RU2841505C1

RU2841505C1 - Led optical pumping device for solid-state lasers

Info

Publication number: RU2841505C1
Application number: RU2024121360A
Authority: RU
Inventors: Алексей Геннадьевич Путилов; Александр Анатольевич Антипов; Александр Евгеньевич Шепелев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "ИЛИОС"
Filing date: 2024-07-22
Publication date: 2025-06-06

Abstract

FIELD: quantum electronics.

SUBSTANCE: invention relates to quantum electronics and specifically to design of laser heads for solid-state lasers. LED optical pumping device for solid-state lasers containing LEDs, lenses and placed in laser gun, differs from known designs in that it comprises high-power LEDs arranged on laser head surface so that LED pumping source radiation is focused in active element location area by cylindrical lens to ensure required pumping radiation power density and laser radiation generation.

EFFECT: generation of laser radiation due to efficient absorption of pumping radiation from powerful light-emitting diodes which is focused on the active element by cylindrical optical elements.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к конструкции квантронов твердотельных лазеров. Устройство представляет собой систему мощных светодиодов, фокусирующие линзы и активный элемент. Технический результат достигается фокусировкой излучения мощных светодиодов в место расположения активного элемента, что обеспечивает его оптическую накачку с последующей генерацией лазерного излучения.The invention relates to quantum electronics, namely to the design of solid-state laser quantrons. The device is a system of powerful light-emitting diodes, focusing lenses and an active element. The technical result is achieved by focusing the radiation of powerful light-emitting diodes to the location of the active element, which ensures its optical pumping with subsequent generation of laser radiation.

Известно устройство отражения излучения для твердотельных лазеров (патент РФ № 2735133, МПК H01S 3/02), в котором устройство отражения излучения для твердотельных лазеров содержит отражатель излучения накачки, с размещенными внутри него активным элементом и лампами накачки, и помещено в квантрон, содержит фокусные плоскости, размещенные таким образом, что все излучение источника накачки собирается в области нахождения активного элемента, увеличивая мощность генерируемого лазерного излучения. Отражающее покрытие состоит из анодированного серебром алюминия толщиной от 0,2 мм до 1,5 мм, которое приклеено на основу плоскостно-дугового отражателя квантрона Технический результат заключается в обеспечении возможности повышения эффективности отражения в видимой и ближней инфракрасной части спектра накачки и в отсутствии необходимости высокоточной механической обработки основы плоскостно-дугового отражателя квантронаA radiation reflecting device for solid-state lasers is known (RU Patent No. 2735133, IPC H01S 3/02), in which the radiation reflecting device for solid-state lasers comprises a pump radiation reflector with an active element and pump lamps placed inside it, and is placed in a quantron, contains focal planes placed in such a way that all the radiation of the pump source is collected in the area of the active element, increasing the power of the generated laser radiation. The reflective coating consists of silver-anodized aluminum with a thickness of 0.2 mm to 1.5 mm, which is glued to the base of the plane-arc reflector of the quantron. The technical result consists in ensuring the possibility of increasing the efficiency of reflection in the visible and near infrared part of the pump spectrum and in the absence of the need for high-precision mechanical processing of the base of the plane-arc reflector of the quantron.

Недостатком данного изобретения является то, что отражающее покрытие необходимо приклеивать на основу плоскостно-дугового отражателя квантрона и при интенсивной работе происходит нагрев и отклеивание отражающего покрытия. Это приводит не только к ухудшению отражающих свойств покрытий, но и к неправильному отражению, что приводит к уменьшению мощности излучения накачки активного элемента.The disadvantage of this invention is that the reflective coating must be glued to the base of the flat-arc reflector of the quantron, and during intensive operation, the reflective coating heats up and peels off. This leads not only to a deterioration in the reflective properties of the coatings, but also to incorrect reflection, which leads to a decrease in the radiation power of the pumping active element.

