импульсно-периодический лазер
Классы МПК: | H01S3/042 для твердотельных лазеров |
Автор(ы): | Сторощук О.Б., Сизов О.В. |
Патентообладатель(и): | Открытое акционерное общество "Вологодский оптико- механический завод" |
Приоритеты: |
подача заявки:
2001-02-22 публикация патента:
20.04.2003 |
Изобретение относится к лазерной технике, а именно к импульсно-периодическим твердотельным лазерам. Импульсно-периодический лазер содержит осветитель, внутри которого расположены активный элемент и лампа накачки. Верхняя часть осветителя содержит лампу накачки, а нижняя часть осветителя содержит активный элемент, теплоотводящую пластину, прозрачную для излучения накачки, прижимную пластину. Активный элемент выполнен пластинчатым и упруго прижат нижней частью осветителя по всей длине к теплопроводящей пластине. Коэффициенты теплопроводности активного элемента
и прозрачной пластины
1, коэффициенты теплопередачи
1 верхней части активного элемента,
2 нижней части активного элемента, контактирующего с прижимной пластиной, связаны следующими соотношениями:
1
2
, 0,5<
2/
1<1. Технический результат изобретения - повышение эффективности охлаждения лазера. 2 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202009/955.gif)
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202009/955.gif)
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202010/945.gif)
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202010/945.gif)
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202009/955.gif)
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202005/8805.gif)
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202009/955.gif)
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202010/945.gif)
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202010/945.gif)
Формула изобретения
Импульсно-периодический лазер, содержащий осветитель, внутри которого расположены активный элемент и лампа накачки, отличающийся тем, что верхняя часть осветителя содержит лампу накачки, а нижняя часть осветителя содержит активный элемент, теплоотводящую пластину, прозрачную для излучения накачки, прижимную пластину, при этом активный элемент выполнен пластинчатым и упруго прижат по всей длине нижней частью осветителя к теплопроводящей пластине, причем коэффициенты теплопроводности активного элемента![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202009/955.gif)
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202009/955.gif)
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202010/945.gif)
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202010/945.gif)
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202009/955.gif)
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202005/8805.gif)
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202009/955.gif)
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202010/945.gif)
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202010/945.gif)
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в импульсно-периодических твердотельных лазерах с кондуктивным охлаждением, работающих как в режиме кратковременных циклов излучения (десятки секунд), так и в продолжительном режиме (несколько минут) со стабильной энергией излучения, повышенным КПД и высокой направленностью излучения при средних (100-300 Вт) мощностях накачки. Известен твердотельный лазер (см. патент RU 2102824 от 02.08.96), осветитель которого, состоящий из отражателя, лампы накачки и активного элемента, упруго прижат к основанию корпуса лазера. К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится то, что данное устройство, слабо подверженное влиянию вибрации, механических и термических деформаций корпуса, критично к перегреву и термическим искажениям активного элемента, возникающим из-за значительного градиента температуры между ближней к лампе накачки и соответственно более нагретой частью и противоположной, менее нагретой при работе с повышенными мощностями накачки. Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков и выбранным за прототип является твердотельный лазер (Балашов И.Ф. и др. "Охлаждение активного тела ОКГ с помощью металлического теплопроводника". Оптико-механическая промышленность, 4, 1968, с. 5), в котором активный элемент нижней частью посажен на теплоотвод посредством теплопроводной прослойки. В результате этого обеспечивается отвод тепла от активного элемента, что позволяет использовать более высокие мощности накачки. К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится нескомпенсированный симметричный градиент температуры в плоскости, проходящей через оси лампы накачки и активного элемента, приводящий к возникновению цилиндрической тепловой линзы, что приводит к снижению выходных параметров излучения. Сущность изобретения заключается в повышении КПД, мощности излучения и направленности излучения твердотельного лазера с безжидкостной системой охлаждения как в режиме кратковременных циклов излучения (десятки секунд), так и в продолжительном режиме (несколько минут) в широком диапазоне мощностей накачек (от 100 до 300 Вт). Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что верхняя часть осветителя содержит лампу накачки, а нижняя часть осветителя содержит активный элемент, теплоотводящую пластину, прозрачную для излучения накачки, прижимную пластину, при этом активный элемент выполнен пластинчатым и упруго прижат по всей длине нижней частью осветителя к теплопроводящей пластине, причем коэффициенты теплопроводности активного элемента![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202009/955.gif)
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202009/955.gif)
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202010/945.gif)
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202010/945.gif)
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202009/955.gif)
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202005/8805.gif)
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202009/955.gif)
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202010/945.gif)
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202010/945.gif)
Кривая 1 - для коэффициента теплопередачи
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202010/945.gif)
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202010/945.gif)
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202010/945.gif)
2/
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202010/945.gif)
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202010/945.gif)
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202010/945.gif)
Кривая 3 - для случая, когда
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202010/945.gif)
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202010/945.gif)
В процессе работы лампы накачки активный элемент нагревается симметрично за счет притока тепла от баллона лампы накачки и поглощения излучения накачки, так как из-за различий в коэффициентах теплопроводности уравниваются температуры ближней к лампе накачки части активного элемента и противоположной. Одновременно с нагревом за счет контактирования ближней к лампе накачки грани активного элемента с прозрачной теплопроводной пластиной и противоположной грани с прижимной пластиной с меньшим коэффициентом теплопередачи тепло симметрично удаляется по данному пути на алюминиевый корпус осветителя и его ребрами рассеивается в наружную среду. Постоянный упругий поджим активного элемента обеспечивает надежный теплоотвод как от верхней части активного элемента, так и нижней. Упругость прижима выбрана таким образом, чтобы для предельно допустимых мощностей накачек внутренние напряжения, возникшие в активном элементе, не вызвали его разрушения, а привели только к клиновой деформации активного элемента. Так как верхняя часть активного элемента нагревается больше из-за близости к баллону лампы накачки по сравнению с противоположной, теплопроводность материала прозрачной пластины, с которой контактирует данная часть активного элемента, должна быть больше теплопроводности материала прижимной части и соответствовать соотношению
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202009/955.gif)
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202005/8805.gif)
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202009/955.gif)
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202010/945.gif)
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202010/945.gif)
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202010/945.gif)
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202010/945.gif)
Сравнительные испытания лазеров, выполненных по прототипу и изобретению, показали, что при работе в циклическом режиме с частотой следования импульсов 20 Гц и энергией накачки 4-5 Дж лазер, выполненный по изобретению, по сравнению с прототипом, обеспечивал стабильную работу в течение 1-1,5 мин в плоскопараллельном резонаторе длиной 29 см, в то время как у прототипа для компенсации симметричной термооптической составляющей в активном элементе применялся устойчивый резонатор, что в конечном счете приводило к повышению расходимости излучения. В конкретном варианте твердотельного лазера использовался активный элемент из КГВ: Nd3+ толщиной и шириной 3 мм, длиной 50 мм, коэффициентом теплопроводности
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202009/955.gif)
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202004/8226.gif)
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202009/955.gif)
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202004/8226.gif)
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202010/945.gif)
![импульсно-периодический лазер, патент № 2202847](/images/patents/268/2202010/945.gif)
Класс H01S3/042 для твердотельных лазеров