МОЩНЫЙ ВОЛНОВОДНЫЙ ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 1996 года по МПК H01S3/08 

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при разработке технологических лазеров, применяемых для сварки, резки, термообработки различных материалов, маркировки изделий и т.д.

Известен волноводный СО₂-лазер с диффузионным охлаждением [1] представляющий собой набор параллельно расположенных волноводных трубок с общей для всех системой охлаждения, заключенных между двумя плоскими зеркалами, образующими общий для всех волноводов резонатор. Такие лазеры обладают высокой компактностью при достаточно большой мощности (1-2 кВт на метр длины лазерной головки).

Однако, излучение в каждой волноводной трубке в такой конструкции формируется независимо друг от друга, в результате чего общая расходимость излучения такого лазера определяется небольшим внутренним диаметром волноводной трубки, а значит, достаточно велика (3-5 мрад), что при достаточно большой апертуре выходного луча не позволяет обеспечить острую его фокусировку и тем самым ограничивает область применения таких лазеров в технологии.

Известна конструкция газового лазера [2] позволяющая получить излучение хорошего качества, где используется компактная система зеркал для последовательного обхода излучением ряда параллельно расположенных каналов с активной средой.

Однако использование лазеров такой конструкции при большой мощности излучения вызывает значительные трудности из-за увеличения лучевой нагрузки на оптические элементы лазера. Ограничение по мощности связано с ограниченной теплолучевой стойкостью выходного окна лазера, а также разъюстировкой лазера в результате термодеформации зеркал и соответственно, увеличением внутрирезонаторных потерь.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявленному устройству является конструкция мощного СО₂-лазера [3] содержащая задающий генератор, устройство согласования генератора и усилителя, который представляет собой параллельно расположенные волноводные трубки с активной средой, и систему зеркал вблизи торцов трубок, обеспечивающую последовательный обход лучом всех трубок, одно из зеркал усилителя выполнено частично пропускающим и служит для ввода излучения от задающего генератора в усилитель и одновременно выполняет выходного окна лазера.

Известная конструкция представляет собой кольцевой лазер, работающий в режиме инжекционного захвата и усиления излучения задающего генератора.

Как известно, мощность, снимаемая с единицы длины активного элемента с диффузионным охлаждением активной среды, ограничивается величиной ≈50-70 Вт/м.

Увеличения мощности можно добиться, увеличивая длину разрядных трубок, что приводит к увеличению габаритов лазера и резкому возрастанию требований к точности подстройки частоты задающего генератора к частоте усилителя при одновременном возрастании технических сложностей для осуществления такой подстройки. В результате длина активных элементов ограничена величиной ≈ 1 м, а снимаемая мощность величиной ≈ 100 Bт.

Замена каждой из волноводных трубок на пакет из нескольких трубок принципиально позволяет получить увеличение выходной мощности.

Однако для технической реализации этого подхода необходимы эффективное устройство согласования генератора с входом многоканального усилителя, выравнивание с необходимой точностью оптических длин всех каналов, защита оптических элементов лазера от чрезмерных термодеформаций, возникающих в связи с увеличением апертуры излучения и его мощности, а также формирование однолепесткового распределения излучения в дальней зоне.

Решая указанные выше задачи, предлагаемый лазер при небольших габаритах позволяет получить мощное излучение высокого качества, что является техническим результатом настоящего изобретения.

Указанный технический результат достигается тем, что в мощном газовом лазере, содержащем оптически связанные задающий генератор, устройство согласования, усилитель, образованный параллельно расположенными трубками с активной средой и системой зеркал, обеспечивающей последовательный обход лучом всех трубок, а также выходное окно для вывода излучения, усилитель выполнен однопроходным и многоканальным, содержащим несколько параллельных пакетов волноводных трубок, где волноводные трубки собраны в пакеты по n трубок в каждом и образуют внутри пакета периодическую решетку с направляющими векторами b₁ и b₂ и углом Φ между ними, зеркала усилителя выполнены сегментированными на общей охлаждаемой подложке, с числом сегментов k≅n, устройство согласования помимо расширяющей телескопической системы содержит телескопическую систему из двух отражающих зеркал с заданным рельефом поверхностей, выходное окно, установленное под углом Брюстера к направлению излучения, представляет собой сборку прозрачной для излучения пластины, расположенной между двумя металлическими охлаждаемыми пластинами с отверстиями, соответствующими геометрии излучения, введен блок сужения диаграммы направленности выходящего из усилителя излучения, представляющий собой телескопическую систему, обратную устройству согласования.

