CS201658B1

CS201658B1 - Laser with slot exciting hollow

Info

Publication number: CS201658B1
Application number: CS84178A
Authority: CS
Inventors: Alois Sprachta
Original assignee: Alois Sprachta
Priority date: 1978-02-09
Filing date: 1978-02-09
Publication date: 1980-11-28

Description

Shora uvedené nedostatky buzení laserů jsou odstraněny provedením laserů a budicí dutinou podle vynálezu, jehož podstatou je to, že ve válcové dutině vytvořené segmenty je nanesena odrazná vrstva a těsně souose je uložen dřík z aktivního materiálu, který je na čelních plochách opatřen vnitřními zrcadly, na něž dosedají z vnější strany vnější zrcadla, zatímco mezi povrchem dříku a odraznou vrstvou je umístěna přizpůsobovací vrstva, přičemž dutinová odrazná vrstva je přerušena nejméně jednou vně vystupující radiální štěrbinou opatřenou odraznou vrstvou, v níž jsou umístěny čipy luminiscenčních diod a radiální štěrbiny jsou vyplněny přizpůsobovací hmotou.The above-mentioned drawbacks of the laser excitation are eliminated by the laser design and the excitation cavity according to the invention, which is characterized in that a reflective layer is applied in the cylindrical cavity formed segments and a shaft of active material provided with inner mirrors on the faces wherein an adaptation layer is disposed between the shaft surface and the reflective layer, the cavity reflective layer being interrupted by at least one outwardly extending radial slit provided with a reflective layer in which the luminescent diode chips are located and the radial slots are filled with the adaptive mass .

Konstrukce laseru podle vynálezu bude dále popsána podle výkresů, kde na obr. 1 je příčný řez sestavou laseru kolmý na optickou osu systému a na obr. 2 je podélný řez sestavou laseru. Na obou obr. je zobrazena jedna z možných konstrukcí laserů se štěrbinovou dutinou podle vynálezu, která je opatřena například třemi štěrbinami.The construction of the laser according to the invention will be further described with reference to the drawings, in which Fig. 1 is a cross-section of the laser assembly perpendicular to the optical axis of the system and Fig. 2 is a longitudinal section of the laser assembly. In both figures, one of the possible slot cavity laser designs according to the invention, which is provided, for example, with three slots, is shown.

Základní částí laseru je dřík 1 z aktivního materiálu, například z ytrito-hlinitého granátu s příměsí neodymu. Na čelní plochy, které jsou zabroušeny do tvaru optického rezonátoru, jsou napařena vnitřní zrcadla 2, která odráží světlo o pracovní frekvenci laseru. V případě, že materiál dříku je podle uvedeného příkladu, odráží světlo o frekvenci cca 1060 nm a propouští světlo o budicí frekvenci. Na vnitřní zrcadla 2 jsou napařena vnější zrcadla 3, která odráží světlo o budicí frekvenci laseru, v uvedeném případě například světlo o frekvenci cca 800 nm a propouští světlo o pracovní frekvenci. Takto upravený dřík 1 se zrcadly 2, 3 je uložen v dutině se štěrbinami, která je vytvořena ze segmentů 4 a z přívodních kontaktů 5 do tvaru patrného z obr. 1, 2. Tvar této dutiny je takový, že její plášť má tvar shodný s povrchem dříku 1 až na nutnou konstrukční mezeru, která je dána podmínkou vsunutelnosti dříku 1 do vzniklé dutiny.The basic part of the laser is a shank 1 of active material, for example a yttrium-aluminum garnet with an admixture of neodymium. On the front surfaces, which are ground in the shape of an optical resonator, the interior mirrors 2 are vaporized, which reflects light at the laser operating frequency. When the shank material is according to the example, it reflects light at a frequency of about 1060 nm and transmits light at an excitation frequency. On the interior mirrors 2, the exterior mirrors 3, which reflect light at the excitation frequency of the laser, in this case, for example, light at a frequency of about 800 nm, are vaporized and transmitted at the operating frequency. The stem 1, with its mirrors 2, 3, is arranged in a cavity with slits formed of segments 4 and inlet contacts 5 in the shape shown in FIGS. 1, 2. The shape of the cavity is such that its shell has a shape identical to the surface of the shaft 1 except for the necessary structural gap, which is determined by the condition of insertability of the shaft 1 into the resulting cavity.

