ВЫХОДНОЕ ОКНО Российский патент 1996 года по МПК H01S3/08 

Выходное окно относится к лазерной технике, в частности к элементам газовых лазеров, и предназначено для вывода лазерного излучения из герметичного (вакуумного) объема лазера.

Известно выходное окно, содержащее проходную пластину из прозрачного для лазерного излучения материала [1] Зеркала резонатора расположены в лазере до выходного окна. При использовании в лазере неустойчивого телескопического резонатора элементы крепления и охлаждения выпуклого (выходного) зеркала резонатора, находящегося перед выходным окном, попадают в проходящий вокруг этого зеркала лазерный пучок, выходящий через выходное окно из лазера. Это уменьшает мощность и ухудшает расходимость лазерного излучения.

Известен резонатор, содержащий проходной оптический элемент, в виде линзы с приклеенным к ней зеркалом [2] Недостатком такого закрепления является невозможность юстировки зеркала относительно проходного оптического элемента и отсутствие возможности его охлаждения.

Известен неустойчивый телескопический резонатор, содержащий проходной оптический элемент в виде пластины с приклеенным к нему зеркалом [3] Недостатком такого закрепления является невозможность юстировки зеркала относительно пластины и отсутствие возможности его охлаждения.

Известна менисковая камера телескопа, содержащая проходной оптический элемент в виде мениска с закрепленной на нем камерой Шмидта [4] Мениск содержит отверстие, в котором гайкой закреплен болт, на конец которого навинчивается камера Шмидта. Недостатком такого закрепления является то, что камера Шмидта может юстироваться только со стороны главного зеркала телескопа.

Известно выходное окно, содержащее проходной оптический элемент и закрепленное на нем зеркало [5] Недостатком этого выходного окна является невозможность юстировки зеркала относительно проходного оптического элемента и отсутствие возможности охлаждения зеркала.

Известно закрепление зеркала на проходном оптическом элементе, содержащем отверстие [6] прототип. Оправа зеркала содержит резьбовой стержень, проходящий через отверстие в проходном оптическом элементе, с другой стороны которого на резьбовой стержень навернута гайка. Недостатком такого закрепления является отсутствие юстировки зеркала относительно проходного оптического элемента, герметичности и отсутствие возможности охлаждения зеркала.

Сущность изобретения заключается в том, что выходное окно, содержащее проходной оптический элемент с отверстием и зеркало, имеет закрепленный в отверстии проходного оптического элемента корпус, содержащий центральное отверстие.

Центральное отверстие в корпусе позволяет разместить в нем юстируемый элемент.

Корпус герметично соединен с проходным оптическим элементом.

Уплотняющая прокладка расположена между корпусом и проходным оптическим элементом с противоположной от зеркала стороны проходного оптического элемента и прижимается частично за счет атмосферного давления, действующего на корпус в сторону зеркала, находящегося в вакуумном объеме и частично гайкой, навернутой на корпус со стороны зеркала. Герметичность соединения позволяет сохранить химический состав газовой среды, находящейся со стороны зеркала, а также разность давлений газовых сред, находящихся с разных сторон от проходного оптического элемента.

На корпусе с противоположной от зеркала стороны проходного оптического элемента закреплен цилиндр, диаметр которого меньше диаметра зеркала с установленными на нем юстировочными винтами.

При этом цилиндр не препятствует распространению лазерного пучка, проходящего вокруг зеркала через проходной оптический элемент. Длина цилиндра позволяет создать большое плечо между центром шарнирного закрепления зеркала и юстировочными винтами, с помощью которых зеркало юстируется (поворачивается).

В отверстии корпуса расположен несущий стержень, который передней частью связан с зеркалом, а задней частью находится в контакте с юстировочными винтами и герметично соединен с сильфоном, который в свою очередь герметично соединен с корпусом, между зеркалом и соединением с сильфоном, несущий стержень шарнирно соединен с корпусом.

Сильфонное соединение герметично и позволяет несущему стержню поворачиваться с помощью юстировочных винтов относительно центра шарнирного соединения и, таким образом, юстировать зеркало.

Сущность технического решения заключается также в том, что зеркало с тыльной стороны имеет глухое центральное отверстие.

Глухое центральное отверстие не нарушает отражающей поверхности зеркала и позволяет образовать связь между зеркалом и несущим стержнем.

Зеркало с тыльной стороны имеет сферическую поверхность, которая образует шарнирное соединение с соответствующей ей сферической поверхностью, выполненной на корпусе, при этом центры сферических поверхностей совпадают с центром шарнирного соединения несущего стержня с корпусом.

