RU2225061C1

RU2225061C1 - Method for producing solid-state laser pump

Info

Publication number: RU2225061C1
Application number: RU2002119753/28A
Authority: RU
Inventors: Н.Н. Грошкова; А.А. Плешков
Priority date: 2002-07-29
Filing date: 2002-07-29
Publication date: 2004-02-27
Also published as: RU2002119753A

Abstract

FIELD: laser engineering. SUBSTANCE: method for producing solid-state laser pump that has metal foil reflector with mirror surface includes manufacture of mirror-surface metal foil by chemical silvering of quartz crystal substrate followed by its galvanic plating with copper and nickel layers and removal of foil from quartz crystal substrate. Metal-foil reflector is mounted in pump housing where thermal contact between metal foil and housing is ensured. This conductively heated no-liquid pump for lamp-pumped solid-state laser produced by proposed method ensures its operation within frequency range required for range finding and target designation and is noted for enhanced manufacturability and low cost. EFFECT: reduced mass and enhanced reliability compared with liquid-cooled laser radiators. 1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано при изготовлении осветителей твердотельных лазеров.The invention relates to laser technology and can be used in the manufacture of solid-state laser illuminators.

Неотъемлемой частью осветителей твердотельных лазеров, как импульсного так и непрерывного режимов работы, является отражатель (зеркальный или диффузный), обеспечивающий максимально возможную передачу излучения лампы накачки активному элементу.An integral part of solid-state laser illuminators, both pulsed and continuous, is a reflector (mirror or diffuse), which ensures the maximum possible transmission of pump lamp radiation to the active element.

При создании малогабаритных лазеров, работающих в частотном режиме без принудительного охлаждения, к отражателю предъявляется требование по обеспечению хорошего отвода тепла из полости отражателя.When creating small-sized lasers operating in the frequency mode without forced cooling, the reflector is required to ensure good heat removal from the reflector cavity.

Известен способ изготовления осветителя твердотельного лазера, включающий нанесение серебряного покрытия на кварцевую трубку или моноблок по наружному диаметру и установку ее в корпус осветителя. При применении такого осветителя не обеспечивается требуемый отвод тепла из его полости из-за низкого коэффициента теплопроводности кварца - 1,2 Вт/м·К [1].A known method of manufacturing a solid-state laser illuminator, comprising applying a silver coating to a quartz tube or monoblock on the outer diameter and installing it in the illuminator body. When using such a lighter, the required heat removal from its cavity is not provided due to the low coefficient of thermal conductivity of quartz - 1.2 W / m · K [1].

Известен способ изготовления осветителя твердотельного лазера, включающий нанесение зеркального покрытия на внешнюю поверхность трубки или моноблока из лейкосапфира, коэффициент теплопроводности которого - 35 Вт/м·К, с последующей установкой такого отражателя в корпусе осветителя [2]. Однако технологически изготовление отражателя из сапфира трудоемкий, дорогостоящий и длительный процесс, а эффективность такого отражателя существенно ниже из-за потерь на поглощение в материале и отражение от стенок трубки.A known method of manufacturing a solid-state laser illuminator, comprising applying a mirror coating to the outer surface of a tube or monoblock made of leucosapphire, the thermal conductivity of which is 35 W / m · K, followed by the installation of such a reflector in the illuminator body [2]. However, technologically, manufacturing a sapphire reflector is a labor-intensive, expensive, and lengthy process, and the efficiency of such a reflector is significantly lower due to absorption losses in the material and reflection from the tube walls.

Известен способ изготовления осветителя твердотельного лазера [3], в котором отражатель получают методом гальванического серебрения металлического корпуса. В этом случае коэффициент отражения зависит от качества поверхности, подлежащей серебрению, а также от чистоты проведения технологического процесса. Посеребренная таким образом поверхность требует дополнительной защиты от потемнения, что снижает коэффициент отражения, а срок эффективной работы такого отражателя незначителен.A known method of manufacturing a solid-state laser illuminator [3], in which the reflector is obtained by the method of galvanic silvering of a metal casing. In this case, the reflection coefficient depends on the quality of the surface to be silvered, as well as on the purity of the process. The silver-plated surface in this way requires additional protection against darkening, which reduces the reflection coefficient, and the effective life of such a reflector is negligible.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ изготовления осветителя твердотельного лазера, содержащий отражатель из металлической (серебряной или алюминиевой) фольги с зеркальной поверхностью [4].Closest to the technical nature of the present invention is a method of manufacturing a solid-state laser illuminator, comprising a reflector made of metal (silver or aluminum) foil with a mirror surface [4].

Недостатком этого способа является необходимость нанесения защитного покрытия на отражающую поверхность, а также относительно невысокие коэффициенты отражения: для серебра - 92...93%, для алюминия - до 90%.The disadvantage of this method is the need to apply a protective coating on the reflective surface, as well as the relatively low reflection coefficients: for silver - 92 ... 93%, for aluminum - up to 90%.