Segmenty 4 jsou na plochách, které jsou ve styku s dříkem 1 opatřeny dutinovou odraznou vrstvou 6, například z kysličníku hořečnatého, zlata atd., která má za úkol zvýšit koeficient odrazu pro světlo odrážející se od stěn dutiny. V místech, která po sestavení tvoří štěrbinu, je na segmentech 4 nanesena štěrbinová odrazná vrstva 7, která je nanesena také na čelní plochu přívodních kontaktů 5, která je součástí štěrbiny. Štěrbinová odrazná vrstva 7 je vytvořena například napařením zlata. Na každý segment 4 je v místě štěrbiny připájen čip luminiscenční diody 8. Segment 4 tak tvoří jeden z přívodních kontaktů luminiscenční diody 8. Další přívodní kontakt tvoří kontaktový drátek 9, který je připájen jednak k luminiscenční diodě 8, jednak druhým koncem k přívodnímu kontaktu 5. Luminiscenční dioda 8 může být například z galiumaluminiumarsenidu se zářením v oblasti 800 nm. Každá ze štěrbin je vyplněná přizpůsobovací hmotou 10. Přizpůsobovací hmotu 10 mohou tvořit čiré epoxidové pryskyřice. V mezeře mezi stěnou dutiny a pláštěm dříku 1 je ještě uložena přizpůsobovací vrstva 11, buď kapalná, nebo tuhá, například z pryskyřice stejného typu jako u přizpůsobovací hmoty 10. Každý ze segmentů 4 je opatřen dírou na provlečení stabilizačního nosného tmu 12. Nosné trny 12 svírají pomocí matic 13, nosného oka 14 a nosného oka 15 s držákem všechny segmenty 4 a stabilizují jejich polohu tak, že segmenty 4 tvoří pracovní dutinu. Na všech styčných plochách vodivých součástí, a to segmentů 4, přívodních kontaktů 5, trnů 12, ok 14, 15 a matic 13 je nanesena izolační vrstva 16, například z elektricky izolujících laků atd. Vnější tvar segmentů 4 je potom přizpůsoben tak, aby segmenty 4 současně tvořily žebrovou strukturu vzduchového chladiče.The segments 4 are provided on surfaces which are in contact with the stem 1 with a cavity reflective layer 6, for example of magnesium oxide, gold, etc., which aims to increase the reflection coefficient for light reflecting off the walls of the cavity. A slot reflective layer 7 is applied on the segments 4 at the points which, when assembled, form a slit, which is also applied to the front surface of the feed contacts 5 which is part of the slit. The slit reflective layer 7 is formed, for example, by steaming gold. For each segment 4, a luminescent diode chip 8 is soldered at the slot. The segment 4 thus constitutes one of the lead contacts of the luminescent diode 8. The next lead comprises a contact wire 9, which is soldered to the luminescent diode 8 and the other end to lead contact 5. For example, the luminescent diode 8 may be of gallium aluminumarsenide with radiation in the region of 800 nm. Each of the slots is filled with an adjusting mass 10. The adjusting mass 10 may be clear epoxy resins. In the gap between the wall of the cavity and the sheath of the shank 1 there is also an adaptation layer 11, either liquid or solid, for example of resin of the same type as the adaptation mass 10. Each of the segments 4 is provided with a hole by means of the nuts 13, the supporting eye 14 and the supporting eye 15 with the holder, clamp all the segments 4 and stabilize their position so that the segments 4 form a working cavity. An insulating layer 16, for example of electrically insulating varnishes, is applied to all contact surfaces of the conductive parts, segments 4, feed contacts 5, pins 12, meshes 14, 15 and nuts 13, etc. The outer shape of the segments 4 is then adapted so that the segments 4 at the same time formed the fin structure of the air cooler.

