RU2687088C1 - Active element of a disk laser with a cooling system - Google Patents

Active element of a disk laser with a cooling system Download PDF

Info

Publication number
RU2687088C1
RU2687088C1 RU2017141311A RU2017141311A RU2687088C1 RU 2687088 C1 RU2687088 C1 RU 2687088C1 RU 2017141311 A RU2017141311 A RU 2017141311A RU 2017141311 A RU2017141311 A RU 2017141311A RU 2687088 C1 RU2687088 C1 RU 2687088C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
disk
heat sink
sink base
active element
temperature
Prior art date
Application number
RU2017141311A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Олег Валентинович Палашов
Алексей Викторович Старобор
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН)
Priority to RU2017141311A priority Critical patent/RU2687088C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2687088C1 publication Critical patent/RU2687088C1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02—Constructional details
    • H01S3/025—Constructional details of solid state lasers, e.g. housings or mountings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02—Constructional details
    • H01S3/04—Arrangements for thermal management
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02—Constructional details
    • H01S3/04—Arrangements for thermal management
    • H01S3/0401—Arrangements for thermal management of optical elements being part of laser resonator, e.g. windows, mirrors, lenses
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02—Constructional details
    • H01S3/04—Arrangements for thermal management
    • H01S3/0405—Conductive cooling, e.g. by heat sinks or thermo-electric elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02—Constructional details
    • H01S3/04—Arrangements for thermal management
    • H01S3/042—Arrangements for thermal management for solid state lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/0602—Crystal lasers or glass lasers
    • H01S3/0604—Crystal lasers or glass lasers in the form of a plate or disc

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention relates to laser equipment. Essence consists in the separate cooling of the inner and outer parts of the disk active element or by the end connection of its inner and outer parts to cooling radiators with different temperatures, or by attaching the inside to a Peltier element, that like the outside, is attached to a common cooling radiator.
EFFECT: technical result is a significant reduction in temperature difference in the active disk optical element and, as a consequence, a decrease in temperature shock and thermally induced radiation distortions arising in a disk laser, improving the quality of radiation and increasing the efficiency of a disk laser.
3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в дисковых лазерах с высоким уровнем тепловой нагрузки на оптических элементах.The invention relates to laser technology and can be used in disk lasers with a high level of thermal load on optical elements.

Недостатком существующих активных элементов дискового лазера является значительный перепад температуры в плоскости оптического элемента, вызванный неоднородным тепловыделением в нем. Тепловыделение обусловлено прохождением излучения, часть которого поглощается и переходит в тепло. Эти поперечные градиенты температуры приводят к радиальной зависимости всех характеристик, зависящих от температуры, а также к возникновению механических напряжений. В результате возникают искажения волнового фронта проходящего излучения («тепловая линза») и появляется дополнительное линейное двулучепреломление (фотоупругий эффект). А высокое значение механических напряжений приводит к растрескиванию элемента (т.н. «термошок»).The disadvantage of the existing active elements of a disk laser is a significant temperature difference in the plane of the optical element, caused by the non-uniform heat release in it. Heat dissipation is due to the passage of radiation, part of which is absorbed and transferred to heat. These transverse temperature gradients lead to a radial dependence of all characteristics depending on temperature, as well as to the appearance of mechanical stresses. As a result, there are distortions of the wave front of the transmitted radiation (“thermal lens”) and additional linear birefringence appears (photoelastic effect). A high value of mechanical stresses leads to cracking of the element (the so-called “thermal shock”).

Тепловые эффекты, появляющиеся при проходе излучения с субкиловаттной средней мощностью через оптические элементы дискового лазера, ухудшают характеристики устройства и качество пучка. Уменьшается эффективность прибора, растут поляризационные и фазовые потери. Наибольший вклад в поляризационные искажения мощного лазерного пучка вносит так называемая термонаведенная деполяризация, обусловленная фотоупругим эффектом. (А.В. Мезенов, Л.Н. Сомс, А.И. Степанов, Термооптика твердотельных лазеров (Машиностроение, 1986)).The thermal effects appearing during the passage of radiation with a subkilowatt average power through the optical elements of a disk laser degrade the characteristics of the device and the quality of the beam. Efficiency of the device decreases, polarization and phase losses grow. The so-called thermally induced depolarization due to the photoelastic effect makes the largest contribution to the polarization distortions of the high-power laser beam. (AV Mezenov, LN Soms, AI Stepanov, Thermo-optics of solid-state lasers (Mashinostroenie, 1986)).

