Импульсно-периодический лазер

 

Использование: изобретение может быть использовано при создании технологических комплексов лазерной сварки и резки. Сущность: в устройстве имеется резонатор и зеркало с управляемой кривизной, при этом резонатор выполнен неустойчивым только в одной плоскости, а в другой (ортогональной первой) плоскости он выполнен по схеме устойчивого резонатора, причем управляемое зеркало выполнено таким образом, что при воздействии на него управляющего периодического сигнала поверхность зеркала принимает цилиндрическую форму с переменной по времени кривизной. Использование предлагаемого изобретения обеспечивает в импульсно-периодическом лазере постоянство пространственных параметров излучения при использовании только полностью отражающей оптики, что дает возможность использования данного устройства при больших уровнях лучевой мощности. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области лазерной техники, а более конкретно к области импульсно-периодических лазеров. Изобретение может быть использовано при создании технологических комплексов лазерной сварки и резки.

При использовании мощных лазеров для обработки материалов большое значение имеет возможность работы в импульсно-периодическом режиме (ИПР). При сварке повышается глубина и кинжальность сварного шва, а при резке уменьшается грат и шероховатость стенок реза.

Существует несколько способов реализации импульсно-периодического режима: 1 - модуляция накачки; 2 - модуляция добротности резонатора, в том числе, например, перекрытием каустики резонатора непрозрачным экраном; 3 - использование внутрирезонаторных насыщающихся поглотителей и т.д.

Применительно к высокомощным лазерам число возможных способов резко сужается. Так, например, способ 3 уже не проходит из-за значительных внутрирезонаторных аберраций, тепловой природы приводящих к резкому снижению качества выходного излучения лазера.

Модуляция накачки менее эффективна, чем модуляция добротности в резонаторе и является более дорогим способом решения проблемы. Модуляцию добротности резонатора можно реализовать, изменяя во времени кривизну одного из зеркал.

Известен импульсно-периодический лазер [1], включающий устойчивый резонатор, образованный частично пропускающим выходным зеркалом, зеркалом с управляемой кривизной, ограничивающей диафрагмой и камерой возбуждения. В качестве зеркала с управляемой кривизной служит биморфное зеркало [2, 3], которое позволяет управлять его кривизной с частотами до нескольких кГц.

Данное устройство работает следующим образом. При подаче управляющего напряжения биморфное зеркало начинает периодически выгибаться с частотой управляющего сигнала. При изменении радиуса кривизны управляющего зеркала изменяется размер каустики основной моды устойчивого резонатора. Изменение размера основной моды в области нахождения диафрагмы [4] приводит к модуляции потерь и добротности резонатора. Модуляция добротности резонатора ведет к модуляции потерь и добротности резонатора. Модуляция добротности резонатора ведет к модуляции выходной мощности лазера. Таким образом, управляя кривизной поверхности одного из зеркал можно управлять выходной мощностью лазера.

Важным достоинством устойчивого резонатора с управляемым задним или промежуточным поворотным зеркалом является то, что пространственные параметры выходного пучка такие как радиус кривизны волнового поля и, в значительной мере, размер пучка остаются неизменными в процессе модуляции потерь резонатора. Они определяются радиусом кривизны выходного зеркала и размером диафрагмы.

Недостатком известного устройства является необходимость применения частично пропускающих зеркал для выхода излучения, что ограничивает применение устойчивого резонатора для лазеров с большим уровнем мощности из-за низкого порога разрушения частично пропускающего зеркала термодеформаций.

В другом известном устройстве - аналоге, импульсно-периодическом лазере с неустойчивым резонатором, содержащим зеркало с управляемой кривизной, решается этот недостаток [5]. Неустойчивый резонатор содержит только полностью отражающие зеркала. В неустойчивом резонаторе полезными потерями являются дифракционные, при этом излучение выводится вокруг одного из зеркал в виде кольца. Внутренний размер кольца равен размеру выводного зеркала d, а внешний размер D=d·M, где M - коэффициент увеличения резонатора.

При воздействии на управляемое зеркало происходит выгибание его поверхности и при этом изменяется коэффициент увеличения резонатора M, а так как потери неустойчивого резонатора за проход описываются формулой: t=1-1/M², то, следовательно, изменяются и потери резонатора.

Недостатком этого устройства является то, что одновременно с изменением потерь резонатора изменяются также и параметры выходного излучения: внешний диаметр излучения: внешний диаметр излучения и радиус кривизны волнового фронта. Это приводит к тому, что во времени изменяется не только мощность лазера, но и пространственные характеристики его излучения. После фокусировки излучения изменение радиуса кривизны волнового фронта приведет к сканированию пятна фокусировки вдоль осевой линии, что существенно ограничивает область применения такого лазера.

Известно также устройство - импульсно-периодический лазер с устойчивым резонатором, выбранным нами за прототип [7].

