Одномодовый газовый лазер

 

Использование: в отпаянных моноблочных одномодовых газовых лазерах. Сущность изобретения: в газовом лазере линейные участки лазерного канала расположены вдоль зигзагообразной линии с образованием складного резонатора. Поворотные зеркала установлены на боковых поверхностях моноблока непосредственно, а концевые зеркала - через - клиновидные прокладки с определенным углом клина, катод и анод соединены с соответствующими участками лазерного канала, разнесенными вдоль него. 19 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно, к отпаянным (герметичным) моноблочным одномодовым газовым лазерам, в которых возбуждается продольных электрический разряд в длинном складном резонаторе и которые обладают высокой надежностью, стабильными параметрами выходного излучения в сложных условиях эксплуатации (при перепадах температуры окружающей среды, ударных нагрузках, вибрации) и вместе с тем имеют относительно простую конструкцию малых размеров и массы, технологичную и нетрудоемкую в изготовлении. Изобретение найдет применение в переносном и стационарном медицинском оборудовании и особенно в интерферометрических контрольно-измерительных и дальномерных системах, голографических и фотолитографических установках в качестве недорогого малогабаритного источника когерентного излучения, работающего в основной моде (ТЕМоо), имеющей гауссово поперечное распределение интенсивности и минимальную расходимость.

При решении ряда задач в указанных и других областях использования газовых лазеров возникает необходимость уменьшения расходимости лазерного излучения, что достигается увеличением длины резонатора. При этом лазеры с линейным каналом приобретают большие габариты (до 2 м для He-Ne лазеров модностью 25-50 мВт) и массу (30-40 кг) из-за использования массивных средств крепления разрядной трубки (для уменьшения ее деформации при разогреве разрядом и снижения чувствительности к вибрациям и ударным нагрузкам).

Значительное уменьшение габаритов и массы лазера получают при использовании многопроходных [1-3] или складных резонаторов, в которых излучение распространяется по траектории в виде ломаной линии на плоскости [4-6] или в пространстве [7, 8] В многопроходных резонаторах это достигается с помощью зеркал с относительно большой поверхностью, а в складных резонаторах благодаря использованию дополнительных поворотных зеркал небольших размеров.

Вместе с тем и в том и в другом случае возникают проблемы, связанные с разъюстировкой резонатора вследствие деформации поверхности зеркал (в основном для многопроходных резонаторов) или изменения их положения (например, из-за различия коэффициентов теплового расширения (КТР) покрытий, подложек и держателей зеркал), вызванных перепадами температуры, ударными нагрузками, вибрацией. Вследствие этого надежность лазеров, стабильность параметров их выходного излучения в таких сложных условиях эксплуатации (возникающих, например, для переносного дальномерного или контрольно-измерительного оборудования при работе вне и внутри помещения) оказываются недостаточными.

Решение этих проблем путем введения средств юстировки усложняет конструкцию лазера и его эксплуатацию (см. например, [9]). Юстировка требует использования высококвалифицированного персонала, трудоемка, особенно, когда необходима реализация одномодового режима.

В наибольшей степени указанные проблемы могут быть решены в моноблочных конструкциях лазеров, которые, однако, известны лишь для линейных и кольцевых лазеров. Моноблок является держателем лазерного канала на всем его протяжении, а также держателем его зеркал [10-13] Он изготавливается из диэлектрического материала (кварц, керамика и др.), имеющего весьма низкий коэффициент теплового расширения, а также высокую виброустойчивость. Поэтому в нем в значительной мере снимаются проблемы, связанные с деформацией лазерного канала, присущие газоразрядным трубкам и он обеспечивает температурную стабилизацию резонатора [14] В связи с этим в процессе эксплуатации моноблочные лазеры не требуют юстировки [15] что делает их конструкцию достаточно простой и компактной.

Представляется целесообразным распространить указанные полезные свойства на лазеры со складными резонаторами. Однако, приемы использования технических решений и накопленного опыта по разработке складных резонаторов в моноблочных конструкциях не являются прямыми и очевидными. Так, использование решений [1, 5, 6] в моноблочном исполнении потребовало бы сложной и трудоемкой технологии изготовления криволинейных либо рельефных торцевых поверхностей из множества плоских участков с прецизионной их привязкой по углу. Кроме того, традиционное использование в складных резонаторах "длинной базы" (расстояние между зеркалами вдоль участков траектории излучения) для моноблочных конструкций представляется весьма проблематичным. Действительно, такая база потребует повышенной линейности изготовления длинных участков канала и точности обработки торцевых поверхностей моноблока для исключения виньетирования излучения в резонаторе самими каналами. Реализация же одномодового режима работы, например, путем использования решения [5] потребует обеспечения и высокой параллельности таких участков каналов. В противном случае кольцевые выступы на таких участках (используемые для подавления внеосевых мод генерации), внутренние диаметры которых изменяются в соответствии с диаметром основной моды, будут виньетировать друг друга. Указанные требования делают реализацию одномодового режима по решению [5] в моноблочном исполнении практически нереальной из-за непреодолимых технологических трудностей, многократно возрастающих с увеличением числа таких параллельных участков. Заметим, что реализация решения [5] с помощью газоразрядных трубок связана с возможностью их индивидуальной деформации, что, естественно, неосуществимо в моноблоке.

Непосредственный перенос опыта конструирования моноблочных кольцевых резонаторов, использующих каналы с линейными участками, на моноблочные складные резонаторы также невозможен без его творческого переосмысления из-за специфики их конструкции и решаемых задач.

