ЛАЗЕР НА ИНЕРТНЫХ ГАЗАХ С ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКОЙ Российский патент 2022 года по МПК H01S3/97 

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к лазерам с оптической накачкой на смеси инертных газов (ЛОНИГ), и может применяться в мощных непрерывных системах с хорошим качеством луча. В лазерах такого класса метастабильные атомы тяжелых инертных газов, являющиеся источником генерации, образуются в электрическом разряде при давлении, близком к атмосферному.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в обеспечении высокой выходной мощности и высокой эффективности лазера.

Из уровня техники известны лазеры с электрической накачкой в среде инертных газов (например, аргона, криптона и/или ксенона). Мощные образцы таких лазеров работают, как правило, в импульсном режиме и обычно при давлении ниже атмосферного. Эти лазеры обладают низким энергосъемом с 1 см³ активной среды, что связано с эффективностью накачки среды электрическим током.

Для многих применений, например, для медицинской диагностики, лазерной обработки и/или других исследований желателен непрерывный волновой выходной луч. Атомы инертных газов химически стабильны и обычно не вступают в реакцию с какой-либо поверхностью лазера, включая оптику. Поэтому желательно генерацию атомов инертных газов осуществлять с помощью оптической накачки в непрерывном режиме.

Известен лазер, который сочетает в себе систему возбуждения и процесс двойной накачки длинноволнового лазера для генерации коротковолнового излучения по патенту CN112448258/WO2021036133 «ЛАЗЕР» (Shanghai Inst MicrosysteM & Information Tech CAS[CN], публик. 04.03.2021). Промежуточное состояние атомов среды является метастабильным, так как система электронной накачки переводит атомы в среде в метастабильное состояние. Среда включает гелий, неон, аргон, криптон или ксенон. Простая и компактная структура лазера позволяет снизить стоимость и реализовать лазер с короткой длиной волны.

Наиболее близким аналогом является газовый лазер с оптической накачкой для получения непрерывного излучения по патенту US9647414 «ЛАЗЕР И СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ НЕПРЕРЫВНОГО ВОЛНОВОГО ВЫХОДНОГО ЛУЧА» (Physical Sciences Inc [118],публик. 09.05.2017). Газовый лазер включает систему питания, газопроточную систему, систему оптической накачки, оптические модули, разрядную камеру, представляющую собой стеклонаполненную камеру статического давления из тефлона с ВЧ-резонатором. Схема оптической накачки состоит из титан-сапфирового лазера (Ti:S). Подача газа происходит по открытому циклу (с выпуском его в атмосферу). В качестве газовой среды используют смесь инертных газов: Не+Ar, Не+Kr. Газ проходит через разрядную камеру, где формируется ВЧ-разряд. Количество резонаторов в разрядной камере равно 15. Частота ВЧ-излучения - 900 МГц. Оптическая накачка работает в импульсном режиме, ее направляют в область наработки метастабильных элементов для дальнейшего возбуждения атомов инертного газа и получения лазерной генерации. В процессе разряда в газе происходит наработка метастабильных элементов с энерговкладом в разряд ~ 3 Вт. В вариантах реализации, где аргон является излучающим газом, средняя плотность электронов в нем составляет ~ 10¹⁴ см^-3.

Недостатком ближайшего аналога является низкая мощность выходного излучения (около 20 мВт), это связано с тем, что:

- Схема оптической накачки является энергетически не эффективной, которая работает в импульсном режиме. В процессе преобразования энергии от накачки Nd:YAG-лазера до излучения ЛОНИГ на каждом этапе происходит потеря энергия;

- Разрядная камера имеет малый размер (0,3×1×19 мм), что связано с организацией ВЧ-разряда и практически не позволяет масштабирования до размеров порядка нескольких сантиметров;

- Устройство является лабораторным образцом.

