Способ управления мощностью излучения газового лазера

 

(19)SU(11)1806475(13)A3(51)  МПК ⁶    _H01S3/104(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯк патентуСтатус: по данным на 07.02.2013 - прекратил действиеПошлина:

(54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТЬЮ ИЗЛУЧЕНИЯ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при проектировании и разработках технологических газовых лазеров высокой мощности с регулированием параметров выходного излучения. Известен способ управления мощностью излучения газового лазера, включающий изменение состава рабочей среды и условий ее возбуждения. Недостатком данного способа является низкая надежность и узкий диапазон регулирования выходной мощности. Наиболее близким к предложенному техническому решению по сущности и достигаемому положительному эффекту является способ управления мощностью излучения газового лазера, включающий регулирование оптической плотности поглотителя в виде пластин, введенного в резонатор, заполненный рабочей средой. В мощных технологических лазерах этот способ неприменим, так как внутри резонатора очень высокий уровень интенсивности излучения. Поэтому регулирующими пластинами поглощается значительная мощность, в результате чего они нагреваются. Нагрев пластин вызывает их термодеформацию, а при длительной работе и разрушение. Термодеформации пластин нарушают оптическое качество среды внутри резонатора и ухудшают расходимость выходного излучения, делая ее нестабильной. Целью изобретения является повышение надежности и расширение диапазона управления. Поставленная цель достигается благодаря тому, что поглотитель вводят в резонатор в виде газового потока, содержащего компоненту с системой уровней резонансного поглощения на длине волны генерации лазера, с направлением скорости, перпендикулярным оптической оси резонатора, при этом регулирование оптической плотности поглотителя осуществляют посредством изменения массового расхода m компоненты с системой уровней резонатора поглощения в газовом потоке в диапазоне, определяемом следующим соотно- шением:
0≅ g_ус-g (1) где g_ус коэффициент усиления рабочей среды;
g_пор пороговый коэффициент усиления оптического резонатора;
L_а длина рабочей среды в направлении оптической оси резонатора;
v скорость газового потока поглотителя;
h размер газового потока поглотителя в направлении, перпендикулярном оптической оси резонатора и скорости газового потока;
σ сечение поглощения единицы массы компоненты с системой уровней резонансного поглощения на длине волны генерации лазера. Изобретение поясняется чертежом, на котором приведена принципиальная схема регулятора уровня мощности газового лазера. Через инжектор 1 внутри резонатора, образованного зеркалами 2, 3, вводится поток активной среды 4. Через инжектор 5, который может быть pасположен внутри инжектора 1, как изображено на рисунке, или рядом с одним из краев инжектора 1, вводится управляющий поток 6, содержащий компоненту с системой уровней резонансного поглощения на длине волны генерации лазера. Наиболее просто этот способ может быть реализован при регулировании уровня мощности технологического проточного лазера, например кислород-йодного. В случае регулирования мощности излучения кислород-йодного лазера поглощающей компонентой могут служить невозбужденные атомы йода, при этом заранее приготовленная смесь атомов йода и газа разбавителя (например: Ar, He, N₂) протекает в оптическом резонаторе в направлении поперечном сечении резонатора. Поскольку действие поглощающего потока в резонаторе эквивалентно повышению порога генерации в плоскопараллельном резонаторе выполняется условие:
R_oR_texp(2g_ус˙ L_a)= 1, (2) где R_o и R_t коэффициенты отражения глухого и выходного зеркал соответственно. В случае наличия управляющего потока в резонаторе условие генерации имеет вид:
R_oRtexp(2g_ус ˙ L_a) ˙exp(-2g_поглl)=1, (3) где g_погл коэффициент поглощения на единице длины управляющего потока, а l его размер вдоль оси резонатора. Таким образом, в присутствии управляющего потока появляется возможность регулировать достаточно тонко величину порогового коэффициента усиления:
g_пор + ln
(4)
Поглощение излучения связано с расходом атомов йода в управляющем потоке формулой
(m(o)-2m(*))
(5) где σ_3-4 сечение индуцированного перехода, на котором осуществляется генерация; N_a число Авогадро; m(o) расход атомов йода в основном состоянии; m(*) расход атомов йода в возбужденном состоянии; W_j атомарный вес йода. Регулирование уровня мощности осуществляется изменением количества атомов йода в диапазоне, удовлетворяющем выполнению соотношения
g_ус ≥ + ln
(6) в соответствии с эквивалентным условием (1). Способ управления мощностью излучения газового лазера исключает искажения направленности и расходимости излучения лазера, при этом для управления мощности могут быть использованы поглощающие компоненты рабочей среды лазера, направляемые в оптический резонатор повторно. Преимуществом описанного способа является также то, что поглощающие компоненты в основном состоянии могут вводиться в оптический резонатор в виде экранирующей завесы, что не нарушает газодинамики основного потока рабочей среды. Способ управления мощностью излучения газового лазера обеспечивает возможную плавную регулировку мощности от нулевого до номинального значения.

Формула изобретения

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТЬЮ ИЗЛУЧЕНИЯ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА, включающий регулирование оптической плотности поглотителя, введенного в резонатор, заполненный рабочей средой, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и расширения диапазона управления, поглотитель вводят в резонатор в виде газового потока, содержащего компоненту с системой уровней резонансного поглощения на длине волны генерации лазера, с направлением скорости, перпендикулярным оптической оси резонатора, при этом регулирование оптической плотности поглотителя осуществляют посредством изменения массового расхода компоненты с системой уровней резонансного поглощения в газовом потоке в диапазоне, определяемом следующим соотношением:

где g_ус коэффициент усиления рабочей среды;
g_пор пороговый коэффициент усиления оптического резонатора;
L_а длина рабочей среды в направлении оптической оси резонатора;
V скорость газового потока поглотителя;
h размер газового потока поглотителя в направлении перпендикулярном оптической оси резонатора и скорости газового потока;
s сечение поглощения единицы массы компоненты с системой уровней резонансного поглощения на длине волны генерации лазера.

РИСУНКИ

Рисунок 1