Патент на изобретение №2159977

(54) ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР С ОСЕВОЙ ПРОКАЧКОЙ АКТИВНОЙ СРЕДЫ

(57) Реферат:

Изобретение относится к лазерной технике и может быть применено при создании высокомощных лазеров с осевой прокачкой активной среды. Лазер с осевой прокачкой активной среды содержит трубчатую камеру возбуждения, оптический резонатор, имеющий ось, параллельную оси трубчатой камеры возбуждения, концевые зеркала. Трубчатая камера имеет прямоугольное или эллиптическое сечение, а резонатор выполнен устойчиво-неустойчивым. Плоскость неустойчивости параллельна большей стороне (или большей оси эллипса) трубчатой камеры возбуждения. Размер меньшей стороны (меньшей оси эллипса) выбирается исходя из того, чтобы она в 1,5-2 раза превосходила бы размер основной моды в плоскости устойчивости устойчиво-неустойчивого резонатора. Технический результат: увеличение качества излучения лазера, повышение выходной мощности и эффективности лазера, а также упрощение конструкции. 14 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области лазерной техники, может быть применено при создании высокомощных лазеров с осевой прокачкой активной среды с высоким качеством излучения.

Известны газовые лазеры с осевой прокачкой активной среды [1, 2]. Они включают трубчатую камеру возбуждения, состоящую из отрезков стеклянных труб круглого сечения, в которых прокачивается с большой скоростью смесь газов, например, смесь CO₂, N₂, Не с помощью компрессора. В камере возбуждения зажигается тлеющий разряд постоянного тока или высокочастотный тлеющий разряд. В тлеющем разряде энергия электронов в конечном счете переходит в энергию возбуждения молекул активных газов. Колебательная энергия молекул преобразуется затем с помощью резонатора в световую энергию.

Прокачным устройством могут являться двухроторные компрессоры марки Ruts и, особенно в последнее время, высоконапорные, высокооборотные вентиляторы центробежного типа.

В лазерах небольшой мощности используются стеклянные трубы небольшого диаметра 18-20 мм. Трубы камеры возбуждения соединяют последовательно по лучу резонатора и параллельно по потоку газа. Небольшой диаметр труб, сравнимый с диаметром основной гауссовой моды устойчивого резонатора позволяет эффективно селектировать гауссову моду нулевого порядка, т.е. обеспечивать очень высокое качество излучения, сохраняя высокий КПД лазера в целом.

Недостатки устройства-аналога:
1. Для того, чтобы увеличить выходную мощность лазера, требуется увеличение объема прокачиваемого через камеру возбуждения газа. С целью увеличения прокачки газа диаметр труб увеличивают до 30 мм и даже до 90 мм. Это приводит к увеличению выходной мощности лазера, но вместе с тем к снижению качества излучения. Поэтому на уровнях мощности свыше 2 кВт лазеры подобного типа излучают существенно многомодовый выходной пучок, с большой угловой расходимостью, что существенно ограничивает технологические возможности таких лазеров.

2. В лазере с аксиальной прокачкой и с устойчивым резонатором одно из концевых зеркал (выходное) является полупрозрачным. Нагрев этого зеркала поглощенной долей проходящей через него мощности, растущей с ростом выходной мощности лазера и охлаждение периферийной боковой поверхностью приводят к термонапряжениям и термодеформациям в материале зеркала. Термодеформации в выходном зеркале приводят к снижению качества излучения, они растут с ростом выходной мощности. Термонапряжения также растут с ростом мощности лазера и в конце концов приводят к разрушению выходного зеркала.

Известен также лазер с аксиальной прокачкой [2], принятый нами на прототип, в котором используется неустойчивый резонатор. Неустойчивый резонатор состоит из полностью отражающих зеркал и обеспечивает заполнение излучением большого объема круглого сечения. В нем отсутствуют полупрозрачные зеркала. Однако большого промышленного применения такие лазеры не получили из-за своих существенных недостатков:
1. Относительно низкое качество излучения. Выходной пучок в сечении имеет форму кольца. Высокое качество удается получить лишь при высоком коэффициенте увеличения резонатора М>2, при котором снижается КПД из-за высоких потерь в резонаторе.

2. В трубах с большим диаметром трудно обеспечить возбуждение равномерного тлеющего разряда, особенно при повышенном давлении активной среды. Это приводит к снижению рабочего давления и, вследствие этого к увеличению размеров лазера и усложнению его конструкции.