Из уровня техники известны конструкции активных элементов дисковых лазеров с системой охлаждения (патент РФ № RU 2582909 МПК H01S 5/04, H01S 3/094 публ. 27.04.2016; патент РФ № RU 2517963 МПК H01S 3/0941, H01S 3/08 публ. 10.06.2014; патент США № US 6577666 МПК H01S 3/094 публ. 15.11.2001; патент США № US 6891874 МПК H01S 3/06 публ. 06.02.2003 и др.). Недостатками этих конструкций являются большой перепад температуры по радиусу дискового активного элемента, который может привести к термошоку, и высокий уровень термонаведенных искажений (фазовых и поляризационных) при работе с мощным лазерным излучением, которые ухудшают качество проходящего излучения и свойства дискового лазера.The prior art design of active elements of disk lasers with a cooling system (RF patent № RU 2582909 IPC H01S 5/04, H01S 3/094 publ. 04/27/2016; RF patent № RU 2517963 IPC H01S 3/0941, H01S 3/08 pub 06/10/2014; US Patent No. US 6577666 IPC H01S 3/094 publ 15.11.2001; US Patent No. US 6891874 IPC H01S 3/06 pub 06.02.2003, etc.). The disadvantages of these structures are a large temperature difference across the radius of the disk active element, which can lead to thermal shock, and a high level of thermally induced distortion (phase and polarization) when working with powerful laser radiation, which degrade the quality of the transmitted radiation and the properties of the disk laser.

Конструкция активного элемента дискового лазера подробно описана в патенте РФ № RU 2439761, МПК H01S 3/06, публ. 10.01.2012. На противоположные стороны активной среды в форме диска нанесены просветляющее покрытие и высокоотражающее покрытие, представляющее собой комбинацию многослойного диэлектрического покрытия и металлических покрытий, обеспечивающую заданные параметры. Такой активный элемент через буферный слой присоединяется к теплоотводящему основанию, которое, в свою очередь, присоединяется к охлаждающему радиатору. В аналоге активная среда выполнена в форме кристаллического диска с диаметром 12 мм, толщиной 200 мкм и концентрацией ионов Yb3+ 15%. Просветляющее покрытие представляет собой четвертьволновый слой MgF2. Высокоотражающее покрытие, нанесенное на заднюю сторону диска, представляет собой многослойное диэлектрическое покрытие, состоящее из слоев SiO2 и ZrO2, на которое нанесено покрытие из Ag, защищенное покрытием из Cr. Кристаллический диск с указанными покрытиями соединяется с теплоотводящим основанием, изготовленным из меди (Cu), после нанесения на соединяемые поверхности слоя индия (In) посредством холодной диффузионной сварки.The design of the active element of a disk laser is described in detail in the patent of the Russian Federation No. RU 2439761, IPC H01S 3/06, publ. 10.01.2012. An antireflection coating and a highly reflective coating are applied on opposite sides of the active medium in the form of a disk, which is a combination of a multilayer dielectric coating and metallic coatings providing the specified parameters. Such an active element through the buffer layer is attached to the heat sink base, which, in turn, is attached to the cooling radiator. In the analogue, the active medium is made in the form of a crystalline disk with a diameter of 12 mm, a thickness of 200 μm, and a concentration of Yb 3+ ions of 15%. The anti-reflection coating is a quarter-wavelength layer of MgF 2 . The highly reflective coating deposited on the back side of the disk is a multilayer dielectric coating consisting of SiO 2 and ZrO 2 layers, which is coated with Ag and protected by a Cr coating. A crystal disk with these coatings is connected to a heat-removing base made of copper (Cu) after deposition of indium (In) on the joined surfaces by cold diffusion welding.

