БЛОК ГЕНЕРАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ МНОГОКАНАЛЬНОГО ЛАЗЕРА Российский патент 1998 года по МПК H01S3/03 

Изобретение относится к лазерному оборудованию, а точнее к блокам генерации излучения многоканальных лазеров.

Известен блок генерации многоканального лазера, включающий в свой состав коробчатый корпус с двумя торцевыми фланцами, герметично прилегающими к корпусу, продольные газоразрядные трубы с прокачиваемым по ним рабочим газом, расположенные в виде пакета внутри корпуса и плотно вставленные в фланцевые отверстия с выходом торцов наружу, крышки, герметично подсоединенные к внешним поверхностям торцевых фланцев и имеющие вводы для напуска и откачки рабочего газа, а также зеркала оптического резонатора, закрепленные внутри крышек торцевые фланцы корпуса одновременно являются и плитами оптического резонатора, стянутыми штангами из материала с малым коэффициентом линейного расширения, расположенными внутри корпуса.

Это техническое решение является наиболее близким к заявляемому объекту, т.е. прототипом.

Недостатки указанного устройства заключаются в невысокой компактности конструкции, недостаточной надежности и безопасности из-за сложной конструкции электродов и токоподводов, а также неширокий спектр технологических возможностей и невысокое качество излучения из-за объемного расположения газоразрядных труб и неэффективности охлаждения.

Задачами изобретения являются повышение компактности, надежности и безопасности, а также расширение технологических возможностей и улучшение качества излучения.

Поставленные задачи в предлагаемом устройстве выполняются за счет того, что корпус имеет цилиндрическую форму и выполнен из электроизоляционного материала, внутри корпуса перпендикулярно его оси расположены сепараторы с отверстиями, в которые вставлены газоразрядные трубы, над поверхностью газоразрядных труб имеется герметичная полость для прокачки нетокопроводящей жидкости, при этом сепараторы имеют окна для протекания охлаждающей жидкости, газоразрядные трубы в пакете расположены в один ряд в диагональной плоскости корпуса на одинаковом расстоянии друг от друга, а кольцевые электроды вставлены в зазоры между стенками отверстий сепараторов и поверхностью газоразрядных труб, высокое переменное напряжение подается к электродам через сепараторы, выполненные из электропроводящего материала, к ним через продольные шины, расположенные в охлаждающей нетокопроводящей жидкости, охлаждающая жидкость прокачивается в герметичной полости, отделенной от корпуса специальной стенкой, а окна для протекания охлаждающей жидкости в смежных сепараторах размещены диаметрально противоположно, сепараторы скреплены продольными крепежными трубами, изготовленными из того же материала, что и газоразрядные трубы, и образующие по обе стороны от пакета газоразрядных труб два симметричных замкнутых контура, внешние ветви которых образуют цилиндрическую поверхность концентричную корпусу, а внутренние ветви расположены в плоскостях, параллельных плоскости пакета газоразрядных труб, окна в сепараторах для протекания охлаждающей жидкости расположены внутри одного из контуров, образованных крепежными трубами, внутрь крепежных труб вставлены две продольные шины для подвода высокого переменного напряжения, соединенные с сепараторами и выведенные наружу из корпуса; стягивающие штанги оптического резонатора расположены вне корпуса, а герметичная полость для прокачки охлаждающей жидкости образована внутренними стенками корпуса и наружными стенками труб.

Блок генерации излучения многоканального лазера может быть выполнен в варианте, в котором оптический резонатор состоит из переднего выходного зеркала, расположенного у выходного торца центральной газоразрядной трубы в пакете перпендикулярно ее оси, двух поворотных призм, зеркала которых расположены у торцов остальных газоразрядных труб под углом 45^o к их осям и под углом 90^o друг к другу, причем плоскость биссектрисы угла призмы со стороны переднего выходного зеркала совмещена с плоскостью симметрии расположения газоразрядных труб в пакете, а плоскость биссектрисы угла противоположной призмы параллельно смещена на расстояние, равное половине расстояния между газоразрядными трубами; заднего глухого зеркала, расположенного возле смещенной поворотной призмы со стороны ее смещения параллельно оси пакета и подающего излучение через поворотную призму в противоположную крайнюю газоразрядную трубу, что обеспечивает последовательный обход лазерного излучения по всем газоразрядным трубам от крайних к центральным, а после переднего выходного окна расположена телескопическая система для увеличения апертуры излучения.