3. С ростом мощности лазера увеличиваются трудности вывода излучения за пределы лазера. Вместо твердотельного выходного окна, разделяющего газовый контур лазера от атмосферы приходиться использовать аэродинамическое окно. Это резко усложняет конструкцию лазера, снижает его вакуумную гигиену и, следовательно, надежность лазера.

Задачей изобретения является увеличения качества излучения лазера с аксиальной прокачкой, повышение выходной мощности и эффективности лазера, а также упрощение конструкции.

Задача решается тем, что в лазере с осевой прокачкой активной среды (фиг. 1) через трубчатую камеру возбуждения 1, включающим оптический резонатор, имеющий ось, параллельную оси трубчатой камеры возбуждения 2, концевые зеркала 3 и 4, трубчатая камера выполняется прямоугольного или эллиптического сечения 1, а резонатор выполняется устойчиво-неустойчивым (т.е. устойчивым в одной плоскости и неустойчивым в перпендикулярной ей плоскости[3, 4, 5] ), причем плоскость неустойчивости параллельна большой стороне (или большой оси эллипса) трубчатой камеры возбуждения. Размер меньшей стороны (меньшей оси эллипса b) выбирается, исходя из того, чтобы она в 1,5-2 раза превосходила бы размер основной моды в плоскости устойчивости устойчиво-неустойчивого резонатора (УНР). Для плосковогнутого устойчивого резонатора размер основной моды


Например, при длине резонатора L = 6 м, длине волны = 10,6 мкм, радиусе кривизны концевого заднего зеркала R = 30 м, тогда 2 = 12 мм, а размер меньшей стороны камеры возбуждения равен: b=18..24 мм.

Размер большой стороны трубчатой камеры возбуждения определяется из условия получения необходимой мощности и может достигать 100 мм и более. Ограничивающим фактором может в этом случае быть максимальный размер зеркал.

Согласно п. 2 формулы, трубчатая камера возбуждения и соответственно оптический резонатор могут представлять собой складчатую конструкцию, в частности оси труб и оптическая ось могут составлять с помощью промежуточных зеркал 11 плоский многоугольник (фиг. 2), например: треугольник или квадрат. Плоскость неустойчивости и большая сторона прямоугольного или эллиптического сечения трубчатой камеры могут быть перпендикулярны плоскости этого многоугольника. В этом случае реализуются минимальные размеры поворотных зеркал и лазера в целом.

Согласно п. 3 выводное окно 10 лазера также имеет эллиптическое или прямоугольное сечение, соответственное сечению трубчатой камеры возбуждения. Вытянутое сечение выходного окна за счет большей поверхности боковых стенок позволяет намного быстрее отводить поглощенную в окне мощность, если сечение поглощенной мощности также является вытянутым в том же направлении.

Согласно п. 4 устойчиво-неустойчивый резонатор является конфокальным в плоскости неустойчивости. Это позволяет получать выходные пучки с плоским фронтом.

Согласно п. 5 и 6 лазер может иметь двусторонний (фиг. 1), или односторонний (фиг. 4) вывод излучения. Двусторонний вывод излучения удобен при высоких уровнях полной мощности, потому что сечение выходного пучка при этом максимально, что позволяет выводить такой пучок через полупрозрачное окно даже при очень больших мощностях. Для дальнейшего использования этот пучок можно трансформировать в плоскости неустойчивости с помощью цилиндрического телескопа [5] и получить круглый пучок практически без потери качества излучения.

Пучок с односторонним выводом излучения реализуется при разъюстировке зеркал. На фиг. 3 изображен случай положительной ветви устойчиво-неустойчивого резонатора. Ось резонатора 2 проходит вблизи края зеркал 3 и 4. Такой режим удобен тем, что излучение имеет компактное сечение. Сечение выходного пучка, например, может иметь одинаковые поперечные размеры в обоих плоскостях. Однако в этом случае всегда присутствует паразитный пучок 12, который необходимо устранять поглотителем 13, (фиг. 3).

