Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(19) BY (11) 7357
(13) U8
(48) 2012.02.28
(51) МПК
H 01S 3/16 (2006.01)
(54) МИНИАТЮРНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ
(15) код ИНИД (72)
(45) 2011.06.30
(21) Номер заявки: u 20100886
(22) 2010.10.21
(46) 2011.06.30
(71) Заявители: Открытое акционерное
общество "Пеленг" (BY)
(72) Авторы: Васильева Ирина Владими-
ровна; Векшин Сергей Константино-
вич; Немененок Александр Иванович;
Тареев Анатолий Михайлович; Кисель
Виктор Эдвардович (BY)
(73) Патентообладатели: Открытое акцио-
нерное общество "Пеленг" (BY)
(57)
1. Миниатюрный лазерный излучатель, содержащий лазерный диод накачки с воло-
конным выходом и последовательно установленные за выходным торцом волокна первый
объектив, обеспечивающий фокусировку излучения накачки, и активный элемент, плос-
кие рабочие торцы которого перпендикулярны оптической оси объектива, входное и вы-
ходное зеркала резонатора выполнены в виде отражающих диэлектрических покрытий
непосредственно на плоских рабочих торцах активного элемента, при этом на входном
торце нанесено покрытие, полностью отражающее на длине волны генерации и полно-
стью пропускающее на длине волны накачки, а на выходном торце - полностью отражаю-
щее на длине волны накачки и частично пропускающее на длине волны генерации,
отличающийся тем, что активный элемент выполнен в виде прямоугольного параллеле-
пипеда, на двух противоположных нерабочих гранях которого расположены прокладки из
Фиг. 1
BY7357U82012.02.28

2. BY 7357 U8 2012.02.28
2
теплопроводящего эластичного материала, и установлен с возможностью поперечного
смещения относительно оптической оси, в излучатель дополнительно введен второй объ-
ектив, состоящий, по меньшей мере, из трех линз, установленный на оптической оси за
выходным торцом активного элемента, при этом вторая по ходу лучей линза второго объ-
ектива установлена с возможностью смещения вдоль оптической оси, а третья по ходу лу-
чей линза установлена с возможностью смещения в плоскости, перпендикулярной
оптической оси.
2. Излучатель по п. 1, отличающийся тем, что активный элемент выполнен из кри-
сталла алюмоиттриевого граната, активированного ионами иттербия.
(56)
1. Патент RU 2360341 C2, МПК H 01S 3/16, 2009.
2. Сычугов В.А., Михайлов В.А. и др. Коротковолновый (λ = 914 нм) микролазер на
кристалле YVO4:Nd3+
// Квантовая электроника". - 30. - № 1. - 2000 (прототип).
3. Кийко В.В., Офицеров Е.Н. Исследование термооптических искажений активного
элемента (Nd: YVO4) при различных способах его крепления // Квантовая электроника. -
36. - № 5. - 2006.
4. Справочник по лазерам / Под ред. А.М.Прохорова. - М.: Сов. радио, 1978.
5. Макет иттербиевого лазера с диодной накачкой. Отчет о НИР (научн. рук.
Н.В.Кулешов). БНТУ, 2008. 12. № ГР 20081369.
Полезная модель относится к области лазерной техники, в частности к твердотельным
лазерам с диодной накачкой, и может быть использована в приборостроении при создании
малогабаритных лазерных устройств с высокой средней мощностью излучения.
Такие устройства с непрерывным режимом работы широко применяются в современной
технике, в частности для создания с помощью лазерного пучка излучения оптического поля
для управления движением различных наземных механизмов или летательных аппаратов.
К ним предъявляются, кроме минимальных массо-габаритных характеристик, повы-
шенные требования по эффективности преобразования мощности накачки в полезное из-
лучение генерации, сохранению работоспособности в широком температурном рабочем
диапазоне без принудительного охлаждения, с теплоотводом на корпус прибора.
Кроме того, важно обеспечить необходимые пространственные параметры оптическо-
го поля: угол расходимости лазерного излучения, диаметр пучка в перетяжках и распреде-
ление плотности мощности в поперечном сечении пучка.
Известен квазитрехуровневый твердотельный лазер [1], содержащий лазерный диод
для продольной накачки, устройство фокусировки излучения лазерного диода в активный
элемент и резонатор лазера. Лазер [1] содержит датчик температуры лазерного диода,
блок термостабилизации, а также электрически с ними связанный блок управления током
и температурой лазерного диода, позволяющий одновременно изменять его ток и темпе-
ратуру. Этим обеспечивается совпадение длины волны излучения накачки с центром ли-
нии поглощения активного элемента лазера.
