Газовый лазер

 

Изобретение относится к газовым лазерам щелевого типа. Лазер содержит лазерную головку, в корпусе которой размещены плоские электроды с зазором, образующим разрядный промежуток, совмещенный с оптическим каналом резонатора. Канал подвода ВЧ-мощности к разрядному промежутку снабжен согласующим устройством П-типа, например, ленточным проводником, соединенным с ВЧ-электродом в симметричных относительно его центра точках. Система охлаждения выполнена в виде коаксиальных трубок ввода-слива хладагента. Новым является также введение оптико-электронной схемы управления средней мощностью потока выходного излучения на основе дифракционного ответвителя, дающего нулевой и минус первый порядок дифракции потока. Специальное выполнение дифракционной структуры обеспечивает коэффициент отражения в нулевой порядок дифракции около 98% выходной мощности лазера и ответвление 0,1% мощности в минус первый порядок дифракции, которое используется для управления ВЧ-генератором возбуждения с целью стабилизации уровня мощности накачки и соответственно средней мощности выходного излучения. Лазер отличается компактностью и простотой обслуживания. 1 с. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании лазеров щелочного типа с высокочастотным возбуждением активной среды.

Известен газовый лазер, а именно, щелевой CO₂-лазер, который включает в себя два протяженных плоских электрода, образующих разрядный промежуток прямоугольного сечения, являющийся одновременно и световодом, при этом один электрод соединен с выходным каскадом высокочастотного (ВЧ) генератора с помощью согласующего устройства, а второй электрод заземлен. Известный лазер включает также средства для охлаждения электродов и резонатор, образованный зеркалами на противоположных концах разрядного промежутка (патент США N 4719639). Разряд в газе возбуждается ВЧ-генератором на частотах в диапазоне 10-200 МГц.

Известен щелевой газовый лазер, включающий цилиндрический корпус, два плоских протяженных электрода, размещенные в корпусе с образованием щелевого разрядного промежутка, совмещенного с оптическим каналом резонатора, канал подвода ВЧ-мощности к разрядному промежутку, проточную систему охлаждения в виде трубопроводов, контактирующих с электродами, оптическую схему резонатора, содержащую зеркала, обладающие кривизной, установленные на концах оптического канала с возможностью изменения угла наклона к оптической оси резонатора и снабженные защитными экранами, выполненными из керамики, катушки индуктивности как средство компенсации электрической емкости электродов для коррекции волновых эффектов на частотах возбуждения разряда (патент США N 5123028).

Разряд в газе возбуждается с помощью ВЧ-генератора на частоте 81,36 МГц, при этом мощность подается на ВЧ-электрод либо в одной, либо в нескольких точках через металлокерамический ввод, установленный на корпусе лазера. С целью устранения механических напряжений, связанных с тепловым расширением электродов, последние могут скользить по штырям, закрепленным на торцевых фланцах корпуса. Известный лазер позволяет получить высокую мощность генерации и устойчиво работает в одномодовом режиме за счет оптимального выбора высота щелевого разрядного промежутка (в пределах 1,5 - 2,5 мм) и частоты питающего напряжения ВЧ-генератора.

Размещение катушек индуктивности по периметру электродов позволяет выравнивать неоднородности приложенного ВЧ-напряжения и вклада мощности по сечению и длине разрядного промежутка, появление которых обусловлено тем, что расстояние от точки подключения ВЧ-поля до края электрода имеет один порядок величины с длиной волны поля накачки.

Установка в корпусе керамических элементов - защитных экранов (как и в патенте США N 5216689) приводит к частичной деионизации ионов кислорода, образующихся в плазме разряда. Эти ионы, попадая на зеркала, постепенно разрушают их оптические поверхности. Таким образом, способствуя уменьшению количества ионов у поверхности зеркала, керамические вставки увеличивают ресурс оптики прибора.

Отвод тепла от разрядного промежутка осуществляется в известном устройстве посредством водяного охлаждения обоих электродов с использованием U-образных контуров, каждый из которых уложен в пазы электродов и запаян в них. Оба контура соединены парами трубок с корпусом, причем трубки, идущие к ВЧ-электроду, снабжены металлокерамическими изолирующими переходами.

Корпус прибора с размещенными в нем функциональными элементами образует лазерную головку.

