RU113082U1

RU113082U1 - MINIATURE SOLID LASER WITH DIODE PUMPING

Info

Publication number: RU113082U1
Application number: RU2011133595/28U
Authority: RU
Inventors: Валентин Вениаминович Батюшков; Ирина Владимировна Васильева; Сергей Константинович Векшин; Виктор Эдвардович Кисель; Николай Васильевич Кулешов; Сергей Владимирович Курильчик; Александр Иванович Немененок; Анатолий Михайлович Тареев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Пеленг"; Белорусский Национальный Технический Университет
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2011-08-10
Publication date: 2012-01-27
Also published as: RU113082U8

Abstract

1. Миниатюрный твердотельный лазер, содержащий лазерный диод накачки с волоконным выходом и последовательно установленные за выходным торцом волокна объектив, обеспечивающий фокусировку излучения накачки, и активный элемент с резонатором, выполненный в виде диска, плоские торцы которого перпендикулярны оптической оси объектива, входное и выходное зеркала резонатора выполнены в виде отражающих диэлектрических покрытий непосредственно на плоских торцах активного элемента, при этом на входном торце нанесено покрытие, полностью отражающее на длине волны генерации и полностью пропускающее на длине волны накачки, а на выходном торце - полностью отражающее на длине волны накачки для второго прохода и частично пропускающее на длине волны генерации, отличающийся тем, что объектив выполнен в виде одиночной короткофокусной линзы, активный элемент установлен с поперечным смещением относительно оптической оси объектива и возможностью вращения вокруг собственной оси, а на плоских торцах активного элемента расположены кольцеобразные прокладки из теплопроводящего эластичного материала. ! 2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что активный элемент выполнен из кристалла алюмо-иттриевого граната, активированного ионами иттербия. ! 3. Лазер по п.1, отличающийся тем, что одна или обе рабочие поверхности линзы объектива выполнены асферическими. 1. A miniature solid-state laser containing a pump laser diode with a fiber output and a lens in series behind the output end of the fiber, providing focusing of the pump radiation, and an active element with a resonator made in the form of a disk, the flat ends of which are perpendicular to the optical axis of the lens, input and output mirrors resonators are made in the form of reflective dielectric coatings directly on the flat ends of the active element, while the input end is coated with a coating that completely reflects at the generation wavelength and completely transmits at the pump wavelength, and at the output end it completely reflects at the pump wavelength for the second pass and partially transmitting at the generation wavelength, characterized in that the lens is made in the form of a single short-focus lens, the active element is installed with a transverse displacement relative to the optical axis of the lens and the possibility of rotation around its own axis, and at the flat ends of the active electric There are O-ring gaskets made of heat-conducting elastic material. ! 2. The laser according to claim 1, characterized in that the active element is made of a yttrium aluminum garnet crystal doped with ytterbium ions. ! 3. The laser according to claim 1, characterized in that one or both working surfaces of the objective lens are made aspherical.

Description

Полезная модель относится к области лазерной техники, в частности к твердотельным лазерам с диодной накачкой, и может быть использована в приборостроении при создании малогабаритных лазерных устройств с высокой средней мощностью излучения.The utility model relates to the field of laser technology, in particular to solid-state lasers with diode pumping, and can be used in instrumentation to create small-sized laser devices with a high average radiation power.

К миниатюрным лазерам с непрерывным режимом работы без принудительного охлаждения с установкой на теплоотводящий корпус и с высокой средней мощностью излучения предъявляются повышенные требования в части эффективности преобразования мощности накачки в полезное излучение генерации в широком температурном рабочем диапазоне, которые обеспечиваются конструкцией лазера, оптимизацией параметров диодов накачки, активной среды и зеркал резонатора. Столь же важны оптимальные теплообменные характеристики элементов конструкции лазера, благодаря которым происходит отвод тепла от лазерного диода накачки и активного элемента.For miniature lasers with continuous operation without forced cooling with installation on a heat sink and with a high average radiation power, increased demands are placed on the efficiency of converting the pump power into usable generation radiation in a wide temperature operating range, which are provided by the laser design, optimization of the parameters of the pump diodes, active medium and resonator mirrors. Equally important are the optimal heat transfer characteristics of the laser structural elements, due to which heat is removed from the laser pump diode and the active element.

Известен твердотельный лазер с накачкой лазерными диодами [1], включающий микрохолодильник, на теплопроводящей пластине которого установлены три лазерных диода накачки, пучки излучения которых, преобразованные цилиндрическими линзами, с помощью трапецеидальной призмы собираются в три параллельных пучка, фокусируемых с помощью астигматической линзы в активный элемент. Последовательно за активным элементом установлено выходное зеркало резонатора. На входном торце активного элемента нанесено входное зеркало резонатора в виде комбинированного покрытия, отражающее на рабочей длине волны лазера и пропускающее на длине волны лазерных диодов.A known solid-state laser pumped by laser diodes [1], comprising a microcooler, on the heat-conducting plate of which there are three laser pump diodes, the radiation beams of which are converted by cylindrical lenses, are assembled using a trapezoidal prism into three parallel beams focused using an astigmatic lens into an active element . The output mirror of the resonator is installed sequentially behind the active element. At the input end of the active element, the input mirror of the resonator is applied in the form of a combined coating, which reflects at the working wavelength of the laser and transmits at the wavelength of laser diodes.

Предложенная в [1] конструкция твердотельного лазера с накачкой лазерными диодами позволяет увеличить выходную мощность лазера, улучшить пространственное распределение лазерного пучка при более низком пороге генерации.The design of a solid-state laser pumped by laser diodes proposed in [1] makes it possible to increase the laser output power and improve the spatial distribution of the laser beam at a lower generation threshold.

