Патент на изобретение №2392649

(54) ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ ФИЛЬТР ДЛЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДИФРАКЦИОННОГО КАЧЕСТВА С ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

(57) Реферат:

Пространственный фильтр 6 включает два фокусирующих элемента 8, 9 и расположенную в области их фокальных плоскостей диафрагму 7 в вакуумированном корпусе 14. Диафрагма 7 выполнена рефракционного типа с профилированным отверстием и изготовлена из материала, не поглощающего лазерное излучение по механизмам многофотонного поглощения. Устройство для формирования лазерного излучения содержит последовательно расположенные задающий генератор 1 лазерного излучения, расширитель 3 лазерного пучка 2, фильтр 6, осуществляющий фильтрацию лазерного пучка 2 при его прямом и обратном проходе, двухпроходовый усилитель 10 мощности излучения и обращающее волновой фронт зеркало 11. Средство поляризационной развязки включает выводной поляризатор 4 и вращатель 5 плоскости поляризации. Поляризатор 4 размещен между расширителем 3 и фокусирующим элементом 8. Вращатель 5 – между двухпроходовым усилителем 10 мощности и зеркалом 11. Технический результат – уменьшение разрушающего воздействия излучения на материал диафрагмы и повышение качественных характеристик отфильтрованного лазерного излучения. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретения относятся к области лазерной техники и лазерных технологий и могут быть использованы в тех случаях, когда мощный лазерный пучок должен обладать минимально возможной расходимостью или гладким Гауссовым распределением интенсивности излучения в поперечном сечении этого пучка, в частности для прецизионной лазерной обработки (например, шлифования, полирования, гравирования, резки и т.п.) с субмикронной точностью, в том числе при обработке хрупких материалов; в офтальмохирургии, а также в тех случаях, когда лазерное излучение используется для накачки других лазеров или для преобразования излучения в высшие гармоники.

Из уровня техники известны пространственный фильтр для лазерного излучения и устройство для получения лазерного излучения дифракционного качества с его использованием, включающее последовательно расположенные задающий генератор лазерного излучения, расширитель генерируемого лазерного пучка, поляризационную развязку, двухпроходовый усилитель мощности излучения с обращающим волновой фронт зеркалом, а также пространственный фильтр (т.е., фильтр углового спектра), включающий телескоп Кеплера и диафрагму. При этом пространственный фильтр функционально совмещен с расширителем лазерного пучка с возможностью одновременного осуществления фильтрации излучения и увеличения площади поперечного сечения лазерного пучка в однопроходовом режиме, т.е. исключительно при прямом ходе лучей (см. Носач О.Ю., Поповичев В.И., Рагульский В.В., Файзуллов Ф.С. «Компенсация искажений в усиливающей среде с помощью «бриллюэновского зеркала»», Письма в ЖЭТФ, т.16, 11, стр.617-621, 1972 г.).

К основным недостаткам данных, известных из уровня техники, устройств следует отнести неплавное распределение интенсивности излучения в поперечном сечении пучка после его усиления (т.е. на выходе в технологическую зону), что ограничивает сферу применения известных технических решений.

Упомянутая негладкость распределения интенсивности излучения в поперечном сечении пучка обусловлена эффектом интерференции излучения основного пучка с его «шумовыми» когерентными компонентами.

Так, например, легко показать, что наличие одного процента шумов по энергии в когерентном излучении в результате интерференции его с основным излучением приводит к появлению в суммарном излучении 40-процентной величины модуляции амплитуды интенсивности излучения в поперечном сечении лазерного пучка.

Пусть J_ид – интенсивность лазерного пучка с идеально обращенным волновым фронтом; J_ш – интенсивность необращенной части лазерного пучка. Тогда полная интенсивность J_пол лазерного пучка с учетом того, что J=|Е|², будет равна J_пол=|Е_ид+Е_ш|², т.к. складываются когерентные поля. J_пол=(J_ид±J_ш)²J_ид+2J_идJ_ш. Следовательно, амплитуда изменения интенсивности суммарного пучка составит 4J_идJ_ш. Отсюда, при условии, что J_ш составляет 0,01 J_{ид ,} имеем 4J_ид 0,01 J_ид=0,4 J_ид, т.е. 40 процентов от J_ид.

Для того же, чтобы получить гладкость распределения интенсивности в поперечном сечении лазерного пучка менее одного процента, необходимо отфильтровать пучок так, чтобы энергия шумов была порядка 0,0001 энергии основного пучка.