Недостатками устройства аналога являются высокий уровень термонаведенных искажений, ухудшающих качество пучка дискового лазера, и риск термошока, вызванные значительным перепадом температуры по радиусу дискового активного элемента при работе с мощным лазерным излучением.The drawbacks of the analog device are the high level of thermally induced distortion, which deteriorates the quality of the disk laser beam, and the risk of thermal shock caused by a significant temperature difference along the radius of the disk active element when working with powerful laser radiation.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой конструкции можно считать активный элемент дискового лазера с системой охлаждения, рассмотренный в патенте США № US 8379680, МПК H01S 3/04, публ. 19.02.2013, «Direct cooling of thin disk laser». В устройстве прототипе активная лазерная среда также выполнена в форме диска с наружной и внутренней стороной. На наружную сторону этого диска нанесено просветляющее покрытие. На внутреннюю сторону диска нанесено высокоотражающее покрытие. Защитный барьерный слой (теплоотводящее основание) покрывает высокоотражающее покрытие, причем материал барьерного слоя имеет коэффициент температурного расширения (КТР) близкий к КТР других материалов дискового элемента. Между барьерным слоем и высокоотражающим покрытием может располагаться промежуточный слой для адгезии и долговечности.The closest in technical essence to the claimed design can be considered the active element of a disk laser with a cooling system, discussed in US patent number US 8379680, IPC H01S 3/04, publ. 02/19/2013, "Direct cooling of thin disk laser". In the prototype device, the active laser medium is also made in the form of a disk with external and internal sides. An antireflection coating is applied to the outer side of this disc. A highly reflective coating is applied to the inside of the disc. A protective barrier layer (heat-removing base) covers a highly reflective coating, and the material of the barrier layer has a coefficient of thermal expansion (CTE) close to the CTE of other materials of the disk element. An intermediate layer can be placed between the barrier layer and the highly reflective coating for adhesion and durability.

На фиг. 1 представлена схема устройства прототипа. На активную среду 1 нанесено просветляющее покрытие 2 и высокоотражающее покрытие 3, представляющее собой комбинацию многослойного диэлектрического покрытия и металлических покрытий, обеспечивающую заданные параметры. Активная среда 1 с нанесенными покрытиями 2 и 3 через буферный слой присоединяется к теплоотводящему основанию 4, которое, в свою очередь, присоединяется к охлаждающему радиатору.FIG. 1 shows the layout of the prototype. The active medium 1 is coated with an antireflection coating 2 and a highly reflective coating 3, which is a combination of a multilayer dielectric coating and metal coatings, providing the desired parameters. The active medium 1 with the applied coatings 2 and 3 is connected to the heat-removing base 4 through the buffer layer, which, in turn, is attached to the cooling radiator.

С развитием дисковых лазеров, в частности, с увеличением средней мощности излучения лазеров проявились недостатки конструкции прототипа. Недостатками устройства прототипа, как и аналогов, является значительный перепад температуры по радиусу активного элемента, достигающий десятков градусов, что приводит к риску термошока и высокому уровню термонаведенных искажений, ухудшающих свойства излучения.With the development of disk lasers, in particular, with an increase in the average radiation power of lasers, the design flaws of the prototype appeared. The disadvantages of the prototype device, as well as analogs, are a significant temperature difference along the radius of the active element, reaching tens of degrees, which leads to the risk of thermal shock and a high level of thermally induced distortions that deteriorate the radiation properties.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка активного элемента дискового лазера с системой охлаждения, обеспечивающих уменьшение поперечных перепадов температуры, а значит и термонаведенных эффектов («тепловая линза» и термонаведенная деполяризация) в активном элементе дискового лазера с проходящим излучением высокой мощности, что позволяет улучшить качество пучка дискового лазера - уменьшить расходимость и степень деполяризации (отношение мощности деполяризованной компоненты к суммарной мощности излучения), а также эффективность накачки. Также при этом уменьшается вероятность термошока. Эти факторы приводят к улучшению пользовательских характеристик дискового лазера.The problem to which the present invention is directed is the development of an active element of a disk laser with a cooling system, providing for the reduction of transverse temperature drops, and therefore of thermally induced effects (“thermal lens” and thermally induced depolarization) in an active element of a disk laser with high power transmitted radiation, what allows to improve the quality of a disk laser beam - to reduce the divergence and degree of depolarization (the ratio of the power of the depolarized component to the total oschnosti radiation), as well as the efficiency of the pump. It also reduces the likelihood of thermal shock. These factors lead to an improvement in the user characteristics of a disk laser.

Технический результат в разработанном активном элементе дискового лазера с системой охлаждения достигается за счет того, что он, как и прототип, содержит активную среду в форме диска, на которую нанесено просветляющее покрытие с одной стороны и высокоотражающее покрытие с другой стороны, присоединенную торцом к теплоотводящему основанию, и, по крайней мере, один охлаждающий радиатор.The technical result in the developed active element of a disk laser with a cooling system is achieved due to the fact that it, like the prototype, contains an active medium in the form of a disk, on which is coated an antireflection coating on the one hand and a highly reflective coating on the other hand, attached to the heat sink base , and at least one cooling radiator.