В то же время недостатками [1] являются:At the same time, the disadvantages [1] are:

- применение технологически сложных в изготовлении и юстировке оптических элементов: цилиндрических и астигматической линз, трапецеидальной призмы,- the use of technologically sophisticated in the manufacture and alignment of optical elements: cylindrical and astigmatic lenses, trapezoidal prisms,

- увеличенные габариты и усложненная конструкция лазера.- increased dimensions and complicated laser design.

Известен квазитрехуровневый твердотельный лазер [2], содержащий лазерный диод для продольной накачки, устройство фокусировки излучения лазерного диода в активный элемент и резонатор лазера. Активный элемент выполнен с возможностью обеспечения четного числа проходов излучения накачки через него.Known quasi-three-level solid-state laser [2], containing a laser diode for longitudinal pumping, a device for focusing the radiation of a laser diode into an active element and a laser resonator. The active element is configured to provide an even number of passes of the pump radiation through it.

Лазер [2] содержит датчик температуры лазерного диода, блок термостабилизации, а также электрически с ними связанный блок управления током и температурой лазерного диода, позволяющий одновременно изменять его ток и температуру. Этим обеспечивается совпадение длины волны излучения накачки с центром линии поглощения активного элемента лазера.The laser [2] contains a temperature sensor of the laser diode, a thermal stabilization unit, as well as an electrically connected unit for controlling the current and temperature of the laser diode, which allows it to simultaneously change its current and temperature. This ensures that the wavelength of the pump radiation coincides with the center of the absorption line of the active laser element.

Лазер [2] дополнительно содержит устройство оптической развязки, установленное между лазерным диодом и активным элементом и выполненное в виде либо 45-градусной ячейки Фарадея на длину волны излучения лазерного диода, либо поляризатора и четвертьволновой пластинки, последовательно установленных на оси распространения излучения лазерного диода. Оно служит для предотвращения попадания отраженного излучения накачки в лазерный диод.The laser [2] further comprises an optical isolation device installed between the laser diode and the active element and made in the form of either a 45-degree Faraday cell for the radiation wavelength of the laser diode, or a polarizer and a quarter-wave plate, sequentially mounted on the propagation axis of the radiation of the laser diode. It serves to prevent the reflected pump radiation from entering the laser diode.

Указанные дополнительные устройства позволили, как следует из [2], решить техническую задачу повышения надежности лазера, увеличения ресурса его работы и повышения средней мощности излучения.These additional devices made it possible, as follows from [2], to solve the technical problem of increasing the reliability of the laser, increasing its operating life and increasing the average radiation power.

Однако это достигнуто за счет значительного усложнения конструкции лазера путем введения в нее дополнительных оптических и электронных устройств, увеличения его массы и габаритов, что является существенным недостатком [2].However, this was achieved due to a significant complication of the laser design by introducing additional optical and electronic devices into it, increasing its mass and dimensions, which is a significant drawback [2].

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству (прототип) является коротковолновый микролазер (λ=914 нм) на кристалле YVO₄:Nd³⁺ [3], содержащий лазерный диод накачки с волоконным выходом и последовательно установленные за торцом волокна объектив, обеспечивающий фокусировку излучения накачки, и активный элемент с резонатором, выполненный в виде диска, плоские торцы которого перпендикулярны оптической оси объектива.The closest in technical essence to the proposed device (prototype) is a short-wave microlaser (λ = 914 nm) on a YVO ₄ : Nd ³⁺ crystal [3], which contains a laser pump diode with a fiber output and a lens that sequentially sets the radiation focusing behind the fiber end pumping, and an active element with a resonator, made in the form of a disk, the flat ends of which are perpendicular to the optical axis of the lens.

Входное и выходное зеркала резонатора выполнены в виде отражающих диэлектрических покрытий, нанесенных непосредственно на плоских торцах активного элемента, при этом на входном торце нанесено покрытие, полностью отражающее на длине волны генерации и полностью пропускающее на длине волны накачки, а на выходном торце - полностью отражающее на длине волны накачки для второго прохода и частично пропускающее на длине волны генерации.The input and output mirrors of the resonator are made in the form of reflective dielectric coatings deposited directly on the flat ends of the active element, with a coating that is completely reflecting at the generation wavelength and completely transmitting at the pump wavelength, and completely reflecting at the output end the pump wavelength for the second pass and partially transmitting at the generation wavelength.

Диодная накачка микролазера производства фирмы «APhS GmH» с волокном (диаметр сердцевины 100 мкм, числовая апертура sin U=0,22) имеет длину волны излучения 808 нм и обеспечивает мощность до 2,5 Вт. Волоконный выход излучения лазерного диода, выполненный средствами и технологией интегральной оптики, обеспечивает герметичность и значительно упрощает конструкцию лазера (отпадает необходимость в цилиндрических и астигматических линзах), улучшает качество пучка излучения накачки, преобразуя пучок в форму осесимметричного конуса с перетяжкой на выходном торце волокна, и повышает равномерность распределения мощности по поперечному сечению пучка. Наличие волокна также защищает эмиттер лазерного диода от обратного излучения и позволяет размещать диод накачки в любом удобном месте внутри прибора на массивной теплоотводящей стенке корпуса, обеспечив его оптимальное конвективное охлаждение.The diode pumping of a microlaser manufactured by APhS GmH with a fiber (core diameter 100 μm, numerical aperture sin U = 0.22) has a radiation wavelength of 808 nm and provides power up to 2.5 W. The fiber output of the laser diode radiation, made by means and technology of integrated optics, ensures tightness and greatly simplifies the design of the laser (there is no need for cylindrical and astigmatic lenses), improves the quality of the pump radiation beam, transforming the beam into the shape of an axisymmetric cone with a constriction at the output end of the fiber, and increases the uniformity of power distribution over the beam cross section. The presence of fiber also protects the emitter of the laser diode from reverse radiation and allows you to place the pump diode in any convenient place inside the device on the massive heat sink wall of the housing, ensuring its optimal convective cooling.

