CS262776B1

CS262776B1 - Lowmode solid-matter laser

Info

Publication number: CS262776B1
Application number: CS873759A
Authority: CS
Inventors: Jiri Ing Drsc Kvapil; Eduard Ing Csc Milicka; Peter Ing Palkovic
Original assignee: Kvapil Jiri; Eduard Ing Csc Milicka; Peter Ing Palkovic
Priority date: 1987-05-25
Filing date: 1987-05-25
Publication date: 1989-04-14
Also published as: CS375987A1

Abstract

Riešenie sa týká nízkomódového tuholátkového laseru pre generáciu laserového žiarenia v relativné širokom výkonovom rozsahu. Podstatou riešenia je, že medzi týčou aktívneho materiálu a výbojkou, alebo vý bojkami, sú aspoň štyri optické rozhrania. Druhé optické rozbranie připadne aj tretie optické rozhrauie od povrchu tyče aktívneho materiálu tvoriaceho prvé optické rozIiranie má difúznu rozptylnosť 50 až 99 % prechádzajúceho světla a ostatně optické rozhrania majú difúznu rozptylnosť 7 až 30 pere. prechádzajúceho světla.The solution concerns low-fashion stiffening laser for laser radiation generation in a relatively wide power range. The essence of the solution is that between the tower of the active material and the discharge lamp; by booms, there are at least four optical interfaces. The second optical breakage is the third optical interface from the active bar surface of the first optical diffusion material has a diffuse dispersion of 50 to 99% passing light and, moreover, optical interfaces have a diffusion dispersion of 7 to 30 pen. passing light.

Description

Vynález sa týká nízkomódového tuholátkového lasera pre generáciu laserového žiarenia v relativné širokom výkonovom rozsahu.The invention relates to a low-mode solid state laser for generating laser radiation over a relatively wide power range.

Dosiahnutie emisie žiarenia v základnom móde alebo v nízkých priečnych módoch je velmi často nutnou podmienkou pre technologické aplikácie laserov alebo meracie účely. Takýmto sposobom pracujúce lasery podmieňujú minimálnu divergenciu laserového lúča, čo je výhodné pri jeho- spracovaní optickými sústavami, zaručujú jednoznačné definovánu stopu pri fokusácii a tým i vysokú mernú hustotu energie v mieste fokusácie.Achieving radiation emission in baseline mode or in low transverse modes is very often a prerequisite for laser technology applications or measurement purposes. In this way, the operating lasers condition a minimum laser beam divergence, which is advantageous in its processing by optical systems, guaranteeing a clearly defined trace during focusing and thus a high specific energy density at the focusing point.

Nízkomódová emisia žiarenia sa dosahuje spravidla vložením clony obmedzujúcej priemer laserového lúča do rezonátora, konvexným zrkadlom v rezonátore, připadne kombináciou s konkávnym zrkadlom tak, aby sa dosiahlo vyššieho využitia objemu aktívneho materiálu. Dalším predpokladom nízkomódovej činnosti lasera je vysoká optická homogenita všetkých optických prvkov rezonátora. Vo všetkých prípadoch je však možné dosiahnuť nízkomódový režim lasera len pri relativné nízkom čerpaní aktívneho materiálu a preto i výstupný výkon, resp. energie lasera sú nízké.Low-emission radiation emission is generally achieved by inserting an aperture limiting the diameter of the laser beam into the resonator, by a convex mirror in the resonator, or by combining it with a concave mirror to achieve a higher utilization of the volume of active material. Another precondition for the low-mode laser operation is the high optical homogeneity of all optical elements of the resonator. In all cases, however, the low-mode laser mode can only be achieved with a relatively low pumping of the active material and hence the output power, respectively. the energy of the laser is low.

Vyššie uvedený technický problém rieši nízkomódový tuholátkový laser čerpaný výbojkou alebo výbojkami, ktorého podstatou je, že medzi týčou aktívneho materiálu a výbojkou alebo výbojkami sú aspoň štyri optické rozhrania, pričom druhé, připadne aj tretie optické rozhranie od povrchu tyče aktívneho materiálu má difúznu rozptylnosť 50 až 99 % prechádzajúceho světla a ostatně rozhranie 7 až 30 % prechádzajúceho světla.The aforementioned technical problem is solved by a low-mode flashlight lamp pumped by having at least four optical interfaces between the active material rod and the lamp (s), the second or third optical interface from the surface of the active material rod having a diffusion dispersion of 50 to 50 99% of the transmitted light and, moreover, an interface of 7 to 30% of the transmitted light.

