ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЙ БЛОК СО*002-ЛАЗЕРА С ПОПЕРЕЧНОЙ ПРОКАЧКОЙ РАБОЧЕЙ СМЕСИ ГАЗОВ Российский патент 1997 года по МПК H01S3/22 

Предполагаемое изобретение относится к области лазерного оборудования, точнее к электрооптическим блоком CO₂ -лазеров с поперечной прокачкой рабочей смеси газов.

Известен электрооптический блок CO₂ -лазера с поперечной прокачкой рабочей смеси газов серии CL-5 английской фирмы "Калхем", включающий в свой состав газоразрядную камеру, состоящую из двух разрядных промежутков, в каждом из которых имеется электродная система для возбуждения тлеющего разряда, неустойчивый резонатор, состоящий из расположенных за боковыми плоскостями газоразрядное камеры двух параллельных плит и закрепленных на этих плитах: заднего глухого зеркала, нескольких поворотных узлов, обеспечивающих многопроходность лазерного луча по разрядным промежуткам поперек разряда, поворотных зеркал для передачи лазерного луча из одного разрядного промежутка в другой, передней отражательно-выводной системы резонатора, а также узла вывода лазерного луча из газоразрядной камеры [1] Недостаток этого электрооптического блока заключается в том, что в каждом разрядном промежутке имеется своя электродная система и это обуславливает громоздкость конструкции, вызывает неравномерность газового потока в газоразрядной камере. Большое расстояние между разрядными промежутками усложняет также конструкцию поворотных зеркал для передачи лазерного луча из одного разрядного промежутка в другой.

Известен также электрооптический блок CO₂ -лазеров ЛОК-ЗМ и ЛОКОН с поперечной прокачкой рабочей смеси газов, включающий в свой состав газоразрядную камеру, состоящую из двух разрядных промежутков, образованных общей анодной плитой и двумя катодными системами для возбуждения тлеющего разряда, и неустойчивый оптический резонатор, состоящий из расположенных за боковыми плоскостями газоразрядной камеры двух параллельных плит и закрепленных на этих плитах: заднего глухого зеркала, двух поворотных узлов в виде плоских зеркал, обеспечивающих три генераторных прохода лазерного луча поперек разряда в первого разрядном промежутке; уголкового зеркального отражателя между разрядными промежутками; двух поворотных узлов в виде плоских зеркал, передней отражательно-выводной зеркальной системы резонатора и узла вывода лазерного луча, обеспечивающих три генераторных и один усилительный проход лазерного луча поперек разряда во втором разрядном промежутке [2] В этом электрооптическом блоке обеспечивается наименьшее расстояние между газоразрядными промежутками, что позволяет повысить компактность конструкции, упростить конструкцию узла передачи лазерного луча из одного разрядного промежутка в другой за счет использования уголкового зеркального отражателя, а также улучшить условия для протекания газового потока.

Этот электрооптический блок является наиболее близким техническим решением к заявляемому объекту, т.е. прототипом.

Недостатки прототипа заключаются в низком коэффициенте полезного действия, а также в невысоком качестве лазерного излучения.

Задачей предполагаемого изобретения является повышение коэффициента полезного действия электрооптического блока, а также улучшение качества лазерного излучения.

Указанная задача реализуется за счет того, что в предложенном электрооптическом блоке CO₂ -лазера с поперечной прокачкой рабочей смеси газов в первом разрядном промежутке на плитах резонатора последовательно по ходу лазерного луча закреплены заднее глухое зеркало, поворотные узлы и передняя отражательно-выводная зеркальная система резонатора, обеспечивающие по крайней мере два генераторных прохода лазерного луча и один усилительный проход до уголкового зеркального отражателя, а во втором разрядном промежутке на плитах резонатора закреплены поворотные узлы, обеспечивающие по крайней мере три усилительных прохода лазерного луча от уголкового зеркального отражателя, причем в каждом разрядном промежутке по крайней мере по одному поворотному узлу выполнено в виде зеркальных призм, изменяющих ход лазерного луча на 180^o.

