ОПТИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР МОЩНОГО ЛАЗЕРА Российский патент 1995 года по МПК H01S3/08 

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к лазерной резке, сварке и термообработке материалов и к оптическим резонаторам лазеров. Изобретение может быть использовано при создании технологических СО₂, СО и других типов лазеров с выходной мощностью 1-100 кВт.

В качестве аналога выбран однопроходный, пятизеркальный резонатор с вращением поля [1]. Этот резонатор образован двумя уголковыми отражателями, ребра которых выставлены взаимно перпендикулярно друг другу, причем каждые две пары вогнутого и выпуклого цилиндрических зеркал образуют неустойчивый резонатор с различными коэффициентами увеличения в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, а вывод излучения обеспечивается плоским зеркалом с вырезом.

Недостатки этого резонатора следующие. Поскольку ось резонатора проходит через ребра отражателя, составленные из металлических зеркал, что коэффициент отражения их в этой зоне существенно меньше, что связано с потерями на щелях и плохим качеством оптических поверхностей на краях зеркал; имеются однопроходность схемы и неполное заполнение активной среды излучением. Допустимый угол разъюстировки зеркал и уголковых отражателей (УО) составляет 1,5-2 угл.с.

Первые два фактора приводят к низкой эффективности резонатора, а третий при больших углах уходов зеркал в УО вызывает появление нескольких мод в выходном излучении, а следовательно, приводит к увеличению расходимости.

Прототипом и наиболее близким по оптической схеме к заявляемому резонатору является резонатор [2] , предназначенный для использования активных сред типа твердотельных лазерных элементов или газовых разрядных трубок в видимом диапазоне или ближнем ИК-диапазоне, где можно применять стеклянную оптику. Он состоит из двух двугранных призм с отражающими боковыми гранями, установленных так, что ребра их взаимно перпендикулярны. Из четырех проходов оптической оси на одном размещено двустороннее зеркало, одна отражающая грань которого выпуклая, другая - вогнутая, а с двух сторон его оптический затвор и селектор мод. На втором проходе размещены активный лазерный элемент и выводное зеркало, а оптическая ось резонатора представляет собой ломаную замкнутую линию из отрезков прямых, проходящих под углом 45^о к боковым граням призм.

Этот резонатор применить в полном или частичном объеме для мощных технологических лазеров дальнего ИК-диапазона 5-11 мкм невозможно по следующим причинам.

Призмы из ИК-материалов не выдерживают больших лучевых нагрузок, тем более при частичном поглощении излучения. В данной оптической схеме невозможно съюстировать резонатор без дополнительных оптических клиньев из ИК-материалов и необходимо разделить выходное и заднее зеркала.

Наличие оптических элементов из ИК-оптики внутри резонатора приводит к значительным потерям излучения, уменьшению его эффективности и увеличению расходимости за счет оптических искажений в элементах. Оптическая схема сильно чувствительна к разъюстировке выпукло-вогнутого зеркала относительно призмы.

Целью изобретения является увеличение выходной мощности излучения при одновременном уменьшении его расходимости и увеличении надежности и ресурса работы, а кроме того, для обеспечения уменьшения чувствительности оптической схемы и конструкции резонатора к внешним аккустическим и динамическим воздействиям.

На фиг. 1 показана оптическая схема неустойчивого резонатора.

Резонатор содержит выходное выпуклое зеркало 1, глухое вогнутое зеркало 2, плоские зеркала 3-6 показаны: направление потока активной среды 7, форма выходного пучка излучения 8, положение оптических осей 9. Плоские зеркала 3, 4 составляют малый уголковый отражатель (МУО), а зеркала 5, 6 - большой уголковый отражатель (БУО). Зеркала имеют прямоугольную форму, причем отражающие поверхности плоских зеркал в МУО и БУО расположены взаимно перпендикулярно. Оптическая ось резонатора проходит от выходного зеркала 1 к плоским зеркалам БУО 5, 6, затем к плоским зеркалам МУО 3, 4, потом снова к зеркалам БУО 6, 5 и к глухому зеркалу 2. При этом зеркала 1, 2 и МУО находятся в одном блоке по одну сторону активной среды, а БУО находятся во втором блоке по другую сторону активной среды. Вся оптическая область в плоскости, перпендикулярной оптической оси делится на 4 прямоугольные области с помощью диафрагмы. Оптическая ось размещается в плане поперечного сечения пучков в любом из углов прямоугольной области, а выходной пучок имеет форму прямоугольника с вырезанным углом, что позволяет по сравнению с симметричным расположением оптической оси в центре области уменьшить дифракционный предел расходимости излучения в 2-2,5 раза и исключить появление второй оси генерации излучения при разъюстировке. Для этой оптической схемы угловой уход оптической оси при разъюстировке - блоков зеркал друг относительно друга не зависит от коэффициента увеличения резонатора и в одной плоскости равен углу разъюстировки блоков зеркал, а в другой плоскости только в 3 раза его превышает. Переворот пучка излучения после каждого прохода по активной среде позволяет уменьшить влияние макрооптических неоднородностей на расходимость излучения и уменьшить неравномерность интенсивности в пучке.

