазера и способ его охлаждения
IL124368A (en) Solid state lasers
US9806484B2 (en) Radial polarization thin-disk laser
JPH1187816A (ja) Ld励起固体レーザ発振装置
KR20130141692A (ko) 고체 레이저 장치
CN101179175A (zh) 具有高峰值功率激光二极管泵浦固体激光器
Koshel et al. Non-edge-ray design: improved optical pumping of lasers
RU2654303C2 (ru) Твердотельный лазерный прибор с оптической накачкой с саморегулирующейся оптикой накачки и улучшенным усилением
Apollonov High power disk lasers: advantages and prospects
Glukhikh et al. Powerful solid-state transversely diode-pumped YAG: Nd lasers with improved radiation quality
CN103414095B (zh) 一种用于固体激光器的聚光腔
CN108598852B (zh) 一种片状增益介质包边法向热梯度的平衡方法
Yao et al. An Ho: YAG laser with double-pass pumping and the ZnGeP 2 OPO pumped by the Ho: YAG laser
JP2010161304A (ja) レーザ発振装置
KR101327521B1 (ko) 단면 여기 레이저 다이오드용 고체 레이저의 펌핑 장치
CN114865447B (zh) 一种激光二极管阵列射流冷却2μm激光侧泵模块及使用方法
JP7341673B2 (ja) レーザ装置
RU2382458C1 (ru) Компактный твердотельный лазер с продольной полупроводниковой накачкой

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200728