ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР ЩЕЛЕВОГО ТИПА Российский патент 2024 года по МПК H01S3/38 

Область техники

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

Уровень техники

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. [1] US4719639, МПК H01S 3/03, опубл. 12.01.1988; [2] US4939738, МПК H01S 3/03, опубл. 03.07.1990).

В известных щелевых лазерах используются, как правило, неустойчивые резонаторные схемы отрицательной ветви неустойчивости (см. [3] US5048048, МПК H01S 3/03, опубл. 10.09.1991; [4] US5123028, МПК H01S 3/03, 16.06.1992; [5] RU2124790, МПК H01S 3/02, 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 обладают рядом 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.

Известен газовый лазер щелевого типа (см. [6] US6195379, МПК H01S 3/03, опубл. 27.02.2001), 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. 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.

Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является газовый лазер щелевого типа (см. [7] RU 2773619 C1, МПК H01S 3/038, опубл. 06.06.2021), 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, при этом 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.

Недостатком данного технического решения является наличие существенного взаимовлияния электрических паразитных обратных связей по общему электроду, приводящее к выходу одного из автогенераторов из строя, что приводит к существенному снижению надежности устройства.

Сущность изобретения

Техническая проблема, решаемая заявленным изобретением, заключается в повышении надежности устройства.

Технический результат заключается в повышении оптического качества лазерного излучения.

Указанный технический результат достигается в газовом лазере щелевого типа, содержащем модуль высокочастотной накачки с автогенераторами и охлаждаемый герметичный корпус, с резонатором, планарными электродами, установленными внутри корпуса через теплопроводящие электроизолирующие керамические пластины с пространственными фильтрами и подключенными к блоку высокочастотной накачки, при этом электроды закреплены с помощью держателей с образованием скользящего контакта, при этом дополнительно содержит пилотный лазер, сферическое зеркало, выполненное с возможностью изменения направления луча, кроме того на планарных электродах выполнены сквозные проточки, образующие дополнительный пространственный фильтр для лазерного излучения.

Дополнительная особенность заключается в том, что внутри герметичного корпуса выполнен защитный кожух внешней оптики.

Краткое описание чертежей

Заявленное изобретение поясняется на графических материалах, где изображены:

На фиг.1 - внешний вид устройства;

На фиг.2 - вид внутри корпуса с защитным кожухом для внешней оптики;

На фиг.3 - вид внутри корпуса без защитного кожуха для внешней оптики;

Фиг.4 - схема сборки электродов.

На фигурах обозначены следующие позиции: 1 - высокочастотный модуль, 2 - лазер, 3 - рефилятор (штуцер), 4 - основание корпуса, 5 - задняя панель корпуса (коммуникации), 6 - передняя панель корпуса (выводная), 7- отверстие выводное, 8 - крышка корпуса боковая правая, 9 - крышка корпуса боковая левая, 10 - защитный кожух внешней оптики, 11 - пилотный лазер, 12 - компенсирующий перископ, 13 - зеркало сферическое, 14 - линза коллимирующая, 15 - электрод, 16 - пластина, 17 - трубка теплоносителя, 18 - держатели электродов.

Осуществление изобретения

Газовый лазер щелевого типа выполнен в охлаждаемом корпусе, образованном коробчатой рамой с независимыми правой 8 и левой 9 боковыми крышками, герметично соединенными через индиевое уплотнение. Корпус через штуцер 3 (фланец вакуумного соединения) заполнен активной газовой средой в виде, по меньшей мере, двухкомпонентной смеси газов, содержащей СО2, N2, He, Xe, СО и/или Ar.

Внутри корпуса через теплопроводящие электроизолирующие керамические пластины 16 (например, из нитрида алюминия) установлены планарные электроды 15, образующие разрядный промежуток. Благодаря пластинам 16 между потенциальным электродом 15 и заземлённой крышкой корпуса остается зазор величиной порядка 0,4-0,6 мм, который по закону Пашена не дает возможности развиваться разряду между ними.

Электроды 15 по всему периметру закреплены на пластине 16 с помощью держателей 18 с изолирующими керамическими элементами толщиной 3 мм. Держатели 18 упираются в сформированные по бокам электродов 15 наклонные поверхности с образованием скользящего контакта. На каждом электроде 15 перпендикулярно оптической оси резонатора выполнены канавки, образующие внутренний пространственный фильтр, служащий улучшению оптического качества лазерного излучения.

