ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 2003 года по МПК H01S3/08 

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании волноводных, со складным П-образным резонатором газовых лазеров с повышенной мощностью излучения.

Известен газовый лазер, содержащий устройство для юстировки зеркал резонатора лазера, включающее размещенную на торце разрядного канала металлическую втулку с зеркалом. Втулка имеет деформируемую шейку с толщиной стенки меньше, чем толщина стенки остальной части втулки. Регулировка деформируемой шейки осуществляется с помощью юстировочного механизма (см. патент ФРГ 2007939, кл. 21g, 53/02, опубл. 18.04.74).

Недостатком известного газового лазера является то, что:
юстировка с помощью юстировочного механизма втулки, с расположенным на ней зеркалом, осуществляется за счет пластической деформации шейки, при этом усилия, прикладываемые ко втулке могут вызвать микродеформацию поверхности втулки, что вызовет натекание атмосферы и выход из строя лазера.

Кроме того, конструкция устройства для юстировки зеркал резонатора не предусмотрена для юстировки волноводных СО₂ лазеров со складным П-образным резонатором ввиду того, что размещение на одном торце лазера двух известных устройств юстировки зеркал резонатора со своими юстировочными механизмами не позволит получить высокую мощность излучения лазера в силу того, что расстояние между разрядными волноводными каналами будет значительное, что предопределит большие энергетические потери излучения внутри резонатора.

Известен газовый лазер, в котором устройство для юстировки зеркал резонатора лазера содержит установленный на торце разрядного канала полый держатель зеркала. Держатель выполнен с одной внешней шейкой, сформированной двумя внутренними проточками значительно большего диаметра, чем диаметр шейки. Юстировочные винты расположены равномерно относительно оси держателя под углом 120^o относительно друг друга в сквозных резьбовых отверстиях держателя (см. патент США 4638486, кл. H 01 S 3/08, опубл. 20.01.87).

Недостатком известного газового лазера является то, что размещение на одном торце лазера двух известных устройств юстировки зеркал резонатора не позволит получить высокую мощность лазерного излучения, т.к. межосевое расстояние между двумя известными устройствами будет значительным из-за наличия больших по внутреннему диаметру двух проточек и расположенных под углами 120^o юстировочных винтов.

Поскольку межосевое расстояние двух устройств юстировки зеркал резонатора в волноводных лазерах со складным резонатором определяет межосевое расстояние разрядных каналов, то энергетические потери излучения внутри резонатора в этом случае будут существенными.

Кроме того, технологически сложно изготовить две внутренние глубокие проточки с двумя тонкими стенками, образующие шейку. Выполненная таким образом шейка может потрещать при пластической деформации в момент юстировки лазера, в результате чего произойдет натекание атмосферы в газовый лазер.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является газовый лазер с устройством юстировки зеркал резонатора, содержащий размещенный на торцевом фланце лазера полый держатель зеркала, состоящий из последовательно расположенных на оси частей: цилиндрической, несущей зеркало, предохраняющей шейки, цилиндрической юстировочной, деформирующей шейки и цилиндрической фиксирующей и три юстировочных винта, расположенных под углом 120^o относительно друг друга, закрепленных в цилиндрическом буртике и радиально упирающихся в цилиндрическую юстировочную часть держателя (см. патент США 4856020, кл. H 01 S 3/086, опубл. 08.08.89) - принято за прототип.

Недостатком известного газового лазера является то, что при использовании его устройства юстировки зеркал резонатора в волноводном двухканальном лазере со складным П-образным резонатором нельзя получить высокий уровень мощности излучения. Это связано с тем, что при размещении на торцевом фланце лазера первого полого держателя первого зеркала и второго полого держателя второго зеркала, их межосевое расстояние и соответственно межосевое расстояние разрядных каналов будет удалено на значительное расстояние вследствие наличия буртиков на первом и соответственно на втором полых держателях зеркал. Наличие радиально расположенных винтов под углом 120^o в первом и втором буртиках также будет способствовать разнесению первого и второго полых держателей зеркал относительно друг друга и соответственно волноводных каналов.