Представленный блок генерации излучения многоканального лазера может быть представлен также в таком исполнении, в котором крайние сепараторы в пакете расположены непосредственно у торцов, они соединены с фланцами фиксирующими пальцами и имеют по четыре окна для протекания охлаждающей жидкости к поверхности фланцев.

Кроме того, в блоке генерации излучения многоканального лазера уплотнение между поверхностью каждой из газоразрядных труб и поверхностью фланцев может достигаться за счет кольцевой эластичной прокладки, расположенной в цилиндрическом углублении фланца, концентричном газоразрядной трубе, причем кольцевая эластичная прокладка поджата через промежуточную шайбу цилиндрической гайкой с отверстием для газоразрядной трубы.

Цилиндрическая форма корпуса, расположение газоразрядных труб в пакете в один ряд на одинаковом расстоянии друг от друга в диагональной плоскости корпуса, образование герметичной полости для прокачки охлаждающей жидкости внутренними стенками корпуса и наружными стенками труб без дополнительных продольных стенок, расположение стягивающих штанг оптического резонатора вне корпуса позволяет повысить компактность конструкции.

Скрепление сепараторов продольными крепежными трубами, изготовленными из того же материала, что и газоразрядные трубы, и образующих по обе стороны от пакета два симметричных замкнутых контура, расположение крайних сепараторов в пакете непосредственно у торцевых фланцев и соединение их с фланцами фиксирующими пальцами, размещение продольных шин в двух крепежных трубах, изготовление корпуса из электроизоляционного материала - эти конструктивные меры приводят к повышению прочности конструкции пакета и к снижению опасности пробоя между токоведущими элементами и корпусом. Уплотнение между поверхностью каждой газоразрядной трубы и поверхностью фланцев с помощью кольцевой эластичной прокладки, поджатой через промежуточную шайбу цилиндрической гайкой обеспечивает высокую герметичность и стойкость при ударных нагрузках и вибрациях. В результате надежность и безопасность устройства повышается.

Расположение окон в сепараторах для протекания охлаждающей жидкости внутри одного из контуров, образованных крепежными трубами, позволяет увеличить размеры окон и повысить эффективность протекания охлаждающей жидкости. Выполнение крепежных труб из того же материала, что и газоразрядные трубы, наличие в крайних сепараторах в пакете по четыре окна приводит к улучшению условий термостабилизации пакета газоразрядных труб и плит оптического резонатора, а следовательно, и к улучшению качества лазерного излучения.

Расширению технологических возможностей способствует расположение газоразрядных труб в пакете в один ряд на одинаковом расстоянии друг от друга. При наличии обычного для многоканального лазера оптического резонатора, состоящего из двух общих для всего пакета резонаторных зеркал, лазерное излучение в поперечном сечении будет иметь ленточную форму, что оптимально для операций термообработки. При наличии оптического резонатора по п. 2, обеспечивающего последовательный обход лазерного излучения по всем газоразрядным трубам с телескопической системой, излучение имеет одномодовую структуру, что оптимально для операций сварки, резки отверстий.

На фиг. 1 схематично показан внешний вид блока генерации излучения многоканального лазера. Корпус 1 имеет цилиндрическую форму и выполнен из электроизоляционного материала, в корпус 1 герметично вставлены два торцевых фланца 2, стянутые штангами 3 из материала с малым коэффициентом линейного расширения, расположенными вне корпуса 1. Внутри корпуса 1 в диагональной плоскости в виде пакета в один ряд на одинаковом расстоянии друг от друга расположены продольные газоразрядные трубы 4, плотно вставленные в отверстия в фланцах 2 с выходом торцов наружу. Газоразрядные трубы изготовлены из диэлектрического материала, например, из кварцевого стекла. Перпендикулярно оси корпуса 1 внутри расположены сепараторы 5 круглой формы, выполненные из электропроводящего материала и имеющие отверстия, в которые вставлены газоразрядные трубы 4. В зазоры между стенками отверстий сепараторов 5 и поверхностью газоразрядных труб 4 вставлены кольцевые электроды 6, выполненные из электропроводящего материала, например из медной фольги.