Специфика задач требует уменьшения взаимодействия мод за счет снижения обратного рассеяния, что в итоге приводит к тому, что резонатор кольцевого одномодового лазера должен содержать как можно меньше оптических элементов [16] Поэтому углы падения излучения на эти оптические элементы (поворотные зеркала) достаточно велики, а длина канала мала. Вследствие этого коэффициент усиления и мощность излучения кольцевого лазера невелики и небольшие изменения углов падения излучения на поворотные зеркала не приводит к резкому изменению их величины. Складные же резонаторы, напротив, имеют большое число поворотных зеркал для максимального снижения габаритов при сохранении длины канала, углы падения на них излучения малы, а апертура близка к круговой и изменения углов падения вызывает весьма резкое изменение усиления и мощности излучения.

Специфика конструкции одномодовых моноблочных кольцевых лазеров связана с сильной зависимостью дифракционных потерь моды ТЕМоо от точности подготовки поверхностей моноблока и изготовления на нем участков канала (т.е. от точности выполнения диаметров участков, обеспечения их линейности и точности их ориентации). Отклонения осей участков каналов от расчетной линии, особенно в области диафрагмирования излучения (для обеспечения одномодового режима), может привести к виньетированию излучения в резонаторе самими каналами или к возникновению скользящих отражений от стенок канала. И то и другое может привести на практике к полному подавлению моды ТЕМоо. В частности, по этим причинам в кольцевых лазерах применяют обычно диафрагмы в виде местного сужения канала.

Кроме того, спецификой конструкции моноблочных кольцевых лазеров является необходимость обработки большого числа поверхностей моноблока с прецизионной угловой привязкой друг с другом, требующей использования сложного и дорогого технологического оборудования, а также неэффективность использования объема моноблока для размещения активной среды и разрядных электродов. Разрядные электроды в кольцевых лазерах располагают, как правило, снаружи моноблока, что увеличивает его размеры, требует дополнительных затрат на обработку под них поверхностей и использования трудоемких технологий их закрепления на этих поверхностях.

Таким образом, возникает задача, сформулированная в такой постановке впервые и заключающаяся в разработке моноблочных одномодовых газовых лазеров, в которых возбуждается продольный электрический разряд в длинном складном резонаторе и которые обладают высокой надежностью, стабильными параметрами в сложных условиях эксплуатации и вместе с тем имеют технологичную и простую конструкцию небольших размеров и массы со сниженной трудоемкостью изготовления.

Особенность задачи заключается в том, что для реализации одномодового режима не могут быть непосредственно использованы (как сказано выше) известные решения, применяемые в лазерах со складными резонаторами или с моноблочными кольцевыми резонаторами.

Поскольку моноблочных газовых лазеров (ни одномодовых, ни многомодовых) с длинным складным резонатором в литературе авторы не обнаружили, что наиболее близкими по совокупности существенных признаков оказались одномодовые лазеры с кольцевым резонатором [16, 17] из которых [17] выбран в качестве прототипа. Известные лазеры [16, 17] содержат моноблок из диэлектрического материала, в котором выполнен лазерный канал, заполненный активной средой, состоящий из последовательно расположенных и соединенных друг с другом с образованием кольцевого резонатора линейных участков с полостями в местах их соединения и ограниченный в этих местах поворотными зеркалами, герметично установленными на плоских торцевых поверхностях моноблока, а также катод с развитой протяженной поверхностью (полусферической в [17] и куполообразной в [16] формы) и два анода, контактирующие с активной средой для возбуждения в ней продольного электрического разряда. В [16] катод и аноды расположены в соответствующих полостях моноблока, соединенных с лазерным каналом. Реализация одномодового режима осуществляется за счет использования встроенной в моноблок юстируемой диафрагмы, расположенной на одном из линейных участков. В [17] полусферический катод расположен в полости отдельной части моноблока катодного блока, выполненного из того же материала, что и другая его часть лазерный блок (с лазерным каналом), и закрепленного на последнем за счет атмосферного давления и герметизирующего слоя индия. Аноды в [17] установлены на верхней поверхности лазерного блока в полостях у противолежащих поворотных зеркал. Одномодовый режим (мода ТЕМоо) реализуется в прототипе за счет использования апертурно ограниченного поворотного зеркала для подавления генерации внеосевых мод в резонаторе. Отказ от использования обычной для кольцевых лазеров диафрагмы (локального сужения канала) вызван необходимостью перемещения плоскости лазерного луча в резонаторе (перемещением апертурно ограниченного зеркала) для регулирования длины лазерного канала. Для этого же диаметр канала выполняется достаточно большим.

Однако то, что возможно при малом количестве поворотных зеркал и широком лазерном канале, вызывает непреодолимые трудности для многоповоротного складного резонатора с узким каналом. Юстировка такого резонатора смещением апертурно ограниченного зеркала (как в [17]) потребует чрезвычайно высокого искусства, что в практическом плане вряд ли целесообразно. Малейшие смещения такого зеркала могут привести к срыву генерации из-за резкого увеличения дифракционных потерь вследствие возникновения скользящих отражений излучения от стенок канала или виньетирования излучения его участками. Кроме того, осуществление юстировки подобным образом налагает весьма высокие требования на точность изготовления участков лазерного канала в соответствие с расчетной линией.

Использование обычной для кольцевых лазеров диафрагмы (как в [16]) для реализации одномодового режима также оказывается нецелесообразным. В кольцевых лазерах ее располагают, как правило, на пассивном участке. В моноблочном складном резонаторе с продольным разрядом все участки лазерного канала "активные" (заняты разрядом). Размещение диафрагмы на таких участках вызовет в процессе работы лазера быстрое ее разрушение под действием разряда и загрязнение зеркала ее частицами, что приведет к преждевременному выходу лазера из строя.

Заметим также, что в известных моноблочных газовых лазерах [16, 17] необходима обработка под каждое поворотное зеркало отдельного участка поверхности моноблока с прецизионной угловой привязкой между такими участками. Однако реализация такого решения для многоповоротных складных резонаторов нетехнологична, т.к. потребовала бы (как уже указывалось выше при анализе [5, 6] ) применения трудоемкой технологии изготовления рельефных поверхностей с использованием сложного и дорогого технологического оборудования. Это не позволяет в полной мере решить поставленную задачу.

