СПОСОБ ИМПУЛЬСНОЙ ГЕНЕРАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА ЩЕЛЕВОГО ТИПА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2011 года по МПК H01S3/104 

Группа изобретений относится к области квантовой электроники и может быть использована при создании газовых лазеров с высокочастотным возбуждением активной среды и высоким уровнем мощности импульсной генерации излучения, применяемых для технологической обработки материалов с особыми свойствами, например, цветных металлов и хрупких материалов.

Известны щелевые CO₂ лазеры (US5048048 (A), H01S 3/03, 1991-09-10; ЕР0275023 (A1), H01S 3/03,1988-07-20: US5131003, H01S 3/097, 1992-07-14), в состав которых входят пара подключенных к ВЧ-генератору протяженных металлических электродов, образующих щелевой разрядный промежуток с активной средой, и зеркала резонатора, установленные вблизи торцов электродов разрядного промежутка. Характерные размеры разрядного промежутка: высота зазора 1.5-2 мм, а ширина в десятки раз больше. В щелевом разрядном промежутке возбуждается поперечный высокочастотный (ВЧ) разряд и излучение распространяется, как в планарном волноводе вдоль электродов и свободно - в боковом направлении. Комбинация волноводного и неволноводного распространения излучения позволяет реализовать высокие плотности мощности накачки активной среды и, соответственно, получить высокие уровни мощности генерации излучения.

В известных щелевых СО₂ лазерах реализуются два режима возбуждения газовой активной среды и, соответственно, два режима генерации излучения: непрерывный и импульсно-периодический. В непрерывном режиме мощность излучения отпаянных СО₂ лазеров в зависимости от объема активной среды составляет от 100 до 500 Вт. В импульсно-периодическом режиме при модуляции ВЧ-напряжения на разряде (см., например, US 5131003, H01S 3/097, 1992-07-14; JP 7226556 (A), H01S 3/097, 1995-08-22) получают импульсы с длительностью от 30 мкс и более с пиковой мощностью излучения, превышающей среднюю мощность в 2-2,5 раза.

Максимальная частота следования импульсов при 100% глубине модуляции света в отпаянных щелевых С0₂ лазерах находится в диапазоне до 10 кГц. Это связано с кинетическими процессами развития импульса в активной среде при типичных давлениях газа 50-80 Торр и типичных уровнях накачки 20-60 Вт/см³. При более высоких частотах следования импульсов накачки глубина модуляции уменьшается вследствие больших времен (50-70 мкс) нарастания и спада импульсов генерации (см., например, "Slab waveguide RF-excited СO₂ laser for material processing", A.I.Dutov, N.A.Novoselov, V.N.Sokolov, A.A.Kuleshov, Proc.SPIE, vol.2713, pp.51-57, 1995).

Увеличение импульсной мощности генерации в щелевых СО₂ лазерах может быть достигнуто при увеличении давления газа до 150-200 Торр и многократным увеличением плотности мощности накачки. Например, в работе "Коэффициент усиления активной среды и параметры генерации щелевого СО₂ лазера с высокой импульсной мощностью", А.И.Дутов, А.А.Кулешов, Н.А.Новоселов, Н.Л.Орлов, А.А.Соколов, С.А.Мотовилов, Изв.АН, сер.физ., том 66, №8, стр.1179-1181, (2002), сообщается о получении пиковой мощности генерации до 4-5 кВт при длительности импульсов 20-50 мкс в лазере, работающем на частоте повторения импульсов до 600 Гц. Аналогичные параметры генерации приведены и в работе F.Villarreal, P.R.Murray, H.J.Baker, G.A.J.Markillie, R.J.Ramirez, Q.Cao, D.R.Hall, "High peak power CO₂ planar waveguide lasers for direct high resolution machining",Proc. SPIE, vol.4184, pp.258-261, (2001), где предельная частота следования импульсов без снижения амплитудной мощности составила 1 кГц. В обеих работах частота повторения импульсов была ограничена влиянием акустических волн плотности, которые развиваются в активной среде при импульсно-периодическом вкладе с высокими удельными плотностями накачки (300-800 Вт/см³).