Новым в разработанном активном элементе дискового лазера с системой охлаждения является то, что теплоотводящее основание конструктивно выполнено в виде двух раздельных частей, внутренняя из которых представляет собой круг, а внешняя - кольцо вокруг круга, разделенные тонким промежутком (размер промежутка много меньше диаметра активного элемента), при этом температура внутренней части теплоотводящего основания поддерживается ниже температуры внешней части.New in the developed active element of a disk laser with a cooling system is that the heat sink base is structurally made in two separate parts, the inner one of which is a circle and the outer one is a ring around a circle separated by a thin gap (the gap size is much smaller than the diameter of the active element) while the temperature of the internal part of the heat sink base is maintained below the temperature of the external part.

Радиус внутреннего круга и разница температур определяются радиусом лазерного пучка, его мощностью и параметрами среды соответственно. Размер промежутка между внешней и внутренней частями теплоотводящего основания много меньше диаметра дискового активного элемента и определяется требуемой разницей температур между внутренней и внешней частями теплоотводящего основания. Проведенные авторами расчеты показывают, что для задачи минимизации перепада температуры для гауссова профиля тепловыделения в активном элементе оптимальный радиус внутренней части основания совпадает с радиусом тепловыделения, а оптимальная разница температур между внутренней и внешней частями теплоотводящего основания равна нагреву центральной области активного элемента с цельным теплоотводящим основанием. Практически необходимая разность температур определяется по параметрам выходного излучения лазера.The radius of the inner circle and the temperature difference are determined by the radius of the laser beam, its power and environmental parameters, respectively. The size of the gap between the outer and inner parts of the heat sink base is much smaller than the diameter of the active disk element and is determined by the required temperature difference between the inner and outer parts of the heat sink base. The calculations carried out by the authors show that for the problem of minimizing the temperature difference for the Gaussian heat release profile in the active element the optimal radius of the inner part of the base coincides with the heat release radius, and the optimal temperature difference between the inner and outer parts of the heat sink base is equal to the heating of the central region of the active element with the solid heat sink base. The practically necessary temperature difference is determined by the parameters of the output laser radiation.

Такое построение устройства для охлаждения, в соответствии с п. 1 формулы, позволяет уменьшить радиальный перепад температуры и фазовые и поляризационные искажения излучения проходящего через активный элемент.Этот результат достигается за счет того, что тензор пьезооптических коэффициентов, термооптический коэффициент (dn/dT), и другие материальные постоянные среды являются функциями температуры. Авторами установлено, что радиальный перепад температуры в случае оптимального подбора радиуса внутренней части теплоотводящего основания и разницы температур между внутренней и внешней частями теплоотводящего основания значительно (более чем в 4 раза) уменьшается, что и приводит к требуемому результату уменьшения термонаведенных эффектов, то есть позволяет улучшить качество пучка дискового лазера.Such a device for cooling, in accordance with paragraph 1 of the formula, allows to reduce the radial temperature differential and phase and polarization distortions of radiation passing through the active element. This result is achieved due to the fact that the piezo-optical coefficient tensor, thermo-optical coefficient (dn / dT), and other material constant media are functions of temperature. The authors found that the radial temperature drop in the case of optimal selection of the radius of the inner part of the heat sink base and the temperature difference between the inner and outer parts of the heat sink base significantly (more than 4 times) decreases, which leads to the desired result of reducing thermal induced effects, i.e. allows to improve beam laser quality.

В первом частном случае реализации разработанного активного элемента дискового лазера с системой охлаждения целесообразно присоединить внутреннюю часть теплоотводящего основания в форме круга к одному охлаждающему радиатору, а внешнюю часть теплоотводящего основания в форме кольца - к другому охлаждающему радиатору, при этом температуру первого радиатора целесообразно поддерживать ниже температуры второго радиатора, и за счет этого обеспечить необходимую разницу температур между внутренней и внешней частями теплоотводящего основания.In the first particular case of the implementation of the developed active element of a disk laser with a cooling system, it is advisable to attach the inner part of the heat sink base in the shape of a circle to one cooling radiator, and the outer part of the heat sink base in the shape of a ring to another cooling radiator, while the temperature of the first heat sink is reasonable to keep below the temperature second radiator, and due to this provide the necessary temperature difference between the inner and outer parts of the heat sink bases Hania.

Во втором частном случае реализации разработанного активного элемента дискового лазера с системой охлаждения целесообразно внутреннюю часть теплоотводящего основания прикрепить к элементу Пельтье, который, как и внешнюю часть теплоотводящего основания, целесообразно присоединить к общему охлаждающему радиатору. При этом элемент Пельтье и один охлаждающий радиатор позволяют устанавливать требуемую разницу температур между внутренней и внешней частями теплоотводящего основания.In the second particular case of the implementation of the developed active element of a disk laser with a cooling system, it is advisable to attach the inside of the heat sink base to the Peltier element, which, like the outside of the heat sink base, should be attached to the common cooling radiator. In this case, the Peltier element and one cooling radiator make it possible to establish the required temperature difference between the internal and external parts of the heat sink base.

