БЛОК ГЕНЕРАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ МНОГОКАНАЛЬНОГО ЛАЗЕРА Российский патент 1998 года по МПК H01S3/02 

Предлагаемое изобретение относится к лазерному оборудованию, точнее к блоку генерации излучения многоканальных твердотельных и газовых лазеров, а также лазерных установок.

Известны многоканальные лазерные установки, состоящие из нескольких автономно расположенных каналов блоков генерации, излучение от этих блоков для получения высокой мощности синхронно фокусируется в одной точке (установки "Нова" и "Новетта" [1]).

Недостатки этих установок заключаются в трудности синхронизации действия блоков генерации, а также громоздкости их конструкции (общая длина установки "Нова" достигает 137 м).

Известен также блок генерации излучения многоканального лазера, включающий в свой состав коробчатый корпус с двумя торцевыми фланцами, герметично вставленными внутрь корпуса; активные элементы, собранные в пакет и расположенные внутри корпуса вдоль его оси, причем торцы активных элементов выведены на наружные стороны фланцев через отверстия; герметичную полость между внутренними стенками корпуса и внешними стенками активных элементов для прокачки охлаждающей жидкости; оптический резонатор, состоящий из заднего глухого зеркала, перекрывающего торцы активных элементов с одной стороны пакета и переднего отражательно-выводного угла с другой стороны пакета (см. блок генерации лазера МТЛ-2 [2]).

Этот блок генерации излучения позволяет значительно уменьшить габариты лазера. Он является наиболее близким техническим решением к заявляемому объекту, т.е. прототипом.

Недостатки прототипа заключаются в низком качестве лазерного излучения из-за высокой его расходимости, а также в трудности организации импульсного режима работы с высокой средней мощностью.

Задачами предлагаемого изобретения является повышение качества генерируемого излучения, увеличение частоты генерируемых импульсов и средней мощности при сохранении компактности конструкции.

Указанные задачи выполняются в предлагаемом блоке генерации излучения за счет того, что активные элементы расположены в пакете по окружности на равном расстоянии друг от друга, каждый активный элемент имеет модулятор для формирования импульсов лазерного излучения, передний отражательно-выводной узел выполнен в виде системы поворотных зеркал у выходных торцов активных элементов, расположенных под углом 45^o к их оси и выводящих лазерное излучение перпендикулярно к оси пакета, центрального поворотного зеркала, расположенного под углом 45^o на оси пакета в точке пересечения с ней лазерного излучения и вращающегося вокруг оси пакета, а также закрепленного на оси пакета полупрозрачного зеркала оптического резонатора, расположенного перпендикулярно к направленному от центрального поворотного зеркала лазерному излучению, и, кроме того, имеется система синхронизации вращения центрального поворотного зеркала и модуляторов импульсов.

Наличие вышеперечисленных конструктивных отличий в заявляемом объекте по сравнению с прототипом позволяет изменить принцип суммирования энергии излучения, генерируемой в отдельных каналах, т.е. перейти от суммирования ее в пространстве к суммированию во времени при очередном испускании излучения из каждого активного элемента в тот момент, когда вращающееся центральное поворотное зеркало находится в положении общего многократного прохода излучения от заднего глухого зеркала до полупрозрачного выводного зеркала оптического резонатора через данный активный элемент. В результате увеличивается средняя выходная мощность излучения при одновременном повышении частоты импульсов пропорционально количеству активных элементов и скорости вращения центрального поворотного зеркала с сохранением компактности конструкции. Кроме того, сохраняется возможность генерации излучения в непрерывном режиме при неподвижном центральном поворотном зеркале, принимающем лазерное излучение от одного из активных элементов.

Поочередная генерация излучения из единичного активного элемента позволяет в наибольшей мере подавить возникновение поперечных мод в лазерном пучке, генерировать пучок с распределением интенсивности в поперечном сечении близком к ТЕМоо, а расходимость излучения обеспечить на уровне дифракционной. В результате значительно повышается качество излучения.

Конструкция блока генерации излучения многоканального лазера иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан вид блока сбоку при сечении А-А; на фиг. 2 - вид со стороны вывода лазерного излучения.

