RU2202846C2

RU2202846C2 - Laser

Info

Publication number: RU2202846C2
Authority: RU
Inventors: А.В. Сорокин; О.Б. Сторощук; В.А. Беренберг; В.П. Васильев; В.Г. Коровушкин
Original assignee: Открытое акционерное общество "Вологодский оптико-механический завод"
Priority date: 1986-05-21
Filing date: 1986-05-21
Publication date: 2003-04-20

Abstract

FIELD: laser engineering; solid-state pulsed periodic lasers. SUBSTANCE: solid-state laser has cavity accommodating pump lamp, naturally cooled active element mounted in optically transparent tubular holder, and diffuse reflector. Active element is asymmetrically installed in optically transparent tubular holder. Ratio of gap between upper part of active element relative to pump lamp and optically transparent tubular holder wall to gap between lower part of active element and tubular holder wall is chosen between 1/3 and 1/5. EFFECT: enhanced stability of directivity pattern and radiation energy. 3 dwg

Description

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в импульсно-периодических твердотельных лазерах с естественным охлаждением активного элемента. The invention relates to quantum electronics and can be used in pulse-periodic solid-state lasers with natural cooling of the active element.

Известен лазер (И.Ф. Балашов и др. Применение монокристаллических труб для выравнивания температуры в активной среде твердотельного лазера. Известия АН СССР. Серия физическая, т.44, 2, 1980, с.393-396), в отражателе которого расположены лампа накачки и активный элемент, соосно установленный с воздушным зазором в оптически прозрачную для излучения накачки сапфировую трубку. A well-known laser (IF Balashov and others. The use of single-crystal tubes to equalize the temperature in the active medium of a solid-state laser. Izvestiya AN SSSR. Physical Series, v. 44, 2, 1980, p. 393-396), in the reflector of which there is a lamp a pump and an active element coaxially mounted with an air gap into a sapphire tube optically transparent for pump radiation.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится то, что из-за притока тепла от нагретого баллона лампы на ближнюю к ней часть активного элемента в последнем возникают термооптические искажения, имеющие характер оптического клина. The reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using the known device include the fact that due to the influx of heat from the heated bulb of the lamp to the part of the active element closest to it, thermo-optical distortions occur in the form of an optical wedge.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков и выбранным за прототип является твердотельный лазер, в отражателе которого содержится лампа накачки, активный элемент, помещенный соосно внутрь теплопроводящей и прозрачной для излучения накачки сапфировой трубки, с концов которой осуществляется теплоотвод на корпус лазера (см. патент США 3676798). The closest device of the same purpose to the claimed invention in terms of features and selected for the prototype is a solid-state laser, in the reflector of which there is a pump lamp, an active element placed coaxially inside the heat-conducting and transparent for radiation pump radiation of the sapphire tube, from the ends of which heat is removed to the laser case (see U.S. Patent 3,667,798).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится то, что хотя и снижается общая температура активного элемента путем отвода тепла от сапфировой трубки на корпус лазера, однако не достигается полного выравнивания температуры по поверхности активного элемента. Преобладание притока тепла со стороны разогретого баллона лампы на ближнюю к ней часть активного элемента с неизбежностью приводит к термооптическим искажениям активного элемента. The reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using the known device include the fact that although the overall temperature of the active element is reduced by removing heat from the sapphire tube to the laser case, the temperature does not completely equalize over the surface of the active element. The predominance of heat influx from the side of the heated lamp bulb to the part of the active element closest to it inevitably leads to thermo-optical distortions of the active element.

Сущность изобретения заключается в повышении средней мощности излучения лазера и стабильности диаграммы направленности излучения путем уменьшения термических деформаций активного элемента и снижения его температуры. The essence of the invention is to increase the average laser radiation power and the stability of the radiation pattern by reducing thermal deformation of the active element and lowering its temperature.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в лазере, в отражателе которого установлены лампа накачки и активный элемент в оптически прозрачном для излучения накачки трубчатом держателе, контактирующими через диффузно-отражающее покрытие с корпусом лазера, активный элемент в трубчатом держателе смещен в сторону лампы накачки таким образом, что отношение величины зазора между верхней к лампе накачки частью активного элемента и стенкой трубчатого держателя к величине зазора между нижней частью активного элемента и стенкой трубчатого держателя лежит в пределах 1/3-1/5. The specified technical result during the implementation of the invention is achieved by the fact that in the laser, in the reflector of which the pump lamp and the active element are installed in the tube holder optically transparent for pump radiation, which contact through the diffuse-reflective coating with the laser housing, the active element in the tube holder is biased towards the lamp pumping so that the ratio of the gap between the upper to the pump lamp part of the active element and the wall of the tubular holder to the size of the gap between the lower part a tive element and the wall of the tubular holder is in the range 1 / 3-1 / 5.

