ЛАЗЕРНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2004 года по МПК H01S3/09 

Настоящее изобретение относится к лазерному устройству, включающему активную лазерную среду, систему оптического резонатора, определяющую оптическую ось, средства возбуждения указанной активной лазерной среды для создания этой средой вынужденного излучения и средства охлаждения, включающие первый и второй охлаждающие элементы, расположенные друг напротив друга так, что их поверхности обращены друг к другу, причем указанная активная лазерная среда находится между указанными охлаждающими элементами вдоль указанной оптической оси.

Упомянутые выше лазерные устройства хорошо известны. Практически для всех видов лазерных устройств существует проблема отвода тепла. Например, в твердотельном лазерном устройстве, возбуждаемом источником оптической накачки, таким как ксеноновая лампа, охлаждается поверхность стержня и, таким образом, создается температурный градиент, зависящий от охлаждающей способности и эффективности средств охлаждения. Тепловые эффекты внутри стержня сильно влияют на оптические свойства активного лазерного материала, например на показатель преломления, меняющийся в зависимости от температурного распределения и двойного лучепреломления, а также на свойства других оптических элементов, а именно сферических зеркал резонатора. Создание высококачественной лазерной системы, которая не подвержена тепловой деградации, является трудным и дорогостоящим, когда возрастает количество тепла, создаваемого при работе лазера, вследствие повышения его выходной мощности.

Соответственно, разработка лазерных устройств имела своей целью следующие улучшения:

(а) увеличение рассеяния тепла для достижения большей выходной мощности на единицу объема активного лазерного вещества и

(б) уменьшение влияния температурных градиентов на оптические свойства лазерного устройства.

В области создания газовых лазеров, использующих высокочастотное возбуждение, были разработаны так называемые щелевые лазеры. Эти лазеры имеют расположенные друг напротив друга высокочастотные электроды, выполненные в виде прямоугольных пластин, имеющих отражающую поверхность. Эти электроды установлены так, что между ними имеется зазор, который заполнен активным лазерным газом. Расстояние между этими электродами обычно составляет приблизительно от 2 до 4 мм и может быть увеличено до 1 см, если обеспечен дополнительный проток газа, в то время как ширина зазора в направлении, перпендикулярном щели, составляет порядка нескольких сантиметров. Теплоотвод от лазерного газа осуществляется за счет теплопроводности газа на охлаждаемые электроды. В результате обеспечивается большая площадь охлаждения и, таким образом, большая охлаждающая способность.

В то же время эта структура создает температурный градиент, который по существу направлен перпендикулярно к поверхностям электродов, за исключением искажений на боковых концах пластин. Такая щелевая структура имеет тенденцию сводить на нет влияние температурных градиентов, поскольку лазерный луч идет зигзагообразно в плоскости изменения температуры. Однако относительно большой размер пластины в длину, порядка сантиметров, приводит к широкому диапазону углов отражения в этой плоскости. Поэтому результирующая мода излучения больше не является единственной модой, определяемой сферическими зеркалами резонатора, и излучение является многомодовым. Однако во многих применениях лазерных устройств для достижения высокой плотности энергии требуется острая фокусировка лазерного луча, и, таким образом, многомодовый луч нежелателен.

Кроме того, известны так называемые "волноводные" лазерные устройства, в которых поле излучения в обоих поперечных направлениях удерживается гладкополированными боковыми сторонами с высокой отражательной способностью. Мода излучения полностью определяется волноводным резонатором, который образован плоскими зеркалами. Для получения в волноводном лазере одномодового излучения размеры резонатора ограничиваются несколькими миллиметрами (2-4 мм). Волноводные лазеры имеют очень хорошие тепловые характеристики, но их выходная мощность мала из-за малого активного объема.

В патенте США №5123028 описан щелевой СО₂-лазер, включающий волноводное устройство, образованное двумя разнесенными плоскими электродами с обращенными друг к другу отражающими поверхностями. Формирование излучения в плоскости, параллельной поверхностям электродов, достигается с помощью неустойчивого резонатора отрицательной ветви неустойчивости.

В международной заявке WO 95/02909 описан щелевой волноводный СО₂-лазер, в котором траектория светового луча в плоскости, параллельной поверхностям волновода, изменяет свое направление с помощью сферических зеркал.

В патенте Великобритании №2276031 описано твердотельное лазерное устройство, включающее лазерную среду щелевой конфигурации, которая имеет две оптически гладкие поверхности. В направлении вдоль щели создается неустойчивый резонатор, в котором излучение распространяется как в свободном пространстве, в то время как поперек щели излучение удерживается за счет оптически гладких поверхностей среды.

В патенте США №4719639 описано лазерное устройство, в котором волновод образован в одном из поперечных направлений электродами с гладкополированной поверхностью и высокой отражательной способностью, расстояние между которыми меньше 5 мм, в то время как другое поперечное направление остается "открытым", то есть оптический резонатор в этом направлении ограничен сферическими зеркалами резонатора. Такая конфигурация, как указано в описании этого патента, позволяет увеличить активный объем по сравнению с волноводным лазером и, с другой стороны, дает возможность получения одномодового излучения. Однако расстояние между электродами обычно ограничено 2-3 мм. Кроме того, электроды должны иметь высокое оптическое качество и быть строго параллельными.