При этом, для устранения термодеформации электродов при нагреве лазера в рабочем состоянии, влияние которой, вследствие волноводных эффектов, способно приводить к появлению нежелательных мод излучения и ухудшению расходимости луча, в каждом электроде произведен сквозной распил, образующий несколько самостоятельных электродов с расстоянием 4 мм, который выступает в качестве дополнительного внутреннего пространственного фильтра для лазерного излучения и служит улучшению оптического качества лазерного излучения.

С наружной стороны корпуса вдоль крышек напротив электродов 15 впаяны трубки 17, по которым циркулирует жидкий теплоноситель.

Газовый лазер содержит несколько автогенераторов, каждый из которых соединён со своей парой электродов 15, и теплообменник, к которому подведены трубки 17.

Автогенераторы, подключенные к электродам 15 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 15.

В предлагаемом лазере используется симметричная схема возбуждения плазмы разряда, т.е. автогенератор имеет два выхода высокочастотной мощности, которые через токовводы излучателя лазера соединяются каждый со своим электродом 15. Автогенератор формирует на своих выходах высокочастотные напряжения разноименной полярности, каждое из которых прикладываются к своему электроду 15. При этом высокочастотное напряжение между электродами 15 становится вдвое большим, чем напряжение между каждым электродом 15 и корпусом.

Излучение, сформированное резонатором в виде астигматичного пучка попадает на компенсирующий перископ 12, состоящий из нижнего сферического зеркала, установленного с углом падения к оси пучка в вертикальной плоскости и верхнего плоского зеркала, и, отражаясь, поступает на зеркало сферическое 13, где изменяет свое направление на 180° и через коллимирующую линзу 14 попадает в выводное отверстие 7, выполненное на передней панели корпуса 6. Дополнительно, для более точного наведения лазера выполнен пилотный лазер 11, установленный на защитном кожухе 10 внешней оптики.

Место установки компенсирующего перископа 12 выбиралось, таким образом, чтобы размеры выходящего из резонатора пучка щелевидной формы по обеим координатам успели выровняться после прохода вдоль камеры по межэлектронному рупору. Выполнение сферического зеркала 13, изменяющего направление излучения, обеспечивает повышение надежности устройства, исключая возможность аварии вследствие попадания луча на коммуникации, например теплоноситель, а вместе с коллимирующей линзой 14 упрощает конструкцию устройства, исключая выполнение внешней оптики.

Благодаря описанным конструктивным особенностям, предлагаемая разрядная камера с системой электродов менее подвержена термодеформациям, демонстрирует стабильную надёжную работу с улучшенным качеством излучения на протяжении пролонгированного срока службы.

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 модуль высокочастотной накачки с автогенераторами и охлаждаемый герметичный корпус, с резонатором, планарными электродами, установленными внутри корпуса через теплопроводящие электроизолирующие керамические пластины с пространственными фильтрами и подключенными к блоку высокочастотной накачки, при этом электроды закреплены с помощью держателей с образованием скользящего контакта, дополнительно содержит пилотный лазер, компенсирующий перископ, состоящий из нижнего сферического зеркала, установленного с углом падения к оси пучка в вертикальной плоскости, и верхнего плоского зеркала, сферическое зеркало, выполненное с возможностью изменения направления луча, кроме того, на планарных электродах выполнены сквозные проточки, образующие дополнительный пространственный фильтр для лазерного излучения. Технический результат заключается в повышении оптического качества лазерного излучения. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Газовый лазер щелевого типа, содержащий модуль высокочастотной накачки с автогенераторами и охлаждаемый герметичный корпус, с резонатором, планарными электродами, установленными внутри корпуса через теплопроводящие электроизолирующие керамические пластины с пространственными фильтрами и подключенными к блоку высокочастотной накачки, при этом электроды закреплены с помощью держателей с образованием скользящего контакта, отличающийся тем, что дополнительно содержит пилотный лазер, компенсирующий перископ, состоящий из нижнего сферического зеркала, установленного с углом падения к оси пучка в вертикальной плоскости, и верхнего плоского зеркала, сферическое зеркало, выполненное с возможностью изменения направления луча, кроме того, на планарных электродах выполнены сквозные проточки, образующие дополнительный пространственный фильтр для лазерного излучения, при этом излучение, сформированное резонатором, попадает на компенсирующий перископ и, отражаясь, поступает на сферическое зеркало, а место установки компенсирующего перископа выбирается, таким образом, чтобы размеры выходящего из резонатора пучка щелевидной формы по обеим координатам успели выровняться после прохода вдоль камеры по межэлектронному рупору.

2. Газовый лазер щелевого типа по п.1, отличающийся тем, что внутри герметичного корпуса выполнен защитный кожух внешней оптики.