RU2040088C1 - Emitter of solid laser - Google Patents
Emitter of solid laser Download PDFInfo
- Publication number
- RU2040088C1 RU2040088C1 SU5041058A RU2040088C1 RU 2040088 C1 RU2040088 C1 RU 2040088C1 SU 5041058 A SU5041058 A SU 5041058A RU 2040088 C1 RU2040088 C1 RU 2040088C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pump
- radiation
- laser
- lamp
- cross
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Lasers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано при изготовлении излучателей с твердотельными лазерными стержнями. The invention relates to laser technology and can be used in the manufacture of emitters with solid-state laser rods.
Задачи, связанные с использованием лазеров в технике связи, светолокации, обработке материалов и т.п. предъявляют определенные требования к пространственно-энергетическим характеристикам их излучения: угловой и осевой силе излучения, степени неравномерности распределения поля в поперечном сечении пучка. Tasks associated with the use of lasers in communication, light-location, material processing, etc. impose certain requirements on the spatial and energy characteristics of their radiation: the angular and axial strength of the radiation, the degree of uneven distribution of the field in the beam cross section.
У большинства типов твердотельных лазеров пространственно-энергетические характеристики излучения определяются характером распределения коэффициента усиления и тепловыделения в поперечном сечении лазерного стержня [1]
Известен излучатель твердотельного лазера [2] включающий зеркала резонатора и осветитель, содержащий цилиндрический отражатель кругового сечения с диффузно отражающим покрытием, внутри которого параллельно друг другу установлены прямая лампа накачки и лазерный стержень с оптически однородной шлифованной (матированной) или полированной боковой поверхностью.For most types of solid-state lasers, the spatial and energy characteristics of radiation are determined by the nature of the distribution of gain and heat in the cross section of the laser rod [1]
A known solid-state laser emitter [2] includes resonator mirrors and an illuminator containing a cylindrical circular reflector with a diffusely reflective coating, inside of which a direct pump lamp and a laser rod with an optically uniform polished (matted) or polished side surface are installed parallel to each other.
В таком излучателе достигается относительно равномерное распределение излучения накачки в объеме лазерного стержня вследствие диффузного отражения излучения накачки поверхностью отражателя осветителя. При этом достигается достаточно высокая степень однородности распределения поля лазерного излучения. In such an emitter, a relatively uniform distribution of the pump radiation in the volume of the laser rod is achieved due to the diffuse reflection of the pump radiation by the surface of the reflector of the illuminator. In this case, a sufficiently high degree of uniformity of the distribution of the laser radiation field is achieved.
Однако за счет рассеяния излучения накачки диффузно отражающей поверхностью осветителя такой излучатель обладает относительно низкой эффективностью, приводящей к повышению пороговой мощности (энергии) накачки и уменьшению КПД лазера на ≈30-60% что в значительной степени ограничивает его применение. However, due to scattering of the pump radiation by the diffusely reflecting surface of the illuminator, such an emitter has a relatively low efficiency, which leads to an increase in the threshold pump power (energy) and a decrease in the laser efficiency by ≈30-60%, which significantly limits its application.
Известны излучатели твердотельного лазера [3, 4] включающие зеркала резонатора и осветитель, содержащий цилиндрический отражатель эллиптического или биэллиптического сечения с зеркально отражающим покрытием, имеющим на поверхности канавки различной конфигурации, которые рассеивают излучение лампы накачки. Known solid-state laser emitters [3, 4] including resonator mirrors and a illuminator containing a cylindrical reflector of elliptical or belliptic cross section with a mirror-reflective coating having various configurations on the surface of the grooves that scatter the radiation of the pump lamp.
Такие отражатели по сравнению с отражателями с гладким зеркально отражающим покрытием улучшают однородность распределения поля излучения накачки в поперечном сечении лазерного стержня за счет рассеяния излучения накачки на канавках, а по сравнению с отражателями с диффузно отражающим покрытием обеспечивают более высокий КПД лазера. Such reflectors, in comparison with reflectors with a smooth mirror-reflective coating, improve the uniformity of the distribution of the pump radiation field in the cross section of the laser rod due to the scattering of the pump radiation in the grooves, and, in comparison with reflectors with a diffusely reflective coating, provide a higher laser efficiency.
Недостатками таких осветителей являются, с одной стороны, снижение эффективности по сравнению с эффективностью осветителей, имеющих гладкую зеркально отражающую поверхность, за счет рассеяния на канавках, с другой, менее заметное повышение однородности поля излучения по сравнению с осветителем с диффузно отражающей поверхности. The disadvantages of such illuminators are, on the one hand, a decrease in efficiency compared to the efficiency of illuminators having a smooth specularly reflecting surface due to scattering on the grooves, and on the other hand, a less noticeable increase in the uniformity of the radiation field compared to a illuminator with a diffusely reflecting surface.
Наиболее близким к изобретению по конструкции является излучатель твердотельного лазера [5] включающий зеркала резонатора и осветитель, содержащий цилиндрический отражатель эллиптического сечения с зеркально отражающим излучение лампы накачки покрытием, внутри которого параллельно друг другу установлены прямая лампа накачки и лазерный стержень с оптически однородной по периметру его сечения шлифованной (матированной) или полированной боковой поверхностью. The closest to the invention in design is a solid-state laser emitter [5] comprising resonator mirrors and a illuminator containing a cylindrical elliptical reflector with a mirror reflecting the radiation of the pump lamp, inside which a direct pump lamp and a laser rod with optically uniform perimeter are mounted parallel to each other sections polished (frosted) or polished side surface.