Лазер [1] дополнительно содержит устройство оптической развязки, установленное
между лазерным диодом и активным элементом и выполненное в виде либо 45-градусной
ячейки Фарадея на длину волны излучения лазерного диода, либо поляризатора и чет-
вертьволновой пластинки, последовательно установленных на оси распространения излу-
чения лазерного диода. Оно служит для предотвращения попадания отраженного
излучения накачки в лазерный диод.
Указанные дополнительные устройства позволили, как следует из [1], решить техни-
ческую задачу повышения надежности лазера, увеличения ресурса его работы и повыше-
ния средней мощности излучения.

3. BY 7357 U8 2012.02.28
3
Однако это достигнуто за счет значительного усложнения конструкции лазера путем
введения в нее дополнительных оптических и электронных устройств, увеличения его
массы и габаритов, что является существенным недостатком.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству (прототип)
является коротковолновый микролазер (λ = 914 нм) на кристалле YVO4:Nd3+
[2], содер-
жащий лазерный диод накачки с волоконным выходом и последовательно установленные
за торцом волокна объектив, обеспечивающий фокусировку излучения накачки, и актив-
ный элемент, выполненный в виде диска, плоские торцы которого перпендикулярны оп-
тической оси объектива.
Входное и выходное зеркала резонатора выполнены в виде отражающих диэлектриче-
ских покрытий, нанесенных непосредственно на плоских торцах активного элемента, при
этом на входном торце нанесено покрытие, полностью отражающее на длине волны гене-
рации и полностью пропускающее на длине волны накачки, а на выходном торце - полно-
стью отражающее на длине волны накачки и частично пропускающее на длине волны
генерации.
Диодная накачка микролазера производства фирмы "APhS GmH" с волокном (диаметр
сердцевины 100 мкм) обеспечивает мощность до 2,5 Вт. Волоконный выход излучения ла-
зерного диода, выполненный средствами и технологией интегральной оптики, обеспечивает
герметичность и значительно упрощает конструкцию лазера (отпадает необходимость в ци-
линдрических и астигматических линзах), улучшает качество пучка излучения накачки,
преобразуя пучок в форму осесимметричного конуса с перетяжкой на выходном торце во-
локна и повышая равномерность распределения мощности по поперечному сечению пучка.
Наличие волокна также защищает эмиттер лазерного диода от обратного излучения и поз-
воляет размещать диод накачки в любом удобном месте внутри прибора на массивной теп-
лоотводящей стенке корпуса, обеспечив его оптимальное конвективное охлаждение.
Для фокусировки излучения накачки в активный элемент использован трехлинзовый
объектив, трансформирующий изображение торца волокна в пятно накачки диаметром
60 мкм. Кристалл активного элемента YVO4:Nd3+
выполнен в виде диска длиной 0,5 мм и
диаметром 4 мм.
Однако следует отметить и некоторые недостатки прототипа [2]:
падение мощности излучения генерации при изменении температуры окружающей
среды;
возможные термические деформации активного элемента [3].
Падение мощности излучения генерации при изменении температуры окружающей
среды связано с тремя факторами:
1. Лазерный диод испытывает сильный саморазогрев от собственного электропитания
(КПД преобразования электрической мощности в излучение ∼ 50 %), это вызывает паде-
ние мощности излучения.
2. Спектральная полуширина полосы поглощения ионов неодима в кристалле ванадата
иттрия YVO4:Nd3+
составляет в области излучения накачки (λ = 808 нм) по данным [4] не
более 20 нм. При изменении температуры корпуса лазерного диода среднее изменение
длины волны его излучения равно 0,3 нм/град., что соответствует диапазону изменения
температуры корпуса менее 70 град. При смещении длины волны излучения накачки на
край полосы поглощения ионов неодима также происходит падение мощности излучения
генерации.
3. Активный элемент разогревается излучением лазерного диода накачки, т.к эффек-
тивность его преобразования в излучение генерации составляет ∼ 50 %, это приводит
вследствие относительно малой теплопроводности кристалла ванадата иттрия YVO4:Nd3+
к градиенту температуры в плоскости сечения, перпендикулярной направлению накачки,
появлению тепловой линзы и двулучепреломления, термической деформации активного
элемента и, как следствие, падению мощности и ухудшению параметров лазерного пучка

4. BY 7357 U8 2012.02.28
4
(увеличение расходимости, "провал" плотности мощности на оси пучка), а при недоста-
точно хорошем теплоотводе от активного элемента может привести даже к разрушению
кристалла [3].