Указанный технический результат достигается тем, что в мощном газовом лазере, содержащем оптически связанные задающий генератор, устройство согласования, усилитель, образованный параллельно расположенными волноводными трубками с активной средой и системой зеркал, обеспечивающей последовательный обход лучом всех трубок, и выходное окно, усилитель выполнен однопроходным и многоканальным, где волноводные трубки собраны в пакеты по n трубок в каждом и образуют в пакете периодическую решетку с направляющими векторами b₁ и b₂ и углом v между ними, зеркала усилителя выполнены сегментированными на общей охлаждающей подложке с числом сегментов k≅n, выходное окно, установленное под углом Брюстера к направлению излучения, представляет собой сборку прозрачной для излучения пластины, расположенной между двумя металлическими охлаждаемыми пластинами с отверстиями, соответствующими геометрии излучения. Задающий генератор представляет собой многоканальный лазер с такой же геометрией газоразрядных элементов, как в пакете усилителя, блок согласования образован одним или двумя плоскими зеркалами, введен блок сужения диаграммы направленности, представляющий собой телескопическую систему двух сферических зеркал, одно из которых установлено в плоскости слияния апертур отдельных пучков излучения, выходящего из усилителя и имеет на своей поверхности рельеф, представляющий собой набор микролинз.

Указанный технический результат достигается тем, что в мощном газовом лазере, содержащем оптически связанные задающий генератор, устройство согласования, усилитель, образованный параллельно расположенными волноводными трубками с активной средой, системой зеркал, обеспечивающей последовательный обход лучом всех трубок, и выходное окно, усилитель выполнен однопроходным и многоканальным, где волноводные трубки собраны в пакеты по n трубок в каждом и образуют в пакете периодическую решетку с направляющими векторами b₁ и b₂ и углом v между ними, зеркала усилителя выполнены сегментированными на общей охлаждающей подложке с числом сегментов k≅n введен блок синхронизации излучения задающего генератора.

Задающий генератор представляет собой многоканальный лазер с такой же геометрией газоразрядных элементов, как в пакете усилителя, устройство согласования образовано одним или двумя плоскими зеркалами, выходное окно представляет собой сборку прозрачной для излучения пластины, расположенной между двумя металлическими охлаждаемыми пластинами с отверстиями, соответствующими геометрии излучения, также введен блок сужения диаграммы направленности, представляющий собой телескопическую систему из двух сферических отражающих зеркал, которые имеют заданный рельеф поверхности.

Предложенные варианты мощного газового лазера поясняются конкретными примерами выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых: фиг.1 блок-схема лазера по п. 1, где 1 задающий генератор, 2 блок согласования, 3 входное окно, 4 пакет волноводных трубок, 5 система плоских зеркал усилителя, 6 - выходное окно, 7 блок сужения диаграммы направленности; фиг.2 один из вариантов выполнения усилителя; фиг. З блок сужения диаграммы направленности; фиг.4 конструкция сегментированного зеркала усилителя; фиг.5 конструкция выходного окна; фиг.6 блок схема лазера по п.2 и п.З.

Патентуемый волноводный газовый лазер (фиг.1) содержит генератор излучения 1, оптически связанный с помощью устройства согласования 2 через входное окно 3 с усилителем этого излучения, который образован набором нескольких пакетов волноводных трубок 4, изготовленных, например, из кварцевого стекла, и системой зеркал, включающей в себя плоские зеркала 5, установленные попарно с торцов волноводных трубок под углом 90^o друг к другу в каждой паре, обеспечивая, таким образом, последовательное прохождение луча электромагнитного излучения от задающего генератора по всем пакетам волноводных трубок усилителя. Причем число пакетов так же, как и число трубок в них, определяется уровнем требуемой мощности, а однопроходное усиление на порядок снижает требование к точности выравнивания оптических длин всех каналов. Ход лучей электромагнитного излучения в такой системе показан стрелкой А. На выходе из последней трубки пакета усилителя установлено выходное окно 6, блок, сужающий диаграмму направленности 7.