Наиболее близкими к заявленным изобретениям являются пространственный фильтр для лазерного излучения и устройство для получения лазерного излучения дифракционного качества с его использованием, содержащее последовательно расположенные задающий генератор лазерного излучения; расширитель генерируемого лазерного пучка; организованный с возможностью осуществления фильтрации излучения при прямом и обратном проходе пучка вакуумный пространственный фильтр, включающий фокусирующие элементы и диафрагму, выполненную из непоглощающего лазерное излучение материала; двухпроходовый усилитель мощности излучения и обращающее волновой фронт нелинейное зеркало; а также включающее в себя средство поляризационной развязки, включающее два поляризатора и вращатель Фарадея (заявка PCT/RU 02/00527, WO 03050926, 2003 г.).

К основным недостаткам данных, известных из уровня техники, устройств для получения отфильтрованного лазерного излучения дифракционного качества следует отнести относительно короткий срок службы вакуумного пространственного фильтра в технологически заданном режиме в результате разрушения диафрагмы фильтруемым лазерным пучком в зоне входа обращенного, дважды усиленного лазерного пучка при обратном проходе, что влечет за собой через определенный промежуток времени не пространственную фильтрацию излучения, а дополнительное его искажение на образующихся дефектах диафрагмы.

Объясняется это следующим.

Несмотря на то, что согласно формуле изобретения в известном техническом решении есть указание, что диафрагма пространственного фильтра выполнена из не поглощающего лазерное излучение материала, этого признака в данной формулировке недостаточно для сохранения ее целостности, т.е. исходного состояния в течение длительного времени эксплуатации при прохождении через нее потока излучения высокой интенсивности (порядка 300-500 мДж в импульсах наносекундной длительности) через сечение (отверстие) диафрагмы диаметром 500 мкм или менее, что является характерным режимом работы такого класса лазеров.

При этом интенсивность усиленного лазерного пучка настолько высока, что при его фокусировке материал диафрагмы, не поглощающий лазерное излучение по механизму однофотонного поглощения (т.е. на длине волны лазера), как правило, является поглощающим в коротковолновом диапазоне спектра (гармоники основного излучения) по механизмам двух- и трехфотонного поглощения. Эти многофотонные поглощения материалом диафрагмы на дефектах его структуры и примесях в свою очередь приводят к возникновению резкого нелинейного поглощения излучения материалом диафрагмы пространственного фильтра на длине волны лазера и, как следствие, к ионизации и пробою этого материала.

В основу заявленного изобретения была положена задача создания такого пространственного фильтра для лазерного излучения, а также устройства для формирования лазерного излучения дифракционного качества (с использованием упомянутого фильтра), которые позволили бы расширить сферу их использования, а также в течение продолжительного, практически неограниченного периода эксплуатации позволили бы получать гладкое распределение интенсивности излучения в поперечном сечении лазерного пучка (например, в соответствии с кривой Гаусса) в результате эффективной фильтрации шумовых компонент лазерного пучка, возникающих в процессе его усиления.

Технический результат – уменьшение разрушающего воздействия фильтруемого излучения на материал диафрагмы вакуумного пространственного фильтра и повышение качественных характеристик отфильтрованного лазерного излучения путем:

– использования материала диафрагмы с определенными (технологически заданными) свойствами;

– профилирования канала отверстия диафрагмы с максимальным развитием поверхности, воспринимающей излучения большой мощности;

– использования высокого класса полировки профильной образующей поверхности отверстия диафрагмы;

и, как следствие, увеличение срока службы пространственного фильтра и устройства с его использованием в целом без ухудшения технологически заданных параметров качества отфильтрованного лазерного пучка в процессе практически неограниченного срока эксплуатации.

Технический результат в отношении объекта изобретения по п.1 формулы реализуется посредством того, что в пространственном фильтре для лазерного излучения, включающем два фокусирующих элемента и расположенную в области их фокальных плоскостей диафрагму, размещенную в вакуумированном корпусе и выполненную из не поглощающего лазерное излучение материала, согласно изобретению, диафрагма пространственного фильтра выполнена рефракционного типа с профилированным отверстием и изготовлена из материала, не поглощающего лазерное излучение по механизмам многофотонного (преимущественно двух- и трехфотонного) поглощения, т.е. в коротковолновом диапазоне спектра.

Оптимально, чтобы профиль отверстия в диафрагме пространственного фильтра был сформирован посредством двух сопряженных между собой зон, при этом зона отверстия, предназначенная для входа излучения меньшей мощности, имеет вид сферического сегмента, а зона, предназначенная для входа усиленного излучения, имеет вид конуса, причем упомянутое отверстие должно иметь наименьший диаметр в области сопряжения этих зон.

Целесообразно поверхности диафрагмы пространственного фильтра, воспринимающие фильтруемое излучение, выполнять полированными, с высоким классом чистоты.

Разумно в состав пространственного фильтра дополнительно включать две апертурные диафрагмы, каждая из которых должна быть размещена с внешней (относительно упомянутого вакуумированного корпуса диафрагмы) стороны соответствующего фокусирующего элемента.