Между поверхностью газоразрядных труб 4, корпуса 1 и фланцев 2 имеется герметичная полость 7 для прокачки охлаждающей жидкости, а сепараторы 5 имеют окна 8 для протекания охлаждающей жидкости, размещенные в смежных сепараторах 5 диаметрально противоположно.

К внешним поверхностям торцевых фланцев 2 герметично подсоединены крышки 9, имеющие вводы 10 для напуска и откачки рабочего газа. Внутри крышек 9 на торцевых фланцах 2 закреплены заднее глухое зеркало 12 (обычно, полупрозрачное) оптического резонатора, общее для всех газоразрядных труб 4 (фиг. 1).

Сепараторы 5 скреплены крепежными трубами 13, изготовленными из того же материала, что и газоразрядные трубы 4, и образующие по обе стороны от пакета газоразрядных труб 4 два симметричных замкнутых контура 14, внешние ветви которых образуют цилиндрическую поверхность, концентричную корпусу 1, а внутренние ветви расположены в плоскостях, параллельных плоскости пакета газоразрядных труб 4 (фиг. 2). Окна 8 для протекания охлаждающей жидкости расположены внутри одного из контуров 14, образованных крепежными трубами 13.

Внутри двух крепежных труб 13 вставлены две продольные шины 15 для подвода высокого переменного напряжения, соединенные с сепараторами 5 и выведенные наружу из корпуса 1 (фиг. 3). При этом каждая продольная шина 15 соединена с сепараторами 5 через один с образованием двух параллельных групп электродов. Соединение продольной шины 15 с сепаратором 5 может осуществляться с помощью винтов, в крепежной трубе 13 для соединения имеется прорезь.

На фиг.4 показано поперечное сечение корпуса 1 с пакетом газоразрядных и крепежных труб 4 и 14 по крайнему в пакете сепаратору 5. В сепараторе 5 имеется четыре окна 8 для протекания охлаждающей жидкости, а также фиксирующие пальцы 16 для соединения сепараторов 5 с фланцами 2.

На фиг.5 показан узел уплотнения между поверхностью газоразрядной трубы 4 и поверхностью фланца 2. В цилиндрическом углублении фланца 2, концентричном газоразрядной трубе 4, расположена кольцевая эластичная прокладка 17, поджатая через промежуточную шайбу 18 цилиндрической гайкой 19.

На фиг. 6 приведен вид сверху блока генерации излучения многоканального лазера в таком варианте, когда конструкция оптического резонатора обеспечивает последовательный обход лазерного излучения по всем газоразрядным трубам 4 от крайних к центральной. У выходного торца центральной газоразрядной трубы 4 расположено переднее выходное зеркало 12, у торцов остальных газоразрядных труб 4 расположены две поворотные призмы 20 и 21, зеркала которых расположены под углом 45^o, оси пакета и под углом 90^o друг к другу. Плоскость биссектрисы угла призмы 20 совмещена с плоскостью симметрии расположения газоразрядных труб 4, а плоскость биссектрисы угла призмы 21 смещена на расстояние b/2, где b - расстояние между газоразрядными трубами 4. Заднее глухое зеркало 11 со стороны смещения призмы 21 параллельно оси пакета. После выходного зеркала 12 по ходу лазерного излучения расположена телескопическая система 22 для увеличения апертуры излучения.

Предложенный блок генерации излучения многоканального лазера работает следующим образом. Внутри газоразрядных труб 4 прокачивают рабочий газ через вводы и выводы 10 в крышках 9, герметично подсоединенных к торцевым фланца 2 корпуса 1. Через герметичную полость 7, образованную внешними поверхностями газоразрядных труб 4, а также внутренними поверхностями корпуса 1 и фланцев 2 прокачивают охлаждающую нетокопроводящую жидкость, например трансформаторное масло (фиг. 1).