Трудности и проблемы, возникающие при использовании известных решений, в том числе и прототипа [17] могут быть преодолены и поставленная задача может быть решена с помощью предлагаемого изобретения в полной мере за счет того, что в одномодовом газовом лазере, содержащем моноблок из диэлектрического материала, в котором выполнен лазерный канал, заполненный активной средой, состоящий из последовательно расположенных и соединенных друг с другом линейных участков с полостями в местах их соединения и ограниченный в этих местах поворотными зеркалами, герметично установленными на поверхностях моноблока, а также по меньшей мере один катод с развитой протяженной поверхностью, помещенный в соединенную с лазерным каналом полость, выполненную в моноблоке, и по меньшей мере один анод, контактирующие с активной средой для возбуждения в ней продольного электрического разряда, согласно изобретения, линейные участки лазерного канала расположены вдоль зигзагообразной линии с образованием складного резонатора между введенными концевыми зеркалами, по меньшей мере одно из которых является сферическим и которые установлены вместе с поворотными зеркалами на противолежащих плоских боковых поверхностях моноблока, при этом поворотные зеркала установлены на этих боковых поверхностях непосредственно, а концевые зеркала через клиновидные прокладки с углом клина, соответствующим углу между осью участка лазерного канала и нормалью к боковой поверхности, по меньшей мере одно из концевых или поворотных зеркал апертурно ограничено на участке, обеспечивающем резонансный эффект, а катод и анод соединены с соответствующими участками лазерного канала, разнесенными вдоль него.

Наличие отличительных от прототипа [17] существенных признаков позволяет констатировать соответствие заявляемого изобретения условиями патентоспособности по новизне.

Сущность изобретения заключается в том, что диафрагмирование излучения в многоповоротном моноблочном складном резонаторе для реализации одномодового режима работы газового лазера предложено производить путем апертурного ограничения зеркала (по меньшей мере одного из концевых или поворотных зеркал) на его рабочем участке, обеспечивающем резонансный эффект. Это позволяет осуществлять настройку резонатора для возбуждения излучения в лазере и одномодового режима его работы не одновременно (как в прототипе), а последовательно. В соответствии с изобретением сначала настраивается резонатор с широкой апертурой излучения, определяемой всей поверхностью упомянутого зеркала, для получения генерации и лишь затем (в одном из вариантов после сборки лазера) производится ограничение апертуры этого зеркала для получения одномодового режима. Благодаря этому удалось свести чрезвычайно высокие требования к точности подготовки поверхностей моноблока и выполнения в нем участков лазерного канала к более простым в практическом плане. Так, поверхности моноблока и участки лазерного канала в нем готовятся и выполняются по общим требованиям вне зависимости от режима работы лазера на его основе (многомодового, одномодового). К таким общим требованиям относятся исключение виньетирования излучения участками лазерного канала или возникновения скользящих отражений от их стенок, стабилизация каждого участка лазерного канала в сложных условиях эксплуатации и др. И лишь затем конструкция лазера "доводится " для работы в одномодовом режиме путем выбора места апертурного ограничения излучения на зеркале лазера. Размер апертуры при этом естественно определяется размером соответствующей моды на поверхности зеркала. Такая "развязка" требований к одномодовому моноблочному лазеру со складным резонатором позволяет независимо производить оптимизацию конструкции различных узлов и элементов лазера.

Так, в отличие от известных лазеров (как многомодовых, так и одномодовых) с многопроходными или многоповоротными резонаторами, в предложенной моноблочной конструкции одномодового газового лазера длинный лазерный канал "складывают" в поперечном направлении к продольной оси моноблока, т.е. формируют его из относительно коротких линейных участков, расположенных между противолежащими плоскими боковыми поверхностями моноблока.

Короткие участки лазерного канала, ограниченные к тому же зеркалами (поворотными и концевыми) небольших размеров менее подвержены влиянию перепадов температуры окружающей среды, ударных нагрузок, вибрации, что обеспечивает высокую надежность предлагаемого лазера, стабильность параметров его выходного излучения в таких сложных условиях эксплуатации за счет стабилизации каждого участка его длинного складного резонатора.

Короткие участки лазерного канала могут быть выполнены с меньшими угловыми отклонениями от расчетной зигзагообразной линии и с меньшими отклонениями от их требуемой линейность, что исключает виньетирование ими излучения или возникновение скользящих отражений от их стенок. Поэтому эти участки могут быть выполнены меньшего диаметра (нежели длинные участки), что обеспечивает больший коэффициент усиления активной среды и, следовательно, меньшую зависимость от качества изготовления элементов и качества подготовки лазера, влияющих на потери резонатора.

Короткие линейные участки лазерного канала могут быть выполнены обычными средствами без использования уникального технологического оборудования. А т. к. эти участки канала расположены между двумя плоскими поверхностями моноблока и концевые зеркала устанавливаются на эти поверхности через клиновидные прокладки, то оказывается достаточным производить обработку и полировку только этих двух (боковых) плоских поверхностей моноблока, вне зависимости от числа поворотных зеркал (в отличие от аналога [16] и прототипа [17]), т.е. от того во сколько раз "складывается" длинный резонатор. Последнее позволяет исключить трудоемкие операции прецизионной перестройки по углу технологического оборудования и, в целом, снизить трудоемкость процесса изготовления моноблочного лазера. Кроме того, это позволяет в максимальной степени использовать объем моноблока за счет увеличения числа нелинейных участков лазерного канала на единицу длины моноблока вдоль его оси и вследствие этого существенно уменьшить габариты и массу лазера.