Záření vycházející z čipu luminiscenční diody 8 vchází do přizpůsobovací hmoty 10, která má za úkol snížit ztráty vzniklé nepřizpůsobením indexů lomu materiálů luminiscenční diody 8 a dříku 1 aktivního materiálu a po odrazech od stěn pokrytých štěrbinovou odraznou vrstvou 7 vchází ze štěrbiny do vlastní dutiny přes přizpůsobovací vrstvu 11, která má za úkol vyplnit mezeru mezi stěnou a dříkem 1 tak, aby nevzniklo nepřizpůsobení indexů mezi stěnou a dříkem 1 na mezivrstvě do vnitřku dříku 1. Na cestě dříkem 1 je záření částečně absorbováno. Absorbce v dříku je žádoucí, protože způsobuje změnu koncentrací elektronů na pracovních hladinách laserů, a tím i celou funkci dříku 1 se zrcadly jako laseru. Po průchodu dříkem 1 záření se šíří některým z následujících způsobů: Za prvé znovu projde přizpůsobovací vrstvou 11 a odráží se od dutinové odrazné vrstvy 6 a v té se částečně utlumí, protože tato vrstva 6 nemá ideální odrazivost, projde znovu přizpůsobovací vrstvou 11 a vrátí se do dříku 1.The radiation emanating from the luminescent diode chip 8 enters the adaptive mass 10, which is intended to reduce the losses due to the non-conforming refractive indices of the luminescent diode 8 and the active material shank 1, and after reflections from the walls covered by the slit reflective layer the layer 11, which is intended to fill the gap between the wall and the shaft 1 so as not to cause the indexes between the wall and the shaft 1 not to conform to the interior of the shaft 1. On the way through the shaft 1 the radiation is partially absorbed. Absorption in the stem is desirable because it causes a change in electron concentrations at the working levels of the lasers and thus the entire function of the stem 1 with mirrors as a laser. After passing through the stem 1, the radiation propagates in any of the following ways: First, it passes again through the adaptation layer 11 and is reflected from the cavity reflective layer 6, and in this partially dims because this layer 6 does not have ideal reflectivity, passes the adaptation layer 11 and returns into the shaft 1.

Za druhé dopadne na zrcadlo 2, projde jím, protože zrcadlo 2 odráží záření o pracovní a ne budicí frekvenci, dopadne na zrcadlo 3, kde se odrazí, projde zrcadlem 2 a vrátí se zpět do dříku 1.Secondly, it hits the mirror 2, passes through it, because the mirror 2 reflects radiation at the operating and not the excitation frequency, hits the mirror 3 where it is reflected, passes through the mirror 2 and returns to the shaft 1.

Za třetí projde přizpůsobovací vrstvou 11 dostane se do přizpůsobovací hmoty 10, dopadne na stěnu štěrbiny opatřenou štěrbinovou odraznou vrstvou 7 a po několika odrazech se buď znovu vrátí do přizpůsobovací vrstvy 11 a dále do dříku 1, nebo je absorbováno čipem luminiscenční diody 8.Third, it passes through the adaptation layer 11 into the adaptation mass 10, falls on a slot wall provided with a slit reflective layer 7, and after several reflections either returns to the adaptation layer 11 and further into the shaft 1 or is absorbed by the luminescent diode chip 8.

Tento proces se opakuje tolikrát za sebou, dokud není záření zcela absorbováno.This process is repeated until the radiation is completely absorbed.

Část ploch ok 14 a 15 tvořících čelní stěny štěrbiny, ve které jsou umístěny čipy luminiscenčních diod 8 je také opatřena štěrbinovou odraznou vrstvou 7.The portion of the mesh surfaces 14 and 15 forming the front walls of the slot in which the luminescent diode chips 8 are located is also provided with a slit reflective layer 7.

