ИМПУЛЬСНЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 2011 года по МПК H01S3/03 H01S3/05 

Изобретение относится к устройству импульсного лазера на самоограниченных переходах с высоким коэффициентом усиления активной среды (лазера на парах металлов, инертных газах, эксимерных, жидкостных и твердотельных лазеров) и может быть использовано при его конструировании для использования в устройствах прецизионной микрообработки материалов, а также в локационных системах при зондировании атмосферы и гидросферы. Использование таких устройств особенно целесообразно для прецизионной микрообработки материалов, так как позволяет получить малый диаметр пятна излучения в плоскости обработки материала с высокой плотностью импульсной мощности.

Известен импульсный лазер, включающий установленные на оптической оси лазера разрядный канал, ось которого совпадает с оптической осью лазера, «глухое» выпуклое зеркало, расположенное с одной стороны на расстоянии l₁ от разрядного канала, и просветленная положительная линза, расположенная с другой, выходной, для лазерного излучения стороны на расстоянии l₂ от разрядного канала [1].

При подаче импульсного напряжения на электроды разрядного канала лазер генерирует излучение с двухпучковой структурой. Первый пучок с низкой пространственной когерентностью после коллимирования линзой имеет дифракционную расходимость на три порядка большую и острой фокусировке не поддается. Второй пучок имеет степень пространственной когерентности существенно более высокую, чем первый. При его коллимировании образуется пучок с расходимостью, зависящей от радиуса кривизны выпуклого зеркала R. Это позволяет, уменьшая радиус кривизны выпуклого зеркала, уменьшить расходимость пучка. Однако с уменьшением радиуса кривизны зеркала уменьшается и мощность пучка (за счет уменьшения рабочей поверхности выпуклого зеркала), а мощность фонового пучка увеличивается, что является недостатком устройства.

Наиболее близким техническим решением, прототипом предлагаемого устройства, является импульсный лазер, включающий установленные на оптической оси лазера разрядный канал длиной L, ось которого совпадает с оптической осью лазера, «глухое» выпуклое зеркало, расположенное с одной стороны разрядного канала на расстоянии l₁ от его ближнего конца, и просветленную положительную линзу, установленную с другой, выходной для лазерного излучения стороны разрядного канала. Фокус линзы совмещен с плоскостью изображения в выпуклом зеркале дальнего от выпуклого зеркала конца разрядного канала. Между линзой и разрядным каналом на расстоянии l₂≤l₁ от конца разрядного канала перпендикулярно оси лазера установлен плоский отражатель, частично прозрачный для лазерного излучения [2].

При включении электрического разряда в разрядном канале из «затравочного» спонтанного излучения образуются две низкокогерентные световые волны - пучки сверхсветимости, распространяющиеся вдоль активного элемента в разных направлениях с угловой расходимостью, определяемой апертурой разрядного канала. Одна из них, первая, проходит через активную среду, падает на «глухое» выпуклое зеркало, часть ее отражается от него и вновь попадает в активную среду разрядного канала. Вторая волна, выйдя из активной среды разрядного канала в сторону плоского отражателя, частично отразится от него, частично пройдет через него, образуя нерезонаторный низкокогерентный пучок. Отраженная от плоского отражателя часть волны попадает вновь в активную среду, имея большую, чем до отражения степень пространственной когерентности. Т.к. l₂≤l₁, эта волна поступает в активную среду разрядного канала раньше, чем первая волна, снижая инверсию населенностей активной среды. Вследствие этого возможность усиления для первой волны ослабевает, а вторая, получившая преимущество по усилению, пройдя через разрядный канал, падает на «глухое» выпуклое зеркало, и, отразившись от него, распространяется назад через активную среду, образуя пучок с меньшей, чем в аналоге расходимостью. В результате двух проходов этой волны по резонатору формируемый резонаторный пучок приобретает и большую мощность, и большую пространственную когерентность по сравнению с аналогом. Если уменьшить фокусное расстояние линзы до величины, меньшей l₁+l₂+L+фокусное расстояние «глухого» зеркала, то пучок станет сходящимся, и в сравнении с аналогом в плоскости фокусировки он образует пятно меньшего диаметра с большей плотностью импульсной мощности.

В зависимости от соотношения между длиной резонатора, усилением среды и временем существования инверсии населенностей, вслед за первым резонаторным пучком излучения могут образоваться и следующие пучки, однако на величину общей расходимости излучения это уже не повлияет, т.к. их расходимость будет меньше расходимости первого резонаторного пучка. По мере уменьшения радиуса R расходимость первого резонаторного пучка приближается к дифракционному пределу, но мощность излучения при этом резко снижается из-за квадратичного уменьшения площади рабочей поверхности «глухого» зеркала.

