МОЩНЫЙ КОМПАКТНЫЙ ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 1998 года по МПК H01S3/22 

Изобретение касается создания технологических лазеров и может быть использовано при разработке газовых лазеров различного применения.

Известен мощный, компактный газовый лазер с диффузионным охлаждением МТЛ-2 [1]. Блок генерации лазера состоит из пакета компактно размещенных параллельных разрядных трубок (85 шт.) длиной 1700 мм, объединенных двумя зеркалами - глухим и выходным. Каждая из трубок при работе лазера генерирует самостоятельное излучение, которое потом общими зеркалами собирается в единый пучок. Охлаждение трубок осуществляется за счет процесса молекулярной теплопроводности газа к охлаждаемым стенкам. Использование многоканальной схемы в данном лазере позволяет существенно повысить выходную мощность излучения (до 2,5 кВт) по сравнению с однолучевыми CO₂ лазерами с диффузионным охлаждением (погонная мощность W₀ обычно не превышает 50 Вт с одного метра длины таких лазеров и не зависит от диаметра трубок и давления газа, а полная мощность не превышает 1 кВт, см., например, [1], с. 115) и тем самым существенно расширить его технологические возможности.

Мощный компактный газовый лазер МТЛ-2 имеет следующие недостатки.

1. Блок генераций лазера МТЛ-2 представляет собой совокупность отдельных независимых лазеров. Поэтому совокупный пучок является некогерентным. Так как дифракционная расходимость излучения определяется из соотношения

где γ_диф - расходимость, D_n - определяющий дифракцию характерный размер пучка D_n = 100 мм, то для лазера МТЛ-2 она будет определяться внутренним диаметром разрядных трубок (5 мм), который гораздо меньше диаметра суммарного выходящего излучения, и будет, соответственно, достаточно большой - 5 мрад, намного превышающей дифракционную (предельную) расходимость, определяемую диаметром пучка трубок 0,5 мрад. Этот недостаток существенно увеличивает трудности, связанные с транспортировкой излучения к месту обработки, а также с ограничением его фокусировки, не позволяющим достичь высоких плотностей мощности сфокусированного пучка. Поэтому для наиболее распространенных видов лазерной обработки, таких как резка и сварка, лазер МТЛ-2 и аналогичные ему лазеры многоканального типа практически не применяются, а применяются лишь для термообработки и наплавки. Уменьшение расходимости за счет увеличения диаметра разрядных трубок ведет к резкому увеличению размеров лазера и диаметра луча, что в современных условиях производства неприемлемо.

2. Дальнейшее наращивание выходной мощности лазера МТЛ-2 имеет существенные ограничения, так как повышение мощности лазеров такого типа достигается увеличением количества разрядных трубок (мощность отдельной трубки кроме всего прочего зависит от ее длины и не зависит от ее диаметра, см., например, [1] , с. 114). Увеличение количества разрядных трубок резко усложняет конструкцию блока генерации лазера, возникают большие трудности при его сборке, юстировке, а также при эксплуатации. Надежность работы лазера снижается. Кроме того, увеличение количества разрядных трубок увеличивает габариты лазера и диаметры обоих зеркал резонатора, что сильно удорожает стоимость их изготовления.

Одним из решений задачи повышения мощности газового лазера с диффузионным охлаждением является использование щелевой конструкции разрядной камеры. При этом предельная выходная мощность излучения такого лазера увеличивается и будет прямо пропорциональна отношению максимального поперечного размера щели b к величине зазора a. . При увеличении геометрического фактора (b/a) происходит существенное увеличение выходной мощности лазера, по сравнению с W₀.

Одним из конструкторских решений щелевых лазеров является лазер [2], взятый за прототип. В нем камеру возбуждения образуют радиально расположенные электроды, между которыми находятся газоразрядные промежутки щелевой конструкции. Резонатор имеет глухое и выходное зеркала и формирует компактный пакет параллельных световых пучков. Использование радиального пакета газоразрядных камер щелевой конструкции позволяет повысить выходную мощность лазера по сравнению с вышеописанным аналогом.

Однако данный лазер имеет следующие недостатки. Как и в аналоге, выходящее из лазера излучение является совокупностью нескольких, по существу независимых, световых пучков и несмотря на частичное решение проблемы по мощности излучения лазер имеет все вышеуказанные недостатки многоканальной схемы резонатора.

Задачей изобретения является повышение качества излучения газовых лазеров при получении высоких параметров мощности выходного излучения, а также уменьшение его габаритов.

