RU114560U1

RU114560U1 - MINIATURE LASER RADIATOR

Info

Publication number: RU114560U1
Application number: RU2011141695/28U
Authority: RU
Inventors: Ирина Владимировна Васильева; Сергей Константинович Векшин; Александр Иванович Немененок; Анатолий Михайлович Тареев
Original assignee: Открытое Акционерное Общество "Пеленг"
Priority date: 2010-10-21
Filing date: 2011-10-13
Publication date: 2012-03-27

Abstract

1. Миниатюрный лазерный излучатель, содержащий лазерный диод накачки с волоконным выходом и последовательно установленные за выходным торцом волокна первый объектив, обеспечивающий фокусировку излучения накачки, и активный элемент, плоские рабочие торцы которого перпендикулярны оптической оси объектива, входное и выходное зеркала резонатора выполнены в виде отражающих диэлектрических покрытий непосредственно на плоских рабочих 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 и частично пропускающее на длине волны генерации, отличающийся тем, что активный элемент выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда, на двух противоположных нерабочих гранях которого расположены прокладки из теплопроводящего эластичного материала, и установлен с возможностью поперечного смещения относительно оптической оси, в излучатель дополнительно введен второй объектив, состоящий, по меньшей мере, из трех линз, установленный на оптической оси за выходным торцом активного элемента, при этом вторая по ходу лучей линза второго объектива установлена с возможностью смещения вдоль оптической оси, а третья по ходу лучей линза установлена с возможностью смещения в плоскости, перпендикулярной оптической оси. ! 2. Излучатель по п.1, отличающийся тем, что активный элемент выполнен из кристалла алюмо-иттриевого граната, активированного ионами иттербия. 1. A miniature laser emitter containing a pump laser diode with a fiber output and a first objective installed in series behind the output end of the fiber, providing focusing of the pump radiation, and an active element, the flat working ends of which are perpendicular to the optical axis of the objective, the input and output mirrors of the resonator are made in the form dielectric coatings directly on the flat working ends of the active element, while the input end is coated with a coating that fully reflects at the lasing wavelength and completely transmits at the pump wavelength, while at the output end it completely reflects at the pump wavelength and partially transmits at the lasing wavelength , characterized in that the active element is made in the form of a rectangular parallelepiped, on two opposite non-working faces of which there are spacers made of heat-conducting elastic material, and is installed with the possibility of transverse displacement relative to the optical axis, in the the second lens is additionally introduced, consisting of at least three lenses, mounted on the optical axis behind the output end of the active element, while the second lens of the second lens along the ray path is mounted with the possibility of displacement along the optical axis, and the third lens along the ray path is installed with the possibility of displacement in a plane perpendicular to the optical axis. ! 2. An emitter according to claim 1, characterized in that the active element is made of a yttrium aluminum garnet crystal, doped with ytterbium ions.

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.

Такие устройства с непрерывным режимом работы широко применяются в современной технике, в частности для создания с помощью лазерного пучка излучения оптического поля для управления движением различных наземных механизмов или летательных аппаратов.Such devices with a continuous mode of operation are widely used in modern technology, in particular for creating optical field radiation using a laser beam to control the movement of various ground-based mechanisms or aircraft.

К ним предъявляются, кроме минимальных массо-габаритных характеристик, повышенные требования по эффективности преобразования мощности накачки в полезное излучение генерации, сохранению работоспособности в широком температурном рабочем диапазоне без принудительного охлаждения, с теплоотводом на корпус прибора.They are presented, in addition to the minimum weight and size characteristics, increased requirements for the efficiency of converting the pump power into useful generation radiation, maintaining operability in a wide temperature operating range without forced cooling, with heat dissipation to the device body.

Кроме того, важно обеспечить необходимые пространственные параметры оптического поля: угол расходимости лазерного излучения, диаметр пучка в перетяжках и распределение плотности мощности в поперечном сечении пучка.In addition, it is important to provide the necessary spatial parameters of the optical field: the angle of divergence of the laser radiation, the diameter of the beam in constrictions, and the distribution of the power density in the cross section of the beam.