Блок генерации излучения состоит из коробчатого корпуса 1 с двумя торцевыми фланцами 2. В отверстия фланцев 2 вставлены активные элементы 3, расположенные вдоль оси корпуса 1.

Активные элементы 3 могут представлять собой в твердотельных лазерах твердотельные активные элементы, например стержни из кристаллов алюмо-иттриевого граната с неодимом или из стекла с неодимом, возбуждаемые лампами накачки с отражателями или с помощью накачки диодной матрицей.

В газоразрядных лазерах активные элементы 3 представляют собой стеклянные газоразрядные трубки с рабочим газом, как правило смесью CO₂, N₂ и He, в которых с помощью высокого напряжения, подаваемого на электродные системы в трубах, зажигается тлеющий разряд.

В случае газоразрядных лазеров возможен волноводный режим распространения излучения по стеклянным газоразрядным трубкам. В волноводном режиме излучение как бы переотражается от стенок трубки к ее оси, распространяясь вдоль трубки без увеличения своего поперечного размера. Такой режим реализуется при достаточно малом размере трубок, когда где a, l - радиус и длина трубки, λ - длина волны.

Волноводный режим характеризуется существенно меньшей чувствительностью к разъюстировке, большей селективностью основной поперечной моды излучения и большей устойчивостью разряда, что позволяет наиболее оптимально выбирать параметры активной среды газоразрядного лазера.

Между стенками корпуса 1 и активных элементов 3 имеется герметичная полость 4 для прокачки охлаждающей жидкости.

С одной стороны пакета активных элементов 3 расположено заднее глухое зеркало 5 оптического резонатора, перекрывающее все торцы активных элементов 3.

Это зеркало может быть цельным или являться суммой соответствующих каждому активному элементу глухих зеркал 5. С другой стороны у торцов активных элементов 3 под углом 45^o к оси элементов 3 расположены поворотные зеркала 7, а на оси пакета активных элементов 3 расположено центральное поворотное зеркало 8, наклоненное под углом 45^o к оси пакета и вращающееся вокруг этой оси на оси пакета, в перпендикулярной плоскости к ней расположено полупрозрачное выводное зеркало 9 оптического резонатора.

В качестве варианта полупрозрачное выводное зеркало 9 может располагаться между поворотными зеркалами 7 и 8 перпендикулярно осям активных элементов и быть цельным или составным, состоящим из совокупности зеркал, каждое из которых соответствует своему активному элементу и съюстировано перпендикулярно оси активного элемента. К каждому активному элементу 3 подключен модулятор 6 для формирования импульсов лазерного излучения. Модуляторы 6 и механизмы вращения центрального поворотного зеркала 8 объединены системой синхронизации 10. Модуляторы 6 могут являться модуляторами накачки или модуляторами добротности резонатора.

Предложенный блок генерации излучения многоканальных лазеров работает следующим образом (фиг.1, 2). Активные элементы 3, размещенные в корпусе 1 с помощью фланцев 2, переводятся в рабочий режим, для чего подается высокое напряжение в твердотельных лазерах на лампы накачки, а в газовых лазерах - на электродные системы для возбуждения тлеющего разряда. При этом возбуждение рабочей среды (кристалла или рабочего газа) может происходить как в импульсном режиме так и в непрерывном. Для охлаждения активных элементов 3 через герметичную полость 4 прокачивается охлаждающая жидкость. Лазерное излучение формируется поочередно в каждом активном элементе 3 при отражении излучения от заднего глухого зеркала 5, поочередно от одного из поворотных зеркал 7 и центрального поворотного зеркала 8, а также полупрозрачного выводного зеркала 9. Испускание импульса лазерного излучения из каждого активного элемента 3 осуществляется с помощью модуляторов импульсов 6, включаемых с помощью системы синхронизации 10 в тот момент, когда вращающееся центральное поворотное зеркало 8 образует для данного активного элемента между полупрозрачным выводным зеркалом 9 и задним глухим зеркалом 5 общий оптический тракт.

Накачка активных элементов может осуществляться в непрерывном режиме, а генерация - в импульсном, что приводит к увеличению энергии импульса и, следовательно, к росту средней выходной мощности. Частота импульсов регулируется количеством активных элементов 3 и скоростью поворотного зеркала 8.