Совместное влияние указанных негативных факторов резко снижает мощность излу-
чения генерации, иногда до нулевого уровня, на краях рабочего температурного диапазона
лазера, который для практических целей часто составляет от -40 °С до + 60 °С.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое устройство, заключается в со-
здании миниатюрного лазерного излучателя, обладающего повышенной средней мощно-
стью излучения в широком диапазоне рабочих температур при высокой эффективности
преобразования мощности накачки в полезное излучение генерации, лучшим тепловым
режимом работы, долговечностью и надежностью по сравнению с прототипом.
Предложен миниатюрный лазерный излучатель, содержащий лазерный диод накачки с
волоконным выходом и последовательно установленные за выходным торцом волокна
первый объектив, обеспечивающий фокусировку излучения накачки, и активный элемент,
плоские рабочие торцы которого перпендикулярны оптической оси объектива.
Входное и выходное зеркала резонатора выполнены в виде отражающих диэлектриче-
ских покрытий непосредственно на плоских рабочих торцах активного элемента, при этом
на входном торце нанесено покрытие, полностью отражающее на длине волны генерации и
полностью пропускающее на длине волны накачки, а на выходном торце - полностью отра-
жающее на длине волны накачки и частично пропускающее на длине волны генерации.
Излучатель отличается от прототипа тем, что активный элемент выполнен в виде пря-
моугольного параллелепипеда, на двух противоположных нерабочих гранях которого рас-
положены две прокладки из теплопроводящего эластичного материала, и установлен с
возможностью поперечного смещения относительно оптической оси.
В излучатель дополнительно введен второй объектив, состоящий, по меньшей мере, из
трех линз, установленный на оптической оси за выходным торцом активного элемента,
при этом вторая по ходу лучей линза второго объектива установлена с возможностью
смещения вдоль оптической оси, а третья по ходу лучей линза установлена с возможно-
стью смещения в плоскости, перпендикулярной оптической оси.
Активный элемент излучателя выполнен из кристалла алюмоиттриевого граната, ак-
тивированного ионами иттербия.
Установка активного элемента с возможностью поперечного смещения относительно
оптической оси увеличивает надежность и долговечность лазера по сравнению с прототи-
пом. В случае местного повреждения кристалла внутри или на его поверхности из-за
"острой" фокусировки непрерывного излучения большой мощности можно легко отре-
монтировать лазер, просто сместив активный элемент перпендикулярно оси и выбрав но-
вую неповрежденную область кристалла для накачки и генерации.
Установка теплопроводящих прокладок на двух противоположных нерабочих гранях
активного элемента решает задачу улучшения теплоотвода от активного элемента. Про-
кладки устанавливаются таким образом, чтобы площадь теплового контакта кристалла с
массивным теплоотводящим корпусом была максимальной, для равномерного отвода теп-
ла от прокачиваемого объема кристалла и уменьшения градиента температуры. Этим до-
стигается уменьшение термических деформаций кристалла, ослабление оптической силы
наведенной внутри него тепловой линзы или двулучепреломления, и как следствие, уве-
личение мощности и улучшение качества пучка генерируемого излучения.
Решению этой же задачи служит и выбор материала для активного элемента. В предло-
женном устройстве активный элемент для генерации излучения в области 1,03…1,05 мкм
выполнен из кристалла алюмоиттриевого граната YAG:Yb3+
, активированного ионами ит-
тербия. Его паразитное тепловыделение вследствие более низкого квантового дефекта
значительно меньше, чем у кристаллов, активированных ионами неодима [4]. В ионах ит-
тербия отсутствуют также потери на поглощение из возбужденного состояния, которые

5. BY 7357 U8 2012.02.28
5
ярко выражены для ионов неодима. Кроме того, как известно из справочников, кристалл
YAG:Yb3+
обладает по сравнению с материалом прототипа вдвое большей теплопровод-
ностью:
YVO4:Nd3+
∼5 Bт/(м⋅K),
YAG:Yb3+
∼10 Bт/(м⋅K).
