186161. lajstromszámú szabadalom • Impulzus üzemű
1 186.161 2 A találmány tárgya impulzus üzemű, Q-kapcsolós, hordozható szilárdtest lézer, mely távmérés, mikromegmunkálásra, gyors és/vagy holografikus fényképezésre, demonstrációra alkalmas. Mint ismeretes, a lézereket aktív anyag szempontjából gáz, szilárdtest, félvezető, festék és kémiai lé. zerekre csoportosítják. A szilárdtest lézereket alkalmazási területük szerint általános kutatás, holográfia, anyagmegmunkálás, műhold követés, és katonai alkalmazások szerint csoportosítják. Ugyanezeket a lézereket méretük alapján óriás, nagy, közepes és kis méretű - hordozható - lézerek csoportjára oszthatjuk. A szilárdtest lézerek aktív anyagukat tekintve leggyakrabban rubin, Nd:YAG, Ndáiveg lézerek lehetnek. A gerjesztő fényforrás hatásos átmérője közel azonos az aktív anyag átmérőjével, így gerjesztés hatásfoka csökken. Ilyen szilárdtest lézereket ismertet "W.Koechner, Solid-State Laser Engineering, Springer-Veriag New York Heidelberg’Berlin, 1976." című könyv XI. fejezete az 537-584. oldalig. A könyben ismertetett srilárdtest lézerek hátrányait röviden a következőkben lehet összefoglalni: kicsi a hatásfokuk, ebből adódóan a gerjesztéshez nagy energiára van szükség. A gerjesztő fényforrás speciális, így maga a gerjesztőforrás drága és nagy energia szükséglete miatt a gerjesztő tápforrással szemben támasztott követelmények is magasak. Az aktív anyag az igen magas technológiai követelmények miatt drága és ebből adódóan ezen szilárdtest lézerek ára magas. Az Nd:YAG kristálynövesztés bonyolultságából adódóan ezeket csak nagyon korlátozott mennyiségben lehet előállítani. A 3x50 mm hosszúságú Nd:YAG kristályrűd igen drága, a komplett berendezés (távmérő, mikromegmunkáló stb.) árának jelentős része. További hátrányként említhetjük meg, hogy nehéz az alapmódusú üzem megvalósítása és ez tovább csökkenti az alkalmazott szilárdtest lézer hatásfokát. A találmánnyal célunk a fentiekben vázolt valamennyi nehézség egyidejű kiküszöbölése és olyan kisméretű, hordozható és 0,-kapcsolóval ellátott lézer kialakítása, amely nagyobb hatásfokkal üzemeltethető, ebből adódóan működtetéséhez sokkal kisebb energiára van szükség. A fényforrás hatásos átmérője legyen kisebb mint a megvilágított aktív anyag átmérője, így a gerjesztés hatásfoka javul. További cél, hogy alkalmas legyen az alapmódusú üzem megvalósítására anélkül, hogy az a lézer hatásfokát tovább csökkentené. További cél, hogy egyszerű eszközökkel, olcsón hozzuk létre az ismert szilárdtest lézerekkel azonos feladatok megoldására alkalmas hordozható lézert. A találmánnyan megoldandó feladat ennek megfelelően olyan impulzus üzemű Q-kapcsolós hordozható szilárdtest lézer kialakításában határozhatjuk meg, mely alkalmas nagyobb hatásfok mellett alapmódusú lézer működés előállítására. A találmány alapja egyrészt az a felismerés, hogy az aktív anyagul szolgáló liNd La, -foszfátüveg Nd koncentrációját, melyre a szakrrodáiom 8.1020/cm3 értéket ajánl, 1021/cm -nél nagyobbra kell választani, másrészt az Nd koncentrációval csökkenő rúdátmérő re van szükség, továbbá az alapmódusú működést ld emelő LiF/FJ Q-kapcsolót és a lézerelemeket a ron csolástól védő, egyben kedvező lézerimpulzus-para métereket biztosító rezonátort és kis átmérőjű egy 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 