В таком излучателе за счет зеркального отражения и фокусировки излучения накачки на поверхности лазерного стержня достигается значительно более высокий КПД лазера по сравнению с излучателями с диффузно отражающим покрытием осветителя или с зеркально отражающим покрытием с канавками. In such an emitter, due to specular reflection and focusing of the pump radiation on the surface of the laser rod, a significantly higher laser efficiency is achieved compared to emitters with a diffusely reflective coating of the illuminator or with a mirror-reflective coating with grooves.
Вместе с тем неоднородность распределения поля излучения накачки в таком осветителе приводит к неоднородному распределению коэффициента усиления в поперечном сечении лазерного стержня. Наибольшая неоднородность создается в двух взаимно перпендикулярных направлениях: совпадающем с направлением лампа лазерный стержень и перпендикулярным ему. Вследствие неоднородного распределения коэффициента усиления в лазерном стержне поле излучения лазера в разных направлениях имеет различную угловую ширину и по азимуту имеет вид овала, вытянутого в направлении, перпендикулярном оси лампа стержень. At the same time, the nonuniform distribution of the pump radiation field in such an illuminator leads to an inhomogeneous distribution of the gain in the cross section of the laser rod. The greatest heterogeneity is created in two mutually perpendicular directions: the laser rod coincides with the direction of the lamp and perpendicular to it. Due to the inhomogeneous distribution of the gain in the laser rod, the laser radiation field in different directions has different angular widths and in azimuth has the form of an oval elongated in the direction perpendicular to the axis of the lamp rod.
Технической задачей изобретения является повышение азимутальной однородности распределения поля излучения лазера без снижения его КПД. An object of the invention is to increase the azimuthal uniformity of the distribution of the laser radiation field without reducing its efficiency.
Поставленная задача достигается тем, что в излучателе твердотельного лазера, включающем зеркала резонатора и осветитель, содержащий цилиндрический отражатель эллиптического сечения с зеркально отражающим излучение лампы накачки покрытием, внутри которого параллельно друг друга установлены прямая лампа накачки и лазерный стержень с оптически однородной по периметру его поперечного сечения шлифованной или полированной боковой поверхностью, согласно изобретению коаксиально лампе накачки на пути потоков излучения накачки, интенсивность которых по периметру поперечного сечения лазерного стержня составляет 0,7-0,9 ее максимального значения, размещен слой с коэффициентом отражения 0,5-1, отражающий излучение накачки. The problem is achieved in that in a solid-state laser emitter including resonator mirrors and an illuminator containing a cylindrical reflector of an elliptical cross section with a mirror-reflecting radiation from a pump lamp, inside which a direct pump lamp and a laser rod with optically uniform cross-sectional perimeter are installed parallel to each other polished or polished side surface, according to the invention, coaxial to the pump lamp in the path of the pump radiation fluxes, intensively nce of which the cross-sectional perimeter of the laser rod is 0.7-0.9 of its maximum value, is a layer with a coefficient of reflection 0.5-1 reflecting pump radiation.
Поставленная задача достигается также тем, что коаксиальный лампе накачки отражающий слой выполнен в виде двух полос вдоль ее образующей с удельной площадью 0,1-0,2 и коэффициентом отражения 0,5-1 каждая, расположенных симметрично относительно плоскости зеркальной симметрии осветителя, причем середина каждой из них по поперечному сечению коаксиального слоя расположена под углом 62± 4о к направлению от оси лампы накачки к оси лазерного стержня.The task is also achieved by the fact that the coaxial pump lamp reflective layer is made in the form of two strips along its generatrix with a specific area of 0.1-0.2 and a reflection coefficient of 0.5-1 each, located symmetrically relative to the plane of mirror symmetry of the illuminator, and the middle each cross-section of a coaxial layer is at an angle of 62 ± 4 to the direction of the pump axis of the lamp to the laser rod axis.
Поставленная задача достигается также тем, что слой, отражающий излучение накачки, размещен на боковой поверхности лампы накачки. The task is also achieved by the fact that the layer reflecting the radiation of the pump is placed on the side surface of the pump lamp.
Поставленная задача достигается также тем, что слой, отражающий излучение накачки, размещен на поверхности канала охлаждения лампы накачки отражателя осветителя. The problem is also achieved by the fact that the layer reflecting the pump radiation is placed on the surface of the cooling channel of the pump lamp of the reflector of the illuminator.
Распределение поля излучения лазера во многом определяется распределением коэффициента усиления в поперечном сечении лазерного стержня. В свою очередь распределение коэффициента усиления зависит от распределения интенсивности световых потоков излучения лампы накачки на его боковой поверхности. Последнее определяется целым рядом конструктивных особенностей осветителей: характером отражающего покрытие отражателя осветителя, геометрическими размерами отражателя осветителя и лампы накачки, их местоположением относительно отражающей поверхности отражателя и т.п. Поэтому наиболее общей характеристикой осветителей с точки зрения распределения коэффициента усиления по сечению лазерного стержня является характер распределения интенсивности световых потоков излучения накачки по периметру его поперечного сечения. The distribution of the laser radiation field is largely determined by the distribution of the gain in the cross section of the laser rod. In turn, the distribution of the gain depends on the distribution of the intensity of the light fluxes of the radiation of the pump lamp on its side surface. The latter is determined by a number of design features of the illuminators: the nature of the reflecting reflector of the illuminator, the geometric dimensions of the reflector of the illuminator and the pump lamp, their location relative to the reflective surface of the reflector, etc. Therefore, the most common characteristic of illuminators from the point of view of the distribution of the gain over the cross section of the laser rod is the nature of the distribution of the intensity of the light fluxes of the pump radiation along the perimeter of its cross section.