Известен способ импульсной генерации излучения газового лазера щелевого типа, осуществляемый в известном газовом СО₂ лазере щелевого типа (US 5131003; H01S 3/097; 1992-07-14), который по совокупности существенных признаков является наиболее близким аналогом заявляемого лазера.

Известный газовый лазер содержит заполненную активной газовой средой герметичную камеру с окном для вывода излучения, установленные в камере и подключенные к ВЧ-генератору два противолежащих протяженных металлических электрода, образующих между ними щелевой разрядный промежуток, и оптический резонатор с выводным зеркалом.

При осуществлении известного способа на электроды известного лазера от ВЧ-генератора подают напряжение возбуждения в виде импульса с заданной частотой, в результате чего возникает импульсный разряд. Протекание импульсов разряда обеспечивает создание кратковременной инверсии населенности энергетических уровней в находящейся в разрядном промежутке активной газовой среде. Вынужденное периодическое испускание излучения частицами газовой среды в пределах оптического резонатора при их переходе из возбужденного в основное состояние приводит к модуляции лазерного излучения на соответствующей длине волны.

Известный способ, осуществляемый в известных щелевых СО₂ лазерах не позволяет реализовать одновременно высокие импульсные мощности света и высокие частоты повторения импульсов при 100% глубине модуляции. Максимальные пиковые мощности составляют у этих лазеров всего несколько киловатт, в то время как для технологических применений (например, для обработки цветных металлов, а также хрупких материалов) требуются пиковые мощности в десятки киловатт и более.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа импульсной генерации излучения, осуществляемым известным устройством, относятся нарушение однородности активной среды в режиме мощной импульсной накачки и неустойчивость газового разряда.

Известно, что при укорочении длительности лазерного импульса повышается эффективность взаимодействия излучения с веществом за счет уменьшения порогов плавления и испарения облучаемого материала, зависящих от его теплопроводности, плотности, теплоемкости и др. свойств. Уменьшение длительности импульса от 1 миллисекунды до 100 не позволяет понизить порог испарения металла в 100-300 раз (см. "Лазерные технологии в микроэлектронике". В.П.Вейко, С.М.Метев. Изд. Болгарской АН, София, 1991).

Эффективным методом укорочения длительности импульса в лазерах и повышения пиковой мощности является метод модуляции добротности резонатора. Для любой резонансной системы добротность определяется как отношение запасенной энергии в системе к энергии, теряемой за один цикл колебаний, т.е. высокая добротность резонатора лазера означает, что резонансная система имеет малые потери (см. О.Звелто. "Принципы лазеров". М.: Мир, 1990).

Если в оптическом тракте резонатора с помощью затвора блокируют усиление излучения, то генерация возникнуть не может. В этом случае инверсия населенностей может достичь значения, которое намного превышает пороговое, имеющее место в отсутствие затвора. Закрытое состояние затвора эквивалентно появлению в резонаторе лазера очень больших потерь. Если теперь резко открыть затвор, то усиление в лазере существенно превысит потери и накопленная энергия выделится в виде короткого и интенсивного импульса излучения.

Известен способ импульсной генерации излучения газового СО₂ лазера (High power repetition rate Q-switch CO₂ laser and its application to study the optical breakdown in supersonic air stream", A.N.Malov, A.M.Orishich, V.B.Shulatyev, Proc.SPIE, vol.7131, 7131 IP-1-7 (2009), в котором используют модуляцию лазерного излучения путем периодического блокирования усиления излучения в резонаторе.

В известном способе блокирование усиления излучения в резонаторе осуществляют с помощью модулятора в виде вращающегося диска с прорезями.

Известный способ был реализован только на базе нещелевого промышленного газового СО₂ лазера низкого давления с прокачкой газа. На частотах повторения 30-40 кГц были получены импульсы генерации с амплитудой в диапазоне 50-100 кВт, что расширяет технологические возможности промышленного СО₂ лазера, например позволяет резать стекло и цветные металлы.