Таким образом, удаление волноводных разрядных каналов на существенное расстояние друг от друга при расположении известного держателя для первого зеркала и известного держателя для второго зеркала на одном торцевом фланце лазера соответственно увеличивает расстояние между поворотными зеркалами. В результате излучение на выходе из одного волноводного канала (аналогично для другого), имея расходимость, пройдя протяженную пассивную часть резонатора между поворотными зеркалами, может разойтись и поступить в другой волноводный канал в объеме, недостаточном для поддержания усиления в плазме газового разряда. При этом возникают так называемые энергетические потери излучения внутри резонатора лазера.

Задачей данного изобретения является создание газового лазера, в котором устройство юстировки зеркал двухканального волноводного с П-образным резонатором лазера, обеспечивало высокий уровень мощности лазерного излучения.

Технический результат может быть получен за счет предложенного конструктивного выполнения устройства юстировки, обеспечивающего сближение осей каналов и уменьшение пассивной части складного П-образного резонатора волноводного двухканального лазера и, как следствие, снижение энергетических потерь на поворотном торце лазера.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном газовом лазере, содержащем устройство юстировки зеркал резонатора, выполненное в виде полого держателя зеркала, размещенного на торцевом фланце и состоящего из последовательно расположенных на его оси частей: цилиндрической, несущей зеркало; предохраняющей шейки; цилиндрической юстировочной; деформирующей шейки и цилиндрической фиксирующей и трех юстировочных винтов, в устройство введен второй полый держатель второго зеркала, размещенный на торцевом фланце симметрично первому, цилиндрическая юстировочная часть каждого держателя срезана по боковой поверхности параллельно оси держателя до уровня цилиндрической части, несущей зеркало и выполнена со сквозными отверстиями, расположенными по периметру оснований под углами α= 150±1^o, β= 105±1^o, γ= 105±1^o относительно друг друга, в которых размещены юстировочные винты, упирающиеся в торцевой фланец лазера, при этом первый и второй держатели зеркал соответствуют первому и второму разрядным каналам лазера, оси которых сближены на величину l≤L-1 относительно осей держателей, цилиндрические юстировочные части которых срезанными поверхностями расположены навстречу друг другу, а диаметр этих частей выбран из выражения:
d_ю≥d_н+2d_в,
где d_ю - диаметр цилиндрической юстировочной части;
d_н - диаметр цилиндрической несущей зеркало части;
d_в - диаметр отверстий для юстировочных винтов;
L - расстояние между осями полых держателей зеркал;
l - расстояние между осями волноводных разрядных каналов.

На торцевом фланце волноводного лазера со складным П-образным резонатором устанавливаются два аналогичных по конструкции полых держателя оптики: на одном расположено высокоотражающее зеркало, на другом - светоделительное, через которое осуществляется вывод лазерного излучения. С целью сближения волноводных разрядных каналов между собой и соответственно уменьшения энергетических потерь за счет сокращения пассивной части резонатора между поворотными зеркалами, цилиндрические юстировочные части первого и второго полых держателей срезаны по боковой поверхности и расположены навстречу друг другу. Расположение трех юстировочных винтов в сквозных резьбовых отверстиях цилиндрической юстировочной части полых держателей, упирающихся в торцевой фланец под углами α=150^o, β=105^o, γ=105^o относительно оси полого держателя, причем углы α= 150^o первого и второго держателя обращены навстречу друг другу, позволило срезать боковую поверхность цилиндрической юстировочной части каждого держателя до уровня цилиндрической части несущей зеркало, т.е. до уровня зеркала, тем самым максимально приблизить первый и второй полые держатели друг к другу.

Кроме того, выполнение соотношения l≤L-1 позволило отказаться от использования зеркал с малым диаметром, изготовление и герметизация которых технологически сложный процесс.

Выполнение соотношения
d_ю≥d_н+2d_в,
где d_ю - диаметр цилиндрической юстировочной части;
d_н - диаметр цилиндрической несущей зеркало части;
d_в - диаметр котировочных винтов
позволило отказаться от механизмов юстировки известных конструкций и позволило сблизить волноводные разрядные каналы, что исключило большие энергетические потери оптического излучения.

Кроме того, выполнение этого соотношения позволило срезать цилиндрические юстировочные части до уровня цилиндрических несущих зеркала частей, осуществив при этом доступ к юстировочным винтам.

