RU124447U1

RU124447U1 - MONOPULSE Nd: YAG LASER WITH TRANSVERSE DIODE PUMPING

Info

Publication number: RU124447U1
Application number: RU2012124450/28U
Authority: RU
Inventors: Татьяна Владимировна Безъязычная; Максим Владимирович Богданович; Александр Викторович Григорьев; Владимир Викторович Кабанов; Олег Евстафьевич Костик; Егор Викторович Лебедок; Василий Вячеславович Машко; Андрей Геннадьевич Рябцев; Геннадий Иванович Рябцев; Леонид Леонидович Тепляшин; Максим Анатольевич Щемелев
Priority date: 2012-06-13
Filing date: 2012-06-13
Publication date: 2013-01-20

Abstract

Моноимпульсный Nd:YAG лазер с поперечной диодной накачкой, включающий твердотельный активный элемент, закрепленный на охлаждающем основании, и оптический затвор, помещенные в резонатор, образованный двумя зеркалами, одно из которых полностью, а второе частично отражает лазерное излучение, и устройство диодной накачки в виде лазерных диодных линеек, закрепленных вместе с охлаждающим основанием на механическом держателе, отличающийся тем, что твердотельный активный элемент закреплен на охлаждающем основании клеящим слоем, толщина которого, задаваемая соотношением внутреннего диаметра охлаждающего основания и диаметра твердотельного активного элемента, составляет от 150 до 210 мкм.Monopulse Nd: YAG transverse diode-pumped laser, including a solid-state active element mounted on a cooling base, and an optical shutter placed in a resonator formed by two mirrors, one of which is fully, and the second partially reflects laser radiation, and a diode pump device in the form laser diode arrays fixed together with a cooling base on a mechanical holder, characterized in that the solid-state active element is fixed to the cooling base with an adhesive layer, the thickness of which about, defined by the ratio of the inner diameter of the cooling base and the diameter of the solid-state active element, is from 150 to 210 microns.

Description

Полезная модель относится к области лазерной техники, а именно, к твердотельным лазерам с диодной накачкой, и может найти применение в системах лазерной локации, ночного видения, передачи информации, а также для обработки материалов.The utility model relates to the field of laser technology, namely, to solid-state lasers with diode pumping, and can find application in systems of laser location, night vision, information transfer, as well as for processing materials.

Для получения излучения высокой мощности в твердотельных лазерах используют моноимпульсный режим генерации. Однако при увеличении энергии накачки происходит ограничение роста выходной энергии излучения и коэффициента усиления активной среды. Это явление в значительной мере обусловлено развитием суперлюминесценции и генерации при многократном отражении излучения от боковых поверхностей активного элемента и поверхностей отражателя системы накачки. В твердотельных лазерах с поперечной диодной накачкой отражение излучения происходит так же и от выходных зеркал лазерных диодов или линеек, которые, как правило, располагаются вблизи боковой поверхности активного элемента. Компактность твердотельных лазеров с поперечной диодной накачкой облегчает возникновение суперлюминесценции и генерации в поперечном направлении и, следовательно, еще быстрее ограничивает рост выходной энергии излучения лазера, работающего в моноимпульсном режиме. Увеличение энергии излучения лазера, работающего в моноимпульсном режиме, достигается путем ухудшения условий для формирования излучения суперлюминесценции в направлении, перпендикулярном оси резонатора. Для ухудшения условий формирования излучения суперлюминесценции с участием элементов системы накачки осуществляют их экранирование от активного элемента соответствующими светофильтрами, а с участием активного элемента - специальной обработкой его боковой поверхности.To obtain high-power radiation in solid-state lasers, a single-pulse lasing regime is used. However, with an increase in the pump energy, the growth of the output radiation energy and the gain of the active medium are limited. This phenomenon is largely due to the development of superluminescence and generation upon multiple reflection of radiation from the side surfaces of the active element and the surfaces of the reflector of the pump system. In transverse diode-pumped solid-state lasers, radiation reflection also occurs from the output mirrors of laser diodes or bars, which are usually located near the side surface of the active element. The compactness of transverse diode-pumped solid-state lasers facilitates the occurrence of superluminescence and transverse generation and, therefore, even faster limits the increase in the output energy of a single-pulse laser. An increase in the radiation energy of a laser operating in a single-pulse mode is achieved by worsening the conditions for the formation of superluminescence radiation in the direction perpendicular to the axis of the resonator. To worsen the conditions for the formation of superluminescence radiation with the participation of elements of the pump system, they are shielded from the active element by appropriate filters, and with the participation of the active element, by special treatment of its side surface.

