ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 2005 года по МПК H01S3/1055 

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано при разработке перестраиваемых по длинам волн лазеров и спектрометрических приборов на их основе.

Известен перестраиваемый лазер, содержащий активный элемент с окном Брюстера, оптический резонатор, включающий спектрально-селективный элемент с возможностью поворота или продольно-углового перемещения, для перестройки лазера по линиям спектра. (См. з-ка РСТ № 86/04746, кл. H 01 S 3/1055, опубл. 14.08.86 г.)

Несмотря на высокую точность перестройки, лазер обладает таким недостатком, как сложность процесса перестройки, связанная с использованием целой группы дополнительных измерительных приборов, схем сравнения и обработки сигналов.

Известен перестраиваемый лазер, содержащий активную среду, резонатор, ограниченный дифракционной решеткой, установленной с возможностью изменения пространственно-углового положения, и внутрирезонаторную регулируемую апертурную диафрагму. (См. Гуделев В.Г., Лешенюк Н.С., Невдах В.В. Стабилизированный по частоте перестраиваемый СО₂-лазер. - Журнал прикладной спектроскопии, 1981, т.34, № 2, с.370-371).

Недостатком лазера является сложность процесса перестройки, обусловленная необходимостью регулирования апертуры диафрагмы независимо от настройки дифракционной решетки.

Наиболее близким к предлагаемому и принятый за прототип является перестраиваемый лазер, содержащий активную среду, резонатор, включающий спектрально-селективный элемент (дифракционную решетку), установленный с возможностью изменения пространственно-углового положения, и внутрирезонаторную регулируемую апертурную диафрагму. Лазер дополнительно содержит профилированный толкатель, кинематически связанный со спектрально-селективным элементом, а диафрагма снабжена приводным рычагом, кинематически связанным с профилированным толкателем. (См. патент РФ № 2046482, кл. H 01 S 3/13, опубл. 20.10.95 г. – прототип.)

К недостаткам прототипа следует отнести следующее: в процессе работы приводной рычаг в значительных пределах линейно перемещается (скользит) в фигуральном и(или) прямом пазе. Вследствие этого возникает повышенный и неравномерный износ контактирующих поверхностей и ухудшается точность и воспроизводимость выбора длины волны в процессе перестройки, снижается надежность и устойчивость работы перестраиваемого лазера в условиях механоклиматических воздействий.

Кроме того, в процессе перестройки по длинам волн (изменения пространственно-углового положения спектрально-селективного элемента) происходит неконтролируемое и немонотонное изменение частоты лазерного излучения, что препятствует настройке на максимум мощности излучения.

Задача изобретения заключается в создании перестраиваемого по длинам волн лазера с высокой воспроизводимостью и точностью выбора длины волны, устойчиво и надежно работающего в условиях механоклиматических воздействий.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в возможности раздельной и независимой юстировки плоскости дисперсии дифракционной решетки и оси вращения подвижного рычага относительно оптической оси резонатора.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в перестраиваемом лазере, содержащем расположенные в корпусе резонатор с активной средой, выходное зеркало и спектрально-селективный элемент (дифракционная решетка), соединенный с подвижным рычагом, дифракционная решетка в оправе через юстировочный механизм соединена со свободным концом подвижного рычага, второй конец которого зафиксирован сферическими опорами в П-образном фланце, который через второй юстировочный механизм соединен с корпусом лазера, при этом свободный конец подвижного рычага кинематически связан с микрометрическим винтом.

Соединение дифракционной решетки в оправе через юстировочный механизм со свободным концом подвижного рычага обеспечивает юстировку плоскости дисперсии дифракционной решетки относительно оси вращения подвижного рычага. Оптическая ось резонатора и ось вращения подвижного рычага съюстированы относительно друг друга взаимно перпендикулярно и не лежат в одной плоскости, что обеспечивает точную и надежную юстировку дифракционной решетки и воспроизводимость ее положения в процессе углового вращения при перестройке по длинам волн. Передача вращения микрометрического винта на подвижный рычаг позволяет очень плавно осуществлять перестройку по частоте, добиваясь максимума мощности излучения.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, 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 заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное решение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата, в частности, не выявлен перестраиваемый лазер, в котором повышение точности перестройки длины волны и частоты излучения обеспечивается за счет раздельной и независимой юстировки плоскости дисперсии дифракционной решетки и оси вращения подвижного рычага относительно оптической оси резонатора.

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

На фиг.1 изображен перестраиваемый лазер.

На фиг.2 представлен спектрально-селективный элемент, установленный на подвижном рычаге, зафиксированном в П-образном фланце.

На фиг.3 представлен дополнительный вид к фиг.2.

Лазер содержит расположенный в корпусе 1 резонатор, включающий активную среду 2, выходное зеркало 3 и спектрально-селективный элемент 4 (дифракционная решетка). Дифракционная решетка 4, расположенная в оправе 5, через первый юстировочный механизм 6 соединена со свободным концом подвижного рычага 7. Второй конец подвижного рычага 7 зафиксирован сферическими опорами 8 в П-образном фланце 9, который через второй юстировочный механизм 10 и несущий элемент 11 соединен с корпусом 1 лазера. Свободный конец подвижного рычага 7 кинематически соединен с микрометрическим винтом 12, включающим шток 13. Первый 6 и второй 10 юстировочные механизмы выполнены аналогично и содержат винт-стойку 14 с деформируемой шейкой 15 и три юстировочных винта 16, расположенных под углом 120° относительно друг друга. 17 - рычаг кинематической связи.

