ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 2001 года по МПК H01S3/22 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при разработке и конструировании мощных импульсно-периодических газовых лазеров атмосферного давления.

В настоящее время импульсно-периодические газовые лазеры широко применяются в лазерной технике, однако средняя мощность их излучения пока далека от теоретически возможной. Это объясняется рядом причин, и в том числе тем, что при импульсном энерговкладе в активную среду в ней возникают ударные волны, вызывающие возмущение газового потока, которое приводит к ухудшению оптического качества лазерной среды и механическим колебаниям зеркал резонатора. Поскольку до восстановления исходного качества газового потока и изначальной юстировки резонатора нецелесообразно снова вкладывать энергию в активную среду, то данное обстоятельство накладывает ограничение сверху на частоту следования импульсов энерговклада и тем самым на среднюю мощность генерации. Вследствие этого для повышения мощности импульсно-периодических лазеров путем повышения частоты следования импульсов приходится применять специальные меры по подавлению ударных волн.

Известен импульсно-периодический газовый лазер с системой для подавления ударных волн (пат. США N 4457000, МПК H 01 S 3/22, опубл. 26.06.84), включающий разрядную камеру, источник накачки, зеркала резонатора, где система подавления ударных волн выполнена в виде установленной в потоке газа со стороны сопла перед зоной энерговклада пластины с каналами. Ударная волна, идущая вверх по потоку за счет специального профиля каналов демпфируется в пластине и не возмущает за ней газ. Однако ударные волны, распространяющиеся вдоль оптической оси резонатора, ничем не демпфируются и образуют сильные оптические неоднородности, существующие длительное время (до десятков миллисекунд), в течение которого нельзя снова вкладывать энергию в активную среду. Ударные волны, дошедшие до зеркал, вызывают их механические колебания, приводящие к разъюстировке резонатора, которые также сохраняются десятки миллисекунд после воздействия ударных волн. Очевидно, что в такой конструкции импульсно-периодического лазера, где не принято мер по ослаблению ударных волн, распространяющихся вдоль оптической оси резонатора, не удается добиться высокой частоты следования импульсов энерговклада и, следовательно, большой мощности генерации.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является лазерная система с размещенным в разрядной камере адаптивным биморфным зеркалом (а. с. СССР N 1808159, МПК H 01 S 3/02, приор. 19.12.89). Описанная лазерная система предназначена для работы в импульсно-периодическом режиме с адаптивным биморфным зеркалом, где зеркало состоит из подложки, отражающей пластины, дополнительной пьезокерамической пластины с двумя управляющими электродами, основной монолитной пьезокерамической пластины с секционированными управляющими электродами, подключенными к устройству управления. Искажения на оптической поверхности зеркала, вызванные возбуждением лазерной среды с помощью источника накачки, предварительно анализируются в устройстве управления, в котором в виде электрических напряжений вырабатываются управляющие сигналы, поступающие на секционированные управляющие электроды монолитной пьезокерамической пластины. Сплошной электрод этой пластины, общий с управляющим электродом дополнительной пьезокерамической пластины, заземляется. За счет обратного пьезокерамического эффекта монолитная пластина деформируется, а поскольку она является составной частью биморфной структуры "подложка - пьезокерамическая пластина", происходит деформация самой подложки и, следовательно, отражающей поверхности, при изменении напряжения на секционированных управляющих электродах происходит изменение деформации отражающей пластины.

Однако применение зеркал такой конструкции в мощных газовых лазерах, где апертура составляет десятки сантиметров, весьма проблематично. Дело в том, что на оптическую поверхность зеркала резонатора воздействует ударная волна с силой до 3 Н/см², для зеркала размером 20х20 см это равносильно воздействию силы 1,2 кН. При частоте повторения импульсов накачки 100-200 Гц монолитные пьезокерамические пластины таких размеров будут испытывать сильные механические нагрузки, которые могут привести к разрушению керамики. Кроме того, для стабильности и линейности характеристик пьезокерамики, что необходимо при управлении биморфным зеркалом, большое значение имеет предельно допустимое механическое напряжение, которое зависит от механической прочности материала, которую обеспечить в режиме максимальной мощности излучения существенно затруднено.

Нами предложен импульсно-периодический лазер, конструкция которого обеспечивает получение стабильно высокой мощности излучения за счет увеличения частоты следования импульсов.