Сущность изобретения

В связи с вышеизложенными проблемами и недостатками известных устройств целью настоящего изобретения является создание компактного лазерного устройства с повышенной мощностью оптического излучения, имеющего выходное излучение, которое может быть остро сфокусировано.

Вышеупомянутая цель достигается с помощью лазерного устройства, содержащего активную лазерную среду, систему оптического резонатора, определяющую оптическую ось, средства возбуждения указанной активной лазерной среды для создания указанной активной лазерной средой вынужденного излучения и средства охлаждения, включающие первый и второй охлаждающие элементы, установленные друг напротив друга с поверхностями, обращенными друг к другу, при этом указанная активная лазерная среда расположена между указанными охлаждающими элементами вдоль указанной оптической оси, причем в соответствии с изобретением в этом лазерном устройстве имеется оптический элемент, установленный на оптическом пути, сформированном указанной системой оптического резонатора, и его преломляющая способность в первой плоскости, проходящей вдоль оптической оси и перпендикулярной к указанным поверхностям, отличается от преломляющей способности во второй плоскости, проходящей вдоль оптической оси и перпендикулярной к указанной первой плоскости, при этом указанная преломляющая способность в указанной первой плоскости оптического элемента выбрана так, чтобы предотвратить взаимодействие моды излучения низшего порядка с поверхностями указанных первого (61) и второго (62) охлаждающих элементов.

Термин "преломляющая способность" относится к всем видам оптических элементов, в частности к преломляющим, дифракционным и отражающим оптическим элементам, способным собирать или рассеивать световой луч.

Термин "вдоль оптической оси" включает все положения указанных плоскостей, при которых они параллельны оптической оси или оптическая ось лежит в указанных плоскостях.

"Плоскость, проходящая вдоль оптической оси перпендикулярно к указанным поверхностям" представляет множество плоскостей, которые являются параллельными, если поверхности охлаждающих элементов ровные, и лежат в некотором диапазоне углов, если поверхности изогнуты. Данное определение может также включать случай, когда "плоскости" больше не являются ровными, но имеют некоторую кривизну, соответствующую пространственному расположению охлаждающих элементов, например, если поверхности охлаждающих элементов являются цилиндрическими, а центры их кривизны не совпадают.

Определение моды излучения, используемое в данной заявке, в соответствии с рассматриваемой областью техники должно пониматься следующим образом.

В случае распространения лазерного луча в свободном пространстве так называемой основной модой или модой низшего порядка является мода ТЕМ₀₀, в то время как все другие моды считаются модами высшего порядка.

Для лазерного устройства с резонатором квадратной формы основной модой или модой низшего порядка является мода ЕН₁₁, а все другие моды считаются модами высшего порядка.

Для лазерного устройства, имеющего щелевой резонатор, основной модой или модой низшего порядка считается мода излучения с одним максимумом в распределении поперечного электрического поля в направлении распространения "не в свободном пространстве".

Согласно настоящему изобретению в описанном выше лазерном устройстве излучение, генерируемое в активном объеме, то есть в активной лазерной среде, собирается или, соответственно, рассеивается оптическим элементом в плоскости, перпендикулярной к поверхностям первого и второго элементов средств охлаждения, ограничивающих местоположение активной лазерной среды, чтобы, в комбинации с выбором и установкой сферических зеркал резонатора, то есть расстоянием между ними, их кривизной и кривизной оптического элемента, удержать поле излучения в этой плоскости. Ограничение диапазона углов излучения в плоскости, перпендикулярной к поверхностям охлаждающих элементов, позволяет обеспечить большее расстояние между охлаждающими элементами, чем в известных устройствах для удержания лазерного излучения, при поддержании работы лазерного устройства в режиме одной поперечной моды.

Согласно настоящему изобретению лазерное устройство сочетает преимущества компактности и повышенной выходной мощности. Уменьшение производственных затрат обусловлено тем, что поверхности охлаждающих элементов не должны иметь высокое оптическое качество, а количество периферийных устройств для охлаждения активной лазерной среды уменьшено по сравнению с известным лазерным устройством. Кроме того, объем необходимого обслуживания во время работы лазерного устройства, выполненного согласно настоящему изобретению, незначителен, поскольку тепловая нагрузка на различные компоненты лазерного устройства снижена благодаря повышению эффективности охлаждения. Кроме того, разъюстировка охлаждающих элементов вследствие теплового расширения лишь незначительно влияет на рабочие параметры лазерного устройства, так как расстояние между охлаждающими элементами и их параллельность не являются критическими параметрами. Еще одним преимуществом является увеличение срока службы вследствие повышенной эффективности охлаждения.

В предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения на оптическом пути имеются апертурные средства. Эти апертурные средства могут быть реализованы, например, с помощью диафрагм, которые ограничивают эффективное оптическое расстояние между поверхностями охлаждающих элементов. Предпочтительно, взаимное расположение указанного оптического элемента, оптических резонаторных средств и апертурных средств оптимизировано так, чтобы минимизировать потери излучения на указанных апертурных средствах. Эти апертурные средства значительно облегчают процесс оптимизации лазерного устройства с целью селекции одномодового режима работы в плоскости, в которой оптический элемент управляет удержанием излучения.

В предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения оптический элемент и резонаторная система совместно формируют устойчивый резонатор в плоскости, перпендикулярной к поверхностям указанных средств охлаждения. В результате в этой конфигурации лазерный луч никогда не "касается" поверхностей охлаждающих элементов.

Предпочтительно, чтобы оптическая ось лазерного устройства была разделена на участки, расположенные под углом друг к другу, что уменьшает общую протяженность лазерного устройства в продольном направлении при одновременном сохранении большого оптически активного объема.

Предпочтительно, чтобы оптический элемент имел отражающую поверхность для разделения оптической оси на первый и по меньшей мере один дополнительный участок, таким образом уменьшая количество необходимых оптических компонентов в лазерном устройстве.

Оптический собирающий и рассеивающий элемент, соответственно, предпочтительно является цилиндрическим зеркалом, которое может иметь относительно низкую стоимость изготовления.

Предпочтительно, чтобы кривизны зеркал системы оптического резонатора были такими, чтобы зеркала могли одновременно выполнять функции указанного оптического элемента, таким образом уменьшая количество необходимых оптических компонентов. Зеркало такой конструкции предпочтительно является бицилиндрическим.

В еще одном предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения расстояние между поверхностями меняется вдоль оптической оси в соответствии с профилем луча в этом сечении. За счет такой адаптации формы охлаждающих элементов к изменению диаметра луча вдоль оптической оси оптимизируются как эффективность охлаждения, так и мощность оптического излучения, поскольку расстояние между поверхностями всегда поддерживается равным минимально необходимому значению.

Предпочтительно, чтобы первый и второй элементы средств охлаждения были выполнены из электропроводного материала. Это позволяет использовать эти элементы в качестве электродов. Кроме того, высокая электропроводность обычно также подразумевает и высокую теплопроводность, что обеспечивает однородное распределение температуры по поверхности элементов и, таким образом, приводит к созданию одномерного температурного градиента.

В предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения указанные средства возбуждения являются высокочастотным генератором, содержащим схему согласования мощности, при этом указанный высокочастотный генератор электрически связан с указанными первым и вторым элементами указанных средств охлаждения. Таким образом, поскольку элементы средств охлаждения выполняют двойную функцию, размеры лазерного устройства могут быть еще более уменьшены.

Активная лазерная среда предпочтительно является лазерным газом. При одновременном использовании элементов средств охлаждения в качестве высокочастотных электродов осуществляется эффективное охлаждение лазерного газа посредством теплопроводности, и, таким образом, создается мощный газовый лазер, имеющий большой по сравнению с известными лазерными устройствами лазерный объем внутри лазерного газа.

В одном из предпочтительных вариантов выполнения настоящего изобретения указанный газ включает следующие компоненты: СО₂, N₂, He, Хе. Использование дополнительного компонента Хе приводит к повышению выходной мощности приблизительно на 20-30% из-за изменения спектра распределения скоростей электронов, возбуждающих колебания молекул в СО₂ и N₂.

Предпочтительно, чтобы охлаждающие элементы имели каналы для протекания газа, позволяющие повысить охлаждающую способность и осуществлять замену деградировавших молекул СО₂.

Предпочтительно, чтобы указанная система оптического резонатора была неустойчивой системой из области отрицательной ветви неустойчивости. Резонатор отрицательной ветви неустойчивости является неустойчивой системой, фокус которой находится между зеркалами резонатора. В этом случае оптический элемент должен быть собирающим для удержания поля излучения. Чувствительность резонатора такого типа к разъюстировке намного меньше, чем неустойчивого резонатора положительной ветви неустойчивости или устойчивого резонатора. Таким образом, влияние теплового расширения и механического напряжения, приводящего к разъюстировке в процессе работы, менее значительно по сравнению с известными устройствами.

В лазерном устройстве, выполненном согласно настоящему изобретению, расстояние между поверхностями в одном устройстве может быть выбрано в диапазоне от 2 до 15 мм. Даже при расстоянии 2 мм распространяющееся лазерное излучение никогда не касается поверхностей охлаждающих элементов. Кроме того, при использовании дополнительного слабого газообмена через охлаждающие элементы может быть значительно повышена выходная мощность лазерного устройства (в несколько раз по сравнению с выходной мощностью устройств без протекания газа).

В еще одном предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения оптическая ось разделена на несколько участков, которые лежат не в одной плоскости. Таким образом, различные части лазерного устройства, содержащие активный объем, могут иметь "трехмерную" конфигурацию, обеспечивающую высокую выходную мощность устройства при небольших его габаритах.

В еще одном предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения охлаждающие элементы имеют плоские поверхности, обращенные друг к другу. Это обеспечивает простую геометрию активного объема лазерного устройства и, следовательно, простой в изготовлении оптический элемент, поскольку плоскости, в которых этот оптический элемент собирает или рассеивает свет, являются параллельными. Оптический элемент может быть, например, цилиндрическим зеркалом.

