RU2269848C1 - Solid-state laser with a zigzag ray path - Google Patents
Solid-state laser with a zigzag ray path Download PDFInfo
- Publication number
- RU2269848C1 RU2269848C1 RU2005112146/28A RU2005112146A RU2269848C1 RU 2269848 C1 RU2269848 C1 RU 2269848C1 RU 2005112146/28 A RU2005112146/28 A RU 2005112146/28A RU 2005112146 A RU2005112146 A RU 2005112146A RU 2269848 C1 RU2269848 C1 RU 2269848C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- active element
- radiation
- heat
- angle
- optical
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Lasers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано при разработке и изготовлении лазерных устройств с повышенной мощностью излучения.The invention relates to the field of laser technology and can be used in the development and manufacture of laser devices with high radiation power.
Твердотельные лазеры с зигзагообразным ходом лучей в активном элементе (АЭ), который выполнен в форме параллелепипеда, могут генерировать лазерное излучение более высокого качества, чем традиционные лазеры, построенные на АЭ в форме стержня круглого сечения. Это связано с тем, что при определенных условиях в таких лазерах происходит компенсация влияния возникающих тепловых линз на лазерный луч.Solid-state lasers with a zigzag path in the active element (AE), which is made in the form of a parallelepiped, can generate laser radiation of higher quality than traditional lasers built on AE in the form of a rod of circular cross section. This is due to the fact that under certain conditions in such lasers, the effect of the resulting thermal lenses on the laser beam is compensated.
Известен твердотельный лазер, содержащий АЭ в форме параллелепипеда с торцевыми гранями, скошенными под углом Брюстера, US 4949346; АЭ возбуждается с двух противоположных сторон лазерными диодными источниками света через прозрачные теплоотводящие элементы, находящиеся в оптическом контакте с АЭ. С двух других боковых сторон к АЭ примыкают две теплоизолирующие пластины, что приводит к тому, что возникающий в активном элементе температурный градиент направлен перпендикулярно к плоскости грани, через которую идет накачка и охлаждение. При зигзагообразном распространении основного луча в активном элементе за счет эффекта полного внутреннего отражения (ПВО) на границе активного элемента с теплоотводящими пластинами, при условии, что плоскость зигзага перпендикулярна этой границе, происходит компенсация влияния на лазерный луч возникающих тепловых линз и других оптических возмущений, связанных с наличием указанного градиента температур.Known solid-state laser containing AE in the form of a parallelepiped with end faces, beveled at an angle of Brewster, US 4949346; AE is excited from two opposite sides by laser diode light sources through transparent heat-removing elements in optical contact with the AE. Two heat-insulating plates adjoin the AE from the other two sides, which leads to the fact that the temperature gradient that arises in the active element is directed perpendicular to the plane of the face through which pumping and cooling proceeds. In the case of a zigzag propagation of the main beam in the active element due to the effect of total internal reflection (ATO) at the boundary of the active element with the heat-removing plates, provided that the zigzag plane is perpendicular to this boundary, the effect of thermal lenses arising on the laser beam and other optical disturbances associated with with the presence of the specified temperature gradient.
Основным недостатком этого устройства является существование внутри активного элемента условий для усиления спонтанного излучения и возникновения паразитных мод генерации за счет ПВО на гранях элемента, что неизбежно ведет к потере мощности лазерного излучения и снижению коэффициента полезного действия лазера, особенно в режиме модуляции добротности; другим недостатком являются краевые искажения теплового поля вблизи торцов активного элемента, которые возникают из-за скошенности торцевых граней, что приводит к утрате осевой симметрии; эти искажения не могут быть скомпенсированы зигзагообразным ходом лучей в активном элементе, что обусловливает ухудшение качества лазерного излучения вследствие его расфокусировки.The main disadvantage of this device is the existence inside the active element of conditions for amplifying spontaneous emission and the appearance of spurious generation modes due to air defense at the edges of the element, which inevitably leads to a loss of laser radiation power and a decrease in the laser efficiency, especially in the Q-switching mode; another disadvantage is the edge distortion of the thermal field near the ends of the active element, which arise due to the slanting of the end faces, which leads to the loss of axial symmetry; these distortions cannot be compensated by the zigzag path of the rays in the active element, which leads to a deterioration in the quality of laser radiation due to its defocusing.