Известен квазитрехуровневый твердотельный лазер [1], содержащий лазерный диод для продольной накачки, устройство фокусировки излучения лазерного диода в активный элемент и резонатор лазера. Лазер [1] 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.Known quasi-three-level solid-state laser [1], 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 laser [1] 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 [1] 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 [1] further comprises an optical isolation device mounted 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 [1], решить техническую задачу повышения надежности лазера, увеличения ресурса его работы и повышения средней мощности излучения.The indicated additional devices made it possible, as follows from [1], 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.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.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству (прототип) является коротковолновый микролазер (λ=914 нм) на кристалле YVO₄:Nd³⁺ [2], содержащий лазерный диод накачки с волоконным выходом и последовательно установленные за торцом волокна объектив, обеспечивающий фокусировку излучения накачки, и активный элемент, 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 [2], which contains a laser pump diode with a fiber output and a lens that provides radiation focusing in series behind the fiber end pumping, and the active element, 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 покрытие, полностью отражающее на длине волны генерации и полностью пропускающее на длине волны накачки, а на выходном торце - полностью отражающее на длине волны накачки 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, a coating that completely reflects at the generation wavelength and completely transmits at the pump wavelength, and at the output end that completely reflects at the pump wavelength and partially transmits at wavelength of generation.

Диодная накачка микролазера производства фирмы «APhS GmH» с волокном (диаметр сердцевины 100 мкм) 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 повышая 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) 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 increasing uniform distribution of power over the cross section of the beam. 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. Кристалл активного элемента YVO₄:Nd³⁺ выполнен в виде диска длиной 0,5 мм и диаметром 4 мм.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. 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.

Однако следует отметить и некоторые недостатки прототипа [2]:However, it should be noted some of the disadvantages of the prototype [2]:

- 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 [3].- possible thermal deformation of the active element [3].

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.1. The laser diode experiences strong self-heating from its own power supply (the efficiency of converting electrical power into radiation is ~ 50%), this causes a drop in radiation power.

2. Спектральная полуширина полосы поглощения ионов неодима в кристалле ванадата иттрия YVO₄:Nd³⁺ составляет в области излучения накачки (λ=808 нм) по данным [4] 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 [4] 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 [3].3. The active element is heated by the radiation of a laser pump diode, because the efficiency of its conversion to generation radiation is ~ 50%, which leads to the appearance of a temperature gradient in the section plane perpendicular to the pump direction due to the relatively low thermal conductivity of the yttrium YVO4: Nd ³⁺ crystal, thermal lens and birefringence, thermal deformation of the active element and, as a consequence, power drop and deterioration of the laser beam parameters (increased divergence, “failure” of the power density on the axis of the beam), and with insufficiently good heat removal from the active element, it can even lead to crystal destruction [3].

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°С до +60°С.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 лазерного излучателя, 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 по сравнению с прототипом.The task to which the proposed device is aimed is to create a miniature laser emitter having an increased average radiation power in a wide range of operating temperatures with high efficiency of converting the pump power into useful generation radiation, the best thermal operating mode, durability and reliability compared to the prototype.

Предложен миниатюрный лазерный излучатель, содержащий лазерный диод накачки с волоконным выходом и последовательно установленные за выходным торцом волокна первый объектив, обеспечивающий фокусировку излучения накачки, и активный элемент, плоские рабочие торцы которого перпендикулярны оптической оси объектива.A miniature laser emitter is proposed, comprising a laser pump diode with a fiber output and a first lens sequentially mounted behind the fiber output end, which focuses the pump radiation, and an active element whose flat working ends are perpendicular to the optical axis of the lens.

Входное и выходное зеркала резонатора выполнены в виде отражающих диэлектрических покрытий непосредственно на плоских рабочих 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 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 working ends of the active element, with a coating that is completely reflecting at the generation wavelength and completely transmitting at the pump wavelength applied to the input end, and completely reflecting at the length at the output end pumping waves and partially transmitting at the generation wavelength.