Задачей настоящего изобретения является создание способа изготовления безжидкостного кондуктивно охлаждаемого осветителя твердотельного лазера с ламповой накачкой, способного обеспечить работу лазера в диапазоне частот, необходимых для решения задач дальнометрирования и целеуказания при высокой технологичности и низкой стоимости изделия.The objective of the present invention is to provide a method for manufacturing a liquid-less conductively cooled illuminator of a solid-state laser with a lamp-pumping, capable of providing laser operation in the frequency range necessary to solve the problems of ranging and target designation with high technology and low cost of the product.

Поставленная задача решается за счет того, что в предложенном способе изготовления осветителя твердотельного лазера, содержащего отражатель из металлической фольги с зеркальной поверхностью, металлическую фольгу с зеркальной поверхностью получают путем химического серебрения кварцевой подложки с последующим нанесением гальваническим методом слоев меди и никеля и удаления фольги с кварцевой подложки, причем отражатель устанавливают в корпусе осветителя с обеспечением теплового контакта (с помощью теплопроводящего клея, пасты и прочее) между металлической фольгой и корпусом. Таким образом, благодаря применению металлической фольги и наличию теплового контакта между фольгой и корпусом обеспечивается передача тепла теплоаккумулирующему корпусу осветителя.The problem is solved due to the fact that in the proposed method of manufacturing a solid-state laser illuminator containing a reflector made of metal foil with a mirror surface, a metal foil with a mirror surface is obtained by chemical silvering of a quartz substrate, followed by electroplating of copper and nickel layers and removing the foil from quartz substrates, and the reflector is installed in the illuminator body with providing thermal contact (using heat-conducting glue, paste and more) between the metal foil and the body. Thus, due to the use of metal foil and the presence of thermal contact between the foil and the casing, heat is transferred to the heat storage casing of the illuminator.

Известна технология нанесения зеркального серебряного покрытия химическим путем на кварцевые подложки [5]. Для получения качественного покрытия необходимо соблюдение следующих основных условий:The known technology of applying a mirror silver coating chemically on quartz substrates [5]. To obtain high-quality coverage, the following basic conditions must be observed:

- полированная, тщательно очищенная от загрязнений поверхность подложки;- polished, thoroughly cleaned from dirt surface of the substrate;

- предохранение поверхности подложки от образования устойчивых окислов от окончания полирования до начала процесса химического серебрения;- protection of the surface of the substrate from the formation of stable oxides from the end of polishing to the start of the process of chemical silvering;

- чистота серебрящего раствора и концентрация в нем азотнокислого серебра;- the purity of the silver solution and the concentration of silver nitrate in it;

- наличие качественных покрытий из меди и никеля.- the presence of high-quality coatings of copper and nickel.

Выполненное по известным технологиям покрытие должно быть прочно и не иметь отслоений.The coating made by known technologies must be durable and free of delamination.

После удаления полученной металлической фольги с кварцевой подложки отражатель устанавливают в теплоаккумулирующим корпусе осветителя посредством теплопроводящего клея, пасты, компаунда и т.д., обеспечивая тепловой контакт между металлической фольгой и корпусом.After removing the obtained metal foil from the quartz substrate, the reflector is installed in the heat-accumulating case of the illuminator by means of heat-conducting glue, paste, compound, etc., providing thermal contact between the metal foil and the case.

Полученная указанным методом фольга обладает высоким коэффициентом отражения в широкой спектральной области, большой механической прочностью и гибкостью, позволяющей наклеивать ее на внутреннюю поверхность осветителей произвольной формы (например цилиндрических эллиптического, кругового сечения). Серебряное покрытие фольги обладает также повышенной химической стойкостью, что объясняется высокой чистотой осажденного серебра или переносом с кварцевой подложки мономолекулярного защитного слоя. Ускоренные испытания показали, что в составе герметизированного безжидкостного осветителя фольга может сохранять свои свойства не менее 10 лет.The foil obtained by this method has a high reflection coefficient in a wide spectral region, high mechanical strength and flexibility, which allows it to be glued to the inner surface of arbitrary shape illuminators (for example, cylindrical elliptical, circular sections). The silver coating of the foil also has enhanced chemical resistance, which is explained by the high purity of the deposited silver or the transfer of a monomolecular protective layer from the quartz substrate. Accelerated tests showed that the foil can retain its properties for at least 10 years as part of a sealed liquid-free illuminator.

На фиг.1 представлен осветитель твердотельного лазера, изготовленный предлагаемым способом. Осветитель 1 содержит отражатель 2 из металлической фольги, состоящей из зеркального серебряного слоя 3, слоя меди 4 и никеля 5. Тепловой контакт обеспечен в данном случае с помощью теплопроводящего клея 6.Figure 1 presents the solid-state laser illuminator manufactured by the proposed method. The lighter 1 contains a reflector 2 of metal foil, consisting of a silver mirror layer 3, a layer of copper 4 and nickel 5. Thermal contact is provided in this case using heat-conducting adhesive 6.