Известен твердотельный лазер с зигзагообразным ходом лучей, содержащий АЭ в форме прямоугольного параллелепипеда, на одном торце которого нанесено отражающее, а на другом - просветляющее покрытия, источник возбуждающего излучения, глухое и полупрозрачное зеркала, установленные под углом к торцу активного элемента с просветляющим покрытием, два теплоотводящих элемента, прилегающих к противоположным боковым граням активного элемента, US 5305345.There is a solid-state laser with a zigzag ray path containing AE in the form of a rectangular parallelepiped, on one end of which a reflective coating is applied, and on the other an antireflective coating, a source of exciting radiation, blind and translucent mirrors mounted at an angle to the end of the active element with an antireflective coating, two heat sink elements adjacent to opposite side faces of the active element, US 5305345.
Данное техническое решение принято за прототип настоящего изобретения.This technical solution is taken as a prototype of the present invention.
Центральные области активного элемента возбуждаются однородно, а области, примыкающие к торцам, возбуждаются неоднородно так, чтобы торцевые тепловые искажения были минимальны.The central regions of the active element are excited uniformly, and the regions adjacent to the ends are excited nonuniformly so that the end thermal distortions are minimal.
Однако и в данном устройстве сохраняются условия для усиления спонтанного излучения и возникновения паразитных мод генерации, которые ослабляют основное лазерное излучение, снижая его мощность и, как следствие, коэффициент полезного действия лазера.However, this device also retains the conditions for amplification of spontaneous emission and the appearance of spurious generation modes, which attenuate the main laser radiation, reducing its power and, as a result, the laser efficiency.
В основу настоящего изобретения положено решение задачи повышения мощности излучения и коэффициента полезного действия лазера.The present invention is based on the solution of the problem of increasing the radiation power and laser efficiency.
Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в твердотельном лазере с зигзагообразным ходом лучей, содержащем АЭ в форме прямоугольного параллелепипеда, на одном торце которого нанесено отражающее, а на другом - просветляющее покрытия, источники возбуждающего излучения, глухое и полупрозрачное зеркала, установленные под углом к торцу активного элемента с просветляющим покрытием, два теплоотводящих элемента, прилегающих к противоположным боковым граням активного элемента, у других противоположных боковых граней активного элемента установлены оптические поглотители, выполненные с возможностью поглощения генерируемого активным элементом излучения, при этом показатель преломления n1 материала активного элемента больше показателя преломления n2 материала оптического поглотителя, теплопроводность C1 материала активного элемента больше теплопроводности С2 материала оптического поглотителя, показатель преломления n3 материала теплоотводящего элемента меньше n1, при этом (α+δ)≥90°, где 
Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, идентичных настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «новизна».The applicant has not identified sources containing information about technical solutions identical to the present invention, which allows us to conclude that it meets the criterion of "novelty."
Реализация отличительных признаков изобретения обусловливает важный технический результат, который состоит в том, что полностью предотвращается возникновение паразитных мод, и снижаются потери за счет усиления спонтанного излучения, что особенно важно при высоком уровне накачки, а также при работе лазера в режиме модуляции добротности. Это достигается за счет того, что обеспечивается резкое уменьшение отражения спонтанного излучения от граней АЭ вне заданного диапазона углов падения фотонов на границах раздела сред с разными показателями преломления.The implementation of the distinguishing features of the invention leads to an important technical result, which consists in the fact that the occurrence of spurious modes is completely prevented and losses due to amplification of spontaneous emission are reduced, which is especially important at a high pump level, as well as when the laser is in the Q-switching mode. This is achieved due to the fact that a sharp decrease in the reflection of spontaneous radiation from the faces of the AE is ensured outside the specified range of photon incidence angles at the interfaces between media with different refractive indices.