Поскольку сферические поверхности имеют один центр, то угловое смещение стержня в шарнирном соединении с корпусом обеспечивает такое же угловое смещение зеркала по сферической поверхности корпуса. При этом шарнирная поверхность несущего стержня атмосферным давлением и упругим натяжением сильфона прижата к шарнирной поверхности корпуса, чем и обеспечивается их точное взаимное расположение.

Передняя часть несущего стержня входит в глухое центральное отверстие зеркала.

Расположение несущего стержня по скользящей посадке в отверстии зеркала позволяет юстировать зеркало с помощью угловых наклонов несущего стержня.

Между зеркалом и корпусом расположена пружина, которая с одной стороны соединена с зеркалом, а с другой стороны с корпусом.

Натяжение пружины обеспечивает контакт сферических поверхностей зеркала и корпуса, что обеспечивает передачу тепла, поглощаемого зеркалом при отражении мощного излучения от зеркала корпусу и далее цилиндру, с которого тепло уходит в воздух.

На фиг. 1 изображено сечение выходного окна с центром шарнирного соединения на несущем стержне.

На фиг. 2 изображено сечение выходного окна с центром шарнирного соединения на поверхности зеркала.

Выходное окно содержит проходной оптический элемент 1 в виде мениска с центральным отверстием, зеркало 2. Корпус 3 закреплен в отверстии проходного оптического элемента 1 гайкой 4 и герметично соединен с проходным оптическим элементом 1 уплотнительной прокладкой 5. На корпусе 3 с противоположной от зеркала 2 стороны проходного оптического элемента 1 навинчен цилиндр 6, диаметр которого меньше диаметра зеркала, с установленными на нем юстировочными винтами 7, выполненными со шлицами для юстировки отверткой и отверстиями для юстировки штырем. В отверстии корпуса 3 расположен несущий стержень 8, задняя часть 9 которого находится в контакте с юстировочными винтами 7 и герметично соединена с сильфоном 10. Устройство содержит две пары юстировочных винтов, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях. При этом задняя часть 9 несущего стержня выполнена на фиг.1 в виде усеченной четырехгранной пирамиды и на фиг.2 в виде четырехгранной призмы. Сильфон 10 в свою очередь герметично соединен с корпусом 3. На фиг.1 между зеркалом 2 и соединением с сильфоном, на несущем стержне выполнена сферическая поверхность А, которая находится в контакте с конической поверхностью корпуса 3, образуя шарнирное соединение. Центр поверхности А отмечен крестиком и находится на несущем стержне. На фиг. 2 между зеркалом 2 и соединением с сильфоном, на несущем стержне выполнена коническая поверхность, находящаяся в контакте с соответствующей ей сферической поверхностью Д, выполненной на корпусе 3, образуя шарнирное соединение. Центр поверхности Д помечен крестиком и находится на поверхности зеркала 2.

Зеркало 2 с тыльной стороны имеет глухое центральное отверстие 11 и сферическую поверхность Б на фиг.1 или С на фиг. 2, которая образует шарнирное соединение с соответствующей ей сферической поверхностью, выполненной на корпусе 3. При этом центр сферических поверхностей Б и С зеркала и корпуса совпадает с центром шарнирного соединения несущего стержня с корпусом, т. е. с центром сферической поверхности А на фиг.1 или центром сферической поверхности Д на фиг. 2. Передняя часть несущего стержня 8 входит в глухое центральное отверстие 11 зеркала 2 по скользящей посадке. Между зеркалом 2 и корпусом 3 натянута пружина 12, которая с одной стороны соединена с зеркалом 2, а с другой стороны, через гайку 4, с корпусом 3. На внешней поверхности цилиндра 6 выполнены ребра воздушного охлаждения.

Работает устройство следующим образом.

Внутренняя часть лазерного пучка отражается от зеркала 2, частично в нем поглощается и нагревает его. Внешняя часть пучка проходит вокруг зеркала 2 и через проходной оптический элемент 1 выходит из низкого давления лазерной среды в атмосферу.

Юстировка зеркала 2, при прохождении лазерного излучения вокруг него, производится путем вращения штырем фиг.1 или отверткой фиг.2 юстировочных винтов 7: один винт затягивают, а противоположный ему отпускают. При этом задняя часть несущего стержня перемещается в нужном направлении. Две пары юстировочных винтов, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях, позволяет смещать заднюю часть несущего стержня в любом нужном направлении. Несущий стержень 8 за счет атмосферного давления и натяжения сильфона 10 сферической поверхностью А на фиг.1 прижат к конической поверхности корпуса 3 и конической поверхностью на фиг.2 прижат к сферической поверхности Д корпуса 3. При смещении задней части несущего стержня, несущий стержень поворачивается вокруг центра сферической поверхности А на фиг.1 или Д на фиг. 2. При этом передняя часть несущего стержня, входящая в глухое отверстие зеркала 11, поворачивает зеркало 2 вокруг того же центра. Поскольку центр поверхности Б на фиг. 1 и С фиг.2 совпадает с центром шарнирного соединения стержня с корпусом, то сферическая поверхность зеркала 2 смещается по соответствующей ей сферической поверхности корпуса 3, сохраняя с ней контакт с помощью натянутой пружины 12. Тепло, выделяющееся в зеркале 12 при отражении лазерного излучения через поверхность контакта, передается корпусу 3 и от него цилиндру 6, с ребер которого уходит в атмосферу.