Кристалл YAG:Yb3+
, кроме низкого квантового дефекта и лучшей теплопроводности,
обладает и более широкой спектральной полосой поглощения излучения накачки по срав-
нению с YVO4:Nd3+
. Кристалл YAG:Yb3+
хорошо поглощает излучение [5] в спектральном
диапазоне от 912 до 950 нм (∆λ = 38 нм). Это обеспечивает при выборе диода накачки с
λ = 940 нм в нормальных условиях значительное расширение (до 110 град.) диапазона ра-
бочих температур лазера без принудительного охлаждения по сравнению с прототипом.
Введение второго объектива обеспечивает необходимые пространственные параметры
излучения генерации: угол расходимости лазерного излучения, диаметр пучка в перетяж-
ках и распределение плотности мощности в поперечном сечении пучка.
Возможность смещения вдоль оптической оси второй по ходу лучей линзы позволяет
плавно менять угол расходимости лазерного пучка. Возможность смещения третьей линзы
в плоскости, перпендикулярной оптической оси, позволяет изменять угол наклона лазер-
ного пучка относительно оптической оси, благодаря чему можно существенно упростить
юстировку всего лазерного канала в приборе. Подбор линз второго объектива с большой
оптической силой минимизирует продольный габарит устройства.
Таким образом, предложенная полезная модель позволяет решить задачу создания
миниатюрного лазерного излучателя, обладающего повышенной средней мощностью из-
лучения в широком диапазоне рабочих температур при высокой эффективности преобра-
зования мощности накачки в полезное излучение генерации, лучшим тепловым режимом
работы, долговечностью и надежностью.
Сущность предложенной полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображена структурная схема излучателя.
На фиг. 2 изображено смещение активного элемента в плоскости, перпендикулярной
оптической оси.
Миниатюрный лазерный излучатель (фиг. 1) включает в себя лазерный диод накачки 1
с волоконным выходом 2 в виде многомодового оптического волокна с коннектором и по-
следовательно установленные за выходным торцом 3 волокна первый объектив 4, обеспе-
чивающий фокусировку излучения накачки из плоскости торца волокна, и активный
элемент 5, плоские рабочие торцы которого перпендикулярны оптической оси объектива 4.
Входное 6 и выходное 7 зеркала резонатора выполнены в виде отражающих диэлек-
трических покрытий непосредственно на плоских рабочих торцах активного элемента 5,
при этом на входном торце нанесено покрытие, полностью отражающее на длине волны
генерации λ = 1030…1050 нм и полностью пропускающее на длине волны накачки
λ = 915…950 нм, а на выходном торце - полностью отражающее на длине волны накачки
и частично пропускающее на длине волны генерации.
Объектив 4 может быть выполнен в виде одиночной короткофокусной линзы с одной
или двумя асферическими поверхностями.
Активный элемент 5, выполненный в виде прямоугольного параллелепипеда, на про-
тивоположных нерабочих гранях которого расположены прокладки 8 из теплопроводяще-
го эластичного материала, имеет рабочие торцы в форме вытянутых прямоугольников и
установлен с возможностью поперечного смещения A (фиг. 2) относительно оптической
оси вдоль длинной стороны прямоугольника. В случае местного повреждения кристалла
можно сместить активный элемент, выбрав новую неповрежденную область кристалла
для накачки.
Две прокладки 8 из теплопроводящего эластичного материала обеспечивают тепловой
контакт активного элемента 5 с массивным теплоотводящим корпусом 9.

6. BY 7357 U8 2012.02.28
6
Прокладки 8 устанавливаются вдоль длинного ребра рабочего торца активного эле-
мента 5 для того, чтобы площадь теплового контакта кристалла с массивным теплоотво-
дящим корпусом 9 была максимальной, обеспечивая равномерный отвод тепла от
прокачиваемого объема кристалла и уменьшения градиента температуры. Этим достига-
ется уменьшение термических деформаций кристалла, ослабление оптической силы наве-
денной внутри него тепловой линзы или двулучепреломления, и как следствие,
увеличение мощности и улучшение качества пучка генерируемого излучения.
Решению этой же задачи служит и выбор материала для активного элемента 5. В
предложенном устройстве активный элемент 5 для генерации излучения в области
1,03…1,05 мкм выполнен из кристалла алюмоиттриевого граната YAG:Yb3+
, активиро-
ванного ионами иттербия. Его паразитное тепловыделение вследствие более низкого
квантового дефекта значительно меньше, чем у кристаллов, активированных ионами
неодима [4]. В ионах иттербия отсутствуют также потери на поглощение из возбужденно-
го состояния, которые ярко выражены для ионов неодима. Кроме того, как известно из
справочников, кристалл YAG:Yb3+
обладает по сравнению с материалом прототипа вдвое
большей теплопроводностью:
YVO4:Nd3+
∼5 Bт/(м⋅K),
YAG:Yb3+
∼10 Bт/(м⋅K).