Известен лазер [1] с ламповой накачкой активного элемента, изготовленного из Nd:YAG кристалла в виде цилиндра, на боковую поверхность которого нанесена метрическая резьба с шагом 0,3 мм. Такая обработка боковой поверхности активного элемента позволила почти в два раза увеличить энергию моноимпульса лазерного излучения по сравнению с обработкой, обеспечивающей получение матированной боковой поверхности активного элемента.A known laser [1] with lamp-pumped active element made of Nd: YAG crystal in the form of a cylinder, on the side surface of which is applied a metric thread with a pitch of 0.3 mm. Such processing of the side surface of the active element almost doubled the energy of a single pulse of laser radiation compared with the processing that provides a matted side surface of the active element.

Основной причиной, препятствующей достижению указанных ниже технических результатов, является невозможность эффективного использования активного элемента, на боковую поверхность которого нанесена метрическая резьба, в компактных твердотельных лазерах с боковой диодной накачкой. Это связано с тем, что в данных лазерах для эффективного охлаждения активного элемента необходимо обеспечить хороший тепловой контакт активного элемента с охлаждающим основанием, который осуществляется с помощью клея с хорошей теплопроводностью. Однако, клей, заполняя резьбовые неровности боковой поверхности активного элемента, улучшает условия возникновения суперлюминесценции и паразитной генерации, которые ограничивают энергию моноимпульса лазерного излучения.The main reason preventing the achievement of the following technical results is the inability to effectively use the active element, on the side surface of which a metric thread is applied, in compact solid-state lasers with side diode pumping. This is due to the fact that in these lasers, for effective cooling of the active element, it is necessary to ensure good thermal contact of the active element with the cooling base, which is carried out using glue with good thermal conductivity. However, the glue, filling the threaded irregularities of the side surface of the active element, improves the conditions for the occurrence of superluminescence and spurious generation, which limit the energy of a single pulse of laser radiation.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели и выбранным за прототип является твердотельный лазер с поперечной диодной накачкой [2], активный элемент которого, выполненный в виде цилиндра, прикрепленного за боковую поверхность к охлаждаемому основанию с помощью клеящего состава, накачивается двумя диодными линейками.The closest in technical essence to the claimed utility model and selected for the prototype is a solid-state laser with transverse diode pumping [2], the active element of which, made in the form of a cylinder, attached to the side of the base to be cooled with an adhesive, is pumped with two diode arrays.

К основной причине, препятствующей достижению указанных ниже технических результатов при использовании прототипа, является ограничение роста выходной энергии излучения и коэффициента усиления активной среды при увеличении энергии накачки, так как боковая поверхность активного элемента и поверхности системы накачки способствуют возникновению суперлюминисценции и паразитной генерации в направлении перпендикулярной оси резонатора.The main reason that impedes the achievement of the following technical results when using the prototype is the limitation of the growth of the output radiation energy and the gain of the active medium with increasing pump energy, since the lateral surface of the active element and the surface of the pump system contribute to the appearance of superluminescence and spurious generation in the direction of the perpendicular axis resonator.

Технической задачей полезной модели является создание Nd:YAG лазера с поперечной диодной накачкой, обеспечивающего эффективную генерацию моноимпульсного излучения путем ухудшения условий для формирования излучения суперлюминесценции и паразитной генерации в направлении перпендикулярном оси резонатора за счет использования клеящего слоя.The technical task of the utility model is the creation of a Nd: YAG transverse diode-pumped laser, which ensures efficient generation of monopulse radiation by worsening the conditions for the generation of superluminescence and spurious radiation in the direction perpendicular to the axis of the resonator due to the use of an adhesive layer.

Поставленная техническая задача решается тем, что в моноимпульсном Nd:YAG лазере с поперечной диодной накачкой, включающем твердотельный активный элемент, закрепленный на охлаждающем основании, и оптический затвор, помещенные в резонатор, образованный двумя зеркалами, одно из которых полностью, а второе частично отражает лазерное излучение, и устройство диодной накачки в виде лазерных диодных линеек, закрепленных вместе с охлаждающим основанием на механическом держателе, твердотельный активный элемент закреплен на охлаждающем основании клеящим слоем, толщина которого, задаваемая соотношением внутреннего диаметра охлаждающего основания и диаметра твердотельного активного элемента, составляет 150-210 мкм.The stated technical problem is solved in that in a monopulse Nd: YAG laser with transverse diode pumping, which includes a solid-state active element mounted on a cooling base, and an optical shutter placed in a resonator formed by two mirrors, one of which is fully, and the second partially reflects the laser radiation, and a diode pump device in the form of laser diode arrays mounted together with a cooling base on a mechanical holder, a solid-state active element is mounted on a cooling base an adhesive layer whose thickness is defined by the ratio of the inner diameter of the cooling base and a solid-state diameter of the active element is 150-210 microns.