На фиг. 1 изображена схема лазера, на фиг.2 - зависимость энергии излучения от времени работы: а) при соосной установке активного элемента в трубчатом держателе, б) при смещении активного элемента в трубчатом держателе в сторону лампы на оптимальную величину, определяемую отношением δ=1/3-1/5, на фиг.3 представлена зависимость отклонения диаграммы направленности излучения от времени работы лазера: кривая а - для случая установки активного элемента по центру (соосно) трубчатого держателя, б - для случая контакта (прижима) ближней от лампы накачки части активного элемента к трубчатому держателю, в - при смещении активного элемента в трубчатом держателе в сторону лампы накачки на оптимальную величину, определяемую отношением δ=1/3-1/5. In FIG. 1 shows a laser diagram, FIG. 2 shows the dependence of the radiation energy on the operating time: a) when the active element is coaxially mounted in the tube holder, b) when the active element is displaced in the tube holder toward the lamp by the optimal value, determined by the ratio δ = 1 / 3-1 / 5, Fig. 3 shows the dependence of the deviation of the radiation pattern from the laser operating time: curve a - for the case of the active element being installed in the center (coaxial) of the tubular holder, b - for the case of contact (pressure) of the part nearest to the pump lamp ak active element to the tubular holder, c - when the active element is displaced in the tubular holder towards the pump lamp by an optimal value determined by the ratio δ = 1 / 3-1 / 5.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем. Information confirming the possibility of carrying out the invention to obtain the above technical result are as follows.

Лазер содержит расположенный в резонаторе (условно не показан) активный элемент 1, асимметрично размещенный в оптически прозрачном трубчатом держателе 2, диффузный отражатель 3, лампу накачки 4, причем трубчатый держатель 2 и лампа накачки 4 контактируют каждый наполовину своего диаметра с корпусом диффузного отражателя 3. Диффузно отражающее покрытие с высоким интегральным коэффициентом отражения (не менее 96%) и достаточно хорошей теплопроводностью нанесено на металлический корпус 5 лазера. The laser contains an active element 1 located in the resonator (not shown conventionally), asymmetrically placed in an optically transparent tube holder 2, a diffuse reflector 3, a pump lamp 4, and the tube holder 2 and pump lamp 4 in contact each half of its diameter with the diffuse reflector case 3. A diffuse reflective coating with a high integrated reflection coefficient (at least 96%) and sufficiently good thermal conductivity is deposited on the metal housing 5 of the laser.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Тепловой поток от разогретого баллона лампы накачки 4 (при средней мощности накачки 150 Вт баллон нагревается до температуры 250-300^oС) направляется на активный элемент 1, помещенный в оптически прозрачном трубчатом держателе 2, изготовленном из теплопроводного материала. Трубчатый держатель 2 обеспечивает более равномерное растекание тепла по поверхности активного элемента с последующим его выводом на корпус лазера. Однако ввиду близости трубчатого держателя 2 к лампе накачки (2-3 мм) ближняя к баллону лампы поверхность активного элемента в случае его соосного размещения в трубчатом держателе нагревалась бы более сильно, чем противоположная. В результате в активном элементе из-за наличия градиента температуры возникли бы значительные термооптические искажения. Это привело бы к снижению энергии генерации и увеличению нестабильности диаграммы направленности излучения.The heat flux from the heated cylinder of the pump lamp 4 (at an average pump power of 150 W, the cylinder is heated to a temperature of 250-300 ^o C) is sent to the active element 1, placed in an optically transparent tube holder 2 made of heat-conducting material. The tubular holder 2 provides a more uniform spreading of heat on the surface of the active element with its subsequent conclusion to the laser housing. However, due to the proximity of the tubular holder 2 to the pump lamp (2-3 mm), the surface of the active element closest to the lamp balloon, if it is coaxially placed in the tubular holder, would heat more than the opposite. As a result, significant thermo-optical distortions would occur in the active element due to the presence of a temperature gradient. This would lead to a decrease in the generation energy and an increase in the instability of the radiation pattern.

При установке активного элемента в трубчатом держателе со смещением в сторону лампы накачки из-за уменьшения толщины воздушного зазора скорость отвода тепла от ближней к лампе накачки части активного элемента через трубчатый держатель на корпус лазера увеличивается. Это приводит к выравниванию температуры по поверхности активного элемента и снижению ее общего уровня. В результате уменьшаются термооптические искажения в активном элементе, повышается стабильность энергии генерации и диаграммы направленности при работе лазера в частотном режиме при повышенных мощностях накачки. When the active element is mounted in a tubular holder with an offset towards the pump lamp due to a decrease in the thickness of the air gap, the rate of heat removal from the part of the active element closest to the pump lamp through the tubular holder to the laser housing increases. This leads to equalization of temperature on the surface of the active element and a decrease in its overall level. As a result, thermo-optical distortions in the active element are reduced, and the stability of the generation energy and radiation pattern during laser operation in the frequency mode at higher pump powers is increased.