Технологические нещелевые лазеры этого типа очень громоздки, расходуют много газовой смеси и малоэффективны, т.к. возбуждаются либо постоянным током, либо переменным током низкой частоты.

Известны также волноводные СО₂ лазеры с модуляцией добротности резонатора с использованием электрооптического модулятора (ЭОМ) (См. Precision Microfabrication with Q-Switched CO₂ Laser", C.Dunsky and H.Matsumoto, Proc.SPIE, Voi.4830,pp.85-90, (2003), а также "Q-switched cavity dumped CO₂ laser for material processing", Kennedy J.T. et al., US Pat.6,697,408; H01S 003/22; 2004-02-24). Волноводные CO₂ лазеры имеют круглое или квадратное сечение канала с размерами в диапазоне от 2 до 4 мм, в котором происходит накачка активной среды в газовом разряде.

Излучение распространяется в канале, как в световоде, по обеим координатам. Одно или оба резонаторных зеркала располагаются снаружи и отделены от активной среды окнами Брюстера. ЭОМ находится во внешней оптической схеме и вместе с фазовой пластинкой образует модулятор-затвор для излучения.

Известный способ модуляции потерь в резонаторе с помощью ЭОМ не может быть использован в щелевом лазере по двум причинам: во-первых, работоспособность кристалла в ЭОМ ограничивается на уровне 10-15 Вт излучения и, во-вторых, световая апертура или сечение кристалла в ЭОМ слишком мала (от 4×4 мм до 8×8 мм) для установки в резонатор щелевого лазера.

Механический же модулятор (обтюратор) в качестве затвора применить в резонаторе щелевого лазера не представляется возможным, поскольку световая апертура резонатора у лазеров этого типа слишком велика для того, чтобы осуществить быстрое ("мгновенное") перекрывание света.

Из уровня техники не известны способы модуляции добротности резонатора в газовых лазерах щелевого типа.

Задачей, на решение которой направлена заявляемая группа изобретений, является одновременное повышение мощности и частоты повторения лазерных импульсов СО₂ лазеров щелевого типа, в частности получение последовательности мощных лазерных импульсов с пиковой мощностью 5 кВт и более, следующих с высокой частотой повторения, преимущественно в диапазоне 10 кГц и более, при средней мощности излучения лазера от 50 до 500 Вт в отпаянном режиме. Значения указанных параметров зависят от конкретного воплощения прибора, в частности от величины объема активной среды и от конструкции модулятора излучения. Пиковая мощность примерно в 100 раз превосходит среднюю мощность излучения лазера, а частота следования импульсов зависит от числа прорезей на диске и от скорости вращения диска модулятора.

Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемой группы изобретений, заключается в обеспечении возможности модулированного с глубиной до 100% изменения потерь в резонаторе лазера щелевого типа.

Указанный технический результат достигается при осуществлении заявляемой группы разнообъектных изобретений, образующих единый творческий замысел и представляющих собой способ и устройство для его осуществления.

Указанный технический результат при осуществлении заявляемой группы изобретений достигается тем, что в заявляемом способе импульсной генерации излучения газового лазера щелевого типа излучение из щелевого разрядного промежутка лазера направляют на одно из зеркал резонатора через дополнительный пассивный оптический ретранслирующий участок, а импульсную генерацию излучения осуществляют путем периодического блокирования усиления излучения в резонаторе на этом пассивном участке.

Указанный технический результат при осуществлении заявляемой группы изобретений достигается также тем, что периодическое блокирование усиления излучения в резонаторе осуществляют на пассивном участке в месте перетяжки пучка излучения.

Указанный технический результат при осуществлении заявляемого изобретения достигается тем, что в заявляемом щелевом лазере, содержащем заполненную активной газовой средой герметичную камеру с окном для вывода излучения, установленные в камере и подключенные к ВЧ-генератору два противолежащих протяженных металлических электрода, образующих между ними щелевой разрядный промежуток, и оптический резонатор с выводным зеркалом, в отличие от известного лазера, оптический резонатор дополнительно снабжен внешним пассивным участком - оптическим ретранслятором с возможностью ретрансляции распределения интенсивности и фазы пучка излучения в плоскости торца электродов на плоскость установленного вне камеры выводного зеркала резонатора, и модулятором излучения, установленным на пассивном участке.

