Патент на изобретение №2295184

(54) ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР

(57) Реферат:

Изобретение относится к квантовой электронике, к твердотельным лазерам с непрерывным излучением, может быть использовано в энергетических лазерных установках, лазерной химии, лазерной медицине, металлургии. Твердотельный оптико-волоконный лазер содержит активный элемент, резонатор, источник оптической накачки. Активный элемент выполнен из оптико-волоконного элемента или пакета оптико-волоконных элементов. Источник накачки выполнен из радиолюминесцентного материала, в радиоизлучении которого отсутствует гамма-составляющая. Источник накачки размещен на каждом оптико-волоконном элементе по всей его длине. Технический результат – создание непрерывного твердотельного полностью автономного лазера с большим ресурсом работы и широким диапазоном мощности генерации со стабильными характеристиками. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике, конкретнее к твердотельным лазерам с непрерывным излучением, и может быть использовано в энергетических лазерных установках, лазерной химии, лазерной медицине, металлургии и других лазерных технологических процессах на Земле и в космическом пространстве.

Известен лазер с солнечной накачкой (Патент РФ №1701082, H 01 S 3/09, 1994 г.), содержащий систему из двух софокусных вогнутых разноапертурных зеркал и активный элемент, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, в него введены вторая система из двух софокусных разноапертурных параболоцилиндрических зеркал и два крышеобразных возвратных отражателя, зеркала первой системы выполнены параболоцилиндрическими, в меньшем зеркале первой системы выполнена щель, параллельная фокальной линии системы с шириной, равной апертуре меньшего зеркала второй системы, апертура большего зеркала второй системы равна апертуре меньшего зеркала первой системы, фокальные линии обеих систем параллельны друг другу, меньшее зеркало второй системы оптически связано по ходу излучения накачки с ее большим зеркалом через расположенные последовательно два возвратных отражателя и щель в меньшем зеркале первой системы, а активный элемент расположен между указанными отражателями, при этом один из крышеобразных возвратных отражателей размещен между фокальной линией и большим зеркалом второй системы, при этом в ней выполнена продольная щель, параллельная фокальной линии второй системы с шириной, равной апертуре меньшего зеркала первой системы.

Недостатком известного лазера является низкая эффективность накачки, поскольку спектр солнечного излучения близок к спектру теплового излучения черного тела, в котором интенсивность линий видимого диапазона везде одинаковая.

Поэтому кроме линий, совпадающих с полосой поглощения активатора, вся остальная область солнечного спектра только нагревает матрицу активного элемента. Мощность накачки ограничена постоянством солнечной радиации, работа лазера полностью зависит от погоды, необходима постоянная переориентация лазера по Солнцу. Более эффективно лазер с солнечной накачкой работает в космосе и то периодически (в тени Земли не работает).

Известен лазер (Патент США 5313485, H 01 S 3/0915, 1994 г.), в котором для улучшения согласования спектров излучения накачки и поглощения активатора применяется спектральное преобразование света лампы в фотолюминесцентное свечение люминофора.

Недостатком этого лазера является наличие лампы накачки, отсюда – низкий ресурс лазера, необходимость электропитания, размер активного элемента ограничен межэлектродным расстоянием лампы. Мощность генерации ограничен возможностями лампы накачки и потерями при спектральном преобразовании; лазер работает только в импульсном режиме на искусственных кристаллах.

При ламповой накачке спектры согласованы слабо, к тому же сильное поглощение в матрице АИГ. Особенно вредно это в ультрафиолетовой области.

Известен непрерывный твердотельный лазер (Патенты Японии №57-177584, 57-177585, H 01 S 3/091, 1982 г.) с электролюминесцентной накачкой. На активный элемент из Nd:YAG (неодим – иттрий-алюминиевый гранат) нанесены электропроводящие пленки с выходными электродами. Между пленками размещен слой люминофора. Внутренняя пленка выполнена прозрачной, а внешняя – отражающей. Зеркала резонатора нанесены на торцы активного элемента.

Недостатком лазера является необходимость электропитания, применение искусственного кристалла Nd:YAG и низкая мощность оптической накачки, которая ограничена тем, что на электроды нельзя подавать большую электрическую мощность из-за вероятности пробоя люминесцентного слоя. Свечение люминофора экранируется соседними слоями по толщине, поэтому на активный элемент эффективно работает только один внутренний слой. Неизбежны потери излучения накачки и в электропроводящей внутренней пленке.