К кольцевым электродам 6 через сепараторы 5 и продольные шины 15 подают высокое переменное напряжение для поджигания тлеющего разряда в газоразрядных трубах 4 (фиг. 3).

Для придания жесткости пакету газоразрядных труб 4 сепараторы 5 скреплены продольными крепежными трубами 13 и 14, изготовленными из того же материала, что и газоразрядные трубы 4. Крепежные трубы 13 и 14 образуют по обе стороны пакета газоразрядных труб 4 два симметричные замкнутые контура, внешние ветви 14, в которых образуют цилиндрическую поверхность, а внутренние ветви 13 параллельно плоскости газоразрядных труб 4, что обеспечивает достаточную прочность конструкции и минимальные поперечные деформации при нагреве (фиг. 2). Для максимальной прочности конструкции крайние сепараторы 5 расположены у фланцев 2, охлаждающая жидкость поверхности фланцев 2 проходит через четыре окна 8 в крайних сепараторах 5, а пакет газоразрядных труб 4 скреплен с фланцами 2 фиксирующими пальцами 16 (фиг. 4).

Проникновение охлаждающей жидкости внутрь газоразрядных труб 4 предотвращают за счет кольцевых эластичных прокладок 17, расположенных в цилиндрическом углублении в фланцах 2 (фиг. 5). Кольцевые эластичные прокладки 14 поджаты к поверхности фланцев 2 и поверхности газоразрядных труб 4 цилиндрической гайкой 19 через шайбу 18.

Генерация лазерного излучения осуществляется при многократном отражении его от заднего глухого зеркала 11 и переднего выходного зеркала 12, закрепленных на фланцах 2, стянутых штангами 3 из материала с малым коэффициентом линейного расширения, например, из инвара. В случае расположения у торцов пакета двух общих зеркал 11 и 12 (фиг. 1) лазерное излучение на выходе из блока генерации будет приближаться к прямоугольной или ленточной форме, что оптимально для операций термообработки. В случае расположения у торцов пакета кроме заднего глухого зеркала 11 и переднего выходного зеркала 12 двух поворотных призм 20 и 21, лазерное излучение отражается от заднего глухого зеркала 11 поворотной призмы 21 и далее последовательно проходит по всем газоразрядным трубам 4 от крайних к центральной (фиг. 6). После выхода через переднее выходное зеркало 12 лазерное излучение имеет небольшой диаметр, как правило менее 10 мм, что неудобно для его транспортировки и фокусировки. Поэтому на выходе из блока генерации имеется телескопическая система 22, расширяющая выходную апертуру излучения. В таком исполнении оптического резонатора излучение имеет одномодовую структуру, что оптимально для осуществления операций резки, сварки, перфорации отверстий.