Одним из недостатков конструкции прототипа является наличие нескольких пучков излучения, что отрицательно сказывается на качестве пятна фокусировки, т.е. распределении интенсивности, а следовательно, и качестве обработки материала. Другой недостаток - это незначительное повышение мощности высококогерентного пучка излучения вследствие существенного снижения инверсии населенностей по всему разрядному каналу, в том числе и в его приосевой части, после прохождения по нему отраженного от плоского отражателя пучка излучения, имеющего сравнительно невысокую степень когерентности. В сравнении с аналогом плотность мощности излучения увеличивается только в 3 раза: в 1,5 раза за счет увеличения мощности и в 2 раза - за счет уменьшения расходимости. Этого часто недостаточно для производительной и качественной обработки многих материалов.

Технический результат изобретения заключается в повышении выходной мощности лазерного излучения при одновременном уменьшении его расходимости до дифракционного предела в режиме однопучкового излучения.

Технический результат достигается тем, что в импульсном лазере, включающем установленные на оптической оси лазера разрядный канал длиной L, ось которого совпадает с оптической осью лазера, «глухое» выпуклое зеркало, расположенное с одной стороны разрядного канала на расстоянии l₁ от его ближнего конца, просветленную положительную линзу, расположенную с другой, выходной для лазерного излучения стороны разрядного канала. Линза установлена на расстоянии l₂ от ближнего к ней конца разрядного канала, а на поверхности линзы, обращенной к разрядному каналу, в области оптической оси лазера выполнен участок с покрытием, отражающим излучение, площадь которого соизмерима с площадью рабочей поверхности «глухого» зеркала, причем

l₂+L/2<l₁<τc/2-(l₂+L),

где τ - время существования инверсии, с - скорость света.

Участок с отражающим излучение покрытием на поверхности линзы, обращенной к разрядному каналу, в области оптической оси лазера является по существу вторым выпуклым зеркалом и вместе с «глухим» зеркалом образует нестабильный резонатор. При этом, также как и в прототипе, появляются условия для обратного прохода в активной среде отраженного от зеркального участка линзы части пучка свехсветимости (второй волны). Однако в отличие от прототипа с плоским отражателем в предлагаемом техническом решении выпуклый зеркальный участок малого размера формирует сильно расходящуюся отраженную волну (пучок) с существенно меньшей (в силу выпуклой формы зеркального участка) интенсивностью и высокой пространственной когерентностью. Низкая интенсивность отраженной волны позволяет сохранить в активной среде и более высокий уровень инверсии населенностей. При соблюдении условия

l₂+L/2<l₁<τc/2-(l₂+L)

пучки сверхсветимости (первая и вторая волны), отраженные от обоих зеркал, встречаются в пространстве между «глухим» и ближним к нему концом разрядного канала, первый пучок (первая волна), отраженный от «глухого» зеркала не сможет сформироваться из-за слабой конкуренции со вторым, прошедшим через активную среду. Второй пучок сверхсветимости, частично отраженный от зеркального участка поверхности линзы, усилившись в активной среде, падает на «глухое» зеркало. Часть его с высокой степенью пространственной когерентности, соответствующей дифракционной расходимости (θ_дифр≈2,44λ/D, где λ - длина волны излучения, D - диаметр апертуры разрядного канала, см. фиг.2), отражается назад в активную среду. А поскольку активная среда по сравнению с прототипом обладает для обратного прохода большей инверсной населенностью, то и усиление второго пучка будет существенно большим, чем в прототипе. Площадь участка с покрытием соизмерима с площадью рабочей поверхности «глухого» зеркала, то есть отличие в размерах может быть в пределах порядка. В противном случае отраженный пучок будет иметь невысокую степень когерентности, как в прототипе.

Таким образом, на выходе лазера образуется пучок с дифракционной расходимостью и мощностью большей, чем в прототипе. Если фокусное расстояние линзы меньше чем l₁+l₂+L+фокусное расстояние «глухого» зеркала, пучок сфокусируется в пятно с меньшим в сравнении с прототипом диаметром при существенно большей плотности мощности.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 изображена блок-схема импульсного лазера-прототипа, где

- «глухое» выпуклое зеркало 1,

- разрядный канал 2,

- просветленная положительная линза 3,

- плоский отражатель 4.

На фиг.2 изображена блок-схема импульсного лазера, конструкция которого соответствует предложенному решению, где

- «глухое» выпуклое зеркало 1,

- разрядный канал 2,

- просветленная положительная линза 3,

- участок с отражающим покрытием 5.