Излучатель отличается от прототипа тем, что активный элемент выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда, на двух противоположных нерабочих гранях которого расположены две прокладки из теплопроводящего эластичного материала, и установлен с возможностью поперечного смещения относительно оптической оси.The emitter differs from the prototype in that the active element is made in the form of a rectangular parallelepiped, on two opposite non-working faces of which there are two gaskets made of heat-conducting elastic material, and is mounted with the possibility of lateral displacement relative to the optical axis.

В излучатель дополнительно введен второй объектив, состоящий, по меньшей мере, из трех линз, установленный на оптической оси за выходным торцом активного элемента, при этом вторая по ходу лучей линза второго объектива установлена с возможностью смещения вдоль оптической оси, а третья по ходу лучей линза установлена с возможностью смещения в плоскости, перпендикулярной оптической оси.A second lens, consisting of at least three lenses, mounted on the optical axis behind the output end of the active element, is additionally introduced into the emitter, while the second along the rays of the lens of the second lens is mounted with the possibility of displacement along the optical axis, and the third along the rays of the lens installed with the possibility of displacement in a plane perpendicular to the optical axis.

Активный элемент излучателя выполнен из кристалла алюмоиттриевого граната, активированного ионами иттербия.The active element of the emitter is made of a crystal of yttrium aluminum garnet activated by ytterbium ions.

Установка активного элемента с возможностью поперечного смещения относительно оптической оси 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 сместив активный элемент перпендикулярно оси и выбрав новую неповрежденную область кристалла для накачки и генерации.The installation of the active element with the possibility of lateral displacement relative to the optical axis 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 moving the active element perpendicular to the axis and choosing a new undamaged region of the crystal for pumping and generation.

Установка теплопроводящих прокладок на двух противоположных нерабочих гранях активного элемента решает задачу улучшения теплоотвода от активного элемента. Прокладки устанавливаются таким образом, чтобы площадь теплового контакта кристалла с массивным теплоотводящим корпусом была максимальной, для равномерного отвода тепла от прокачиваемого объема кристалла и уменьшения градиента температуры. Этим достигается уменьшение термических деформаций кристалла, ослабление оптической силы наведенной внутри него тепловой линзы или двулучепреломления, и как следствие, увеличение мощности и улучшение качества пучка генерируемого излучения.The installation of heat-conducting gaskets on two opposite non-working faces of the active element solves the problem of improving heat removal from the active element. Gaskets are installed in such a way that the area of thermal contact between the crystal and the massive heat sink body is maximum, for uniform heat removal from the pumped volume of the crystal and to reduce the temperature gradient. This achieves a decrease in the thermal deformation of the crystal, a weakening of the optical power of the thermal lens or birefringence induced inside it, 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 [4]. 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 much smaller than that of crystals activated by neodymium ions [4]. 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 Вт/(м·К),- YVO ₄ : Nd ³⁺ ~ 5 W / (mK),

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

Кристалл YAG:YH³⁺, кроме низкого квантового дефекта и лучшей теплопроводности, обладает и более широкой спектральной полосой поглощения излучения накачки по сравнению с YVO₄:Nd³⁺. Кристалл YAG:Yb³⁺ хорошо поглощает излучение [5] 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: YH 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⁺ . A YAG: Yb ³⁺ crystal absorbs radiation well [5] 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.

Введение второго объектива обеспечивает необходимые пространственные параметры излучения генерации: угол расходимости лазерного излучения, диаметр пучка в перетяжках и распределение плотности мощности в поперечном сечении пучка.The introduction of the second lens provides the necessary spatial parameters of the generation radiation: the angle of divergence of the laser radiation, the diameter of the beam in constrictions and the distribution of power density in the cross section of the beam.

Возможность смещения вдоль оптической оси второй по ходу лучей линзы позволяет плавно менять угол расходимости лазерного пучка. Возможность смещения третьей линзы в плоскости, перпендикулярной оптической оси, позволяет изменять угол наклона лазерного пучка относительно оптической оси, благодаря чему можно существенно упростить юстировку всего лазерного канала в приборе. Подбор линз второго объектива с большой оптической силой минимизирует продольный габарит устройства.The possibility of displacement along the optical axis of the second along the rays of the lens allows you to smoothly change the angle of divergence of the laser beam. The possibility of displacement of the third lens in a plane perpendicular to the optical axis makes it possible to change the angle of inclination of the laser beam relative to the optical axis, so that the alignment of the entire laser channel in the device can be greatly simplified. The selection of lenses of the second lens with high optical power minimizes the longitudinal dimension of the device.

