ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР С ПОПЕРЕЧНОЙ ПРОКАЧКОЙ Российский патент 1998 года по МПК H01S3/22 

Изобретение относится к области лазерной техники, а более конкретно - к области мощных газовых лазеров.

Известно устройство - газовый лазер с поперечной прокачкой, состоящий из газоразрядной камеры, включающей плоский анод и катод круглой или овальной формы и устойчивый многопроходный одномодовый резонатор [1]. Согласно [1] устойчивый многопроходный одномодовый резонатор состоит из полностью отражающих поворотных плоских зеркал, сферического заднего зеркала и полупрозрачного выходного зеркала. Охлаждение полностью отражающих зеркал происходит по тыльной поверхности зеркала, а полупрозрачного выходного зеркала - по его боковой поверхности. Охлаждение полупрозрачного зеркала является значительно менее эффективным, чем охлаждение полностью отражающего зеркала. При высоких уровнях мощности полупрозрачное зеркало испытывает значительные термодеформации и вследствие этого аберрации выходного пучка и даже может разрушиться. Поперечный размер основной моды является, как правило, значительно меньше, чем зазор разрядной камеры, что приводит к снижению КПД.

Недостатком изобретения - аналога вследствие этого является низкая выходная мощность и КПД, а также большие аберрации полупрозрачного выходного зеркала, которые могут заметно искажать выходной пучок лазера.

Известно также устройство [2] - газовый лазер с поперечной прокачкой, который мы приняли за прототип, включающий газоразрядную камеру, устойчиво-неустойчивый резонатор, плоскость неустойчивости которого развернута под углом к газовому потоку, в частности перпендикулярно к потоку.

В таком лазере устранены недостатки, свойственные устройству- аналогу. Резонатор включает только отражающую оптику. Каустика резонатора может иметь в неустойчивой плоскости (поперек потока) достаточно большой размер, и поэтому КПД такого лазера велик.

Однако устройство-прототип имеет следующий недостаток. В плоскости неустойчивости резонатора имеет место дифракция на краю зеркала, которая приводит к появлению в выходном излучении дифракционных полос, параллельных краю зеркала. Этот эффект приводит к снижению качества излучения.

Задачей изобретения является обеспечение высокого качества выходного излучения.

Для этого в качестве оптического резонатора выбран устойчиво-неустойчивый резонатор, который может быть многопроходным, ориентированный таким образом, что плоскость неустойчивости упомянутого резонатора является перпендикулярной газовому потоку, а в устойчивой плоскости резонатор является одномодовым. На фиг. 1 изображена газоразрядная камера и устойчиво-неустойчивый резонатор со стороны выходного луча, на фиг. 2 изображена газоразрядная камера и устойчиво-неустойчивый резонатор со стороны потока газа.

Устойчиво-неустойчивый резонатор состоит из концевых зеркал 10 и 11, одно из которых является сферическим 10, а другое 11 цилиндрическим (или торроидальным) плоских поворотных зеркал 5 и возможно выводного зеркала и диафрагмы. Для обеспечения компактного выходного пучка 9 резонатор юстируется таким образом, чтобы оптическая ось 6 резонатора, т.е. прямая, проходящая перпендикулярно обоим концевым зеркалам, проходила бы около края отверстия связи выводного зеркала или края малого зеркала резонатора. В этом случае будет реализовываться выходное излучение с двумя существенно неравными выходными пучками. Один из пучков в 10 и более раз является более мощным, чем другой. Выходной пучок малой мощности попросту экранируют. Экранирование маломощного пучка тем не менее может привести из-за эффектов дифракции в резонаторе к нежелательному искажению волнового фронта и снижению качества излучения.

Согласно изобретению предлагается ориентировать разрядную камеру и устойчиво-неустойчивый резонатор таким образом, чтобы существенно ослабить влияние второго маломощного пучка, для чего оптическую ось устойчиво-неустойчивого резонатора расположить вблизи (или внутри) тени, создаваемой в газовом потоке выступающим в него электродом. Ниже мы рассмотрим в качестве примера разрядную камеру, включающую плоский анод и круглый или овальный катод, но возможен также случай, когда один из электродов (катод или анод) является рядом игл, выступающих в поток.

Изобретение работает следующим образом. В зоне 1 между катодом 4 и анодом 3 происходит возбуждение молекул активного газа в потоке 8 с помощью электрического тлеющего разряда. Возбужденные молекулы сносятся потоком 8 параллельно аноду, пересекая все проходы луча 5 многопроходного резонатора. В зоне 2 газового потока, которая образована тенью катода 4 и частью потока, обтекающего катод с противоположной от анода стороны, имеется гораздо меньше возбужденных молекул, чем в зоне 1, поэтому соответствующий пучок устойчиво-неустойчивого резонатора, проходящий по зоне 2, будет испытывать значительно меньшее усиление, чем пучок, проходящий по зоне 1.

Сочетание мягкого края усиления в переходной зоне между 1 и 2 и соответствующим образом съюстированным резонатором, так что ось проходит вблизи или по границе между зоной 1 или 2, приводит к тому, что ослабляются дифракционные эффекты, приводящие к изрезанности пучка выходного излучения, т.е. повышается качество излучения. В то же время большее, чем в случае устойчивого резонатора заполнения зазора камеры возбуждения приводит к большей мощности и соответственно к большему КПД лазера, чем в случае устойчивого резонатора.

Использование: изобретение относится к лазерной технике. Для повышения качества выходного излучения мощный газовый лазер с поперечной прокачкой содержит газоразрядную камеру, состоящую из двух электродов, один из которых круглый или овальный, а другой плоский. Резонатор в таком лазере выполняют устойчиво-неустойчивым с односторонним выводом излучения, плоскость неустойчивости разворачивают поперек потолка, а ось резонатора располагают на уровне круглого или овального электрода таким образом, что каустика резонатора проходит между плоским и овальным электродом. 3 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Газовый лазер с поперечной прокачкой, включающий газоразрядную камеру, образованную двумя электродами, один из которых выступает в поток активной среды и обтекается им, а также устойчиво-неустойчивый резонатор, в котором плоскость неустойчивости расположена под углом, в том числе равным 90^o, к газовому потоку, так что каустика резонатора пересекает газовый поток, протекающий между электродами, причем резонатор выполнен с односторонним выводом излучения, отличающийся тем, что ось резонатора проходит на уровне края выступающего в поток электрода. 2. Газовый лазер по п.1, в котором выступающий в поток электрод имеет круглую или овальную форму. 3. Газовый лазер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что резонатор выполнен многопроходным. 4. Газовый лазер по пп.1 - 3, отличающийся тем, что в разрядной камере осуществляется тлеющий разряд постоянного тока в потоке газовой смеси, включающей СО₂.