Сущность технического решения заключается в том, что коаксиально лампе накачки на пути более интенсивных потоков излучения накачки, формируемых осветителем на поверхности лазерного стержня, размещен слой, отражающий излучение накачки. При этом относительно избыточные потоки излучения возвращаются в лампу накачки. Возвращаемая в лампу накачки и поглощаемая ее плазмой световая энергия дополнительно разогревает эту плазму. Поглощение световой энергии плазмой эквивалентно нагреву ее электрическим током, т.е. эквивалентно повышению мощности накачки. Таким образом, на тех участках боковой поверхности стержня, где формировались относительно ослабленные потоки излучения накачки, интенсивность последних повышается за счет дополнительного разогрева плазмы, а на участках, где формировались относительно избыточные потоки, ослабляются вследствие ограниченного пропускания этих потоков отражающим слоем. Это способствует перераспределению и выравниванию световых потоков излучения накачки на боковой поверхности лазерного стержня. The essence of the technical solution lies in the fact that, coaxially with the pump lamp, in the path of more intense pump radiation fluxes generated by the illuminator on the surface of the laser rod, there is a layer reflecting the pump radiation. In this case, relatively excess radiation fluxes are returned to the pump lamp. The light energy returned to the pump lamp and absorbed by its plasma additionally heats up this plasma. The absorption of light energy by plasma is equivalent to heating it with electric current, i.e. equivalent to increasing pump power. Thus, in those parts of the side surface of the rod where relatively weakened flows of pump radiation were formed, the intensity of the latter increases due to additional heating of the plasma, and in areas where relatively excess flows were formed, they are weakened due to the limited transmission of these flows by the reflecting layer. This contributes to the redistribution and alignment of the light fluxes of the pump radiation on the side surface of the laser rod.
Степень повышения однородности поля лазерного излучения зависит как от диапазона относительной интенсивности потоков излучения накачки, формируемых осветителем на поверхности лазерного стержня, на пути которых располагается отражающий это излучение слой, так и от отражательной способности этого слоя. Причем в случае слабопоглощающих отражающих слоев эффективность осветителя практически не изменяется (в оптике R+T+A=1, где R коэффициент отражения; Т коэффициент пропускания; А коэффициент поглощения, для слабопоглощающих слоев, например многослойных диэлектрических А<<R+Т). The degree of increasing the uniformity of the laser radiation field depends both on the range of relative intensities of the pump radiation flux generated by the illuminator on the surface of the laser rod, in the path of which there is a layer reflecting this radiation, and on the reflectivity of this layer. Moreover, in the case of weakly absorbing reflective layers, the illuminator's efficiency remains practically unchanged (in optics R + T + A = 1, where R is the reflection coefficient; T is the transmission coefficient; A is the absorption coefficient for weakly absorbing layers, for example, multilayer dielectric A << R + T).
Для использованных при испытаниях цилиндрических одноламповых осветителей эллиптического сечения величина интенсивности световых потоков излучения накачки по периметру поперечного сечения лазерного стержня распределена симметрично относительно плоскости, в которой расположены продольные оси лазерного стержня и лампы накачки (плоскости зеркальной симметрии осветителя). Причем потоки излучения накачки с интенсивностью более 0,6 ее максимального по периметру поперечного сечения лазерного стержня значения (фиг. 2 а) образуют на его боковой поверхности две полосы, направленные вдоль образующей. For the cylindrical single-tube illuminators of elliptical section used in the tests, the intensity of the light fluxes of the pump radiation along the perimeter of the cross section of the laser rod is distributed symmetrically relative to the plane in which the longitudinal axes of the laser rod and the pump lamp (mirror mirror symmetry plane) are located. Moreover, the pump radiation fluxes with an intensity of more than 0.6 of its maximum value along the perimeter of the cross section of the laser rod (Fig. 2a) form two bands on its side surface directed along the generatrix.
Как показали эксперименты, наиболее существенное повышение однородности распределения поля излучения накачки реализуется при размещении отражающего слоя на месте расположения на коаксиальных лампе накачки поверхностях изображения полос, образованных на боковой поверхности лазерного стержня потоками излучения накачки, интенсивность которых составляет не менее 0,7-0,9 ее максимального по периметру поперечного сечения стержня значения. При этом положительный эффект (повышение азимутальной однородности поля лазерного излучения без снижения КПД лазера) наблюдается при коэффициенте отражения указанного слоя 0,5-1. As experiments have shown, the most significant increase in the uniformity of the distribution of the pump radiation field is realized when the reflecting layer is placed at the location on the coaxial pump lamp of the image surfaces of the bands formed on the side surface of the laser rod by pump radiation fluxes, the intensity of which is at least 0.7-0.9 its maximum value along the perimeter of the cross section of the rod. In this case, a positive effect (increasing the azimuthal uniformity of the laser radiation field without reducing the laser efficiency) is observed when the reflection coefficient of the specified layer is 0.5-1.