Заявителем не обнаружены какие-либо источники информации, содержащие сведения о влиянии заявленных отличительных признаков на достигаемый вследствие их реализации технический результат. Это, по мнению заявителя, свидетельствует о соответствии данного технического решения критерию «изобретательский уровень».The applicant has not found any sources of information containing information about the impact of the claimed distinctive features on the technical result achieved as a result of their implementation. This, according to the applicant, indicates that this technical solution meets the criterion of "inventive step".
Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображено:The invention is illustrated in the drawing, which shows:
на фиг.1 - вид спереди, зеркала условно не показаны;figure 1 is a front view, the mirror is conditionally not shown;
на фиг.2 - разрез А-А по фиг.1figure 2 - section aa in figure 1
Твердотельный лазер содержит активный элемент 1 в форме прямоугольного параллелепипеда, выполненный в конкретном примере из алюминий-иттриевого граната, легированного неодимом (Nd:YAG). На торце 2 АЭ нанесено просветляющее покрытие, на торце 3 АЭ нанесено отражающее покрытие; источники 4 и 5 возбуждающего излучения представляют собой в конкретном примере лазерные линейки, однако могут быть использованы дискретные лазерные диоды или матрицы лазерных диодов. Глухое зеркало 6 и полупрозрачное зеркало 7 установлены под углом 90°-γ к торцу 2 АЭ. Угол γ (угол входа/выхода в/из АЭ луча лазера) регулируется из условий обеспечения целого числа зигзагов в АЭ и угла падения луча на боковые грани АЭ, к которым примыкают прозрачные для излучения теплоотводящие элементы 8 и 9, под углом, превышающим на 1-5° угол ПВО α; в конкретном примере теплоотводящие элементы выполнены из сапфира и α=75,25° при оптическом контакте с АЭ и α=58,3° при соединении элементов с АЭ с помощью оптического клея с показателем преломления n=1,55. У других противоположных граней АЭ установлены оптические поглотители 10 и 11, выполненные с возможностью поглощения генерируемого активным элементом излучения, при этом показатель преломления n1 материала активного элемента больше показателя преломления n2 материала оптического поглотителя, теплопроводность C1 материала активного элемента больше теплопроводности С2 материала оптического поглотителя, показатель преломления n3 материала теплоотводящего элемента меньше n1, при этом (α+δ)≥90°, гдеThe solid-state laser contains an
В конкретном примере оптические поглотители 10 и 11 выполнены из стекла, легированного самарием (Sm) марки S7010N фирмы VLOC (США).In a specific example, the optical absorbers 10 and 11 are made of glass doped with samarium (Sm) of the brand S7010N from VLOC (USA).
Для подавления эффекта усиления спонтанного излучения в продольном направлении, отражающее покрытие активного элемента выполнено в виде многослойного диэлектрического зеркала с коэффициентом отражения, имеющим максимум при угле падения генерируемого активным элементом излучения на его торцевую грань β, лежащим в пределах (85°-α)≤β≤(89°-α).To suppress the effect of amplification of spontaneous radiation in the longitudinal direction, the reflective coating of the active element is made in the form of a multilayer dielectric mirror with a reflection coefficient having a maximum at the angle of incidence of the radiation generated by the active element on its end face β lying within the range (85 ° -α) ≤ β ≤ (89 ° -α).