К недостаткам известных устройств можно отнести следующие: 1) Громоздкость контуров водяного охлаждения электродов приводит к появлению нежелательных конструктивных индуктивности и емкости ВЧ-электрода относительно земли и на ВЧ-электрод. Возникают дополнительные резонансные частоты, усложняющие процесс настройки ВЧ-контура, образованного емкостью электродов и катушками индуктивности. В конечном итоге ухудшается однородность распределения вклада мощности в разрядном промежутке.

2) Сложность управления распределением напряженности электрического поля вдоль электродов в том случае, когда подвод ВЧ-мощности производится в одной точке. При этом длина однородно возбужденного разрядного промежутка ограничивается величиной 600 мм при частоте возбуждения разряда в газе порядка 100 МГц. В силу этого, в известных устройствах при длинах электродов более 400 мм применяются ВЧ-вводы, проходящие через корпус лазера в его средней части перпендикулярно плоскости электродов. Такая геометрия вводов не позволяет проводить точную настройку катушек индуктивности отдельно от собранной в целом лазерной головки.

3) Отсутствие устройств, позволяющих стабилизировать мощность выходного излучения на уровне ± 1%. В известных устройствах выходная мощность имеет характерное время колебаний порядка нескольких минут. Эта нестабильность обусловлена причинами физического и технического характера и достигает величины ±10% от средней мощности лазера.

Известный газовый лазер щелевого типа (патент США N 5123028) может быть выбран в качестве наиболее близкого аналога заявляемого изобретения.

Задача изобретения состоит в оптимизации конструкции и улучшении эксплуатационных характеристик лазера в целом.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в улучшении электрических резонансных характеристик прибора, улучшении жесткости конструкции компенсации термических напряжений, улучшении охлаждения рабочей зоны прибора, повышении вакуумной надежности с одновременным упрощением и удешевлением конструкции, а также стабилизации средней мощности излучения за счет введения отрицательной обратной связи по световому потоку.

Технический результат достигается тем, что в известном газовом лазере, имеющем лазерную головку, включающую цилиндрический корпус, и второй плоские электроды, размещенные в корпусе с образованием разрядного промежутка прямоугольного сечения, совмещенного с оптическим каналом резонатором, канал подвода ВЧ-мощности к разрядному промежутку, соединенный с первым электродом, причем второй электрод заземлен, катушки индуктивности, присоединенные каждая к первому и второму электродам, проточную систему охлаждения, контактирующую с электродами, оптическую схему с зеркалами, снабженными защитными экранами, в соответствии с изобретением, устройство снабжено внешним для лазерной головки кожухом с окном для вывода лазерного излучения, канал подвода ВЧ-мощности размещен внутри цилиндрического корпуса параллельно электродам и снабжен согласующим устройством П-типа, например, в виде ленточного проводника, которое присоединено к первому электроду в точках, симметричных относительно его центра, а ввод упомянутого канала размещен на торце корпуса, система охлаждения выполнена в виде коаксиальных трубок, внешняя из которых является сливом и закрыта с одного конца, а внутренняя является вводом хладагента и незамкнута, при этом каждая пара трубок размещена на внешней по отношению к разрядному промежутку поверхности электродов с обеспечением теплового контакта, а трубка ввода хладагента выполнена из неэлектропроводящего материала, оптическая схема снабжена размещенными в кожухе устройством стабилизации средней мощности выходного излучения, содержащим установленное последовательно с оптическим каналом резонатора лазера первое поворотное зеркало и второе поворотное зеркало, выполненное в виде дифракционного ответвителя, который оптически связан с линзой для коррекции расходимости пучка лазерного излучения на выходе из кожуха и датчиком уровня средней мощности излучения, имеющим выход для подключения к ВЧ-генератору возбуждения, как источнику ВЧ-мощности, подводимой к разрядному промежутку. Кроме того, электроды снабжены упорными керамическими прокладками, размещенными на их концах, которые имеют вырез в форме прямоугольной щели, размеры которой превышают размер сечения оптического канала.

Кроме того, система охлаждения выполнена электрически изолированной посредством керамической вставки, соединенной с вешней трубкой - сливом.

Кроме того, электроды соединены механически с согласующим устройством, закрепленным на торце корпуса.

Кроме того, датчик уровня средней мощности излучения выполнен в виде фотоприемника, в т.ч. приемника теплового излучения.