На фиг.2 показан другой конструктивный вариант выполнения усилителя. Такой вариант расположения пакетов требует меньшего количества поворотных зеркал, что снижает потери излучения при отражении и уменьшает разброс оптических длин отдельных пучков, вызванный погрешностями при изготовлении и термодеформации зеркал.

На фиг. За показан блок сужения диаграммы направленности, в котором на поверхности зеркал 8 и 9, составляющих внеосевую телескопическую систему, нанесены фазовые рельефы, глубины которых определяются по формуле

Первое зеркало установлено от торца по ходу луча пакета на расстоянии L, равном

где радиус-вектор в плоскости установки зеркала,
фаза комплексной амплитуды синхронизированного излучения, падающего на зеркало,
λ длина волны излучения,
w₀ радиус перетяжки гаусового пучка описывающего с точностью 98% основную волноводную моду в каналах усилителя,
расстояние между осями ближайших трубок в пакете,
образующие векторы периодической решетки упаковки трубок,
d диаметр трубки.

На таком расстоянии L апертуры отдельных каналов касаются друг друга, и, вытравив на первом зеркале 8 напротив каждой трубки в пакете набор микролинз с диаметром b и радиусом кривизны, равным

можно сделать так, чтобы в плоскости зеркала 8 после прохождения фазового корректора излучение каждого канала имело плоскую фазу и ту же гаусову форму амплитуды, но с w = 0,322 b.
При условии, что f₈ и f₉ удовлетворяют соотношению /

где α числовой параметр, определяемый из условия наиболее равномерного распределения интенсивности излучения в плоскости первого по ходу луча зеркала 9 и равный 0,22-0,25 в случае гексогональной упаковки с , и Φ = 60⁰,


в плоскости второго зеркала 9 формируется наиболее равномерное распределение интенсивности поля излучения, так что, вытравив на нем фазовый корректор, выравнивающий фазу до плоской, можно обеспечить примерно 98% содержания энергии в центральном лепестке диаграммы направленности.

Устройство согласования (фиг.Зб) помимо расширяющей апертуру излучения задающего генератора телескопической системы сферических зеркал 7 также содержит внеосевую телескопическую систему из двух отражающих сферических зеркал 8 и 9 с таким же рельефом поверхности, как в описанном выше блоке сужения диаграммы направленности (созданным, например, методом фотолитографического травления).

Вследствие обратимости законов распространения электромагнитного излучения через линейные оптические элементы при прохождении излучения одноканального генератора через блок согласования (фиг.Зб), обратный блоку сужения диаграммы направленности (блок согласования это блок сужения, проходимый излучением в обратном направлении) происходит эффективное преобразование излучения одноканального генератора в многопучковую структуру, согласованную с входом многоканального усилителя.

На фиг.4 представлено схематичное изображение возможной конструкции сегментированного зеркала, где на общей охлаждающей подложке 10, выполненной из материала с малым коэффициентом линейного расширения, например инвара, имеющей полости для подачи охлаждающей жидкости 11, монтируемой с помощью соединительных элементов 12, установлены медные зеркала 13.

Так как известно, что термодеформации поверхности медного зеркала при его охлаждении с тыльной стороны составляют примерно 1 мкм на 100 Вт поглощенной мощности и слабо зависят от его размеров, то число сегментов k определяется требованиями допустимой расфазировки оптических длин отдельных пучков в зависимости от мощности излучения, падающего на это зеркало (расфазировка оптических длин отдельных пучков не должна превышать ±λ/10).

Такая конструкция поворотных зеркал усилителя, увеличивая теплолучевую стойкость зеркал, при воздействии излучения большой мощности исключает разъюстировку зеркал, связанную с их термодеформацией, обеспечивает необходимую точность выравнивания оптических длин каналов, повышая качественные характеристики излучения.