Такой технический эффект получен в импульсно-периодическом газовом лазере, содержащем источник накачки, разрядную камеру с размещенными в ней зеркалами оптического резонатора, соединенными с устройством управления, включающим анализатор, где устройство управления дополнительно содержит генератор и блок задержки, анализатор выполнен в виде анализатора энерговклада, блок задержки и анализатор соединены с источником накачки и с генератором, генератор в свою очередь соединен с зеркалами резонатора, которые размещены на токопроводящих подложках, неподвижно установленных на корпусе разрядной камеры, зеркала резонатора выполнены токопроводящими, подложки изолированы от зеркал и корпуса камеры, а зеркала и подложки соединены последовательно и установлены параллельно друг другу.

Предлагаемое устройство схематически изображено на чертеже, где обозначены: разрядная камера 1, электроды 2, 3, источник 4 накачки, зеркала 5, подложки 6, устройство 7 управления, состоящее из генератора 8, блока 9 задержки и анализатора 10 энерговклада и изоляционные прокладки 11. Стрелками показано направление распространения ударной волны, пунктирными линиями обозначено устройство управления.

Импульсно-периодический газовый лазер работает следующим образом (см. чертеж). Возбуждение лазерной среды осуществляли объемным разрядом между электродами 2 и 3 с помощью источника 4 накачки. Одновременно на устройство 7 управления давали электрический сигнал тока и напряжения импульса накачки, а анализатором 10 определяли величину энерговклада. Формирование объемного разряда сопровождалось выделением тепла, что приводило к образованию ударных волн, распространяющихся во всех направлениях от зоны разряда. Возникающая ударная волна распространяется вдоль оси резонатора и через время, равное прохождению расстояния от электродов 2, 3 до зеркал 5, она достигнет их оптической поверхности. Сила, воздействующая на эту поверхность, встретит ответное воздействие со стороны зеркал резонатора. Это произойдет вследствие следующего. Анализатор 10, определив величину энерговклада, вырабатывает свой электрический сигнал с амплитудой, пропорциональной энерговкладу, и посылает его на вход генератора импульсов 8. Импульс тока, вырабатываемый генератором импульсов 8, пропускают через подложки 6 и параллельно установленным им зеркалам 5 резонатора с задержкой, определяемой блоком задержки 9 относительно импульса накачки. Поэтому благодаря тому, что блок задержки 9 и анализатор 10 соединены с источником 4 накачки и с генератором 8, с одной стороны, анализатор выдает генератору 8 сигнал, определяющий амплитуду выходного импульса тока, одновременно с этим в блоке задержки формируется управляющий импульс на запуск генератора. Благодаря тому, что генератор 8 последовательно соединен с выполненными токопроводящими зеркалами 5 резонатора и токопроводящими подложками 6, установленными параллельно друг другу, импульс тока, формируемый генератором, создает расталкивающую силу между зеркалом и подложкой. Благодаря тому, что подложки 6 неподвижно установлены на корпусе разрядной камеры 1, изолированы изоляционными прокладками 11 от зеркал 5 и корпуса камеры, отталкивающая сила при прохождении импульса тока воздействует на зеркала 5 и перемещает их навстречу ударной волне. Подобрав амплитуду и форму импульса тока так, что в каждый момент времени электромагнитное воздействие на зеркала будет идентично механическому от ударной волны, получим отсутствие смещения зеркал 5, а следовательно, и сохранение юстировки лазера. При увеличении энерговклада блок 10 выдает команду генератору импульсов 8, который вырабатывает такой импульс тока, чтобы возникающие при этом силы отталкивания между подложкой 6 и зеркалом 5 соответствовали увеличенной силе воздействия ударной волны на оптическую поверхность зеркал 5.