Указанный технический результат при осуществлении заявляемой группы изобретений достигается также тем, что модулятор излучения установлен на пассивном участке в месте перетяжки пучка излучения.

Указанный технический результат при осуществлении заявляемой группы изобретений достигается также тем, что оптический ретранслятор выполнен в виде двух софокусных линз, у которого передняя плоскость ретрансляции совмещена с торцами разрядных электродов, а задняя плоскость - с выводным зеркалом резонатора.

На фиг.1 изображен заявляемый лазер с резонатором неустойчивого типа отрицательной ветви, у которого ход лучей показан в плоскости волноводной координаты; на фиг.2 показана оптическая схема резонатора щелевого лазера с ходом лучей в плоскости свободной координаты; на фиг.3 - график расчетных зависимостей импульса генерации и потерь резонатора, полученные для резонатора с модуляцией добротности при частоте модуляции 1 кГц.

В заявляемом лазере (фиг.1) в заполненной активной газовой средой (содержащей СО₂) герметичной камере 1 с окном 2 для вывода излучения установлены подключенные к ВЧ-генератору 3 два противолежащих протяженных металлических электрода 4 и 5, образующих между ними щелевой разрядный промежуток 6. Оптический резонатор лазера образуют установленное в камере 1 концевое сферическое зеркало 7 и установленное вне камеры 1 выводное сферическое зеркало 8. В резонаторе между плоскостью торцов электродов 4 и 5 и выводным зеркалом 8 установлен внешний оптический ретранслятор 9, состоящий из двух софокусных положительных линз 10 и 11 с фокусными расстояниями f₁₀ и f₁₁.

Передняя и задняя фокальные плоскости I и II ретранслятора 9 (фиг.2) совмещены соответственно с плоскостью торцов электродов 4 и 5 и выводным зеркалом 8 для обеспечения ретрансляции поля излучения (т.е. для воспроизведения по амплитуде и фазе) из плоскости I в плоскость II и обратно с точностью до полосы пропускания ретранслятора 9. Таким образом, участок между плоскостями I и II обладает нулевой эффективной длиной и полностью сохраняет структуру моды резонатора, его потери и чувствительность к аберрациям, то есть является пассивным участком в оптической схеме.

На пассивном участке (в ретрансляторе 9) между линзами 10 и 11, предпочтительно в месте перетяжки пучка излучения, установлен механический обтюратор 12 в виде диска с прорезями по периферии.

Заявляемый способ импульсной генерации излучения газового лазера щелевого типа осуществляется в заявленном лазере следующим образом.

ВЧ-генератор 3 в непрерывном режиме подает напряжение на электроды 4 и 5 и возбуждает активную среду в разрядном промежутке 6. Протекание тока между протяженными металлическими электродами 4 и 5 обеспечивает создание инверсной населенности энергетических уровней молекул СО₂ в газовой активной среде, находящихся в промежутке 6. В исходном состоянии генерация возникнуть не может, поскольку в оптическом тракте резонатора диск обтюратора 12 перекрывает световую апертуру в месте перетяжки, т.е. блокирует усиление. При этом инверсия населенностей накапливается и может достичь высокого уровня, который намного превышает пороговое значение. Если прорезь на диске открывает поток излучения при повороте диска обтюратора 12, реализуется другое состояние лазера, при котором усиление в активной среде существенно превышает потери, и на короткое время t', определяемое скоростью вращения обтюратора 12 и сечением перетяжки пучка излучения, образованной в ретрансляторе 9 софокусными линзами 10 и 11, устанавливается поле излучения (мода). Накопленная в активной среде энергия выделяется в виде короткого и интенсивного импульса. Время t' определяется скоростью вращения обтюратора 12 и сечением перетяжки пучка излучения, образованной в ретрансляторе 9 софокусными линзами 10 и 11. Для минимизации оптических потерь в резонаторе и сохранения модовой структуры излучения плоскость выводного зеркала II и плоскость торцов разрядных электродов I сопряжены с помощью оптического ретранслятора 9, образованного линзами 10 и 11.