На фиг.5 представлено схематичное изображение конструкции выходного окна, где прозрачная для излучения пластина 14, выполненная, например, из цинк-селена (Zn-Se), расположена между двумя металлическими охлаждаемыми пластинами 15 с отверстиями 16, соответствующими геометрии периодической структуры трубок в пакете. Вся сборка жестко закреплена в установочном узле корпуса лазера, обеспечивающем отвод тепла от пластин сборки. Такая конструкция окна обеспечивает снижение термических напряжений из-за равномерного охлаждения поверхности, увеличивая стойкость окна и, кроме того, выравнивая температурный рельеф в материале прозрачной пластины, устраняет расфазировку отдельных пучков из-за наличия зависимости коэффициента преломления от температуры, тем самым улучшая качественные показатели выходного излучения лазера.

Второй и третий варианты выполнения мощного лазера (рис.6) предполагают использование в качестве задающего генератора 1 многоканального лазера с геометрией газоразрядных элементов, идентичной пакету элементов усилителя (возможно использование одного из пакетов усилителя в качестве генератора излучения). Этот рисунок также демонстрирует возможность использования в предлагаемой конструкции компактной системы поворотных зеркал 2 в генераторе 1 и в усилителе 5 [2] которую можно эффективно использовать при небольшом числе волноводов в пакете.

Если задающий генератор работает в сфазированном режиме генерации всех каналов, что обеспечивается введением в схему лазера блока синхронизации 8 [4] то устройство 7, сужающее диаграмму направленности, представляет собой телескопическую систему зеркал, идентичную 1 варианту лазера (фиг.За), а устройство согласования генератора с усилителем образовано плоскими зеркалами 5.

При работе генератора в несфазированном режиме блок, сужающий диаграмму направленности, выполнен аналогично блоку, изображенному на рис.3а, отличающийся тем, что поверхность второго по ходу луча зеркала не имеет рельеф и становится необязательным требование на связь фокусных расстояний зеркал между собой. Выходное окно 6 имеет конструкцию, аналогичную изображенной на фиг.5.

Патентуемый лазер работает следующим образом.

Излучение от задающего генератора 1, представляющего собой волноводный СО₂-лазер, после прохождения устройства согласования 2 по пути, указанному на фиг. 1 стрелкой А, попадает через входное окно 3 на вход усилителя. В усилителе с помощью системы зеркал 5, установленных попарно с торцов пакетов волноводных трубок 4 под углом 90^o друг к другу, в каждой паре обеспечиваются последовательный обход излучением всех указанных пакетов волноводных трубок по пути, указанному стрелками А, и съем энергии из рабочей смеси газов, находящейся в них. Далее излучение через сборку выходного окна 6 попадает на вход блока сужения диафрагмы направленности, где происходит корректировка фазового фронта излучения и формирование однолепесткового распределения интенсивности излучения.

Максимальная мощность, которую обеспечивает заявляемая конструкция, вычисляется из выражения
P_max = P_нng₀L/γ,
здесь P_max максимальная выходная мощность,
Р_н мощность насыщения в отдельном канале,
n число трубок в пакете,
g₀ коэффициент усиления слабого сигнала,
L длина одного пакета,
γ потери излучения при переходе из одной трубки в другую.

Потери g складываются из потерь на отражение от зеркал, потерь на согласование волноводных мод при переходе из одной трубки в другую, волноводных потерь, возникающих при распространении вдоль одной волноводной трубки. Например, для волноводных СО₂-лазеров при коэффициенте отражения зеркал h≥99,5%, определенном выборе геометрических параметров волноводных трубок и плотности их упаковки в предлагаемой конструкции величина этих потерь γ может быть ≅2% что при стандартных для волноводных лазеров значениях Р_н≈50 Вт, g₀≈1м^-1 и длине одной волноводной трубки в пакете L≈2м позволяет получить предельную мощность ≈n•5 кВт, где n число трубок в пакете. При обеспечении достаточно высокой эффективности съема энергии в усилителе, величина которой определяется выражением

где Р_вых мощность выходного излучения, m число пакетов волноводных трубок, остальные обозначения аналогичны приведенным выше, максимальная выходная мощность при L≈2 м снижается до 3 кВт (при этом μ ≥ 0,6). При увеличении длины L до 4 м выходная мощность может быть увеличена до ≈n•(5-6) кВт. Работа лазера в вариантах 2 и 3 аналогична описанному случаю.