Перестройка длины волны излучения осуществляется следующим образом.

Вращение микрометрического винта 12 приводит к поступательному перемещению штока 13, которое, в свою очередь, вызывает вращение жестко связанных между собой рычага кинематической связи 17 и подвижного рычага 7, а также закрепленных на последнем оправы 5 с дифракционной решеткой 4. Рычаг 17 находится в постоянном упругоконтактном зацеплении со штоком 13 (обеспечивается дополнительными прижимными пружинами - на фиг.1 не показаны).

Вращение подвижного рычага 7 осуществляется относительно оси O₁O₂, проходящей через центры сферических опор 8 (фиг.2). Сферические опоры 8 зафиксированы в П-образном фланце 9, который упругопластически через второй юстировочный механизм связан с несущим элементом 11 корпуса 1 лазера, что обеспечивает юстировку оси вращения O₁O₂ с помощью винтов 16 относительно оси резонатора. Дифракционная решетка 4 предварительно съюстирована таким образом, чтобы ее штрихи были строго параллельны оси вращения O₁O₂. Это условие является необходимым и достаточным для исключения разъюстировки штрихов дифракционной решетки относительно оптической оси резонатора в процессе перестройки по длинам волн. Вследствие этого юстировка П-образного фланца 9 (т.е. оси вращения О₁О₂) относительно оптической оси резонатора обеспечивает необходимую юстировку дифракционной решетки 4 и ее сохранение в процессе вращения (т.е. перестройки по длинам волн).

Перестраиваемый лазер обеспечивает высокую точность и воспроизводимость выбора длины волны излучения за счет сохранения юстировки дифракционной решетки в условиях механоклиматических воздействий. Раздельная и независимая юстировка плоскости дисперсии дифракционной решетки относительно оси вращения подвижного рычага и последнего относительно оптической оси резонатора обеспечивается раздельными юстировочными механизмами. При этом оптическая ось резонатора и ось вращения подвижного рычага взаимно перпендикулярны и не лежат в одной плоскости (т.е. разнесены в пространстве), плоскость дисперсии дифракционной решетки строго перпендикулярна оси вращения подвижного рычага, а штрихи, соответственно, строго параллельны ей.

Приводим пример конкретной реализации изобретения.

Перестраиваемый лазер типа LCD-5WGT содержит разрядный канал, образованный керамическими пластинами и металл-диэлектрическими электродами. Активная среда (рабочая смесь газов CO₂:N₂:He:Xe) возбуждается ВЧ-емкостным разрядом. В резонаторе, образованном выходным зеркалом из AsGa с коэффициентом пропускания 6-8% в области 9,2-10,8 мкм и нарезной отражательной дифракционной решеткой с постоянной 150 шт./мм и коэффициентом отражения в "-1" порядок ~95%, возникает генерация на длине волны, соответствующем углу автоколлимации по схеме Литтрова. Изменением угла установки дифракционной решетки добиваются генерации лазерного излучения требуемой длины волны. При этом значение (показание) шкалы микрометрического винта однозначно соответствует определенному значению длины волны (может устанавливаться в соответствии с градуировочной таблицей). Микрометрический винт имеет общий ход в пределах 25 мм и при эквивалентной длине передаточного рычага ~90 мм обеспечивает необходимый диапазон углового перемещения дифракционной решетки (~13°-14°) и, соответственно, перестройки по длинам волн (9,2-10,8 мкм). Геометрические размеры разрядного канала (2,2×2,2) обеспечивают одномодовый режим генерации лазерного излучения. Корпус лазера выполнен из цельнотянутого П-образного швеллера из алюминиевого сплава типа АД-31. Активный элемент выполнен на базе лазера типа LCD-10WG с заменой глухого зеркала на окно связи Брюстера из ZnSe. Детали узла перестройки по длинам волн выполнены из нержавеющей стали марки Х18Н10Т. Декоративные детали корпуса лазер выполнены из алюминиевых сплавов типа AMg. Охлаждение лазера может осуществляться проточной водой либо встроенными вентиляторами (воздухом).

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

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано при разработке перестраиваемых лазеров. Лазер содержит расположенный в корпусе резонатор, включающий активную среду, выходное зеркало и спектрально-селективный элемент в виде дифракционной решетки. Решетка в оправе через первый котировочный механизм соединена со свободным концом подвижного рычага. Второй конец подвижного рычага зафиксирован сферическими опорами в П-образном фланце, который через второй юстировочный механизм соединен с корпусом лазера. Свободный конец подвижного рычага кинематически связан с микрометрическим винтом. Изобретение обеспечивает создание лазера с высокой воспроизводимостью и точностью выбора длины волны, устойчиво и надежно работающего в условиях механических и климатических воздействий, за счет раздельной и независимой юстировки плоскости дисперсии дифракционной решетки и оси вращения подвижного рычага и сохранения этого положения в процессе работы. 3 ил.

Перестраиваемый лазер, содержащий расположенный в корпусе резонатор, включающий активную среду, выходное зеркало и спектрально-селективный элемент (дифракционную решетку), соединенный с подвижным рычагом, отличающийся тем, что дифракционная решетка в оправе через юстировочный механизм соединена со свободным концом подвижного рычага, второй конец которого зафиксирован сферическими опорами в П-образном фланце, который через второй юстировочный механизм соединен с корпусом лазера, при этом свободный конец подвижного рычага кинематически связан с микрометрическим винтом.