Большое количество проходов оптической оси на активной среде позволяет увеличить эффективность резонатора при коэффициенте увеличения 1,5-2.

Оптическая схема такого резонатора показана на фиг.2. В этой схеме размещение и количество зеркал аналогично показанной на фиг.1, за исключением того, что отражающие поверхности зеркал 1-4 имеют цилиндрическую форму, причем выходное и одно из зеркал МУО - выпуклую, а глухое и другое зеркала МУО - вогнутую. Оптическая ось размещается у середины боковой стороны зеркал, а вывод излучения осуществляется мимо боковой стороны выходного зеркала в виде прямоугольника. Образующие цилиндрических поверхностей зеркал 1, 2 параллельны между собой и перпендикулярны образующим цилиндрических поверхностей зеркал МУО 3, 4. Этот резонатор в плоскости ZOY является устойчивым, в плоскости XOY неустойчивым и угловой уход оптической оси при разъюстировке блоков зеркал друг относительно друга в обеих плоскостях не зависит от коэффициента увеличения и равен углу разъюстировки блоков зеркал.

Оптические схемы резонатора для характерных размеров активной среде вдоль оптической оси обеспечивают следующие характеристики.

Допустимый угловой уход блоков зеркал друг относительно друга в предположении изменения мощности излучения ± 10% составляет ± 5-7 угл.мин; дополнительный вклад в расходимость излучения колебаний блоков зеркал ≈ 0,05 мрад; дополнительный вклад в расходимость за счет колебаний зеркал в блоках ≈ 0,1 мрад.

Схема конструкции резонатора применительно к газоразрядному лазеру приведена на фиг. 3, 4, где показаны зеркала 1-6 юстировочные узлы 10, диафрагмы 11, кронштейны 12, плиты 13 каркасной конструкции, трубы 14 каркасной конструкции, подставка 15 и основание 16 каркасной конструкции, газодинамический контур лазера 17, корпус газоразрядной камеры 18, проставки резонаторных камер 19, крышки резонаторных камер 20, сильфоны 21, регулируемые по высоте опоры 22, выходное окно 23, автоматическая шторка 24.

Каркасная часть конструкции резонатора, на которой крепятся кронштейны с юстировочными узлами и зеркалами, устанавливается через подставку на собственное основание и регулируемые по высоте опоры. Трубы каркасной конструкции "развязаны" от камер резонатора с помощью сильфонов, которые одновременно обеспечивают герметичность резонаторных камер. Перед обоими блоками зеркал устанавливаются диафрагмы, которые делят оптическую область резонатора на 4 прямоугольных участка. Кроме того, перед блоком зеркал БУО устанавливается автоматическая шторка. К корпусу разрядной камеры газодинамического тракта лазера крепятся жестко проставки, к которым, в свою очередь, - крышки боковых камер резонатора. В одной из крышек напротив выходного зеркала устанавливается выводное окно из ИК-материала. Проставки предназначены для размещения на них проходных штуцеров системы охлаждения и электроразъемы.

Юстировочный узел показан на фиг.5. Он состоит из подвижного вкладыша 25, корпуса 26, четырех специальных болтов 27, четырех гаек 28, сфероконусных шайб 29. В корпусе имеется сферическое углубление, в котором скользит вкладыш при попеременном затягивании и отпускании обеих пар противоположно размещенных болтов с гайками. Корпус пристыковывается к кронштейну, а к вкладышу - тремя болтами, через сфероконусные шайбы закрепляется зеркало. В центре юстировочного узла имеется отверстие для вывода штуцеров охлаждения зеркала.

Демпфирующее устройство показано на фиг.6 и включает в себя металлические накладки 30, аммортизаторы 31, защитные экраны 32, упорные болты 33. Аммортизатор делается из резины и может представлять собой отрезок вакуумного шланга. Устройства устанавливаются с боковых сторон зеркала и с помощью упорных болтов, накладок прижимают к нему амортизаторы.

Они воспринимают на себя часть массы зеркала, уменьшают амплитуду колебаний, не искажая оптической поверхности. Экраны защищают аммортизаторы от рассеянного излучения.