Сущность изобретения поясняется чертежами:The invention is illustrated by drawings:

- на фиг. 1 представлена в разрезе схема активного элемента дискового лазера прототипа.- in fig. 1 shows a sectional diagram of the active element of a prototype disk laser.

- на фиг. 2 представлена в разрезе схема разработанного активного элемента дискового лазера с системой охлаждения в соответствии с пунктами 1 и 2 формулы.- in fig. 2 shows a sectional diagram of the developed active element of a disk laser with a cooling system in accordance with clauses 1 and 2 of the formula.

- на фиг. 3 представлена в разрезе схема активного элемента дискового лазера с системой охлаждения в соответствии с пунктами 1 и 3 формулы.- in fig. 3 shows a sectional diagram of the active element of a disk laser with a cooling system in accordance with clauses 1 and 3 of the formula.

Разработанный активный элемент дискового лазера с системой охлаждения в соответствии с п. 1 формулы, представленный и на фиг. 2, и на фиг. 3, содержит активную среду 1 в форме диска с диаметром, значительно превышающим толщину. На одну сторону этого диска нанесено просветляющее покрытие 2. На противоположную сторону диска нанесено высокоотражающее покрытие 3, представляющее собой многослойное диэлектрическое покрытие, на которое нанесена металлизация, обеспечивающая необходимый коэффициент отражения и тепловой контакт с теплоотводящим основанием 4. Активная среда 1 с указанными покрытиями соединяется с теплоотводящим основанием 4, выполненным в виде двух независимых частей: внутреннего центрального круга 5 и внешнего кольца 6. Радиус круга 5 определяется расчетным радиусом пучка излучения, падающего на активный элемент. Размер промежутка между внешней 6 и внутренней 5 частями теплоотводящего основания выбирается много меньше диаметра диска активной среды 1 и определяется требуемой разницей температур между этими частями теплоотводящего основания 4. Теплоотводящее основание 4 может быть выполнено из алмаза, сапфира, меди, или других материалов с высокой теплопроводностью.The developed active element of a disk laser with a cooling system in accordance with claim 1 of the formula, presented in FIG. 2, and in FIG. 3, contains an active medium 1 in the form of a disk with a diameter significantly exceeding the thickness. An antireflection coating 2 is applied to one side of this disk. A highly reflective coating 3 is applied to the opposite side of the disk. It is a multilayer dielectric coating that is metallized, providing the necessary reflection coefficient and thermal contact with the heat sink base 4. The active medium 1 with these coatings is connected to heat sink base 4, made in the form of two independent parts: the inner center circle 5 and the outer ring 6. The radius of the circle 5 is determined by em radius of the radiation beam incident on the active element. The size of the gap between the outer 6 and inner 5 parts of the heat sink base is chosen much smaller than the diameter of the active medium disk 1 and is determined by the required temperature difference between these parts of the heat sink base 4. The heat sink base 4 can be made of diamond, sapphire, copper, or other materials with high thermal conductivity .

В первом частном случае реализации разработанного устройства, представленном на фиг. 2, радиаторы 7 и 8 охлаждаются с помощью потоков хладагента разной температуры, за счет чего достигается необходимая разность температур. Две части 5 и 6 теплоотводящего основания 4, в свою очередь, прикрепляются к радиаторам 7 и 8, дающим возможность независимо регулировать температуру двух частей теплоотводящего основания. Необходимая разница температур определяется по тепловой нагрузке на активный оптический элемент.In the first particular case of the implementation of the developed device shown in FIG. 2, radiators 7 and 8 are cooled using different temperature refrigerant streams, thereby achieving the required temperature difference. The two parts 5 and 6 of the heat sink base 4, in turn, are attached to the radiators 7 and 8, making it possible to independently control the temperature of the two parts of the heat sink base. The required temperature difference is determined by the thermal load on the active optical element.

