ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР ЩЕЛЕВОГО ТИПА Российский патент 2022 года по МПК H01S3/38 

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно, к газовым лазерам щелевого типа с высокочастотным возбуждением активной среды, в частности, отпаянным щелевым СО₂ лазерам.

Из уровня техники известны щелевые лазеры, включающие в себя пару протяженных охлаждаемых металлических электродов, образующих щелевой разрядный промежуток с активной средой, в котором возбуждается поперечный высокочастотный разряд, а также зеркала резонатора, установленные вблизи торцов электродов разрядного промежутка. Щелевой разрядный промежуток является одновременно и световодом, в котором излучение распространяется как в волноводе вдоль электродов и свободно распространяется в поперечном направлении. Комбинация волноводного и неволноводного распространения излучения позволяет реализовать высокие плотности мощности накачки активной среды и соответственно получить высокие уровни мощности генерации излучения (см. US4719639, кл. H01S3/03, опубл. 12.01.1988; US4939738, кл. H01S3/0315, опубл.03.07.1990).

В известных щелевых лазерах используются, как правило, неустойчивые резонаторные схемы отрицательной ветви неустойчивости (см. US5048048, кл. H01S3/03, опубл. 10.09.1991; US5123028, кл. H01S3/03, 16.06.1992; RU2124790, кл. H01S3/02, опубл.10.01.1999). Резонатор состоит двух вогнутых зеркал с фокусом внутри резонатора. Этот тип неустойчивого резонатора отличается низкой чувствительностью к разъюстировкам, что важно для технологических лазеров.

Известные щелевые СО₂ лазеры не свободны от недостатков. Так, успех использования лазеров высокой мощности для обработки материалов сильно зависит от оптического качества луча, т.е. от модового состава и расходимости луча. В лазерах со щелевой активной средой плоские поверхности электродов образуют оптический волновод с характерным размером по высоте зазора 1,5 - 3 мм, что в теории должно приводить к формированию преимущественно моды низкого порядка в волноводном направлении. Однако на практике в щелевых лазерах генерируются также моды высокого порядка, что приводит к резкому увеличению расходимости луча. К этому приводят некоторые физические причины, например, неоднородность активной среды и коэффициента преломления, и особенно, искажение модового состава при взаимодействии волны с торцами электродов разрядного промежутка и с поверхностью зеркал, а также термодеформации электродов и оптических элементов - зеркал резонатора и окна.

Существенную роль в работе щелевых газовых лазеров играют тепловые процессы. Поскольку в разрядный промежуток вводятся значительные мощности (10 - 100 Вт/см³), возникают серьезные проблемы с отводом тепла, т.к. с излучением выводится обычно около 10 % мощности (электрооптический КПД), а остальная мощность должна выводиться путем охлаждения разрядных электродов и корпуса лазера. Реально надо отводить от 1 кВт до нескольких кВт в зависимости от того, на какую мощность в излучении рассчитан конкретный лазер.

На практике существуют два типа охлаждения - воздушное и водяное. Воздушная система (вентиляторы) применяется для маломощных генераторов света - обычно до 50 Вт в излучении. Большинство щелевых лазеров с водяным охлаждением имеют разрядные электроды с впаянными в них трубками, которые выходят из корпуса лазера через «развязывающие» элементы, например, керамические втулки. Эти конструкции требуют хорошей вакуумной герметичности, т.к. даже незначительные утечки воды или попадание воздуха в корпус лазера приводят к быстрому и существенному уменьшению времени жизни активной среды, падению мощности излучения и падению ресурса работы лазера в отпаянном режиме.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является газовый лазер щелевого типа, содержащий блок высокочастотной накачки с автогенераторами и охлаждаемый герметичный корпус, заполненный активной газовой средой, с резонатором в виде зеркал на его торцах и разрядным промежутком, который образован между планарными электродами, установленными внутри корпуса через теплопроводящие изолирующие керамические пластины и подключенными через токовводы к указанному блоку накачки (см. US6195379, кл. H01S3/03, опубл. 27.02.2001). Теплопроводная керамика используется в известном устройстве для развязки электродов по теплу и по электроизоляции от заземленного корпуса. При этом важную роль играют конструктивные особенности, в частности обеспечение хорошего теплового контакта между электродами и стенками корпуса лазера, а также необходимость избежать электрического пробоя между потенциальным электродом и заземленным корпусом. В указанном устройстве это достигается за счет сложной конфигурации корпуса и использования трудоемких операций сборки лазера. Другим недостатком известной конструкции является относительно высокие термодеформации электродов при нагреве лазера в рабочем состоянии, что влияет на прохождение света по волноводу и приводит к появлению нежелательных мод излучения и ухудшению расходимости луча.