Оптимально, чтобы наименьший диаметр отверстия в диафрагме пространственного фильтра соответствовал (преимущественно был равен) диаметру первой темной кольцевой зоны дифракционной картины фильтруемого лазерного пучка в области фокальной плоскости соответствующего фокусирующего элемента, возникающей в результате дифракции этого пучка на апертурной диафрагме, соответствующей этому фокусирующему элементу.

В качестве материала диафрагмы пространственного фильтра может быть использован, например, искусственно полученный УФ-материал – супрасил.

Вакуумированный корпус диафрагмы пространственного фильтра может быть выполнен, например, в виде стеклянной, герметично отпаянной трубки, к которой приклеены специальным вакуумным клеем оптические окна для прохода фильтруемого пучка лазерного излучения.

Фокусирующие элементы пространственного фильтра в оптимальном варианте исполнения могут быть функционально совмещены с оптическими окнами вакуумированного корпуса диафрагмы.

Технический результат в отношении объекта изобретения по п.9 формулы реализуется посредством того, что в устройстве для формирования лазерного излучения дифракционного качества, содержащем последовательно расположенные задающий генератор; расширитель генерируемого лазерного пучка; пространственный фильтр, организованный с возможностью осуществления фильтрации лазерного пучка при прямом и обратном проходе, включающий два фокусирующих элемента и расположенную в области их фокальных плоскостей диафрагму, которая размещена в вакуумированном корпусе и выполнена из не поглощающего лазерное излучение материала; двухпроходовый усилитель мощности излучения и обращающее волновой фронт нелинейное зеркало; а также оснащенном средством поляризационной развязки, включающим выводной поляризатор и вращатель плоскости поляризации лазерного пучка, согласно изобретению, диафрагма пространственного фильтра выполнена рефракционного типа с профилированным отверстием и изготовлена из материала, не поглощающего лазерное излучение по механизмам многофотонного (преимущественно двух- и трехфотонного) поглощения (т.е. в коротковолновом диапазоне спектра); при этом средство поляризационной развязки выполнено двухэлементным, один элемент которого (функционально являющийся выводным поляризатором) размещен между расширителем лазерного пучка и первым (относительно прямого прохода этого пучка) фокусирующим элементом пространственного фильтра, а другой элемент (функционально являющийся вращателем плоскости поляризации) размещен между двухпроходовым усилителем мощности излучения и обращающим волновой фронт лазерного пучка нелинейным зеркалом.

Оптимально, чтобы профиль отверстия в диафрагме пространственного фильтра был сформирован посредством двух сопряженных между собой зон, при этом зона отверстия, предназначенная для входа излучения меньшей мощности, формируемого задающим генератором, имеет вид сферического сегмента, а зона, предназначенная для входа усиленного излучения, имеет вид конуса, причем упомянутое отверстие должно иметь наименьший диаметр в области сопряжения этих зон.

Целесообразно поверхности диафрагмы пространственного фильтра, воспринимающие фильтруемое излучение, выполнять полированными, с высоким классом чистоты.

Разумно в состав пространственного фильтра дополнительно включать две апертурные диафрагмы, каждая из которых должна быть размещена с внешней (относительно упомянутого вакуумированного корпуса диафрагмы) стороны соответствующего фокусирующего элемента.

Оптимально, чтобы наименьший диаметр отверстия в диафрагме пространственного фильтра соответствовал (преимущественно был равен) диаметру первой темной кольцевой зоны дифракционной картины лазерного пучка в области фокальной плоскости соответствующего фокусирующего элемента, возникающей в результате дифракции этого пучка на апертурной диафрагме, соответствующей этому фокусирующему элементу.

В качестве материала диафрагмы пространственного фильтра может быть использован, например, искусственно полученный УФ-материал – супрасил.

Вакуумированный корпус диафрагмы пространственного фильтра может быть выполнен, например, в виде стеклянной, герметично отпаянной трубки, к которой приклеены вакуумным клеем оптические окна для прохода фильтруемого лазерного излучения.

Фокусирующие элементы пространственного фильтра в оптимальном варианте исполнения могут быть функционально совмещены с оптическими окнами вакуумированного корпуса диафрагмы.

Целесообразно в качестве задающего генератора лазерного излучения использовать одномодовый и одночастотный генератор.

Разумно в качестве рабочей среды в обращающем волновой фронт нелинейном зеркале использовать газовую среду, самовосстанавливающуюся после возможных ее пробоев, преимущественно одноатомный или двухатомный газ, например азот.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленных изобретений, позволил установить, что не обнаружены аналоги, характеризующиеся признаками и связями между ними, идентичными всем существенным признакам заявленных технических решений, а выбранный из выявленных аналогов прототип, как наиболее близкий по совокупности признаков аналог, позволил выявить совокупность существенных (по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату) отличительных признаков в заявленных объектах изобретения, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленные технические решения соответствуют условию патентоспособности «новизна» по действующему законодателству.