На нашем предприятии был изготовлен и введен в эксплуатацию импульсно-периодический лазер с устройством для демпфирования ударных волн, воздействующих на зеркала оптического резонатора. Разрядная камера представляла собой корпус, в котором были размещены электроды 2, 3 из нержавеющей стали с размерами 120х1000, расположенные на расстоянии 100 мм. Объем рабочей смеси составлял при этом 10 л. Рабочая смесь состояла из молекулярных газов CO₂: N₂: He = 1:2:3. Зеркала резонатора были выполнены из медных пластин размером 100х100 толщиной 20 мм. Подложка была изготовлена из того же материала и тех же размеров. В качестве изолирующей прокладки использовали фторопластовую пленку толщиной 0,5 мм. Источником накачки служил модулятор с двойной формирующей линией, позволяющей формировать импульс энерговклада с напряжением до 50 кВ, током до 3 кА и длительностью до 25 мкс. Максимальная частота следования импульсов составляла 100 Гц. Анализатор представлял собой микропроцессор, на вход которого поступали сигналы с датчиков тока (пояс Роговского) и напряжения (высоковольтный делитель). По известному алгоритму определялся энерговклад в каждый импульс накачки и формировался сигнал с соответствующей амплитудой, который поступал на генератор импульсов. Генератор импульсов включал в себя емкостной накопитель, который заряжался от источника питания до уровня напряжения, определяемого амплитудой входного сигнала, индуктивность и воздушный управляемый разрядник, расположенный между ними. Блоком задержки являлся стандартный генератор ГЗИ-27, который своим импульсом запускал разрядник, после срабатывания которого емкость разряжалась на последовательно соединенные индуктивность, подложку и зеркало резонатора. В образованном контуре разряд принимал колебательный характер, амплитуда и частота которых определялись параметрами этого контура.

В проводимых экспериментах энерговклад менялся от 1,8 до 3 кДж в импульсе, при этом напряжение менялось от 40 до 50 кВ, а ток от 1,8 до 2,4 кА. Длительность импульса накачки во всех экспериментах равнялась 25 мкс. Ударная волна при таких энерговкладах оказывала давление от 0,1 до 0,3 кг/см², так что применительно к используемому зеркалу сила воздействия на оптическую поверхность достигала 300 Н. Для компенсации воздействия ударной волны управляющим устройством формировался импульс тока с амплитудой до 500 А, что уменьшило амплитуду колебания зеркал на 95%.

Таким образом, заявляемое устройство обладает высокой степенью стабильности до больших значений давления ударной волны на зеркала резонатора и не зависит от параметров зеркал, тогда как, например, зависимость параметров пьезокерамики при одностороннем сжатии порядка 10 Н/м² вдоль оси спонтанной поляризации велика, изменение может достигать 30-70%, а уменьшение диэлектрической проницаемости составляет до 60%. Ударная волна, воздействуя на оптическую поверхность зеркала, производит одностороннее сжатие, поэтому нестабильность параметров пьезокерамики затруднит управление биморфным зеркалом.

Это конструкторское решение позволит расширить диапазон использования таких устройств для решения задач, связанных с исследованием распространения мощного лазерного излучения в атмосфере, где его стабилизация является одним из важнейших параметров.

Изобретение представляет собой импульсно-периодический газовый лазер, который может быть использован с целью получения высокой выходной мощности излучения и увеличения частоты импульсов и может найти применение в области квантовой электроники и современных лазерных технологиях. Лазер включает источник накачки, разрядную камеру с размещенными в ней электродами и зеркалами оптического резонатора и устройство управления. Устройство управления содержит генератор и блок задержки. Анализатор устройства управления выполнен в виде анализатора энерговклада. Блок задержки и анализатор соединены с источником накачки и с генератором. Генератор соединен с зеркалами резонатора, которые размещены на токопроводящих подложках, неподвижно установленных на корпусе разрядной камеры. Зеркала резонатора выполнены токопроводящими. Подложки изолированы от зеркал и корпуса камеры. Зеркала и подложки соединены последовательно и установлены параллельно друг другу. Технический результат изобретения: расширение диапазона использования устройств для таких исследований распространения лазерного излучения в атмосфере, в которых необходима стабилизация оси диаграммы направленности. 1 ил.

Импульсно-периодический газовый лазер, содержащий источник накачки, разрядную камеру с размещенными в ней зеркалами оптического резонатора, соединенными с устройством управления, включающим анализатор, отличающийся тем, что устройство управления дополнительно содержит генератор и блок задержки, анализатор устройства управления выполнен в виде анализатора энерговклада, блок задержки и анализатор соединены с источником накачки и с генератором, генератор соединен с зеркалами резонатора, которые размещены на токопроводящих подложках, неподвижно установленных на корпусе разрядной камеры, зеркала резонатора выполнены токопроводящими, подложки изолированы от зеркал и корпуса камеры, а зеркала и подложки соединены последовательно и установлены параллельно друг другу.