Таким образом, предлагаемое конструктивное выполнение устройства юстировки зеркал волноводного лазера с П-образным резонатором позволит уменьшить расстояние между волноводными разрядными каналами, что приведет к увеличению мощности лазерного излучения за счет уменьшения пассивной части резонатора в узле поворотных зеркал и соответственно к снижению энергетических потерь.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня был проведен дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, так как не выявлены технические решения, в которых была бы повышена выходная мощность лазера за счет снижения энергетических потерь в узле поворотных зеркал волноводного двухканального с П-образным резонатором лазера, обеспеченных использованием юстировочного устройства, позволяющего максимально сблизить оси разрядных каналов.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

На фиг. 1 изображен волноводный СО₂ лазер со складным П-образным резонатором в разрезе.

На фиг.2 показан торец волноводного лазера при отсутствии на устройстве юстировки оптических зеркал.

На фиг.3а и 3б показан ход оптического излучения из одного волноводного канала в другой через систему поворотных зеркал для двух случаев:
а) полноводные разрядные каналы удалены на значительное расстояние;
б) волноводные разрядные каналы расположены в максимальной близости друг от друга.

На фиг.4, 5 показан первый полый держатель первого зеркала в увеличенном масштабе без юстировочных винтов и зеркала:
фиг.4 - вид с торца;
фиг.5 - вид сбоку в разрезе.

Газовый лазер, включающий устройство юстировки зеркал резонатора лазера, состоит из первого 1 и второго 2 полых держателей зеркал, которые расположены на торцевом фланце лазера 3. Каждый полый держатель состоит из последовательно расположенных на оси частей: цилиндрической несущей 4, 5, на которой расположено зеркало 6, 7; предохраняющей шейки 8, 9; цилиндрической юстировочной части 10, 11; деформирующей шейки 12, 13 и фиксирующей цилиндрической части 14, 15.

Цилиндрическая юстировочная часть 10, 11 каждого держателя срезана по боковой поверхности 16, 17 до уровня цилиндрической несущей зеркала части 4, 5. В каждой цилиндрической юстировочной части 10, 11 держателя 1, 2 расположены по три юстировочных винта 18, которые упираются в торцевой фланец 3 лазера. На другом противоположном торцевом фланце 19 расположены поворотные зеркала 20, 21. Волноводные разрядные каналы 22, 23 квадратного сечения сформированы электродами 24, 25, 26 и двумя керамическими пластинами (не указаны). Межосевое расстояние волноводных разрядных каналов l (фиг.1) выполнено меньше межосевого расстояния L полых держателей зеркал.

Торцевые фланцы 3 и 19 герметично расположены на оболочке лазера 27, в которой содержится запас рабочего газа.

На фиг.3 показан путь прохождения оптического излучения из одного волноводного разрядного канала 23 в другой 22 через систему поворотных зеркал 21, 20 для двух значений l - межосевого расстояния разрядных каналов:
а) каналы удалены;
б) каналы максимально приближены.

Заштрихованная часть 28 - та часть оптического излучения, которая не попадет в волноводный разрядный канал 22 и которая определяет энергетические потери оптического излучения при его проходе между поворотными зеркалами 21, 20.

В показанном на фиг.4, 5 первом полом держателе зеркала (в увеличенном масштабе) три резьбовых отверстия 29 выполнены в цилиндрической юстировочной части держателя под углами β=105^o, γ=105^o, α=150^o.

В этих резьбовых отверстиях располагаются юстировочные винты 18. Диаметр цилиндрической юстировочной части полого держателя d_ю (фиг.4) больше диаметра цилиндрической несущей зеркало части 4d_н (фиг.5) на двойной диаметр юстировочных винтов 18 2d_в (фиг. 2). Площадка 30 цилиндрической части несущей зеркало (фиг. 2, 4) служит для размещения зеркала 7 (фиг.1), 31 - оси полых держателей 1, 2.

Устройство работает следующим образом.