Для фокусировки излучения накачки в активный элемент использован трехлинзовый объектив, трансформирующий изображение торца волокна в пятно накачки диаметром 60 мкм.To focus the pump radiation into the active element, we used a three-lens objective that transforms the image of the fiber end into a pump spot with a diameter of 60 μm.

Кристалл активного элемента YVO₄:Nd³⁺ выполнен в виде диска длиной 0,5 мм и диаметром 4 мм. Для повышения эффективности продольной накачки реализована двухпроходная схема: покрытие выходного зеркала резонатора полностью отражает излучение накачки (λ=808 нм) в активный элемент для второго прохода и пропускает излучение генерации (λ=914, 1064 и 1340 нм). Для этой же цели в прототипе [3] решена технически непростая задача создания входного зеркала резонатора с малой разницей длин волн генерации лазера и накачки (Δλ~100 нм) в виде многослойного диэлектрического покрытия с переменными параметрами.The crystal of the active element YVO ₄ : Nd ^{3+ is} made in the form of a disk 0.5 mm long and 4 mm in diameter. To increase the efficiency of longitudinal pumping, a two-pass scheme is implemented: the coating of the output mirror of the resonator completely reflects the pump radiation (λ = 808 nm) into the active element for the second pass and passes the generation radiation (λ = 914, 1064, and 1340 nm). For the same purpose, the prototype [3] solved the technically difficult task of creating an input cavity mirror with a small difference in the wavelengths of the laser and pump (Δλ ~ 100 nm) in the form of a multilayer dielectric coating with variable parameters.

Однако следует отметить и некоторые недостатки прототипа [3]:However, it should be noted some of the disadvantages of the prototype [3]:

- падение мощности излучения генерации при изменении температуры окружающей среды;- a drop in the generation radiation power with a change in the ambient temperature;

- возможные термические деформации активного элемента [4].- possible thermal deformation of the active element [4].

Падение мощности излучения генерации при изменении температуры окружающей среды связано с тремя факторами:The decrease in the output radiation power when the ambient temperature changes is due to three factors:

1. Лазерный диод испытывает сильный саморазогрев от собственного электропитания (КПД преобразования электрической мощности в излучение ~50%), это вызывает падение мощности излучения, особенно заметное при высокой температуре окружающей среды. При работе в области отрицательных температур многие лазерные диоды также снижают мощность излучения, но менее заметно.1. The laser diode experiences strong self-heating from its own power supply (efficiency of converting electrical power to radiation ~ 50%), this causes a drop in radiation power, especially noticeable at high ambient temperatures. When working in the field of negative temperatures, many laser diodes also reduce the radiation power, but less noticeably.

2. Спектральная полуширина полосы поглощения ионов неодима в кристалле ванадата иттрия YVO₄:Nd³⁺ составляет в области излучения накачки (λ=808 нм) по данным [5] не более 20 нм. При изменении температуры корпуса лазерного диода среднее изменение длины волны его излучения равно 0,3 нм/град., что соответствует диапазону изменения температуры корпуса менее 70 град. При смещении длины волны излучения накачки на край полосы поглощения ионов неодима также происходит падение мощности излучения генерации.2. The spectral half-width of the absorption band of neodymium ions in a yttrium YVO ₄ : Nd ³⁺ vanadate crystal in the pump radiation region (λ = 808 nm) according to [5] is no more than 20 nm. When the temperature of the laser diode case changes, the average change in the wavelength of its radiation is 0.3 nm / deg, which corresponds to a case temperature range of less than 70 degrees. When the pump radiation wavelength is shifted to the edge of the absorption band of neodymium ions, a decrease in the output radiation power also occurs.

3. Активный элемент разогревается излучением лазерного диода накачки, т.к эффективность его преобразования в излучение генерации составляет ~50%, это приводит вследствие относительно малой теплопроводности кристалла ванадата иттрия YVO₄:Nd³⁺ к градиенту температуры в плоскости сечения, перпендикулярной направлению накачки, появлению тепловой линзы и двулучепреломления, термической деформации активного элемента и, как следствие, падению мощности и ухудшению параметров лазерного пучка (увеличение расходимости, «провал» плотности мощности на оси пучка), а при недостаточно хорошем теплоотводе от активного элемента может привести даже к разрушению кристалла [4].3. The active element is heated by the radiation of a laser pump diode, because the efficiency of its conversion into lasing radiation is ~ 50%, which, due to the relatively low thermal conductivity of the yttrium YVO ₄ : Nd ³⁺ vanadate crystal, leads to a temperature gradient in the section plane perpendicular to the pump direction, the appearance of a thermal lens and birefringence, thermal deformation of the active element and, as a consequence, a drop in power and a deterioration in the parameters of the laser beam (increase in divergence, “failure” of the power density on the beam axis), while not enough good heat dissipation from the active element can even lead to the destruction of the crystal [4].