В предложенном электрооптическом блоке CO₂ -лазера анодная плита представляет собой конструкцию из труб прямоугольного сечения, соединенных боковыми стенками в пакет и расположенных вдоль газового потока. К
роме того, предложенный электрооптический блок CO₂ -лазера с поперечной прокачкой рабочей смеси газов может отличаться тем, что поворотные зеркала в уголковом зеркальном отражателе расположены под углом 45^o к горизонтальной плоскости для смещения лазерного луча во втором разрядном промежутке по ходу газового потока, а второй разрядный промежуток газоразрядной камеры смещен по ходу газового потока на расстояние, равное расстоянию между оптическими осями разрядных промежутков.

Закрепление передней отражательно-выводной зеркальной системы в первом разрядном промежутке вместе с задним глухим зеркалом и с поворотными узлами, а также закрепление во втором разрядном промежутке поворотных узлов при наличии уголкового зеркального отражателя между разрядными промежутками позволяет разделить разрядные промежутки по принципу действия: в первом промежутке осуществляется генерация излучения за два или более прохода и усиление за один проход, во втором промежутке все проходы являются усилительными. Снижение количества генераторных проходов и увеличение количества усилительных проходов приводит к значительному уменьшению потерь энергии излучения на зеркалах, поскольку в усилительных проходах поглощение энергии излучения значительно меньше чем в генераторных.

Выполнение поворотных узлов в виде зеркальных призм, поворачивающих лазерный луч на угол 180^o при наличии уголкового зеркального отражателя между двумя газоразрядными промежутками позволяет расположить большее количество проходов лазерного луча по разрядным промежуткам параллельно друг другу. Увеличение общего числа проходов, а также увеличение количества параллельных проходов лазерного луча приводит к увеличению использования объема инверсно-возбужденной активной газовой среды и повышению объемного коэффициента полезного действия.

Снижение потерь энергии на зеркалах и повышению объемного коэффициента полезного действия приводит к увеличению общего коэффициента полезного действия электрооптического блока.

Выполнение в каждом разрядном промежутке по крайней мере по одному из поворотных узлов в виде зеркальных призм, поворачивающих лазерный луч на угол 180^o, позволяет развернуть сечение лазерного луча относительно направления газового потока также на угол 180^o. Результатом этого является повышение однородности интенсивности по сечению лазерного излучения и уменьшение аберраций активной среды, г.е. повышение качества лазерного излучения.

В электрооптическом блоке CO₂ -лазера с поперечной прокачкой рабочей смеси газов с анодной плитой в виде конструкции из труб прямоугольного сечения, соединенных боковыми стенками в пакет и расположенных вдоль газового потока, поток газа протекает по трубам анодной плиты, практически не изменяя своего направления. Такая конструкция обеспечивает снижение потерь давления газового потока и повышение внешнего коэффициента полезного действия за счет снижения потерь при прокачке. Кроме того, поток газа охлаждает анодную плиту, что приводит к снижению потерь на прианодных участках в тлеющем разряде. Оба этих обстоятельства приводят к повышению общего коэффициента полезного действия электрооптического блока.

Расположение поворотных зеркал в уголковом зеркальном отражателе под углом 45^o к горизонтальной плоскости приводит к смещению лазерного луча во втором разрядном промежутке, а также самого второго разрядного промежутка вверх по ходу газового потока на расстояние, равное расстоянию между оптическими осями в разрядных промежутках. Одновременно с этим лазерный луч разворачивается вокруг его оси на угол 90^o, и соответственно на такой же угол изменится направление газового потока и электрического поля разряда относительно лазерного луча во втором разрядном промежутке по сравнению с первым разрядным промежутком. Это обеспечивает максимальную компенсацию оптической неоднородности газовой среды, связанной с нагревом газа при его течении и возбуждении. В результате повышается равномерность распределения энергии излучения по сечению луча, уменьшается уход оптической оси луча, т.е. улучшается качество лазерного излучения.