Предварительно собирается устройство юстировки зеркал резонатора, для чего на торцевом фланце 3 размещается первый и второй полые держатели зеркал (без зеркал) 1, 2. Затем в резьбовые отверстия 29 цилиндрических юстировочных частей 10, 11 первого 1 и второго 2 держателей вкручиваются юстировочные винты 18. Устанавливаются на цилиндрические несущие части 4, 5 полых держателей 1, 2 зеркала 6, 7 и одновременно герметизируются.

На оптической скамье (без устройства юстировки зеркал) с помощью двух Hе-Ne лазеров юстируются поворотные зеркала 20, 21 относительно волноводных разрядных каналов 22, 23, расположенных в оболочке лазера 27.

Далее на оболочку лазера 27 устанавливается собранное устройство юстировки зеркал резонатора и с помощью тех же двух Hе-Nе лазеров юстировочным ключом, вращая поочередно юстировочные винты 18 первого и второго полого держателя зеркал юстируют по отраженным лучам He-Ne лазеров зеркала 6, 7. Затем устанавливается измеритель мощности лазерного излучения, в оболочку лазера напускается рабочая смесь. В волноводных разрядных каналах зажигается разряд и производят юстировку первого и второго полых держателей зеркал в следующей последовательности: юстировочным ключом юстируют на максимальный уровень мощности излучения первый полый держатель зеркала, при этом равномерно затягивают поочередно три винта 18, упирающиеся в торцевой фланец 3. Равномерность затяжки всех трех винтов необходима, т.к. в этом случае полый держатель 1 принимает устойчивое положение и не будет подвержен разъюстировке в процессе эксплуатации лазера. Деформирующая шейка 12 за счет пластической деформации позволяет изменять положение цилиндрической юстировочной части 10 с расположенной на ней цилиндрической несущей зеркало относительно цилиндрической фиксирующей части 14 полого держателя, закрепленной на торцевом фланце 3, т.е. относительно разрядного канала 22. Предохраняющая шейка 8 за счет пластической деформации предохраняет от деформации поверхность 30 цилиндрической несущей 4, на которой расположено зеркало 6. Тем самым разгерметизация зеркала 6 исключается.

Аналогично осуществляется юстировка второго 2 полого держателя зеркала 7 на максимальный уровень мощности лазерного излучения с равномерной затяжкой трех соответствующих юстировочных винтов 18.

Следующим этапом осуществляют поочередно контрольную подъюстировку и подзатяжку юстировочных винтов полых держателей 1, 2. На этом операция юстировки зеркал резонатора газового лазера заканчивается.

Предлагаемый газовый лазер с устройством юстировки зеркал резонатора лазера позволяет увеличить мощность излучения волноводного лазера со складным П-образным резонатором за счет снижения энергетических затрат оптического излучения при прохождении его протяженной пассивной части резонатора, образуемой поворотными зеркалами фиг.3а.

Устройство юстировки зеркал резонатора позволяет уменьшить пассивную часть резонатора фиг. 36 за счет уменьшения межосевого расстояния l волноводных разрядных каналов 22, 23, т.к. минимизация расстояния l в волноводных лазерах со складным П-образным резонатором будет зависеть в основном от габаритов юстировочных устройств, на которых расположены зеркала 6, 7.

В предлагаемом газовом лазере с устройством юстировки зеркал резонатора, положительный эффект достигается также тем, что диаметр d_ю цилиндрической юстировочной части каждого полого держателя зеркал выполнен больше диаметра d_н цилиндрической несущей зеркала на 2d_в, где d_в - диаметр отверстия для юстировочного винта. Это позволило расположить юстировочные винты параллельно оси полого держателя, а сами цилиндрические юстировочные части первого и второго полых держателей срезать навстречу друг другу до уровня цилиндрической несущей зеркала (т. е. до уровня зеркал). Для того чтобы выполнить срезы 16, 17 до уровня цилиндрической несущей зеркало, углы, под которыми в резьбовых отверстиях 29 обоих полых держателей расположены юстировочные винты 18, выполнены под углами β=105^o, γ=105^o, α=150^o, причем углы α=150^o выполнены навстречу друг другу.