Для этого в газовом лазере, имеющем корпус, систему электродов, оптический резонатор, глухое зеркало, выходное зеркало, ось резонатора располагается перпендикулярно плоскостям электродов, электроды представляют собой чередующиеся вращающиеся и неподвижные диски, вращающиеся электроды закреплены на валу, имеющем привод вращения, плоскости вращающихся электродов перпендикулярны оси их вращения, а невращающиеся электроды закреплены на корпусе. Невращающиеся электроды имеют систему охлаждения, а также отверстия, расположенные на одной оси или нескольких осях, совпадающих с осью резонатора лазера. Вращающиеся электроды имеют также отверстия, расположенные на том же расстоянии от оси вращения, что и отверстия в неподвижных электродах. Отверстий во вращающихся электродах может быть существенно больше, чем в неподвижных, для увеличения частоты импульсного излучения.

При работе лазера газовая смесь, находящаяся в зазоре между неподвижным и подвижным электродами, увлекается последним, неся в себе накопленную в тлеющем разряде колебательную энергию. Пролетая мимо отверстий в электродах, в том случае если они совпадают, т.е. когда добротность резонатора высока, накопленная инверсная населенность преобразуется в каустике резонатора в импульс светового излучения. Световой импульс имеет фронт и спад, длительность которых равна времени прохождения краем отверстия во вращающемся электроде каустике резонатора. При частичном открытии резонатора выходное излучение будет искажено, поэтому важно, чтобы размер отверстия в движущемся электроде (в аксиальном направлении) был бы существенно большим, чем в неподвижном электроде.

Отметим, что излучение в предложенном лазере является когерентным в отличие от аналога и прототипа, а значит, существенно более качественным. При этой достаточно высокой скорости вращения почти не происходит потерь запасенной колебательной энергии, поскольку время пролета среды с запасенной колебательной энергией между отверстиями меньше, чем время релаксации этой энергии. Вращательное движение газа между стенками канала способствует его турбулентному перемешиванию, повышая тем самым теплоотдачу со стенками электродов. Это обстоятельство обеспечивает более эффективное охлаждение газовой смеси по сравнению с лазерами с диффузионным охлаждением, и, соответственно, повышает КПД работы лазера.

Предельная мощность, которую может излучать предложенный лазер с 1 м длины в предположении, что лазер охлаждается только за счет диффузии тепла на стенки электродов, что является, конечно, заниженной цифрой, определяется формулой
Пример. Лазер, включающий смесь CO₂, N₂, He, W₀ = 50Вт/м, диаметр электродов D = 4 см, a = 1 см, при условии, что толщина электродов равна разрядному промежутку. В этом случае предложенный лазер может излучать до , т.е. достигается компактность K = 250 кВт/м³, в то время как современные мощные лазеры обеспечивают компактность K = 1 - 10 кВт/м³.

Конструкция предлагаемого лазера поясняется иллюстрациями (фиг.1-4).

На корпусе 1 закреплены неподвижные электроды 2, имеющие расположенные на одной оси отверстия 3. Подвижные электроды 4 закреплены на валу 5. Вращение вала обеспечивается двигателем 6. Один из концов вала закреплен в подшипниковом узле 7, другой через герметичный подшипниковый узел 8 жестко соединен с валом двигателя. Вращающиеся электроды имеют отверстия 9. Расстояние от оси вращения до центров отверстий вращающихся и невращающихся электродов одинаково (расстояние a на фиг.1, 2). Невращающиеся электроды имеют систему каналов 10 охлаждения. Конструкция системы, а также ее конфигурация могут быть выполнены различными способами. Конструкция включает также глухое 11 и выходное 12 зеркала.

Резонатор может быть выполнен многопроходным. В этом случае количество отверстий в неподвижных дисках будет соответствовать числу проходов резонатора, а в подвижных равно или кратно этому числу.

Возможно использование в лазере устойчиво-неустойчивого резонатора [3, 4] . В этом случае плоскость неустойчивости ориентируется по радиусу, а в плоскости устойчивости резонатор выбирается одномодовым, при этом отверстия во вращающихся и неподвижных дисках имеют форму щели 13, вытянутой по радиусу (фиг.5).

