ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЙ БЛОК ЛАЗЕРА С ПОПЕРЕЧНОЙ ПРОКАЧКОЙ ГАЗА Российский патент 1998 года по МПК H01S3/08 

Изобретение относится к области лазерной техники, точнее к электрооптическим блокам лазеров с поперечной прокачкой газа.

Известные электрооптические блоки лазеров с поперечной прокачкой газа включают в свой состав газоразрядную камеру с одним или несколькими разрядными промежутками, в каждом из которых имеются обращаемые или необращаемые электродные системы для создания тлеющего разряда поперек газового потока, а также многопроходный оптический резонатор, состоящий из заднего глухого зеркала, передней выводной системы и поворотных узлов для обеспечения нескольких проходов лазерного излучения по разрядным промежуткам и перехода лазерного излучения из одного разрядного промежутка в другой [1, 2]. Основной недостаток этих технический решений заключается в низком качестве лазерного излучения. Это обусловлено тем, что при передаче излучения в пределах разрядных промежутков используются необращаемые поворотные узлы в виде плоских единичных зеркал, а при передаче лазерного излучения между разрядными промежуткам используется сочетание обращаемых поворотных узлов в виде поворотных призм с наклоненными друг к другу под углом 90^o плоскими зеркалами и обращаемых электродных систем, изменяющих направление разряда на противоположное. В результате сечение лазерного излучения в процессе передач по поворотным узлам сохраняет постоянную ориентировку относительно газового потока и разряда, при этом разные точки сечения нагреваются до разных температур, что приводит к неравномерной интенсивности в пучке.

Известен также электрооптический блок лазера с поперечной прокачкой газа, в котором обращаемые поворотные узлы в виде расположенных вдоль газового потока поворотных призм обеспечивают несколько проходов лазерного излучения по разрядному промежутку с изменением ориентировки поперечного сечения лазерного излучения относительно газового потока [3]. В этом объекте неравномерность интенсивности по сечению лазерного излучения в направлении газового потока снижается. Это техническое решение наиболее близко к заявляемому объекту, т.е. является прототипом.

Недостаток прототипа заключается в низком качестве лазерного излучения из-за неравномерности интенсивности по сечению в направлении разряда.

Задачей изобретения является повышение качества лазерного излучения за счет снижения неравномерности интенсивности по сечению.

Задача в предложенном электрооптическом блоке лазера с поперечной прокачкой газа реализуется за счет того, что в нем из двух последних поворотных узлов по крайней мере хотя бы один расположен под углом к направлению газового потока, а сочетание типов поворотных узлов и электродных систем обеспечивает при переходе через два соседних поворотных узла изменение ориентировки поперечного сечения лазерного излучения относительно и газового потока и разряда.

Согласно п. 2 расположение соседних поворотных узлов и направления передач лазерного излучения по ним взаимно перпендикулярны.

Согласно п. 3 один из двух соседних поворотных узлов расположен перпендикулярно газовому потоку, причем обращаемый тип этого поворотного узла сочетается с необращаемой электродной системой, а необращаемый его тип сочетается с обращаемой электродной системой.

Согласно п. 4 число проходов лазерного излучения кратно четырем.

Расположение хотя бы одного из двух соседних поворотных узлов под углом к направлению газового потока, а также сочетание типов поворотных узлов и электродных систем с обеспечением изменения ориентировки поперечного сечения лазерного излучения относительно и газового потока и разряда при переходе через два соседних поворотных узла приводят к тому, что в места с наибольшей температурой поочередно попадают различные точки поперечного сечения излучения. В результате различие в температуре по сечению лазерного излучения уменьшается, неравномерность интенсивности снижается, а качество излучения повышается. Перпендикулярное расположение соседних поворотных узлов и направления передач по ним лазерного излучения приводит к тому, что в результате этих двух передач ориентировка поперечного сечения в третьем проходе изменяется по сравнению с первым проходом на противоположную и относительно газового потока и относительно разряда, распределение температуры по сечению лазерного излучения изменяется на противоположное, что способствует повышению однородности интенсивности и улучшению качества лазерного излучения.

Расположение одного из двух соседних поворотных узлов перпендикулярно газовому потоку с сочетанием обращаемого его типа с необращаемой электродной системой и необращаемого типа с обращаемой электродной системой к тому, что при первой передаче ориентировка сечения лазерного излучения изменяется на противоположную в одном направлении (либо по разряду либо по потоку), а при второй передаче - на противоположную в другом направлении. Это обуславливает дальнейшее выравнивание температуры и однородности интенсивности по сечению и повышение качества лазерного излучения.

Кратность числа проходов лазерного излучения четырем позволяет получить одинаковое количество проходов с прямой и обратной ориентировкой поперечного сечения как относительно газового потока газа, так и разряда. Это приводит к максимальному выравниванию температуры и интенсивности по сечению лазерного излучения, а также к значительному повышению его качества.