Волноводные разрядные каналы 22, 23 в зависимости от уровня выходной мощности, габаритов, параметров лазерного излучения и т.д. для различных типов лазеров могут иметь разные значения поперечного сечения от 1,8•1,8 до 3•3 мм. Поэтому, в волноводных лазерах диаметр зеркал 6, 7 не отслеживает поперечное сечение волноводных каналов, а имеет унифицированную стандартную величину. В этом случае при совпадении осей полых держателей и волноводных каналов расстояние L будет равно диаметру зеркала (т.е. d_н) плюс небольшой технологический зазор между полыми держателями зеркал, необходимый для юстировки полых держателей. В предлагаемом устройстве юстировки зеркал резонатора для снижения энергетических затрат и соответственно для увеличения мощности излучения межосевое расстояние l разрядных каналов выполнено меньше, чем расстояние полых держателей зеркал l≤L-1.

Таким образом, предлагаемый газовый лазер с устройством юстировки зеркал резонатора волноводного лазера со складным П-образным резонатором позволит максимально сблизить волноводные разрядные каналы, уменьшив тем самым энергетические потери оптического излучения при прохождении его пассивной части резонатора между поворотными зеркалами и соответственно увеличить мощность излучения лазера.

Предлагаемое устройство юстировки зеркал резонатора будет использовано в волноводных двухканальных лазерах со складным П-образным резонатором мощностью излучения 10, 15, 30, 50 Вт.

Приводим пример конкретной реализации предлагаемого изобретения в волноводном СО₂-лазере LCD-10A с ВЧ возбуждением, который имеет складной П-образный резонатор. На торце лазера расположено устройство юстировки с двумя зеркалами диаметром 12 мм, светоделительное и высокоотражающее. Выходная мощность излучения лазера не менее 10 Вт. Габариты лазера 345•66•95 мм.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству.

Использование: изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании волноводных со складным П-образным резонатором газовых лазеров с повышенной мощностью излучения. Технический результат получен за счет конструктивного выполнения устройства юстировки зеркал резонатора, обеспечивающего сближение осей каналов и уменьшение пассивной части складного П-образного резонатора двухканального лазера, что позволяет снизить энергетические потери на поворотном торце лазера и, соответственно, повысить мощность излучения. Сущность изобретения: газовый лазер содержит устройство юстировки светоделительного и высокоотражающего зеркал резонатора для волноводных СО₂ лазеров со складным П-образным резонатором. Оно состоит из двух полых держателей зеркал. Каждый полый держатель имеет две шейки: деформирующую и предохраняющую. Между шейками есть юстировочная часть, в которой расположены три юстировочных винта, упирающихся в торцевой фланец лазера и расположенных под углами α=150^o, β=150^o, γ=105^o относительно друг друга. Боковые поверхности обеих юстировочных частей полых держателей срезаны и расположены до уровня зеркал, размещенных на площадках навстречу друг другу. 5 ил.

Газовый лазер, содержащий устройство юстировки зеркал резонатора, выполненное в виде полого держателя зеркала, размещенного на торцевом фланце и состоящего из последовательно расположенных частей - цилиндрической, несущей зеркало, предохраняющей шейки, цилиндрической юстировочной, деформирующей шейки, цилиндрической фиксирующей и трех юстрировочных винтов, отличающийся тем, что в устройство введен второй полый держатель второго зеркала, размещенный на торцевом фланце симметрично первому, цилиндрическая юстировочная часть обоих держателей срезана по боковой поверхности параллельно оси держателя до уровня цилиндрической части, несущей зеркало, и выполнена со сквозными отверстиями, расположенными по периметру оснований под углами α= 150±1^o, β= 150±1^o, γ= 105±1^o относительно друг друга, в которых размещены юстировочные винты, упирающиеся в торцевой фланец лазера, при этом первый и второй держатели зеркал соответствуют первому и второму разрядным каналам лазера, оси которых сближены на величину l≤L-1 относительно осей держателей, цилиндрические юстировочные части которых срезанными боковыми поверхностями расположены навстречу друг другу, а диаметр d_ю этих частей выбран из выражения
d_ю ≥ d_н + 2d_в,
где d_ю - диаметр цилиндрической юстировочной части держателя;
d_н - диаметр цилиндрической части, несущей зеркало;
d_в - диаметр отверстий для юстировочных винтов;
l - расстояние между осями волноводных разрядных каналов;
L - расстояние между осями полых держателей зеркал.