Кроме того, фотоприемник установлен в зоне тени первого поворотного зеркала.

Кроме того, дифракционный ответвитель выполнен таким образом, что нулевой порядок дифракции пучка направлен по оси выходного излучения лазера, а минус первый порядок дифракции направлен на фотоприемник.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой схематически представлен заявляемый лазер (в разрезе), фиг. 2, на которой представлена блок-схема устройства стабилизации выходной мощности лазера, и фиг. 3 на которой представлены геометрические параметры профиля дифракционной структуры, применяемой в дифракционном ответвителе устройства стабилизации выходной мощности.

Устройство содержит корпус (фиг. 1) лазерную головку с цилиндрическим корпусом 1, размещенные в нем первый 2 и второй 3 плоские электроды, образующие разрядный промежуток 4, совмещенный с оптическим каналом 5 резонаторов. В корпусе 1 параллельно электродам 2, 3 размещен канал подвода ВЧ-мощности 6 к разрядному промежутку 4. Канал 6 имеет электрический ввод 7 для подключения ВЧ-генератора возбуждения и подвода ВЧ-мощности, размещенный на торцевом фланце 8 корпуса 1. Канал 6 имеет центральный проводник 9, соединенный с электрическим вводом 7, и соответствующее устройство П-типа (индуктивное) в виде ленточного проводника (полосковой линии) 10, соединяющего канал 6 с ВЧ-электродом 2 в точках, симметричных центральной линии, перпендикулярной разрядному промежутку 4. Электрод 3 заземлен. Электроды 2 и 3 соединены между собой катушками индуктивности 11, которые служат для компенсации электрической емкости электродов и приэлектродных слоев. В теле электродов 2, 3 размещена система охлаждения 12, представляющая собой набор коаксиальных трубок 13-14, внешняя из которых 13 закрыта с одного торца и является сливом, а внутренняя трубка 14 служит вводом хладагента (воды) и незамкнута. Упомянутые трубки 13 выполнены из материла с высокой теплопроводностью, например, из меди, а внутренняя трубка 14 - из неэлектропроводящего материала. Для обеспечения электроизолированности системы охлаждения 12 в целом, трубки 13 прикреплены к электродам, но изолированы от ВЧ-электрода 2 посредством керамической вставки-изолятора 15, размещенного в области концов электродов 2, 3 и одновременно разрядного промежутка 4. Разрядный промежуток 4 совмещен с оптическим каналом 5, который входит в оптическую схему резонатора, образованного зеркалом 16, 17, установленным на концах оптического канала 5 с возможностью изменения угла наклона к оптической оси резонатора. Зеркала 16 - 17 имеют кривизну и снабжены защитными экранами 18, выполненными из керамики. Излучение лазера выводится из корпуса 1 лазерной головки через отверстие в выходном зеркале 17 и выводное окно, изготовленное из материала, пропускающего излучение на рабочей длине волны (для длины волны 10,6 мкм таким материалом является, например, селенид цинка) фиг. 1б, поз. 20). Снаружи корпуса 1 лазерной головки размещено устройство стабилизации выходной мощности (средней) излучения, содержащее установленное последовательно с оптическим каналом 5 первое поворотное зеркало 21 (фиг. 2), второе поворотное зеркало 22, выполненное в виде дифракционного ответвителя, оптически связанного с линзой 23 для коррекции расходимости пучка лазерного излучения и датчиком уровня средней мощности выходного излучения 24, который может быть выполнен в виде фотоприемника или приемника теплового излучения. Упомянутый датчик 24 имеет выход для подключения его к внешнему устройству - ВЧ-генератору возбуждения 25 через усилитель 26 и блок управления 27. Посредством такого подключения можно воздействовать на подводимую ВЧ-мощность и стабилизировать выходные характеристики излучения лазера.