Совместное влияние указанных негативных факторов резко снижает мощность излучения генерации, иногда до нулевого уровня, на краях рабочего температурного диапазона лазера, который для практических целей часто составляет от -40°C до +60°C.The combined influence of these negative factors dramatically reduces the generation radiation power, sometimes to a zero level, at the edges of the laser operating temperature range, which for practical purposes often ranges from -40 ° C to + 60 ° C.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое устройство, заключается в создании миниатюрного твердотельного лазера с диодной накачкой, обладающего повышенной средней мощностью излучения в широком диапазоне рабочих температур при высокой эффективности преобразования мощности накачки в полезное излучение генерации, лучшим тепловым режимом работы, долговечностью и надежностью, высокой технологичностью и простотой конструкции по сравнению с прототипом.The problem to which the proposed device is aimed is to create a miniature diode-pumped solid-state laser with an increased average radiation power in a wide range of operating temperatures with high conversion efficiency of the pump power into useful generation radiation, the best thermal operating mode, durability and reliability, high manufacturability and simplicity of design compared to the prototype.

Предложен миниатюрный твердотельный лазер, содержащий лазерный диод накачки с волоконным выходом и последовательно установленные за выходным торцом волокна объектив, обеспечивающий фокусировку излучения накачки, и активный элемент с резонатором, выполненный в виде диска, плоские торцы которого перпендикулярны оптической оси объектива.A miniature solid-state laser is proposed that contains a pump laser diode with a fiber output and a lens that focuses on the pump radiation in series behind the fiber output end and an active element with a resonator made in the form of a disk whose flat ends are perpendicular to the optical axis of the lens.

Входное и выходное зеркала резонатора выполнены в виде отражающих диэлектрических покрытий непосредственно на плоских торцах активного элемента, при этом на входном торце нанесено покрытие, полностью отражающее на длине волны генерации и полностью пропускающее на длине волны накачки, а на выходном торце - полностью отражающее на длине волны накачки для второго прохода и частично пропускающее на длине волны генерации.The input and output mirrors of the resonator are made in the form of reflective dielectric coatings directly on the flat ends of the active element, with a coating that is fully reflecting at the generation wavelength and completely transmitting at the pump wavelength, and completely reflecting at the wavelength at the output end pumping for the second pass and partially transmitting at the generation wavelength.

Лазер отличается от прототипа тем, что объектив выполнен в виде одиночной короткофокусной линзы.The laser differs from the prototype in that the lens is made in the form of a single short-focus lens.

Активный элемент установлен с поперечным смещением относительно оптической оси объектива и возможностью вращения вокруг собственной оси.The active element is mounted with a lateral displacement relative to the optical axis of the lens and the possibility of rotation around its own axis.

На плоских торцах активного элемента расположены кольцеобразные прокладки из теплопроводящего эластичного материала.On the flat ends of the active element are ring-shaped gaskets of heat-conducting elastic material.

Активный элемент выполнен из кристалла алюмо-иттриевого граната, активированного ионами иттербия.The active element is made of a crystal of yttrium aluminum garnet activated by ytterbium ions.

Одна или обе рабочие поверхности линзы объектива выполнены асферическими.One or both of the working surfaces of the objective lens are aspherical.

Выполнение объектива в виде одиночной линзы с минимально возможным фокусным расстоянием позволяет упростить конструкцию и технологию сборки лазера, до минимума сократить продольный габарит лазера, расширяет диапазон изменения увеличения объектива в процессе фокусировки излучения в активный элемент при его минимальных продольных смещениях. Правильный выбор увеличения и связанных с ним параметров: положения плоскости фокусировки, входной числовой апертуры пучка и формируемого размера перетяжки внутри активного элемента обеспечивает заметное повышение мощности генерации лазера.The implementation of the lens in the form of a single lens with the smallest possible focal length makes it possible to simplify the design and technology of laser assembly, minimize the longitudinal dimension of the laser, and expand the range of variation in the magnification of the lens in the process of focusing radiation into the active element at its minimum longitudinal displacements. The correct choice of magnification and related parameters: the position of the focusing plane, the input numerical aperture of the beam, and the size of the waist formed inside the active element provides a noticeable increase in the laser generation power.

Установка активного элемента с поперечным смещением относительно оптической оси объектива увеличивает надежность и долговечность лазера по сравнению с прототипом. В случае местного повреждения кристалла внутри или на его поверхности из-за «острой» фокусировки непрерывного излучения большой мощности можно легко отремонтировать лазер, просто повернув активный элемент вокруг собственной оси.The installation of the active element with a lateral displacement relative to the optical axis of the lens increases the reliability and durability of the laser compared to the prototype. In the case of local damage to the crystal inside or on its surface due to the "sharp" focusing of continuous high-power radiation, the laser can be easily repaired by simply turning the active element around its own axis.

Расположение на торцах активного элемента кольцеобразных прокладок из теплопроводящего эластичного материала решает задачу улучшения теплоотвода от активного элемента. Прокладки устанавливаются таким образом, чтобы тепловой контакт кристалла с массивным теплоотводящим корпусом был максимальным, при этом диаметр отверстия в прокладке выполнен минимально возможным для увеличения площади теплового контакта кристалла с корпусом и равномерного по всем направлениям отвода тепла от прокачиваемого объема кристалла для уменьшения градиента температуры. Этим достигается уменьшение термических деформаций поверхности кристалла, ослабления оптической силы наведенной внутри него тепловой линзы или двулучепреломления, и как следствие, увеличение мощности и улучшение качества пучка генерируемого излучения.The location at the ends of the active element of ring-shaped gaskets of heat-conducting elastic material solves the problem of improving heat removal from the active element. The gaskets are installed so that the thermal contact of the crystal with the massive heat sink body is maximum, while the diameter of the hole in the gasket is made as minimal as possible to increase the area of thermal contact between the crystal and the body and uniform heat removal from the pumped volume of the crystal in all directions to reduce the temperature gradient. This achieves a decrease in thermal deformations of the crystal surface, a weakening of the optical power of a thermal lens induced inside it, or birefringence, and as a result, an increase in power and an improvement in the quality of the beam of generated radiation.

