RU2134005C1

RU2134005C1 - Optical laser

Info

Publication number: RU2134005C1
Application number: RU97120411A
Authority: RU
Inventors: В.Г. Полушкин; Л.Г. Сапрыкин; С.В. Гавриш; М.Н. Миленький
Original assignee: Полушкин Валерий Геннадьевич; Сапрыкин Леонид Григорьевич
Priority date: 1997-12-11
Filing date: 1997-12-11
Publication date: 1999-07-27

Abstract

FIELD: laser engineering. SUBSTANCE: novelty is that active element is arranged on optical axis of discharge tube and optical-system input lens, on discharge tube which has simplified mechanical design of fastening assembly and has enabled its mounting on electrode. EFFECT: improved efficiency and reduced size of laser. 5 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к лазерной технике, к устройствам со стимулированным излучением на основе твердотельных активных лазерных элементов и может быть использовано в различных областях техники, в т.ч. медицинской в области лучевой терапии, например, в устройствах бесконтактной перфорации кожного покрова для забора крови, в качестве малогабаритного, эффективного и стабильного источника излучения. The invention relates to laser technology, to devices with stimulated radiation based on solid-state active laser elements and can be used in various fields of technology, including medical in the field of radiation therapy, for example, in devices of non-contact perforation of the skin for blood sampling, as a small-sized, effective and stable source of radiation.

Техника, использующая источники лазерного излучения, ставит перед ее разработчиками задачу повышения их коэффициента полезного действия (КПД) и выполнения их малогабаритными. A technique using laser radiation sources poses the challenge for its developers to increase their efficiency (COP) and to make them small-sized.

Частично эти проблемы удалось решить, используя известные технические решения по размещению полностью и частично отражающих зеркал лазерного резонатора на торцах твердотельного активного элемента, выполнив их в виде многогранника полного внутреннего отражения с усеченной вершиной на одном из торцов (см. , например, Описание полезной модели N 870 за 1995 г. H 01 S 3/06). Но решить эти проблемы, обеспечив качественный скачок в развитии этого направления техники, не удалось. Part of these problems were solved by using well-known technical solutions for placing fully and partially reflecting mirrors of a laser resonator at the ends of a solid-state active element, making them a polyhedron of total internal reflection with a truncated vertex at one of the ends (see, for example, Description of utility model N 870, 1995 H 01 S 3/06). But to solve these problems, providing a quantum leap in the development of this area of technology, failed.

Известно лазерное оптическое устройство (см., например, Заявку PCT/US 93/10279 (WO 94/097131) по классу C 23 F 1/04, A 61 B 17/36), содержащее твердотельный активный элемент в виде стержня, разрядную лампу накачки, включающую разрядную трубку, наполненную инертным газом, и впаянные в нее электроды, полностью и частично отражающие зеркала лазерного резонатора, оптическую систему, включающую входную линзу или окно. Недостатками известного лазерного оптического устройства являются его значительные габариты, т.к. разрядная трубка и твердотельный активный элемент помещены в отражателе параллельно друг другу. При этом световой поток от разрядной трубы в большей своей части попадает на активный элемент отраженным, т.е. со значительными потерями, что снижает коэффициент полезного действия (КПД) известного устройства. A laser optical device is known (see, for example, PCT / US Application 93/10279 (WO 94/097131) of class C 23 F 1/04, A 61 B 17/36) containing a solid-state active element in the form of a rod, a discharge lamp pumping, including a discharge tube filled with an inert gas, and electrodes soldered into it, fully and partially reflecting the mirrors of the laser cavity, an optical system including an input lens or window. The disadvantages of the known laser optical device are its significant dimensions, because the discharge tube and the solid-state active element are placed in the reflector parallel to each other. In this case, the luminous flux from the discharge tube for the most part falls on the active element reflected, i.e. with significant losses, which reduces the efficiency (efficiency) of the known device.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в создании лазерного оптического устройства с высоким КПД путем комплексного подхода и преодоления за счет этого указанного недостатков прототипа. Дополнительной задачей является минимизация габаритов устройства за счет оптимизации использования объема. The problem to which the invention is directed, is to create a laser optical device with high efficiency by means of an integrated approach and overcoming due to this indicated disadvantages of the prototype. An additional task is to minimize the size of the device by optimizing the use of volume.

Технический результат использования изобретения состоит в повышении КПД устройства, в упрощении конструкции, уменьшении его габаритов и выполнении переносным. The technical result of using the invention is to increase the efficiency of the device, to simplify the design, reduce its dimensions and perform portable.