Таким образом, предложенная полезная модель позволяет решить задачу создания миниатюрного лазерного излучателя, 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.Thus, the proposed utility model allows us to solve the problem of creating a miniature laser emitter with an increased average radiation power in a wide range of operating temperatures with high efficiency of converting the pump power into usable generation radiation, the best thermal operating mode, durability and reliability.

Сущность предложенной полезной модели поясняется чертежами.The essence of the proposed utility model is illustrated by drawings.

На фиг.1 изображена структурная схема излучателя.Figure 1 shows the structural diagram of the emitter.

На фиг.2 изображено смещение активного элемента в плоскости, перпендикулярной оптической оси.Figure 2 shows the displacement of the active element in a plane perpendicular to the optical axis.

Миниатюрный лазерный излучатель (фиг.1) включает в себя лазерный диод накачки 1 с волоконным выходом 2 в виде многомодового оптического волокна с коннектором и последовательно установленные за выходным торцом 3 волокна первый объектив 4, обеспечивающий фокусировку излучения накачки из плоскости торца волокна, и активный элемент 5, плоские рабочие торцы которого перпендикулярны оптической оси объектива 4.The miniature laser emitter (Fig. 1) includes a laser pump diode 1 with a fiber output 2 in the form of a multimode optical fiber with a connector and a first lens 4, which focuses the pump radiation from the plane of the fiber end face, and is subsequently mounted behind the output end 3 of the fiber, and an active element 5, the flat working 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 рабочих 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 - полностью отражающее на длине волны накачки 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 working ends of the active element 5, while 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 it is completely reflecting at the pump wavelength and partially transmitting at the generation wavelength.

Объектив 4 может быть выполнен в виде одиночной короткофокусной линзы с одной или двумя асферическими поверхностями.The lens 4 can be made in the form of a single short-focus lens with one or two aspherical surfaces.

Активный элемент 5, выполненный в виде прямоугольного параллелепипеда, на противоположных нерабочих гранях которого расположены прокладки 8 из теплопроводящего эластичного материала, имеет рабочие торцы в форме вытянутых прямоугольников и установлен с возможностью поперечного смещения А (фиг.2) относительно оптической оси вдоль длинной стороны прямоугольника. В случае местного повреждения кристалла можно сместить активный элемент, выбрав новую неповрежденную область кристалла для накачки.The active element 5, made in the form of a rectangular parallelepiped, on the opposite non-working faces of which there are gaskets 8 made of heat-conducting elastic material, has working ends in the form of elongated rectangles and is mounted with the possibility of lateral displacement A (figure 2) relative to the optical axis along the long side of the rectangle. In the event of local damage to the crystal, the active element can be displaced by choosing a new undamaged region of the crystal for pumping.

Две прокладки 8 из теплопроводящего эластичного материала обеспечивают тепловой контакт активного элемента 5 с массивным теплоотводящим корпусом 9.Two gaskets 8 of heat-conducting elastic material provide thermal contact of the active element 5 with a massive heat-dissipating body 9.

Прокладки 8 устанавливаются вдоль длинного ребра рабочего торца активного элемента 5 для того, чтобы площадь теплового контакта кристалла с массивным теплоотводящим корпусом 9 была максимальной, обеспечивая равномерный отвод тепла от прокачиваемого объема кристалла и уменьшения градиента температуры. Этим достигается уменьшение термических деформаций кристалла, ослабление оптической силы наведенной внутри него тепловой линзы или двулучепреломления, и как следствие, увеличение мощности и улучшение качества пучка генерируемого излучения.Gaskets 8 are installed along the long edge of the working end of the active element 5 so that the area of thermal contact of the crystal with the massive heat sink body 9 is maximum, providing uniform heat removal from the pumped volume of the crystal and reducing the temperature gradient. This achieves a decrease in the thermal deformation of the crystal, a weakening of the optical power of the thermal lens or birefringence induced inside it, 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 значительно меньше, чем у кристаллов, активированных ионами неодима [4]. 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. Due to the lower quantum defect, its parasitic heat release is much smaller than that of crystals activated by neodymium ions [4]. 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 Вт/(м·К),-YVO ₄ : Nd ³⁺ ~ 5 W / (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 [5] 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.The 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, the YAG: Yb ³⁺ crystal absorbs radiation well [5] 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.