Таким образом, заявляемый мощный газовый лазер обеспечивает большой диапазон мощностей ≈n•(0,1-5) кВт при сохранении хорошего качества излучениям, возможность работать в различных режимах: непрерывный, импульсно-периодический, с перестраиваемой частотой излучения(при использовании задающего генератора, работающего в соответствующем режиме). Отсутствие необходимости использования дорогостоящих материалов и применения сложных технологий при его изготовлении обеспечивает его низкую себестоимость, в то время как достаточно высокие эксплуатационные характеристики позволяют использовать лазеры заявляемой конструкции практически во всех областях, где применение излучения газовых лазеров дает экономический эффект, например лазерная резка металлов, сварка, перфорация отверстий, термообработка, маркировка изделий и т.д.

Список использованной литературы
1. Патент Франции N 2108912, Н О1 S 3/00.

2. Заявка РСТ О 89/10642, Н 01 S 3/081, 1989.

3. Квантовая электроника, т.18, N 1, 1991, с.23.

4. Квантовая электроника, т.17, N 11, 1990, c.1462-1463. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4

Использование: в квантовой электронике, в частности в устройствах многолучевых газовых лазеров. Сущность изобретения: в лазере, содержащем одно- или многоканальный задающий генератор, согласующий блок излучения генератора с входом усилителя, усилитель образован параллельно расположенными пакетами волноводных трубок по n трубок в каждом, образующих в пакете периодическую решетку, и системой сегментированных зеркал, обеспечивающих последовательный обход излучением всех пакетов усилителя. Выходное окно усилителя, расположенное под углом Брюстера к излучению, представляет собой сборку прозрачной для излучения пластины и двух охлаждаемых металлических пластин с отверстиями, соответствующими геометрии расположения трубок в пакете. В конструкцию лазера введен блок сужения диаграммы направленности, представляющий собой телескопическую систему сферических зеркал с заданным рельефом поверхности, причем рельеф определяется видом использованного генератора. При использовании одноканального генератора либо многоканального с блоком синхронизации глубины рельефов определяются соотношениями, приведенными в описании изобретения. Блок согласования одноканального генератора с многоканальным усилителем содержит телескопическую систему зеркал, но проходимую излучением задающего генератора в обратном направлении. При независимой генерации излучения в каждом из каналов многоканального генератора телескопическая система установлена в плоскости слияния апертур отдельных пучков излучения, а рельеф определяет собой набор микролинз с диаметром и радиусом кривизны, определяемыми из соотношений, приведенных в описании изобретения. 3 с. п. ф-лы, 6 ил.

1. Мощный волноводный газовый лазер, содержащий оптически связанные задающий генератор, блок согласования генератора со входом усилителя, образованного параллельно расположенными волноводными трубками с активной средой и системой плоских зеркал, расположенных в торцах волноводных трубок, и выходное окно, отличающийся тем, что усилитель содержит пакеты волноводных трубок из n трубок, которые образуют в каждом из пакетов периодическую решетку с направляющими векторами и и углом Φ между ними зеркала выполнены сегментированными на общей подложке с числом сегментов k не более числа трубок в пакете; блок согласования содержит внеосевую телескопическую систему из двух отражающих зеркал с заданным рельефом поверхности, глубина которого определяется из выражения

расстояние от последнего по ходу луча зеркала до входа усилителя определяется выражением

а соотношение фокусных расстояний зеркал

выходное окно, установленное под углом Брюстера к направлению излучения, представляет собой сборку прозрачной для излучения пластины, которая расположена между двумя металлическими пластинами с отверстиями, соответствующими геометрии трубок в пакете усилителя; на выходе лазера введен блок сужения диаграммы направленности, представляющий собой телескопическую систему, обратную блоку согласования,
где
фаза, которую имела бы комплексная амплитуда сфазированного излучения усилителя в плоскости соответствующего зеркала устройства согласования при прохождении этого устройства в направлении, обратном направлению прохождения излучения задающего генератора;
радиус-вектор в плоскости соответствующего зеркала;
λ-- длина волны излучения;
b период упаковки волноводных трубок в пакете;
d внутренний диаметр волноводных трубок;
ω_o 0,322d радиус перетяжки гаусового пучка, описывающего с точностью 98% основную волноводную моду в каналах усилители;
f₉, f₈ фокусные расстояния телескопической системы устройства согласования;