Кристалл YAG:Yb3+
, кроме низкого квантового дефекта и лучшей теплопроводности,
обладает и более широкой спектральной полосой поглощения излучения накачки по срав-
нению с YVO4:Nd3+
. При двухпроходной схеме накачки кристалл YAG:Yb3+
хорошо по-
глощает излучение [5] в спектральном диапазоне от 912 до 950 нм (∆λ = 38 нм). Это
обеспечивает при выборе диода накачки с λ = 940 нм в нормальных условиях значитель-
ное расширение (до 110 град.) диапазона рабочих температур лазера без принудительного
охлаждения.
Второй объектив, состоящий из линз 10, 11, 12 и установленный за выходным торцом
активного элемента 5 на оптической оси, введен для обеспечения необходимых простран-
ственных параметров излучения генерации: угла расходимости лазерного излучения, диа-
метра пучка в перетяжках и распределения плотности мощности в поперечном сечении
пучка.
Линза 11 второго объектива установлена с возможностью смещения вдоль оптической
оси относительно линз 10 и 12, а линза 12 установлена с возможностью смещения в плоско-
сти, перпендикулярной оптической оси. Смещение вдоль оптической оси линзы 11 плавно
меняет угол расходимости лазерного пучка. Смещение линзы 12 в плоскости, перпендику-
лярной оптической оси, изменяет угол наклона лазерного пучка относительно оптической
оси, существенно упрощая юстировку всего лазерного канала в приборе. Подбор линз 10,
11, 12 с большой оптической силой минимизирует продольный габарит устройства.
Излучатель работает следующим образом (фиг. 1). Лазерный диод 1 при подаче элек-
тропитания генерирует непрерывное излучение накачки с длиной волны в нормальных
условиях λ = 940 нм, которое распространяется практически без потерь по многомодово-
му оптическому волокну 2 и выходит из выходного торца 3 волокна в виде осесимметрич-
ного конуса с перетяжкой на торце диаметром 100 мкм и числовой апертурой sin U = 0,15,
после чего фокусируется объективом 4 внутри активного элемента 5, без потерь проходя
сквозь покрытие входного зеркала 6 резонатора на его рабочем торце, полностью пропус-
кающее на длине волны накачки λ = 915…950 нм.
Активный элемент 5 выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда длиной по оси
5 мм, рабочие торцы которого перпендикулярны оптической оси объектива 4 и имеют
размер 2 мм x 5 мм. В прокачиваемом объеме кристалла излучение накачки поглощается
ионами активатора Yb3+
, вызывая генерацию излучения на длине волны 1,03 мкм, которое
частично выходит вдоль оси активного элемента 5 через покрытие выходного зеркала 7
резонатора на его выходном рабочем торце.

7. BY 7357 U8 2012.02.28
7
Активный элемент 5 установлен с возможностью поперечного смещения A (фиг. 2)
вдоль длинной стороны прямоугольного рабочего торца. В случае местного повреждения
кристалла можно сместить активный элемент, выбрав новую неповрежденную область
кристалла для накачки. Активный элемент 5 выполнен из кристалла алюмоиттриевого
граната, активированного ионами иттербия, YAG:Yb3+
для генерации излучения в области
1,03…1,05 мкм.
Две прокладки 8 из теплопроводящего эластичного материала обеспечивают тепловой
контакт активного элемента 5 с массивным теплоотводящим корпусом 9, обеспечивая
равномерный отвод тепла от прокачиваемого объема кристалла для уменьшения градиен-
та температуры.
Излучение генерации с длиной волны 1,03 мкм, пройдя сквозь выходное зеркало 7 ре-
зонатора, попадает во второй объектив, состоящий из линз 10, 11, 12, и, проходя сквозь
него, направляется в последующие элементы лазерного канала прибора. Подбор линз 10,
11, 12 с большой оптической силой минимизирует продольный габарит устройства.
Смещая линзу 11 вдоль оптической оси относительно линз 10 и 12, можно плавно из-
менять угол расходимости лазерного пучка. Смещая линзу 12 в плоскости, перпендику-
лярной оптической оси, можно изменять угол наклона лазерного пучка относительно
оптической оси, существенно упрощая юстировку всего лазерного канала в приборе.
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.