Техническим результатом заявляемого изобретения является создание автономного образца лазера, а также повышение эффективности и выходной мощности лазера.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в лазере на инертных газах с оптической накачкой, включающем разрядную камеру, системы питания, оптической накачки, газопроточную, выполненную на газовой смеси аргон-гелий, и охлаждающую, новым является то, что в качестве системы оптической накачки используется модуль, состоящий из линейки лазерных диодов, а газопроточная система выполнена с обеспечением работы по замкнутому циклу и возможностью перехода на открытый цикл, причем все системы размещены в отдельных блоках - лазерном и охлаждающем. В лазерном блоке размещены разрядная камера, корпус которой выполнен в виде единой конструкции из плавленого кварца, система питания, мембранный насос, электронная система, источник накачки, оптические модули, радиатор воздушного потока, датчики измерения, расходомер. В охлаждающем блоке размещены насос водяной, расходный бак, радиатор водяного потока, датчик скорости потока жидкости и система электроники.

Отличительные признаки позволяют сократить потери энергии, сократить оптическую схему, улучшить качество выходного излучения лазера, что в конечном итоге позволит повысить эффективность и мощность лазера.

На фиг. 1 представлена блок-схема ЛОНИГ, на фиг. 2 - лазерного блока, на фиг. 3 - охлаждающего блока, где:

1' - лазерный блок, 1 - лазер накачки, 2, 3 - зеркало, 4 - цилиндрическая линза, 5 - сферическая линза, 6 - разрядная камера, 7, 8 - зеркало резонатора, 9 - расходомер, 10 - мембранный насос, 11 - радиатор воздушного охлаждения, 12 - узел датчиков измерения, вентиль, 13 - блок питания разряда, 14 - блок питания накачки, 15 система электроники и термостатирования, 2' - охлаждающий блок (чиллер), 16 - датчик скорости потока жидкости, 17 - насос водяной, 18 - радиатор водяного потока, 19 - водяной бак, 20 - система электроники.

Примером конкретного выполнения заявляемого устройства может служить ЛОНИГ, включающий блок лазерный и блок охлаждения.

В конструкции блока лазерного присутствуют системы: газопроточная, оптическая, электронная и разрядная камера. Газопроточная система на рабочей смеси аргон-гелий представлена мембранным насосом, блоком датчиков, воздушным холодильником и соединительными трубопроводами. Скорость потока рабочей смеси аргон-гелий составляет порядка 5 л/с при давлении около 1 атм. С помощью датчиков измеряется давление, температура и скорость газовой среды. Данные с датчиков обрабатываются электронной схемой. В оптическую систему входят: источник накачки, котировочные зеркала, линза фокусировки накачки и оптический резонатор. Оптическая система обеспечивает фокусировку излучения накачки в область активной зоны разрядной камеры, а также формирует резонатор лазерного источника. Для источника выбрана поперечная схема оптической накачки. Ее достоинством является то, что направление излучения накачки ортогонально направлению излучения ЛОНИГ.

Система электроники и термостатирования предназначена для питания источника накачки, разряда, насоса, расходомера и радиатора воздушного охлаждения. Блок питания разряда обладает следующими параметрами: напряжение на электродах в максимуме импульса составляет 2 кВ; частота следования импульсов - 200 кГц; длительность одиночного импульса - 40 не; время нарастания импульса - 16 не.

Основным компонентом ЛОНИГ является разрядная камера - кювета, поскольку в ней образуется активная среда лазера. Кювета представляет собой монолитный блок из кварца, в который вклеены электроды и окна. Поверхности электродов, изготовленные из танталовой фольги толщиной 0,7 мм, представляют собой параллельные плоскости на расстоянии от 3 до 4 мм друг от друга. Размер поверхности электродов - 4×10 мм. Таким образом, объем разрядного промежутка составляет от 0,12 см³ до 0,16 см³.

Чиллер представляет собой систему водяного охлаждения лазера накачки. Система охлаждения лазерного источника предназначена для защиты диодного лазера накачки от перегрева. Охлаждающая система (чиллер) представлена датчиком скорости потока жидкости, насосом, радиатором водяного потока, водяным баком и соединительными трубопроводами. Система электроники чиллера предназначена для питания датчика скорости потока жидкости и насоса.

