RU2076415C1

RU2076415C1 - Quantitron

Info

Publication number: RU2076415C1
Application number: RU93033879A
Authority: RU
Inventors: Ю.В. Иванов; Б.И. Кривов; В.Н. Рождествин
Priority date: 1993-07-01
Filing date: 1993-07-01
Publication date: 1997-03-27

Abstract

FIELD: laser engineering. SUBSTANCE: quantitron reflector is formed from optically coupled pumping modules of active elements. Optical coupling coefficients of modules is varied due to reflecting coatings on module partitions or due to use of optical-filter partition. Use may be made of continuous or pulsed pumping lamps and various types of active elements. EFFECT: improved design. 2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в технологии обработки различных материалов. The invention relates to laser technology and can be used in the processing technology of various materials.

Известен квантрон содержащий один активный элемент и одну лампу накачки (импульсную или непрерывную), расположенные в общем отражателе [1, 2] один активный элемент и 12 импульсных ламп накачки в едином отражателе [3] 3 активных элемента и одну импульсную лампу накачки в едином отражателе [4]
Наиболее близким техническим решением является квантрон, содержащий общий отражатель с активными элементами, одной импульсной лампой накачки и перегородками в виде диффузно рассеивающих прорезей между активными элементами, продольные оси которых параллельны [5]
Предлагаемое техническое решение отличается тем, что общий отражатель и отражающие перегородки образуют оптически связанные самостоятельные модули с коэффициентом оптической связи, определяемым из соотношения:

где К_{опт.св.ij} коэффициент оптической связи j-го модуля с i-м;
T(x,y,λ) спектральные коэффициенты пропускания элемента отражающей перегородки, изменяющиеся в диапазоне 0-1 за счет нанесения на перегородку отражающих покрытий или изготовления перегородок из оптических фильтров с соответствующим коэффициентом пропускания;
I(x,y,λ) спектральная интенсивность излучения накачки, падающего на поверхность отражающей перегородки со стороны i-го модуля;
P(λ) мгновенные значения мощности накачки в соответствующем спектре излучения;
а также тем, что в некоторых модулях лампы накачки непрерывные, а в остальных импульсные.Known is a quantron containing one active element and one pump lamp (pulsed or continuous) located in a common reflector [1, 2] one active element and 12 flash pump lamps in a single reflector [3] 3 active elements and one pulse pump lamp in a single reflector [4]
The closest technical solution is a quantron containing a common reflector with active elements, one flash pump lamp and partitions in the form of diffusely scattering slots between active elements, the longitudinal axes of which are parallel [5]
The proposed technical solution is characterized in that the common reflector and reflective partitions form optically coupled independent modules with an optical coupling coefficient determined from the relation:

where K _opt.sv.ij the optical coupling coefficient of the j-th module with the i-th;
T (x, y, λ) is the spectral transmittance of the reflective partition element, varying in the range 0-1 due to the application of reflective coatings to the partition or the manufacture of partitions from optical filters with the corresponding transmittance;
I (x, y, λ) is the spectral intensity of the pump radiation incident on the surface of the reflecting partition from the side of the i-th module;
P (λ) instantaneous values of the pump power in the corresponding emission spectrum;
as well as the fact that in some modules the pump lamps are continuous, and in the rest, pulsed.

Наличие существенных от прототипа отличий доказывает соответствие данного технического решения критерию "новизна". Указанные отличия неизвестны из научно-технической и патентной литературы и поэтому предложение соответствует критерию "уровень техники". The presence of significant differences from the prototype proves the compliance of this technical solution with the criterion of "novelty." These differences are unknown from the scientific, technical and patent literature and therefore the proposal meets the criterion of "prior art".

Сущность предлагаемого изобретения отражена на фиг. 1 5, где представлены варианты выполнения квантрона. Основой представленных на фиг. 1 конфигураций являются цилиндрические и многоугольные схемы: треугольные, прямоугольные, гексогональные, где 1 активные элементы; 2 лампы накачки; 3 отражатель; 4 и 5 перегородки между оптическими модулями с отражающими поверхностями; 6 12 оптически связанные модули. The essence of the invention is shown in FIG. 1 5, which presents the options for performing quantron. The basis of FIG. 1 configurations are cylindrical and polygonal schemes: triangular, rectangular, hexagonal, where 1 active elements; 2 lamp lamps; 3 reflector; 4 and 5 of the partition between the optical modules with reflective surfaces; 6 12 optically coupled modules.