Предлагаемый резонатор существенно улучшает следующие характеристики мощного ТЛ: увеличивает эффективность преобразования запасной колебательной энергии и излучение; уменьшает расходимость излучения; уменьшает чувствительность зеркал к разъюстировке; уменьшает влияние внешних акустических, динамических, климатических воздействий на эксплуатационные характеристики ТЛ; вывод излучения в виде прямоугольника с вырезанным углом позволяет получить минимальный дифракционный предел расходимости и при использовании цилиндрической оптики осуществить поверхностное упрочнение материалов с помощью прямоугольной полоски излучения с равномерной интенсивностью в ней; неравномерность распределения интенсивности излучения в сечении выходного пучка не превышает 20-30% ; допустимый угловой развал блоков зеркал друг относительно друга, при котором мощность излучения уменьшается не более чем на 10%, 5-7 угл.мин; допустимый угловой уход зеркал в блоках от начального съюстированного положения, при котором мощность уменьшается не более чем на 10% , 10-15 угл. с.; при разъюстировке зеркал резонатора оптическая схема исключает образование двух оптических осей генерации излучения, а остается только одна. Каркасная конструкция резонатора обеспечивает развязку кронштейнов с юстировочными узлами и зеркалами от газодинамического контура ТЛ; развал блоков зеркал друг относительно друга во время эксплуатации - не более 30 угл.с.; угловой узел зеркал внутри блоков от начального съюстированного положения во время эксплуатации - не более ±3 угл.с.; стабильность выставки зеркал без подъюстировки в течение нескольких месяцев эксплуатации ТЛ; юстировочные узлы имеют диапазон угловых подвижек ± 3^о и чувствительность ± 3 угл.с. при одновременной контровке, при этом усилие стяжки подвижной части относительно неподвижной после контровки составляет от нескольких сот до тысячи кг; демпфирующее устройство уменьшает амплитуду колебаний зеркал.

Использование: изобретение относится к лазерной технике. Сущность изобретения: в оптическом резонаторе в одном блоке зеркал размещены выходное выпуклое, глухое вогнутое со сферическими поверхностями и два плоских зеркала, другом - два плоских зеркала, нижняя рама каркасной конструкции установлена на основании и одним концом закреплена жестко, а другим - с возможностью перемещения. Основание размещено на регулируемых опорах, перемычки с помощью сильфонов отделены от стенок камер, а юстировочный узел каждого зеркала содержит корпус, имеющий в центре сферическое углубление с отверстием, в котором установлен сферический выступ вкладыша с закрепленным на нем в трех точках зеркалом. 2 с.п. ф-лы, 6 ил.

1. ОПТИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР МОЩНОГО ЛАЗЕРА, включающий два блока зеркал с юстировочными узлами, содержащими регулирующие элементы, кронштейнами, диафрагмами, установленных в камерах с крышками и закрепленных на каркасной конструкции, выполненной в виде двух плит, соединенных рамами, а также выходное окно с инфракрасной пластиной, устройство охлаждения с коллекторами раздачи и слива хладагента, отличающийся тем, что, с целью увеличения выходной мощности излучения при одновременном уменьшении его расходимости и увеличении надежности и ресурса работы, в одном блоке зеркал размещены выходное выпуклое, глухое вогнутое зеркала со сферическими отражающими поверхностями и два плоских зеркала, образующих первый уголковый отражатель с взаимно перпендикулярными отражающими поверхностями, а в другом блоке - два плоских зеркала, образующих второй уголковый отражатель, ребра обоих уголковых отражателей взаимно перпендикулярны, причем выпуклое выходное зеркало и вогнутое глухое зеркало оптически связаны друг с другом через зеркала первого и второго уголковых отражателей, при этом нижняя рама каркасной конструкции установлена на основании и одним концом закреплена жестко, другим - с возможностью перемещения, основание размещено на регулируемых по высоте опорах, перемычки, соединяющие плиты каркасной конструкции с рамами, отделены с помощью сильфонов от стенок камер, при этом юстировочный узел каждого зеркала содержит корпус, имеющий в центре сферическое углубление с отверстием, в котором установлен сферический выступ вкладыша, с закрепленными на нем в трех точках зеркалом, а с боковых сторон зеркал установлены демпфирующие устройства. 2. Оптический резонатор мощного лазера, включающий два блока зеркал с юстировочными узлами, содержащими регулирующие элементы, кронштейнами, диафрагмами, установленных в камерах с крышками и закрепленных по каркасной конструкции, выполненной в виде двух плит, соединенных рамами, а также выходное окно с инфракрасной пластиной и устройство охлаждения с коллекторами раздачи и слива хладагента, отличающийся тем, что, с целью увеличения выходной мощности излучения при одновременном уменьшении его расходимости и увеличении надежности и ресурса работы, в одном блоке зеркал выходное и одно из зеркал первого уголкового отражателя имеют выпуклую, а глухое и другое зеркало первого уголкового отражателя имеют вогнутые цилиндрические поверхности, причем образующие цилиндрических отражающих поверхностей первого уголкового отражателя параллельны его ребру, а касательные плоскости к ним по линии пересечения в ребре взаимно перпендикулярны, образующие цилиндрических отражающих поверхностей выходного и глухого зеркал перпендикулярны ребру первого уголкового отражателя, при этом нижняя рама каркасной конструкции установлена на основании и одним концом закреплена жестко, другим - с возможностью перемещения, основание размещено на регулируемых по высоте опорах, перемычки, соединяющие плиты каркасной конструкции с рамами отделены с помощью сильфонов от стенок камер, при этом юстировочный узел каждого зеркала содержит корпус, имеющий в центре сферическое углубление с отверстием, в котором установлен сферический выступ вкладыша с закрепленными на нем в трех точках зеркалом, а с боковых сторон зеркал установлены демпфирующие устройства.