Изображение на коаксиальных лампе накачки поверхностях полос, образованных на боковой поверхности лазерного стержня потоками излучения накачки, интенсивность которых составляет не менее 0,7-0,9 ее максимального по периметру поперечного сечения стержня значения, также образуется в виде двух зеркально-симметрично расположенных полос, направленных вдоль образующей, середина которых в поперечном сечении коаксиальной лампе накачки поверхности расположена под углом α=62±4o к направлению от оси лампы накачки к оси лазерного стержня (фиг. 3). При этом площадь каждой полосы изображения составляет 0,1-0,2 площади коаксиальной лампе накачки поверхности. Отражающий слой, как показали эксперименты, целесообразнее располагать либо на боковой поверхности лампы накачки, либо на поверхности канала охлаждения лампы накачки (при его наличии) без установки в осветитель дополнительной поверхности с отражающим слоем, которая сама по себе вносит в осветитель дополнительные потери. Вследствие сказанного для достижения положительного эффекта отражающий излучение накачки слой с коэффициентом отражения 0,5-1 размещен на боковой поверхности лампы накачки или на поверхности канала охлаждения лампы накачки осветителя и выполнен в виде двух полос, направленных вдоль образующей, расположенных симметрично относительно плоскости зеркальной симметрии осветителя так, что середина каждой из полос в поперечном сечении расположена под углом 62±4о к направлению от оси лампы накачки к оси лазерного стержня, причем площадь каждой полосы составляет 0,1-0,2 площади соответствующей поверхности.The image on the coaxial pump lamp of the surfaces of the bands formed on the lateral surface of the laser rod by pump radiation fluxes, the intensity of which is at least 0.7-0.9 of its maximum value along the perimeter of the rod cross section, is also formed in the form of two mirror-symmetrically arranged bands, directed along the generatrix, the middle of which in the cross section of the coaxial pump pump surface is located at an angle α = 62 ± 4 o to the direction from the axis of the pump lamp to the axis of the laser rod (Fig. 3). The area of each image strip is 0.1-0.2 of the area of the coaxial pump surface pump. Experiments have shown that it is more expedient to place the reflective layer either on the side surface of the pump lamp or on the surface of the cooling channel of the pump lamp (if any) without installing an additional surface in the illuminator with a reflective layer, which in itself introduces additional losses into the illuminator. As a result of this, in order to achieve a positive effect, a pump-reflective layer with a reflection coefficient of 0.5-1 is placed on the side surface of the pump lamp or on the surface of the cooling channel of the pump lamp of the illuminator and is made in the form of two bands directed along the generatrix, located symmetrically relative to the plane of mirror symmetry of the illuminator so that the middle of each of the strips in cross section extends at an angle of 62 ± 4 to the direction of the axis of the pump bulb to the laser rod axis, wherein the area of each strip is 0.1-0.2 of the corresponding surface area.
Когда отражающий слой расположен на пути потоков излучения накачки, интенсивность которых на поверхности лазерного стержня составляет более 0,9 ее максимального значения (при этом удельная площадь каждой из отражающих полос составляет менее 0,1), а коэффициент отражения каждой из полос близок к минимальному, положительный эффект близок к ошибке измерений (пример 6). При коэффициенте отражения менее 0,5 (с использованным при испытаниях отражающим слоем из серебра) наблюдается ≈ 10%-ное снижение мощности излучения, связанное с увеличением поглощения в отражающем слое (пример 5). When the reflective layer is located on the path of the pump radiation fluxes, the intensity of which on the surface of the laser rod is more than 0.9 of its maximum value (the specific area of each of the reflecting bands being less than 0.1), and the reflection coefficient of each of the bands is close to the minimum, the positive effect is close to the measurement error (example 6). When the reflection coefficient is less than 0.5 (with the silver reflecting layer used in the tests), there is a ≈ 10% decrease in the radiation power associated with an increase in absorption in the reflective layer (Example 5).
Когда отражающий слой расположен на пути потоков излучения накачки, интенсивность которых на поверхности лазерного стержня составляет менее 0,7 ее максимального значения (при этом удельная площадь каждой из полос составляет более 0,2), а коэффициент отражения близок к максимальному, наблюдается более чем 10% -ное снижение мощности излучения, связанное с большой удельной площадью слоя, слабо пропускающего излучение накачки (пример 8). When the reflecting layer is located on the path of the pump radiation fluxes, the intensity of which on the surface of the laser rod is less than 0.7 of its maximum value (in this case, the specific area of each of the bands is more than 0.2) and the reflection coefficient is close to the maximum, more than 10 % reduction in radiation power associated with a large specific area of the layer, weakly transmitting pump radiation (example 8).