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

На фиг.1 изображена схема лазера с поперечной диодной накачкой, а на фиг.2 - изометрическое изображение механического держателя с активным элементом и диодными линейками, где:Figure 1 shows a diagram of a laser with transverse diode pumping, and figure 2 is an isometric image of a mechanical holder with an active element and diode arrays, where:

1 - твердотельный активный элемент;1 - solid state active element;

2 - охлаждающее основание;2 - cooling base;

3 - клеящий слой;3 - adhesive layer;

4 - механический держатель;4 - a mechanical holder;

5 - лазерные диодные линейки;5 - laser diode arrays;

6 - оптический затвор;6 - optical shutter;

7, 8 - зеркало резонатора;7, 8 - mirror resonator;

h - толщина.h is the thickness.

На фиг.3 показано поперечное сечение зондирующего пучка излучения на длине волны генерации, прошедшего через трехслойный элемент, имитирующий охлаждающее основание и твердотельный активный элемент прототипа.Figure 3 shows a cross section of a probing radiation beam at a wavelength of generation transmitted through a three-layer element simulating a cooling base and a solid-state active element of the prototype.

На фиг.4 показано поперечное сечение зондирующего пучка излучения на длине волны генерации, прошедшего через трехслойный элемент, имитирующий охлаждающее основание и твердотельный активный элемент предлагаемой полезной модели.Figure 4 shows a cross section of a probing radiation beam at a wavelength of generation transmitted through a three-layer element simulating a cooling base and a solid-state active element of the proposed utility model.

Предлагаемая (фиг.1, 2) полезная модель состоит из резонатора, образованного зеркалами 7, 8, внутрь которого помещены оптический затвор 6 и твердотельный активный элемент 1, закрепленный на охлаждающем основании 2 с помощью клеящего слоя 3 толщиной h, которое, в свою очередь, закреплено на механическом держателе 4, к которому также крепятся лазерные диодные линейки 5 для накачки твердотельного активного элемента.The proposed (figure 1, 2) utility model consists of a resonator formed by mirrors 7, 8, inside which an optical shutter 6 and a solid-state active element 1 are mounted, mounted on a cooling base 2 with an adhesive layer 3 of thickness h, which, in turn, mounted on a mechanical holder 4, to which laser diode arrays 5 are also attached for pumping a solid-state active element.

Твердотельный активный элемент 1 лазера изготовлен из кристалла Nd:YAG в форме цилиндра с матированной боковой поверхностью, торцевые поверхности которого просветлены на длину волны генерации 1,064 мкм. Охлаждающее основание 2 изготовлено из сапфира в виде трубки с внутренним диаметром (позиция не указана) на 300-420 мкм больше диаметра (позиция не указана) твердотельного активного элемента. Твердотельный активный элемент 1 крепится внутри охлаждающего основания с помощью клеящего слоя 3, толщина h которого задается соотношением внутреннего диаметра охлаждающего основания 2 и диаметра твердотельного активного элемента 1 и составляет 150-210 мкм, что обеспечивает необходимое ухудшение условий для формирования излучения суперлюминесценции и паразитной генерации в направлении перпендикулярном оси резонатора. Охлаждающее основание 2, в свою очередь, крепится на механический держатель 4, к которому также крепятся лазерные диодные линейки 5, осуществляющие накачку твердотельного активного элемента 1. Твердотельный активный элемент 1 на механическом держателе 4 и оптический затвор 6 помещены в резонатор лазера, образованный двумя зеркалами 7 и 8, одно из которых полностью, а второе частично отражает лазерное излучение.The solid-state active element 1 of the laser is made of a Nd: YAG crystal in the form of a cylinder with a frosted side surface, the end surfaces of which are enlightened at a generation wavelength of 1.064 μm. The cooling base 2 is made of sapphire in the form of a tube with an inner diameter (position not indicated) 300-420 microns larger than the diameter (position not indicated) of the solid-state active element. The solid-state active element 1 is mounted inside the cooling base with an adhesive layer 3, the thickness h of which is determined by the ratio of the internal diameter of the cooling base 2 and the diameter of the solid-state active element 1 and is 150-210 μm, which provides the necessary deterioration of the conditions for the formation of superluminescence radiation and spurious generation in direction perpendicular to the axis of the resonator. The cooling base 2, in turn, is mounted on a mechanical holder 4, to which laser diode arrays 5 are also attached, which pump the solid-state active element 1. The solid-state active element 1 on the mechanical holder 4 and the optical shutter 6 are placed in a laser cavity formed by two mirrors 7 and 8, one of which is completely, and the second partially reflects laser radiation.