Nízkomódový tuholátkový laser podlá vynálezu umožňuje osvit tyče aktívneho materiálu svetlom difúzne rozptýleným na druhom případe aj treťom optickom rozhraní v blízkosti tyče a sústredenie Čerpacieho světla leštěným málo rozptylujúcim povrchem tyče aktívneho materiálu do jej osovej časti, čo je doležitou podmienkou pre generáciu jednomódového laserového žiarenia. Ak by žiadne optické rozhranie difúzne nerozptylovalo prechádzajúce čerpacie světlo, bolo by čerpanie tyče aktívneho materiálu vzhfadom k jej optickej osi nesúmerné a tým i možnost dosiahnutia jednomódového žiarenia lasera obmedzená. Nízkomódový tuholátkový laser podlá vynálezu představuje jednoduché zariadenie pře generáciu jednomódového laserového žiarenia v relativné širokom výkonovom rozsahu.The low-mode solid state laser of the present invention allows the active material rod to be illuminated by diffuse light scattering on the second and third optical interfaces near the rod and to concentrate the pumping light with the polished, low-dispersive active material rod surface in its axial portion. If no optical interface diffused the transmitted pumping light diffused, the pumping of the active material rod relative to its optical axis would be asymmetrical and hence the possibility of achieving single-mode laser radiation would be limited. The low-mode solid state laser of the present invention is a simple device for generating single-mode laser radiation over a relatively wide power range.

Na pripojenom výkrese je na obr. 1 znázorněný rez čerpacou dutinou tuholátkového lasera čerpaného jednou výbojkou, kde tyč aktívneho materiálu a výbojka sú uložené v skleněných rúrkach, ktorými prúdi chladiace médium, na obr. 2 je znázorněný rez čerpacou dutinou tuholátkového lasera čerpaného dvojicou výbojek, kde tyč aktívneho materiálu a výbojky sú uložené v otvorech skleněného bloku, ktorými prúdi chladiace médium, na obr. 3 je znázorněný rez čerpacou dutinou tuholátkového lasera čerpaného· jednou výbojkou, kde tyč aktívneho materiálu je uložená v sklenenej rúrke, ktorou prúdi chladiace médium,, výbojka je chladená prietokom chladiaceho média cez dutinu.In the attached drawing, FIG. 1 shows a section through a pumping cavity of a quartz laser pumped by a single lamp, wherein the active material rod and the lamp are embedded in glass tubes through which the coolant flows; FIG. 2 is a cross-sectional view of a pumping cavity of a quartz laser pumped by a pair of discharge lamps, wherein the active material rod and the discharge lamps are housed in the glass block openings through which the coolant flows; 3 is a cross-sectional view of a pumping cavity of a quartz laser pumped by a single lamp, wherein a rod of active material is housed in a glass tube through which the coolant flows, the lamp being cooled by the flow of coolant through the cavity.

................................

Příklad 1 (obr. 1)Example 1 (Fig. 1)