Конструкция предложенного электрооптического блока лазера с поперечной прокачкой газа иллюстрируется чертежами, из которых на фиг. 1 показан вид сбоку, а на фиг. 2 - вид сзади. Он включает в свой состав газоразрядную камеру с двумя разрядными промежутками 1, поперек которых прокачивается поток газа со скоростью Vr. В каждом разрядном промежутке 1 имеются необращаемые электродные системы, состоящие из анодов 2 и катодов 3, расположение которых и направление разряда при переходе из одного разрядного промежутка в другой не изменяется.

Многопроходный оптический резонатор состоит из заднего глухого зеркала 4, расположенного у заднего торца нижнего разрядного промежутка 1, обращаемых поворотных узлов 5, расположенных с двух сторон разрядных промежутков 1, а также из передней выводной системы 6, расположенной у переднего торца верхнего разрядного промежутка 1.

Обращаемые поворотные узлы 5 представляют собой двугранные поворотные призмы с плоскими зеркалами на гранях, расположенными под углом 45^o к лазерному излучению 7 и под углом 90^o друг к другу.

Нижний и верхний (или первый и второй) поворотные узлы 5 расположены под углами α и β в общем случае могут быть не равны друг другу и принимать разные значения, но один из них должен быть отличным от 0^o или 180^oC.

На фиг. 3 показан вариант передачи лазерного излучения 7 в газоразрядной камере, состоящей из двух разрядных промежутков 1 с необращаемыми электродными системами: анодами 2 и катодами 3, в котором обращаемые поворотные узлы 5 расположены под одинаковыми углами α, β к газовому потоку V_г. На фиг. 4 второй поворотный узел 5 расположен под углом 180^o к газовому потоку V_г, возможен такой же вариант с расположением одного из поворотных узлов 5 под углом β = 90^° к газовому потоку V_г. Расположение одного из двух соседних поворотных узлов 5 под углом к направлению газового потокам V_г, а также сочетание обращаемых поворотных узлов 5 и необращаемых электродных систем 2, 3 обеспечивает изменение ориентировки поперечного сечения лазерного излучения 7 в процессе передач по этим узлам, т.е. изменение положения точек а, б, в, г.

Аналогичные варианты расположения поворотных узлов 5 возможны и в газоразрядной камере с одним раздельным промежутком 1.

На фиг. 1 показан вариант соосного расположения обеих поворотных узлов 5 под одинаковыми углами к направлению газового потока V_г. В этом случае при использовании обращаемых поворотных узлов 5 в среднем и верхнем разрядных промежутков 1 имеются обращаемые электродные системы 2, 3, изменяющие направление разряда на противоположное. В этом случае имеет место изменение положения точек а, б, в, г и относительно направления потока (при первой передаче) и относительно разряда.

На фиг. 6 показан вариант с взаимно перпендикулярным расположением соседних обращаемых поворотных узлов 5 и таким же направлением по ним передач лазерного излучения 7. При этом второй поворотный узел может быть направлен также вниз.

В указанном на фиг. 6 варианте оба поворотных узла 5 расположены под углом 45^o к направлению газового потока V_г, что обеспечивает наиболее простую компоновку разрядных промежутков 1, возможное отклонение от угла 45^o усложняет компоновку разрядных промежутков 1.

На фиг. 7 показан вариант передачи лазерного излучения 7, при котором один из двух взаимно-перпендикулярных поворотных узлов 5, в данном случае второй, расположены перпендикулярно газовому потоку V_г. Обращаемый тип второго поворотного узла 5 сочетается с необращаемой электродной системой 2, 3.

Возможно также сочетание необращаемого поворотного узла 5 и обращаемой электродной системой 2, 3 (фиг. 8). Обращаемая электродная система может состоять из двух катодов 3 и общего анода 2, что значительно упрощает конструкцию газоразрядной камеры. Необращаемый поворотный узел 5 может быть представлен в виде плоского поворотного зеркала (фиг. 9).

Количество поворотных узлов и проходов лазерного излучения в предложенном электрооптическом блоке с поперечной прокачкой газа может быть различным в зависимости от мощности и габаритов лазера, а также от компоновки его конструкции.

На фиг. 10-12 показаны варианты передач лазерного излучения 7 при числе проходов кратном четырем. При этом число проходов может увеличиваться поперек потока газа (фиг. 10), вдоль потока газа (фиг. 11) и в диагональном направлении (фиг. 12).

Предложенный электрооптический блок лазера с поперечной прокачкой газа работает следующим образом. Через газоразрядную камеру с разрядными промежутками 1 прокачивается газ со скоростью V_г. С помощью электродных систем - анодов 2 и катодов 3 - в каждом разрядном промежутке 1 зажигают тлеющий разряд поперек газового потока. Лазерное излучение 7 формируется в оптическом резонаторе при многократном отражении от заднего глухого зеркала 4, поворотных узлов 5 и передней выводной системы 6 (фиг. 1). Расположение обращаемых поворотных узлов 5 под углом к газовому потоку V_г приводит к изменению ориентировки поперечного сечения лазерного излучения 7 относительно диаметральных плоскостей О-О, перпендикулярных направлению передачи лазерного излучения 7. В процессе каждой передачи имеет место изменение ориентировки точек поперечного сечения а, б, в, г относительно и потока газа и разрядов (фиг. 2). В результате точка a, например, перемещается из передней части в хвостовую по потоку, а точка из прианодной части ближе к прикатодной.