Второй объектив, состоящий из линз 10, 11, 12 и установленный за выходным торцом активного элемента 5 на оптической оси, введен для обеспечения необходимых пространственных параметров излучения генерации: угла расходимости лазерного излучения, диаметра пучка в перетяжках и распределения плотности мощности в поперечном сечении пучка.The second lens, consisting of lenses 10, 11, 12 and mounted behind the output end of the active element 5 on the optical axis, was introduced to provide the necessary spatial parameters of the generation radiation: the angle of divergence of laser radiation, the beam diameter in constrictions and the distribution of power density in the beam cross section.

Линза 11 второго объектива установлена с возможностью смещения вдоль оптической оси относительно линз 10 и 12, а линза 12 установлена с возможностью смещения в плоскости, перпендикулярной оптической оси. Смещение вдоль оптической оси линзы 11 плавно меняет угол расходимости лазерного пучка. Смещение линзы 12 в плоскости, перпендикулярной оптической оси, изменяет угол наклона лазерного пучка относительно оптической оси, существенно упрощая юстировку всего лазерного канала в приборе. Подбор линз 10, 11, 12 с большой оптической силой минимизирует продольный габарит устройства.The lens 11 of the second lens is mounted with the possibility of displacement along the optical axis relative to the lenses 10 and 12, and the lens 12 is mounted with the possibility of displacement in a plane perpendicular to the optical axis. The displacement along the optical axis of the lens 11 smoothly changes the angle of divergence of the laser beam. The displacement of the lens 12 in a plane perpendicular to the optical axis changes the angle of the laser beam relative to the optical axis, greatly simplifying the alignment of the entire laser channel in the device. Selection of lenses 10, 11, 12 with high optical power minimizes the longitudinal dimension of the device.

Излучатель работает следующим образом (фиг.1). 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 выходного 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 входного зеркала 6 резонатора на его рабочем торце, полностью пропускающее на длине волны накачки λ=915…950 нм.The emitter operates as follows (figure 1). 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 output end 3 of the fiber in the form of an axisymmetric cone with a constriction at the end with a diameter of 100 μm and 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 of the input mirror 6 of the resonator at its working end, completely transmitting at the wavelength akachki λ = 915 ... 950 nm.

Активный элемент 5 выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда длиной по оси 5 мм, рабочие торцы которого перпендикулярны оптической оси объектива 4 и имеют размер 2 мм × 5 мм. 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 на его выходном рабочем торце.The active element 5 is made in the form of a rectangular parallelepiped with an axis length of 5 mm, the working ends of which are perpendicular to the optical axis of the lens 4 and have a size of 2 mm × 5 mm. In the pumped volume of the crystal, the pump radiation is absorbed by Yb ³⁺ activator ions, causing the 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 at its output working end.

Активный элемент 5 установлен с возможностью поперечного смещения А (фиг.2) вдоль длинной стороны прямоугольного рабочего торца. В случае местного повреждения кристалла можно сместить активный элемент, выбрав новую неповрежденную область кристалла для накачки. Активный элемент 5 выполнен из кристалла алюмо-иттриевого граната, активированного ионами иттербия, YAG:Yb³⁺ для генерации излучения в области 1,03…1,05 мкм.The active element 5 is mounted with the possibility of lateral displacement A (figure 2) along the long side of the rectangular working end. In case of local damage to the crystal, the active element can be displaced by selecting a new undamaged region of the crystal for pumping. 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.