При углах падения луча, меньших или больших β, отражение резко падает. В конкретном примере отражающее покрытие выполнено в виде многослойного диэлектрического зеркала, состоящего из 30-40 чередующихся слоев TiO2 и SiO2, толщина которых обеспечивает интерференционное гашение отраженных от слоев лучей, падающих на покрытие с углами, отличными от угла β; например, отличие на 5° может уменьшить отражение в 2-3 раза. Между источниками 4 и 5 возбуждающего излучения и теплоотводящими элементами 8 и 9 установлены селективные оптические фильтры 12 и 13, выполненные с возможностью пропускания возбуждающего излучения и поглощения излучения АЭ. В конкретном примере оптические фильтры выполнены из стекла, легированного самарием.When the angles of incidence of the beam, smaller or larger than β, the reflection drops sharply. In a specific example, the reflective coating is made in the form of a multilayer dielectric mirror, consisting of 30-40 alternating layers of TiO 2 and SiO 2 , the thickness of which provides interference suppression of the rays reflected from the layers, incident on the coating with angles other than angle β; for example, a 5 ° difference can reduce reflection by 2–3 times. Between the
Твердотельный лазер работает следующим образом.Solid state laser operates as follows.
Источники возбуждающего света 4 и 5 генерируют излучение с энергией фотонов, соответствующей полосе поглощения материала АЭ. Возбуждающий свет направлен с двух противоположных боковых сторон АЭ и проходит на своем пути через прозрачные к этому излучению селективные фильтры 12 и 13, а также теплоотводящие элементы 8 и 9. Варьированием температуры источников 4 и 5 возбуждающего света добиваются требуемой величины коэффициента поглощения возбуждающего света в АЭ (4-5 см-1), при котором поглощается 80-90% возбуждающего света, что обеспечивает достаточно однородное возбуждение АЭ и достижение в нем условий инверсной заселенности верхних состояний активных атомов примеси (Nd). Выделяющееся при возбуждении АЭ тепло (стоксовские потери) отводится через верхнюю и нижнюю боковые поверхности АЭ в теплоотводящие элементы 8 и 9, по которым оно далее канализируется к холодильнику, например, медным башмакам, охлаждаемым проточной водой (на чертежах не показаны).
Боковые пластины - оптические поглотители 10 и 11, выполненные из материала с низкой теплопроводностью (существенно меньшей, чем теплопроводность материала АЭ) препятствуют отводу тепла из АЭ в горизонтальном направлении. Поэтому градиент температуры в АЭ направлен от центральной плоскости вверх и вниз. Вследствие того, что показатель преломления n1 материала активного элемента больше показателя преломления n2 материала оптического поглотителя, обеспечивается волноводный эффект для излучения возбуждающего света, распространяющегося в АЭ (что способствует более полному поглощению возбуждающего излучения в АЭ).Side plates - optical absorbers 10 and 11, made of a material with low thermal conductivity (significantly lower than the thermal conductivity of the AE material) prevent heat from being removed from the AE in the horizontal direction. Therefore, the temperature gradient in the AE is directed up and down from the central plane. Due to the fact that the refractive index n 1 of the material of the active element is greater than the refractive index n 2 of the material of the optical absorber, a waveguide effect is provided for the radiation of the exciting light propagating in the AE (which contributes to a more complete absorption of the exciting radiation in the AE).
Резонатор лазера формируется двумя внешними зеркалами 6 и 7, при этом зеркало 7 отражает лазерное излучение практически полностью, а другое является полупрозрачным, то есть, частично отражающим, частично пропускающим свет. Это необходимо для образования положительной обратной связи в системе АЭ - зеркала 6 и 7. Положение зеркал, а также размеры АЭ определяют путь лазерного луча в АЭ. Для достижения максимальной мощности излучения и кпд лазера угол (настраивают (юстируют), исходя из совокупности следующих условий:The laser resonator is formed by two
1. Внутри АЭ должно уложиться целое число зигзагов лазерного луча.1. Inside the AE, an integer number of zigzags of the laser beam should fit.