Для проверки соответствия заявленных изобретений требованию условия патентоспособности «изобретательский уровень» заявитель провел дополнительный поиск известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленных изобретений, результаты которого показывают, что заявленные изобретения не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленных изобретений преобразований на достижение усматриваемого заявителем технического результата.

В частности, заявленными изобретениями не предусматриваются следующие преобразования известных объектов-прототипов:

– дополнение известного объекта каким-либо известным признаком, присоединяемым к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений;

– замена какого-либо признака известного объекта другим известным признаком для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;

– исключение какого-либо признака известного объекта с одновременным исключением обусловленной наличием этого признака функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата;

– увеличение количества однотипных признаков в известном объекте для усиления технического результата, обусловленного наличием в объекте именно таких признаков;

– выполнение известного объекта или его части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами материала;

– создание объекта, включающего известные признаки, выбор которых и связь между ними осуществлены на основании известных правил, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами признаков этого объекта и связей между ними.

Следовательно, заявленные изобретения соответствует требованию условия патентоспособности «изобретательский уровень» по действующему законодательству.

Изобретения поясняются графическими материалами.

Фиг.1 – общая схема устройства для получения лазерного излучения дифракционного качества с использованием заявленного вакуумного пространственного фильтра.

Фиг.2 – общая схема вакуумного пространственного фильтра (продольный разрез).

Структурно-конструктивные элементы заявленных устройств обозначены нижеуказанными позициями.

1 – генератор (задающий лазерного излучения).

2 – пучок (лазерный, формируемый задающим генератором 1).

3 – расширитель (лазерного пучка 2).

4 – поляризатор (выводной средства поляризационной развязки).

5 – вращатель (плоскости поляризации лазерного пучка 2 средства поляризационной развязки).

6 – фильтр (вакуумный пространственный).

7 – диафрагма (вакуумного пространственного фильтра 6).

8 и 9 – элементы (фокусирующие, например линзовые, вакуумного пространственного фильтра 6).

10 – усилитель (мощности лазерного излучения).

11 – зеркало (нелинейное, обращающее волновой фронт лазерного пучка 2).

12 и 13 – диафрагмы (апертурные пространственного фильтра 6).

14 – корпус (вакуумированный диафрагмы 7 пространственного фильтра 6).

15 и 16 – окна (оптические корпуса 14).

17 – зона (отверстия в диафрагме 7, выполненная в виде сферического сегмента).

18 – зона (отверстия в диафрагме 7, выполненная в виде конуса).

19 – компонента (угловая фильтруемого лазерного пучка 2, выходящая в фокальной плоскости фокусирующего элемента 9 за пределы площади пятна Эйри).

20 – пучок (лазерный дифракционного качества, площадь поперечного сечения которого в фокальной плоскости фокусирующего элемента 9 соответствует площади пятна Эйри).

Пространственный фильтр 6 для лазерного излучения (преимущественно большой мощности) включает два фокусирующих элемента 8, 9 и расположенную в области их фокальных плоскостей диафрагму 7, размещенную в вакуумированном корпусе 14 и выполненную из не поглощающего лазерное излучение материала. Диафрагма 7 пространственного фильтра 6 выполнена рефракционного типа с профилированным отверстием и изготовлена из материала, не поглощающего лазерное излучение по механизмам многофотонного (преимущественно двух- и трехфотонного) поглощения (т.е. в коротковолновом диапазоне спектра).

Выполнение диафрагмы 7 пространственного фильтра 6 не поглощающей лазерное излучение в коротковолновом диапазоне спектра высших гармоник основного излучения по механизмам многофотонного (например, двух- и трехфотонного) поглощения позволяет повысить надежность оптической системы за счет обеспечения возможности работы диафрагмы 6 в неразрушающем, технологически заданном режиме практически неограниченное время.

Оптимально, чтобы профиль отверстия в диафрагме 7 пространственного фильтра 6 был сформирован посредством двух сопряженных между собой зон 17 и 18. При этом зона 17 отверстия (предназначенная для входа излучения меньшей по отношению к усиленному излучению мощности) имеет вид сферического сегмента, а зона 18 (предназначенная для входа усиленного излучения) имеет вид конуса. Причем упомянутое отверстие диафрагмы 7 должно иметь наименьший диаметр в области сопряжения этих зон 17 и 18.

Целесообразно поверхности диафрагмы 7 пространственного фильтра 6, воспринимающие фильтруемое излучение, выполнять полированными, с высоким классом чистоты.

Разумно в состав пространственного фильтра 6 дополнительно включать две апертурные диафрагмы 12 и 13, каждая из которых должна быть размещена с внешней (относительно упомянутого вакуумированного корпуса 14 диафрагмы 7) стороны собственного фокусирующего элемента 8 и 9, соответственно.

