ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР Советский патент 1994 года по МПК H01S3/03 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании газовых лазеров, предназначенных для эксплуатации при жестких механических нагрузках.

Известен газовый лазер, содержащий защитную оболочку, внутри которой размещено основание оптического резонатора с жестко закрепленными активным элементом и зеркалами резонатора. Этот узел жестко соединяется с держателями, которые крепятся на внешнем основании, изолируемом от внешних воздействий виброизолирующими держателями. Кроме этого, защитная оболочка изолируется от внешней среды жесткими держателями.

Виброизоляция конструкции в определенной степени снижает передачу внешнего воздействия на активный элемент и оптический резонатор.

Недостатком такой конструкции является то, что передача внешнего механического воздействия на активный элемент и оптический резонатор может быт снижена только при симметричном размещении виброизолирующих держателей и если внешняя механическая нагрузка перпендикулярна к поверхности крепления этих держателей. Если же внешнее воздействие направлено к плоскости крепления виброизолирующих держателей под углом, отличающимся от 90^о, то увеличиваются линейные и угловые смещения элементов конструкции, что обусловливает нестабильность параметров излучения.

Кроме того, конструкция громоздка, сложна в исполнении, она не может использоваться в условиях воздействия интенсивных нагрузок, имеющих различное направление на движущихся объектах.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является газовый лазер, содержащий коаксиально расположенные активный элемент и защитный металлический цилиндр, между которыми установлены амортизирующие кольца. В этом газовом лазере использование амортизирующих колец повышает механическую устойчивость и прочность конструкции, так как колебания защитного цилиндра, возникающие в результате действия внешних нагрузок, передаются резонатору и активному элементу через упругие кольца в значительной мере ослабленными.

Однако этой конструкции газовой лазера присущи существенные недостатки: низкие стабильность выходных параметров излучения и эксплуатационная надежность лазера.

Опорные амортизирующие кольца, изготавливаемые обычно из кремнийорганических компаундов, резко снижают частоту собственных колебаний устройства, что приводит к их совпадению с частотой внешнего механического воздействия. Возникает резонансный режим с максимальной амплитудой колебаний, вызывающий нестабильность выходных параметров излучения, резкое уменьшение механической устойчивости и прочности конструкции, появление разрушающих напряжений, приводящих к снижению надежности лазера.

В известной конструкции можно увеличить частоту собственных колебаний и соответственно уровень вибро- и удароустойчивости лазера, уменьшив толщину амортизирующих колец. Однако при уменьшении толщины амортизирующих колец в конструкции неизбежно уменьшится и диаметр защитного цилиндра. Это приведет к снижению изгибной жесткости конструкции и частоты собственных колебаний, что влечет ухудшение стабильности параметров излучения и надежности лазера. Кроме этого, при амортизирующих кольцах с минимальной толщиной стенки в полости между активным элементов и защитным цилиндром невозможно разместить технологические отпаи (штенгели), провода и т.п. В такой конструкции невозможно одновременно изменять расстояние между активным элементом и защитным цилиндром при сохранении минимальной толщины упругого амортизирующего кольца. Известная конструкция особенно малоэффективна в газовых лазерах средней и большой мощности (гелий-неоновых, ионных, молекулярных и др.), имеющих длину более 300 мм и разное сечение активного элемента вдоль длины прибора, так как в ней не может быть обеспечена одновременно оптимальная толщина амортизирующего кольца и оптимальная величина диаметра защитного цилиндра, не предусмотрена оптимизация изгибной жесткости отдельных участков лазера. Кроме того, при отвердении материала, из которого изготовлены амортизирующие кольца, будут изменяться упругие свойства конструкции, могут возникнуть микрозазоры эластика и соприкасающегося с ним материала защитного цилиндра. Возникновение микрозазоров неблагоприятно скажется на работе конструкции лазера, так как оно вызывает понижение частоты колебаний ω, что при неизменных других условиях обусловит увеличение амплитуды колебаний A, которая связана с частотой известной зависимостью
A = , где g - вибрационная перегрузка.

Резонансная частота может попасть в недопустимый диапазон. При воздействии внешней механической нагрузки на известному конструкцию из-за ее низкой собственной частоты колебаний происходят резонансные изгибные колебания конструкции, возникает значительный продольный градиент перегрузок, активный элемент деформируется, нарушается прямолинейность газоразрядного промежутка, взаимная параллельность зеркал резонатора и перпендикулярность разрядного канала поверхности зеркал, что снижает стабильность выходных параметров излучения и эксплуатационную надежность лазера.

Целью изобретения является повышение стабильности выходных параметров излучения и эксплуатационной надежности лазера.

