ИМПУЛЬСНЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 1995 года по МПК H01S3/10 

Изобретение относится к лазерной технике, предназначенной для обработки металлов: резки, сварки, пробивки отверстий, гравирования и других видов обработки.

Известны импульсные лазеры, способы осуществления импульсного лазерного излучения, которые обеспечиваются с помощью источников электропитания импульсной накачки, например импульсные лазеры типа "Квант-9", "Квант-10", "Квант-20" и т.д. [1].

Недостатком этих лазеров и способов осуществления импульсного лазерного излучения является то, что частота импульсного режима низкая, не превышает 180 Гц, срок службы газоразрядных ламп накачки не более 100 ч. При импульсной токовой накачке для СО₂-лазеров также резко снижается ресурс работы катодных и анодных блоков.

Известны также импульсные лазеры и способы получения импульсного лазерного излучения с помощью оптических и акустооптических затворов [2].

Недостатком этих устройств и способов получения импульсного лазерного излучения является то, что они могут использоваться для лазеров с небольшой выходной мощностью, несколько ватт. Для лазеров в сотни ватт оптические и акустооптические затворы не рассчитаны. Кроме того, в промежутках между импульсами генерация либо обрывается, либо излучение отклоняют, что также приводит к прекращению генерации, т.е. в обоих случаях происходят потери мощности илучения.

В качестве прототипа выбирается известное устройство - импульсный лазер, включающий резонатор с проходным и непроходным зеркалами, одно из которых вращается вокруг оси, перпендикулярной оси резонатора, и создающий импульсный режим за счет периодического прерывания генерации лазерного излучения [2].

Генерация лазерного излучения в указанном лазере возникает периодически в момент, когда поверхность вращающегося зеркала оказывается перпендикулярной генерируемому лучу. При отклонении поверхности одного из зеркал резонатора от перпендикуляра генерация прекращается. За каждый оборот зеркала генерируются два импульса лазерного излучения.

Основным недостатком указанного импульсного лазера является то, что за счет прерывания процесса генерации снижается КПД лазера, т.е. в момент паузы накачка лазера происходит, затрачивается энергия, а генерация излучения отсутствует. Выделялемое избыточное тепло утилизируется за счет принудительнго охлаждения.

Второй недостаток заключается в том, что для осуществления высокочастотного импульсного режима генерации необходимо обеспечить очень высокие обороты вращения зеркала, что технически выполнить не всегда возможно из-за отсутствия высокооборотных электродвигателей.

Третьим недостатком указанного импульсного лазера является то, что рассмотренный принцип получения импульсного режима возможен только для маломощных лазеров. Это объясняется тем, что генерация при отклонении зеркала не исчезает мгновенно, а уменьшается, так как в самом начале генерируемый луч имеет незначительное угловое отклонение от оси резонатора и частично попадает на противоположное зеркало резонатора. В случае большой мощности излучения этот перекос может вызвать мгновенный локальный перегрев и разрушение активного элемента или пригары каких-либо деталей, расположенных вблизи оси резонатора.

Целью изобретения является повышение КПД импульсного лазера, увеличение энергии импульсов, расширение диапазонов частот импульсного режима.

Цель достигается тем, что в импульсном лазере, содержащем активный элемент, расположенный вдоль оптической оси резонатора, образованного глухим зеркалом и выходным зеркалом, связанным со средством его вращения, выходное зеркало резонатора выполнено из прозрачного материала с расположенными по кругу чередующимися участками с различной степенью прозрачности от непрозрачных до полностью прозрачных, насажено на ось, расположенную параллельно оси резонатора со смещением относительно последней на величину, превышающую диаметр генерируемого пучка излучения, и установлено перпендикулярно оптической оси резонатора. При этом рабочая поверхность проходного зеркала, взаимодействующая с генерируемым пучком, перпендикулярна последнему и состоит из чередующихся участков с большей или меньшей отражающей способностью в пределах от непрозрачного до полностью прозрачного. Проходное зеркало на рабочей поверхности может иметь отверстия или вырезы, чередующиеся с участками, обеспечивающими необходимую отражающую способность. Для получения положительного эффекта проходное зеркало вращают в плоскости, перпендикулярной генерируемому пучку.

Повышение КПД и энергии импульсов импульсного лазера по сравнению с прототипом достигается за счет накопления внутренней энергии резонатора в момент, когда излучение пучка частично или полностью заперто внутри резонатора. Это происходит в тот момент, когда участок проходного зеркала, взаимодействующий с генерируемым пучком света, имеет достаточно высокую или полную отражающую способность лазерного излучения, т.е. выход пучка из резонатора через проходное зеркало резко ограничен или полностью перекрыт.