Tuholátkový laser bol zostavený z tyče 7 ytritohlinltého granátu aktivovaného neodýmom s priemerom 4 mm, dížkou 65 mm s brúseným povrchom tvoriacim prvé optické rozhranie 1, umiestnenej rovnoběžně s kryptonovou výbojkou 8 v ohniskových osiach pozláteného reflektora tvaru eliptického valca. Výbojka 8 a tyč 7 aktívneho materiálu boli chladené vodou, ktorá přetéká skleněnými rúrkami s lesklým vonkajším i vnútorným povrchom, v ktorých boli výbojka 8 a tyč 7 umiestnené. Vnútorný povrch sklenenej rúrky obklopujúcej tyč 7 aktívneho materiálu vytvára druhé optické rozhranie 2, vonkajší povrch tejto rúrky tvoří tretie optické rozhranie 3. Vnútorný a vonkajší povrch sklenenej rúrky obklopujúcej výbojku vytvárajú v tomto· případe piate optické rozhranie 5 a šieste optické rozhranie 6. Povrch výbojky vytvára štvrté optické rozhranie 4. Zrkadlá rezonátora s odrazivosťou 99,9 % a 88 % pre vlnovú dlžku 1 064 mm boli vzájomne vzdialené 850 mm. Pri čerpacom příkone 2,8 kW bol dosiahnutý multimódový výkon lasera 32 W. Po vložení clony priemeru 2 mm do rezonátora vo vzdialenosti 260 mm od tyče 7 aktívneho materiálu v smere k výstupnému 88 % zrkadlu klesol výstupný výkon lasera na 4 W, ale emitované žiarenie bolo jednomódové. Vyleštěním valcovej plochy tyče 7 aktívneho materiálu tvoriacej prvé optické rozhranie 1 sa sice zvýšil výstupný výkon lasera na 6 W, ale akékofvek zvačšenie priemeru clony málo za následok multimódové vyžarovanie lasera. Po prebrúsení vnútorného povrchu steny sklenenej rúrky tvoriaceho druhé optické rozhranie 2, v ktorej bola umiestnená tyč 7 aktívneho materiálu s leštěným povrchom, bolo možné zvačšit priemer clony na 3 mm, čím stúpol výstupný výkon lasera na 9 W, pričom emitované žiarenie lasera málo stále jednomódový charakter.The solid-state laser was assembled from a 4 mm diameter neodymium-activated yttrium-aluminum garnet rod 7 with a length of 65 mm with a ground surface forming the first optical interface 1, positioned parallel to the krypton lamp 8 in the focal axis of the gold-plated elliptical reflector. The lamp 8 and the rod 7 of the active material were cooled with water, which overflows the glass tubes with shiny outer and inner surfaces in which the lamp 8 and the rod 7 were placed. The inner surface of the glass tube surrounding the rod 7 of the active material forms the second optical interface 2, the outer surface of the tube forming the third optical interface 3. The inner and outer surfaces of the glass tube surrounding the lamp form the fifth optical interface 5 and the sixth optical interface 6. forms a fourth optical interface 4. Resonator mirrors with a reflectance of 99.9% and 88% for a wavelength of 1,064 mm were spaced 850 mm apart. At a pumping power of 2.8 kW, a multimode laser power of 32 W was achieved. After inserting a 2 mm diaphragm into the resonator at 260 mm from the active material rod 7 towards the 88% output mirror, the laser output power dropped to 4 W, but emitted was one-mode. By polishing the cylindrical surface of the rod 7 of the active material constituting the first optical interface 1, the laser output power has increased to 6 W, but any increase in the aperture diameter has little effect on the multimode radiation of the laser. After sanding the inner surface of the glass tube wall forming the second optical interface 2, in which the rod 7 of the active material with the polished surface was placed, it was possible to increase the aperture diameter to 3 mm, increasing the laser output power to 9 watts. character.

Meraním rozptylu světla prechádzajúceho optickými rozhraniami nachádzajúcimi sa v zostave lasera bolo zistené, že všetky lesklé povrchy difúzne rozptyfujú menej ako 7 % a všetky brúsené povrchy viacej ako 90 % světla.By measuring light scattering through the optical interfaces found in the laser assembly, it was found that all shiny surfaces diffuse less than 7% and all ground surfaces more than 90% of light.

Příklad 2 (obr. 2)Example 2 (Fig. 2)