Оптимально, чтобы наименьший диаметр отверстия в диафрагме 7 пространственного фильтра 6 соответствовал (преимущественно был равен) диаметру первой темной кольцевой зоны дифракционной картины фильтруемого лазерного пучка 2 в области фокальной плоскости соответствующего фокусирующего элемента 8, возникающей в результате дифракции этого пучка 2 на апертурной диафрагме 12, соответствующей фокусирующему элементу 8.

В качестве материала диафрагмы 7 пространственного фильтра 6 может быть использован, например, искусственно полученный УФ-материал – супрасил.

Вакуумированный корпус 14 диафрагмы 7 пространственного фильтра 6 может быть выполнен, например, в виде стеклянной, герметично отпаянной трубки, к которой приклеены специальным вакуумным клеем оптические окна 15 и 16 для прохода фильтруемого пучка 2 лазерного излучения. Выполнение пространственного фильтра 6 вакуумным (т.е. корпуса 14 вакуумированным) позволяет избежать пробоя воздуха фильтруемым лазерным пучком 2 в зоне его фокусировки.

Фокусирующие элементы 8 и 9 пространственного фильтра 6 в оптимальном варианте исполнения могут быть функционально совмещены с оптическими окнами 15 и 16 вакуумированного корпуса 14 диафрагмы 7.

Устройство для формирования потока лазерного излучения дифракционного качества содержит последовательно расположенные:

задающий генератор 1 лазерного излучения; расширитель 3 генерируемого лазерного пучка 2; пространственный фильтр 6 (организованный с возможностью осуществления фильтрации лазерного пучка 2 при его прямом и обратном проходе), включающий два фокусирующих элемента 8 и 9 и расположенную в области их фокальных плоскостей диафрагму 7, которая размещена в вакуумированном корпусе 14 и выполнена из непоглощающего лазерное излучение материала; двухпроходовый усилитель 10 мощности лазерного излучения и обращающее волновой фронт лазерного пучка 2 нелинейное зеркало 11. Кроме того, устройство оснащено средством поляризационной развязки, включающим выводной поляризатор 4 и вращатель 5 плоскости поляризации лазерного пучка 2. Диафрагма 7 пространственного фильтра 6 выполнена рефракционного типа с профилированным отверстием и изготовлена из материала, не поглощающего лазерное излучение по механизмам многофотонного (преимущественно двух- и трехфотонного) поглощения (т.е. в коротковолновом диапазоне спектра). При этом средство поляризационной развязки выполнено двухэлементным, один элемент которого (функционально являющийся выводным поляризатором 4) размещен между расширителем 3 лазерного пучка 2 и первым (относительно прямого прохода этого пучка 2) фокусирующим элементом 8 пространственного фильтра 6, а другой элемент (функционально являющийся вращателем 5 плоскости поляризации лазерного пучка 2) размещен между двухпроходовым усилителем 10 мощности излучения и обращающим волновой фронт лазерного пучка 2 нелинейным зеркалом 11.

Оптимально, чтобы профиль отверстия в диафрагме 7 пространственного фильтра 6 был сформирован посредством двух сопряженных между собой зон 17 и 18. При этом зона 17 отверстия (предназначенная для входа излучения формируемого задающим генератором 1, т.е., меньшей мощности, по отношению к усиленному излучению с обращенным волновым фронтом) имеет вид сферического сегмента, а зона 18 (предназначенная для входа усиленного излучения с обращенным волновым фронтом) имеет вид конуса. Причем упомянутое отверстие диафрагмы 7 должно иметь наименьший диаметр в области сопряжения этих зон 17 и 18.

Целесообразно поверхности диафрагмы 7 пространственного фильтра 6, воспринимающие фильтруемое излучение, выполнять полированными, с высоким классом чистоты.

Разумно в состав пространственного фильтра 6 дополнительно включать две апертурные диафрагмы 12 и 13, каждая из которых должна быть размещена с внешней (относительно упомянутого вакуумированного корпуса 14 диафрагмы 7) стороны собственного фокусирующего элемента 8 и 9, соответственно.

Оптимально, чтобы наименьший диаметр отверстия в диафрагме 7 пространственного фильтра 6 соответствовал (преимущественно был равен) диаметру первой темной кольцевой зоны дифракционной картины лазерного пучка 2 в области фокальной плоскости соответствующего фокусирующего элемента 8, возникающей в результате дифракции этого пучка 2 на апертурной диафрагме 12, соответствующей этому фокусирующему элементу 8.

В качестве материала диафрагмы 7 пространственного фильтра 6 может быть использован, например, искусственно полученный УФ-материал – супрасил.