Наиболее близок по технической сущности к предлагаемому изобретению является непрерывный оптико-волоконный эрбиевый лазер ELD-15 производства НТО «ИРЭ-Полюс» (Россия, 141120, Московская область, г.Фрязино, пл.Введенского, д.1; т.526-90-83, ф.702-95-73). В лазерах серии ELD активным элементом является оптическое стекловолокно, легированное эрбием, а для накачки применяются лазерные диоды, работающие на длине волны 970 нм. Аналогичные физические принципы НТО «ИРЭ-Полюс» использует в мощных и сверхмощных (до 6 кВт) индустриальных неодимовых оптико-волоконных лазерах, которые на сегодня являются наиболее эффективными по преобразованию электрической энергии в оптическую.

Однако все типы лазеров, разработанных НТО «ИРЭ-Полюс», так же, как и других производителей, не могут работать без электропитания. Даже при теоретически допустимом КПД 20%, о котором сообщается в рекламной информации этой фирмы, для 6-киловатной выходной мощности требуется не менее 30 кВт электрической мощности. Очевидно, что применение такого лазера ограничено возможностями получения большой электрической мощности для накачки и необходимостью отвода тепла от оставшихся 80% этой мощности. К недостаткам конструкции относится также и неизбежная при этом высокая расходимость луча, ограничивающая его дальность действия.

Данное изобретение решает задачу создания непрерывного твердотельного полностью автономного лазера с большим ресурсом работы и широким диапазоном мощности генерации со стабильными характеристиками. Сущность изобретения заключается в том, что твердотельный оптико-волоконный лазер, содержит активный элемент, резонатор и источник оптической накачки, при этом источник накачки выполнен из радиолюминесцентного материала и размещен на каждом оптико-волоконном элементе по всей его длине.

Активный элемент лазера может быть выполнен из оптического волокна, легированного Nd³⁺. Кроме того, активный элемент может быть выполнен в виде пакета оптических волокон, собранных в жгут, бухту из этого жгута, а конечные участки оптико-волоконных элементов могут соприкасаться друг с другом.

Торцевые поверхности оптико-волоконных элементов покрыты светоотражающими интерференционными покрытиями, при этом светоотражающее покрытие на одной из торцевых поверхностей оптико-волоконных элементов выполнено с коэффициентом отражения 100%, а на другой с коэффициентом отражения 93-97%.

Краткое описание чертежей.

Изобретение поясняется на примере предпочтительного варианта реализации заявляемого оптико-волоконного лазера.

Фиг.1 – схема оптико-волоконного лазера.

Фиг.2 – оптическое волокно в разрезе.

Фиг.3 – схема оптико-волоконного лазера, собранного в виде пакета.

Фиг.4 – схема оптико-волоконного лазера, собранного в виде бухты.

Фиг.5 – схема оптико-волоконного лазера с соприкасающимися конечными участками оптико-волоконными элементами.

Предлагаемый в данном изобретении источник накачки 1 практически не имеет размеров и не усложняет конструкцию, равномерно возбуждает активный элемент из стекловолокна 2 на всем его протяжении при любой длине, не требует электропитания и особого обслуживания, работает непрерывно с огромным и не имеющим аналогов ресурсом. Активный элемент 2 выполнен из оптического волокна, легированного Nd³⁺.

Пакет оптико-волоконных элементов может быть изготовлен в виде жгута 3, который в свою очередь может быть собран, например, в виде бухты 4. На торцевые поверхности оптико-волоконных элементов нанесены интерференционные зеркала с коэффициентами отражения 100% 5 и 97% 6.

Плотно упакованные в оболочку волокна образуют жгут произвольной формы и длины. Количество волокон в жгуте и его длина прямо пропорционально определяют мощность генерации лазера. Для удобства в работе и надежности конструкции жгут укладывается в бухту и закрывается прочным внешним кожухом.

Альфа/бета-радиолюминесцентное свечение, попадая через боковую поверхность внутрь световода, распространяется в нем по двум противоположным направлениям, отражаясь от границы раздела сред. При этом свет накачки возбуждает активаторы Nd³⁺ и возникает лавинообразный процесс усиления до появления стационарного состояния, при котором потери и усиление находятся в постоянном соотношении между собой. Как и в любом лазере, превышение усиления над потерями составляет величину мощности генерации.