Отметим важное свойство лазера с УНР на отрицательной ветви с односторонним выводом излучения (фиг. 4). Как видно из фиг. 4, в этом случае в отличие от положительной ветви имеется действительно только один выходной пучок 5, т.е. полное отсутствие паразитного пучка, при этом ось резонатора не выходит на край концевых зеркал 3 и 4. Качество излучения выходного пучка 5 существенно повышается, по сравнению со случаем положительной ветви (фиг. 3), в связи с тем, что уменьшается дифракционно-отраженная доля мощности в сходящуюся волну неустойчивого резонатора.

Согласно п. 8 и УНР можно выполнить с полупрозрачным выходным зеркалом (фиг. 5). В отличие от устойчивого резонатора, в котором полупрозрачное выходное зеркало является круглым в сечении, выходное полупрозрачное зеркало устойчиво-неустойчивого резонатора является вытянутым в плоскости неустойчивости, что приводит к существенно лучшему охлаждению зеркала и к возможности его применения до значительно больших мощностей. Полупрозрачное выходное зеркало может быть одновременно и выходным окном, разделяющим относительно разряженную активную среду газового лазера от атмосферы.

Отсутствие резкого края в выходном полупрозрачном зеркале устойчиво-неустойчивого резонатора приводит к существенному ослаблению отражения в сходящуюся волну и к более гладкому в плоскости неустойчивости распределению выходной мощности лазера 5а, в плоскости устойчивости распределения мощности будет продолжать оставаться гауссовым 5б (фиг. 5). Известно, что если профиль коэффициента отражения выходного полупрозрачного зеркала будет гауссовым, то и собственной модой неустойчивого резонатора также будет гауссова мода. Поперечный размер ее может быть значительно больше, чем размер основной моды устойчивого резонатора. Профиль выходного пучка, тем не менее, является уже не гауссовым, он имеет провал в центре пучка из-за того, что отражение в центре полупрозрачного выходного зеркала максимально. Для того, чтобы уменьшить провал в центре кольцевого пучка, коэффициент отражения выходного зеркала профилируют по сложному супергауссовому закону, что несколько уменьшает глубину провала мощности в центре выходного пучка.

Устойчиво-неустойчивый резонатор с полупрозрачным выходным зеркалом может быть выполнен как с двусторонним выходом излучения относительно оптической оси в плоскости неустойчивости, так и с односторонним выходом (фиг. 6 и 7). На фиг. 6 изображен У.Н.Р. с полупрозрачным зеркалом в варианте положительной ветви неустойчивого резонатора.

В случае устойчиво-неустойчивого резонатора с полупрозрачным выходным зеркалом имеется возможность получения выходного излучения с выпуклым распределением мощности по сечению пучка. Для этого устойчиво-неустойчивый резонатор должен быть выбран на отрицательной ветви диаграммы устойчивости в плоскости неустойчивости (фиг. 7). При этом реализуется случай с односторонним выходным пучком.

Согласно п. 10 устойчиво-неустойчивый резонатор в лазере с осевой прокачкой активной среды может в плоскости неустойчивости находится на отрицательной ветви устойчивости и является самофильтрующимся [5]. Самофильтрующиеся неустойчивые резонаторы отличаются от неустойчивых резонаторов, находящихся на отрицательной ветви устойчивости тем, что вывод излучения в них происходит с помощью дополнительного выводного зеркала с отверстием, расположенным в фокусе обеих концевых зеркал, причем размер выводного отверстия в точности равен размеру первого дифракционного минимума. В самофильтрующихся неустойчивых резонаторах, (в нашем случае устойчиво-неустойчивом резонаторе в плоскости неустойчивости) каждый проход присходит очистка излучения от аберраций и таким образом значительно повышается качество излучения лазера. Главный недостаток, ограничивающий применение обычного самофильтрующегося резонатора состоит в том, что практически интересный случай большого увеличения М сопровождается резким пропорционально М² ростом потерь резонатора, что, как правило, приводит к уменьшению мощности лазера. В устойчиво- неустойчивом резонаторе потери пропорциональны первой степени М, поэтому возможны значительно большие коэффициенты увеличения. Применение самофильтрующегося устойчиво-неустойчивого резонатора приводит к тому, что в обоих плоскостях; в устойчивой и неустойчивой лазерное излучение будет практически гауссовым, т.е. близким к идеальному. Неравенство размеров пучка во взаимно ортогональных плоскостях затем компенсируется вне резонатора [6].

Наибольшее применение предлагаемое изобретение найдет в области CO₂ газовых лазеров. Обычно смесь CO₂: N₂: Не возбуждают тлеющим разрядом постоянного или переменного тока или высокочастотным тлеющим разрядом.