Технической проблемой является устранение вышеуказанных недостатков и создание простой и надёжной конструкции щелевого лазера с эффективным теплосъёмом. Технический результат заключается в снижении термодеформации при работе лазера. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что у газового лазера щелевого типа, содержащего блок высокочастотной накачки с автогенераторами и охлаждаемый герметичный корпус, заполненный активной газовой средой, с резонатором в виде зеркал на его торцах и разрядным промежутком, который образован между планарными электродами, установленными внутри корпуса через теплопроводящие электроизолирующие керамические пластины и подключенными через токовводы к указанному блоку накачки, корпус выполнен в виде коробчатой рамы с верхней и нижней крышками, а электроды закреплены на указанных крышках с помощью держателей с изолирующими керамическими элементами, которые упираются в сформированные по бокам электродов наклонные поверхности с образованием скользящего контакта. Блок накачки предпочтительно снабжён корытообразным кожухом, прикреплённым днищем вверх к нижней крышке корпуса, внутри которого расположен, по меньшей мере, один автогенератор. Лазер может быть снабжён несколькими парами электродов, каждая из которых соединена со своим автогенератором, расположенным в едином кожухе. Электроды предпочтительно снабжены ответными симметрирующими кронштейнами для подключения токовводов блока накачки, выполненными таким образом, чтобы обеспечить одинаковый путь для тока и одинаковую индуктивность для обоих электродов. К электродам предпочтительно подключены индуктивности, создающие вместе с межэлектродной ёмкостью и ёмкостью самих электродов электрический LC контур с частотой резонанса, соответствующей частоте накачки. Охлаждение корпуса может быть реализовано в виде трубок, впаянных вдоль крышек напротив электродов с наружной стороны корпуса. Указанные трубки предпочтительно проходят через теплообменник, расположенный в блоке накачки и охлаждающий автогенератор. Лазер предпочтительно снабжён внешней формирующей оптической системой, установленной на верхней крышке корпуса и преобразующей лазерный пучок, выходящий из резонатора, в гауссов пучок с одинаковыми расходимостями по двум координатам. Указанная внешняя формирующая оптическая система предпочтительно снабжена пространственным фильтром в виде диафрагмы, охлаждаемой указанными трубками. На каждом электроде перпендикулярно оптической оси резонатора предпочтительно выполнены канавки, образующие внутренний пространственный фильтр для лазерного излучения. Резонатор может быть выполнен в виде неустойчивого резонатора отрицательной или положительной ветви неустойчивости. В качестве газовой среды предпочтительно использована, по меньшей мере, двухкомпонентная смесь газов, содержащая СО₂, N_2, He, Xe, СО и/или Ar. Охлаждение корпуса также может быть реализовано посредством обдува воздухом. Рама и крышки корпуса предпочтительно герметично соединены через индиевое уплотнение.

На фиг.1 представлена поэлементная схема сборки предлагаемого газового лазера;

на фиг.2 - его высокочастотный блок, вид снизу;

на фиг.3 - устройство в сборе, вид сбоку;

на фиг.4 - узел подключения электродов к автогенератору;

на фиг.5 - поэлементная схема сборки электродов с крышкой корпуса;

на фиг.6 - электрод с крышкой в сборе, общий вид;

на фиг.7 - то же, что на фиг.6 в разрезе;

на фиг.8 - узел А по фиг.7.

Газовый лазер щелевого типа выполнен в охлаждаемом корпусе, образованном коробчатой рамой 1 с независимыми верхней и нижней крышками 2, герметично соединенными через индиевое уплотнение 3. Такая конструкция корпуса позволяет уменьшить деформацию, обусловленную нагревом разных электродов и компенсировать её за счёт незначительных изгибов рамы 1 без потери общей геометрии оптической системы. Корпус через штуцер 4 заполнен активной газовой средой в виде, по меньшей мере, двухкомпонентной смеси газов, содержащей СО₂, N_2, He, Xe, СО и/или Ar.