На фиг. 1 схематически изображен излучатель твердотельного лазера; на фиг. 2 приведена диаграмма распределения интенсивности первичных световых потоков излучения накачки по периметру поперечного сечения лазерного стержня в осветителе эллиптического сечения (а в соответствии с прототипом, б в соответствии с примером 1); на фиг. 3 изображены участки поверхности поперечного сечения лазерного стержня на поверхности поперечного сечения, коаксиальной лампе накачки; на фиг. 4 схематически изображена лампа накачки; на фиг. 5 схематически изображен осветитель излучателя лазера с отражающим слоем, расположенным на поверхности лампы накачки, поперечное сечение; на фиг. 6 отражатель осветителя лазера с отражающим слоем; на фиг. 7 осветитель лазера с отражающим слоем, расположенным на поверхности канала охлаждения лампы, поперечное сечение; на фиг. 8 приведена диаграмма азимутального распределения угловой силы излучения лазера. В таблице приведены характеристики излучения лазера. In FIG. 1 schematically shows a solid-state laser emitter; in FIG. 2 shows a diagram of the intensity distribution of the primary light fluxes of the pump radiation along the perimeter of the cross section of the laser rod in the illuminator of elliptical cross section (and in accordance with the prototype, b in accordance with example 1); in FIG. 3 shows sections of a cross-sectional surface of a laser rod on a cross-sectional surface of a coaxial pump lamp; in FIG. 4 schematically shows a pump lamp; in FIG. 5 schematically shows a illuminator of a laser emitter with a reflective layer located on the surface of the pump lamp, a cross section; in FIG. 6 reflector of a laser illuminator with a reflective layer; in FIG. 7 laser illuminator with a reflective layer located on the surface of the lamp cooling channel, cross section; in FIG. Figure 8 shows a diagram of the azimuthal distribution of the angular strength of the laser radiation. The table shows the characteristics of laser radiation.
Излучатель твердотельного лазера содержит выходное 1 (фиг. 1) и глухое 2 зеркала резонатора, отражатель осветителя 3 цилиндрической формы эллиптического сечения с зеркально отражающим излучение лампы накачки покрытием 4, прямую трубчатую лампу 5 накачки и лазерный стержень 6. Лампа 5 накачки и лазерный стержень 6 установлены в отражатель осветителя 3 параллельно его образующей и друг другу. Отражатель осветителя 3 имеет каналы для охлаждения лампы накачки и лазерного стержня, поверхности 7 и 8 каналов полированы. The solid-state laser emitter contains an output 1 (FIG. 1) and a
Для отражателя осветителя эллиптического сечения с размерами большой и малой осей 30,5 и 28 мм соответственно и диаметром лампы накачки 5 мм (лампа ДНП 5/38) распределение интенсивности первичных световых потоков излучения накачки по периметру поперечного сечения лазерного стержня показано на фиг. 2а. For a reflector of an illuminator of elliptical section with dimensions of the major and minor axes of 30.5 and 28 mm, respectively, and a diameter of a pump lamp of 5 mm (
Интенсивность световых потоков, превышающая уровень 0,7 ее максимальной величины, образует две дуги 9. Относительное распределение интенсивности излучения накачки по периметру поперечного сечения лазерного стержня не меняется вдоль его длины и, таким образом, интенсивность, превышающая уровень 0,7, распределена на его боковой поверхности в виде двух продольных полос. The intensity of the light flux exceeding the level 0.7 of its maximum value forms two
Участки 9 (фиг. 2) поверхности поперечного сечения лазерного стержня на поверхности поперечного сечения, коаксиальной лампе накачки в отражателе осветителя эллиптического сечения, показаны на фиг. 3. Их построение проводится с помощью лучей 10, характеризующих геометрический ход лучей в полости эллиптического сечения. Изображение участков 9 (фиг. 2, 3) боковой поверхности лазерного стержня 6 (фиг. 3), освечиваемых излучением накачки с интенсивностью, превышающей уровень 0,7 ее максимальной величины, на коаксиальной лампе накачки поверхности 11 образует в поперечном сечении две зеркально-симметрично расположенные дуги 12 длиной, не превышающей 0,2 периметра каждая, причем угол α между нормалью 13, проходящей через середину дуги 12, и направлением от оси 14 лампы накачки к оси лазерного стержня 6 составляет ≈66о. Аналогично в виде двух дуг длиной, не превышающей 0,1 периметра поперечного сечения коаксиальной лампе накачки поверхности, образуется изображение участков поверхности лазерного стержня, освечиваемых интенсивностью, превышающей уровень 0,9 ее максимальной величины, причем угол α между нормалью 13, проходящей через середину каждой из этих дуг, и направлением от оси 14 лампы накачки к оси лазерного стержня 6 составляет ≈ 58о. Так как излучение накачки с соответствующей интенсивностью распределено на боковой поверхности лазерного стержня в виде двух продольных полос, то и изображение их на коаксиальной лампе накачки поверхности также распределено в виде двух продольных полос с площадью 0,1-0,2 площади коаксиальной поверхности каждая.Sections 9 (FIG. 2) of the cross-sectional surface of the laser rod on the cross-sectional surface of the coaxial pump lamp in the reflector of the illuminator of elliptical cross section are shown in FIG. 3. Their construction is carried out using