Возможны несколько способов возбуждения тлеющего разряда по отношению к потоку активной среды вдоль трубчатой разрядной камеры.

1). Продольный тлеющий разряд, когда разряд осуществляется вдоль потока активной среды (п. 11 формулы). При этом электроды могут быть открытыми и находиться внутри трубчатой камеры возбуждения в случае разряда постоянного тока, или внешними по сношению к трубчатой камере возбуждения. В этом случае (согласно п.12 формулы) в трубчатой камере возбуждается емкостной продольный тлеющий разряд переменного тока через диэлектрические стенки трубчатой камеры между электродами, нанесенными на эти стенки с внешней стороны трубки.

2). Поперечный тлеющий разряд, при котором направление разряда или, что то же самое, направление вектора электрического поля перпендикулярно (поперечно) направлению газового потока и перпендикулярно оси разрядной трубки. Отметим случай, когда стенки трубчатой камеры возбуждения выполнены из диэлектрического материала, причем через большие стенки в направлении плоскости устойчивости возбуждается высокочастотный тлеющий разряд (п.13. формулы). В этом случае можно ожидать повышения устойчивости разряда при повышенном рабочем давлении смеси активных газов, что приведет к пропорциональному повышению выходной мощности лазера.

С точки зрения надежности предпочтителен поперечный разряд переменного тока или ВЧ- разряд через диэлектрические стенки камеры. Неравенство сторон прямоугольного или эллиптического сечения трубчатой разрядной камеры позволяет возбуждать разряд предионизации между большими стенками трубки, так, что разряд предионизации горит в малом разрядном промежутке, в плоскости устойчивости (п.14 формулы). Основной разряд постоянного или переменного тока горит при этом между малыми стенками трубчатой камеры в плоскости неустойчивости. Это позволяет увеличивать рабочее давление и выходную мощность лазера.

Конструктивно трубчатые камеры возбуждения могут представлять собой герметичные стеклянные трубы, несущие всю нагрузку давления атмосферы или могут быть лишь направляющими газового потока, заключенные в силовой корпус, который и противостоит разности давлений окружающей атмосферы и разряженного газа внутри камеры возбуждения п.16 формулы.

Предлагаемый газовый лазер с осевой прокачкой активной среды работает следующим образом. Компрессор, например осевой вентилятор 9, создает перепад давления, в результате чего активный газ 7 поступает в трубчатые камеры возбуждения 1 прямоугольного или эллиптического сечения, а затем в теплообменник 8 и затем цикл повторяется. По газовому потоку трубы соединены параллельно, входы и выходы соединены, а по излучению соединены последовательно, так что ось резонатора 2 проходит через все трубы 1. Между электродами 6а и 6б прокачиваемом газе 7 внутри трубчатой камеры возбуждения 1 зажигается тлеющий разряд, создается инверсия населенности, необходимая для усиления излучения. Излучение, многократно проходя между концевыми зеркалами 3 и 4, многократно усиливается и постоянно за каждый проход увеличивает свое поперечное сечение в плоскости неустойчивости резонатора, при этом сохраняя неизменным сечение в плоскости устойчивости. На выходном зеркале 3 увеличение сечения пучка преобразуется в выходное излучение 5, которое может иметь вид двух пучков или только одного пучка. На выходе из лазера пучок эллиптического сечения может быть преобразован в одной плоскости цилиндрическим телескопом в высококачественный пучок почти круглого сечения.

Литература
1. Технологические лазеры: Справочник: В 2т. Т.1: Расчет, проектирование и эксплуатация /Г.А. Абильсиитов и др.; под общей ред. Г.А. Абильсиитова. – М.: Машиностроение, 1991. – 432 с.: Глава 5, 24, стр. 148-154.

2. Ch. Hertsler, R. Wollermaim, U. Habich, U. Jaroch, P. Loosen. 30 KW fast axial CO₂ laser with RF exitation. SPIE, vol. 2788, pp 14-23.

3. A. Borghese et al. Unstable – stable resonators with torroidal mirrors. Applied optics. Vol. 20, N 20, 1981 (3547-3552).

4. V. Fantini et al. A 5 kW cw CO₂ laser for industrial applications. Indust. Phys. conf. Ser. N 72, 1984, 17-20.

5. Забелин А. М. Проточный лазер с устойчиво-неустойчивым резонатором. Патент РФ N 2092947, Б.И. N 28 за 1997 г.