На фиг.2 представлена спектральная зависимость коэффициента отражения зеркальной поверхности металлической фольги, полученной на подложке из кварцевого стекла марки КЛЖ. Как видно из графика, коэффициент отражения в области спектра ниже 470 нм снижается, что способствует снижению нагрева активного элемента, улучшая тем самым работу активного элемента.Figure 2 presents the spectral dependence of the reflection coefficient of the mirror surface of the metal foil obtained on a substrate made of quartz glass brand KLZH. As can be seen from the graph, the reflection coefficient in the spectral region below 470 nm is reduced, which helps to reduce the heating of the active element, thereby improving the operation of the active element.

Измерение коэффициента отражения полученной таким образом фольги было произведено на акустооптическом спектрофотометре AOS-3 SL в диапазоне длин волн 370-1100 нм.The reflection coefficient of the thus obtained foil was measured on an AOS-3 SL acousto-optical spectrophotometer in the wavelength range of 370-1100 nm.

Предлагаемый способ изготовления осветителей, содержащих отражатель из металлической фольги, позволяет создавать твердотельные лазеры малой и средней мощности без принудительного охлаждения, работающие в циклическом режиме в течение длительного времени в широком диапазоне температур без потери эффективности, для задач дальнометрии и целеуказания. Блок осветителя может представлять металлическую теплоаккумулирующую деталь произвольного объема и формы.The proposed method for the manufacture of illuminators containing a reflector made of metal foil, allows you to create solid-state lasers of low and medium power without forced cooling, operating in a cyclic mode for a long time in a wide temperature range without loss of efficiency, for ranging and target designation. The illuminator unit may represent a metal heat storage part of an arbitrary volume and shape.

Примером конкретного выполнения служит осветитель твердотельного лазера, содержащий отражатель из металлической фольги с зеркальной серебряной поверхностью, установленный в излучателе дальномера, в котором в качестве активной среды используется алюмоиттриевый гранат с неодимом АИГ - Nd³⁺ размером ⌀3х50 мм, а источником накачки является лампа ИНП 2-3/35. Использование предложенного осветителя позволило обеспечить надежную работу излучателя на частоте 5...10 Гц в широком диапазоне температур до +65°С без снижения параметров в циклическом режиме при длительности цикла до 20 с.An example of a specific implementation is a solid-state laser illuminator containing a reflector made of metal foil with a silver mirror surface, mounted in a range finder emitter, in which aluminum-yttrium garnet with AIG - Nd ³⁺ neodymium размером ³ × 50 mm in size is used, and the pump source is an INP lamp 2-3 / 35. Using the proposed illuminator made it possible to ensure reliable operation of the emitter at a frequency of 5 ... 10 Hz in a wide temperature range up to + 65 ° C without reducing parameters in a cyclic mode with a cycle duration of up to 20 s.

Предлагаемый способ изготовления осветителя твердотельного лазера может применяться при создании малогабаритной аппаратуры типа частотных дальномеров, целеуказателей и т.д. и позволяет значительно снизить их массу и повысить надежность по сравнению с аналогичной аппаратурой, использующей жидкостное охлаждение лазерных излучателей. Стоимость отражателя из металлической фольги ниже стоимости кварцевого или сапфирового моноблока более чем в 10 раз.The proposed method of manufacturing a solid-state laser illuminator can be used to create small-sized equipment such as frequency rangefinders, target indicators, etc. and can significantly reduce their mass and increase reliability compared to similar equipment using liquid-cooled laser emitters. The cost of a reflector made of metal foil is lower than the cost of a quartz or sapphire monoblock by more than 10 times.

Источники информацииSources of information

1. Белостоцкий Б.Р. Основы лазерной техники. Твердотельные ОКГ. - М., Советское радио, 1972, стр. 23.1. Belostotsky B.R. The basics of laser technology. Solid state laser. - M., Soviet Radio, 1972, p. 23.

2. Оптический журнал, том 67, № 8, 2000.2. Optical Journal, Volume 67, No. 8, 2000.

3. Зверев Г.М., Голяев Ю.Д. Лазеры на кристаллах и их применение. - М., Радио и связь, 1994, стр. 245-246.3. Zverev G.M., Golyaev Yu.D. Crystal lasers and their application. - M., Radio and Communications, 1994, pp. 245-246.

4. Микаэлян А.Л., Тер-Микаелян М.Л., Турков Ю.Г. Оптические квантовые генераторы на твердом теле. - М., Советское радио, 1967, стр. 103 - прототип.4. Mikaelyan A.L., Ter-Mikaelyan M.L., Turkov Yu.G. Solid-state optical quantum generators. - M., Soviet Radio, 1967, p. 103 - prototype.

5. Бардин А.Н. Технология оптического стекла - М., Высшая школа, 1963, стр. 461-465.5. Bardin A.N. Optical glass technology - M., Higher School, 1963, pp. 461-465.

Claims

A method of manufacturing a solid-state laser illuminator containing a reflector made of metal foil with a mirror surface, characterized in that the metal foil with a mirror surface is obtained by chemical silvering of a quartz substrate, followed by electroplating of copper and nickel layers and removing the foil from the quartz substrate, the reflector being installed in illuminator housing with thermal contact between the metal foil and the housing.