szerű foto villanó lámpa gerjesztő fényforrást kell használni. Ezzel nemcsak a hatásfok nő, de a használt elemek (LiNdLa foszfátüveg, fotovillanólámpa) jóvá olcsóbbak is az ismert megoldás alkatrészeinél. A találmány szerinti berendezés tehát olyan ismert O,-kapcsolóval ellátott hordozható szilárdtest lézer továbbfejlesztése, amelynek aktív anyaga Nd:YAG kristály rúd, melyet ellipszis keresztmetszetű reflektorban vele párhuzamosan szimmetrikusan elhelyezett speciális gerjesztő fényforrás vüágít meg, továbbá a kilépő lézerfény irányában ultraibolya szűrő védi a Q-kapcsoló plasztiklemezt, majd a részben áteresztő kilépő tükör következik, mely az aktív anyag túlsó végén lévő zárótükörrel akotja a rezonátort. A továbbfejlesztés, vagyis a találmány abban van, hogy a találmány szerinti Q-kapcsolóval ellátott, hordozható szilárdtest lézer aktív anyaga lítiummal, neodiummal és esetleg lantánnal doppolt polírozott palástú foszfát-üvegrúd, gerjesztő fényforrása fotovillanó lámpa, O,-kapcsolója külön ultraibolya védelmet nem feltétlenül igénylő, F^-színcentrumokat tartalmazó lítium fluorid kristály, s a megvilágító reflektor falát érintve a megvilágító fényforrás pedig ugyanezen a szimmetriatengelyen, előnyösen az aktív anyagot érintve van elhelyezve a rezonátort alkotó tükrök a lézerelemek roncsolódási szintje alatti működést biztosítanak. A találmány értelmében célszerű az LiNdxLaj -f foszfátüvegben a neodiumjum ionok koncentrációját 10 -nél nagyobbra és 10 -nél kisebbre választani. A 10 -nél nagyobb Nd-koncentráció mellett — annak ellenére, hogy a 4F, ,2 felső lézemívó élettartama csökken és így a spontán sugárzás okozta veszteség nő - a több gerjesztett Nd ion biztosította nagyobb erősítés hatására (0,-kapcsolt lézer esetében) a hatásfok nő. A O,-kapcsolt lézerimpulzus kialakulásához ugyanis néhány mikroszekundum elegendő, így a lézemívó élettartamának fjs alá csökkenése az irodalom várakozásával ellentétben még nem befolyásolja lényegesen az erősítést. Másrészt a gyakorlatban használható 1-3 mm-es aktív anyag átmérők közepéig a gerjesztés nem ér el lO^/cm^él nagyobb Nd-koncentráció mellett. A koncentráció csupán addig növelhető, ameddig az aktív anyag átmérő csökkentése nem mond ellent a mechanikai követelményeknek. Az 1-3 mm-es rúdátmérő optimumot jelent. Célszerűen a rúdalakú aktív anyag palástja matt vagy polírozott. Polírozott palást esetén a gerjesztés nem csupán a palást közelében történik, hanem a rúd közepén van a maximuma, ez ugyanis a hatásfok és a működéshez igényelt energia javulásán túlmenően előnyös az alapmódusú működéshez. Az LiF/F2/ kristály Q-kapcsoló elnyelét a lézer hullámhosszán úgy kell megválasztani, hogy egyrészt az adott gerjesztési tartományban 10-20 ns-nél nem hosszabb lézerimpulzust biztosítson, ugyanis ennél hosszabb impulzusok távméTésnél korlátozzák a mérés pontosságát, másrészt ha a kristály transzmissziója kicsi, nagy reflexiójú részbenáteresztő tükörre van szükség a lézer beindulásához, ilyen esetben azonban a rezonátoron belül a lézerfényintenzitás többszöröse a kilépő fényintenzitásnak és ajóval 100 MW/cm2 feletti teljesítménysűrűségmellett a lézerelemek megsérülnek. Ezek a megfontolások 60%-nál nagyobb és 80%-nál kisebb kezdeti transzmissziójú LiF/FJ kristály és 40-60% reflexiójú részben áteresztő tükör al-2