Известен квантрон твердотельного лазера с диодной накачкой (патент РФ № 2622237, МПК H01S 3/042, H01S 3/02), в котором активный элемент в виде стержня, источники оптической накачки, расположенные на держателях вокруг активного элемента, систему охлаждения активного элемента и источников оптической накачки, фланцы и элемент, соединяющий фланцы. Держатели расположены в соосных отверстиях фланцев, система охлаждения содержит трубку, охватывающую активный элемент с образованием радиального зазора, входной, выходной коллекторы и каналы держателей. Элемент, соединяющий фланцы, выполнен в виде рамы, содержащей параллельные пластины, соединенные ребрами. Держатели снабжены выполненными с обеих сторон ограничителями, взаимодействующими с торцевыми поверхностями фланцев, один из ограничителей каждого держателя выполнен с пазом, взаимодействующим с эксцентриком, эксцентрики установлены в отверстия одного из фланцев. Технический результат заключается в обеспечении возможности увеличения мощности и КПД, а также в повышении технологичности конструкции.A known solid-state laser quantron with diode pumping (RU Patent No. 2622237, IPC H01S 3/042, H01S 3/02) comprises an active element in the form of a rod, optical pumping sources located on holders around the active element, a cooling system for the active element and optical pumping sources, flanges and an element connecting the flanges. The holders are located in coaxial openings of the flanges, the cooling system comprises a tube enclosing the active element to form a radial gap, input and output collectors and channels of the holders. The element connecting the flanges is made in the form of a frame containing parallel plates connected by ribs. The holders are provided with limiters made on both sides, interacting with the end surfaces of the flanges, one of the limiters of each holder is made with a groove interacting with an eccentric, the eccentrics are installed in the openings of one of the flanges. The technical result consists in providing the possibility of increasing power and efficiency, as well as improving the technological efficiency of the design.

Недостатком данного изобретения является то, что в зависимости от геометрических размеров активного элемента необходимо корректировать расходимость излучения матриц лазерных диодов так, чтобы все излучение накачки попадало на активный элемент.The disadvantage of this invention is that, depending on the geometric dimensions of the active element, it is necessary to adjust the radiation divergence of the laser diode matrices so that all pump radiation falls on the active element.

Известен лазер с диодной накачкой и встроенным каналом охлаждения (патент США № WO0079654A9, МПК H01S3/02; H01S3/04), в котором лазерное устройство включает в себя лазерный стержень, матрицу устройств накачки диодных лазеров, в которой каждый диодный лазер имеет прочное соединение с лазерным стержнем для максимальной передачи лазерной энергии. Радиальная матрица диодного лазера последовательно соединена с помощью покрытий и/или пальцев и/или сфер. Охлаждение лазерного стержня и радиальной матрицы диодного лазера осуществляется через общий жидкостный канал снаружи лазерного стержня, при этом охлаждающая жидкость протекает мимо лазерного стержня и радиальной матрицы диодного лазера. Раскрыты инновационные методы создания вариантов нанесения покрытий. Также раскрыты различные варианты применения плоского диодного лазера.A diode-pumped laser with an integrated cooling channel is known (US Patent No. WO0079654A9, IPC H01S3/02; H01S3/04), in which the laser device includes a laser rod, a matrix of diode laser pumping devices, in which each diode laser has a strong connection with the laser rod for maximum transfer of laser energy. The radial matrix of the diode laser is connected in series using coatings and/or fingers and/or spheres. Cooling of the laser rod and the radial matrix of the diode laser is carried out through a common liquid channel outside the laser rod, wherein the cooling liquid flows past the laser rod and the radial matrix of the diode laser. Innovative methods for creating coating application options are disclosed. Various application options for a flat diode laser are also disclosed.

Недостатком данного изобретения является то, что устройство предназначено для использования с активными элементами определенных геометрических размеров.The disadvantage of this invention is that the device is intended for use with active elements of certain geometric dimensions.