Для достижения этого в известном лазерном оптическом устройстве, содержащем твердотельный активный элемент в виде стержня, разрядную лампу накачки, включающую разрядную трубку, наполненную инертным газом, и впаянные в нее электроды, полностью и частично отражающие зеркала лазерного резонатора, оптическую систему, включающую входную линзу или окно, согласно изобретению, активный элемент установлен в разрядной трубке с образованием равномерного зазора между разрядной трубкой и активным элементом при помощи узла крепления, соединенного с соответствующим электродом и концом активного элемента, при этом каждый электрод выполнен в виде кольца, установленного с зазором по отношению к активному элементу, а входная линза закреплена на разрядной трубке таким образом, что пространство между входной линзой или окном и активным элементом заполнено инертным газом. Надежно, если узел крепления выполнен в виде проточки, выполненной на активном элементе, и пружинного элемента, установленного в ней. To achieve this, in a known laser optical device containing a solid-state active element in the form of a rod, a discharge lamp including a discharge tube filled with an inert gas, and electrodes soldered into it, fully and partially reflecting the mirrors of the laser resonator, an optical system including an input lens or the window according to the invention, the active element is installed in the discharge tube with the formation of a uniform gap between the discharge tube and the active element using the mount, connected with a corresponding electrode and the end of the active element, each electrode being made in the form of a ring mounted with a gap with respect to the active element, and the input lens is fixed to the discharge tube so that the space between the input lens or window and the active element is filled with an inert gas. Reliably, if the mount is made in the form of a groove made on the active element, and the spring element installed in it.

Удобно, если пружинный элемент выполнен в виде шайбы, припаянной к торцу электрода, обращенного к ближайшему торцу активного элемента, а проточка на активном элементе выполнена кольцевой. Conveniently, if the spring element is made in the form of a washer soldered to the end of the electrode facing the nearest end of the active element, and the groove on the active element is circular.

Возможно, если узел крепления размещен внутри электрода, при этом на внутренней поверхности электрода выполнена проточка, а пружинный элемент выполнен в виде разрезного кольца. It is possible if the mount is placed inside the electrode, and a groove is made on the inner surface of the electrode, and the spring element is made in the form of a split ring.

Практически, если разрядная трубка выполнена из оптически непрозрачного, диэлектрического материала с повышенным коэффициентом отражения в полосах спектра накачки активного элемента, например керамики. In practice, if the discharge tube is made of an optically opaque, dielectric material with a high reflection coefficient in the bands of the pump spectrum of the active element, for example, ceramic.

Совокупность отличительных признаков заявителям не известна, что является доказательством новизны предложения, а каждый из признаков совокупности со всей очевидностью не следует из уровня техники, что является доказательством наличия изобретательского уровня в предложении. При этом авторы подчеркивают наличие причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков изобретения и достигаемым техническим результатом. The totality of the distinctive features of the applicants is not known, which is proof of the novelty of the proposal, and each of the features of the aggregate clearly does not follow from the prior art, which is proof of the presence of an inventive step in the proposal. Moreover, the authors emphasize the presence of a causal relationship between the totality of the essential features of the invention and the achieved technical result.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 изображено лазерное оптическое устройство. На фиг. 2 изображено лазерное оптическое устройство с возможным конструктивным выполнением узла крепления активного элемента. The invention is illustrated by drawings. In FIG. 1 shows a laser optical device. In FIG. 2 shows a laser optical device with a possible structural embodiment of the mount unit of the active element.