Подвод ВЧ-мощности от ВЧ-генератора возбуждения производят со стороны торцевого фланца 8 через разъем, имеющий входное сопротивление 50 Ом и сечение 16/7, через согласующее устройство 10, размещенное в канале 6. Эта часть согласующего устройства работает при атмосферном давлении и обеспечивает необходимый запас электропрочности. Центральный проводник 9 снабжен муфтами 28, являющимися керамическими изоляторами. Вблизи середины электрода 2 ВЧ-ток через металлокерамический переход и центральный проводник 9 по расщепляемому надвое ленточному проводнику 10 подводится к боковой грани ВЧ-электрода 2, причем расстояние между точками ввода составляет около λ/40, где λ - длина волны ВЧ-поля накачки, а точки ввода расположены симметрично центральной линии электрода в продольном направлении. Корпус канала подвода ВЧ-мощности 6 и размещенный внутри него цилиндрический центральный проводник 9 образуют емкостной элемент. Ленточный проводник 10 (полосковая линия действует как индуктивность, при этом часть емкости зазора, не полностью скомпенсированная катушками индуктивности 11, дает дополнительную емкостную компоненту для образования согласующего звена П-типа. При этом заземленный электрод 3 приобретает дополнительную механическую жесткость. Он консольно поддерживается ребром, скрепленным с каналом электроввода 6, и в частности, может быть закреплен сваркой непосредственно на фланце. В совокупности с системой охлаждения 12 такая конструкция обеспечивает жесткое крепление электрода 3 к торцевому фланцу корпуса 1. ВЧ-электрод 2 и заземленный электрод 3 разделены упорными керамическими прокладками 19, размещенными на их концах, имеющими вырез в виде прямоугольной щели с размерами, превышающими размер сечения оптического канала для пропуска излучения. От фланца 8 электрод 2 развязан гибкой связью в виде, например, сильфона 29 в системе охлаждения 12. На противоположном конце заземленный электрод 3 скользит по штырю 30, закрепленному на фланце 8 ловителем.

Таким образом, использование электроввода 6-7 для поддержания и фиксации системы электродов 2, 3 позволяет исключить специальный дополнительный кронштейн, которым электрод крепится к фланцу в известном устройстве.

Размещение согласующегося устройства в трубе канала 6, закрепленной на заземленном электроде 2, создает компактную конструкцию, что исключает необходимость введения специального согласующего устройства, которое в известных приборах такого типа устанавливается обычно снаружи и увеличивает общие габариты устройства.

Наличие единого конструктивного узла сопряжения кабельной линии передачи ВЧ-энергии, имеющего межэлектродный зазор с минимальными потерями, повышает удобство эксплуатации прибора. Предлагаемая конструкция позволяет производить испытания и настройку ВЧ-тракта на стенде без кожуха 31, что необходимо для контроля электроцепей после сборки и необходимой подгонки элементов, например индуктивности катушек, конфигурации ленточного участка согласующего устройства.

Размещение электродов по центру фланца и их жесткое крепление на одном фланце, а также однонаправленное тепловое расширение системы электродов лишь в сторону противоположного фланца, где установлен штырь-ловитель, позволяет обеспечить жесткость системы при вакуумной откачке и после ее окончательной сборки, т.е. в процессе эксплуатации.

Система охлаждения электродов 8 выполнена следующим образом. При использовании коаксиальных труб водяного охлаждения и внутренней трубы, изготовленной из неэлектропроводящего материала, например, модифицированный полиэтилен, полиуретан, подача холодной воды производится по трубке 14, вставленной в канал в электроде. Этот канал не доходит до конца электрода на 5 - 10 мм, а сама трубка короче канала на 10 мм. Вода, поступающая в трубку 14, течет в обратном направлении по трубке 13, также установленной в канале в электроде и закрытой с торца. Сечение канала может быть цилиндрической или прямоугольной (или другой) формы. Разделение потоков холодной и теплой воды и объединение охлаждающих устройств двух электродов в систему 12 осуществляется снаружи, с использованием стандартных средств уплотнения трубок.

Такая схема охлаждения позволяет выполнить во фланце 8, например, сверлением, для лазерной системы из двух электродов два отверстия вместо четырех и иметь при этом лишь два сварных шва. Это уменьшает габариты фланца корпуса и снижает риск появления неконтролируемого натекания в рабочий объем и сокращение ресурса отпаянного лазера. Выполнение коаксиальной системы ввода-вывода охладителя сокращает вдвое количество стыков изолятор-металл внутри лазерного объема, что повышает долговечность прибора, упрощает и удешевляет конструкцию. В каждом электроде нужно выполнить лишь один продольный канал для воды, что сокращает трудоемкость изготовления прибора в целом. Выполняя трубки из меди, материала с высокой теплопроводностью, и расположив охлаждаемую систему вдоль продольной оси электрода, получим при вложенной мощности ВЧ-генератора возбуждения порядка 1 кВт и расходе воды 2 л/мин перепад температур на поверхности электрода менее 5^oC.