Сущность работы моноимпульсного Nd:YAG лазера с поперечной диодной накачкой заключается в следующем. Лазерные диодные линейки 5 генерируют излучение, которое через боковые поверхности охлаждающего основания 2, клеящий слой 3 и боковые поверхности твердотельного активного элемента 1 попадает внутрь твердотельного активного элемента. Под воздействием излучения лазерных диодных линеек 5 (излучения накачки) в лазере, резонатор которого образован зеркалами 7, 8 и, кроме твердотельного активного элемента 1, содержит также оптический затвор 6, возникает генерация моноимпульсного излучения. Благодаря наличию клеящего слоя 3 толщиной h=150-210 мкм, излучение на длине волны генерации, распространяющееся в направлении, перпендикулярном оси резонатора лазера, претерпевает значительное рассеяние (фиг.3, 4) при выходе из твердотельного активного элемента, что ухудшает условия для формирования излучения суперлюминесценции и паразитной генерации в этом направлении, обеспечивая тем самым эффективную генерацию моноимпульсного излучения.The essence of the operation of a monopulse Nd: YAG transverse diode-pumped laser is as follows. Laser diode arrays 5 generate radiation which, through the side surfaces of the cooling base 2, the adhesive layer 3 and the side surfaces of the solid-state active element 1, enters the solid-state active element. Under the influence of radiation from laser diode arrays 5 (pump radiation) in a laser whose cavity is formed by mirrors 7, 8 and, in addition to the solid-state active element 1, also contains an optical shutter 6, monopulse radiation is generated. Due to the presence of an adhesive layer 3 with a thickness h = 150-210 μm, the radiation at the generation wavelength propagating in the direction perpendicular to the axis of the laser resonator undergoes significant scattering (Figs. 3, 4) upon exit from the solid-state active element, which worsens the conditions for formation superluminescence radiation and spurious generation in this direction, thereby providing efficient generation of monopulse radiation.

Для проверки работы предлагаемой полезной модели создан и опробован моноимпульсный Nd:YAG лазер с твердотельным активным элементом цилиндрической формы длинной 50 мм и диаметром 5 мм, накачиваемый тремя лазерными диодными линейками. Лазерные диодные линейки работали в импульсном режиме с длительностью импульса 200 мкс и частотой следования до 30 Гц. Максимальная энергия импульса накачки составила 600 мДж. В ходе испытания полезной модели исследовались характеристики моноимпульсного режима генерации при креплении твердотельного активного элемента к охлаждаемому основанию клеящим слоем толщиной h=165 мкм. Исследования показали, что в случае использования клеящего слоя происходит увеличение энергии моноимпульса излучения на 43%.To test the operation of the proposed utility model, a monopulse Nd: YAG laser with a solid-state active element of a cylindrical shape 50 mm long and 5 mm in diameter, pumped by three laser diode arrays, was created and tested. Laser diode arrays worked in a pulsed mode with a pulse duration of 200 μs and a repetition rate of up to 30 Hz. The maximum energy of the pump pulse was 600 mJ. In the course of testing the utility model, the characteristics of the single-pulse generation mode were studied when the solid-state active element was attached to the cooled base with an adhesive layer with a thickness h = 165 μm. Studies have shown that in the case of using an adhesive layer, an increase in the energy of a single pulse of radiation occurs by 43%.

Источники информации, принятые во вниманиеSources of information taken into account

1 Батище С.А., Малевич Н.А., Мостовников В.А., Малышев П.И. - ЖПС, 1985, т.43, №4, С.576-579.1 Batishte S.A., Malevich N.A., Mostovnikov V.A., Malyshev P.I. - ZhPS, 1985, v. 43, No. 4, S.576-579.

2 Патент US 5140607, 18.08.19922 Patent US 5140607, 08/18/1992

Claims

Monopulse Nd: YAG transverse diode-pumped laser, including a solid-state active element mounted on a cooling base, and an optical shutter placed in a resonator formed by two mirrors, one of which is fully and the other partially reflects laser radiation, and a diode pump device in the form laser diode arrays fixed together with a cooling base on a mechanical holder, characterized in that the solid-state active element is fixed to the cooling base with an adhesive layer, the thickness of which about, defined by the ratio of the inner diameter of the cooling base and the diameter of the solid-state active element, is from 150 to 210 microns.