Пример

Импульсный лазер на парах меди с частотой повторения импульсов 15 кГц и временем существования инверсии населенностей активной среды τ=25 нс. Длина разрядного канала 2L=470 мм. Расстояние между выпуклым зеркалом 1 и линзой 3 составляет 1300 мм. «Глухое» выпуклое зеркало 1 имеет радиус кривизны 6 мм и отстоит от ближнего к нему конца разрядного канала 2 на расстоянии 11, равном 780 мм. Линза 3 отстоит от разрядного канала 2 на расстоянии 12, равном 50 мм. Участок с отражающим покрытием 5 на поверхности линзы 3 в области оптической оси линзы лазера выполнен зеркальным. Радиус кривизны зеркального участка 5 линзы 3 равен 30 мм, диаметр зеркального участка 5 равен 0,7 мм.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. При включении электрического разряда в разрядном канале 2 из «затравочного» спонтанного излучения образуются два низкокогерентных пучка сверхсветимости (две волны), распространяющихся вдоль разрядного канала 2 в противоположных направлениях. Один из пучков сверхсветимости, первый, выйдя из разрядного канала 2, падает на выпуклое «глухое» зеркало 1 и частично отражается от него обратно в сторону разрядного канала 2. Второй пучок, выйдя из активной среды разрядного канала 2 в сторону линзы 3, отражается от ее участка с зеркальным покрытием 5 и частично возвращается назад в активную среду, где, усилившись, выходит из выходного конца разрядного канала 2 раньше, чем этого конца достигнет первая волна, т.к. расстояние l₁ больше суммы половины длины разрядного канала 2 (активной среды) и расстояния от линзы 3 до выходного конца разрядного канала (L/2+l₂). Это условие не дает возможности для усиления первого пучка и приводит к его затуханию. Усиленный в активной среде второй пучок, отразившись от рабочей поверхности «глухого» выпуклого зеркала 1, частично возвращается обратно в разрядный канал 2, вновь усиливается в активной среде и выходит из резонатора, имея более высокую по сравнению с прототипом мощность излучения. Благодаря двойному проходу по нестабильному резонатору с двумя выпуклыми зеркалами он приобретает и дифракционную расходимость (θ_дифр). Если фокусное расстояние линзы 3 меньше расстояния от ее оптического центра до фокуса «глухого» зеркала 1, из лазера выходит сходящийся пучок. При этом размер сфокусированного пятна излучения при малых фокусных расстояниях линзы 3 предельно мал (5…15 мкм), пучок имеет гауссово распределение интенсивности и высокую плотность мощности (10¹⁰…10¹¹ Вт/см²).

Эффективность предложенного устройства проверена экспериментально. Средняя мощность излучения в режиме с одним выпуклым зеркалом с радиусом кривизны 6 мм составила P₁=0,2 Вт, расходимость θ₁=0,2 мрад (2θ_дифр). С нестабильным резонатором с двумя выпуклыми зеркалами Р₁=1 Вт, расходимость практически достигла дифракционного предела θ₂=0,1 мрад.

Т.е. с новым резонатором по сравнению с аналогом мощность излучения увеличилась в 5 раз, а расходимость уменьшилась в 2 раза, что привело к увеличению плотности мощности ρ в фокусе в соответствии с формулой в 20 раз.

Вместе с тем у прототипа по сравнению с аналогом плотность мощности излучения увеличивалась лишь в 3 раза. Таким образом, эффективность предложенного устройства по сравнению с прототипом стала примерно в 7 раз больше.

Источники информации

1. Григорьянц А.Г., Казарян М.А., Лябин Н.А. «Лазеры на парах меди». - М.: Физматлит, 2005, с.115-117.

2. Лябин Н.А., Угольников С.А., Ипполитова З.К. Патент на полезную модель «Импульсный лазер» №44004.

Импульсный лазер включает установленные на оптической оси лазера разрядный канал длиной L, «глухое» выпуклое зеркало и просветленную положительную линзу. Ось разрядного канала совпадает с оптической осью лазера. «Глухое» зеркало расположено с одной стороны разрядного канала на расстоянии l₁ от его ближнего конца. Линза расположена с другой выходной для лазерного излучения стороны разрядного канала, на расстоянии l₂ от ближнего к ней конца разрядного канала. На поверхности линзы, обращенной к разрядному каналу, в области оптической оси лазера выполнен участок с покрытием, отражающим излучение. Площадь указанного участка соизмерима с площадью рабочей поверхности «глухого» зеркала, причем l₂+L/2<l₁<τc/2-(l₂+L), где τ - время существования инверсии, с - скорость света. Технический результат заключается в повышении выходной мощности лазерного излучения при одновременном уменьшении его расходимости до дифракционного предела в режиме однопучкового излучения. 2 ил.

Импульсный лазер, включающий установленные на оптической оси лазера разрядный канал длиной L, ось которого совпадает с оптической осью лазера, «глухое» выпуклое зеркало, расположенное с одной стороны разрядного канала на расстоянии l₁ от его ближнего конца, просветленную положительную линзу, расположенную с другой, выходной для лазерного излучения стороны разрядного канала, отличающийся тем, что линза установлена на расстоянии l₂ от ближнего к ней конца разрядного канала, а на поверхности линзы, обращенной к разрядному каналу, в области оптической оси лазера выполнен участок с покрытием, отражающим излучение, площадь которого соизмерима с площадью рабочей поверхности «глухого» зеркала, причем l₂+L/2<l₁<τc/2-(l₂+L), где τ - время существования инверсии, с - скорость света.