Другие предпочтительные варианты выполнения изобретения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 схематично показан вид в сечении для первого варианта выполнения настоящего изобретения,

на фиг.2 схематично показано сечение, перпендикулярное к изображенному на фиг.1 и выполненное по линии II-II на фиг.1,

на фиг.3 схематично показано сечение для второго варианта выполнения лазерного устройства согласно настоящему изобретению,

на фиг.4 схематично показано сечение для третьего варианта выполнения настоящего изобретения,

на фиг.5 схематично показано сечение для четвертого варианта выполнения настоящего изобретения,

на фиг.6 схематично показано сечение для пятого варианта выполнения настоящего изобретения,

на фиг.7 схематично показано сечение для шестого варианта выполнения лазерного устройства согласно настоящему изобретению,

на фиг.8 схематично показано сечение для шестого варианта выполнения настоящего изобретения в плоскости, перпендикулярной к плоскости сечения на фиг.7, выполненное по линии VIII-VIII на фиг.7,

на фиг.9 схематично показано сечение для еще одного варианта выполнения лазерного устройства согласно настоящему изобретению,

на фиг.10 схематично показано сечение для шестого варианта выполнения настоящего изобретения в плоскости, перпендикулярной к плоскости сечения на фиг.9, выполненное по линии Х-Х на фиг.9.

Подробное описание предпочтительных вариантов выполнения изобретения

Обратимся к фиг.1 и 2.

На фиг.1 схематично показано сечение первого варианта выполнения лазерного устройства согласно настоящему изобретению, которое содержит средства 6 охлаждения с охлаждающими элементами 61, 62, 63 и 64, выполненными из электропроводного и теплопроводного материала. Система оптического резонатора включает сферическое зеркало 2 резонатора и сферическое зеркало 3 резонатора, причем оба зеркала являются вогнутыми. Зеркала 2 и 3 резонатора формируют систему неустойчивого резонатора отрицательной ветви неустойчивости.

Между охлаждающими элементами 61, 62, 63 и 64 помещен лазерный газ 1, который может состоять из N₂, СO₂, He и Xе.

Кроме того, система содержит оптический элемент 10 в виде цилиндрического зеркала, причем ось цилиндра оптического элемента 10 перпендикулярна к плоскости чертежа. Система оптического резонатора задает оптическую ось 4, которая разделена на два участка оптическим элементом 10.

Кроме того, вдоль оптической оси расположены апертурные средства, содержащие диафрагмы 7, 8 и 9, соответственно, причем диафрагма 7 расположена между сферическим зеркалом 2 и концами охлаждающих элементов 61 и 62, диафрагма 9 - между сферическим зеркалом 3 и концами охлаждающих элементов 63 и 64, а диафрагма 8 - между оптическим элементом 10 и другими концами охлаждающих элементов 61, 62, 63 и 64.

Согласно этому варианту выполнения изобретения, средство 5 возбуждения лазерного газа с целью генерации лазерного излучения представляет собой высокочастотный генератор, содержащий схему согласования мощности. Высокочастотный генератор соединен электрическими соединителями 11, 13, 15, 17 и 19 со средствами охлаждения, используемыми как электроды, и, кроме того, соединен с потенциалом "земли" 20.

Каждая пара охлаждающих элементов 61, 62 и охлаждающих элементов 63, 64, соответственно, формирует объем, который содержит лазерный газ 1. При протекании высокочастотного тока от средства 5 возбуждения через электрические соединители 11, 13, 15, 17 и 19 к соответствующим парам охлаждающих элементов 61, 62 и 63, 64, лазерный газ 1 возбуждается и испускает вынужденное излучение. Испускаемое излучение формируется в плоскости, перпендикулярной к плоскости фиг.1, резонаторной системой, которая представляет собой неустойчивый резонатор отрицательной ветви неустойчивости. Особенности резонатора этого типа будут объяснены ниже в связи с фиг.2. В этой плоскости оптический элемент 10 не влияет на работу резонаторной системы, а просто делит оптическую ось в два участка.

В плоскости чертежа фиг.1 поле излучения формируется резонаторной системой, апертурными средствами и оптическим элементом 10. Размеры отверстий диафрагм 7, 8 и 9 ограничивают эффективное оптическое расстояние между парами охлаждающих элементов 61, 62 и 63, 64, соответственно. Когда кривизны сферических зеркал 2 и 3 и расстояния между поверхностями охлаждающих элементов 61, 62 и 63, 64, соответственно, заданы, расстояния от сферических зеркал 2 и 3 до соответствующих концов охлаждающих элементов, расстояние от оптического элемента 10 до соответствующих концов охлаждающих элементов, кривизну оптического элемента 10 и размеры отверстий диафрагм 7, 8, 9 выбирают так, чтобы сформировать устойчивый резонатор, минимизировать потери излучения на диафрагмах и одновременно обеспечить излучение подходящей моды низкого порядка, которое выводится из резонаторной системы через отверстие в сферическом зеркале 3.

На фиг.2 схематично изображено сечение первого варианта выполнения настоящего изобретения в плоскости, перпендикулярной к плоскости чертежа фиг.1. Для наглядности на фиг.2 две части оптической оси 4, изображенной на фиг.1, размещены на прямой линии.