Внутри корпуса через восемь теплопроводящих электроизолирующих керамических пластин 5 (например, из нитрида алюминия) установлены планарные электроды 6 из алюминиевого сплава, образующие разрядный промежуток. Благодаря пластинам 5 между потенциальным электродом 6 и заземлённой крышкой 2 корпуса остается зазор величиной порядка 0,4-0,6 мм, который по закону Пашена не дает возможности развиваться разряду между ними.

Электроды 6 по всему периметру закреплены на крышках 2 с помощью держателей 7 с изолирующими керамическими элементами 8 толщиной 3 мм. Держатели 7 упираются в сформированные по бокам электродов 6 наклонные поверхности (выполненные с углом наклона 15-25° к крышке 2) с образованием скользящего контакта. Такая конструкция позволяет регулировать силу прижима и уменьшить термодеформацию, т. к. держатели 7 не создают чрезмерного давления на электрод 6, и он может проскальзывать под керамическим элементом 8 при нагреве и расширении.

На каждом электроде 6 перпендикулярно оптической оси резонатора выполнены канавки 9. Набор канавок 9 глубиной 2 мм и шириной 2 мм работает как внутренний пространственный фильтр и служит улучшению оптического качества лазерного излучения. Как следует из результатов компьютерного моделирования, основная мода излучения будет терять около 0,01 % энергии, тогда как третья и пятая моды будут ослаблены соответственно в семь и двенадцать раз больше.

С наружной стороны корпуса в вдоль крышек 2 напротив электродов 6 впаяны трубки 10, по которым циркулирует жидкий теплоноситель. Такая конструкция исключает возможность попадания охлаждающей воды в вакуумированный разрядный промежуток и значительно повышает надёжность и долговечность лазера. В альтернативном варианте охлаждение может быть реализовано посредством обдува воздухом, однако далее этот вариант не рассматривается.

Корпус лазера установлен сверху на корытообразном кожухе 11 блока высокочастотной накачки, который является жёстким основанием для крепления всего лазера с помощью крепёжных элементов. В кожухе 11 расположен один или несколько автогенераторов 12, каждый из которых соединён со своей парой электродов 6, и теплообменник 13, к которому подведены трубки 10. В щелевых лазерах для накачки активной среды используются, как правило, мощные высокочастотные генераторы, работающие на частотах в диапазоне 40,68 – 125 МГц. Известно, что частота 81,36 МГц оптимальна для зазоров разрядного промежутка 1,7-3,0 мм (см. P. Vitruk et al., ”Similarity and scaling in diffusion-cooled RF-excited carbon dioxide lasers,” IEEE J. QE-30,N7, 1994, pp.1623-1634).

Предлагаемая конструкция высокочастотного блока очень компактна. Автогенераторы 12, подключенные к электродам 6 с единым разрядным промежутком работают синфазно, благодаря своим цепям обратной связи. За счёт этого достигается стабильность поджига разряда и однородность вклада мощности по всей длине электродов 6, что является существенным преимуществом по отношению к несимметричным схемам возбуждения активной среды щелевых лазеров. Это же свойство позволяет значительно увеличивать длину и площадь электродов 6, добавляя соответственное количество токовводов 14 и автогенераторов 12 и наращивая при этом среднюю выходную мощность генерации излучения.

Относительно симметричной электродной системы высокочастотный блок с автогенераторами 12 расположен несимметрично: нижний электрод 6 расположен ближе к автогенераторам 12, а верхний - дальше. Чтобы преодолеть эту несимметрию при подключении симметричных выходов автогенераторов 12 через токовводы 14 к симметричной электродной системе в конструкцию введены симметрирующие кронштейны 15 специальной формы, которые закреплены рядом на боковой стороне нижнего и верхнего электродов 6 так, что расстояние от нижней поверхности кронштейнов 14 до автогенераторов 12 становятся одинаковыми. Поскольку форма всех симметрирующих кронштейнов 15 одинакова, то они оказывают одинаковое влияние на свойства высокочастотных цепей, соединяющих симметричные выходы автогенератора 12 с симметричной электродной системой, т. е. обеспечивают одинаковый путь для тока и одинаковую индуктивность для обоих электродов. При этом к электродам 6 подключены индуктивности 16, создающие вместе с межэлектродной ёмкостью и ёмкостью самих электродов 6 электрический LC контур с частотой резонанса, соответствующей частоте накачки.