Решению этой же задачи служит и выбор материала для активного элемента. В предложенном устройстве активный элемент для генерации излучения в области 1,03…1,05 мкм выполнен из кристалла алюмоиттриевого граната YAG:Yb³⁺, активированного ионами иттербия. Его паразитное тепловыделение вследствие более низкого квантового дефекта значительно меньше, чем у кристаллов, активированных ионами неодима [5]. В ионах иттербия отсутствуют также потери на поглощение из возбужденного состояния, которые ярко выражены для ионов неодима. Кроме того, как известно из справочников, кристалл YAG:Yb³⁺ обладает по сравнению с материалом прототипа вдвое большей теплопроводностью:The solution to the same problem is the choice of material for the active element. In the proposed device, the active element for generating radiation in the region of 1.03 ... 1.05 μm is made of a YAG: Yb ³⁺ crystal of yttrium aluminum garnet activated by ytterbium ions. Due to the lower quantum defect, its parasitic heat release is significantly less than that of crystals activated by neodymium ions [5]. Ytterbium ions also lack absorption losses from the excited state, which are pronounced for neodymium ions. In addition, as is known from the references, the YAG: Yb ³⁺ crystal has twice as much thermal conductivity as compared with the prototype material:

- YVO₄:Nd³⁺~5 Bт/(м·К),- YVO ₄ : Nd ³⁺ ~ 5 Wt / (mK),

- YAG:Yb³⁺~10 Вт/(м·К).- YAG: Yb ³⁺ ~ 10 W / (mK).

Кристалл YAG:Yb³⁺, кроме низкого квантового дефекта и лучшей теплопроводности, обладает и более широкой спектральной полосой поглощения излучения накачки по сравнению с YVO₄:Nd³⁺. При двухпроходной схеме накачки кристалл YAG:Yb³⁺ хорошо поглощает излучение [6] в спектральном диапазоне от 912 до 950 нм (Δλ=38 нм). Это обеспечивает при выборе диода накачки с λ=940 нм в нормальных условиях значительное расширение (до 110 град.) диапазона рабочих температур лазера без принудительного охлаждения по сравнению с прототипом.A YAG: Yb ³⁺ crystal, in addition to a low quantum defect and better thermal conductivity, also has a wider spectral absorption band of pump radiation compared to YVO ₄ : Nd ³⁺ . In a two-pass pump scheme, a YAG: Yb ³⁺ crystal absorbs radiation well [6] in the spectral range from 912 to 950 nm (Δλ = 38 nm). This provides, when choosing a pump diode with λ = 940 nm under normal conditions, a significant expansion (up to 110 degrees) of the laser operating temperature range without forced cooling compared to the prototype.

Выполнение одной или обеих рабочих поверхностей линзы объектива асферическими обеспечивает минимизацию сферической аберрации объектива.The implementation of one or both of the working surfaces of the lens lens aspherical minimizes spherical aberration of the lens.

Таким образом, предложенная полезная модель позволяет решить задачу создания миниатюрного твердотельного лазера с диодной накачкой, обладающего повышенной средней мощностью излучения в широком диапазоне рабочих температур при высокой эффективности преобразования мощности накачки в полезное излучение генерации, лучшим тепловым режимом работы, долговечностью и надежностью, высокой технологичностью и простотой конструкции.Thus, the proposed utility model allows us to solve the problem of creating a miniature diode-pumped solid-state laser with an increased average radiation power in a wide range of operating temperatures with high conversion efficiency of the pump power into usable generation radiation, the best thermal operating mode, durability and reliability, high technology and simplicity of design.

Авторам не известны миниатюрные твердотельные лазеры, обладающие сходными признаками, отличающими предлагаемое устройство от прототипа, поэтому данное устройство обладает новизной.The authors are not aware of miniature solid-state lasers with similar features that distinguish the proposed device from the prototype, therefore, this device has novelty.

Сущность предложенной полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена схема лазера.The essence of the proposed utility model is illustrated by the drawing, which shows a laser circuit.

Миниатюрный твердотельный лазер включает в себя лазерный диод накачки 1 с волоконным выходом в виде многомодового оптического волокна 2 с коннектором и последовательно установленные за выходным торцом 3 волокна объектив 4, обеспечивающий (фокусировку излучения накачки из плоскости торца 3 волокна, и активный элемент 5 с резонатором, выполненный в виде диска, плоские торцы которого перпендикулярны оптической оси объектива 4.A miniature solid-state laser includes a laser pump diode 1 with a fiber output in the form of a multimode optical fiber 2 with a connector and a lens 4 that is sequentially mounted behind the output end 3 of the fiber, providing (focusing of the pump radiation from the plane of the end face 3 of the fiber, and an active element 5 with a resonator, made in the form of a disk, the flat ends of which are perpendicular to the optical axis of the lens 4.