Конструкция предложенного электрооптического блока иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан вид сверху, на фиг.2 поперечный разрез по сечению А-А, а на фиг.3 схема прохождения лазерного луча при виде сбоку с разворотом второго промежутка вниз на 180^o. Электрооптический блок состоит из газоразрядной камеры, включающей в свой состав два разрядных промежутка 1 и 2, образованных одной общей анодной плитой 3 и двумя катодными плитами 4 и 5. За боковыми плоскостями газоразрядной камеры расположены две параллельные плиты неустойчивого оптического резонатора: передняя 6 и задняя 7.

В разрядном промежутке 1 закреплены последовательно сверху вниз элементы оптического резонатора, центры которых расположены в плоскости оптической оси этого промежутка на передней плите 6- заднее глухое зеркало 8, поворотный узел в виде плоского зеркала 10, поворотное зеркало уголкового зеркального отражателя 12; на задней плите 7 поворотная зеркальная призма 9 и передняя отражательно-выносная зеркальная система оптического резонатора 11.

В разрядном промежутке 2 закреплены последовательно элементы формирующей системы оптического резонатора, центры которых расположены в плоскости оптической оси этого промежутка: на передней плите 6 поворотное зеркало уголкового зеркального отражателя 12, поворотный узел в виде плоского зеркала 14 и узел вывода лагерного луча 16; на задней плите 7 поворотная зеркальная призма 13 и поворотный узел в виде плоского зеркала 15.

На фиг.4 приведено поперечное сечение анодной плиты 3, выполненной в виде пакета из труб прямоугольного сечения, соединенных боковыми стенками в один ряд (в частности, сваренных), и расположенных вдоль газового потока.

На фиг.5 показан вариант электрооптического блока CO₂ -лазера, в котором поворотные зеркала уголкового зеркального отражателя 12 расположены по углом 45^o к горизонтальной плоскости и лазерный луч из разрядного промежутка 1 передается в разрядный промежуток 2 вверх под углом 45^o. Разрядный промежуток 2 смещен относительно разрядного промежутка 1 на расстояние a, равное расстоянию между оптическими осями разрядных промежутков.

Предложенный электрооптический блок CO₂ -лазера работает следующим образом. Через разрядные промежутки 1 и 2 газоразрядной камеры прокачивается рабочий газ, представляющий собой в большинстве случаев смесь газов CO₂ N₂ He. Между анодной плитой 3 и катодными системами 4 и 5 при подаче на них высокого напряжения в обоих разрядных промежутках зажигается тлеющий разряд перпендикулярно потоку рабочего газа. Образующиеся в результате вынужденных переходов в газовой смеси кванты многократно отражаются от формирующих систем оптического резонатора, закрепленных на передней 6 и задней 7 плитах: заднего глухого зеркала 8, поворотной зеркальной призмы 9, поворотного узла в виде плоского зеркала 10 и внутреннего зеркала передней отражательно-выводной зеркальной системы 11. Передняя отражательно-выводная зеркальная система резонатора 11 состоит из внутреннего зеркала, расположенного перпендикулярно к падающему на него от зеркала 10 лазерному лучу, а также из наружного зеркала, расположенного под некоторым углом к этому лучу. В процессе многократного отражения световая волна зарождается в приосевой области и распространяется к периферии зеркал.

Достигнув по размерам диаметра наружного зеркала передней отражательно-выводной системы 11, лазерное излучение, в поперечном сечении имеющее форму кольца, направляется на уголковый зеркальный отражатель 12. Таким образом, в разрядном промежутке 1 лазерный луч проходит через два или более генераторных проходов и один усилительный.

Уголковый зеркальный отражатель 12 передает лазерный луч из разрядного промежутка 1 в разрядный промежуток 2, в котором лазерный луч последовательно проходит зеркальную призму 13, поворотные узлы в виде плоских зеркал 14 и 15 и выходит наружу через узел вывода 16. В разрядном промежутке 2 лазерный луч проходит через четыре усилительных прохода.

В виду меньшей нагрузки на зеркальные элементы в усилительных проходах система охлаждения этих элементов 12, 13, 14, 15 может быть упрощена: вместо многоканальных могут использоваться одноканальные охладительные системы.