Во втором частном случае реализации разработанного устройства, представленном на фиг. 3, внутренняя часть теплопроводящего основания 5 прикреплена к элементу Пельтье 10, который, как и внешняя часть 6 теплопроводящего основания, присоединен к общему радиатору 9, охлаждаемому, например, потоками газа или жидкости. Управляя напряжением на элементе Пельтье 10, можно регулировать разницу температур между внутренней и внешней частями 5 и 6 теплопроводящего основания.In the second particular case of the implementation of the developed device shown in FIG. 3, the inner part of the heat-conducting base 5 is attached to the Peltier element 10, which, like the outer part 6 of the heat-conducting base, is attached to a common radiator 9 cooled, for example, by gas or liquid flows. By controlling the voltage on the Peltier element 10, it is possible to regulate the temperature difference between the inner and outer parts 5 and 6 of the heat-conducting base.

Разработанное устройство функционирует следующим образом. Излучение проходит через внешнее просветляющее покрытие 2, активную среду 1, отражается от его внутреннего высокоотражающего покрытия 3, снова проходит через активную среду 1 и выходит наружу. Излучение включает в себя излучение накачки и излучение генерации. При этом часть излучения поглощается и переходит в тепло (как за счет линейного поглощения, так и за счет дефекта кванта). Выделяющееся тепло приводит к неравномерному распределению температуры по радиусу активного элемента и, как следствие, к неравномерному распределению материальных постоянных среды, зависящих от температуры. Однако, за счет того, что активный элемент дискового лазера присоединен к двум раздельным концентрическим частям 5 и 6 теплоотводящего основания 4 и температура внутренней части 5 поддерживается ниже температуры внешней части 6, становится возможным уменьшить радиальный перепад температуры внутри активного элемента и соответственно фазовые и поляризационные искажения излучения проходящего через активный элемент, что улучшает качество пучка дискового лазера - уменьшает расходимость и степень деполяризации (отношение мощности деполяризованной компоненты к суммарной мощности излучения), а также эффективность накачки. Также при этом уменьшается вероятность термошока.The developed device operates as follows. The radiation passes through the outer clarifying coating 2, the active medium 1, is reflected from its internal highly reflective coating 3, again passes through the active medium 1 and comes out. Radiation includes pump radiation and lasing radiation. In this case, part of the radiation is absorbed and transferred to heat (both due to linear absorption and due to a quantum defect). The heat generated leads to an uneven temperature distribution along the radius of the active element and, as a result, to an uneven distribution of material constant media dependent on temperature. However, due to the fact that the active element of the disk laser is connected to two separate concentric parts 5 and 6 of the heat dissipating base 4 and the temperature of the internal part 5 is maintained below the temperature of the external part 6, it becomes possible to reduce the radial temperature difference inside the active element and, accordingly, phase and polarization distortions radiation passing through the active element, which improves the quality of the beam of a disk laser - reduces the divergence and degree of depolarization (the ratio of the power of the depolar ovannoy radiation components to the total power), and the pump efficiency. It also reduces the likelihood of thermal shock.

Особенностью работы предлагаемого устройства по п. 2 формулы является то, что части 5 и 6 основания присоединяются каждая к своему радиатору 7 и 8, охлаждаемым до разных температур, причем температура внутреннего радиатора 7 поддерживается ниже температуры внешнего радиатора 8. Это позволяет уменьшить фазовые и поляризационные искажения излучения, проходящего через активный элемент. Этот результат достигается за счет того, что в случае оптимального подбора радиуса внутренней части 5 теплоотводящего основания 4 и разницы температур между внутренним радиатором 7 и внешним радиатором 8, радиальный перепад температуры в активном элементе значительно (более чем в 4 раза) уменьшается. Поэтому разница в материальных постоянных среды, зависящих от температуры, в различных точках пучка также уменьшается, что и приводит к требуемому результату уменьшения фазовых и поляризационных искажений излучения в активном элементе, то есть улучшению качества пучка дискового лазера.A feature of the proposed device according to claim 2 of the formula is that parts 5 and 6 of the base are attached each to its radiator 7 and 8, cooled to different temperatures, and the temperature of the internal radiator 7 is maintained below the temperature of the external radiator 8. This allows to reduce phase and polarization distortion of radiation passing through the active element. This result is achieved due to the fact that in the case of optimal selection of the radius of the inner part 5 of the heat sink base 4 and the temperature difference between the internal radiator 7 and the external radiator 8, the radial temperature drop in the active element decreases significantly (more than 4 times). Therefore, the difference in material constant media depending on temperature at different points of the beam is also reduced, which leads to the desired result of reducing phase and polarization distortions of radiation in the active element, that is, improving the quality of a disk laser beam.