На фиг.2 показана система оптического резонатора, включающая сферические зеркала 2 и 3, где верхняя часть сферического зеркала 3 срезана для обеспечения выхода лазерного луча из резонаторной системы. Лазерный луч, выходящий из резонаторной системы у сферического зеркала 3, обозначен позицией 50.

На фиг.2 излучение, испускаемое лазерным газом (не показан), несколько раз отражается между сферическими зеркалами 2 и 3 и выходит из резонаторной системы в виде лазерного луча 50 у сферического зеркала 3. В плоскости фиг.2 оптический элемент 10 не влияет на работу резонаторной системы. Зеркала 2 и 3 являются вогнутыми и формируют неустойчивый резонатор отрицательной ветви неустойчивости, то есть резонатор имеет фокус между сферическими зеркалами, и излучение выходит из резонаторной системы уже после нескольких отражений. Так как оптический путь в активном объеме между сферическими зеркалами 2 и 3 в направлении между средствами охлаждения ограничен этими средствами охлаждения, лазерный луч должен быть "сломан" в этом направлении, а оптический элемент 10 должен быть собирающим. Неустойчивый резонатор относительно нечувствителен к разъюстировке. Дополнительное преимущество резонатора этого типа заключается в генерации одномодового выходного излучения и, в то же время, высокой степени заполнения лазерного объема.

На фиг.3 представлено сечение в плоскости распространения луча для еще одного предпочтительного варианта выполнения лазерного устройства согласно настоящему изобретению.

Согласно этому второму варианту выполнения изобретения лазерное устройство содержит систему оптического резонатора неустойчивого типа отрицательной ветви неустойчивости, включающую сферические зеркала 302 и 303. Оптическая ось 304 разделена на несколько частей оптическими элементами 310, 320, 330, 340 и 350, которые могут представлять собой цилиндрические зеркала.

Средства 306 охлаждения, содержащие два охлаждающих элемента 361 и 362, установлены так, чтобы их внутренние поверхности заключали в себе активную лазерную среду, а траектория луча отклонялась в ту или другую сторону посредством оптических элементов 310, 320, 330, 340, 350.

Кроме того, имеются апертурные средства, включающие диафрагмы 370-376, причем диафрагмы 370, 372, 374, 376 установлены между одним торцом пары охлаждающих элементов 361, 362 и сферическим зеркалом резонатора 302, оптическим элементом 320, оптическим элементом 340 и сферическим зеркалом резонатора 303, соответственно, а диафрагмы 371, 373, 375 установлены между другим торцом пары охлаждающих элементов 361, 362 и оптическими элементами 310, 330, 350, соответственно. Диафрагмы 370-376 ограничивают эффективное оптическое расстояние между охлаждающими элементами 361, 362. Это расстояние измеряется в плоскости, перпендикулярной к плоскости фиг.3, и, следовательно, диафрагмы на фиг.З выглядят как сплошные линии.

Когда активную лазерную среду (не показана) между охлаждающими элементами 361 и 362 возбуждают, излучение, создаваемое возбужденной активной лазерной средой, формируется и удерживается в направлении, поперечном к плоскости чертежа фиг.3, сферическими зеркалами 302 и 303 соответственно. В этой плоскости оптические элементы делят оптическую ось на несколько участков, но не затрагивают функцию удержания излучения в резонаторной системе. В направлении, перпендикулярном к плоскости чертежа, формирование излучения осуществляется сферическими зеркалами 302, 303, диафрагмами 370-375 и оптическими элементами 310-350, которые могут представлять собой цилиндрические зеркала. Расстояния от оптических элементов 310-350 до охлаждающих элементов 361, 362, размеры отверстий диафрагм 370-375, предназначенных для уменьшения эффективного оптического расстояния между поверхностями охлаждающих элементов, обращенными навстречу друг другу, и кривизна оптических элементов 310-350 оптимизированы так, чтобы сформировать устойчивый резонатор в плоскости чертежа, минимизировать потери излучения на диафрагмах 370-375 и выбрать соответствующую моду излучения низшего порядка. Согласно этому варианту выполнения изобретения может быть создано очень компактное лазерное устройство, поскольку оптический тракт разделен на несколько участков и, соответственно, продольные размеры устройства уменьшены. Кроме того, температурное распределение в плоскостях, где активная лазерная среда входит в контакт с охлаждающими элементами, может сохраняться более постоянным, в результате чего повышается надежность при работе с высокой выходной мощностью.

Третий и близкий к нему четвертый вариант выполнения настоящего изобретения описаны в связи с фиг.4 и 5.

На фиг.4 схематично представлено сечение лазерного устройства, в котором зеркала 402 и 403 резонатора формируют неустойчивый резонатор отрицательной ветви неустойчивости в плоскости, перпендикулярной к плоскости чертежа. Расстояние между зеркалами 402 и 403 резонатора обозначено как L. Кривизна 410 зеркал 402 и 403 резонатора в плоскости, перпендикулярной к поверхностям охлаждающих элементов 461 и 462, выбрана такой, что в плоскости, соответствующей плоскости чертежа фиг.4, их радиус, обозначенный R, превышает расстояние L между зеркалами резонатора, таким образом обеспечивая создание устойчивого резонатора. Перед зеркалами резонатора 403 и 402 установлены апертурные средства 407 и 408, соответственно. Между соответствующими поверхностями охлаждающих элементов 461 и 462 находится лазерный газ 401. Охлаждающие элементы выполнены из электропроводного и теплопроводного материала, а охлаждающий элемент 461 соединен с генератором 405 высокочастотного тока посредством электрического соединителя 411, в то время как охлаждающий элемент 462 соединен с потенциалом земли 420 посредством электрического соединителя 419.