Две прокладки 8 из теплопроводящего эластичного материала обеспечивают тепловой контакт активного элемента 5 с массивным теплоотводящим корпусом 9, обеспечивая равномерный отвод тепла от прокачиваемого объема кристалла для уменьшения градиента температуры.Two gaskets 8 made of a heat-conducting elastic material provide thermal contact of the active element 5 with a massive heat-removing body 9, providing uniform heat removal from the pumped volume of the crystal to reduce the temperature gradient.

Излучение генерации с длиной волны 1,03 мкм, пройдя сквозь выходное зеркало 7 резонатора, попадает во второй объектив, состоящий из линз 10, 11, 12, и, проходя сквозь него, направляется в последующие элементы лазерного канала прибора. Подбор линз 10, 11, 12 с большой оптической силой минимизирует продольный габарит устройства.Lasing radiation with a wavelength of 1.03 μm, passing through the output mirror 7 of the resonator, enters the second lens, consisting of lenses 10, 11, 12, and passing through it, is sent to the subsequent elements of the laser channel of the device. Selection of lenses 10, 11, 12 with high optical power minimizes the longitudinal dimension of the device.

Смещая линзу 11 вдоль оптической оси относительно линз 10 и 12, можно плавно изменять угол расходимости лазерного пучка. Смещая линзу 12 в плоскости, перпендикулярной оптической оси, можно изменять угол наклона лазерного пучка относительно оптической оси, существенно упрощая юстировку всего лазерного канала в приборе.By moving the lens 11 along the optical axis relative to the lenses 10 and 12, it is possible to smoothly change the angle of divergence of the laser beam. By displacing the lens 12 in a plane perpendicular to the optical axis, it is possible to change the angle of inclination of the laser beam relative to the optical axis, greatly simplifying the alignment of the entire laser channel in the device.

Литература:Literature:

1. Патент RU 2360341 С2, МПК H01S 3/16, публ. 2009 г.1. Patent RU 2360341 C2, IPC H01S 3/16, publ. 2009 year

2. В.А.Сычугов, В.А.Михайлов и др. «Коротковолновый (λ=914 нм) микролазер на кристалле YVO₄:Nd³⁺», «Квантовая электроника», 30, №1 (2000) - прототип.2. V. A. Sychugov, V. A. Mikhailov and others. “Short-wave (λ = 914 nm) microlaser on a YVO ₄ crystal: Nd ³⁺ ”, “Quantum electronics”, 30, No. 1 (2000) - prototype.

3. В.В.Кийко, Е.Н.Офицеров, «Исследование термооптических искажений активного элемента (Nd:YVO₄) при различных способах его крепления», «Квантовая электроника», 36, №5 (2006).3. 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).

4. «Справочник по лазерам» под ред. А.М.Прохорова, М., «Сов. радио»,1978.4. "Handbook of Lasers", ed. A.M. Prokhorova, M., “Sov. the radio, 1978.

5. Отчет о НИР "Макет иттербиевого лазера с диодной накачкой" (научн. рук. Н.В.Кулешов). - БНТУ. 2008.12. №ГР 20081369.5. Research report "Model of a diode-pumped ytterbium laser" (scientific adviser N.V. Kuleshov). - BNTU. 2008.12. No. GR 20081369.

Claims

1. A miniature laser emitter containing a laser pump diode with a fiber output and sequentially mounted behind the output end of the fiber, the first lens that focuses the pump radiation, and an active element, the flat working ends of which are perpendicular to the optical axis of the lens, the input and output mirrors of the resonator are made in the form of reflecting dielectric coatings directly on the flat working ends of the active element, while at the input end is coated, fully reflecting the wavelength generation and completely transmitting at the pump wavelength, and at the output end completely reflecting at the pump wavelength and partially transmitting at the generation wavelength, characterized in that the active element is made in the form of a rectangular parallelepiped, on two opposite non-working faces of which there are gaskets of heat-conducting elastic material, and installed with the possibility of lateral displacement relative to the optical axis, a second lens is additionally introduced into the emitter, consisting of at least three lenses mounted on the optical axis behind the output end of the active element, while the second lens along the rays of the second lens is mounted with the possibility of displacement along the optical axis, and the third lens along the rays is mounted with the possibility of displacement in the plane perpendicular to the optical axis.

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