Расширение диапазона частот по сравнению с прототипом достигается не только скоростью вращения (как в прототипе), но и диаметром зеркала и количеством чередующихся участков на рабочей поверхности зеркала с большей или меньшей отражающей способностью.

Т.е. для обеспечения той же частоты импульсов, что и у прототипа, скорость вращения зеркала может быть уменьшена в несколько раз. И наоборот, при той же скорости вращения частота импульсов возрастет также в несколько раз.

На фиг.1 изображена схема импульсного лазера; на фиг.2-4 изображены типы проходных вращающихся зеркал, поверхность которых по периметру состоит из чередующихся участков, отличных по форме соответственно с большей или меньшей отражающей способностью; на фиг.5 и 6 изображены проходные вращающиеся зеркала, на рабочей поверхности которых имеются отверстия или вырезы, чередующиеся с участками с частичной или полной отражающей способностью.

Лазер содержит резонатор 1, включающий непроходное зеркало 2, активную среду 3, в которой усиливается генерируемый пучок 4 света, проходное зеркало 5 способно вращаться относительно оси 6, которая установлена параллельно оптической оси резонатора 7. Рабочая поверхность проходного вращающегося зеркала 5, взаимодействующая с генерируемым пучком 4, перпендикулярна последнему и по периметру состоит из чередующихся участков 8 и 9 соответственно с большей или меньшей отражающей способностью.

Импульсный лазер работает следующим образом.

Пучок света усиливается в активной среде 3, помещенной в резонатор 1, и испытывает периодические отражения от зеркал 2 и 5. Зеркало 2 непрозрачное, поэтому полностью отражает световой пучок 4 генерируемого излучения.

Вращающееся проходное зеркало 5 имеет по периметру участки с большей или меньшей отражающей способностью в пределах от непрозрачного до полностью прозрачного. Например, участки вращающегося зеркала 5 в виде отверстий 10 (фиг.5) или вырезов 11 (фиг.6) полностью прозрачны для лазерного пучка. Там, где стекло, прозрачность рабочих участков зеркала будет зависеть от состава и плотности покрытия, нанесенного на эти участки, т.е. рабочие участки в этом случае могут быть от полностью непрозрачных до различной степени прозрачных и обладать различной отражающей способностью.

При последовательном взаимодействии генерируемого пучка 4 с участками менее или более прозрачными 8 и 9 за счет вращения зеркала 5, часть энергии, накорпленной в резонаторе, испускается в виде импульсов 12 света, покидая пределы резонатора. При этом, чем выше прозрачность участка 9 зеркала 5, тем более мощный импульс накопленной энергии испускается. Чем меньше прозрачность участка 8 зеркала 5, тем больше энергии накапливается в резонаторе для последующего импульса лазерного излучения. Частота следования импульсов зависит от количества чередующихся участков 8 и 9 и скорости вращения зеркала 5.

Предлагаемый импульсный лазер и способ получения импульсного режима по сравнению с прототипом будут иметь примерно в 2 раза более высокий КПД за счет исключения потерь энергии накачки в промежутках между импульсами.

Мощность импульсов при той же частоте повысится также примерно в 2 раза, что позволит увеличить толщину обрабатываемого материала.

Увеличение частоты импульсного режима лазера позволит улучшить качественные показатели обработки материалов, а также увеличить скорость обработки.

Использование: изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в устройствах для обработки металлов: резки, сварки, пробивки отверстий, гравирования и других видов обработки. Сущность изобретения: в импульсном лазере выходное зеркало резонатора выполнено из прозрачного материала с расположенными по кругу чередующимися участками с различной степенью прозрачности от непрозрачных участков до полностью прозрачных, насажено на ось, расположенную со смещением относительно оси резонатора, перпендикулярно оптической оси резонатора. 6 ил.

ИМПУЛЬСНЫЙ ЛАЗЕР, содержащий активный элемент, расположенный вдоль оптической оси резонатора, образованного глухим зеркалом и выходным зеркалом, связанным со средством его вращения, отличающийся тем, что выходное зеркало резонатора выполнено из прозрачного материала с расположенными по кругу чередующимися участками с различной степенью прозрачности от непрозрачных до полностью прозрачных, насажено на ось, расположенную параллельно оси резонатора, со смещением относительно последней на величину, превышающую диаметр генерируемого пучка излучения, и установлено перпендикулярно к оптической оси резонатора.