Работа по замкнутому циклу производится с уже заполненным газовым трактом рабочей смесью до давления 1 атм.

Порядок включения компонентов ЛОНИГ при работе по замкнутому циклу следующий:

1. Производится включение охлаждающего блока (чиллера) 2', система электроники 20 запускает датчик скорости потока жидкости 16 и насос 17. Хладоноситель поступает из бака 19 по трубопроводам. Насос 17 обеспечивает циркуляцию хладоносителя в системе, проходя через датчик скорости потока жидкости 16 и радиатор водяного охлаждения 18.

2. Производится включение лазерного блока Г. Система электроники и термостатирования 15 подает электрическое питание на расходомер 9, вентиляторы радиатора воздушного охлаждения 11, узел датчиков измерения 12.

3. Производится включение мембранного насоса 10. Газ (смесь газов) перекачивается по газопроводу и проходит через элементы газовой системы. Газ проходит через расходомер 9, попадает в разрядную камеру 6. Нагретый в разрядной камере 6 газ охлаждается в радиаторе 11.

4. Производится включение блока питания разряда 13. В результате включения напряжение разряда подается на электроды, которые расположены в разрядной камере 6, и образуется разряд.

5. Производится включение блока питания лазера накачки 14, в результате чего включается лазер накачки 1. Луч накачки с помощью поворотных зеркал 2, 3, проходит через цилиндрическую и сферическую линзы 4, 5 соответственно и фокусируется в области разряда в разрядной камере 6. Зеркала 7, 8 образуют устойчивый оптический резонатор ЛОНИГ.

При работе по открытому циклу ЛОНИГ реализуется с последующим размыканием газовой магистрали между элементами 6 и 9. Через вентиль 12 производится подключение баллона с газом (газовой смесью). При открытии вентиля 12 осуществляется движение газовой среды через разрядную камеру 6.

Далее выполняются все пункты порядка включения компонентов ЛОНИГ, как и при работе по замкнутому циклу за исключением пункта 3.

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к лазерам с оптической накачкой на смеси благородных газов. В лазерах такого класса атомы более тяжелых инертных газов, являющихся источником генерации, образуются в электрическом разряде при давлении, близком к атмосферному. Лазер на инертных газах с оптической накачкой включает разрядную камеру, системы питания, оптической накачки, газопроточную, выполненную на газовой смеси аргон-гелий, и охлаждающую, в качестве системы оптической накачки используют систему диодной накачки, газопроточная система выполнена с обеспечением работы по замкнутому циклу с возможностью перехода на открытый цикл, все системы размещены в отдельных блоках: лазерном и охлаждающем, в лазерном блоке размещены разрядная камера, корпус с патрубками, выполненный в виде единой конструкции из плавленого кварца, система питания, мембранный насос, электронная система, источник накачки, оптические модули, радиатор воздушного потока, датчики измерения, расходомер, охлаждающий блок содержит водяной бак, радиатор, насос водяной, датчик скорости потока жидкости, систему электроники. Техническим результатом является автономность лазера, повышение эффективности и выходной мощности. 3 ил.

Лазер на инертных газах с оптической накачкой, включающий разрядную камеру, системы питания, оптической накачки, газопроточную, выполненную на газовой смеси аргон-гелий, и охлаждающую, отличающийся тем, что в качестве системы оптической накачки используют систему диодной накачки, а газопроточная система выполнена по замкнутому циклу работы с возможностью перехода на открытый цикл, причем все системы лазера размещены в двух блоках - лазерном и охлаждающем, при этом в лазерном блоке размещены разрядная камера, корпус которой с патрубками выполнен в виде единой конструкции из плавленого кварца, система питания, мембранный насос, источник накачки, оптические модули, радиатор воздушного потока, датчики измерения, расходомер, а в охлаждающем блоке размещены водяной бак, радиатор водяного потока, насос водяной, датчик скорости потока жидкости.