Чтобы такая конструкция работала как лазерный излучатель, необходима положительная обратная связь в виде резонатора. Для этого все волокна у торца сплавляются в монолитную стеклянную массу, и оба торца полируются в плоскости, перпендикулярной оси каждого волокна. На одну из плоскостей наносится многослойное интерференционное зеркало со 100% коэффициентом отражения на длине волны 1,064 микрона. На вторую торцевую плоскость наносится просветляющее покрытие на эту же длину волны. Другое интерференционное зеркало резонатора наносится на стеклянную подложку отдельно. Это зеркало является выходным для луча генерации и имеет коэффициент отражения 93-97%. Зеркало перемещается в плоскости перпендикулярно выходящему лучу и позволяет включать и выключать лазер механически. Установка выходного зеркала в рабочее положение должна точно воспроизводить юстировку резонатора, чтобы не возникало дополнительных потерь из-за разъюстировки. Однако такое устройство в волоконно-оптическом лазере все равно малоэффективно. Это обусловлено тем, что свечение с торцов активного элемента (жгута) в каждом волокне происходит в виде рассеянных лучей с большим диапазоном углов на выходе, то есть в виде широкого конуса. Интерференционный эффект в зеркалах отражения имеет место только для параллельных лучей, падающих нормально к плоскости зеркала. Только при таком условии зеркала обеспечивают необходимый коэффициент отражения. Поэтому до подхода к торцам все зигзагообразные лучи в световоде должны быть выпрямлены, параллельны и нормальны к плоскостям зеркал. Это возможно достичь плавным, но значительным изменением коэффициента преломления по поперечному сечению волокна от боковой поверхности к центру. Причем у боковой поверхности коэффициент преломления должен быть больше, а в центре меньше. Само волокно при этом должно быть прямолинейным и жестким, не изгибаться на отрезке 50-80 сантиметров до торца. Тогда колебания проходящих по световоду лучей на этом участке постепенно затухают, лучи не доходят до боковой поверхности, а загибаются все ближе к центру и полностью выпрямляются, проходя по геометрической оси волокна.

Другим вариантом резонатора для лазера с гибким активным элементом может быть конструкция с одним выходным (93-97%) зеркалом, если оба конца жгута совместить в один общий жгут и отполировать его торец 7. Другого торца нет, потому что жгут изогнут и повернут назад к началу. Далее все также как в описанном выше варианте.

Данное устройство представляет собой многокомпонентный лазер, то есть в одной конструкции скомпоновано множество лазеров, количество которых равно количеству волокон в жгуте. В зависимости от назначения такого лазера, можно по-разному использовать полученное на выходе излучение.

Если установить собирающую линзу, то с точностью до аберраций все лучи соберутся в одну точку, за которой они снова разойдутся. Тогда в этой точке будет сосредоточена почти вся мощность генерации лазера, и его можно использовать для высокотемпературных воздействий на материалы (сварка, резка, закалка, гравировка и так далее).

Кроме того, можно все параллельные лучи свести в один луч малого диаметра с высокой плотностью мощности и минимальной расходимостью. Такой луч имеет более широкий диапазон применений (локация, связь, дальнометрия, хирургия, геодезические и маркшейдерские работы, строительные работы, лучевое оружие, передача энергии на расстоянии, метеорология, астрономия, навигация и многое другое). Чтобы все лучи свести в один на выходе лазера, необходимо применить оптический смеситель. Его принцип действия такой же, как и при выпрямлении зигзагообразного луча в световоде, то есть используется градиентный коэффициент преломления по поперечному сечению смесителя, который позволяет все лучи на входе свести на выходе в один прямолинейный с минимально возможным диаметром. Причем выходное зеркало резонатора может быть расположено на входном торце смесителя.

В резонаторе такого лазера нет стоячей волны, вместо нее – бегущая. А потому нет эффекта «выгорания дырок» в объеме активного элемента, нет термической линзовости и термической разъюстировки, существует значительно более равномерный съем мощности по объему, дифракционные явления усреднены, модовая структура излучения в поперечном сечении на выходе также сильно усреднена по пространству и времени. Таким образом, имеет место высокоэффективная согласованная работа резонатора с активным элементом, позволяющая получить стабильное равномерное излучение.

Для снижения потерь при отражении лучей внутри световодного волокна из-за иммерсии на границе раздела сред стекло-радиолюминесцентная светящаяся краска (пудра, капсулы с газом), боковая поверхность волокна до нанесения краски покрывается прозрачной для света накачки тонкой пленкой с коэффициентом преломления значительно большим, чем в остальном объеме. Тогда вошедший в волокно свет накачки начинает испытывать световодный эффект, уже отражаясь от этой пленки, не доходя до границы раздела и не поглощаясь там.