Предлагаемое техническое решение позволяет выводить из лазера с неустойчивым резонатором, выходное зеркало которого закреплено на проходном оптическом элементе, мощное лазерное излучение с возможностью юстировки зеркала относительно проходного оптического элемента и возможностью его охлаждения. При этом кольцевой пучок излучения выводится без нарушения его целостности элементами крепления, юстировки и охлаждения зеркала. Это увеличивает мощность, уменьшает расходимость излучения и исключает разъюстировку резонатора из-за термодеформации элементов, попадающих в пучок. Юстировка зеркала относительно проходного оптического элемента позволяет фиксировать ориентацию проходного оптического элемента, т.е. его оптические характеристики для отраженного и проходящего излучения, т.е. герметично закреплять проходной оптический элемент без механизма юстировки, который при больших габаритах проходного оптического элемента существенно усложняет конструкцию резонатора. Отвод тепла от зеркала в атмосферу позволяет увеличить мощность лазерного излучения.

Литература
1. Г.А.Абильсиитов, В.С.Голубев и др. "Технологические лазеры", Справочник в 2-х томах, т. 1, М. 1991, с.241.

2. Ю.А.Ананьев "Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения", М. 1979, с.231.

3. Ю.А.Ананьев "Оптические резонаторы и лазерные пучки", М. 1990, с.211.

4. Л.Л.Сикорук "Телескопы для любителей астрономии", М. 1990, с.210.

5. Г.А.Абильсиитов, В.С.Голубев и др. "Технологические лазеры", справочник в 2-х томах, т. 1, М. 1991, с.129.

6. Л.Л.Сикорук "Телескопы для любителей астрономии", М. 1990, с.210.

Использование: в выходных окнах мощных широкоапертурных газовых лазеров с неустойчивым резонатором, выходное зеркало которого закреплено на проходном оптическом элементе. Сущность изобретения: выходное окно содержит зеркало и проходной оптический элемент, в отверстии которого герметично закреплен корпус, также содержащий отверстие. На корпусе закреплен цилиндр, диаметр которого меньше диаметра зеркала с установленными на нем юстировочными винтами. В отверстии корпуса расположен несущий стержень, который передней частью связан с зеркалом, а задней частью находится в контакте с юстировочными винтами и герметично соединен с сильфоном, который в свою очередь герметично соединен с корпусом. Между зеркалом и соединением с сильфоном несущий стержень шарнирно соединен с корпусом. Выходное окно позволяет выводить из лазерной среды, вокруг выходного зеркала, мощное излучение в виде сплошного кольца без попадания элементов юстировки, крепления и охлаждения зеркала в лазерный пучок. При этом тепло от зеркала отводится в атмосферу и зеркало имеет возможность юстировки относительно проходного оптического элемента. 1 з.п.ф., 2 ил.

1. Выходное окно, содержащее проходной оптический элемент с отверстием и зеркало, отличающееся тем, что в отверстии проходного оптического элемента закреплен корпус, содержащий центральное отверстие, при этом корпус герметично соединен с проходным оптическим элементом и на корпусе с противоположной от зеркала стороны проходного оптического элемента закреплен цилиндр, диаметр которого меньше диаметра зеркала, с установленными на нем юстировочными винтами, в отверстии корпуса расположен несущий стержень, который передней частью связан с зеркалом, а задней частью находится в контакте с юстировочными винтами и герметично соединен с сильфоном, который, в свою очередь, герметично соединен с корпусом, между зеркалом и соединением с сильфоном несущий стержень шарнирно соединен с корпусом. 2. Окно по п.1, отличающееся тем, что зеркало с тыльной стороны имеет глухое центральное отверстие и сферическую поверхность, которая образует шарнирное соединение с соответствующей ей сферической поверхностью, выполненной на корпусе, при этом центр сферических поверхностей зеркала и корпуса совпадает с центром шарнирного соединения несущего стержня с корпусом, передняя часть несущего стержня входит в глухое центральное отверстие зеркала, между зеркалом и корпусом расположена пружина, которая с одной стороны соединена с зеркалом, а с другой стороны с корпусом.