Для формирования устойчивого резонатора в плоскости чертежа фиг.4 радиус R зеркал 403, 402 резонатора выбирают так, что R>L. Размер апертурных средств 407 и 408 выбирают так, чтобы лазерный луч не касался поверхностей охлаждающих элементов. Предпочтительно, поверхности средств охлаждения сформированы так, что их форма по существу повторяет изменение поперечного сечения луча в плоскости фиг.4. За счет этого эффективность охлаждения возрастает по сравнению с использованием плоских охлаждающих поверхностей с постоянным зазором между ними.

На фиг.5 показана конфигурация, аналогичная изображенной на фиг.4, с модифицированными охлаждающими элементами 561 и 562. Охлаждающие элементы 561 и 562 содержат каналы 590 для обеспечения газообмена лазерного газа 501 с периферийными средствами охлаждения (не показаны) для дальнейшего повышения охлаждающей способности лазерного устройства.

На фиг.6 показано сечение пятого варианта выполнения настоящего изобретения, в котором оптическая ось разделена на два участка.

На фиг.6 показано зеркальное устройство 600 с плоской отражающей поверхностью, перед которым установлены дополнительные апертурные средства 609 и которое разделяет оптическую ось 604 на два участка. Зеркала 603 и 602 резонатора формируют неустойчивый резонатор отрицательной ветви неустойчивости в плоскости, перпендикулярной к плоскости чертежа фиг.6. Кроме того, зеркала резонатора имеют кривизну 610 для формирования устойчивого резонатора в плоскости фиг.6 и, таким образом, являются бицилиндрическими зеркалами. Перед зеркалами 603 и 602 резонатора установлены апертурные средства 607 и 608, соответственно. Охлаждающие элементы 661, 662 и 663 выполнены из электропроводного и теплопроводного материала и образуют два активных лазерных объема. Генератор 605 тока высокой частоты соединен с охлаждающими элементами 661 и 663 посредством электрических соединителей 611 и 617, соответственно. Охлаждающий элемент 662 соединен с потенциалом земли 620 посредством электрического соединителя 619.

Зеркальное устройство 600 делит оптическую ось 604 на два участка и, следовательно, расстояние L, определяющее расстояния между зеркалами резонатора в соответствующей продольной конфигурации, разделено на две части, имеющие длину L/2 каждая. Зеркала резонатора формируют неустойчивый резонатор отрицательной ветви неустойчивости в плоскости, перпендикулярной к плоскости чертежа фиг.6, а с помощью дополнительной кривизны 610 и апертурных средств 607, 608 и 609 формируется устойчивый резонатор в плоскости чертежа фиг.6, удерживающий излучение в этой плоскости. Зеркальное устройство 600 не влияет ни на систему неустойчивого резонатора, ни на систему устойчивого резонатора. Расстояние между поверхностями средств охлаждения может изменяться для лучшего соответствия изменяющемуся сечению луча вдоль оптической оси.

Еще один предпочтительный вариант выполнения настоящего изобретения будет описан в связи с фиг.7 и 8.

На фиг.7 схематично изображено сечение шестого варианта выполнения лазерного устройства, выполненного согласно настоящему изобретению, в плоскости, перпендикулярной к оптической оси.

Лазер, изображенный на фиг.7, содержит средства охлаждения, включающие охлаждающие элементы 761-769, выполненные из электропроводного и теплопроводного материала, причем охлаждающий элемент 769 представляет собой полый цилиндр, окруженный цилиндрическими пластинами 761-768, которые лежат на воображаемой цилиндрической поверхности, с соответствующими зазорами между внутренним цилиндром 769 и цилиндрическими пластинами 761-768. Посредством электрических соединителей 711-718 цилиндрические пластины соединены друг с другом и с высокочастотным генератором (не показан). Полый цилиндр, образующий охлаждающий элемент 769, электрически соединен с потенциалом земли (не показан). В указанных зазорах имеется лазерный газ 701.

Когда на охлаждающие элементы 761-769, которые служат также электродами, через электрические соединители 711-718 подан ток высокой частоты, лазерный газ 701 между полым цилиндром 769 и охлаждающими элементами 761-768 возбуждается и испускает вынужденное излучение. Формирование поля этого излучения обсуждается ниже в связи с фиг.8.

На фиг.8 показано сечение шестого варианта выполнения настоящего изобретения в плоскости, перпендикулярной чертежу на фиг.7 и обозначенной на фиг.7 линией сечения VIII-VIII.