При выполнении моноблока в форме параллелепипеда (или иной формы) с хорошо выдержанной параллельностью (в пределах погрешностей, допустимых при изготовлении кольцевых лазеров) его плоских боковых поверхностей, на которых устанавливаются зеркала, оси участков лазерного канала могут образовывать один и тот же угол с нормалями к этим боковым поверхностям. Тогда и углы клина клиновидных прокладок имеют практически такой же угол. Однако, в принципе, возможно, что указанные плоские боковые поверхности могут быть и непараллельными, т. е. быть наклоненными друг к другу под небольшим углом. Тогда оси разных участков лазерного канала образуют различные углы с нормалями к этим боковым поверхностям в соответствии с законами оптики. В таком случае угол клина каждой из клиновидных прокладок определяется углом между осью соответствующего конечного участка лазерного канала и нормалью к боковой поверхности, на которой эта клиновидная прокладка установлена.

Для упрощения технологии изготовления целесообразно, чтобы линейные участки лазерного канала образовывали бы плоский складной резонатор, т.е. чтобы зигзагообразная линия, вдоль которой они расположены, была бы плоской. При этом двугранные углы клиновидных прокладок будут лежать, очевидно, в плоскости этой линии. Однако, зигзагообразная линия их расположения может быть и пространственной без значительного усложнения технологии изготовления, что может быть использовано, например, для уменьшения продольных размеров моноблока и лазера за счет максимально плотного расположения (дисковых) зеркал на боковой поверхности моноблока.

С другой стороны, полученная в результате оптимизации конструкция моноблочного резонатора с двумя боковыми поверхностями и короткими участками лазерного канала между ними позволяет более точно выбрать место апертурного ограничения излучения лазера для реализации одномодового режима. При этом имеется ввиду выбор как зеркала (поворотного или концевого), на котором будет производиться апертурное ограничение, так и участка на поверхности его зеркального покрытия.

Удобно и технически относительно просто реализуемо апертурное ограничение концевого зеркала (например, выходного). Производится оно после того как все остальные зеркала уже установлены на моноблоке и отъюстированы с помощью зондирующего лазера. Положение пятна зондирующего излучения на выходном зеркале при его установке покажет место расположения на его зеркальном покрытии участка, обеспечивающего резонансный эффект для возбуждения генерации. В этом месте концевое зеркало апертурно ограничивается (например, с помощью апертурной диафрагмы) для подавления нежелательных (внеосевых при использовании моды ТЕМоо) мод резонатора лазера и затем уже окончательно устанавливается на свое место. После этого лазерный объем откачивается и заполняется лазерной смесью. В другом варианте, когда зеркальное покрытие нанесено на наружную поверхность подложки концевого зеркала, его апертурное ограничение вообще может производиться после сборки, герметизации и настройки лазера. При возбуждении генерации выходное излучение лазера само покажет расположение участка, обеспечивающего резонансный эффект, на зеркальном покрытии зеркала (например, выходного). Как бы автоматически будут учтены все неточности подготовки боковых поверхностей моноблока, клиновидных прокладок, погрешности установки на них поворотных и концевых зеркал, которые ввиду их случайности трудно учесть заранее и которые проявляются в смещении пятна излучения относительно центра зеркала. Зафиксировав положение пятна, можно, используя хорошо известную специалистам микроэлектроники технику маскирования и избирательного химического травления, стравить один или несколько наружных (для резонатора внутренних) слоев покрытия в области вокруг этого участка для изменения коэффициента отражения излучения. Специалистам в области лазерной техники безусловно известны и другие приемы изменения коэффициента отражения от зеркального покрытия в наперед заданных его областях (например, описанные в патенте США N 4627732).

Таким образом, благодаря предложенному авторами техническому решению, настройка многоповоротного складного резонатора лазера производится не в узком диапазоне углов, определяемом требуемой модой излучения, что является весьма трудоемким, а в широком диапазоне углов, определяемом все поверхностью названного зеркала для обеспечения генерации излучения. И только затем производится его апертурное ограничение для обеспечения одномодового режима лазера. Тем самым значительно снижается сложность и трудоемкость процесса юстировки такого резонатора и упрощается его изготовление.

Возможно, конечно, и апертурное ограничение одного из поворотных зеркал (например, с помощью апертурной диафрагмы). Однако, оно отличается от используемого в прототипе для кольцевого лазера, где подразумевается ограничение центрального участка зеркала. Такое апертурное ограничение без предварительного определения (расчетом или экспериментально) участка, обеспечивающего резонансный эффект, принуждает перемещать само зеркало, что, как уже говорилось, не приемлемо для складного моноблочного резонатора, имеющего большое количество поворотных зеркал и участков узкого лазерного канала.

Выбор конкретного поворотного зеркала, которое необходимо апертурно ограничить, не связан с существом изобретения и потому может быть осуществлен с использованием других соображений. Так, при использовании сферических концевых зеркал с равными или одного порядка величины радиусами кривизны, наиболее целесообразно апертурно ограничивать поворотное зеркало, расположенное в лазерном канале симметрично относительно концевых зеркал. Излучение на апертуре этого зеркала будет наименее подвержено всевозможным смещениям, вызванным перепадами температуры, вибрацией. В наибольшей степени это выполняется для полностью симметричных конструкций резонатор типа, приведенной ниже на фиг.2. Если же концевые зеркала имеют значительно различающиеся радиусы кривизны или одно из них плоское, область с наименьшим смещением излучения, вызванным указанными причинами, сместится и целесообразнее производить апертурное ограничение ближайшего к этой области поворотного зеркала.

Само апертурное ограничение, как уже указывалось выше, может быть осуществлено путем установки апертурной диафрагмы на подложке зеркала перед зеркальным покрытием. Эта диафрагма может иметь форму цилиндрического стакана, в донной части которого выполнено апертурное отверстие, размер которого соответствует размеру моды (ТЕМоо в данном примере). Апертурная диафрагма закрепляется на подложке краем, противоположным ее донной части. При этом, если диафрагма металлическая (например, из алюминия), то она приклеивается. Если же диафрагма выполнена из того же диэлектрического материала, что и моноблок, то она устанавливается на подложке на оптическом контакте. Положение апертурного отверстия диафрагмы должно оптически сопрягаться с участком зеркального покрытия, обеспечивающим резонансный эффект.