Известен патент лазерное устройство с вертикальным внешним резонатором и поверхностным излучением с оптической накачкой (патент США № US9099834B2, H0I S5/041), в котором содержится по меньшей мере один VECSEL и несколько лазерных диодов накачки. Лазерные диоды накачки выполнены с возможностью оптической накачки активной области VECSEL путем отражения излучения накачки от зеркального элемента. Зеркальный элемент расположен на оптической оси VECSEL и предназначен для концентрации излучения накачки в активной области и для формирования одновременно внешнего зеркала VECSEL. Предлагаемое устройство позволяет избежать трудоемкой настройки лазеров накачки относительно активной области VECSEL и обеспечивает очень компактную конструкцию лазерного устройства.A patent is known for a laser device with a vertical external cavity and surface radiation with optical pumping (US Patent No. US9099834B2, H0I S5/041), which contains at least one VECSEL and several pump laser diodes. The pump laser diodes are designed with the possibility of optical pumping of the active region of the VECSEL by reflecting the pump radiation from a mirror element. The mirror element is located on the optical axis of the VECSEL and is designed to concentrate the pump radiation in the active region and to simultaneously form an external mirror of the VECSEL. The proposed device allows to avoid laborious adjustment of the pump lasers relative to the active region of the VECSEL and provides a very compact design of the laser device.

Недостатком данного изобретения является то, что лазерные диоды накачки представляют собой диоды VCSEL, которые необходимо эпитаксиально выращивать и закреплять на поверхности теплообменника, на котором расположена активная область для последующей ее накачки. Это является трудоемким процессом, требующим специального оборудования.The disadvantage of this invention is that the laser pumping diodes are VCSEL diodes, which must be epitaxially grown and fixed on the surface of the heat exchanger on which the active region is located for subsequent pumping. This is a labor-intensive process that requires special equipment.

Известен патент твердотельный лазер и устройство для обработки лазерным лучом, использующее тот же (патент Япония № JP2000269577A, МПК В23К26/08; H01S3/094; H01S3/0941;), в котором твердотельное лазерное устройство, возбуждается лазерным диодом, которое излучает лазерный свет путем возбуждения и колебания твердотельной лазерной среды, например, кристалла YAG, путем излучения света лазерным диодом.A patent is known for a solid-state laser and a device for processing with a laser beam, using the same (Japanese patent No. JP2000269577A, IPC B23K26/08; H01S3/094; H01S3/0941;), in which the solid-state laser device is excited by a laser diode, which emits laser light by exciting and oscillating a solid-state laser medium, for example, a YAG crystal, by emitting light from the laser diode.

Недостатком данного изобретения является то, что отсутствует возможность изменения диаметра пучка излучения накачки на активном элементе для возбуждения одной основной или нескольких поперечных мод.The disadvantage of this invention is that there is no possibility of changing the diameter of the pump radiation beam on the active element to excite one fundamental or several transverse modes.

Известен патент устройство для продольной накачки лазерной среды (патент США № US20100014547A1, МПК H01S3/09415), в котором содержится, по меньшей мере, один лазерный диод, способный излучать, по меньшей мере, один лазерный луч. Средство для фокусирования указанного лазерного луча на указанной усиливающей лазерной среде и средство для коллимации указанного лазерного луча, способное генерировать коллимированный лазерный луч. Изобретение отличается тем, что указанное средство фокусировки содержит, по меньшей мере, одно зеркало, причем указанное зеркало расположено таким образом, что указанный коллимированный луч отражается в сторону усиливающей среды.A patent is known for a device for longitudinal pumping of a laser medium (US Patent No. US20100014547A1, IPC H01S3/09415), which contains at least one laser diode capable of emitting at least one laser beam. Means for focusing said laser beam on said amplifying laser medium and means for collimating said laser beam, capable of generating a collimated laser beam. The invention is distinguished in that said focusing means contains at least one mirror, wherein said mirror is arranged in such a way that said collimated beam is reflected toward the amplifying medium.

Недостатком данного изобретения является то, что фокусировка излучения накачки одним зеркалом может привести к аберрациям, что может вызвать несовпадение оптической оси резонатора с осью накачки, также отсутствует возможность изменения размера пучка излучения накачки на активном элементе.The disadvantage of this invention is that focusing the pump radiation with one mirror can lead to aberrations, which can cause the optical axis of the resonator to misalign with the pump axis, and there is also no possibility of changing the size of the pump radiation beam on the active element.