В предлагаемом лазере применена схема автогенератора, т.е. генератора, в колебательный контур которого включена система электродов 6 лазера. В отсутствие разряда нагрузкой генератора является межэлектродная емкость (и паразитная емкость на корпус лазера) с набором индуктивностей 16, расположенных параллельно разрядному промежутку (индуктивности 16 подбираются таким образом, чтобы получился резонансный контур с межэлектродной ёмкостью, настроенный на частоту 81,36 МГц). Когда генератор создает поджигающий импульс мощности высокочастотной накачки, возникает высокочастотный разряд и в нагрузке генератора появляется активное сопротивление плазмы и, последовательно с ним, емкостное сопротивление двух катодных слоев у каждого электрода. Амплитуда и фаза напряжения на токовводах 14 через цепь обратной связи передается на вход усилителя так, что автогенератор 12 начинает работать на частоте резонансного контура нагрузки и в фазе с напряжением на электродах 6. В предлагаемом лазере используется симметричная схема возбуждения плазмы разряда, т.е. автогенератор 12 имеет два выхода высокочастотной мощности, которые через токовводы 14 излучателя лазера соединяются каждый со своим электродом 6. Пушпульная схема автогенератора 12 формирует на своих выходах высокочастотные напряжения разноименной полярности, каждое из которых прикладываются к своему электроду 6. При этом высокочастотное напряжение между электродами 6 становится вдвое большим, чем напряжение между каждым электродом 6 и корпусом.

На торцах корпуса вблизи торцов электродов 6 установлены медные зеркала 17, образующие неустойчивый резонатор отрицательной или положительной ветви неустойчивости. Зеркала 17 уплотняются к корпусу через витоновые прокладки 18 и могут юстироваться (наклоняться на небольшие углы) с помощью винтов. Зеркала 17 нагреваются излучением лазера и деформируются, что ухудшает расходимость излучения лазера и приводит к уходам луча. Чтобы этого избежать в предлагаемом лазере используются медные тонкие пластины 19 с гофрой, которые не мешают юстировке, но позволяют отводить тепло с задней поверхности зеркал 17 на охлаждаемые внешние стенки корпуса лазера, установленные на раме 1.

На верхней крышке 2 через промежуточную пластину 20 установлена внешняя формирующая оптическая система. Излучение, сформированное резонатором, выходящее через ZnSe окно 21, представляет собой астигматичный пучок, т.е. имеющий разные расходимости по двум координатам (перпендикулярным осям) - волноводной (вертикальной) и по свободной (горизонтальной). Астигматичный выходной пучок падает на сферическое наклонное зеркало 22 и, отразившись от него, «приобретает» сферический сходящийся волновой фронт. После отражения от плоского зеркала 23 пучок направляется на пространственный фильтр 24 в виде диафрагмы, расположенной в плоскости перетяжки. После прохождения фильтра 24 сферический пучок падает на сферическую ZnSe линзу 25 (или эквивалентное зеркало), которая обеспечивает коллимацию выходного излучения. Положение сферического зеркала 22 и его наклон определяются методом численного моделирования. Также рассчитываются положения всех элементов оптической схемы - пространственного фильтра 24 и выходной линзы 25 (или зеркала) и фокуса сферического зеркала 22 и линзы 25.

Выбранная оптическая схема формирует выходное излучение в виде круга с гауссовым распределением интенсивности и с расходимостью, близкой к дифракционному пределу. Коллимирующая сфера (зеркало 25) позволяет сохранить размер пучка при его распространении на расстояние в 2 - 3 метра. Пространственный фильтр 24 охлаждается за счет контакта с охлаждаемой трубками 10 верхней крышкой 2 корпуса лазера. Выбранная оптическая схема проста и не содержит дорогих цилиндрических элементов - зеркал и линз.

Благодаря описанным конструктивным особенностям, предлагаемый лазер значительно менее подвержен термодеформациям и демонстрирует стабильную надёжную работу на протяжении пролонгированного срока службы, компактен и удобен в сборке.