Расположение трубок подвода-отвода воды с целью уменьшения механических напряжений, обусловленных градиентом температуры, как это выполнено в известном устройстве, приводит к появлению нежелательных резонансов вблизи рабочей частоты лазера, что может привести к потерям ВЧ-энергии или ухудшению надежности системы в целом или к другим затратам ресурсов на преодоление этих негативных явлений.

Коаксиальная система подвода хладагента (воды) характеризуется жесткостью, имеет хорошее механическое демпфирование (малую добротность), что уменьшает вероятность механических резонансов элементов лазера, работающих в частотно-импульсном режиме, увеличивает надежность конструкции. Монтаж всех элементов на одном торцевом фланце, однонаправленность теплового потока упрощает сборку лазера, уменьшает тепловой разброс и неопределенность тепловых ходов элементов конструкции.

Оптический тракт с устройством стабилизации выходной мощности лазерного излучения выполнен следующим образом.

Узел стабилизации предназначен для уменьшения сравнительно быстрых изменений величины выходной мощности излучения, связанных с физическими процессами генерации излучения, и одновременно компенсации долговременного снижения мощности на выходе, связанного с медленным изменением состава газовой смеси и лазере и деградацией коэффициента отражения зеркал лазерного резонатора.

Быстрые колебания выходной мощности излучения (флуктуации) имеют характерное время от десятков секунд до десятков минут. Величина колебаний амплитуды выходной мощности излучения щелевых лазеров, как правило, находится в диапазоне ± 10%. Деградация активной среды и оптических элементов щелевых лазеров со средней мощностью 100 - 200 Вт приводит к характерному времени их жизни порядка 2 - 5 тыс.часов.

Предлагаемый узел стабилизации выходной мощности лазерного излучения щелевого лазера обеспечивает снижение колебаний выходной мощности до уровня не более 1% от среднего.

Принцип действия устройства стабилизации средней мощности выходного излучения основан на организации оптикоэлектронной обратной связи, которая нормализует уровень выходной средней мощности излучения лазера управлением мощности ВЧ-накачки, возбуждающей активную среду лазера.

Оптическая часть обратной связи осуществляется с помощью специального оптического элемента - дифракционного ответвителя 22, который представляет собой плоское поворотное зеркало с выполненной на нем дифракционной решеткой, имеющей специальный профиль дифракционной структуры на оптической поверхности, которая позволяет передать в нулевом порядке дифракции основную часть выходной мощности излучения (около 98%) по целевому назначению, а за счет ответвления малой калиброванной части выходного излучения (около 0,1% мощности) в один из порядков дифракции организовать как измерение средней выходной мощности лазера, так и обратную связь оптикоэлектронного управления блоками питания, ВЧ-щелевого лазера, влияющую на возбуждение активной среды.

Отделенная дифракционным ответвителем 22 (фиг. 2) от основного пучка, малая часть излучения лазера попадает на фотоприемное устройство - датчик уровня средней мощности излучения 24. Электрический сигнал от фотоприемника усиливается электронным блоком (на фиг. 2 не показан) и отображается индикатором уровня выходной мощности излучения 32, что удобно использовать для настройки и юстировки лазера или регулирования уровня его выходной мощности. Тот же сигнал подается с выхода датчика 24 через усилитель 26 и блок управления 27 на ВЧ-источник питания лазера - генератор 25, так, что при снижении уровня средней мощности излучения лазера блок управления 27 повышает мощности ВЧ-накачки лазера и тем самым устраняет снижение средней мощности излучения.

И наоборот, при повышении уровня средней мощности выходного излучения блок управления 27, получив сигнал об этом от датчика 24, снижает уровень мощности ВЧ-накачки лазера и тем самым препятствует повышению средней мощности излучения.

Датчик 24 может быть выполнен в виде приемника теплового излучения - терморезистора.