Квантрон, представленный на фиг. 2, содержит шесть оптически связанных модулей 6 11, выполненных в виде общего цилиндрического отражателя 5 с активными элементами 1, лампами накачки 2 и с установленными в нем по радиусам перегородками 3 с нанесенными на их поверхности отражающими покрытиями с коэффициентом отражения более 0,98, образующие сектора с пересекающимися в центре цилиндрического отражателя осями, и оптического фильтра 4 в виде цилиндрического стержня или трубки, выполненного из материала с коэффициентом пропускания в требуемом спектральном диапазоне накачки, варьируемом от 0 для случая полностью отражающего материала до 1, например при отсутствии фильтра. The quantron shown in FIG. 2, contains six optically coupled modules 6 11, made in the form of a common cylindrical reflector 5 with active elements 1, pump lamps 2 and with baffles 3 installed on it along the radii, with reflective coatings deposited on their surface with a reflection coefficient of more than 0.98, forming sectors with axes intersecting in the center of the cylindrical reflector, and optical filter 4 in the form of a cylindrical rod or tube made of a material with a transmittance in the desired spectral range of the pump, Rui from 0 for the case of totally reflecting material 1, e.g., in the absence of the filter.

Отражатель квантрона может быть выполнен (фиг. 3) в виде шести отдельных, оптически связанных секторных модулей 6 11, имеющих отражатели 5, полностью отражающие поверхности 3 и поверхности 4, на которые наносится отражающее покрытие с варьируемым коэффициентом пропускания. В случае, если на поверхности 4 нанесено покрытие с коэффициентом пропускания равным 0, то оптические модули являются оптически развязаны по излучению накачки. В модулях установлены по одному активному элементу 1 и по одной лампе накачки 2 с осями, параллельными между собой, образующим линиям отражателей и отражающим поверхностям. The quantron reflector can be made (Fig. 3) in the form of six separate, optically coupled sector modules 6 11, having reflectors 5, fully reflecting surfaces 3 and surfaces 4, on which a reflective coating with a variable transmittance is applied. If surface 4 is coated with a transmittance equal to 0, then the optical modules are optically isolated from the pump radiation. The modules are equipped with one active element 1 and one pump lamp 2 with axes parallel to each other, forming lines of reflectors and reflective surfaces.

В модулях 6 и 7 (на фиг. 3) лампы накачки непрерывные, а в остальных модулях 8 11 лампы накачки импульсные. Лампы накачки имеют собственные источники питания. Конструктивно отражатель, активные элементы, лампы накачки объединены в общем корпусе, в котором выполнены система подвода электропитания ламп накачек и система охлаждения элементов квантрона. In modules 6 and 7 (in Fig. 3), the pump lamps are continuous, and in the remaining modules 8 11, the pump lamps are pulsed. Pump lamps have their own power sources. Structurally, the reflector, active elements, and pump lamps are combined in a common housing, in which a power supply system for pump lamps and a cooling system for quantron elements are made.

Возможны различные варианты сочетаний типов используемых активных элементов и ламп накачки. Например, в модулях 6, 7 и 9 активные элементы из АИГ: Nd длина волны формируемого излучения 1,064 мкм либо 1,32 мкм, в модулях 10 и 11 активные элементы из рубина длина волны 0,694 мкм, в модуле 8 активный элемент из иттэрбиевого граната с длиной волны излучения 2,5 мкм. Various combinations of the types of active elements used and pump lamps are possible. For example, in modules 6, 7 and 9, active elements from AIG: Nd wavelength of the generated radiation is 1.064 μm or 1.32 μm, in modules 10 and 11 active elements from ruby wavelength 0.694 μm, in module 8 an active element from ytterbium garnet with radiation wavelength of 2.5 microns.

Использование оптической связи между модулями позволяет наиболее эффективно использовать энергию оптической накачки и реализовать промежуточные импульсно-непрерывные режимы накачки. The use of optical coupling between the modules allows the most efficient use of optical pump energy and the implementation of intermediate pulse-continuous pump modes.