Лазерное оптическое устройство содержит активный элемент 1, выполненный в виде стержня цилиндрической формы, представляющий собой кристалл АИГ: Er диаметром 4 мм, длиной 60 мм или 100 мм. На торцах активного элемента выполнены многогранники полного внутреннего отражения 2 с усеченной вершиной 3 на выходном торце, представляющие собой полностью и частично отражающие зеркала лазерного резонатора. Активный элемент размещен внутри разрядной трубки 4, входящей в лампу накачки, предпочтительно выполненной из керамики на основе Al₂O₃, являющейся оптически непрозрачным материалом и диэлектриком с повышенным коэффициентом отражения в полосах спектра накачки активного элемента. Активный элемент установлен в разрядной трубке с образованием равномерного зазора между разрядной трубкой и активным элементом. У торцев разрядной трубки припаяны или скреплены с ней при помощи припоя или компаунда 5 герметизирующие колпачки 6. С герметизирующими колпачками соединены электроды 7, выполненные в виде колец, установленных с зазором по отношению к активному элементу. Активный элемент крепится при помощи узлов крепления, соединенных с электродами. Допускается жесткое крепление электрода и узла крепления. Узел крепления лазерного оптического устройства, изображенного на фиг. 1, выполнен в виде цилиндрической проточки 8, выполненной на активном элементе, и пружинного элемента 9 в виде шайбы, припаянной к торцу электрода, обращенного к ближайшему торцу активного элемента. Узел крепления лазерного оптического устройства, изображенного на фиг. 2, выполнен внутри электрода и включает в себя кольцевую проточку 8, выполненную на активном элементе у его торца, дополнительный буртик-проточку 10, выполненную на внутренней поверхности электрода, и пружинного элемента 9 в виде разрезного кольца, находящегося между уступами, образованными проточками на активном элементе и внутренней поверхности электрода. Проточки невелики по размеру и составляют всего 0,1 мм. Пружинный элемент в виде разрезного кольца выполняется из вольфрамовой проволоки диаметром ⌀ 0,3 мм. Пружинный элемент в виде шайбы выполняется из ниобиевой фольги толщиной 0,1 мм. Его пружинящие свойства проявляются в поперечном направлении.The laser optical device contains an active element 1 made in the form of a rod of cylindrical shape, which is a YAG: Er crystal with a diameter of 4 mm, a length of 60 mm, or 100 mm. At the ends of the active element there are polyhedrons of total internal reflection 2 with a truncated peak 3 at the output end, which are fully and partially reflecting mirrors of the laser resonator. The active element is placed inside the discharge tube 4, which is included in the pump lamp, preferably made of ceramics based on Al ₂ O ₃ , which is an optically opaque material and a dielectric with an increased reflection coefficient in the bands of the pump spectrum of the active element. The active element is installed in the discharge tube with the formation of a uniform gap between the discharge tube and the active element. At the ends of the discharge tube, sealing caps 6 are soldered or fastened to it using solder or compound 5. Electrodes 7 are connected to the sealing caps and are made in the form of rings mounted with a gap with respect to the active element. The active element is attached using attachment points connected to the electrodes. Rigid fastening of the electrode and mounting unit is allowed. The attachment site of the laser optical device shown in FIG. 1, is made in the form of a cylindrical groove 8 made on the active element, and a spring element 9 in the form of a washer soldered to the end of the electrode facing the nearest end of the active element. The attachment site of the laser optical device shown in FIG. 2, is made inside the electrode and includes an annular groove 8 made on the active element at its end, an additional shoulder groove 10 made on the inner surface of the electrode, and a spring element 9 in the form of a split ring located between the ledges formed by the grooves on the active element and inner surface of the electrode. The grooves are small in size and are only 0.1 mm. The spring element in the form of a split ring is made of tungsten wire with a diameter of ⌀ 0.3 mm. The spring element in the form of a washer is made of niobium foil with a thickness of 0.1 mm. Its springy properties are manifested in the transverse direction.

Предлагаемые узлы крепления активного элемента позволяют за счет упругости элементов в них входящих или возможности перемещения элементов крепления в пределах упругих деформаций исключить возможность возникновения в активном элементе напряжений, приводящих к изменению его оптических свойств. The proposed fastening nodes of the active element allow, due to the elasticity of the elements included in them or the possibility of moving the fastening elements within elastic deformations, to exclude the possibility of stresses in the active element leading to a change in its optical properties.

Со стороны выходного торца 3 активного элемента с торцем разрядной трубки герметично соединена втулка 11. Соединение осуществлено путем сварки. Во втулке герметично закреплена входная линза 12 или окно оптической системы (на чертежах не показано). Входная линза или окно размещены на оптической оси активного элемента, причем пространство между входной линзой и выходным торцем 3 активного элемента заполнено инертным газом. Разрядная трубка со стороны полностью отражающего зеркала 2 активного элемента 1 снабжена откачным штенгелем 13, соединенным с герметизирующим колпачком 6 и служащим для откачивания воздуха и заполнения разрядной трубки инертным газом. После заполнения инертным газом штенгель запаивают. Разрядная трубка может быть выполнена из светопрозрачного материала и сверху покрыта светонепрозрачным напыленным слоем металла 14 (показан пунктиром). Внутренний диаметр разрядной трубки составлял 7 мм, а наружный - 9 мм. Расстояние между кольцевыми электродами составляло 45 мм (для активного элемента длиной 60 мм) и 85 мм (для активного элемента длиной 100 мм). Упругий элемент в виде шайбы выполнялся из ниобиевой фольги. Входная линза оптической системы диаметром 10 мм с фокусным расстоянием 20 мм изготавливалась из стекла К-8. Скрепление деталей устройства осуществлялось пайкой с помощью припоя на основе олова или с помощью клея. Герметичные соединения осуществлялись электроннолучевой сваркой. On the side of the output end 3 of the active element, the sleeve 11 is hermetically connected to the end of the discharge tube. The connection is made by welding. An input lens 12 or an optical system window (not shown in the drawings) is hermetically fixed in the sleeve. The input lens or window is placed on the optical axis of the active element, and the space between the input lens and the output end 3 of the active element is filled with an inert gas. The discharge tube from the side of the fully reflecting mirror 2 of the active element 1 is equipped with a pumping plug 13 connected to the sealing cap 6 and used for pumping air and filling the discharge tube with inert gas. After filling with inert gas, the plug is sealed. The discharge tube may be made of translucent material and coated with a translucent opaque metal layer 14 from above (shown by a dotted line). The inner diameter of the discharge tube was 7 mm, and the outer diameter was 9 mm. The distance between the ring electrodes was 45 mm (for the active element 60 mm long) and 85 mm (for the active element 100 mm long). The elastic element in the form of a washer was made of niobium foil. The input lens of the optical system with a diameter of 10 mm with a focal length of 20 mm was made of K-8 glass. The parts of the device were fastened by soldering using tin-based solder or with glue. Tight joints were carried out by electron beam welding.