Требуемый на практике простой, дешевый и одновременно достаточно точный и надежный прибор со стабилизацией выходной мощности и нечувствительный к внешним воздействиям может быть реализован при соответствии дифракционного ответвителя следующим требованиями: - обеспечивать при уровне средней мощности излучения в диапазоне 100 - 200 Вт коэффициент ответвления в один из порядков дифракции, например, в минус первый, не менее 0,1% от выходной мощности лазера, что обеспечивает надежность и помехоустойчивость от изменения температуры среды и электрических наводок от мощного (1-2 кВт) ВЧ-блока питания лазера; - обеспечивать минимальное снижение уровня средней мощности, идущей по целевому назначению (нулевой порядок дифракции), при ответвлении в измерительный канал датчика 24 заданного уровня мощности для обратной связи. Приемлемой величиной потерь излучения на дифракционном ответвителе по сравнению с поворотным зеркалом, функцию которого он также выполняет в заявляемом устройстве, можно считать 0,1% мощности. Т.к. поворотное зеркало имеет коэффициент отражения порядка 99% на длине волны λ = 10,6 мкм, то для дифракционного ответвителя допустимо иметь коэффициент отражения в нулевой порядок дифракции примерно 98% от выходной мощности лазера; - обеспечивать достаточную лучевую прочность дифракционной структуры в аспекте отсутствия временной деградации коэффициента ответвления; - быть достаточно технологичным в изготовлении при низкой стоимости.

Дифракционный ответвитель 22 оптически связан также с линзой 23 для коррекции расходимости пучка лазерного излучения на выходе из кожуха 31 по одной координате. Линза 23 выполнена цилиндрической и установлена так, чтобы ее задний фокус в вертикальной плоскости совпадал с плоскостью выходного излучения из щелевого зазора между электродами 2, 3. В частном случае, при использовании цилиндрической линзы с фокусным расстоянием 615 мм апертура выходного излучения имеет вид квадрата со стороной 9 мм, что согласуется с апертурами приборов проекционной оптики (объективы, телескопы), используемых в технологических целях для лазеров данного типа.

Дифракционный ответвитель 22 устанавливается в оптическую систему поворота выходного излучения в качестве второго поворотного зеркала. Заштрихованная зона размещается в центральной части поворотного металлического зеркала в соответствии с апертурой падающего на ответвитель излучения. При световой апертуре дифракционного ответвителя 12 х 4 мм² размер апертуры падающего на него излучения составляет 8 х 3 мм². Угол падения излучения на дифракционный ответвитель составляет 45^o. Штрихи дифракционного ответвителя ориентированы в направлении минимального размера заштрихованной апертуры и имеют длину 4 мм, а сам дифракционный ответвитель 22 размещен с ориентацией штрихов в вертикальной плоскости, с соблюдением условия ортогональности вектора линейно-поляризованного выходного излучения штрихами ответвителя. При этом условии дифракционная эффективность ответвителя в минус первом порядке дифракции, при ответвлении 0,1% выходной мощности, оказывается вдвое выше при заданном отражении в нулевой порядок дифракции (около 98% мощности), чем в случае параллельности вектора поляризации штрихами.

Предложенное размещение дифракционного ответвителя, заданная плотность его штрихов и их ориентация приводят к тому, что минус первый порядок дифракции лежит в плоскости хода лучей в поворотном устройстве и на 17^o отстоит от падающего излучения (угол падения излучения на дифракционный ответвитель Ψ = 45^o, а угол дифракции в минус первом порядке ϕ_-1= 62^o). Это позволяет наиболее компактно разместить датчик уровня средней мощности излучения 24, выполненной, в частности, в виде фотоприемника, в тени за поворотным зеркалом 21, что обеспечивает защиту от рассеянного лазерного излучения и излучения в крыльях диаграммы направленности.

При длине волны излучения λ = 10,6 мкм для получения угла дифракции в минус первом порядка ϕ_-1= 62^o необходим период дифракционной структуры ответвителя 22 Д = 10 мкм, что в общем случае определяется по формуле sinϕ_-1= -sinΨ+Kλ/Д (1) где K - номер порядка дифракции.

Схема дифракции на профиле дифракционного ответвителя представлена на фиг. 3. Указанные углы падения и дифракции при заданной плотности штрихов (порядка 100 штрихов/мм) определяют оптимальные углы треугольного профиля дифракционной структуры для получения максимальной дифракции эффективности в минус первом порядке дифракции. Так, рабочая грань штриха должна иметь угол "блеска" к касательной к оптической поверхности решетки γ = 53,5°= (ϕ+ϕ_-1)/2, для того, чтобы зеркальное отражение от нее ("блеск") совпадало с направлением дифракции в минус первый порядок ϕ_-1. Вторая грань треугольного профиля имеет угол α = 28^o для того, чтобы не затенять рабочую грань штриха.