Входное 6 и выходное 7 зеркала резонатора выполнены в виде отражающих диэлектрических покрытий непосредственно на плоских боковых торцах активного элемента 5, при этом на входном торце нанесено покрытие, полностью отражающее на длине волны генерации λ=1030…1050 нм и полностью пропускающее на длине волны накачки λ=915…950 нм, а на выходном торце - покрытие, полностью отражающее на длине волны накачки для второго прохода и частично пропускающее на длине волны генерации.The input 6 and output 7 mirrors of the resonator are made in the form of reflective dielectric coatings directly on the flat lateral ends of the active element 5, and a coating is applied at the input end that fully reflects at the generation wavelength λ = 1030 ... 1050 nm and completely transmits at the pump wavelength λ = 915 ... 950 nm, and at the output end there is a coating that completely reflects at the pump wavelength for the second pass and partially transmits at the generation wavelength.

Объектив 4 выполнен в виде одиночной короткофокусной линзы.The lens 4 is made in the form of a single short-focus lens.

Активный элемент 5 установлен с поперечным смещением А относительно оптической оси 8 объектива 4 и возможностью вращения вокруг собственной оси 9.The active element 5 is mounted with a lateral displacement A relative to the optical axis 8 of the lens 4 and the possibility of rotation around its own axis 9.

На плоских торцах активного элемента 5 расположены кольцеобразные прокладки 10 из теплопроводящего эластичного материала для обеспечения теплового контакта активного элемента 5 с теплоотводящим корпусом 11.On the flat ends of the active element 5 are ring-shaped gaskets 10 of heat-conducting elastic material to ensure thermal contact of the active element 5 with the heat sink body 11.

Активный элемент 5 выполнен из кристалла алюмо-иттриевого граната, активированного ионами иттербия.The active element 5 is made of a crystal of yttrium aluminum garnet activated by ytterbium ions.

Одна или обе рабочие поверхности линзы объектива 4 выполнены асферическими, что обеспечивает минимизацию его сферической аберрации.One or both of the working surfaces of the lens of the lens 4 are aspherical, which minimizes its spherical aberration.

Использование в объективе 4 одиночной линзы с минимально возможным фокусным расстоянием позволяет упростить конструкцию и технологию сборки лазера, до минимума сократить продольный габарит лазера, расширяет диапазон изменения увеличения объектива 4 в процессе фокусировки излучения в активный элемент 5 при его минимальных продольных смещениях. Правильный выбор увеличения и связанных с ним параметров: положения плоскости фокусировки, входной числовой апертуры пучка и формируемого размера перетяжки внутри активного элемента 5 обеспечивает заметное повышение мощности генерации лазера.The use of a single lens in the lens 4 with the smallest possible focal length makes it possible to simplify the design and technology of laser assembly, minimize the longitudinal dimension of the laser, and expand the range of variation of the magnification of the lens 4 during focusing of radiation into the active element 5 at its minimum longitudinal displacements. The correct choice of magnification and related parameters: the position of the focusing plane, the input numerical aperture of the beam, and the size of the waist formed inside the active element 5 provides a noticeable increase in the laser generation power.

Установка активного элемента 5 с поперечным смещением А относительно оптической оси 8 объектива 4 увеличивает надежность и долговечность лазера. В случае местного повреждения кристалла внутри или на его поверхности из-за «острой» фокусировки непрерывного излучения большой мощности можно легко отремонтировать лазер, просто повернув активный элемент 5 вокруг собственной оси 9.The installation of the active element 5 with a lateral displacement A relative to the optical axis 8 of the lens 4 increases the reliability and durability of the laser. In the case of local damage to the crystal inside or on its surface due to the "sharp" focusing of continuous high-power radiation, the laser can be easily repaired by simply turning the active element 5 around its own axis 9.

Расположение на боковых поверхностях активного элемента 5 кольцеобразных прокладок 10 из теплопроводящего эластичного материала решает задачу улучшения теплоотвода от активного элемента 5. Прокладки 10 устанавливаются таким образом, чтобы тепловой контакт кристалла с массивным теплоотводящим корпусом 11 был максимальным, при этом диаметр отверстия в прокладке 10 выполнен минимально возможным для увеличения площади теплового контакта кристалла с корпусом 11 и равномерного по всем направлениям отвода тепла от прокачиваемого объема кристалла для уменьшения градиента температуры. Этим достигается уменьшение термических деформаций поверхности кристалла, ослабления оптической силы наведенной внутри него тепловой линзы или двулучепреломления, и как следствие, увеличение мощности и улучшение качества пучка генерируемого излучения.The location on the lateral surfaces of the active element 5 of the annular gaskets 10 of heat-conducting elastic material solves the problem of improving heat dissipation from the active element 5. The gaskets 10 are installed so that the thermal contact of the crystal with the massive heat-dissipating housing 11 is maximum, while the diameter of the hole in the gasket 10 is minimized possible to increase the area of thermal contact of the crystal with the housing 11 and uniform in all directions of heat removal from the pumped volume of the crista lla to reduce the temperature gradient. This achieves a decrease in thermal deformations of the crystal surface, a weakening of the optical power of a thermal lens induced inside it, or birefringence, and as a result, an increase in power and an improvement in the quality of the beam of generated radiation.