В использованной конструкции осветителя имеются две поверхности, коаксиальные лампе накачки, на которых возможно разместить отражающий слой: поверхность собственно лампы 5 накачки (фиг. 1) и поверхность 7 канала охлаждения лампы накачки. В связи с этим реализованы две модификации предлагаемой конструкции излучателя. In the used design of the illuminator, there are two surfaces, coaxial to the pump lamp, on which it is possible to place a reflective layer: the surface of the
Две продольные части 15 (фиг. 4а) боковой поверхности лампы 5 накачки имеют отражающий излучение накачки слой с коэффициентом отражения 0,5-1, выполнены в виде полос вдоль ее образующей с удельной площадью 0,1-0,2 каждая так, что угол β (фиг. 4б) между нормалями 16 к ее боковой поверхности, проходящими через середину дуг 17, образованных на периметре поперечного сечения лампы накачки полосами 15 (фиг. 4а), равен углу 2 α (фиг. 3) и составляет 124±8о. Лампа 5 накачки (фиг. 5) установлена в отражатель осветителя 3 так, что угол между нормалью 16 к ее боковой поверхности, проходящей через середину дуги 17, и направлением 18 от оси лампы накачки к оси лазерного стержня 6 равен углу α (фиг. 3) и составляет 62± 4о.The two longitudinal parts 15 (Fig. 4a) of the side surface of the
Две продольные части 19 (фиг. 6) поверхности 7 канала охлаждения лампы накачки отражателя осветителя 3 имеют отражающий излучение накачки слой с коэффициентом отражения 0,5-1 и выполнены в виде полос вдоль ее образующей с удельной площадью 0,1-0,2 каждая так, что угол φ (фиг. 7) между нормалью 20, проходящей через середину дуги 21, образованной на периметре поперечного сечения поверхности 7 полосой 19 (фиг. 6), и направлением 18 (фиг. 7) от оси лампы 5 накачки к оси лазерного стержня 6 равен углу α (фиг. 3) и составляет 62± 4о.Two longitudinal parts 19 (Fig. 6) of the
П р и м е р 1. Излучатель твердотельного непрерывного лазера содержит зеркала 1, 2 (фиг. 1) резонатора, отражатель осветителя 3, представляющий собой кварцевый цилиндр моноблочной конструкции эллиптического сечения с покрытием 4, зеркально отражающим излучение лампы накачки, прямую трубчатую лампу 5 накачки типа ДНП 5/38 А лазерный стержень 6 из алюмо-иттриевого граната, активированного ионами неодима (АИГ:Nd3+) типа ГП4х65 (ГС 4х65). Для размещения и охлаждения лампы накачки и лазерного стержня отражатель осветителя имеет каналы кругового сечения, поверхности 7 и 8 которых полированы. Глухое зеркало 2 резонатора сферическое с радиусом кривизны 0,8 м и коэффициентом отражения 0,99 на длине волны генерирования λ=1,064 мкм. Выходное зеркало 1 резонатора плоское с коэффициентом отражения 0,95 на длине волны генерирования. Расстояние между зеркалами составляет 140±5 мм.PRI me
Для охлаждения лазерного стержня, лампы накачки и отражателя и для фильтрации ультрафиолетового излучения лампы накачки применяется 1%-ный раствор хромовокислого калия в дистиллированной воде. Источником питания лампы накачки служит источник тока типа МИТ-47. Измерение мощности излучения проводится с помощью измерителя средней мощности и энергии лазерного излучения ИМО-2Н. Пространственно-энергетические характеристики излучения определяются в дальней зоне (в фокальной плоскости линзы, расположенной вблизи выходного зеркала излучателя) путем измерения интенсивности излучения, прошедшего через диафрагму при сканировании ее в поперечном сечении лазерного пучка. A 1% solution of potassium chromate in distilled water is used to cool the laser rod, pump lamp, and reflector and to filter the ultraviolet radiation of the pump lamp. The pump lamp power source is a current source of the MIT-47 type. Measurement of radiation power is carried out using a meter of average power and laser radiation energy IMO-2N. The spatial and energy characteristics of radiation are determined in the far zone (in the focal plane of the lens, located near the output mirror of the emitter) by measuring the intensity of radiation transmitted through the diaphragm when scanning it in the cross section of the laser beam.
Измеряются мощность излучения Р (Вт), сила излучения на оси диаграммы направленности I0(Вт˙стер-1) и угловая сила излучения I' (Вт˙стер-1) при мощности накачки 1200 Вт. Азимутальное распределение угловой силы излучения определяется под углами 10' и 19' к оси диаграммы направленности. При данных углах к осевому направлению средние по азимуту значения угловой силы излучения соответствуют примерно уровням 0,8 и 0,4 осевой силы излучения соответственно. Относительная ошибка измерений мощности излучения не превышает 5% угловой и осевой силы излучения 10%
Распределение интенсивности оптического излучения накачки на боковой поверхности лазерного стержня определяется фотометрическим методом. На фиг. 2 приведена диаграмма (а) распределения интенсивности первичных световых потоков излучения накачки на боковой поверхности лазерного стержня (по периметру его поперечного сечения) для излучателя, выбранного в качестве прототипа.The radiation power P (W), the radiation force on the axis of the radiation pattern I 0 (W˙ster -1 ) and the angular radiation force I ' (W˙ster -1 ) are measured at a pump power of 1200 W. The azimuthal distribution of the angular strength of the radiation is determined at
The intensity distribution of the optical pump radiation on the side surface of the laser rod is determined by the photometric method. In FIG. 2 shows a diagram (a) of the intensity distribution of the primary light fluxes of the pump radiation on the side surface of the laser rod (along the perimeter of its cross section) for the emitter selected as a prototype.