Непрерывный режим работы блока генерации достигается при неподвижном центральном поворотном зеркале 8, зафиксированном в положении, когда центральное поворотное зеркало 8 образует между полупрозрачным выводным зеркалом 9 и задним глухим зеркалом 5 общий оптический тракт через один из активных элементов 3 и поворотное зеркало 7.

Усовершенствованием предложенной конструкции лазера является вариант, при котором пара поворотных зеркал 7 и 8 закреплены относительно друг друга и синхронно вращается относительно оси лазера, поочередно собирая импульсы излучения со всех активных элементов.

Изобретение относится к лазерному оборудованию, точнее к блоку генерации излучения многоканальных твердотельных и газовых лазеров. Блок генерации излучения многоканального лазера состоит из расположенных по окружности на равном расстоянии друг от друга активных элементов, поочередно излучающих генерацию, и системы поворотных зеркал, по крайней мере одно из которых, расположенное по оси, вращается и поочередно собирает в одном направлении излучение от всех активных элементов. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Блок генерации излучения многоканального лазера, включающий в свой состав корпус с двумя торцевыми фланцами, герметично вставленными внутрь корпуса, активные элементы, собранные в пакет и расположенные внутри корпуса вдоль его оси, причем торцы активных элементов выведены на наружные стороны фланцев через отверстия, герметичную полость между внутренними стенками корпуса и внешними стенками активных элементов для прокачки охлаждающей жидкости, оптический резонатор, включающий заднее глухое зеркало, перекрывающего торцы активных элементов с одной стороны пакета, и передний отражательно-поворотный узел, отличающийся тем, что активные элементы расположены в пакете по окружности на равном расстоянии друг от друга, каждый активный элемент имеет модулятор для формирования импульсов накачки лазерной среды, передний отражательно-поворотный узел выполнен в виде системы поворотных зеркал у выходных торцов активных элементов, расположенных под углом 45^o к их оси и выводящих лазерное излучение перпендикулярно к оси пакета, центрального поворотного зеркала, расположенного под углом 45^o на оси пакета в точке пересечения с ней лазерного излучения и вращающегося вокруг оси пакета, а также закрепленного на оси пакета полупрозрачного выводного зеркала оптического резонатора, расположенного перпендикулярно к направленному от центрального поворотного зеркала лазерному излучению и, кроме того, имеется система синхронизации вращения центрального поворотного зеркала и модуляторов импульсов. 2. Блок по п.1, отличающийся тем, что полупрозрачное зеркало расположено на оси пакета активных элементов с противоположной стороны от них относительно системы поворотных зеркал. 3. Блок по п.1, отличающийся тем, что полупрозрачное выводное зеркало расположено со стороны активных элементов относительно системы поворотных зеркал. 4. Блок по п.3, отличающийся тем, что полупрозрачное выводное зеркало может состоять из системы полупрозрачных зеркал, каждое соответствующее своему активному элементу и съюстировано перпендикулярно оси этого активного элемента. 5. Блок по пп.3 и 4, отличающийся тем, что заднее глухое зеркало может состоять из системы задних глухих зеркал, съюстированных перпендикулярно оси соответствующего активного элемента. 6. Блок по пп. 1 - 5, отличающийся тем, что система поворотных зеркал состоит из одного поворотного зеркала, жестко связанного с центральным поворотным зеркалом и вращающегося с ним синхронно, поочередно собирая импульсы излучения со всех активных элементов, составляющих лазер. 7. Блок по пп.1 - 6, отличающийся тем, что активным элементом является твердотельный активный элемент, в частности стержень из кристалла алюмоиттриевого граната с неодимом или из стекла с неодимом, а источником накачки является газонаполненная лампа, работающая в импульсном режиме. 8. Блок по п.1 - 6, отличающийся тем, что в качестве активного элемента используется стеклянная газоразрядная трубка, наполненная смесью газов СО₂, N₂ и Не и возбуждаемая тлеющим разрядом в этом газе. 9. Блок по п.8, отличающийся тем, что в каждой стеклянной газоразрядной трубке излучение распространяется существенно в волноводном режиме.