Квантрон, представленный на фиг. 4, содержит два оптически связанных модуля 8 и 9, выполненные в виде общего цилиндрического отражателя 7, разделенного пополам перегородкой 3 с нанесенным на ее поверхность 4 отражающем покрытием с коэффициентом отражения, близким к 1, и поверхностью 5, на которую наносится отражающее покрытие с коэффициентом отражения меньше 1, причем для получения коэффициента отражения поверхности 5 равного нулю она может быть выполнена в виде отверстия в разграничивающей модули перегородке. В модулях также установлены перегородки 6 с коэффициентом отражения, близким к 1, перпендикулярные перегородке 3 и образующие внутреннюю полость модулей в виде усеченного полуцилиндра. В каждом модуле установлены по три активных элемента 1 и по две лампы накачки 2. В модуле 8 лампы накачки непрерывные, а в модуле 9 импульсные. The quantron shown in FIG. 4, contains two optically coupled modules 8 and 9, made in the form of a common cylindrical reflector 7, divided in half by a partition 3 with a reflective coating deposited on its surface 4 with a reflection coefficient close to 1, and a surface 5 on which a reflective coating is applied with a coefficient reflection is less than 1, and to obtain a reflection coefficient of surface 5 equal to zero, it can be made in the form of a hole in the partition delimiting the modules. The modules also have partitions 6 with a reflection coefficient close to 1, perpendicular to the partition 3 and forming the internal cavity of the modules in the form of a truncated half-cylinder. In each module, three active elements 1 and two pump lamps 2 are installed. In module 8, the pump lamps are continuous, and in module 9, pulsed.

Конструктивно квантрон может быть выполнен в виде отдельных модулей, отражатели которых имеют в сечении форму усеченного круга, установленных в общем корпусе. Structurally, the quantron can be made in the form of separate modules, the reflectors of which are in cross section the shape of a truncated circle, installed in a common housing.

Могут быть различными сочетания активных элементов и ламп накачек. Например, в модуле 9 установлены активные элементы из стекла с неодимом, рубина и алюмината иттрия вместе с импульсными лампами накачки, в модуле 8 - АИГ: Nd и непрерывные лампы накачки. Оптические фильтры должны обеспечивать необходимый коэффициент оптической связи между модулями в спектральных диапазонах накачки, соответствующих типу активных элементов. Combinations of active elements and pump lamps may be different. For example, module 9 contains active elements made of glass with neodymium, ruby and yttrium aluminate together with flash pump lamps, and module 8 contains AIG: Nd and continuous pump lamps. Optical filters should provide the necessary coefficient of optical coupling between the modules in the spectral ranges of the pump corresponding to the type of active elements.

В сложных системах отражающие поверхности модулей могут иметь произвольную огибающую, например эллиптическую, обеспечивающую наибольшее значение коэффициента передачи излучения от ламп накачек к активным элементам. In complex systems, the reflective surfaces of the modules can have an arbitrary envelope, for example, elliptical, which provides the highest value of the transmittance of radiation from pump lamps to active elements.

Коэффициент оптической связи между модулями варьируется в пределах от 0 до 1, исходя из необходимой степени влияния излучения данного типа (непрерывного или импульсного) одного модуля на активный(е) элемент(ы) другого (других) модулей. The optical coupling coefficient between the modules varies from 0 to 1, based on the necessary degree of influence of radiation of a given type (continuous or pulsed) of one module on the active (e) element (s) of the other (other) modules.