Две продольные части 15 (фиг. 4а) боковой поверхности лампы 5 накачки имеют серебряное покрытие в виде полос, направленных вдоль образующей. Угол β (фиг. 4б) равен углу 2 α (фиг. 3) и составляет 124±8о. Площадь каждой из этих полос составляет δ=0,16 площади боковой поверхности. Серебряное покрытие нанесено путем термического напыления в вакууме. Время напыления 3-14 с. Коэффициенты отражения R и пропускания Т определяются на спектрофотометре (по образцу-свидетелю) и составляют 0,82 и 0,12 соответственно. Коэффициент поглощения при этом А=1-(Р+Т)=0,06.Two longitudinal parts 15 (Fig. 4a) of the side surface of the
Лампа 5 накачки (фиг. 5) устанавливается в отражатель осветителя 3 так, что угол γсоставляет 62±4о. При этом каждая из отражающих полос 15 (фиг. 4а) расположена на пути потоков излучения накачки, интенсивность ΔI которых составляет не менее 0,8 ее максимального значения по периметру поперечного сечения лазерного стержня. Распределение интенсивности оптического излучения накачки по периметру боковой поверхности лазерного стержня в данной конструкции излучателя показано на фиг. 2б. Видно существенное изменение (сглаживание) распределения световых потоков относительно исходного (по прототипу) распределения.Lamp pump 5 (FIG. 5) is installed in the
После предварительной юстировки элементов излучателя, подачи охлаждения, включения лампы накачки и динамической юстировки элементов излучателя по максимальной мощности излучения определяются мощность излучения Р, угловая I' и осевая Iо силы излучения. Однородность распределения поля излучения лазера характеризуется коэффициентом сжатия θ азимутального распределения угловой силы излучения: под углом 10' к оси диаграммы направленности θ10= Iy 10/Ix 10, под углом 19' к оси диаграммы направленности θ19=Iy 19/Ix 19, где Iy kиIx k минимальные и максимальные значения угловой силы излучения соответственно. Для данной конструкции излучателя мощность излучения Р=1, а коэффициенты сжатия θ10=0,88 и θ19=0,96 (таблица).After preliminary adjustment of the emitter elements, cooling supply, switching on of the pump lamp and dynamic adjustment of the emitter elements, the radiation power P, angular I ' and axial I of the radiation force are determined from the maximum radiation power. The uniformity of the distribution of the laser radiation field is characterized by the compression coefficient θ of the azimuthal distribution of the angular radiation force: at an angle of 10 ' to the axis of the radiation pattern θ 10 = I y 10 / I x 10 , at an angle of 19 ' to the axis of the radiation pattern θ 19 = I y 19 / I x 19 , where I y k and I x k are the minimum and maximum values of the angular strength of radiation, respectively. For this design of the emitter, the radiation power is P = 1, and the compression coefficients are θ 10 = 0.88 and θ 19 = 0.96 (table).
На фиг. 8 показана диаграмма азимутального распределения угловой силы излучения. Для данного примера θ10=0,88 (22, фиг. 8). Длина радиуса-вектора 23 на диаграмме соответствует относительной угловой силе лазерного излучения.In FIG. 8 shows a diagram of the azimuthal distribution of the angular strength of the radiation. For this example, θ 10 = 0.88 (22, Fig. 8). The length of the
П р и м е р 2. Аналогичен примеру 1, за исключением местоположения отражающего слоя. Две продольные части 19 (фиг. 6) поверхности 7 канала охлаждения лампы накачки отражателя осветителя 3 имеют серебряное покрытие в виде полос, направленных вдоль образующей. Коэффициенты отражения R и пропускания Т определяются по образцу-свидетелю и составляют 0,76 и 0,18 соответственно. Коэффициент поглощения при этом А=0,06. Площадь каждой из этих полос составляет δ0,15 площади поверхности 7. Угол φ (фиг. 7) между нормалью 20, проходящей через середину дуги 21, образованной на поперечном сечении поверхности 7 полосой 19 (фиг. 6), и направлением 18 (фиг. 7) от оси лампы 5 накачки к оси лазерного стержня 6 равен углу α (фиг. 3) и составляет 62±4о. При этом каждая из отражающих полос 19 (фиг. 6) расположена на пути потоков излучения накачки, интенсивность ΔI которых превышает 0,8 ее максимального значения по периметру поперечного сечения лазерного стержня. В этом случае коэффициенты сжатия азимутального распределения угловой силы излучения θ10=0,90 и θ19= 0,97, а относительная мощность лазерного излучения Р=0,98 (таблица).PRI me
В примерах 1 и 2 получены практически одинаковые характеристики лазерного излучения при практически одинаковых характеристиках отражающего слоя, расположенного на различных, но коаксиальных лампе накачки поверхностях. In examples 1 and 2, almost identical characteristics of laser radiation were obtained with almost identical characteristics of the reflecting layer located on different but coaxial pump lamps surfaces.
Примеры 3-8 аналогичны примеру 1, за исключением коэффициента отражения отражающих полос и диапазонов относительной интенсивности ΔI потоков излучения накачки по периметру поперечного сечения лазерного стержня, на пути которых расположены отражающие полосы с соответствующей этим диапазонам удельной площадью δ. Результаты приведены в таблице. Examples 3-8 are similar to example 1, except for the reflection coefficient of the reflecting bands and the ranges of the relative intensity ΔI of the pump radiation fluxes around the perimeter of the cross section of the laser rod, on the path of which are reflecting bands with a specific area δ corresponding to these ranges. The results are shown in the table.
Для сравнения изобретения проведены измерения мощности и распределения поля излучения лазера с излучателем, изготовленным в соответствии с прототипом [5] содержащим отражатель осветителя эллиптического сечения с размерами большой и малой осей 30,5 и 28 мм соответственно и лазерный стержень типа ГС 4х65 с оптически однородной шлифованной (матированной) боковой поверхностью. Результаты измерений приведены в таблице. To compare the invention, measurements were made of the power and distribution of the laser radiation field with an emitter made in accordance with the prototype [5] containing an elliptical illuminator reflector with dimensions of the major and minor axes 30.5 and 28 mm, respectively, and a GS 4x65 laser rod with optically uniform polished (frosted) side surface. The measurement results are shown in the table.