Указанная цель достигается тем, что в газовом лазере, содержащем коаксиально расположенные активный элемент и защитный металлический цилиндр, между которыми установлены амортизирующие кольца, между каждым амортизирующим кольцом и защитным цилиндром расположено дополнительное кольцо, выполненное из материала с модулем упругости, превышающим в 102 раз модуль упругости материала амортизирующего кольца, при этом расстояние l между парами колец, ширина b каждого амортизирующего кольца и толщина H стенки дополнительного кольца удовлетворяют соотношениям
6D ≅ l ≅ 15D;
_≅b≅;H=, где D - диаметр активного элемента в месте расположения колец, мм;
P - вес активного элемента, H;
k - количество пар колец;
D_з.ц. - внутренний диаметр защитного цилиндра, мм.

Кроме того, одна пара колец может быть размещена в центре масс активного элемента, а остальные - по обе стороны от него; пары колец могут быть размещены симметрично относительно центра масс активного элемента.

На фиг. 1 показан газовый лазер с расположением одной пары колец в центре масс активного элемента; на фиг. 2 - то же, с симметричным расположением пар колец относительно центра масс; на фиг. 3 и 4 показаны зависимости мощности излучения от перегрузки для известной и предложенной конструкций; на фиг. 5 - зависимость частот собственных изгибных колебаний конструкции ω_i от толщины h стенки амортизирующих колец.

Газовый лазер, показанный на фиг. 1, содержит активный элемент 1, окруженный защитным цилиндром 2. Между активным элементом и защитным цилиндром расположены амортизирующие кольца 3, выполненные, например, из кремнийорганического компаунда, а между каждым амортизирующим кольцом и защитным цилиндром расположены дополнительные кольца 4.

Активный элемент с защитным цилиндром размещен в корпусе 5, зеркала резонатора могут быть закреплены на концах активного элемента.

Возможны два варианта размещения колец 3 и 4: либо одна пара колец размещена в центре масс активного элемента, а остальные - по обе стороны от него (см. фиг. 1), либо пары колец размещены симметрично относительно центра масс активного элемента (см. фиг. 2).

Газовый лазер работает следующим образом. При подаче напряжения на электроды активного элемента зажигается разряд и в лазере возникает генерация излучения. При воздействии на лазер внешних механических нагрузок возникают изгибные колебания защитного цилиндра 2, которые передаются активному элементу 1 через жесткие неупругие кольца 4 и упругие амортизирующие кольца 3, расположенные вдоль всего лазера. Инерционная нагрузка внешнего воздействия помимо изгиба элементов конструкции вызывает деформацию сжатия амортизирующих колец, которая увеличивается с увеличением толщины амортизирующего слоя. Кроме того, увеличение толщины амортизирующего слоя приводит к снижению частоты собственных колебаний лазера (см. фиг. 5). Однако резонансные колебания конструкции не возникают. Благодаря постановке жестких дополнительных колец 4 деформация сжатия в амортизирующих кольцах 3 при тех же инерционных нагрузках сводится к минимуму, так как применение жестких колец позволяет уменьшить толщину амортизирующего слоя с одновременным сохранением необходимого, с точки зрения механической жесткости конструкции, диаметра защитного цилиндра 2 вдоль всего прибора. Уменьшение толщины амортизирующего слоя позволяет вывести конструкцию из зоны резонансных колебаний. В результате относительные смещения активного элемента и других узлов лазера значительно снижаются, повышается стабильность выходных параметров излучения и эксплуатационная надежность лазера при воздействии жестких механических нагрузок.

Для повышения вибро- и удароустойчивости конструкции вдоль активного элемента в конструкции лазера между защитным цилиндром 2 и каждым амортизирующим кольцом расположено дополнительное механически жесткое кольцо 4, выполненное из материала с модулем упругости, превышающим в 10² раз модуль упругости материала амортизирующего кольца.

Если превышение модуля упругости материала дополнительного кольца относительно модуля упругости амортизирующего кольца окажется меньше чем в 10² раз, жесткость дополнительного кольца окажется недостаточной, и оно будет обладать недопустимой податливостью, приводящей к снижению собственных частот прибора.

Для обеспечения минимальной толщины амортизирующих колец с одновременным сохранением требуемого по условиям виброустойчивости конструкции диаметра защитного цилиндра вдоль активного элемента и для наиболее эффективной работы конструкции в условиях механических перегрузок расстояние между парами колец, ширина каждого кольца и толщина стенки дополнительного кольца определяются из приведенных соотношений.

Отклонение от указанных соотношений приведет к снижению эффективности виброизоляции активного элемента.