В конкретном варианте твердотельного лазера применялся активный элемент из калий-гадолиниевого вольфрамата, активированного ионами неодима (КГБ: Nd3+), диаметром 4 мм и длиной 50 мм, лампа накачки типа ИНПЗ-35А, контактирующие наполовину своего диаметра через диффузно-отражающее покрытие с металлическим корпусом отражателя. In a specific embodiment of a solid-state laser, an active element of potassium gadolinium tungstate activated by neodymium ions (KGB: Nd3 +) with a diameter of 4 mm and a length of 50 mm was used, an INPZ-35A pump lamp contacting half its diameter through a diffuse-reflective coating with a metal body reflector.

Активный элемент устанавливался в сапфировой трубке с толщиной стенки 1,2 мм, внутренним диаметром 4,7 мм и длиной 50 мм со смещением в сторону лампы накачки таким образом, что отношение величины зазора между верхней к лампе накачки частью активного элемента и стенкой трубчатого держателя к величине зазора между нижней частью активного элемента и стенкой трубчатого держателя лежало в пределах 1/3-1/5. Расстояние между осями лампы накачки и активного элемента 8 мм. The active element was installed in a sapphire tube with a wall thickness of 1.2 mm, an inner diameter of 4.7 mm, and a length of 50 mm with an offset towards the pump lamp so that the ratio of the gap between the upper part to the pump lamp and the wall of the tubular holder to the gap between the lower part of the active element and the wall of the tubular holder was in the range 1 / 3-1 / 5. The distance between the axes of the pump lamp and the active element is 8 mm.

Плоскопараллельный резонатор длиной 200 мм образован плоскими зеркалами с коэффициентами отражения R=30% - для выходного и 99,5% - для "глухого". A plane-parallel resonator with a length of 200 mm is formed by plane mirrors with reflection coefficients R = 30% for the output and 99.5% for the blind.

Мощность накачки 150 Вт, продолжительность накачки - 5 с, время паузы между сериями импульсов - 15 с, количество серий - 6. The pump power is 150 W, the pump duration is 5 s, the pause time between series of pulses is 15 s, the number of series is 6.

Сравнительные испытания лазеров (фиг.2, 3), выполненных по прототипу и изобретению, показали, что при смещении активного элемента в трубчатом держателе в сторону лампы накачки на величину, определяемую отношением величины зазора между верхней к лампе накачки частью активного элемента и стенкой трубчатого держателя к величине зазора между нижней частью активного элемента и стенкой трубчатого держателя и удовлетворяющую соотношению 1/3-1/5, термооптические деформации в активном элементе минимальные, при этом увеличивается стабильность диаграммы направленности излучения (примерно в 6 раз, фиг. 3 кривая в), а средняя мощность излучения увеличивается примерно в 1,5 раза по сравнению с соосно установленным в трубчатом держателе активным элементом (фиг.2 а). Comparative tests of lasers (Figs. 2, 3), made according to the prototype and the invention, showed that when the active element is displaced in the tubular holder towards the pump lamp by an amount determined by the ratio of the gap between the upper part of the active element and the pump lamp and the wall of the tubular holder to the gap between the lower part of the active element and the wall of the tubular holder and satisfying the ratio 1 / 3-1 / 5, thermo-optical deformations in the active element are minimal, while the stability of the diag radiation directivity frames (about 6 times, Fig. 3 curve c), and the average radiation power increases about 1.5 times compared with the active element coaxially mounted in the tubular holder (Fig. 2 a).

Если δ=0, что отвечает случаю контакта активного элемента с верхней частью трубчатого держателя, тогда за счет интенсивного теплоотвода ближняя к лампе накачки часть активного элемента охлаждается быстрее, чем нижняя. Это приводит к увеличению термооптической деформации активного элемента, при этом меняется и знак деформации (фиг. 3 кривая б). Если δ=1 (соосная установка активного элемента), тогда, аналогично как для прототипа, термооптические деформации также значительны, что приводит к нестабильности выходных параметров излучения (фиг. 3 кривая а). If δ = 0, which corresponds to the case of contact of the active element with the upper part of the tubular holder, then due to the intense heat removal, the part of the active element closest to the pump lamp cools faster than the lower one. This leads to an increase in the thermo-optical deformation of the active element, and the sign of the deformation also changes (Fig. 3 curve b). If δ = 1 (coaxial installation of the active element), then, similarly to the prototype, thermo-optical deformation is also significant, which leads to instability of the output radiation parameters (Fig. 3 curve a).

Claims

A solid-state laser containing a pump lamp located in the resonator, an active element mounted in an optically transparent tube holder, and a diffuse reflector in contact with the latter, characterized in that the active element is mounted asymmetrically in the optically transparent tube holder, while the ratio of the gap between the upper and the lamp pumping by the part of the active element and the wall of the optically transparent tubular holder to the gap between the lower part of the active element and the tubular holding wall ator is selected in the range of 1 / 3-1 / 5.