Другой вариант апертурного ограничения зеркала, зеркальное покрытие которого нанесено на наружную поверхность подложки, был описан выше. Для уменьшения потерь на внутреннюю поверхность такой подложки нанесено просветляющее покрытие. Этот вариант, связанный с созданием в зеркальном покрытии вокруг участка, обеспечивающего резонансный эффект, области с отличающимся от него коэффициентом отражения, конечно, может быть осуществлен и тогда, когда покрытие нанесено на внутреннюю поверхность подложки. Однако, в этом случае апертурное ограничение производится до окончательной установки зеркала также, как и при ограничении с помощью диафрагмы. Апертурное ограничение в последнем случае может обеспечиваться не только травлением одного или нескольких слоев покрытия, но и нанесением (через маску) на него слоя (например, диффузно-рассеивающего слоя), обеспечивающего другой коэффициент отражения, в области вокруг участка, создающего резонансный эффект.

Во всех описанных реализациях достаточно, чтобы указанная область была выполнена в виде замкнутого контура, который может иметь форму окружности, квадрата или иную форму, позволяющую подавить нежелательные моды. Однако она может быть выполнена и в виде штрихов, охватывающих упомянутый участок, но не образующих замкнутого контура. Она может занимать и вообще всю поверхность зеркального покрытия (например, в виде описанного диффузию-рассеивающего слоя) за исключением упомянутого участка. При необходимости указанные области создаются на двух зеркалах (например, концевых) резонатора или более.

Отсутствие в патентной и технической литературе сведений о реализации одномодового режима в моноблочных газовых лазерах с длинным складным резонатором и продольным возбуждением, равно как и сведений о самих таких лазерах, позволяет сделать вывод о новизне поставленной и решенной настоящим изобретением задачи и о соответствии этого изобретения условиям патентоспособности по изобретательскому уровню.

Описанные в сущности особенности заявляемого изобретения, определяющие отличительные свойства моноблочного одномодового газового лазера со складным резонатором и характеристики его выходного излучения, не распространяются на выбор используемых материалов, форму и расположение разрядных электродов, форму моноблока в целом.

Подложки зеркал и клиновидные прокладки выполнены из того же материала, что и моноблок, например, из ситалла, но могут быть выполнены и из кварца или любого другого диэлектрического материала с малым КТР. Это позволяет практически полностью устранить смещения зеркал относительно осей соответствующих участков каналов при самопрогреве лазера, изменении температуры окружающей среды и значительно уменьшить указанные смещения при интенсивных механических воздействиях (ударах, вибрации). Использование клиновидных прокладок для крепления концевых зеркал позволяет существенно упростить конструкцию корпуса и выполнить его, например, в виде параллелепипеда или усеченного цилиндра с плоскими полированными параллельными друг другу боковыми поверхностями, или в другом виде (форме) удобном для использования и изготовления.

Подложки поворотных зеркал и клиновидные прокладки имеют размеры несколько большие размеров полостей в местах соединения линейных участков лазерного канала для обеспечения герметизации ими лазерного объема за счет их установки на боковых поверхностях моноблока на оптическом контакте. Конечно, герметизация может быть проведена и другим путем, например, путем пайки индиевым припоем или иным образом, известным специалистам в этой области техники.

Подложки концевых зеркал устанавливаются аналогичным образом (на оптическом контакте) на клиновидные прокладки, которые выполнены полыми 9 со сквозным отверстием) для исключения переотражений от ее поверхностей. Естественно при этом, что размер этого сквозного отверстия должен быть достаточным для перемещения расположенной в нем на подложке зеркала апертурной диафрагмы в одном из вариантов реализации одномодового режима. Если же апертурное ограничение создается областью на зеркальном покрытии зеркала с отличающимся от него коэффициентом отражения, то клиновидные прокладки могут быть и сплошными, но с тонкой кольцевой прокладкой (шайбой) со стороны зеркала (чтобы не повредить зеркальное покрытие) и просветляющими покрытиями для уменьшения потерь.

Дополнительные возможности появляются у заявляемого газового лазера при выполнении поворотных зеркал сферическими. Это позволяет увеличить выходную мощность лазера по сравнению с вариантом использования плоских поворотных зеркал. Радиус зеркал подбирают исходя из требований к модовому составу излучения и величине выходной мощности.

Катод и анод целесообразно располагать у противоположных торцевых поверхностей моноблока, где имеются области свободные от участков лазерного канала, и соединять их с соответствующими концевыми участками лазерного канала через полости у концевых зеркал. Это позволяет возбудить электрический разряд на всем протяжении лазерного канала.

Однако, возбуждение разряда возможно и отдельно в каждой его половине или иной части лазерного канала. В этом случае используется два катода и один анод, либо два анода и один катод. Катоды (аноды) при этом расположены у противоположных торцевых поверхностей моноблока и соединены с соответствующими концевыми участками лазерного канала через полости у концевых зеркал, а анод (катод) расположен в средней части моноблока между соответствующими участками лазерного канала и соединен с ними через полость в месте соединения этих участков. Такое расположение облегчает возбуждение разряда в лазерном канале.

Каждый катод предпочтительно выполнять в форме полого цилиндра с наружным диаметром соответствующим диаметру цилиндрической полости, в которую его помещают. Это упрощает его изготовление. Однако, он может быть выполнен и куполообразным как в [17] Каждый анод имеет форму штыря. Вместе с тем он может быть изготовлен и иной формы, например, в виде кольца или полого цилиндра, и аналогично катоду помещен в соответствующую ему цилиндрическую полость.