В качестве прототипа выбран патент твердотельное лазерное устройство с оптической накачкой и самонастраивающейся оптикой для накачки (патент РФ № 2608972, МПК H01S 3/0941, H01S 3/02), в котором твердотельное лазерное устройство с оптической накачкой содержит активный элемент в резонаторе. Несколько лазерных диодов накачки выполнены с возможностью отражения излучения накачки от одной поверхности зеркала резонатора. Указанное зеркало обеспечивает направление излучения накачки в активный элемент твердотельного лазера. Дополнительно на второй поверхности указанного зеркала в центральной части расположена линза. Техническим результатом предлагаемого решения является упрощение настройки оптической накачки и получение компактного лазерного устройства.The patent "Solid-state laser device with optical pumping and self-adjusting optics for pumping" (RU Patent No. 2608972, IPC H01S 3/0941, H01S 3/02) was selected as a prototype, in which the solid-state laser device with optical pumping contains an active element in the resonator. Several laser pumping diodes are designed with the possibility of reflecting pumping radiation from one surface of the resonator mirror. The said mirror provides the direction of pumping radiation to the active element of the solid-state laser. Additionally, a lens is located on the second surface of the said mirror in the central part. The technical result of the proposed solution is to simplify the adjustment of optical pumping and to obtain a compact laser device.

Недостатком данного изобретения является то, что устройство предназначено для работы с определенной геометрией активного элемента (диск) и определенной конфигурацией резонатора, при этом не прослеживается возможность использования устройства с цилиндрическим активным элементом и, например, концентрическим резонатором.The disadvantage of this invention is that the device is designed to work with a specific geometry of the active element (disk) and a specific configuration of the resonator, while the possibility of using the device with a cylindrical active element and, for example, a concentric resonator is not traced.

Техническим результатом изобретения является генерация лазерного излучения вследствие эффективного поглощения излучения накачки мощных светодиодов, сфокусированного на активном элементе цилиндрическими оптическими элементами.The technical result of the invention is the generation of laser radiation due to the effective absorption of pump radiation from powerful light-emitting diodes, focused on the active element by cylindrical optical elements.

Технический результат достигается тем, что устройство светодиодной оптической накачки для твердотельных лазеров состоит из мощных светодиодов, расположенных на поверхности квантрона таким образом, что излучение светодиодного источника накачки фокусируется в область расположения активного элемента цилиндрической линзой, что обеспечивает необходимую плотность мощности излучения накачки и генерацию лазерного излучения.The technical result is achieved in that the LED optical pumping device for solid-state lasers consists of powerful LEDs located on the surface of the quantron in such a way that the radiation of the LED pumping source is focused into the area of the active element by a cylindrical lens, which ensures the necessary power density of the pumping radiation and the generation of laser radiation.

Данное устройство обеспечивает высокоэффективную фокусировку излучения светодиодного источника накачки в область расположения активного элемента и не требует высокоточной механической обработки основы отражателя квантрона.This device provides highly efficient focusing of the LED pump source radiation into the active element location area and does not require high-precision mechanical processing of the reflector base of the quantron.

Изобретение поясняется представленными фигурами:The invention is illustrated by the figures presented:

фиг. 1 - принципиальная схема квантрона с обозначением основных элементов: 1 - корпус квантрона, 2 - мощные светодиоды, 3 - термоэлектрические преобразователи, 4 - цилиндрические линзы, 5 -активный элемент, 6 - кварцевая трубка.Fig. 1 - schematic diagram of the quantron with the designation of the main elements: 1 - quantron body, 2 - powerful LEDs, 3 - thermoelectric converters, 4 - cylindrical lenses, 5 - active element, 6 - quartz tube.

фиг. 2 - принципиальная схема хода лучей от мощных светодиодов через фокусирующую цилиндрическую линзу к активному элементу.Fig. 2 - schematic diagram of the path of rays from powerful LEDs through a focusing cylindrical lens to the active element.