Вакуумированный корпус 14 диафрагмы 7 пространственного фильтра 6 может быть выполнен, например, в виде стеклянной герметично отпаянной трубки, к которой приклеены специальным вакуумным клеем оптические окна 15 и 16 для прохода фильтруемого лазерного излучения.

Фокусирующие элементы 8 и 9 пространственного фильтра 6 в оптимальном варианте исполнения могут быть функционально совмещены с оптическими окнами 15 и 16 вакуумированного корпуса 14 диафрагмы 7.

Целесообразно в качестве задающего генератора 1 лазерного излучения использовать одномодовый и одночастотный генератор.

Разумно в качестве рабочей среды в обращающем волновой фронт лазерного пучка 2 нелинейном зеркале 11 использовать газовую среду, самовосстанавливающуюся после возможных ее пробоев, преимущественно одноатомный или двухатомный газ, например азот.

Принцип работы заявленных устройств для фильтрации лазерного излучения и получения лазерного излучения дифракционного качества с физической точки зрения заключается в следующем.

В процессе работы последовательно осуществляют: посредством лазерного генератора 1 формирование пучка 2 лазерного излучения; увеличение площади поперечного сечения этого пучка 2 (посредством расширителя 3, выполненного, например, в виде телескопа), после чего пропускают пучок 2 через апертурную диафрагму 12 и первый элемент (выводной поляризатор 4) средства поляризационной развязки. Далее осуществляют первичную пространственную фильтрацию пучка 2 лазерного излучения посредством пространственного фильтра 6 и через апертурную диафрагму 13 отфильтрованную часть пучка 2 направляют в двухпроходовый усилитель 10 мощности излучения для первичного усиления. После первичного усиления пучок 2 лазерного излучения через вращатель 5 плоскости поляризации этого пучка 2 (например, вращатель Фарадея) направляют на обращающее волновой фронт пучка 2 нелинейное зеркало 11. Увеличение площади поперечного сечения пучка 2 лазерного излучения необходимо осуществлять, во-первых, для того, чтобы исключить оптическое разрушение выводного поляризатора 4 средства поляризационной развязки за счет снижения плотности энергии в пучке 2, а во-вторых, с целью повышения коэффициента полезного действия усилителя 10, поскольку широкоапертурный пучок 2 лазерного излучения позволяет в большем объеме использовать энергию активной среды упомянутого усилителя 10 мощности. Пространственную фильтрацию пучка 2 лазерного излучения последовательно проводят в двухпроходовом режиме (посредством двухпроходового пространственного фильтра 6 с диафрагмой 7). То есть после прохождения пучком 2 лазерного излучения выводного поляризатора 4 средства поляризационной развязки – при прямом проходе этого пучка 2, и на выходе из упомянутого усилителя 10 мощности пучка 2 с обращенным (посредством упомянутого зеркала 11) волновым фронтом, при его обратном проходе. После отражения выводным поляризатором 4 поляризационной развязки усиленного и пространственно отфильтрованного пучка 2 лазерного излучения сформированный пучок 2 лазерного излучения дифракционного качества направляют в «технологическую зону».

Фильтрация углового спектра лазерного пучка 2 с помощью диафрагмы 7 рефракционного типа с профилированным отверстием осуществляется с использованием явления рефракции лучей лазерного пучка 2 при его прохождении через материал диафрагмы 7. Данное явление может возникнуть лишь в профилированом отверстии диафрагмы 7. Рефракция используется для вывода за апертуру соответствующего фокусирующего элемента 8 (выполненного, например, в виде линзы) всех угловых компонент 19 фильтруемого лазерного излучения, выходящих за пределы площади пятна Эйри в фокальной области фокусирующего элемента 9.

Предложенную диафрагму 7 можно рассматривать как крутую отрицательную линзу с коническим отверстием в центре, которая работает следующим образом. Пучок 20 лазерного излучения дифракционного качества, т.е. часть фильтруемого дважды усиленного пучка 2 лазерного излучения, соответствующая нулевому порядку дифракции на апертурной диафрагме 13 (т.е. пятну Эйри), после фокусировки проходит через отверстие диафрагмы 7 пространственного фильтра 6 и попадает в апертуру соответствующего фокусирующего элемента 8. Далее, поскольку плоскость поляризации (посредством вращателя 5 плоскости поляризации) повернута на 90 градусов относительно исходной плоскости поляризации, пучок 20 лазерного излучения отражается от выводного поляризатора 4 и направляется в технологическую зону. Остальная часть (компонента 19) пучка 2 усиленного лазерного излучения (кроме вышерассмотренной части, соответствующей пучку 20 лазерного излучения нулевого порядка дифракции усиленного пучка 2) попадает на коническую поверхность отверстия в диафрагме 7 и рефрактивно отклоняется от оси пучка 2. Далее эта часть, соответствующая компоненте 19 фильтруемого излучения (однократно отклоненная от оси пучка 2), еще раз рефрактивно отклоняется от упомянутой оси на выходе из сферической поверхности (ограничивающей соответствующую зону 17 отверстия в диафрагме 7 пространственного фильтра 6) и круто расходящимся пучком проходит вне зоны апертуры соответствующего фокусирующего элемента 8 (см. фиг.2).