В нем импульсно-периодический режим реализуется за счет модуляции источника питания, а в качестве оптического резонатора выбран устойчиво-неустойчивый резонатор, т.е. резонатор, являющийся в одной плоскости неустойчивым, а в перпендикулярной плоскости - устойчивым.

Достоинствами устойчиво-неустойчивого резонатора являются: - использование только отражательной оптики, которую можно использовать для получения лазеров с высокой выходной мощностью; - в таком случае возможно заполнение излучением гораздо большего объема активной среды, чем в лазере с устойчивым резонатором.

Недостатками устройства - прототипа является то, что: для получения импульсно-периодического режима генерации в нем используется метод импульсной накачки или метод модуляции накачки активной среды, который является сравнительно менее экономичным по сравнению с методом модуляции потерь (добротности) резонатора, требует применения высоковольтных ключевых устройств, что значительно усложняет устройство и уменьшает надежность. Использование высоковольтных сильноточных ключевых устройств для коммутации (модуляции) тока накачки также приводит к генерации различных импульсных радиопомех. Задачей изобретения является упрощение конструкции высокомощного импульсного периодического лазера, повышение коэффициента полезного действия, повышение надежности, устранение радиопомех.

Задача решается тем, что в известном устройстве, включающем устойчиво-неустойчивый резонатор, который выполнен устойчивым только в одной плоскости, а в другой (ортогональной первой) плоскости он выполнен по схеме неустойчивого резонатора, имеется зеркало с управляемой кривизной, которое является цилиндрическим с переменным во времени радиусом цилиндра, а образующая цилиндра лежит в плоскости неустойчивости упомянутого резонатора. В этом устройстве импульсно-периодический режим работы лазера реализуется вследствие модуляции потерь резонатора. При воздействии на управляемое зеркало управляющим сигналом оно начинает периодически выгибаться. Периодическое изменение кривизны этого зеркала приводит к периодическому изменению размера основной моды в устойчивой плоскости резонатора и, вследствие этого, к изменению дифракционных потерь на выводном зеркале.

Использование предлагаемого изобретения, по сравнению с прототипом, обеспечивает в лазере импульсно-периодический режим путем модуляции потерь резонатора, без использования модуляции накачки, т.е. без использования коммутации тока накачки. Вследствие этого КПД и надежность лазера согласно изобретению гораздо выше, чем в устройстве - прототипе, отсутствуют радиопомехи, упрощается конструкция всего устройства. Отметим, что импульсно-периодический режим реализуется при использовании только полностью отражающей оптики, что дает возможность использования данного устройства при больших уровнях лучевой мощности.

Пример конкретного выполнения изобретения изображен на фиг.1., где 1 - цилиндрическое зеркало с переменной кривизной, причем образующая цилиндра совпадает с осью X; 2 - цилиндрическое выпуклое зеркало резонатора, образующая совпадает с осью Y; 3 - сферическое вогнутое зеркало резонатора; 4 - плоское зеркало; 5 - выводное зеркало; 6 - выходное излучение; 7 - камера возбуждения активной среды; 8 - поток активной среды в камеру возбуждения и резонатор.

Устройство работает следующим образом. При отсутствии управляющего напряжения форма поверхности зеркала 1 плоская, при этом свойства резонатора определяют радиусы кривизны зеркал 2 и 3 во взаимно ортогональных плоскостях.

Критерием того, является ли резонатор устойчивым или неустойчивым, служит величина Q[6] , Q=(1-L/R₂)·(1-L/R₃), где L - длина резонатора; R₂, R₃ - радиусы кривизны зеркал 2 и 3; ели Q <1, то резонатор устойчивый, если Q > 1, то резонатор неустойчивый.

В нашем примере зеркало 2 - цилиндрическое, поэтому R^x₂ = - R, R^y₂ = ∞; ; зеркало 3 - сферическое с R^x₃ = R^y₃ = R + 2L, при этом M=2L/R+1 - коэффициент увеличения.

В этом случае: то есть резонатор является неустойчивым в плоскости XOZ, т.е. резонатор устойчивый в плоскости YOZ.

Следовательно, в нашем случае мы действительно имеем в плоскости XOZ неустойчивый резонатор, а в ортогональной ей плоскости - устойчивый. Зеркало 5 является ограничивающей диафрагмой в плоскости устойчивости и выводным зеркалом в плоскости неустойчивости резонатора.

При подаче управляющего напряжения на зеркало 1 оно из плоского превратится в цилиндрическое, ориентированное так, что образующая цилиндра совпадает с плоскостью XOY, т.е. с плоскостью неустойчивости резонатора. При этом изменяющаяся во времени кривизна этого зеркала будет влиять только на параметры резонатора в плоскости устойчивости YOZ. При этом размер каустики резонатора в плоскости устойчивости будет слегка изменяться по сравнению с размером диафрагмирующего зеркала, при этом также будут изменяться во времени дифракционные потери.