Возможно как независимое, так и совместное использование в работе различного количества модулей импульсного и непрерывного типа, что позволяет значительно расширить диапазон режимов работы квантрона. Так для квантрона с конфигурацией, представленной на фиг. 3, возможны следующие режимы работы с временными зависимостями мощности излучения (фиг. 5), где:
1) включена только непрерывная лампа модуля 6, при этом может формироваться непрерывное излучение с мощностью Р1, длиной волны λ₁=1,06 мкм,
2) работает только импульсная лампа модуля 9, формируются периодические импульсы с энергией W2, длительностью τ₂ и частотой следования F2, длиной волны λ₂=1,32 мкм,
3) работает только импульсная лампа модуля 10, формируются периодические импульсы с энергией W3, длительностью τ₃ и частотой следования F3 F2, длиной волны λ₃=0,694 мкм, с задержкой относительно модуля 9 на время t', которое может быть различным в зависимости от требуемой временной структуры излучения,
4) одновременно работают модули 6 и 9,
5) одновременно работают модули 6, 9 и 10, формируется излучение со сложной временной структурой, которую очень сложно получить, используя только один модуль, и т.д.It is possible both independent and joint use in work of a different number of pulse and continuous type modules, which can significantly expand the range of quantron operating modes. So for a quantron with the configuration shown in FIG. 3, the following modes of operation with time dependences of the radiation power are possible (Fig. 5), where:
1) only a continuous lamp of module 6 is turned on, while continuous radiation can be formed with a power of P1, wavelength λ ₁ = 1.06 μm,
2) only a pulsed lamp of module 9 works, periodic pulses with an energy of W2, a duration of τ ₂ and a repetition rate of F2, a wavelength of λ ₂ = 1.32 μm are formed,
3) only a pulsed lamp of module 10 works, periodic pulses are generated with energy W3, duration τ ₃ and repetition rate F3 F2, wavelength λ ₃ = 0.694 μm, with a delay relative to module 9 for a time t ', which can be different depending on the required temporal structure of the radiation,
4) modules 6 and 9 work simultaneously,
5) at the same time, modules 6, 9 and 10 work, radiation is formed with a complex temporal structure, which is very difficult to obtain using only one module, etc.

Вариацией моментами включения и выключения отдельных модулей и параметрами накачки по каждому из них возможно получать сложные огибающие для суммарной мощности генерации. By varying the on and off times of individual modules and the pump parameters for each of them, it is possible to obtain complex envelopes for the total lasing power.

При различных сочетаниях материалов активных элементов и типов ламп накачки кроме сложной временной зависимости выходной мощности формируется смешанная спектральная структура излучения. Так для случая 5 на фиг. 5 одновременно формируется излучение с комбинированным спектральным составом (длины волн 1,064 мкм, 1,32 мкм и 0,694 мкм). With various combinations of materials of active elements and types of pump lamps, in addition to a complex time dependence of the output power, a mixed spectral structure of radiation is formed. So for case 5 in FIG. 5, radiation with a combined spectral composition is formed simultaneously (wavelengths 1.064 μm, 1.32 μm and 0.694 μm).

Следует отметить, что выполнение квантронов предложенного вида требует соответствующей оптимизации резонаторов для модулей, работающих в разных режимах и для отдельных каналов модулей, имеющих активные элементы разных типов. It should be noted that the implementation of the quantrons of the proposed type requires appropriate optimization of the resonators for modules operating in different modes and for individual channels of modules having active elements of different types.

Квантроны данного типа сохраняют основные достоинства квантронов с системой накачки типа "световой котел": повышенную эффективность накачки, малые габариты и вес устройства, небольшие суммарные размеры излучающей апертуры, сниженные требования на оптическую стойкость элементов в трактах генерации, усиления и распространения излучения. Quantrons of this type retain the main advantages of quantrons with a "light boiler" type pump system: increased pump efficiency, small dimensions and weight of the device, small total dimensions of the emitting aperture, reduced requirements for the optical resistance of elements in the generation, amplification, and propagation paths of radiation.

Claims

1. A quantron containing a common reflector and active elements and pump lamps located in it, the longitudinal axes of which are parallel and which are installed between the active elements in planes parallel to their axes, and partitions, characterized in that the common reflector with reflective partitions form optically coupled independent modules with an optical coupling coefficient determined from the relation

where K _opt.sv.ij the optical coupling coefficient of the j-th module with the i-th;
T (x, y, λ) is the spectral transmittance of the reflective partition element, varying in the range 0-1 due to the application of reflective coatings to the partition or the manufacture of partitions from optical filters with the corresponding transmittance;
I (x, y, λ) is the spectral intensity of the pump radiation incident on the surface of the reflecting partition from the side of the i-th module;
P (λ) instantaneous values of the pump power in the corresponding radiation spectrum,
while in some of them continuous pump lamps are located, and in the rest, pulsed.

2. The quantron according to claim 1, characterized in that the modules have various types of active elements grouped according to the permissible operating mode, pulse or continuous, and the maximum pump power.