При прямом проходе пучка 2 лазерного излучения (через поляризатор 4 средства поляризационной развязки, пространственный фильтр 6, усилитель 10 мощности, вращатель 5 плоскости поляризации лазерного пучка 2 средства поляризационной развязки и обращающее волновой фронт зеркало 11) происходит следующая трансформация пучка 2 лазерного излучения.

После поляризатора 4 средства поляризационной развязки и пространственного фильтра 6 пучок 2 лазерного излучения входит в усилитель 10 мощности. В усилителе 10 одновременно с усилением происходит термооптическое искажение волнового фронта пучка 2. После отражения от обращающего волновой фронт нелинейного зеркала 11 упомянутый пучок 2 приобретает волновой фронт, обращенный по отношению к падающему. Вторичное прохождение пучка 2 лазерного излучения с обращенным волновым фронтом через усилитель 10 мощности приводит к тому, что пучок 2 дополнительно усиливается и искажения волнового фронта в нем происходят такие, которые компенсируют искажения волнового фронта этого пучка 2 в усилителе 10 мощности при первичном прохождении, т.е. при прямом проходе. В результате такого двойного прохода усилителя 10 мощности с отражением от обращающего волновой фронт нелинейного зеркала 11 усилитель 10 только усиливает пучок 2 лазерного излучения, теоретически не искажая его.

Однако, практически, обращение волнового фронта пучка 2 лазерного излучения в обращающем волновой фронт зеркале 11 происходит не идеально. При таком отражении всегда появляются шумовые компоненты, которые затем не компенсируются при вторичном проходе лазерного пучка 2 через усилитель 10. Поэтому вторичная фильтрация усиленного пучка 2 лазерного излучения необходима для получения упомянутого пучка 2 с гладким распределением интенсивности по сечению этого пучка 2, т.е. для получения пучка 20 лазерного излучения дифракционного качества. При этом фильтруются лишь шумовые компоненты 19 фильтруемого пучка 2 лазерного излучения, так как основная часть этого пучка 2 (ограниченная пятном Эйри и соответствующая пучку 20) проходит через диафрагму 7 без потерь мощности благодаря эффекту обращения волнового фронта. Этот эффект автоматически обеспечивает подстройку отраженного от обращающего волновой фронт зеркала 11 пучка 2 лазерного излучения под исходное положение диафрагмы 7 двухпроходового пространственного фильтра 6.

Таким образом, заявленные технические решения могут быть широко использованы в области лазерной техники и лазерных технологий. Преимущественная промышленная реализация осуществляется в тех случаях, когда технологически используемый лазерный пучок должен обладать минимально возможной расходимостью или гладким распределением интенсивности излучения в поперечном сечении пучка. Такие параметры лазерного пучка важны, в частности для прецизионной лазерной микрообработки различных материалов, в том числе хрупких; в офтальмохирургии; а также в тех случаях, когда пучок лазерного излучения используется для накачки других лазеров или для преобразования излучения в высшие гармоники и т.п.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленных технических решений следующей совокупности условий:

– объекты, воплощающие заявленные технические решения, при их осуществлении предназначены для использования в различных отраслях промышленности, преимущественно для обеспечения прецизионных режимов лазерной обработки;

– для заявленных объектов в том виде, как они охарактеризованы в независимых пунктах нижеизложенной формулы, подтверждена возможность их осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;

– объекты, воплощающие заявленные технические решения, при их осуществлении способны обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленные объекты соответствует требованию условия патентоспособности «промышленная применимость» по действующему законодательству.

Формула изобретения

1. Пространственный фильтр для лазерного излучения, включающий два фокусирующих элемента и расположенную в области их фокальных плоскостей диафрагму, размещенную в вакуумированном корпусе и выполненную из непоглощающего лазерное излучение материала, отличающийся тем, что диафрагма пространственного фильтра выполнена рефракционного типа с профилированным отверстием и изготовлена из материала, непоглощающего лазерное излучение по механизмам многофотонного поглощения.

2. Пространственный фильтр по п.1, отличающийся тем, что профиль отверстия в его диафрагме сформирован посредством двух сопряженных между собой зон, при этом зона отверстия, предназначенная для входа излучения меньшей мощности, имеет вид сферического сегмента, а зона, предназначенная для входа усиленного излучения, имеет вид конуса, причем упомянутое отверстие имеет наименьший диаметр в области сопряжения этих зон.

3. Пространственный фильтр п.1, отличающийся тем, что поверхности его диафрагмы, воспринимающие фильтруемое излучение, выполнены полированными.