Относительно невысокая удельная мощность альфа/бета-радиолюминесцентного свечения накачки в предлагаемой конструкции компенсируется ее эффективным распределением по объему активного элемента. Как видно из описания конструкции, жгут из волокон пронизан свечением накачки снаружи и изнутри, тогда как в обычном твердотельном лазере активный элемент возбуждается только через боковую поверхность. Кроме того, достаточно высокое усиление света и большую мощность генерации позволяет получить недостижимая в других конструкциях огромная длина активного элемента с непрерывной по всей длине накачкой. И, наконец, весомым фактором повышения КПД лазера является эффективное спектральное согласование излучения накачки с поглощением активатора Nd³⁺.

Для этих целей подбирается люминофор с узким спектральным диапазоном излучения и максимально совпадающим с наиболее интенсивными линиями спектра поглощения Nd³⁺. В частности, это относится к трем основным линиям 810; 750 и 580 нанометров. Кроме узких диапазонов около этих линий свечения на всех других длинах волн быть не должно. Например, альфа/бета-радиолюминесцентная самосветящаяся краска, состоит из смеси трех компонентов: люминофор (источник оптического излучения для накачки активного элемента лазера), активатор (источник альфа/бета-излучения для возбуждения люминофора) и клеевой состав, который скрепляет компоненты и обладает хорошей адгезией к стекловолокну (типа SiO₂).

В качестве люминофора, например, можно использовать легированные кристаллы сульфида кадмия (CdS), теллурида кадмия (CdTe) и селенида цинка (ZnSe). В статье В.П.Махний, Я.Н.Барасюк «Интегральный детектор ионизирующих излучений на основе гетероперехода сульфид-теллурид кадмия», опубликованной в «Письма в ЖТФ», 1997, том 23, стр.14, сообщается об эффективном применении их для индикации (обнаружения) ионизирующих излучений. Они обладают высоким энергетическим выходом, то есть сильным свечением под воздействием радиации, быстродействием и высокой прозрачностью для радиолюминесцентного излучения, стойкостью к воздействию влаги, температуры и радиации. Кроме того, спектры альфа-радиолюминесценции этих люминофоров имеют максимумы, почти совпадающие с двумя из трех основных линий в спектре поглощения неодима.

Источниками альфа-излучения можно использовать устойчивые долгоживущие изотопы 238Pu, 239Pu, 241 Am или 244Cm. В этом качестве они предлагаются как продукция ЗАО «Ритверц» ФГУП НПО «Радиевый институт имени В.Г.Хлопина» (194021, Россия, г.Санкт-Петербург, 2-й Мичуринский пр., дом 28).

В качестве активатора могут использоваться и отходы атомной промышленности, которые подлежат утилизации или хранятся в могильниках. Это должен быть предельно дешевый материал с особыми свойствами: период полураспада длительностью до сотни лет и более, а в его радиоизлучении должна отсутствовать гамма-составляющая, используются только альфа- и/или бета-излучения. Радиолюминесцентная (самосветящаяся) краска (или пудра) изначально проверяется на радиационную безопасность в соответствии с требованиями нормативных актов, регулирующих безопасность подобного рода материалов (стандарты, необходимая сертификация и т.д.). Люминофор не должен снижать яркости свечения в пределах времени периода полураспада активатора. Рабочая смесь должна быть максимально мелкодисперсной, чтобы при нанесении ее на поверхность волоконного световода толщина пленки составляла не более 0,1 миллиметра при хорошей адгезии к материалу световода (возможно также впаивание капсул с газом в поверхность световода). Все перечисленные требования не должны зависеть от воздействия температуры в диапазоне, как минимум, плюс-минус 50 градусов по Цельсию.

Для первого экспериментального образца волоконно-оптического лазера можно использовать стеклянное волокно диаметром 0,2-0,3 мм. С активацией Nd³⁺ в 1 атомный %. Число волокон в жгуте не менее 10, длина жгута 100 метров. Дальнейшие подробные исследования принципов работы такого лазера и оптимизация его конструкции могут быть темой отдельной диссертации.

Высокая надежность и стабильность генерации, огромный ресурс и полная автономность (отсутствие электропитания и водяного охлаждения), практически неограниченные (только размерами лазера) возможности повышения выходной мощности и ее плотности выгодно отличают предлагаемую конструкцию от существующих сегодня промышленных и военных лазеров в областях применений, себестоимости, квалификации и объемов обслуживания, эффективности и перспективы дальнейших разработок.

Отсутствие электропитания для накачки делает лазер полностью независимым и автономным, что позволяет резко расширить области его применения.

Промышленностью освоено производство люминофоров, излучение которых лежит в узких диапазонах и в совокупности перекрывает области спектра от ультрафиолетовой до инфракрасной. Поэтому можно выбрать в качестве источника оптической накачки такой радиолюминесцентный материал, спектральный максимум излучения которого совпадает, например, с основными линиями поглощения активатора Nd³⁺. Реально получить весьма эффективное согласование спектров излучения накачки и поглощения активатора, а в области поглощения матрицы потери свести к минимуму. Таким образом значительно повышается КПД оптической накачки.