Если расстояние между парами колец окажется больше 15D, виброзащита конструкции ухудшается, так как удлиняются безопорные участки активного элемента и амплитуда вынужденных колебаний будет возрастать.

Чрезмерное сближение пар колец и уменьшение расстояния между ними до менее 6D приведет к излишнему увеличению числа пар колец и нецелесообразному усложнению конструкции.

При уменьшении ширины амортизирующих колец до менее P/0,004 kD их податливость увеличится и может привести к нежелательному снижению частот собственных колебаний конструкции. При увеличении ширины амортизирующих колец до более P/0,003 kD ухудшаются условия теплоотвода, усложняется конструкция.

Соотношение, определяющее толщину стенки H дополнительного кольца, учитывает диаметр активного элемента D в месте расположения кольца и внутренний диаметр защитного цилиндра D_з.ц., что позволяет для любой геометрии активного элемента реализовать наиболее оптимальные сочетания элементов виброизоляции. Указанные соотношения получены в результате расчетов и экспериментальных исследований упругих свойств амортизирующих колец.

В конструкции лазера благодаря двум предложенным размещениям пар колец достигается наиболее оптимальная и эффективная виброизоляция активного элемента, учитывающая его геометрические размеры.

Так, например, для лазера большой длины с активным элементом длиной более 0,3 м целесообразно одну пару колец размещать в центре масс активного элемента, а остальные - по обе стороны от него.

Для виброизоляции лазеров с активными элементами длиной 0,3 м и менее целесообразно пары колец размещать симметрично относительно центра масс активного элемента.

На фиг. 3 схематично показаны зависимости мощности излучения W, а на фиг. 4 - нестабильности мощности излучения от величины перегрузки g для лазера известной конструкции и для конструкции по изобретению.

При воздействии механической нагрузки на известный лазер, в котором нет дополнительных жестких колец и не предусмотрено оптимальное размещение амортизирующих и жестких колец, из-за низкой собственной частоты колебаний системы активный элемент - амортизирующие кольца - защитный цилиндр возникают резонансные изгибные колебания активного элемента, нарушается его прямолинейность, возрастают дифракционные потери, что обусловливает нестабильность выходных параметров излучения.

С ростом величины внешней механической нагрузки g в известной конструкции мощность излучения W (кривая 6) снижается круто, а нестабильность мощности излучения (кривая 7) резко возрастает и уже при g порядка единиц, перегрузка достигает критического значения и происходит отказ лазера из-за механического разрушения конструкции либо значения параметров излучения выходят за допустимые пределы, т.е. снижается эксплуатационная надежность лазера.

В предложенной конструкции, как видно из фиг. 3 и 4, изменение параметра, например мощности излучения (кривая 8) и нестабильности мощности излучения (кривая 9), по мере увеличения нагрузки g происходит значительно плавнее, чем в известной конструкции.

Таким образом, в конструкции газового лазера по изобретению достигается снижение амплитуды изгибных колебаний, исключается разрушение активного элемента, снижаются до минимума угловые и линейные деформации, сохраняется постоянство взаимного расположения оптической и геометрической осей прибора, что в свою очередь обеспечивает повышение стабильности выходных параметров излучения и эксплуатационной надежности лазера.

Использование конструкции дает возможность применять лазеры различной длины в широком диапазоне эксплуатационных нагрузок, что значительно расширяет область применения лазеров.

Конструкция имеет большое практическое значение при создании лазеров, предназначенных для работы в составе автономных комплексов, например на движущихся объектах, к которым предъявляются жесткие требования по габаритам и весу.

1. ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР, содержащий коаксиально расположенные активный элемент и защитный металлический цилиндр, между которыми установлены амортизирующие кольца, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности выходных параметров излучения и эксплуатационной надежности, между каждым амортизирующим кольцом и защитным цилиндром расположено дополнительное кольцо, выполненное из материала с модулем упругости, превышающим в 10² раз модуль упругости материала амортизирующего кольца, при этом расстояние l между парами колец, ширина b каждого амортизирующего кольца и толщина H стенки дополнительного кольца удовлетворяют соотношениям
6D ≅ l ≅ 15D;
_≅b≅;H=,
где D - диаметр активного элемента в месте расположения колец, мм;
P - вес активного элемента, Н;
k - количество пар колец;
D_з.ц - внутренний диаметр защитного цилиндра, мм. 2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что одна пара колец размещена в центре масс активного элемента, а остальные - по обе стороны от него. 3. Лазер по п.1, отличающийся тем, что пары колец размещены симметрично относительно центра масс активного элемента.