Каждый катод (или каждый анод) может быть помещен в соответствующую катодную (или анодную) полость, выполненную отдельно в моноблоке и расположенную у торцевой его поверхности или в средней его части. Катодная (или анодная) полость в этом случае соединена с полостью у концевого зеркала или с полостью в месте соединения участков лазерного канала в средней части моноблока с помощью соответствующего вспомогательного канала. При использовании штыревых анодов они могут быть помещены непосредственно в соответствующие вспомогательные каналы. В этом случае отпадает необходимость изготовления отдельных анодных полостей.

Вместе с тем каждый катод (или каждый анод) может быть помещен и непосредственно в одну из упомянутых полостей у концевых зеркал или в полость в месте соединения участков лазерного канала в средней части моноблока. Эти полости при этом выполняют соответствующих размеров, а катод (или анод) помещают в удаленную от зеркала часть полости для предохранения зеркала от воздействия плазмы разряда.

Для лучшего понимания существа изобретения на фиг.1-3 приведены различные варианты его реализации. На фиг.4-7 показаны варианты апертурного ограничения одного из зеркал, обеспечивающего одномодовый режим работы лазера.

На фиг.1 показан одномодовый газовый лазер, содержащий моноблок 1 в форме параллелепипеда из диэлектрического материала с малым КТР (например, ситалла), в котором выполнен лазерный канал, заполненный активной средой (образованной смесью He и Ne в требуемом соотношении, например, 8:1 или 12: 1, или др. при давлении 2.5 торр), состоящий из последовательно расположенных и соединенных друг с другом коротких линейных участков 2,2' с полостями 3 в местах их соединения и ограниченный в этих местах плоскими поворотными зеркалами 4 небольших размеров (диаметром 20.30 мм) с ситалловыми или кварцевыми подложками, герметично установленными на противолежащих параллельных боковых поверхностях 5 и 6 моноблока 1, отполированных до высокой степени, необходимой для закрепления на них зеркал 4 на оптическом контакте. Линейные участки 2, 2' (2' концевой участки) лазерного канала (число которых ограничено для простоты шестью, хотя их может быть и больше, например, 8 или 12, или др.) расположены вдоль плоской зигзагообразной линии, сложенной в поперечном к продольной оси 7 моноблока 1 направлении, с образованием складного резонатора между концевыми сферическими зеркалами 8 и 9, герметично установленными (также на оптическом контакте) на боковой поверхности 5 моноблока 1 через полые клиновидные прокладки (из ситалла) 10 и 11 соответственно с углом клина, соответствующим углу между осью участка 2' лазерного канала и нормалью к плоской боковой поверхности 5. При этом зеркальное покрытие зеркала 8 нанесено на внутреннюю поверхность подложки, а зеркала 9 на наружную поверхность подложки. Линейные участки 2, 2' лазерного канала наклонены под одним и тем же углом (5.7) к плоскости, перпендикулярной оси 7 моноблока 1, и для длины моноблока вдоль этой оси 200.230 мм в нем, благодаря расположению их вдоль зигзагообразной линии, удается "уложить" лазерный канал длиной 1600 мм.

Для возбуждения продольного электрического разряда в активной среде в моноблоке 1 у противоположных его торцевых поверхностей 12 и 13 расположены полый цилиндрический холодный катод 14 (например, из алюминия) с развитой протяженной поверхностью и штыревой анод 15 (например, из титана), контактирующие с активной средой. Катод 14 помещен в цилиндрическую полость 16, выполненную в моноблоке 1 и соединенную с лазерным каналом (его концевым участком 2') через вспомогательный канал 17 и полость 3' у концевого зеркала 8. Анод 15 помещен во вспомогательный канал 18, соединенный с полостью 3' у концевого зеркала 9. Наружный диаметр катода 14 соответствует диаметру полости 16, в которой он закреплен за счет упругих свойств своих стенок. Катод 14 и анод 15 электрически соединены соответственно с контактами 19 и 20, установленными на боковой поверхности 6 моноблока 1 и герметизирующими полость 16 и вспомогательный канал 18. Контакты 19 и 20 соединены выводами 21, 22 с соответствующими выводами источника питания (на фиг. 1 не показан) для обеспечения возбуждения и поддержания электрического разряда в активной среде лазера.

Для обеспечения одномодового режима работы предлагаемого на фиг.1 варианта газового лазера одно из концевых зеркал 9 апертурно ограничивалось. Это осуществлялось с помощью области 24, выполненной в покрытии 25 зеркала 9 вокруг участка, обеспечивающего резонансный эффект, и имеющей отличающийся от покрытия 25 коэффициент отражения (фиг.4). Положение этого участка определялось по пятну излучения при возбуждении генерации лазера, при этом положение центра пятна фиксировалось относительно краев зеркала с помощью измерительного микроскопа. Область 24 выполнена в виде замкнутого контура, имеющего форму окружности, смещенной относительно оси зеркала 9. Область 24 получена путем травления одного или нескольких слоев зеркального покрытия 25 зеркала 9 через предварительно нанесенную маску, которая затем удалялась. Предпочтительным является нанесение покрытия 25 на наружную поверхность подложки зеркала 9, на внутреннюю поверхность которой наносится просветляющее покрытие 26. Это позволяет производить апертурное ограничение уже после сборки и настройки лазера. На фиг.4 область 24 для наглядности показана сквозной, хотя, как указывалось выше, достаточно изменить коэффициент отражения лишь одного или нескольких слоев покрытия. Смещение области 24 относительно оси зеркала 9 иллюстрирует случайный характер ее расположения на покрытии 25, зависящего от неточности подготовки боковых поверхностей 5, 6 моноблока 1 и погрешности установки на них поворотных зеркал 4 и концевого зеркала 8.