На фиг.8 изображены зеркала 703, 702 и 704, 705 резонатора, имеющие тороидальную кривизну, то есть преломляющая способность зеркал резонатора в плоскостях, перпендикулярных к поверхности охлаждающих элементов, отличается от преломляющей способности в поперечных плоскостях, перпендикулярных к ним, и, таким образом, достигается удержание лазерных лучей в обоих поперечных направлениях в пределах активных объемов, сформированных охлаждающими элементами 768, 769 и 764, 769, соответственно. Зеркала 702 и 705 резонатора полупрозрачны. Кроме того, форма охлаждающих элементов 768, 769 и 764 такова, что она по существу совпадает с переменным поперечным сечением лазерных лучей вдоль траектории их распространения. Лазерные лучи выходят через полупрозрачные зеркала 702 и 705, соответственно. Выходные лазерные лучи направляются к аксикону 720 коническим зеркалом 730.

На фиг.9 показано сечение для варианта выполнения изобретения, аналогичного показанному на фиг.7 и 8. По сравнению с вариантом выполнения, представленным на фиг.7, в этом варианте выполнения имеются дополнительные охлаждающие элементы 971-978, образующие кольцо из сегментов цилиндра. На фиг.9 элементы, идентичные или подобные элементам, изображенным на фиг.7, обозначены соответствующими позициями, в которых первая цифра 7 заменена на цифру 9.

На фиг.10 показано сечение по линии Х-Х на фиг.9. В верхней части фиг.10 показан оптический резонатор, сформированный с помощью зеркал 903, 902 резонатора, которые имеют тороидальную форму, и конического зеркала 931. В нижней части фиг.10 оптический резонатор сформирован зеркалами 913, 912 резонатора, которые имеют тороидальную форму, и коническим зеркалом 932. Лазерные лучи, выходящие соответственно через полупрозрачные зеркала 902 и 913 резонатора, отражаются коническим зеркалом 930 в направлении аксикона 920. Форма охлаждающих элементов 968, 969 и 978, 969 выбрана так, чтобы она по существу совпадала с поперечным сечением лазерного луча вдоль пути его распространения между зеркалами 903 и 902 резонатора. То же справедливо для охлаждающих элементов 974, 969 и 974, 969, показанных в нижней части фиг.10. Для наглядности толщина охлаждающего элемента 969 показана в произвольном масштабе, который не совпадает с масштабом фиг.9.

Для мощных лазерных устройств, описанных в связи с фиг.7, 8, 9 и 10, для упрощения их изготовления была выбрана цилиндрическая геометрия. В связи с этим следует отметить, что существенным преимуществом настоящего изобретения является то, что поверхности охлаждающих элементов, контактирующих с активной лазерной средой, не обязательно должны быть ровными плоскостями. Возможны различные геометрии, включающие, например, многоугольники, такие как квадраты, шестиугольники и т.д.

На всех чертежах, иллюстрирующих варианты выполнения настоящего изобретения и изображающих газовые лазеры, возбуждаемые с помощью генератора тока высокой частоты, опущены компенсирующие индуктивности, необходимые для равномерного распределения электрического поля в охлаждающих элементах, служащих электродами. Если расстояние между охлаждающими элементами меняется вдоль оптической оси, то индуктивности должны быть тщательно подобраны для обеспечения подачи на охлаждающие элементы постоянной высокочастотной мощности.

Особенности настоящего изобретения, описанного в связи с предпочтительными вариантами его выполнения, могут быть кратко сформулированы следующим образом.

В лазерном устройстве обеспечивается повышенная площадь охлаждения за счет охлаждающих поверхностей, которые не обязательно являются плоскими, и эти охлаждающие поверхности ограничивают лазерный газ в поперечном направлении (или в соответствующих направлениях, если поверхности не являются ровными плоскостями). Охлаждающие элементы, имеющие эти охлаждающие поверхности, могут быть выполнены из электропроводного материала, чтобы одновременно служить электродами для подачи высокочастотного тока в активную лазерную среду. В другом поперечном направлении (направлениях), имеющем большее протяжение, поле излучения удерживается сферическими зеркалами резонатора, формирующими оптическую систему резонатора, предпочтительно неустойчивого типа отрицательной ветви неустойчивости. В поперечном направлении (направлениях), ограниченном средствами охлаждения, работе резонаторной системы должен "помогать" дополнительный оптический элемент, который призван не допустить зигзагообразности траектории лазерного луча и/или касания лучом охлаждающих поверхностей, или уменьшения расстояния между охлаждающими поверхностями для работы лазера на моде низшего порядка, что приводит к уменьшению активного объема и к необходимости иметь поверхности высокого качества. При использовании в описанных вариантах выполнения изобретения неустойчивого резонатора этот дополнительный оптический элемент коллимирует излучение в направлении (направлениях), перпендикулярном к охлаждающим поверхностям, и, таким образом, совместно с зеркалами резонатора формирует резонаторную систему, в которой совершенно отсутствует контакт моды удерживаемого излучения низшего порядка с охлаждающими поверхностями, что обеспечивает генерацию лазерного луча в виде поперечной моды низшего порядка. Процедура селекции моды низшего порядка может включать использование апертурных средств.

Однако применение настоящего изобретения не ограничено газовыми лазерами. Например, в качестве активной лазерной среды может быть использован кристалл алюмоиттриевого граната соответствующей формы. Кроме того, возбуждение активной лазерной среды может осуществляться оптической накачкой или с помощью луча от внешнего лазера.