Механический обтюратор 12 в виде диска с прорезями по периферии, расположенный в области перетяжки ретранслятора 9, практически может иметь прорези шириной 0.5-1.0 мм, расстояние между ними в диапазоне 5-20 мм и скорость вращения диска 200-300 оборотов в секунду. Таким образом, может быть обеспечено открывание резонатора на время 1-10 мкс, в течение которого и осуществляется импульсный режим генерации лазера. При этом реализуется пиковая мощность излучения в десятки киловатт, длительность в пичке по полувысоте 40-500 нс, а длительность "хвоста" импульса в диапазоне от 2 до 10 мкс.

Оптическая схема ретранслятора для неустойчивого типа лазерного резонатора в сочетании с прерывателем излучения - модулятором оптических потерь - была использована при расчетах энергии, длительности и формы импульсов генерации методом компьютерного моделирования. На фиг.3 представлены графики результатов расчетов для активной среды щелевого лазера с размерами 2×60×600 (мм), давлением газа 70 Торр и плотностью мощности ВЧ-накачки в разряде 40 Вт/см³, полученные для неустойчивого резонатора с модуляцией добротности при частоте модуляции 1 кГц.

Для неустойчивого резонатора с увеличением М=1.2 получена пиковая мощность 20 кВт, а энергия в импульсе - 9 мДж. Результаты расчетов подтверждают возможность осуществления заявляемого изобретения, достижения указанного технического результата и решения поставленной задачи.

Способ характеризуется тем, что излучение из щелевого разрядного промежутка лазера направляют на одно из зеркал резонатора через дополнительный пассивный оптический ретранслирующий участок. При этом импульсную генерацию излучения осуществляют путем периодического блокирования усиления излучения в резонаторе на этом пассивном участке. В состав устройства для реализации способа входят заполненная активной газовой средой герметичная камера с окном для вывода излучения и оптический резонатор с выводным зеркалом. В камере установлены два противолежащих протяженных металлических электрода, подключенные к ВЧ-генератору и образующие щелевой разрядный промежуток. Оптический резонатор снабжен внешним пассивным участком - оптическим ретранслятором с возможностью ретрансляции распределения интенсивности и фазы светового пучка в плоскости торцов электродов на плоскость установленного вне камеры выводного зеркала резонатора, и модулятором излучения, установленным на пассивном участке. Технический результат заключается в обеспечении возможности модулированного изменения потерь в резонаторе лазера щелевого типа. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ импульсной генерации излучения газового лазера щелевого типа, характеризующийся тем, что излучение из щелевого разрядного промежутка лазера направляют на одно из зеркал резонатора через дополнительный пассивный оптический ретранслирующий участок, а импульсную генерацию излучения осуществляют путем периодического блокирования усиления излучения в резонаторе на этом пассивном участке.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что периодическое блокирование усиления излучения в резонаторе осуществляют на пассивном участке в месте перетяжки пучка излучения.

3. Газовый лазер щелевого типа, содержащий заполненную активной газовой средой герметичную камеру с окном для вывода излучения, установленные в камере и подключенные к ВЧ-генератору два противолежащих протяженных металлических электрода, образующих между ними щелевой разрядный промежуток, и оптический резонатор с выводным зеркалом, отличающийся тем, что оптический резонатор дополнительно снабжен внешним пассивным участком - оптическим ретранслятором с возможностью ретрансляции распределения интенсивности и фазы светового пучка в плоскости торцов электродов на плоскость установленного вне камеры выводного зеркала резонатора, и модулятором излучения, установленным на пассивном участке.

4. Газовый лазер по п.3, отличающийся тем, что модулятор излучения установлен на пассивном участке в месте перетяжки пучка излучения.

5. Газовый лазер по п.3, отличающийся тем, что в нем оптический ретранслятор выполнен в виде двух софокусных линз, у которого передняя плоскость ретрансляции совмещена с торцом разрядных электродов, а задняя плоскость - с выводным зеркалом резонатора.