Вариант реализации одномодового газового лазера, изображенный на фиг.2, отличается от приведенного на фиг.1 схемой возбуждения разряда. Катоды 14' и 14'', расположенные у противоположных торцевых поверхностей 12 и 13 моноблока 1, помещены в выполненные в нем полости 16' и 16'' и соединены с соответствующими концевыми участками 2' лазерного канала через вспомогательные каналы 17' и 17'' и полости 3' у концевых зеркал 8 и 9. Штыревой анод 15 помещен во вспомогательный канал 18, расположенный в средней части моноблока 1 между соответствующими участками 2 лазерного канала и соединенный с ними через полость 3 в месте соединения этих участков. Катоды 14' и 14'' электрически соединены с контактами 19' и 19'' для подключения к источнику питания (на фиг. 2 не показан) выводами 21' и 21''. Контакты 19' и 19'' установлены на боковой поверхности 6 моноблока 1 и герметизируют полости 16' и 16''. Анод 15 электрически соединен с контактом 20 (расположенным на боковой поверхности 5 моноблока 1 и герметизирующим вспомогательный канал 18) для подключения к источнику питания с помощью вывода 22.

Одномодовый режим создан апертурным ограничением концевого зеркала 9 (см. фиг.5) путем создания области 24 на его зеркальном покрытии 25 также в виде окружности вокруг участка, создающего резонансный эффект. Однако, само покрытие нанесено на внутреннюю поверхность зеркала 9. В случае, если концевые зеркала 8, 9 имеют равные или приблизительно равные (одного порядка величины) радиусы кривизны, то одномодовый режим может быть также получен апертурным ограничением поворотного зеркала 46 расположенного в лазерном канале симметрично относительно концевых зеркал 8 и 9. Для этого фиксируется положение пятна излучения относительно краев этого зеркала 4, зеркало снимается и, после создания области 24 на его зеркальном покрытии (аналогично как и для концевого зеркала) вокруг участка, создающего резонансный эффект (который занимало пятно), устанавливается на свое место на поверхности 6 моноблока 1.

Вариант реализации одномодового газового лазера на фиг.3 отличается от показанного на фиг. 1 также схемой возбуждения разряда и тем, что концевое зеркало 9 выполнено плоским, а поворотные зеркала 4 сферическими. Их радиус (R 2.5 м) выбирают, исходя из требований к модовому составу излучения и выходной мощности. Катод 14 и анод 15 (имеющий форму кольца или короткого полого цилиндра) помещены не в специальные катодную и анодную полости, выполненные отдельно в моноблоке 1, а в соответствующие полости 3' у концевых зеркал 8 и 9 в удаленные от этих зеркал части полостей. Эти полости 3' выполнены соосными соответствующим концевым участкам 2' лазерного канала и герметизированы подложками зеркал 8 и 9, установленными через клиновидные прокладки 10, 11 на боковой поверхности 5 моноблока 1.

Апертурное ограничение осуществлялось с помощью диэлектрической апертурной диафрагмы 23 (фиг.7), выполненной из ситалла в форме укороченного цилиндрического стакана с апертурным отверстием (не обозначено на фиг.7) в донной части и установленной внутри полой клиновидной прокладки 11 на подложке зеркала 9 (на оптическом контакте). При этом положение апертурного отверстия диафрагмы 23 оптически сопряжено с участком зеркального покрытия 25 (центрального в этом примере), обеспечивающим резонансный эффект. Осуществляется это аналогично описанному для варианта фиг.1.

Предлагаемый одномодовый газовый лазер работает следующим образом. Между катодом 14 (катодами 14', 14'' на фиг.2) и анодом 15 прикладывается высокое напряжение от источника питания, достаточное для зажигания в активной среде тлеющего разряда постоянного тока от каждого катода через вспомогательный канал 17 (17', 17'' на фиг.2), полость 3', все линейные участки 2', 2 лазерного канала и полости 3, к вспомогательному каналу 18 и аноду 15. На фиг. 3 разряд зажигается от катода 14 к аноду 15 через все участки 2, 2' лазерного канала и полости 3. Возникшее внутри резонатора в результате разряда излучение, отразившись от концевого зеркала 8 (100%), обходит по очереди все линейные участки 2, 2' лазерного канала, отражаясь от поворотных зеркал 4, выполненных со 100% отражением (и потому не вносящих дополнительных потерь в резонатор). Падая на другое концевое зеркало 9 с пропусканием в несколько процентов, излучение частично выходит из резонатора, а остальная его часть возвращается к первому концевому зеркалу 8. При этом, ввиду апертурного ограничения концевого зеркала 9 (диафрагмой 23 или областью 24 на его зеркальном покрытии 25), в лазере преимущественно генерируется мода ТЕМоо, т.к. внеосевые моды резонатора подавляются из-за больших дифракционных потерь, вносимых диафрагмой 23 или областью 24.

Испытания экспериментальных образцов He-Ne лазеров показали, что модность излучения порядка 35 мВт достигается при габаритах лазера (вместе с несущей металлической конструкцией) 205х235х60 мм и массе, не превышающей 5 кг. Таким образом, предлагаемый одномодовый газовый лазер сравним по мощности с лазерами типа ЛГН-220 и GLG-5800, однако существенно меньше их по габаритам и в 6-8 раз по массе.

Все элементы предлагаемого лазера освоены или могут быть освоены промышленностью, поэтому можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условиям патентоспособности по промышленной применимости.

Приведенные и другие возможные примеры реализации заявляемого газового лазера (например, с возбуждением иных мод генерации помимо ТЕМоо ТЕМо, ТЕМ о и др.); с апертурным ограничением одного или нескольких поворотных зеркал; с расположением концевых зеркал на разных боковых поверхностях моноблока; с использованием двух анодов у торцевых поверхностей моноблока и иодного катода в средней его части, помещенных в соответствующие им анодные и катодные полости; с расположением линейных участков лазерного канала вдоль пространственной зигзагообразной линии, с плотной упаковкой дисковых поворотных зеркал на боковой поверхности моноблока и прочие примеры) являются лишь иллюстрациями и не могут рассматриваться как ограничивающие изобретение, сущность которого отражена в прилагаемой формуле изобретения.