Аналогичные изменения ориентировки поперечного сечения имеются при передаче лазерного излучения по двум поворотным узлам, расположенным под углом к газовому потоку в пределах двух разрядных промежутков 1 (фиг. 3).

При расположении одного из поворотных узлов 5 под углом 0 или 180^o к направлению газового потока V_г (фиг. 4) ориентировка поперечного сечения при передаче по этому поворотному узлу изменяется только по потоку, а по второму узлу - и по потоку и по разряду. При расположении одного из поворотных узлов 5 перпендикулярно газовому потоку V_г и сочетании в этом направлении обращаемых поворотных узлов 5 и необращаемых электродных систем 2, 3 или необращаемых поворотных узлов 5 и обращаемых электродных систем 2, 3 ориентировка поперечного сечения при передаче по этому поворотному узлу изменяться на противоположную только по разряду, а по второму - и по потоку и по разряду.

Сочетание обращаемого поворотных узлов 5 и обращаемой электродной системы 2, 3 в схеме, показанной на фиг. 5 а, также изменяет ориентировку поперечного сечения и по потоку газа и по разряду.

При расположении поворотных узлов 5 перпендикулярно друг другу и под углом к газовому потоку Vr (фиг. 6) положение точек а, б, в, г после двух передач изменяется на прямо-противоположное и по газовому потоку и по разряду.

В случае расположения одного из двух взаимно-перпендикулярных поворотных узлов 5 под углом 90^o к газовому потоку положение точек а, б, в, г при передаче лазерного излучения по этому узлу изменяется на противоположное относительно разряда, а по другому узлу - относительно потока (фиг. 7, 8, 9).

При количестве проходов лазерного излучения 7 кратном четырем число проходов с прямой и обратной ориентировкой поперечного сечения одинаково (фиг. 10, 11, 12). В этом случае достигается максимальная однородность температуры и интенсивности по сечению.

Список литературы
1. Низьев В.Г., Гофман З.Н., Голубев В.С. Современные разработки мощных технологических лазеров: Препринт N 2 НИЦТЛ, Шатура, 1988. - 38 с. рис. 1.

2. Технологические лазеры: Справочник в 2 т. Т. 1. Расчет, проектирование и эксплуатация /Г.А. Абильсиитов, В.С. Голубев, В.Г. Гонтарь и др.;/ Под общ. ред. Г.А. Абильсиитова. - М.: Машиностроение, 1991, - 432с. Рис. 84.

3. Ананьев Ю. А. Оптические резонаторы и лазерные пучки. - М.: Наука, 1990.

Использование: изобретение относится к области лазерной техники, точнее к электрооптическим блокам лазеров с поперечной прокачкой газа. Сущность: электрооптический блок лазера с поперечной прокачкой газа включает в свой состав газоразрядную камеру с одним и несколькими разрядными промежутками и с обращаемыми или необращаемыми электродными системами, а также многопроходный оптический резонатор с задним глухим зеркалом, передней выводной системой и обращаемыми или необращаемыми поворотными узлами. Расположение соседних поворотных узлов и направление передач лазерного излучения по ним могут быть взаимно перпендикулярны, причем один из поворотных узлов может быть перпендикулярным газовому потоку при определенном сочетании типа поворотного узла и типа электродных систем. Число проходов лазерного излучения при этом может быть кратно четырем, что обеспечивает наибольшую равномерность температуры и интенсивности по сечению лазерного излучения. 12 ил.

1. Электрооптический блок лазера с поперечной прокачкой газа, включающий в свой состав газоразрядную камеру с одним или несколькими разрядами промежутками, в каждом из которых имеются обращаемые или необращаемые электродные системы для создания тлеющего разряда поперек газового потока, а также многопроходный оптический резонатор, состоящий из заднего глухого зеркала, передней выводной системы и обращаемых или необращаемых поворотных узлов для обеспечения нескольких проходов лазерного излучения по разрядным промежуткам и перехода излучения из одного разрядного промежутка в другой с изменением ориентировки поперечного сечения, отличающийся тем, что в нем из двух соседних поворотных узлов по крайней мере хотя бы один расположен под углом к направлению газового потока, а сочетание типов поворотных узлов и электродных систем обеспечивает при переходе через два соседних поворотных узла изменение ориентировки поперечного сечения лазерного излучения относительно и газового потока и разряда. 2. Блок по п.1, отличающийся тем, что расположение соседних поворотных узлов и направления передач лазерного излучения по ним взаимно перпендикулярны. 3. Блок по пп.1 и 2, отличающийся тем, что один из двух соседних поворотных узлов расположен перпендикулярно газовому потоку, причем обращаемый тип этого поворотного узла сочетается с необращаемой электродной системой, а необращаемый его тип сочетается с обращаемой электродной системой. 4. Блок по пп.1 - 3, отличающийся тем, что число проходов лазерного излучения кратно четырем.