Segmenty 4, protože jsou například z mědi, zároveň slouží jako chladiče pro jednotlivé čipy luminiscenčních diod 8. Konstrukce štěrbinové budicí dutiny s těsnou přizpůsobenou vazbou totiž zároveň umožňuje zkonstruovat - segmenty 4 jako relativně mohutné kompakt3 ní chladiče, které odvádějí teplo vznikající v čiipu luminiscenční diody 8 při procesu přeměny elektrické energie v energii záření o budicí frekvenci. Protože jsou segmenty 4 prostorově v těsném kontaktu s dříkem 1, jsou rovněž v kontaktu tepelném a způsobují jeho ochlazování. Má tedy popsané zařízení i tuto výhodu. Vzniklé teplo potom postupuje segmenty 4 k jejich povrchu, který může být chlazen vodou nebo jiným kapalným chladicím médiem. Podle obr. 1, 2 může být tvarován do žebrovité struktury, typické pro vzduchem chlazená zařízení. Rovněž oka 14 a 15, popřípadě trny 12 mohou být tvarovány jinak. Budicí dutina podle obr. 1 a 2 je potom skutečně uzavřena a téměř úplně vyplněna aktivním absorbčním prostředím. Má tedy i z teoretického hlediska maximální možnou účinnost, jsou-li dutinové odrazné vrstvy 6 difúzní. Tyto vrstvy však nemusí být pouze z materiálu, který odráží difúzně, ale i z materiálu, který odráží zrcadlově, jako například zlato. Změní se pouze rozložení hustoty budicí energie uvnitř dříku 1 a tím modová struktura vycházejícího záření. Tvar držáku může být přizpůsoben potřebám.The segments 4, for example of copper, also serve as coolers for the individual luminescent diode chips 8. The design of the slit excitation cavity with a tightly matched coupling also makes it possible to design the segments 4 as relatively powerful compact coolers that dissipate the heat generated in the luminescent diode chip. 8 in the process of converting electric energy into radiation energy of an excitation frequency. Since the segments 4 are spatially in close contact with the stem 1, they are also in thermal contact and cause it to cool. Thus, the device described also has this advantage. The heat generated then passes through the segments 4 to their surface, which may be cooled with water or other liquid coolant. Referring to Figures 1, 2, it may be formed into a fin structure typical of air-cooled devices. Also, the eyes 14 and 15 or the spindles 12 can be shaped differently. The excitation cavity of Figures 1 and 2 is then actually closed and almost completely filled with the active absorbent medium. Thus, it also has the maximum possible efficiency from the theoretical point of view if the cavity reflective layers 6 are diffuse. However, these layers need not only be a material that reflects diffusely, but also a material that reflects specularly, such as gold. Only the distribution of the excitation energy density within the stem 1 and thus the modal structure of the emitted radiation is changed. The shape of the holder can be adapted to the needs.

K tomu, aby se světlo které projde dříkem 1 dostalo zpět do dříku 1 skutečně stačí jen jeden odraz od stěny dutiny. Je-li průnik štěrbiny s pláštěm dutiny malý ve srovnání s celkovou plochou dutiny, je ta část záření, která se šíří třetím způsobem malá ve srovnání s oběma předchozími způsoby. Dutina je tedy účinná. Přizpůsobovací hmota 10 má potom za úkol jednak zvýšit vnější kvantovou účinnost samotných čipů luminiscenčních diod 8, protože má index lomu přizpůsobený indexu lomu diodových čipů a zároveň i indexu lomu čipu dříku 1, čímž je zaručen optimální přenos energie z diod do dříku 1.Indeed, only one reflection from the wall of the cavity is sufficient for the light that passes through the stem 1 to return to the stem 1. If the penetration of the slot with the cavity sheath is small compared to the total area of the cavity, the portion of radiation that propagates in the third way is small compared to the two previous methods. The cavity is therefore effective. The adjusting mass 10 then has the task of increasing the external quantum efficiency of the luminescent diode chips themselves 8, since it has a refractive index adapted to the refractive index of the diode chips and also the refractive index of the shaft of the shaft 1, thereby ensuring optimum energy transfer from the diodes to the shaft.

Claims

1. A tightly matched slit excitation cavity laser excited by luminescent diodes, characterized in that a reflective layer (6) is applied in the cylindrical cavity formed by the segments (4) and a shaft (1) of active material, which is provided on the front surfaces with internal mirrors (2), which abut against the outside mirrors (3), while an adaptation layer (11) is located between the surface of the shank (1) and the reflective layer (6), the cavity reflective layer (6) ) is interrupted by at least one outwardly extending radial slot provided with a reflective layer (7), in which the luminescent diode chips (8) are located and the radial slots are filled with an adjusting mass (10).

Laser according to claim 1, characterized in that the segments (4) are insulated from each other by an insulating layer (16).

Laser according to claim 1, characterized in that the contact contacts (5) are connected to the single pole of the luminescent diode (8) by means of a contact wire (9).