Преимуществами предлагаемого моноблочного одномодового газового лазера с длинным складным резонатором являются высокая надежность, стабильность выходной мощности в сложных условиях эксплуатации (при перепадах температуры окружающей среды, ударных нагрузках и вибрации), простота и технологичность конструкции со сниженной трудоемкостью изготовления (поскольку не требуется использования сложного технологического оборудования с прецизионной перестройкой по углу) и настройки лазера на одномодовый режим, а также небольшие габариты и масса при сохранении общей длины лазерного канала и, соответственно, выходной мощности.

Формула изобретения

1. Одномодовый газовый лазер, содержащий моноблок из диэлектрического материала, в котором выполнен лазерный канал, заполненный активной средой, состоящий из последовательно расположенных и соединенных друг с другом линейных участков с полостями в местах их соединения и ограниченный в этих местах поворотными зеркалами, герметично установленными на поверхности моноблока, а также по меньшей мере один катод с развитой протяженной поверхностью, помещенный в соединенную с лазерным каналом полость, выполненную в моноблоке, и по меньшей мере один анод, контактирующие с активной средой для возбуждения в ней продольного электрического разряда, отличающийся тем, что линейные участки лазерного канала расположены вдоль зигзагообразной линии с образованием складного резонатора между введенными концевыми зеркалами, по меньшей мере одно из которых является сферическим и которые установлены вместе с поворотными зеркалами на противолежащих плоских боковых поверхностях моноблока, при этом поворотные зеркала установлены на этих боковых поверхностях непосредственно, а концевые зеркала через клиновидные прокладки с углом клина, соответствующим углу между осью участка лазерного канала и нормалью к боковой поверхности, по меньшей мере одно из концевых или поворотных зеркал апертурно ограничено на участке, обеспечивающем резонансный эффект, а катод и анод соединены с соответствующими участками лазерного канала, разнесенными вдоль него.

2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что зигзагообразная линия расположения участков лазерного канала является плоской, при этом двугранные углы клиновидных прокладок лежат в плоскости этой линии.

3. Лазер по п.1, отличающийся тем, что для апертурного ограничения концевого или поворотного зеркала на его подложке перед зеркальным покрытием установлена апертурная диафрагма.

4. Лазер по п.1, отличающийся тем, что для апертурного ограничения концевого или поворотного зеркала в зеркальном покрытии вокруг участка, обеспечивающего резонансный эффект, создана область с отличающимся от него коэффициентом отражения.

5. Лазер по п.4, отличающийся тем, что указанная область выполнена в виде замкнутого контура.

6. Лазер по п. 5, отличающийся тем, что указанный контур имеет форму окружности.

7. Лазер по пп.1, 3 или 4, отличающийся тем, что при использовании сферических концевых зеркал с равными или одного порядка величины радиусами кривизны апертурно ограничено поворотное зеркало, расположенное в лазерном канале симметрично относительно концевых зеркал.

8. Лазер по пп.4 6, отличающийся тем, что при апертурном ограничении концевого зеркала зеркальное покрытие нанесено на наружную поверхность подложки, на внутреннюю поверхность которой нанесено просветляющее покрытие.

9. Лазер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что клиновидные прокладки выполнены полыми.

10. Лазер по пп.1 3, 9, отличающийся тем, что подложки зеркал, клиновидные прокладки и апертурная диафрагма выполнена из того же материала, что и моноблок.

11. Лазер по пп.1 3, 9, 10, отличающийся тем, что подложки зеркал, клиновидные прокладки и апертурная диафрагма установлены на оптическом контакте.

12. Лазер по пп.1, 7, отличающийся тем, что поворотные зеркала выполнены сферическими.

13. Лазер по п.1, отличающийся тем, что катод и анод расположены у противоположных торцевых поверхностей моноблока и соединены с соответствующими концевыми участками лазерного канала через полости у концевых зеркал.

14. Лазер по п.1, отличающийся тем, что катоды расположены у противоположных торцевых поверхностей моноблока и соединены с соответствующими концевыми участками лазерного канала через полости у концевых зеркал, а анод расположен в средней части моноблока между соответствующими участками лазерного канала и соединен с ними через полость в месте их соединения.

15. Лазер по п.1, отличающийся тем, что аноды расположены у противоположных торцевых поверхностей моноблока и соединены с соответствующими концевыми участками лазерного канала через полости у концевых зеркал, а катод расположен в средней части моноблока между соответствующими участками лазерного канала и соединен с ними через полость в месте их соединения.

16. Лазер по любому из пп.13 15, отличающийся тем, что каждый катод или каждый анод помещен в соответствующую катодную или анодную полость, выполненную отдельно в моноблоке и соединенную с упомянутой полостью у концевого зеркала или полостью в средней части моноблока в месте соединения участков лазерного канала с помощью соответствующего вспомогательного канала.

17. Лазер по любому из пп.13 15, отличающийся тем, что каждый катод или каждый анод помещен в одну из упомянутых полостей у концевых зеркал в удаленную от зеркала часть полости или в полость в месте соединения участков лазерного канала в средней части моноблока.

18. Лазер по любому из пп.13 15, отличающийся тем, что каждый анод выполнен в форме штыря и помещен в соответствующий вспомогательный канал, соединенный с упомянутой полостью у концевого зеркала или с полостью в месте соединения участков лазерного канала в средней части моноблока.

19. Лазер по п.16 или 17, отличающийся тем, что каждый катод выполнен в форме полого цилиндра с наружным диаметром, соответствующим диаметру полости, в которую он помещен, выполненной цилиндрической.

20. Лазер по п.16 или 17, отличающийся тем, что каждый анод выполнен в форме кольца или полого цилиндра с наружным диаметром, соответствующим диаметру полости, в которую он помещен, выполненной цилиндрической.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6