Особенностью работы предлагаемого устройства по п. 3 формулы является то, что внутренняя часть 5 теплопроводящего основания 4 прикреплена к элементу Пельтье 10, которая, как и внешняя часть 6 теплопроводящего основания 4, присоединена к общему радиатору 9, охлаждаемому потоком хладагента (фиг. 3). Управляя напряжением на элементе Пельтье 10, можно регулировать разницу температур между внутренней 5 и внешней 6 частями теплопроводящего основания 4, за счет чего и достигается положительный эффект. Такая конструкция позволяет использовать только один охлаждающий радиатор 9, а требуемую разницу температур между внутренней 5 и внешней 6 частями теплоотводящего основания обеспечивает за счет элемента Пельтье 10.A feature of the proposed device according to claim 3 of the formula is that the inner part 5 of the heat-conducting base 4 is attached to the Peltier element 10, which, like the outer part 6 of the heat-conducting base 4, is attached to a common radiator 9 cooled by the refrigerant flow (Fig. 3) . By controlling the voltage on the Peltier element 10, it is possible to regulate the temperature difference between the inner 5 and outer 6 parts of the heat-conducting base 4, due to which a positive effect is achieved. This design allows you to use only one cooling radiator 9, and the Peltier element 10 provides the required temperature difference between the inner 5 and outer 6 parts of the heat sink base.

Результатом этого является уменьшение поперечных перепадов температур вдоль радиуса дискового активный элемента, что приводит к уменьшению риска термошока и к снижению уровня фазовых и поляризационных искажений пучка, а следовательно, к улучшению качества излучения и повышению эффективности дискового лазера.The result is a reduction in transverse temperature differences along the radius of the disk active element, which reduces the risk of thermal shock and reduces the phase and polarization distortions of the beam, and consequently, improves the radiation quality and increases the efficiency of the disk laser.

Claims (3)

1. Активный элемент дискового лазера с системой охлаждения, содержащий активную среду в форме диска, на которую нанесено просветляющее покрытие с одной стороны и высокоотражающее покрытие с другой стороны, присоединенный торцом к теплоотводящему основанию, и, по крайней мере, один охлаждающий радиатор, отличающийся тем, что теплоотводящее основание конструктивно выполнено в виде двух раздельных частей, внутренняя из которых представляет собой круг, а внешняя - кольцо вокруг круга, разделенные тонким промежутком, при этом температура внутренней части теплоотводящего основания поддерживается ниже температуры внешней части.1. The active element of a disk laser with a cooling system, containing an active medium in the form of a disk, on which is coated an antireflection coating on one side and a highly reflective coating on the other side, butt-attached to the heat sink base, and at least one cooling radiator, distinguished by that the heat removal base is structurally made in the form of two separate parts, the inner one of which is a circle and the outer one is a ring around the circle, separated by a thin gap, while the temperature inside renney portion of the heat sink base is kept below the outer portion of temperature. 2. Активный элемент дискового лазера с системой охлаждения по п. 1, отличающийся тем, что внутренняя часть теплоотводящего основания присоединена к первому охлаждающему радиатору, а внешняя часть теплоотводящего основания в форме кольца - ко второму охлаждающему радиатору, при этом первый охлаждающий радиатор обеспечивает температуру ниже температуры второго охлаждающего радиатора.2. The active element of a disk laser with a cooling system according to claim 1, characterized in that the inner part of the heat sink base is connected to the first cooling radiator, and the outer portion of the heat sink base in the form of a ring is connected to the second cooling radiator, while the first cooling radiator provides the temperature below temperature of the second cooling radiator. 3. Активный элемент дискового лазера с системой охлаждения по п. 1, отличающийся тем, что внутренняя часть теплоотводящего основания прикреплена к элементу Пельтье, который, как и внешняя часть теплоотводящего основания, присоединен к общему охлаждающему радиатору, при этом элемент Пельтье позволяет регулировать разницу температур между внутренней и внешней частями теплоотводящего основания.3. The active element of a disk laser with a cooling system according to claim 1, characterized in that the inner part of the heat sink base is attached to the Peltier element, which, like the outer part of the heat sink base, is attached to a common cooling radiator, while the Peltier element allows you to adjust the temperature difference between the inside and outside of the heat sink base.
RU2017141311A 2017-11-27 2017-11-27 Active element of a disk laser with a cooling system RU2687088C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017141311A RU2687088C1 (en) 2017-11-27 2017-11-27 Active element of a disk laser with a cooling system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017141311A RU2687088C1 (en) 2017-11-27 2017-11-27 Active element of a disk laser with a cooling system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2687088C1 true RU2687088C1 (en) 2019-05-07

Family

ID=66430461

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017141311A RU2687088C1 (en) 2017-11-27 2017-11-27 Active element of a disk laser with a cooling system