6. Забелин А.М. Установка для лазерной обработки. Патент РФ N 2108899, Б.И. N 17 за 1998 г.

Формула изобретения

1. Газовый лазер с осевой прокачкой активной среды через трубчатую камеру возбуждения, включающий оптический резонатор, имеющий ось, параллельную оси трубчатой камеры возбуждения, отличающийся тем, что трубчатая камера возбуждения имеет в сечении прямоугольную или эллиптическую форму, а оптический резонатор является устойчиво-неустойчивым с плоскостью неустойчивости, параллельной большей стороне прямоугольной камеры возбуждения или большей оси камеры возбуждения эллиптического сечения, причем в плоскости устойчивости резонатор является одномодовым, поперечный размер труб в плоскости устойчивости лежит в диапазоне 1,5 – 2 от диаметра основной гауссовой моды, а размер большей стороны камеры возбуждения или большей оси камеры возбуждения эллиптического сечения определяется из условия получения необходимой мощности лазера.

2. Газовый лазер с осевой прокачкой по п.1, отличающийся тем, что ось трубчатой камеры возбуждения и ось оптического резонатора составляют плоский многоугольник, в вершинах которого расположены зеркала резонатора, причем плоскость неустойчивости резонатора и большая сторона трубчатой камеры возбуждения перпендикулярны плоскости многоугольника.

3. Газовый лазер с осевой прокачкой активной среды по каждому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что выходное окно лазера имеет такое же прямоугольное или эллиптическое сечение, что и сечение трубчатой камеры возбуждения.

4. Газовый лазер с осевой прокачкой активной среды по каждому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что упомянутый резонатор является конфокальным.

5. Газовый лазер с осевой прокачкой активной среды по каждому из пп.1 – 4, отличающийся тем, что устойчиво-неустойчивый резонатор имеет двусторонний вывод излучения.

6. Газовый лазер с осевой прокачкой активной среды по каждому из пп.1 – 3, отличающийся тем, что устойчиво-неустойчивый резонатор в плоскости неустойчивости находится на отрицательной ветви неустойчивого резонатора.

7. Газовый лазер с осевой прокачкой активной среды по каждому из пп.1 – 4, отличающийся тем, что устойчиво-неустойчивый резонатор имеет односторонний вывод излучения.

8. Газовый лазер с осевой прокачкой активной среды по каждому из пп.1 – 6, отличающийся тем, что устойчиво-неустойчивый резонатор имеет концевое выводное зеркало, являющееся полупрозрачным с переменным в неустойчивой плоскости коэффициентом отражения и коэффициентом пропускания.

9. Газовый лазер с осевой прокачкой активной среды по п.8, отличающийся тем, что концевое выводное зеркало устойчиво-неустойчивого резонатора имеет коэффициент отражения, изменяющийся по гауссовому или супергауссовому закону.

10. Газовый лазер с осевой прокачкой активной среды по п.4, отличающийся тем, что в плоскости неустойчивости резонатор является самофильтрующимся.

11. Газовый лазер с осевой прокачкой активной среды по каждому из пп.1 – 10, отличающийся тем, что в трубчатой камере возбуждается продольный тлеющий разряд.

12. Газовый лазер с осевой прокачкой активной среды по п.12, отличающийся тем, что в трубчатой камере возбуждения возбуждается емкостной тлеющий разряд переменного тока через электроды, нанесенные на большие диэлектрические стенки трубчатой камеры.

13. Газовый лазер с осевой прокачкой активной среды по каждому из пп.1 – 8, отличающийся тем, что стенки трубчатой камеры возбуждения выполнены из диэлектрического материала, причем через большие стороны в трубчатой камере возбуждается высокочастотный тлеющий разряд.

14. Газовый лазер с осевой прокачкой активной среды по п.13, отличающийся тем, что между стенками трубчатой камеры в плоскости неустойчивости горит тлеющий разряд постоянного или переменного тока, а в плоскости устойчивости (между большими стенками камеры) горит разряд предионизации.

15. Газовый лазер с осевой прокачкой активной среды по каждому из пп.1 – 14, отличающийся тем, что трубчатую камеру возбуждения окружает силовой корпус, противостоящий разности между давлением разряженной среды и давлением атмосферы.

РИСУНКИ