Использование: изобретение относится к области лазерного оборудования, а точнее к блокам генерации излучения многоканальных лазеров. Сущность изобретения: корпус лазера имеет цилиндрическую форму и выполнен из электроизоляционного материала, газоразрядные трубы в пакете расположены в один ряд в диагональной плоскости корпуса на одинаковом расстоянии друг от друга, сепараторы скреплены продольными крепежными трубами, изготовленными из того же материала, что и газоразрядные трубы, и образующие по обе стороны от пакета газоразрядных труб два симметричных замкнутых контура, внешние ветви которых образуют цилиндрическую поверхность концентричную корпусу, а внутренние ветви расположены в плоскостях, параллельных плоскости пакета газоразрядных труб, окна в сепараторах для протекания охлаждающей жидкости расположены внутри одного из контуров, образованных крепежными трубами, внутрь крепежных труб вставлены две продольные шины для подвода высокого переменного напряжения, соединенные с сепараторами и выведенные наружу из корпуса; стягивающие штанги оптического резонатора расположены вне корпуса, а герметичная полость для прокачки охлаждающей жидкости образована внутренними стенками корпуса и наружными стенками труб. Возможны варианты выполнения. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Блок генерации излучения многоканального лазера, включающий полый корпус с двумя торцевыми фланцами, герметично прилегающими к корпусу и одновременно являющимися плитами оптического резонатора, стянутыми штангами из материала с малым коэффициентом линейного расширения, продольные газоразрядные трубы с прокачиваемым по ним рабочим газом, расположенные в виде пакета внутри корпуса и плотно вставленные в фланцевые отверстия с выходом торцов наружу, а также зеркала оптического резонатора, закрепленные внутри крышек на торцевых фланцах, отличающийся тем, что корпус имеет цилиндрическую форму и выполнен из электроизоляционного материала, внутри корпуса перпендикулярно его оси расположены сепараторы круглой формы из электропроводящего материала с отверстиями, в которые вставлены газоразрядные трубы, причем газоразрядные трубы в пакете расположены в один ряд в диагональной плоскости корпуса на одинаковом расстоянии друг от друга, а в зазоры между стенками отверстий сепараторов и поверхностью газоразрядных труб вставлены кольцевые электроды, высокое напряжение к которым подается через сепараторы, над поверхностью газоразрядных труб имеется геометричная полость для прокачки охлаждающей жидкости, при этом сепараторы имеют окна для протекания охлаждающей жидкости, размещенные в смежных сепараторах диаметрально противоположно, крышки, герметично подсоединенные к внешним поверхностям торцевых фланцев и имеющие вводы для откачки и напуска рабочего газа, сепараторы скреплены продольными крепежными трубами, изготовленными из того эе материала, что и газоразрядные трубы, и образующие по обе стороны пакета газоразрядных труб два симметричных замкнутых контура, внешние ветви которых образуют цилиндрическую поверхность, концентричную корпусу, а внутренние ветви расположены в плоскостях, параллельных плоскости пакета газоразрядных труб, окна в сепараторах для протекания охлаждающей жидкости расположены внутри одного из контуров, образованных трубами, внутрь крепежных труб вставлены две продольные шины для подвода высокого напряжения, соединенные сепараторами и выведенные наружу из корпуса, стягивающие штанги оптического резонатора расположены вне корпуса, а герметичная полость для прокачки охлаждающей жидкости образована внутренними стенками корпуса и наружными стенками труб. 2. Блок по п.1, отличающийся тем, что оптический резонатор состоит из переднего выходного зеркала, расположенного у выходного торца центральной газоразрядной трубы в пакете перпендикулярно ее оси, двух поворотных призм, зеркала которых расположены у торцов остальных газоразрядных труб под углом 45^o к их осям и под углом 90^o друг к другу, причем плоскость биссектрисы угла призмы со стороны переднего выходного зеркала совмещена с плоскостью симметрии расположения газоразрядных труб в пакете, а плоскость биссектрисы угла противоположной призмы параллельно смещена на расстояние, равное половине расстояния между газоразрядными трубами, заднего глухого зеркала, расположенного возле смещенной поворотной призмы со стороны ее смещения параллельно оси пакета и подающего излучение через поворотную призму в противоположную крайнюю газоразрядную трубу, что обеспечивает последовательный обход лазерного излучения по всем газоразрядным трубам от крайних к центральной, а после переднего выходного зеркала расположена телескопическая система для увеличения апертуры излучения. 3. Блок по пп.1 и 2, отличающийся тем, что крайние сепараторы в пакете расположены непосредственно у торцевых фланцев, они соединены с фланцами фиксирующими пальцами и имеют по четыре окна для протекания охлаждающей жидкости к поверхности фланцев. 4. Блок по пп.1, 2, 3, отличающийся тем, что уплотнение между поверхностями каждой из газоразрядных труб и поверхностью фланцев достигается за счет кольцевой эластичной прокладки, расположенной в цилиндрическом углублении фланцев, концентричном газоразрядной трубе, причем кольцевая эластичная прокладка поджата через промежуточную шайбу цилиндрической гайкой с отверстием для газоразрядной трубы.