Мощные светодиоды 2 расположены на термоэлектрических преобразователях 3, установленных на внутренней поверхности корпуса квантрона 1. Активный элемент 5 помещен в кварцевую трубку 6 для обеспечения протока охлаждающей жидкости по поверхности активного элемента и его термостабилизации. Поток излучения накачки мощных светодиодов 2 фокусируется в область расположения активного элемента цилиндрическими линзами 4. Использование данного устройства накачки позволит снизить стоимость отражателя, так как в этом случае не требуется высокоточная обработка внутренней поверхности квантрона. Оптическая накачка обеспечивается использованием мощных светодиодов и высокоэффективной фокусировкой цилиндрическими линзами.Powerful LEDs 2 are located on thermoelectric converters 3 installed on the inner surface of the quantron housing 1. The active element 5 is placed in a quartz tube 6 to ensure the flow of cooling liquid along the surface of the active element and its thermal stabilization. The pumping radiation flux of the powerful LEDs 2 is focused into the area of the active element by cylindrical lenses 4. The use of this pumping device will reduce the cost of the reflector, since in this case high-precision processing of the inner surface of the quantron is not required. Optical pumping is provided by using powerful LEDs and highly efficient focusing by cylindrical lenses.

Устройство работает следующим образом. При подаче рабочего напряжения на мощные светодиоды 2 (фиг. 1) осуществляется генерация излучения накачки, падающее на цилиндрическую линзу 4 (фиг. 2). Излучение накачки фокусируется цилиндрической линзой 4 (фиг. 2) в область расположения активного элемента 5. При этом величина потерь мощности излучения накачки при прохождении цилиндрической линзы и кварцевой трубки составляет не более 5%. Термостабилизация активного элемента осуществляется путем прокачки охлаждающей жидкости по внутреннему объему трубок из кварцевого стекла 6 (фиг. 1). При генерации излучения накачки мощными светодиодами 2 (фиг. 1) выделившееся тепло отводится термоэлектрическими преобразователями 3 непосредственно на корпус квантрона 1.The device operates as follows. When the operating voltage is applied to the high-power LEDs 2 (Fig. 1), pump radiation is generated, falling on the cylindrical lens 4 (Fig. 2). The pump radiation is focused by the cylindrical lens 4 (Fig. 2) into the area of the active element 5. In this case, the amount of pump radiation power loss when passing through the cylindrical lens and the quartz tube is no more than 5%. Thermal stabilization of the active element is achieved by pumping a cooling liquid through the internal volume of the quartz glass tubes 6 (Fig. 1). When pump radiation is generated by the high-power LEDs 2 (Fig. 1), the released heat is removed by thermoelectric converters 3 directly to the body of the quantron 1.

Заявленное изобретение основано на проведенных исследовательских работах по использованию мощных светодиодов с различной диаграммой направленности излучения и расчетах выполненных в специальном программном обеспечении.The claimed invention is based on research work conducted on the use of powerful LEDs with different radiation patterns and calculations performed in special software.

Особенность данного изобретения заключается в том, что устройство накачки позволяет масштабировать плотность мощности излучения накачки на активном элементе, и может применяться с активными элементами различных геометрических размеров (цилиндр, брусок, планар и т.п.), легированными различными ионами активаторами. Такое решение приводит не только к унификации готовых изделий, но и к увеличению мощности генерируемого лазерного излучения за счет более эффективного поглощения излучения накачки активным элементом.The peculiarity of this invention is that the pumping device allows scaling the pumping radiation power density on the active element, and can be used with active elements of various geometric sizes (cylinder, bar, planar, etc.), doped with various activator ions. Such a solution leads not only to the unification of finished products, but also to an increase in the power of the generated laser radiation due to more efficient absorption of the pumping radiation by the active element.

Claims

A device for LED optical pumping for solid-state lasers, containing LEDs, lenses and placed in a quantron, characterized in that it contains powerful LEDs located on the surface of the quantron in such a way that the radiation of the LED pump source is focused into the area of the active element by a cylindrical lens, providing the necessary power density of the pump radiation and the generation of laser radiation.