Период структуры Д = 10 мкм определяет максимальную эффективность для нулевого порядка дифракции P₀ = 98% на волне 10,6 мкм. При такой плотности штрихов, согласно формуле (1), отсутствуют иные порядки дифракции, кроме нулевого и минус первого. Эффективность нулевого порядка для дифракционного профиля с зеркальными гранями между штрихами (фиг. 3) определяется из соотношения P₀ = 1 -(B/D)² (2)
где
B - ширина дифракционного штриха, D - период дифракционной структуры.

Соотношение (2) дает достаточно точное значение P₀ при условии, что размеры B и D много больше длины волны излучения. В описываемом примере конкретного выполнения B/D = 0,1 и P₀ = 81%. Эффективность дифракции при размерах штрихов много меньше длины волны падает. Формула (2) неточна, поэтому для обеспечения максимальной эффективности в нулевом порядке дифракции ширина дифракционного штриха подбирается экспериментально, и для λ =10,6 мкм и обеспечения P₀ = 98% отношение B/D должно равняться 0,08.

Таким образом, заявляемый газовый лазер щелевого типа обеспечивает получение стабильной выходной мощности ВЧ-генератора, связанной с изменениями светового потока в лазере.

Предложенный лазер расширяет арсенал технических средств данного назначения, отличаясь уменьшенными габаритами, высокой стабильностью светового потока, уменьшением тепловых нагрузок и удобством в эксплуатации и настройке.

Формула изобретения

1. Газовый лазер, имеющий лазерную головку, включающую цилиндрический корпус, первый и второй плоские электроды, размещенные в корпусе с образованием разрядного промежутка прямоугольного сечения, совмещенного с оптическим каналом резонатора, канал подвода высокочастотной мощности к разрядному промежутку, соединенный с первым электродом, причем второй электрод заземлен, катушки индуктивности, присоединенные каждая к первому и второму электродам, проточную систему охлаждения, оптическую схему с зеркалами, снабженными защитными экранами, отличающийся тем, что он снабжен внешним для лазерной головки кожухом с окном для вывода лазерного излучения, канал подвода высокочастотной мощности размещен внутри цилиндрического корпуса параллельно электродам и снабжен согласующим устройством индуктивного типа, которое присоединено к первому электроду в точках, симметричных относительно его центра, а ввод упомянутого канала размещен на торце корпуса, система охлаждения выполнена в виде коаксиальных трубок, внешняя из которых является сливом и закрыта с одного конца, а внутренняя является вводом хладагента и не замкнута, при этом каждая пара трубок размещена на внешней по отношению к разрядному промежутку поверхности электродов с обеспечением теплового контакта, а трубка ввода хладагента выполнена из неэлектропроводящего материала, оптическая схема снабжена размещенным в кожухе устройством стабилизации средней мощности выходного излучения, включающим установленное последовательно с оптическим каналом резонатора лазера первое поворотное зеркало и второе поворотное зеркало, выполненное в виде дифракционного ответвителя, который оптически связан с линзой для коррекции расходимости пучка лазерного излучения на выходе из кожуха и датчиком уровня средней мощности выходного излучения, имеющим выход для подключения к источнику высокочастотной мощности, подводимой к разрядному промежутку.

2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что электроды снабжены упорными керамическими прокладками, размещенными на их концах, которые имеют вырез в форме прямоугольной щели, размеры которой превышают размер сечения оптического канала.

3. Лазер по п.1, отличающийся тем, что электроды соединены механически с согласующим устройством, закрепленным на торце корпуса.

4. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что система охлаждения выполнена электрически изолированной посредством керамической вставки, соединенной с внешней трубкой-сливом.

5. Лазер по п.1, отличающийся тем, что датчик уровня средней мощности выходного излучения выполнен в виде фотоприемника, в том числе приемника теплового излучения.

6. Лазер по пп.1 и 5, отличающийся тем, что фотоприемник установлен в зоне тени первого поворотного зеркала.

7. Лазер по пп.1 и 6, отличающийся тем, что дифракционный ответвитель выполнен так, что нулевой порядок дифракции пучка излучения направлен по оси выходного излучения лазера, а минус первый порядок дифракции пучка направлен на фотоприемник.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3