Работа устройства осуществляется следующим образом. После подачи на электроды 7 импульсного напряжения от источника тока (на чертеже не показан) в коаксиальном зазоре между активным элементом 1 и внутренней поверхностью разрядной трубки 4 формируется импульсный разряд. За счет оптического излучения разряда осуществляется оптическая накачка активного элемента и формирование в лазерном резонаторе 2, 3 лазерного излучения, которое выводится из устройства через линзу 12, которая фокусирует его на объект. Более эффективное использование оптического излучения в предлагаемой конструкции по сравнению с известной позволяет увеличить ее КПД в 1,5 - 2,5 раза. Использование поверхностей разрядной трубки в качестве отражателя, выполнение узла крепления активного элемента чрезвычайно простым и компактным благодаря размещению входной линзы оптического устройства на разрядной трубке позволило качественно улучшить технические характеристики лазерного оптического устройства, расширить область применения лазерного излучения. The operation of the device is as follows. After applying a pulse voltage to the electrodes 7 from a current source (not shown in the drawing), a pulse discharge is formed in the coaxial gap between the active element 1 and the inner surface of the discharge tube 4. Due to the optical radiation of the discharge, the optical element is pumped optically and laser radiation is formed in the laser resonator 2, 3, which is removed from the device through the lens 12, which focuses it on the object. A more efficient use of optical radiation in the proposed design in comparison with the known allows to increase its efficiency by 1.5 - 2.5 times. Using the surfaces of the discharge tube as a reflector, the assembly of the mount of the active element is extremely simple and compact due to the placement of the input lens of the optical device on the discharge tube, it has been possible to qualitatively improve the technical characteristics of the laser optical device and expand the scope of laser radiation.

Для заявленного изобретения, в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы, подтверждена возможность осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета методом и средств. For the claimed invention, in the form as described in the independent claim, the possibility of implementation using the methods and means known up to the priority date is confirmed.

В свою очередь заявленное изобретение при его осуществлении способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем результата. Следовательно, оно соответствует критерию "промышленная применимость". In turn, the claimed invention, when implemented, is capable of achieving the result seen by the applicant. Therefore, it meets the criterion of "industrial applicability".

Claims

1. A laser optical device containing a solid-state active element in the form of a rod, a discharge lamp, including a discharge tube filled with an inert gas, and electrodes soldered into it, fully and partially reflecting the mirrors of the laser resonator, an optical system including an input lens or window, characterized by the fact that the active element is installed in the discharge tube with the formation of a uniform gap between the discharge tube and the active element using the mount, connected to the corresponding electrode and the end of the active element, each electrode being made in the form of a ring mounted with a gap with respect to the active element, and the input lens is fixed to the discharge tube so that the space between the input lens or window and the active element is filled with an inert gas.

2. The device according to claim 1, characterized in that the mount is made in the form of a groove made on the active element, and a spring element installed in it.

3. The device according to claim 2, characterized in that the spring element is made in the form of a washer soldered to the end of the electrode facing the nearest end of the active element, and the groove on the active element is cylindrical.

4. The device according to claim 2, characterized in that the mount is placed inside the electrode, while on the inner surface of the electrode an annular groove and an additional groove are made, and the spring element is made in the form of a split ring.

5. The device according to claim 1, characterized in that the discharge tube is made of an optically opaque, dielectric material with a high reflection coefficient in the bands of the pump spectrum of the active element, such as ceramic.