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к газовым лазерам. Лазерное устройство содержит активную лазерную среду, оптический резонатор, средства возбуждения активной среды, средства охлаждения, два охлаждающих элемента и оптический элемент, обладающий анизотропной преломляющей способностью. Параметры оптического элемента выбраны таким образом, что предотвращается взаимодействие поперечной лазерной моды низшего порядка с поверхностями охлаждающих элементов. Технический результат: повышенная площадь охлаждения и повышение мощности оптического излучения. 19 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Лазерное устройство, содержащее активную лазерную среду (1), систему (2, 3) оптического резонатора, определяющую оптическую ось (4), средства (5) возбуждения указанной активной лазерной среды для создания этой средой вынужденного излучения и средства (6) охлаждения, включающие первый (61) и второй (62) охлаждающие элементы, расположенные друг напротив друга с поверхностями, обращенными друг к другу, причем указанная активная лазерная среда находится между указанными охлаждающими элементами вдоль указанной оптической оси, отличающееся тем, что оно содержит оптический элемент (10), установленный на оптическом пути, сформированном указанной системой оптического резонатора, и обладающий такой преломляющей способностью в первой плоскости, проходящей вдоль оптической оси перпендикулярно к указанным поверхностям, которая отлична от его преломляющей способности во второй плоскости, проходящей вдоль оптической оси перпендикулярно к указанной первой плоскости, причем указанная преломляющая способность оптического элемента в указанной первой плоскости выбрана так, чтобы предотвратить взаимодействие поперечной лазерной моды низшего порядка с поверхностями указанных первого (61) и второго (62) охлаждающих элементов.2. Лазерное устройство по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит апертурные средства (7, 8, 9) для уменьшения эффективного оптического расстояния между указанными первым (61) и вторым (62) охлаждающими элементами.3. Лазерное устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что указанный оптический элемент (10) в комбинации с указанной системой (2, 3) оптического резонатора образует устойчивый резонатор в плоскостях, проходящих вдоль оптической оси перпендикулярно указанным поверхностям охлаждающих элементов.4. Лазерное устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что расстояние между указанными поверхностями изменяется вдоль оптической оси так, чтобы соответствовать изменению поперечного сечения луча вдоль оптической оси.5. Лазерное устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит зеркальное устройство для отражения указанного излучения и тем самым разделения указанной оптической оси на первый участок и по меньшей мере один дополнительный участок, лежащий под некоторым углом к первому участку.6. Лазерное устройство по п.5, отличающееся тем, что указанный оптический элемент имеет отражающую поверхность для формирования указанного зеркального устройства.7. Лазерное устройство по п.6, отличающееся тем, что указанный оптический элемент (10) представляет собой цилиндрическое зеркало (10).8. Лазерное устройство по любому из пп.1-7, отличающееся тем, что указанная система оптического резонатора включает два зеркальных устройства, а указанный оптический элемент включен в одно из указанных зеркальных устройств.9. Лазерное устройство по любому из пп.1-8, отличающееся тем, что указанные первый и второй охлаждающие элементы средств (6) охлаждения выполнены из электропроводного материала.10. Лазерное устройство по любому из пп.1-9, отличающееся тем, что указанные средства (5) возбуждения являются высокочастотным генератором, содержащим схему согласования мощности, причем этот высокочастотный генератор электрически соединен с указанными первым и вторым охлаждающими элементами указанных средств охлаждения.11. Лазерное устройство по любому из пп.1-10, отличающееся тем, что указанная активная лазерная среда является газом (1).12. Лазерное устройство по п.11, отличающееся тем, что указанный газ содержит СО₂, N₂, He, Хе.13. Лазерное устройство по п.11 или 12, отличающееся тем, что указанные охлаждающие элементы имеют каналы (590) для обеспечения протекания газа.14. Лазерное устройство по любому из пп.1-13, отличающееся тем, что система оптического резонатора является неустойчивой резонаторной системой отрицательной ветви неустойчивости.15. Лазерное устройство по любому из пп.1-14, отличающееся тем, что указанное расстояние между поверхностями охлаждающих элементов лежит в диапазоне от 2 до 15 мм.16. Лазерное устройство по п.5, отличающееся тем, что участки оптической оси лежат не в одной плоскости.17. Лазерное устройство по п.16, отличающееся тем, что указанные средства охлаждения включают внутренний трубчатый охлаждающий элемент (971-978) и по меньшей мере один внешний охлаждающий элемент (969, 961-968), расположенные так, чтобы сформировать зазор для активной лазерной среды, причем по меньшей мере один из указанных участков оптической оси параллелен оси указанного трубчатого внутреннего охлаждающего элемента (971-978).18. Лазерное устройство по п.16 или 17, отличающееся тем, что указанное зеркальное устройство включает отражающие поверхности (720, 740, 920, 930, 931, 932) для оптического объединения лазерных лучей, идущих вдоль соответствующих участков оптической оси.19. Лазерное устройство по п.18, отличающееся тем, что указанные отражающие поверхности образуют коническое зеркало (730, 930, 931, 932) и аксикон (720, 920).20. Лазерное устройство по любому из пп.1-19, отличающееся тем, что указанные поверхности являются ровными плоскостями.