2. Вошедший в АЭ луч должен падать на границы АЭ - теплоотводящие элементы 8, 9 под углом 90-β, превышающим угол α не более чем на 1-5 градусов.2. The ray entering the AE should fall on the boundaries of the AE - heat-removing
Благодаря тому, что (α+δ)≥90°, предотвращается образование кольцевых паразитных мод при отражении на боковых гранях АЭ, сопрягаемых с теплоотводящими элементами 8, 9 и оптическими поглотителями 10, 11. Излучение, генерируемое АЭ под любым произвольным углом, либо сразу, либо после одного внутреннего отражения покидает АЭ. Фотоны, которые попадают на границу АЭ с оптическими поглотителями 10, 11 под углом, меньшим δ, выходят из АЭ и поглощаются далее оптическими поглотителями 10 и 11; фотоны, которые попадают на эту границу под углом, равным или большим δ, отражаются вследствие эффекта ПВО, попадают на границу АЭ и теплоотводящих элементов 8, 9 под углом, меньшим α (поскольку (α+δ)≥90°), выходят из АЭ, и частично рассеиваются в теплоотводящих элементах 8 и 9. Оставшаяся часть фотонов проходит через элементы 8 и 9 и попадает в селективные фильтры 12 и 13, где поглощается полностью.Due to the fact that (α + δ) ≥90 °, the formation of ring parasitic modes is prevented when reflected on the side faces of the AEs, coupled to the heat-removing
Благодаря тому, что отражающее покрытие активного элемента выполнено в виде многослойного диэлектрического зеркала с коэффициентом отражения, имеющим максимум при угле падения генерируемого активным элементом излучения на его торцевую грань β, лежащим в пределах (85°-α)≤β≤(89°-α), существенно ослабляются потери, связанные с усилением паразитного излучения генерируемого АЭ в продольной плоскости. Излучение, генерируемое под углом, меньшим α, покидает АЭ, уходя в теплоотводящие элементы. Излучение, генерируемое под углом, большим α, отражается от границ АЭ - теплоотводящие элементы и падает на торцевые грани АЭ. Излучение, изначально направленное в сторону торцевой грани с просветляющим покрытием, сразу покидает АЭ. Излучение, изначально направленное в сторону грани с отражающим покрытием, в зависимости от угла падения на эту грань, может отразиться или выйти из АЭ. Если этот угол превышает α не более чем на 1-5°, то угол падения излучения на торцевую грань находится вблизи значения β, при котором отражение имеет максимальное заданное значение, и излучение практически полностью отражается от грани.Due to the fact that the reflective coating of the active element is made in the form of a multilayer dielectric mirror with a reflection coefficient having a maximum at the angle of incidence of radiation generated by the active element on its end face β, lying in the range (85 ° -α) ≤β≤ (89 ° -α ), the losses associated with the amplification of spurious radiation of the generated AE in the longitudinal plane are significantly attenuated. Radiation generated at an angle less than α leaves the AE, leaving in the heat-removing elements. Radiation generated at an angle greater than α is reflected from the boundaries of the AE - heat-removing elements and falls on the end faces of the AE. Radiation, initially directed toward the end face with an antireflection coating, immediately leaves the AE. Radiation initially directed toward a face with a reflective coating, depending on the angle of incidence on this face, may reflect or exit the AE. If this angle exceeds α by no more than 1–5 °, then the angle of incidence of radiation on the end face is close to the value β at which the reflection has the maximum specified value, and the radiation is almost completely reflected from the face.