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2687088C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019117880A1 (en) * 2019-07-02 2021-01-07 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Laser system
WO2021024046A1 (en) * 2020-04-16 2021-02-11 Владимир ВАХ Module of a temperature regulating device for a semiconductor laser

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7200160B2 (en) * 2002-04-27 2007-04-03 Rofin-Sinar Laser Gmbh Laser beam source with a laser element containing a thin crystal disk as a laser-active medium
RU2439761C1 (en) * 2010-10-11 2012-01-10 Федеральное государственное предприятие "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Active element of disc laser
US8379680B1 (en) * 2009-08-10 2013-02-19 The Boeing Company Direct cooling of thin disk lasers
DE102013009509A1 (en) * 2013-05-29 2014-12-04 Dausinger & Giesen Gmbh A laser amplifier system comprising a solid state disk with thermal homogenization layer for heat spreading
DE102014100204A1 (en) * 2013-08-03 2015-02-05 Dausinger & Giesen Gmbh Laser amplifier system with thermal phase correction
US20160118766A1 (en) * 2014-10-22 2016-04-28 Trumpf Laser Gmbh Cooling disk lasers
RU2596030C1 (en) * 2015-03-16 2016-08-27 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Cooling device of active element of solid-state laser

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7200160B2 (en) * 2002-04-27 2007-04-03 Rofin-Sinar Laser Gmbh Laser beam source with a laser element containing a thin crystal disk as a laser-active medium
US8379680B1 (en) * 2009-08-10 2013-02-19 The Boeing Company Direct cooling of thin disk lasers
RU2439761C1 (en) * 2010-10-11 2012-01-10 Федеральное государственное предприятие "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Active element of disc laser
DE102013009509A1 (en) * 2013-05-29 2014-12-04 Dausinger & Giesen Gmbh A laser amplifier system comprising a solid state disk with thermal homogenization layer for heat spreading
DE102014100204A1 (en) * 2013-08-03 2015-02-05 Dausinger & Giesen Gmbh Laser amplifier system with thermal phase correction
US20160118766A1 (en) * 2014-10-22 2016-04-28 Trumpf Laser Gmbh Cooling disk lasers
RU2596030C1 (en) * 2015-03-16 2016-08-27 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Cooling device of active element of solid-state laser

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019117880A1 (en) * 2019-07-02 2021-01-07 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Laser system
DE102019117880B4 (en) 2019-07-02 2024-04-18 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Laser system
WO2021024046A1 (en) * 2020-04-16 2021-02-11 Владимир ВАХ Module of a temperature regulating device for a semiconductor laser

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4949346A (en) Conductively cooled, diode-pumped solid-state slab laser
EP1846992A2 (en) Cryogenically cooled solid state lasers
RU2687088C1 (en) Active element of a disk laser with a cooling system
EP1747607A1 (en) Zig-zag laser amplifier with polarization controlled reflectors
JP4231477B2 (en) Laser beam source
JP7037731B2 (en) All-solid-state high-power slab laser based on phonon-band end emission
US8929413B2 (en) Laser gain module and method for producing such a module
US9337614B1 (en) Cooling disk lasers
US7724800B2 (en) Power scaleable thin disk lasers
EP1834387A2 (en) Glaze cladding for laser components and method of encapsulation
US20020110166A1 (en) Method and system for cooling a laser gain medium
US9640935B2 (en) Radially polarized thin disk laser
US7822091B2 (en) Inverted composite slab sandwich laser gain medium
EP0860040B1 (en) Solid state lasers
WO2003061082A1 (en) Laser pump cavity and method of making same
US20210349281A1 (en) High Power Light Absorbers
Slezak et al. Efficient ASE management in disk laser amplifiers with variable absorbing clads
JPH1022551A (en) Solid laser exciting module
RU2439761C1 (en) Active element of disc laser
Vretenar et al. Thermal and stress characterization of various thin disk laser configurations at room temperature
Meng et al. 6.2 kW quasi-continuous-wave diode-pumped Yb: YAG ceramic slab laser
CN103414095B (en) A kind of laser pump cavity for solid state laser
US20230411921A1 (en) Coefficient of thermal expansion matched mounting technique for high power laser
FR2899033A1 (en) Optical laser beam amplifying device for use in vacuum container, has thermomechanical interface e.g. cryogenic liquid film, between crystal and part, partially immersing crystal in liquid, and provided in contact with cylindrical surface
Milani et al. Calculating optical path difference in end-pumped Yb: YAG thin disk lasers