a числовой параметр, определяемый из условия наиболее равномерного распределения интенсивности излучения в плоскости первого по ходу луча зеркала и равный 0,22-0,25 в случае гексагональной упаковки с b и Φ 60°. 2. Мощный волноводный газовый лазер, содержащий оптически связанные задающий генератор, блок согласования с входом усилителя излучения, образованного параллельно расположенными волноводными трубками с активной средой, и системой плоских зеркал, расположенных в торцах волноводных трубок, выходное окно, отличающийся тем, что усилитель содержит пакеты волноводных трубок из n трубок, которые образуют в каждом из пакетов периодическую решетку с направляющими векторами и и углом Φ между ними зеркала выполнены сегментированными на общей подложке с числом сегментов k не более числа трубок в пакете; выходное окно, установленное под углом Брюстера к направлению излучения, представляет собой сборку прозрачной для излучения пластины, которая расположена между двумя металлическими пластинами с отверстиями, соответствующими геометрии трубок в пакете усилителя, задающий генератор представляет собой многоканальный лазер с такой же геометрией газоразрядных элементов, как и в пакете усилителя; блок согласования образован одним или двумя плоскими зеркалами; на выходе лазера также содержится блок сужения диаграммы направленности, представляющий собой телескопическую систему из двух сферических зеркал, одно из которых установлено в плоскости слияния апертур отдельных пучков излучения, выходящего из усилителя и имеет на своей поверхности рельеф, представляющий собой набор микролинз с радиусом, определяемым соотношением

где

λ- длина волны излучения;
0,322d радиус перетяжки гаусового пучка, описывающего с точностью 98% основную волноводную моду в каналах усилителя;
b= = расстояние между осями ближайших трубок в пакете;
образующие вектора периодической решетки упаковки трубок; d - диаметр трубки. 3. Мощный волноводный газовый лазер, содержащий оптически связанные задающий генератор, блок согласования с входом усилителя излучения, образованного параллельно расположенными волноводными трубками с активной средой и системой плоских зеркал, расположенных в торцах волноводных трубок, и выходное окно, отличающийся тем, что усилитель содержит пакеты волноводных трубок из n трубок, которые образуют в каждом из пакетов периодическую решетку с направляющими векторами и Φ между ними, зеркала выполнены сегментированными на общей подложке с числом сегментов k не более числа трубок в пакете, выходное окно, установленное под углом Брюстера к направлению излучения, представляет собой сборку прозрачной для излучения пластины, которая расположена между двумя металлическими пластинами с отверстиями, соответствующими геометрии трубок в пакете усилителя, задающий генератор представляет собой многоканальный лазер с такой же геометрией газоразрядных элементов, как и в пакете усилителя, блок согласования образован одним или двумя плоскими зеркалами; также введены блок синхронизации излучения генератора и блок сужения диаграммы направленности излучения на выходе лазера, представляющий собой телескопическую систему из двух сферических отражающих зеркал с заданным рельефом поверхности, глубина которого определяется из выражения

расстояние от первого по ходу луча зеркала до выхода из усилителя

а соотношение фокусных расстояний зеркал

где
фаза комплексной амплитуды сфазированного излучения усилителя в плоскости соответствующего зеркала блока сужения диаграммы направленности излучения;
радиус-вектор в плоскости соответствующего зеркала;
λ- длина волны излучения;
b период упаковки волноводных трубок в пакете;
d внутренний диаметр волноводных трубок;
ω_o 0,322d радиус перетяжки гаусового пучка, описывающего с точностью 98% основную волноводную моду в каналах усилителя; f₉, f₈ фокусные расстояния телескопической системы устройства согласования;

a числовой параметр, определяемый из условия наиболее равномерного распределения интенсивности излучения в плоскости первого по ходу луча зеркала и равный 0,22-0,25 в случае гексагональной упаковки с b и Φ 60°.