ЛАЗЕР С КОНТРОЛИРУЕМОЙ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ Российский патент 1998 года по МПК H01S3/10 

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

Для таких технологических процессов, как лазерная сварка и резка металлов, большое значение имеет состояние поляризации лазерного излучения. Известно, что ориентация плоскости поляризации падающего на металл излучения вдоль направления реза или вдоль стыка при сварке существенно повышает производительность этих процессов. Наоборот, для фигурной резки по разным направлениям желательно иметь либо деполяризованное излучение, либо излучение с круговой поляризацией, в противном случае лазерная резка будет иметь такие дефекты, как скос кромок, различную ширину реза в разных направлениях, наличие грата, непрорезов и т.д..

Известен лазер, принятый нами за прототип (фиг.1), содержащий активную среду с однородно уширенной линией усиления 6, оптический резонатор, включающий концевые 1, 4 и промежуточные зеркала 2, 3, на которые излучение падает под определенным углом [1]. В этом лазере поляризационное состояние контролируется введением небольшой разности потерь для ортогональных поляризаций при падении излучения на зеркало 5 под углом 45^o. При отражении от зеркала излучение испытывает некоторую трансформацию своего поляризационного состояния. Прежде всего имеет место небольшой фазовый сдвиг между ортогональными составляющими поляризации, ориентированными в плоскости падения излучения и в перпендикулярной ей плоскости Δϕ. Этот эффект называется фазовой поляризационной анизотропией при отражении от зеркала. Также существует и амплитудная поляризационная анизотропия, т. е. неравенство амплитуд (интенсивностей) излучения, отраженного от зеркала поляризованных в плоскости и поперек плоскости падения излучения на зеркало ΔA. Поляризационная и фазовая анизотропия растут с увеличением угла падения излучения на зеркало. Обычно фазовая анизатропия составляет несколько градусов, но с помощью нанесения на зеркало тонкопленочных покрытий можно добиться фазовой поляризационной анизотропии 90^o и более. Амплитудная поляризационная анизотропия у непокрытых металлических зеркал составляет 0,001... 0,01 и зависит от вида металла и угла падения. Пленочные покрытия могут как увеличивать, так и уменьшать величину амплитудной поляризационной анизотропии.

При наличии в резонаторе нескольких поляризационно-анизотропных зеркал полная анизотропия суммируется.

Наличие в оптическом резонаторе поляризационно-анизотропных зеркал или других оптических устройств приводит к появлению двух ортогональных поляризационных мод генерации (фиг.2), которые к тому же имеют сдвинутые друг относительно друга собственные частоты резонатора 1, 2, т. е. появляется частотная поляризационная анизотропия. При этом частотный сдвиг между поляризационными модами Δν определяется формулой
Δν = Δϕc/π2l.
где l - оптическая длина резонатора.

При наличии в лазере активной среды с однородно уширенной линией усиления в лазере имеется конкуренция между модами резонатора. Выживает (генерирует) только та мода, у которой больше разность между усилением в активной среде и полными потерями, в том числе и на зеркалах. Если линия усиления достаточно широка, т. е. почти нет зависимости усиления от частоты, то всегда реализуется поляризационная мода, имеющая меньшие потери при отражении от зеркал, т. е. реализуется излучение, поляризованное перпендикулярно плоскости падения излучения на анизотропное зеркало. Именно этот случай имеет место в устройстве, принятом нами за прототип [1].

В общем случае, с линией усиления, имеющей конечную ширину, коэффициент усиления g следующим образом зависит от частотного сдвига относительно центра линии 4:

где a - полуширина линии усиления, g₀ - коэффициент усиления в центре линии, ν - ν₀ - сдвиг частоты генерации относительно центра линии усиления.

Условие, при котором генерируется только одна мода, будет выглядеть следующим образом

Противоположное неравенство будет определять область, в которой возможна генерация либо одной, либо другой моды поочередно в зависимости от того, для какой моды больше разность между усилением и потерями.

Однако устройство-прототип имеет существенные недостатки. Во-первых, необходимо введение дополнительного зеркала, расположенного под углом 45^o к оси резонатора, во-вторых, для получения круговой поляризации необходимо наличие четвертьволнового зеркала, которое обычно изготавливается методом многослойного вакуумного напыления пленочного покрытия на отражающую поверхность зеркала. При высоких лучевых нагрузках такое зеркало разрушается.

Задачей изобретения является повышение надежности лазера на больших уровнях мощности и упрощение его конструкции.

Для этого, согласно изобретению, амплитудную анизотропию резонатора выбирают достаточно малой, так чтобы выполнялось неравенство

при этом нет необходимости использовать зеркала, ориентированные под большим углом к оси резонатора. Использование же в качестве промежуточных зеркал резонатора зеркал с высоким значением фазовой анизотропии возможно. Схема лазера с контролируемой поляризацией, согласно изобретению, изображена на фиг. 3. Зеркала 1 - 4 образуют оптический резонатор, 6 - камера возбуждения, 7 - направление потока активной среды, зеркало 5, расположенное под большим углом к оси пучка, отсутствует. Зеркало 4 расположено на приводе 9. На выходе из лазера излучение частично отражается 14, частично проходит 12 через делитель 10, а затем может пройти через фазовращающие зеркала 13, 14.