Лазер работает следующим образом. Двигатель 6 обеспечивает вращение закрепленного в подшипниковых узлах 7 и 8 вала 5. Зажигается тлеющий разряд. В газовой смеси, создающей азот, двуокись углерода и гелий, создается инверсная заселенность. Для повышения устойчивости тлеющего разряда постоянного тока один из электродов необходимо секционировать, а секции подключать к источнику питания независимо. Наиболее просто секционировать неподвижный электрод. Во время тлеющего разряда вблизи электродов создается приэлектродный слой, в котором выделяется значительная мощность. Обычно в прикатодной области выделяется почти в 10 раз большая мощность, чем в прианодной области. Поэтому в случае, когда вращающиеся электроды не охлаждаются непосредственным охлаждением, а лишь обдуваются потоком газа, желательно, чтобы вращающиеся электроды были анодом, а неподвижные катодом. Если же имеется внутреннее охлаждение вращающихся электродов и они к тому же выполнены в виде трубки или лопасти с ограниченной поверхностью, то возможно изменение полярности электродов: вращающиеся катоды, а неподвижные аноды.

Возможен также тлеющий разряд между электродами переменного тока (обычно в диапазоне частот 10 кГц - несколько сот килогерц). В этом случае для повышения устойчивости разряда по крайней мере один из электродов необходимо покрыть разрядно-стойким диэлектриком, таким как стекло, эмаль, керамика, окисная пленка.

При использовании тлеющего разряда высокой частоты (в диапазоне десятков мГц) возможно использование как покрытых кварцевым стеклом электродов, так и непокрытых, голых электродов.

При вращении вала вращаются и закрепленные на нем электроды 4. В момент совпадения отверстий 9 вращающихся электродов с отверстиями 3, расположенных на неподвижно закрепленных в корпусе 1 электродах 2 происходит генерация излучения между зеркалами 11 и 12 с его выходом (фиг.1). После того как отверстия вращающихся электродов "проходят" отверстия невращающихся электродов, генерация прекращается. Возникает импульсно-периодический режим генерации излучения. За то время, когда оси отверстий вращающихся и неподвижных электродов не совпадают, происходит накопление инверсии. Во время следующего совпадения отверстий подвижных дисков с отверстиями неподвижных электродов происходит следующий импульс и так далее. Регулирование скорости вращения вала позволяет регулировать частоту импульсов излучения. При выполнении резонатора многопроходным оси каждого прохода резонатора совпадают с осями групп отверстий в неподвижных электродах. При использовании устойчиво-неустойчивого резонатора [3] отверстия во вращающихся и неподвижных электродах имеют форму щели 13, вытянутой по радиусу. В остальном принцип работы лазера не меняется.

Для более эффективного съема энергии, у вращающихся и неподвижных электродов могут быть развитые поверхности. Возможен вариант, когда вращающиеся и неподвижные электроды будут иметь одинаково (синфазно) изменяющиеся по радиусу профили поверхности. В этом случае в процессе вращения зазор между электродами не будет изменяться, но поверхность электродов и теплоотдача на них могут быть значительно увеличены (фиг.6). На фиг.7 показана развертка электродов с переменным по углу вращения зазором между ними. В этом случае разряд будет загораться только в те промежутки времени, когда будут реализоваться минимальные разрядные промежутки, например, непосредственно перед каустикой резонатора.

Важным случаем предложенного изобретения является наличие у вращающегося электрода диэлектрического выступа (лопасти), который почти полностью перекрывает разрядный промежуток. В этом случае будет происходить перемещение возбужденного газа мимо каустики резонатора со скоростью вращения электродов почти без проскальзывания
Дальнейшая модификация электродов - выполнение их или по крайней мере только вращающегося электрода в виде сопла Лаваля. Наличие участка со сверхзвуковой струей приводит к динамическому охлаждению газа до криогенных температур и резкому повышению эффективности работы лазера с активной молекулой на моноокиси углерода (CO). Привлекательность смеси на CO обусловлена потенциально высоким КПД работы такого лазера.

Литература
1.Технологические лазеры: Справочник, т. 1. Под ред. Г.А. Абильсиитова и др. М: Машиностроение, 1991.

2. Bilida W.D., H.JJ, Seguin, C.E. Capjack Resonant carvity excitation sustem for radial array slab CO₂ lasers. J.Appl. Phys. 78 (7) October 1995, pp. 4319-4322.

3. Забелин А.М. Заявка на изобретение N 95110469 от 22 июня 1995 г. Проточный газовый лазер с устойчиво-неустойчивым резонатором. Решение о выдаче патента от 27 сентября 1996 г.