Laser pre vřtanie otvorov malého prieme262 ru do tvrdých kovových materiálov bol zostavený z reflektora tvořeného skleným blokom válcového tvaru o priemere 35 mm, v ose ktorého bol válcový otvor o priemere 7 mm pre tyč 7 aktívneho materiálu z ytritohlinitého perovskitu aktivovaného neodýmom. Priemer tyče 7 bol 5 mm, dížka 75 milimetrov, válcový povrch tyče 7 tvoriaci prvé optické rozhranie 1 bol brúsený, čo umožňovalo dokonalý difúzny rozptyl světla. Ďalšie rovnako velké otvory k uloženiu čerpacích výbojok 8 o priemere 5 mm boli vytvořené súmerne k otvoru pre uloženie aktívnych materiálov. Povrch otvoru, v ktorom je uložená výbojka, vytvára druhé optické rozhranie 2. Povrch otvorov, v ktorých sú uložené výbojky, vytvára optické rozhranie 3. Povrch výbojky tvoří štvrté optické rozhranie 4. Povrchy všetkých troch otvorov, rovnako ako vonkajší povrch válcového bloku boli leštené, vonkajší povrch bloku bol pokrytý vrstvou oxidu horečnatého (MgO) získaného¹ tepelným rozkladom vysoko čištěného uhličitanu horečnatého (MgCO3). Celá tyče 7 aktívneho materiálu boli opatřené antireflexnými vrstvami, zr7-6 kudlá rezonátoru o d žke 500 mm malí odrazivosť 99,0 % a 40 % a to vo všetkých prípadoch pře vlnovú dížku 1 079,6 mm. Výstupné žiarenie lasera bolo fokusované spojnou šošovkou o ohniskovéj vzdialenosti 70 mm. Takto zostavené zariadenie umožňovalo jedným impulzúfti lasera prevřtať skúšobný volfrámový. $e,ch o hrúbke 0,8 milimeťřa ,pri energii Čerpacieho impulzu 35 J. V případe, že válcový povrch tyče 7 aktívneho materiálu bol upravený tak, že vykazoval len 20 % difúzneho rozptylu čerpacíeho světla poklesla minimálna čerpacia 'énergia potřebná k prevřtaniu skúšobného plechu na 31 J. Po úpravě povrchu válcového otvoru tvoriaceho druhé optické rozhranie 2 v sklenom bloku, v ktorom je uložená tyč 7 aktívneho materiálu tak, že difúzny rozptyl čerpacieho světla stúpol z povodných 5 % na 75 °/o, poklesla potřebná čerpacia energia k prevřtaniu skúšobného plechu na 23 J napriek tomu, že výstupná energia lasera poklesla o 22 % a to z dovodu zníženia módovej štruktúry výstupného laserového žiarenia.The laser for drilling small diameter holes into hard metal materials was assembled from a reflector consisting of a 35 mm diameter cylindrical glass block in the axis of which was a 7 mm cylindrical hole for the rod 7 of the neodymium-activated yttrium-aluminum perovskite active material. The diameter of the rod 7 was 5 mm, the length was 75 millimeters, the cylindrical surface of the rod 7 constituting the first optical interface 1 was ground, allowing perfect diffuse light scattering. Other equally large holes for accommodating 5 mm diameter discharge lamps 8 were provided symmetrically with the active material receiving hole. The surface of the aperture in which the lamp is located creates a second optical interface 2. The surface of the apertures in which the lamps are placed creates an optical interface 3. The surface of the lamp is a fourth optical interface 4. The surfaces of all three apertures as well as the outer surface of the cylinder block have been polished , the outer surface of the block was covered with a layer of magnesium oxide (MgO) obtained by ¹ thermal decomposition of highly purified magnesium carbonate (MgCO3). The whole rods 7 of the active material were provided with antireflective layers, from 7-6 resonator cones from 500 mm, low reflectance 99.0% and 40% and in all cases over a wavelength of 1079.6 mm. The laser output was focused with a 70 mm focal lens. The assembled device made it possible to drill a test tungsten with one pulse of the laser. In the case where the cylindrical surface of the active material rod 7 was modified to show only 20% of the diffuse dispersion of the pumping light, the minimum pumping energy required to drill through the test pore dropped. After adjusting the surface of the cylindrical opening forming the second optical interface 2 in the glass block in which the rod 7 of the active material is deposited so that the diffusion dispersion of the pumping light increased from the flood 5% to 75 ° / o, the required pumping energy decreased. re-drilling the test plate to 23 J even though the laser output energy decreased by 22% due to a decrease in the fashion structure of the output laser radiation.

Claims

SUBJECT

A low-mode quartz laser pumped by a lamp (s), characterized in that there are at least four optical interfaces (1, 2, 3, 4) between the active material rod (7) and the lamp (s) (8), the second optical interface (s) ( 2) there is also a third optical interface (3) from surface ^2;

BACKGROUND OF THE INVENTION The taste of the rod (7) of the active material constituting the first optical interface (1) has a diffuse scattering of 50 to 99% transmitted light and, moreover, the optical interfaces have a diffuse scattering of 7 to 30% transmitted light.