Температурный баланс, существующий при накачке твердотельного активного элемента радиолюминесцентным методом, выгодно отличается от известных технических решений. Здесь нет высокотемпературной плазмы, а спектр излучения накачки оптимально согласован с линиями поглощения активатора. Следовательно, внутренний и внешний нагрев активного элемента многократно меньше. Отпадает необходимость водяного охлаждения. Упрощается конструкция лазера, достигается полная его автономность.

Без водяного охлаждения небольшое количества тепла равномерно распределено по объему твердотельного активного элемента, поэтому в нем нет больших внутренних напряжений. Появляется возможность использовать стекло с Nd³⁺ для получения непрерывного режима генерации. Оптически чистая стеклянная матрица активного элемента значительно снижает вредные потери на поглощение. Стекло во много раз дешевле искусственно выращенных кристаллов АИГ. Активные элементы из стекловолокна можно изготавливать значительных размеров без ущерба качеству. В стекло более равномерно входит активатор Nd³⁺, есть возможность широко варьировать его концентрацию без потери качества матрицы.

Для многих применений лазерного излучения решающим фактором является стабильность мощности генерации (связь, управление химическими реакциями и др.), которая, в основном, зависит от стабильности накачки. При ламповой накачке газоразрядная лампа не является стабильной по свечению из-за физического состояния плазмы разряда. Ситуация усугубляется турбулентностью потока охлаждения вдоль активного элемента, которая фактически приводит к шумовой модуляции потерь в резонаторе лазера из-за термической нестабильности активного элемента.

При диодной накачке стабильность ее значительно выше, но и она полностью зависит от стабильности электропитания. Радиолюминесцентная накачка полностью свободна от этих недостатков и является идеально стабильной. Никакими другими методами превзойти такую стабильность невозможно. Очевидно, что область применения высокостабильных лазеров значительно шире.

Поскольку активаторы имеют огромные сроки (сотни лет) периода полураспада, значит, существование самого факта радиолюминесценции и наличие энергии накачки равно этим же срокам. Недостижимый никакими другими способами ресурс такого источника накачки делает лазер практически вечным. В нем нет элементов, которые деградируют во времени.

Высокая чистота и однородность стекла в волоконном световоде обеспечивают его высокую радиационную стойкость к воздействию активатора радиолюминесцентного люминофора. Более того, невосприимчивость стеклянной матрицы к радиации обусловлена составом радиации, поскольку в нем нет -составляющей, а – и -излучения имеют корпускулярный характер с очень малой проникающей способностью (например, -излучение задерживает лист бумаги). К тому же радиолюминесцентные (самосветящиеся) краски, пудра, капсулы с газом, например, на основе отходов атомной промышленности выпускаются изначально радиационно-безопасными в соответствии с требованиями стандарта к такого рода материалам.

Таким образом, применение радиолюминесцентного световодного метода накачки позволяет создать устройство, которое не требует обслуживания полностью автономно и независимо, обладает огромным ресурсом и выдает непрерывное лазерное излучение.

Формула изобретения

1. Твердотельный оптико-волоконный лазер, содержащий активный элемент, резонатор и источник оптической накачки, отличающийся тем, что активный элемент выполнен из оптико-волоконного элемента или пакета оптико-волоконных элементов, источник накачки выполнен из радиолюминесцентного материала, в радиоизлучении которого отсутствует гамма-составляющая, и размещен на каждом оптико-волоконном элементе по всей его длине.

2. Твердотельный оптико-волоконный лазер по п.1, отличающийся тем, что оптико-волоконные элементы легированы Nd³⁺.

3. Твердотельный лазер по п.1, отличающийся тем, что пакет оптико-волоконных элементов собран в виде жгута.

4. Твердотельный лазер по п.1, отличающийся тем, что пакет оптико-волоконных элементов собран, например, в виде бухты.

5. Твердотельный лазер по п.1, отличающийся тем, что конечные участки оптико-волоконных элементов соприкасаются друг с другом.

6. Твердотельный лазер по п.1, отличающийся тем, что торцевые поверхности оптико-волоконных элементов покрыты светоотражающими интерференционными покрытиями.

7. Твердотельный лазер по п.7, отличающийся тем, что светоотражающее покрытие на одной из торцевых поверхностей оптико-волоконных элементов выполнено с коэффициентом отражения 100%, а на другой с коэффициентом отражения 93-97% на длине волны генерации.

РИСУНКИ