Из таблицы видно, что азимутальная однородность распределения поля лазерного излучения в угле ≈10' (коэффициент сжатия θ10) повышается на 52-100% по отношению к прототипу, а в угле ≈19' (коэффициент сжатия θ19) повышается на 64-92% с незначительным изменением мощности в случаях, когда продольные участки коаксиальной лампе накачки поверхности с отражающим слоем расположены на пути потоков излучения накачки, интенсивность ΔI которых на поверхности лазерного стержня составляет не менее 0,7-0,9 ее максимального значения по периметру его поперечного сечения, что соответствует удельной площади коаксиальной лампе накачки поверхности δ=0,1-0,2, а коэффициент отражения R этих участков не менее 0,5 (примеры 1, 2, 3, 4, 7).The table shows that the azimuthal uniformity of the distribution of the laser radiation field in the angle ≈10 ' (compression ratio θ 10 ) increases by 52-100% relative to the prototype, and in the angle ≈19 ' (compression ratio θ 19 ) increases by 64-92 % with a slight change in power in cases when the longitudinal sections of the coaxial pump lamp of the surface with a reflecting layer are located on the path of the pump radiation flux, the intensity ΔI of which on the surface of the laser rod is at least 0.7-0.9 of its maximum value along its perimeter cross section, which corresponds to the specific area of the coaxial surface pump, δ = 0.1-0.2, and the reflection coefficient R of these sections is not less than 0.5 (examples 1, 2, 3, 4, 7).
Выход за пределы диапазона относительной интенсивности ΔI существенно (более чем на 10%) снижает мощность излучения (пример 8) и не обеспечивает достижение задачи (пример 6). Выход за пределы коэффициента отражения отражающего слоя существенно снижает как положительный эффект, так и мощность излучения (пример 5). Последнее связано с существенным ростом коэффициента поглощения отражающего слоя из серебра при уменьшении его коэффициента отражения. В примере 5 при R=0,43 коэффициент поглощения А=0,16. Going beyond the range of relative intensity ΔI significantly (more than 10%) reduces the radiation power (example 8) and does not ensure the achievement of the task (example 6). Going beyond the reflectance of the reflecting layer significantly reduces both the positive effect and the radiation power (example 5). The latter is associated with a significant increase in the absorption coefficient of the reflecting layer of silver with a decrease in its reflection coefficient. In example 5, at R = 0.43, the absorption coefficient A = 0.16.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU5041058 RU2040088C1 (en) | 1992-05-05 | 1992-05-05 | Emitter of solid laser |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU5041058 RU2040088C1 (en) | 1992-05-05 | 1992-05-05 | Emitter of solid laser |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2040088C1 true RU2040088C1 (en) | 1995-07-20 |
Family
ID=21603672
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SU5041058 RU2040088C1 (en) | 1992-05-05 | 1992-05-05 | Emitter of solid laser |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2040088C1 (en) |
-
1992
- 1992-05-05 RU SU5041058 patent/RU2040088C1/en active
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| 1. Ананьев Ю.А. Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения. М.: Наука, 1979, с. 328. * |
| 2. Еременко А.С. и др. Осветитель с диффузно отражающим слоем системы накачки твердотельного оптического квантового генератора. - Квантовая электроника. /Под ред. Н.Г. Басова, 1973, N 5 (17), с.124-126. * |
| 3. Заявка Японии N 60-95586, кл. H 01S 3/093, 1985. * |
| 4. Заявка Японии N 60-97682, кл. H 01S 3/093, 1985. * |
| 5. Заявка Франции N 2212659, кл. H 01S 3/05, 1974. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6323601B1 (en) | Reflector for an ultraviolet lamp system | |
| CA2047086C (en) | Diffusion reflector | |
| US4924357A (en) | Light source unit for a business machine | |
| EP1194718B1 (en) | Collecting and condensing optical system using cascaded parabolic reflectors | |
| US4035742A (en) | Device for optical pumping solid state lasers | |
| US6312144B1 (en) | Optical system having retro-reflectors | |
| CN108459409B (en) | Lighting device and endoscope with same | |
| KR20020059765A (en) | Coupling of high intensity light into low melting point optical fibers | |
| EP0972322A1 (en) | Compact, highly efficient laser pump cavity | |
| EP0883889A1 (en) | Novel daylight lamp | |
| RU2040088C1 (en) | Emitter of solid laser | |
| US6336738B1 (en) | System and method for high intensity irradiation | |
| US20210259771A1 (en) | Light radiating device | |
| RU2372606C1 (en) | Miniature multipass mirror optical cell | |
| EP0741923B1 (en) | Optically pumped laser apparatus | |
| EP2589857A1 (en) | Light source apparatus and pseudo-sunlight irradiating apparatus provided with same | |
| WO2005114265A1 (en) | Light flux transformer | |
| US4374365A (en) | Method and apparatus for producing 360 degree radiation with static components | |
| FI117492B (en) | Light emitting device and method for directing light | |
| SU1636896A1 (en) | Gaseous-discharge lamp | |
| SU1721681A1 (en) | Quantron of solid-stage laser | |
| US6721347B2 (en) | Solid state laser apparatus | |
| KR100272728B1 (en) | Pumping apparatus for a laser diode pumped solid-state laser | |
| RU2093920C1 (en) | Lighting unit | |
| Bafile et al. | Ray-tracing analysis of pumping reflectors for slab lasers |