4. Галушкин М.Г., Голубев В.С., Дембовецкий В.В., Забелин А.М. Исследование физических и технических факторов, определяющих количество излучения промышленных CO₂ лазеров киловатного уровня мощности.-Известия Академии наук, серия физическая, т. 60, N 12, с. 159-161.

Использование: предлагаемая конструкция технологического лазера может быть использована при создании компактных лазеров рабочей смеси большой мощности. Сущность изобретения: блок генерации лазера состоит из корпуса, оптического резонатора, имеющего систему электродов, а также глухого и выходного окон. Отличительной особенностью лазера является то, что ось резонатора перпендикулярна плоскости его электродов. Система электродов представляет собой ряд чередующихся вращающихся и неподвижных электродов. Вращающиеся электроды закреплены на валу, имеющем привод вращения. Неподвижные электроды закреплены на корпусе. Вращающиеся и неподвижные диски имеют отверстия, расположенные на одной оси. Неподвижные электроды имеют систему охлаждения. Конструкция резонатора может быть выполнена многопроходной. В этом случае оси каждого прохода резонатора совпадают с осями отверстий, просверленных в неподвижных электродах. Вращающиеся электроды обеспечивают более интенсивный теплоперенос от газовой смеси к стенкам и тем самым обеспечивается более высокий КПД работы лазера. 13 з. п. ф-лы, 7 ил.

1. Мощный компактный газовый лазер, содержащий корпус, систему электродов для возбуждения тлеющего разряда, оптический резонатор, включающий глухое и выходное зеркала, отличающийся тем, что ось резонатора перпендикулярная плоскости вращения его электродов, система электродов состоит из чередующихся вращающихся и неподвижных электродов, причем вращающиеся электроды жестко скреплены с валом, имеющим привод вращения, а неподвижные электроды закреплены на корпусе и имеют систему охлаждения, при этом вращающиеся и неподвижные электроды разделены разрядным промежутком с размером много меньшим, чем диаметр электродов, вращающиеся и неподвижные электроды имеют соосные отверстия, ось неподвижных отверстий совпадает с осью резонатора, а расстояние от оси вращения электродов до оси, на которой расположены отверстия вращающихся электродов, равно расстоянию от оси вращения электродов до оси резонатора. 2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что подвижные электроды имеют систему охлаждения. 3. Лазер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что по крайней мере электроды одного типа (подвижные или неподвижные) являются секционированными. 4. Лазер по пп.1 - 3, отличающийся тем, что между элекродами возбуждается тлеющий разряд постоянного тока, причем неподвижные электроды являются катодом, а подвижные электроды - анодом. 5. Лазер по пп.1 - 3, отличающийся тем, что между электродами возбуждается высокочастотный тлеющий разряд. 6. Лазер по пп.1 - 3, отличающийся тем, что между электродами зажигается тлеющий разряд переменного тока, причем по крайней мере хотя бы один тип электродов (подвижные или неподвижные) имеют диэлектрическое емкостное покрытие, увеличивающее устойчивость разряда. 7. Лазер по пп.1 - 6, отличающийся тем, что оптический резонатор выполнен многопроходным, каждый неподвижный электрод имеет несколько отверстий, причем количество отверстий равно количеству проходов оптического резонатора, а их оси совпадают с осями проходов оптического резонатора. 8. Лазер по пп.1 - 7, отличающийся тем, что оптический резонатор является устойчиво-неустойчивым, причем плоскость неустойчивости ориентирована по радиусу электродов, а в перпендикулярной к ней плоскости устойчивости резонатор является одномодовым. 9. Лазер по п.8, отличающийся тем, что отверстия в электродах имеют форму щели, вытянутой по радиусу. 10. Лазер по пп.1 - 9, отличающийся тем, что зазор между вращающимся и неподвижным электродами переменный по углу вращения. 11. Лазер по п.10, отличающийся тем, что вращающийся электрод включает в себя по крайней мере одну лопасть. 12. Лазер по пп.10 и 11, отличающийся тем, что упомянутая лопасть является диэлектрической, перекрывает почти весь разрядный промежуток. 13. Лазер по пп.1 - 12, отличающийся тем, что вращающийся и неподвижный электроды имеют одинаково изменяющиеся по радиусу профили с постоянной величиной зазора между ними. 14. Лазер по п.10, отличающийся тем, что электроды образуют сужающийся и затем расширяющийся канал в виде сверхзвукового сопла, в котором происходит динамическое дополнительное охлаждение рабочей смеси газов, а сама газовая смесь включает моноокись углерода СО.