Газовый поток, проходя через газоразрядную камеру, при наличии анодной плиты, выполненной из пакета труб прямоугольного сечения (фиг.4), не изменяет своего направления. При этом он охлаждает внутренние и наружные стенки анодной плиты, нагревающиеся при возбуждении газовой смеси в разряде. Охлаждение катодных систем водяное.

При отражении от зеркальных призм 9 и 13 лазерный луч не только изменяет свое направление на 180^o, но и его сечение относительно газового потока также разворачивается на 180^o (см. изменение положения точек 1 и 3 на фиг.6), что приводит к повышению однородности интенсивности по сечению.

При передаче лазерного луча из разрядного промежутка 1 в разрядный промежуток 2 с помощью уголкового зеркального отражателя с зеркалами, расположенными под углом 45^o к горизонтальной плоскости сечения лазерного луча, он поворачивается к направлению газового потока и направлению электрического поля разряда E на 90^o (см. изменение положения точек 1, 2, 3, 4 на фиг.7), что также приводит к повышению однородности лазерного излучения и к улучшению его качества.

Предполагаемое изобретение относится к области лазерного оборудования, точнее к электрооптическим блокам CO₂ -лазеров с поперечной прокачкой рабочей смеси газов. Задачей предлагаемого изобретения является повышение коэффициента полезного действия электрооптического блока, а также улучшение качества лазерного излучения. Указанная задача реализуется за счет того, что в предложенном электрооптическом блоке в первом разрядном промежутке на плитах резонатора последовательно по ходу лазерного луча закреплены заднее глухое зеркало, поворотные узлы и передняя отражательно-выводная зеркальная система резонатора, обеспечивающие по крайней мере два генераторных прохода луча и один усилительный до уголкового зеркального отражателя, а во втором разрядном промежутке на плитах резонатора закреплены поворотные узлы, обеспечивающие по крайней мере три усилительных прохода луча от углового зеркального отражателя до узла вывода луча, причем в каждом разрядном промежутке по крайней мере по одному поворотному узлу выполнено в виде зеркальных призм, изменяющих ход лазерного луча не 180^o. 2 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Электрооптический блок СО₂-лазера с поперечной прокачкой рабочей смеси газов, включающий в свой состав газоразрядную камеру, состоящую из двух разрядных промежутков, образованных общей анодной плитой и двумя катодными системами для возбуждения тлеющего разряда, и неустойчивый оптический резонатор, состоящий из расположенных за боковыми плоскостями газоразрядной камеры двух параллельных плит и закрепленных на эти плитах заднего глухого зеркала, поворотных узлов, обеспечивающих многопроходность лазерного луча по разрядным промежуткам поперек разряда, уголкового зеркального отражателя, передающего лазерный луч из одного разрядного промежутка во второй, передней отражательно-выводной зеркальной системы резонатора, а также узла вывода лазерного луча из газоразрядной камеры, отличающийся тем, что в первом разрядном промежутке на плитах резонатора последовательно по ходу лазерного луча закреплены заднее глухое зеркало, поворотные узлы и передняя отражательно-выводная зеркальная система резонатора, обеспечивающая по крайней мере два генераторных прохода лазерного луча и один усилительный проход до уголкового зеркального отражателя, а во втором разрядном промежутке на плитах резонатора закреплены поворотные узлы, обеспечивающие по крайней мере три усилительных прохода лазерного луча от уголкового зеркального отражателя до узла вывода лазерного луча, причем в каждом разрядном промежутке по крайней мере по одному поворотному узлу выполнено в виде зеркальных призм, изменяющих ход лазерного луча на 180^o. 2. Блок газов по п.1, отличающийся тем, что анодная плита представляет собой конструкцию из труб прямоугольного сечения, соединенных боковыми стенками в пакет и расположенных вдоль газового потока. 3. Блок по пп.1 и 2, отличающийся тем, что поворотные зеркала в уголковом зеркальном отражателе расположены под углом 45^o к горизонтальной плоскости для смещения лазерного луча во втором разрядном промежутке по ходу газового потока, а второй разрядный промежуток газоразрядной камеры смещен по ходу газового потока на расстояние, равное расстоянию между оптическими осями разрядных промежутков.