Решению этой же задачи служит и выбор материала для активного элемента 5. В предложенном устройстве активный элемент 5 для генерации излучения в области 1,03…1,05 мкм выполнен из кристалла алюмоиттриевого граната YAG:Yb³⁺, активированного ионами иттербия. Его паразитное тепловыделение вследствие более низкого квантового дефекта [5] значительно меньше, чем у кристаллов, активированных ионами неодима. В ионах иттербия отсутствуют также потери на поглощение из возбужденного состояния, которые ярко выражены для ионов неодима. Кроме того, как известно из справочников, кристалл YAG:Yb³⁺ обладает по сравнению с материалом прототипа вдвое большей теплопроводностью:The solution of the same problem is the choice of material for the active element 5. In the proposed device, the active element 5 for generating radiation in the range of 1.03 ... 1.05 μm is made of a YAG: Yb ³⁺ crystal activated by ytterbium ions. Its parasitic heat release due to a lower quantum defect [5] is much smaller than that of crystals activated by neodymium ions. Ytterbium ions also lack absorption losses from the excited state, which are pronounced for neodymium ions. In addition, as is known from the references, the YAG: Yb ³⁺ crystal has twice as much thermal conductivity as compared with the prototype material:

- YVO₄:Nd³⁺~5 Bт/(м·К),- YVO ₄ : Nd ³⁺ ~ 5 Wt / (mK),

- YAG:Yb³⁺~10 Вт/(м·К).- YAG: Yb ³⁺ ~ 10 W / (mK).

Кристалл YAG:Yb³⁺, кроме низкого квантового дефекта и лучшей теплопроводности, обладает и более широкой спектральной полосой поглощения излучения накачки по сравнению с YVO₄:Nd³⁺. При двухпроходной схеме накачки кристалл YAG:Yb³⁺ хорошо поглощает излучение [6] в спектральном диапазоне от 912 до 950 нм (Δλ=38 нм). Это обеспечивает при выборе диода накачки с λ=940 нм в нормальных условиях значительное расширение (до 110 град.) диапазона рабочих температур лазера без принудительного охлаждения.A YAG: Yb ³⁺ crystal, in addition to a low quantum defect and better thermal conductivity, also has a wider spectral absorption band of pump radiation compared to YVO ₄ : Nd ³⁺ . In a two-pass pump scheme, a YAG: Yb ³⁺ crystal absorbs radiation well [6] in the spectral range from 912 to 950 nm (Δλ = 38 nm). This ensures, when choosing a pump diode with λ = 940 nm under normal conditions, a significant expansion (up to 110 degrees) of the laser operating temperature range without forced cooling.

Миниатюрный твердотельный лазер работает следующим образом.A miniature solid-state laser operates as follows.

Лазерный диод 1 при подаче электропитания генерирует непрерывное излучение накачки с длиной волны в нормальных условиях λ=940 нм, которое распространяется практически без потерь по многомодовому оптическому волокну 2 и выходит из торца 3 волокна в виде осесимметричного конуса с перетяжкой на торце диаметром 100 мкм и числовой апертурой sin U=0,15, после чего фокусируется объективом 4 внутри активного элемента 5, без потерь проходя сквозь покрытие 6 входного зеркала резонатора, полностью пропускающее на длине волны накачки λ=915…950 нм.The laser diode 1, when energized, generates continuous pump radiation with a wavelength of λ = 940 nm under normal conditions, which propagates almost without loss along the multimode optical fiber 2 and leaves the fiber end 3 in the form of an axisymmetric cone with a waist at the end with a diameter of 100 μm and a numerical aperture sin U = 0.15, after which it is focused by the lens 4 inside the active element 5, without loss passing through the coating 6 of the input mirror of the resonator, which completely transmits at the pump wavelength λ = 915 ... 950 nm.

При напряжении питания 1,6 В…2 В и изменении тока накачки от 4 А до 8 А мощность излучения накачки в нормальных условиях практически линейно возрастает от 3 Вт до 6,5 Вт [6], несколько уменьшаясь при высоких температурах и возрастая при низких.At a supply voltage of 1.6 V ... 2 V and a change in the pump current from 4 A to 8 A, the pump radiation power under normal conditions almost linearly increases from 3 W to 6.5 W [6], slightly decreasing at high temperatures and increasing at low .

Активный элемент 5 выполнен в виде диска длиной по оси 1,75 мм и диаметром 5 мм, плоские торцы которого перпендикулярны оптической оси объектива 4. В прокачиваемом объеме кристалла излучение накачки поглощается ионами активатора Yb³⁺, вызывая генерацию излучения на длине волны 1,03 мкм, которое частично выходит вдоль оси активного элемента 5 через покрытие выходного зеркала 7 резонатора. Не поглощенное за первый проход излучение накачки полностью отражается от покрытия выходного зеркала 7 и поглощается на втором проходе, повышая суммарную мощность генерации на ~25%. При токе лазерного диода в 5А мощность генерируемого лазером непрерывного излучения достигает 2,2 Вт, при этом параметр качества пучка М² близок к 1.The active element 5 is made in the form of a disk 1.75 mm long and 5 mm in diameter, the flat ends of which are perpendicular to the optical axis of the lens 4. In the pumped volume of the crystal, the pump radiation is absorbed by Yb ³⁺ activator ions, causing generation of radiation at a wavelength of 1.03 μm, which partially extends along the axis of the active element 5 through the coating of the output mirror 7 of the resonator. The pump radiation not absorbed in the first pass is completely reflected from the coating of the output mirror 7 and is absorbed in the second pass, increasing the total lasing power by ~ 25%. At a laser diode current of 5A, the power of the continuous radiation generated by the laser reaches 2.2 W, while the quality parameter of the M ² beam is close to 1.

Объектив 4 выполнен в виде одиночной линзы. Одна или обе рабочие поверхности линзы объектива 4, выполненные асферическими, обеспечивают минимизацию его сферической аберрации.The lens 4 is made in the form of a single lens. One or both working surfaces of the objective lens 4, made aspherical, minimize its spherical aberration.

Использование в объективе 4 одиночной линзы с минимально возможным фокусным расстоянием, например, F'=2 мм, упрощает конструкцию и технологию сборки лазера, до минимума сокращает его продольный габарит.The use of a single lens in the lens 4 with the smallest possible focal length, for example, F '= 2 mm, simplifies the design and assembly technology of the laser, minimizes its longitudinal dimension.