В качестве примера 1 рассмотрим CO₂ лазер ТЛ5М [2], при давлении активной среды 50 Тор, в нем ширина линии a ≈ 300 МГц, при длине резонатора l = 7,5 м условие (^*) преобразуется

что является легко реализуемо на практике.

В случае, когда по каким-то причинам изменяется длина резонатора, происходит одновременное смещение и собственных частот резонатора соответственно изменения соотношения между усилением для разных поляризационных мод. В результате этого происходит переключение генерации то на одну, то на другую поляризационную моду.

На фиг. 4 изображена зависимость выходной мощности CO₂ лазера, рассмотренного в примере 1, измерения датчиком мощности, чувствительного к поляризации излучения от времени. В отсутствие внешнего воздействия происходят хаотические переключения из состояния с плоскостью поляризации вдоль и поперек плоскости, образованной каустикой резонатора при ее отражении от промежуточных зеркал.

Такое излучение при достаточно высокой частоте переключений можно использовать как деполяризованное излучение, что важно, например, для качественной лазерной резки.

Изменение оптической длины резонатора можно осуществлять разными способами. Во-первых, с помощью механического привода 9 (фиг.3). Изменение длины резонатора на половину длины волны приводит к смещению частоты резонатора на величину , что приводит по крайней мере к однократному переключению поляризаций, следовательно частота переключений описывается формулой , где V - скорость изменения длины резонатора, λ - длина волны излучения, т.е. 1 м/с соответствует частота переключений 100 кГц.

Во-вторых, это может быть пьезоэлектрический или магнитнострикционный привод.

В-третьих, это может быть зеркало с переменной кривизной, например, на основе биморфной керамики.

В-четвертых, оптическая длина резонатора может изменяться при изменении показателя преломления активной среды за счет изменения давления, состава или температуры активной среды. В частности, такой разогрев среды происходит при модуляции накачки активной среды.

На фиг. 5 изображена зависимость от времени выходной мощности лазера, работающего в импульсно-периодическом режиме по накачке. Штрихпунктирная линия 2 показывает зависимость полной выходной мощности лазера от времени, а сплошная линия 1 показывает зависимость выходной мощности, измеренной поляризационно-чувствительным датчиком мощности. Плоскость максимальной чувствительности датчика была перпендикулярна плоскости, в которой расположен многопроходный резонатор. При переключении поляризации во времени на ортогональную поляризацию, для которой датчик имеет меньшую чувствительность, на осциллограмме видны провалы, в результате из одного импульса получается несколько. Причина режима переключения при импульсной накачке состоит в том, что из-за импульсного разогрева среды происходит изменение оптической длины резонатора и, вследствие этого, частота продольной моды резонатора сканирует относительно линии усиления активной среды, при этом переходя из частотного диапазона, в котором генерирует только поляризационная мода с вектором поляризации, перпендикулярно плоскости резонатора, в частотный диапазон, в котором генерирует только ортогональная поляризованная мода.

Размещение на выходе лазера делителя излучения 10 (фиг.3), представляющего собой прозрачную пластину, установленную под углом Брюстера к выходному излучению, приводит к тому, что излучение делится на два импульсно-периодических во времени луча, сдвинутых по фазе на 180^o и поляризованных взаимно перпендикулярно 11 и 12. Эти два линейно поляризованных пучка можно пропустить через четвертьволновое устройство (зеркало со специальным многослойным покрытием) 13, 14, в результате чего получается два пучка с круговой поляризацией.

Такое излучение удобно использовать, например, для двухлучевой лазерной резки.

Изобретение относится к лазерной технике. В изобретении решается задача управления поляризацией мощного лазера. Для этого выполняются условия, при которых реализуется режим переключения между ортогональными поляризациями лазера. Для того, чтобы переключения поляризации были периодическими, необходимо периодически изменять оптическую длину резонатора с помощью пьезокерамического или какого-либо другого привода. Переключение состояний поляризации происходит также при изменении оптической длины резонатора за счет нагрева, изменения давления и состава лазерной смеси во время импульсной накачки лазера. Пропуская выходное излучение лазера через Брюстеровскую пластину, можно получить два импульсно-периодических излучения, сдвинутых по фазе на 180^o. 5 з.п. ф-лы, 5 ил. .

1. Лазер с контролируемой поляризацией, содержащий активную среду с однородно уширенной линией усиления, оптический резонатор, включающий концевые и промежуточные зеркала, отличающийся тем, что фазовая Δϕ и амплитудная поляризационная анизотропия резонатора ΔA, его длина l и ширина линии усиления активной среды a удовлетворяют неравенству

причем длина резонатора периодически изменяется. 2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что на металлические промежуточные зеркала резонатора нанесены диэлектрические покрытия, увеличивающие фазовую поляризационную анизотропию. 3. Лазер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что на выходе из лазера имеется делитель пучка, представляющий собой прозрачную для лазерного излучения пластину, расположенную под углом Брюстера к лучу. 4. Лазер по пп.1 - 3, отличающийся тем, что длина резонатора периодически изменяется с помощью пьезокерамического или магнитнострикционного привода. 5. Лазер по пп.1 - 3, отличающийся тем, что оптическая длина резонатора изменяется за счет периодического выгибания поверхности концевого или промежуточного зеркала с управляемой кривизной. 6. Лазер по пп.1 - 3, отличающийся тем, что оптическая длина резонатора изменяется с помощью модуляции давления или температуры активной среды, в том числе при модуляции накачки активной среды лазера.