Отметим, что кривизна фронта излучения, падающего на зеркало 5 в плоскости устойчивости YOZ, будет определяться кривизной зеркала 2 в плоскости и равна 0 при любых изменениях кривизны зеркала 1. В плоскости неустойчивости параметры излучения определяются параметрами зеркал в этой плоскости и не зависят от изменения кривизны зеркала 1. Следовательно, поставленная задача выполнена.

Выходное излучение в съюстированном резонаторе, описанном выше, состоит из двух пятен. Чтобы реализовать компактное выходное излучение, необходимо разъюстировать или сместить зеркало так, чтобы оптическая ось резонатора была смещена на величину несколько меньшую, чем половина размера зеркала. В это случае излучение будет иметь сильно отличающихся по мощности (в 10 и более раз) пятна. Затем пятно меньшей мощности направляется в поглотитель и используется только мощное пятно. Такое излучение обладает лучшими фокусирующими свойствами, чем излучение состоящего из двух пятен.

Если в качестве активной среды используется поток газа, проходящей через вытянутую в одном направлении камеру возбуждения, а ось резонатора поперечна потоку газа, то возникает проблема согласования высоты разрядной камеры и ширины луча резонатора. Дело в том, что с целью повышения выходной мощности лазера стремятся увеличить зазор камеры возбуждения и часто он становится существенно больше, чем размер основной моды в устойчивой плоскости резонатора. Это приводит к снижению КПД лазера.

Для того, чтобы повысить выходную мощность импульсно-периодического лазера, мы предлагаем развернуть плоскость неустойчивости резонатора поперек потоку, как это показано на фиг. 2, а резонатор слегка сместить относительно камеры возбуждения ниже по потоку. В этом случае образующая управляемого цилиндрического зеркала 1 ориентирована перпендикулярно потоку, а образующая цилиндрического зеркала 2 ориентирована параллельно потоку активной среды. В такой конфигурации можно заполнить излучение практически любой зазор камеры возбуждения и таким образом обеспечить высокомощное, со стабильными пространственными параметрами излучение импульсно-периодического лазера.

Источники информации 1. Гнедой С.А., Кудряшов А.В., Самаркин В.В., Якунин В.Л. Исследование возможности управления мощного технологического CO2 лазера с помощью внутрирезонаторного адаптивного зеркала. Квантовая электроника, т.16, 1989 г., с. 1835-1840.

2. Адаптивное биморфное зеркало. Авторское свидетельство СССР N 1808159, 19.12.89 г., HO 1S 3/02. Икрамов А.В., Кудряшев А.В., Романов С.В., Рощункин И.М., Сафронов А.Г., Сулимов А.О.

3. А.В.Икрамов, И.В.Рощупкин, А.Г.Сафронов. Охлаждаемые биморфные адаптивные зеркала для лазерной оптики. Квантовая электроника, том 21(7), N 7, стр. 665-669.

4. Справочник по лазерам./Под ред. акад. А.М.Прохорова. т 2, ч. 5, М.: Сов.радио, 1978.

5. Получение импульсно-периодического режима работы технологического CO2 лазера с помощью гибкого управляемого зеркала. Гнедой С.А., Забелин А.М., Коротченко А.В. и др. Всесоюзная конференция. Оптика лазеров. 2-7 марта 1990 г., г.Ленинград, сб.тезисов.

6. Control of high power CO2 laser beam. S.Gnedoy, V.Samarkin, V.Yakunin. Ihe International Symposium on High Power Lasers and Laser Applications V, 5-8 April 1994, Vienna, Austria.

7. A. Borghese et al. Unstable - stable resonators with toroidal mirrors. Appe. Opt. V 20, N 20 1981, 3547.

8. V. Fantine et al. Inst.Phys.Conf. N 72, 1984, 17-20.

Формула изобретения

1. Импульсно-периодический лазер, содержащий активную среду и устойчиво-неустойчивый резонатор с зеркалами, имеющий плоскость устойчивости и перпендикулярную ей плоскость неустойчивости, отличающийся тем, что одно из зеркал резонатора выполнено с управляемой кривизной поверхности, которая при воздействии на него управляющего периодического сигнала принимает цилиндрическую форму с переменной по времени кривизной, причем образующая этой цилиндрической поверхности совпадает с плоскостью неустойчивости резонатора.

2. Лазер по п.1, в котором выводное зеркало смещено относительно оптической оси резонатора в неустойчивой плоскости на расстояние, несколько меньшее половины отверстия в нем, за счет чего реализуется односторонний вывод излучения.

3. Лазер по пп. 1 и 2, в котором активной средой является поток газа, возбужденный тлеющим разрядом, протекающий поперечно резонатору, причем плоскость неустойчивости резонатора ориентирована поперек потока, а плоскость устойчивости вдоль потока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2