4. Пространственный фильтр по п.1, отличающийся тем, что в его состав дополнительно включены две апертурные диафрагмы, каждая из которых размещена с внешней, относительно упомянутого вакуумированного корпуса, стороны соответствующего фокусирующего элемента.

5. Пространственный фильтр по п.4, отличающийся тем, что наименьший диаметр отверстия в его диафрагме соответствует, преимущественно, равен, диаметру первой темной кольцевой зоны дифракционной картины фильтруемого лазерного пучка в области фокальной плоскости соответствующего фокусирующего элемента, возникающей в результате дифракции этого пучка на апертурной диафрагме, соответствующей этому фокусирующему элементу.

6. Пространственный фильтр по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала его диафрагмы использован искусственно полученный УФ-материал – супрасил.

7. Пространственный фильтр по п.1, отличающийся тем, что вакуумированный корпус его диафрагмы выполнен в виде стеклянной трубки, к которой приклеены вакуумным клеем оптические окна для прохода фильтруемого пучка лазерного излучения.

8. Пространственный фильтр по п.7, отличающийся тем, что его фокусирующие элементы функционально совмещены с оптическими окнами вакуумированного корпуса диафрагмы.

9. Устройство для формирования лазерного излучения дифракционного качества, содержащее последовательно расположенные задающий генератор излучения; расширитель генерируемого лазерного пучка; пространственный фильтр, организованный с возможностью осуществления фильтрации лазерного пучка при прямом и обратном проходе, включающий два фокусирующих элемента и расположенную в области их фокальных плоскостей диафрагму, размещенную в вакуумированном корпусе и выполненную из непоглощающего лазерное излучение материала; двухпроходовый усилитель мощности и обращающее волновой фронт нелинейное зеркало; а также оснащенное средством поляризационной развязки, включающим выводной поляризатор и вращатель плоскости поляризации лазерного пучка, отличающееся тем, что диафрагма пространственного фильтра выполнена рефракционного типа с профилированным отверстием и изготовлена из материала, непоглощающего лазерное излучение по механизмам многофотонного поглощения, при этом средство поляризационной развязки выполнено двухэлементным, один элемент которого, функционально являющийся выводным поляризатором, размещен между расширителем лазерного пучка и первым, относительно прямого прохода этого пучка, фокусирующим элементом пространственного фильтра, а другой элемент, функционально являющийся вращателем плоскости поляризации, размещен между двухпроходовым усилителем мощности излучения и обращающим волновой фронт лазерного пучка нелинейным зеркалом.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что профиль отверстия в диафрагме пространственного фильтра сформирован посредством двух сопряженных между собой зон, при этом зона отверстия, предназначенная для входа излучения меньшей мощности, формируемого задающим генератором, имеет вид сферического сегмента, а зона, предназначенная для входа усиленного излучения, имеет вид конуса, причем упомянутое отверстие имеет наименьший диаметр в области сопряжения этих зон.

11. Устройство п.9, отличающееся тем, что поверхности диафрагмы пространственного фильтра, воспринимающие фильтруемое излучение, выполнены полированными.

12. Устройство п.9, отличающееся тем, что в состав пространственного фильтра дополнительно включены две апертурные диафрагмы, одна из которых размещена между расширителем лазерного пучка и выводным поляризатором, а другая – между вторым, относительно прямого хода лазерного пучка, фокусирующим элементом пространственного фильтра и двухпроходовым усилителем мощности.

13. Устройство п.12, отличающееся тем, что наименьший диаметр отверстия в диафрагме пространственного фильтра соответствует, преимущественно, равен, диаметру первой темной кольцевой зоны дифракционной картины лазерного пучка в области фокальной плоскости соответствующего фокусирующего элемента, возникающей в результате дифракции этого пучка на апертурной диафрагме, соответствующей этому фокусирующему элементу.

14. Устройство п.9, отличающееся тем, что в качестве материала диафрагмы пространственного фильтра использован искусственно полученный УФ-материал – супрасил.

15. Устройство п.9, отличающееся тем, что вакуумированный корпус диафрагмы пространственного фильтра выполнен в виде стеклянной трубки, к которой приклеены вакуумным клеем оптические окна для прохода фильтруемого излучения.

16. Устройство п.15, отличающееся тем, что фокусирующие элементы пространственного фильтра функционально совмещены с оптическими окнами вакуумированного корпуса диафрагмы.

17. Устройство по п.9, отличающееся тем, что задающий генератор лазерного излучения выполнен одномодовым и одночастотным.

18. Устройство по п.9, отличающееся тем, что в качестве рабочей среды в обращающем волновой фронт нелинейном зеркале использована газовая среда, самовосстанавливающаяся после возможных ее пробоев, преимущественно, одноатомный или двухатомный газ, например, азот.

РИСУНКИ