Именно это и происходит с лазерным лучом, который падает на торцевую грань с отражающим покрытием под углом β. Паразитное излучение, падающее на торцевую грань с отражающим покрытием под углами, превышающими β более чем на 3-5°, ослабляется за счет частичного выхода из АЭ, поскольку покрытие становится частично пропускающим. Степень ослабления луча зависит от угловой зависимости отражения многослойного зеркала и величины угла падения луча. Этим и достигается уменьшение потерь, связанных с усилением в АЭ паразитного излучения в продольной плоскости.This is exactly what happens with the laser beam, which falls on the end face with a reflective coating at an angle β. The spurious radiation incident on the end face with a reflective coating at angles greater than β by more than 3-5 ° is attenuated due to a partial exit from the AE, since the coating becomes partially transmissive. The degree of attenuation of the beam depends on the angular dependence of the reflection of the multilayer mirror and the magnitude of the angle of incidence of the beam. This is achieved by reducing the losses associated with amplification in the AE of spurious radiation in the longitudinal plane.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005112146/28A RU2269848C1 (en) | 2005-04-14 | 2005-04-14 | Solid-state laser with a zigzag ray path |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005112146/28A RU2269848C1 (en) | 2005-04-14 | 2005-04-14 | Solid-state laser with a zigzag ray path |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2269848C1 true RU2269848C1 (en) | 2006-02-10 |
Family
ID=36050058
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005112146/28A RU2269848C1 (en) | 2005-04-14 | 2005-04-14 | Solid-state laser with a zigzag ray path |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2269848C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2636260C1 (en) * | 2016-06-24 | 2017-11-21 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Solid state laser with q-switching |
| RU2752289C2 (en) * | 2016-09-28 | 2021-07-26 | Шотт Аг | Cladding glass for solid-state lasers |
| US12057679B2 (en) | 2019-07-22 | 2024-08-06 | Schott Ag | Cladding glass for solid-state lasers |
-
2005
- 2005-04-14 RU RU2005112146/28A patent/RU2269848C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2636260C1 (en) * | 2016-06-24 | 2017-11-21 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Solid state laser with q-switching |
| RU2752289C2 (en) * | 2016-09-28 | 2021-07-26 | Шотт Аг | Cladding glass for solid-state lasers |
| US12057679B2 (en) | 2019-07-22 | 2024-08-06 | Schott Ag | Cladding glass for solid-state lasers |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7397832B2 (en) | Laser cavity pumping method and laser system thereof | |
| US7388895B2 (en) | Corner-pumping method and gain module for high power slab laser | |
| US20120027043A1 (en) | High power multi-chip pump modules with protection filter for 1060nm, and pump modules including the same | |
| CN103779772A (en) | Laser module using combination pumping coupling and solid-state laser | |
| US8774235B2 (en) | System and method for suppressing parasitics in an optical device | |
| US8406267B2 (en) | Grazing-incidence-disk laser element | |
| CN101326690A (en) | Optically pumped waveguide laser with a tapered waveguide section | |
| US6778563B2 (en) | Q-switched laser | |
| RU2269848C1 (en) | Solid-state laser with a zigzag ray path | |
| CN104466633A (en) | High-power optical fiber laser device based on single crystal optical fiber | |
| US7830946B2 (en) | Grating enhanced solid-state laser amplifiers | |
| CN110581435A (en) | Laser amplifier for restraining spontaneous radiation | |
| US20070036195A1 (en) | Active element for a laser source and laser source comprising such an active element | |
| CN204290021U (en) | A kind of high-capacity optical fiber laser of based single crystal optical fiber | |
| JP6141595B2 (en) | Anti-transverse laser oscillator with axial cooling for emitting a laser beam | |
| CN115084982B (en) | Lath laser amplification gain module for high peak power laser | |
| TWI806233B (en) | Laser pumping device and system including geometric light concentrator and thermal insulator | |
| US9548585B1 (en) | Multi-point laser ignition device | |
| RU2339138C2 (en) | Solid-body laser with diode pumping (versions) | |
| US8223813B2 (en) | Semiconductor laser pumped solid-state laser device | |
| US20220416494A1 (en) | Side-pumped solid-state disk laser for high gain | |
| RU2295183C2 (en) | Solid-state zigzag-path laser | |
| TWI502834B (en) | Dual-wavelength laser device and manufacturing method thereof | |
| US20040247003A1 (en) | Laser apparatus | |
| RU114560U1 (en) | MINIATURE LASER RADIATOR |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20080415 |