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к газовым лазерам щелевого типа с высокочастотным возбуждением активной среды, в частности отпаянным щелевым СО₂ лазерам. Газовый лазер щелевого типа содержит блок высокочастотной накачки с автогенераторами и охлаждаемый герметичный корпус, заполненный активной газовой средой. Корпус снабжён резонатором в виде зеркал на его торцах и разрядным промежутком, который образован между планарными электродами. Электроды установлены внутри корпуса через теплопроводящие электроизолирующие керамические пластины и подключены через токовводы к указанному блоку накачки. Корпус выполнен в виде коробчатой рамы с верхней и нижней крышками. Электроды закреплены на указанных крышках с помощью держателей с изолирующими керамическими элементами, которые упираются в сформированные по бокам электродов наклонные поверхности с образованием скользящего контакта. Изобретение позволяет снизить термодеформации при работе лазера. 14 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Газовый лазер щелевого типа, содержащий блок высокочастотной накачки с автогенераторами и охлаждаемый герметичный корпус, заполненный активной газовой средой, с резонатором в виде зеркал на его торцах и разрядным промежутком, который образован между планарными электродами, установленными внутри корпуса через теплопроводящие электроизолирующие керамические пластины и подключенными через токовводы к указанному блоку накачки, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде коробчатой рамы с верхней и нижней крышками, а электроды закреплены на указанных крышках с помощью держателей с изолирующими керамическими элементами, которые упираются в сформированные по бокам электродов наклонные поверхности с образованием скользящего контакта.

2. Газовый лазер по п.1, отличающийся тем, что блок накачки снабжён корытообразным кожухом, прикреплённым днищем вверх к нижней крышке корпуса, внутри которого расположен, по меньшей мере, один автогенератор.

3. Газовый лазер по п.2, отличающийся тем, что снабжён несколькими парами электродов, каждая из которых соединена со своим автогенератором, расположенным в едином кожухе.

4. Газовый лазер по п.1, отличающийся тем, что электроды снабжены ответными симметрирующими кронштейнами для подключения токовводов блока накачки, выполненными таким образом, чтобы обеспечить одинаковый путь для тока и одинаковую индуктивность для обоих электродов.

5. Газовый лазер по п.1, отличающийся тем, что к электродам подключены индуктивности, создающие вместе с межэлектродной ёмкостью и ёмкостью самих электродов электрический LC контур с частотой резонанса, соответствующей частоте накачки.

6. Газовый лазер по п.1, отличающийся тем, что охлаждение корпуса реализовано в виде трубок, впаянных вдоль крышек напротив электродов с наружной стороны корпуса.

7. Газовый лазер по п.6, отличающийся тем, что указанные трубки проходят через теплообменник, расположенный в блоке накачки и охлаждающий автогенератор.

8. Газовый лазер по п.1, отличающийся тем, что снабжён внешней формирующей оптической системой, установленной на верхней крышке корпуса и преобразующей лазерный пучок, выходящий из резонатора, в гауссов пучок с одинаковыми расходимостями по двум координатам.

9. Газовый лазер по п.8, отличающийся тем, что внешняя формирующая оптическая система снабжена пространственным фильтром в виде охлаждаемой диафрагмы.

10. Газовый лазер по п.1, отличающийся тем, что на каждом электроде перпендикулярно оптической оси резонатора выполнены канавки, образующие внутренний пространственный фильтр для лазерного излучения.

11. Газовый лазер по п.1, отличающийся тем, что резонатор выполнен в виде неустойчивого резонатора отрицательной ветви неустойчивости.

12. Газовый лазер по п.1, отличающийся тем, что резонатор выполнен в виде неустойчивого резонатора положительной ветви неустойчивости.

13. Газовый лазер по п.1, отличающийся тем, в качестве газовой среды использована, по меньшей мере, двухкомпонентная смесь газов, содержащая СО₂, N₂, He, Xe, СО и/или Ar.

14. Газовый лазер по п.1, отличающийся тем, что охлаждение корпуса реализовано посредством обдува воздухом.

15. Газовый лазер по п.1, отличающийся тем, что рама и крышки корпуса герметично соединены через индиевое уплотнение.