Выбор поперечного увеличения объектива V=-0,6 крат и соответственно задней числовой апертуры пучка sin U'=0,25 с учетом остаточной сферической аберрации объектива 4 обеспечивает в плоскости фокусировки внутри активного элемента 5 формирование перетяжки диаметром ~100 мкм, оптимальную конфигурацию прокачиваемого объема кристалла при двухпроходной схеме и заметно повышает мощность генерации лазера.The choice of the transverse magnification of the lens V = -0.6 times and, accordingly, the rear numerical aperture of the beam, sin U '= 0.25, taking into account the residual spherical aberration of the lens 4, ensures the formation of a constriction with a diameter of ~ 100 μm in the focusing plane inside the active element 5, the optimal configuration of the pumped volume crystal with a two-pass circuit and significantly increases the laser power.

Активный элемент 5 установлен с поперечным смещением А=0,4 мм относительно оптической оси 8 объектива 4 и возможностью вращения вокруг собственной оси 9.The active element 5 is installed with a lateral displacement A = 0.4 mm relative to the optical axis 8 of the lens 4 and the possibility of rotation around its own axis 9.

Кольцеобразные прокладки 10 из теплопроводящего эластичного материала, расположенные на плоских торцах активного элемента 5 обеспечивают тепловой контакт активного элемента с теплоотводящим корпусом 11, при этом диаметр отверстия в прокладке 10, выполненный минимально возможным, увеличивает площадь теплового контакта и равномерный по всем направлениям отвод тепла от прокачиваемого объема кристалла, уменьшая градиент температуры.The ring-shaped gaskets 10 of heat-conducting elastic material located on the flat ends of the active element 5 provide thermal contact of the active element with the heat sink body 11, while the diameter of the hole in the gasket 10, made as small as possible, increases the area of thermal contact and the heat removal from the pumped heat uniform in all directions crystal volume, decreasing the temperature gradient.

Активный элемент 5 выполнен из кристалла алюмо-иттриевого граната, активированного ионами иттербия, YAG:Yb³⁺ для генерации излучения в области 1,03…1,05 мкм. Благодаря хорошим теплофизическим свойствам данного кристалла достигается высокая мощность непрерывного излучения генерации в широком температурном диапазоне.The active element 5 is made of a crystal of aluminum-yttrium garnet activated by ytterbium ions, YAG: Yb ³⁺ to generate radiation in the range of 1.03 ... 1.05 μm. Due to the good thermophysical properties of this crystal, a high power of continuous generation radiation is achieved in a wide temperature range.

Источники информации:Information sources:

1. Патент RU 74011 U1, МПК HolS 3/094, публ. 2006 г.1. Patent RU 74011 U1, IPC HolS 3/094, publ. 2006 year

2. Патент RU 2360341 C2, МПК H01S 3/16, публ. 2009 г.2. Patent RU 2360341 C2, IPC H01S 3/16, publ. 2009 year

3. В.А.Сычугов, В.А.Михайлов и др. «Коротковолновый (λ=914 нм) микролазер на кристалле YVO₄:Nd³⁺», «Квантовая электроника», 30, №1 (2000) - прототип.3. V. A. Sychugov, V. A. Mikhailov and others. “Short-wave (λ = 914 nm) microlaser on a YVO ₄ : Nd ³⁺ crystal”, “Quantum Electronics”, 30, No. 1 (2000) - prototype.

4. В.В.Кийко, Е.Н.Офицеров, «Исследование термооптических искажений активного элемента (Nd:YVO₄) при различных способах его крепления», «Квантовая электроника», 36, №5 (2006).4. V.V. Kiyko, E.N.Ofitserov, “Study of thermo-optical distortions of the active element (Nd: YVO ₄ ) with various methods of its fastening”, “Quantum Electronics”, 36, No. 5 (2006).

5. «Справочник по лазерам» под ред. А.М.Прохорова, М., «Сов. радио», 1978.5. "Handbook of Lasers", ed. A.M. Prokhorova, M., “Sov. the radio, 1978.

6. Отчет о НИР "Макет иттербиевого лазера с диодной накачкой" (научн. рук. Н.В.Кулешов). - БНТУ. 2008.12. № ГР 20081369.6. Report on research work "Model of a diode-pumped ytterbium laser" (scientific adviser N.V. Kuleshov). - BNTU. 2008.12. No. ГР 20081369.

Claims

1. A miniature solid-state laser containing a laser pump diode with a fiber output and a lens that focuses the pump radiation and an active element with a resonator made in the form of a disk, the flat ends of which are perpendicular to the optical axis of the lens, the input and output mirrors are sequentially mounted behind the output end of the fiber the resonator is made in the form of reflective dielectric coatings directly on the flat ends of the active element, while the input end is coated, fully reflect at the generation wavelength and completely transmitting at the pump wavelength, and at the output end, completely reflecting at the pumping wavelength for the second pass and partially transmitting at the generation wavelength, characterized in that the lens is made in the form of a single short-focus lens, the active element is installed with a transverse displacement relative to the optical axis of the lens and the possibility of rotation around its own axis, and on the flat ends of the active element there are ring-shaped gaskets made of heat-conducting elastic material.

2. The laser according to claim 1, characterized in that the active element is made of a crystal of aluminum-yttrium garnet activated by ytterbium ions.

3. The laser according to claim 1, characterized in that one or both of the working surfaces of the objective lens are aspherical.