Оптический элемент лазерного резонатора

 

Изобретение относится к области лазерной технологии, более конкретно к лазерным резонаторам. Оптический элемент имеет высокий коэффициент отражения и селективность к радиально поляризованному излучению и представляет собой отражательный дифракционный элемент, который может использоваться в качестве глухого зеркала в резонаторе лазера. Штрихи отражательного дифракционного элемента нанесены на рабочей поверхности вдоль линий, пересекающихся на оси резонатора. При лазерной обработке металлов (резке, сварке, пробивке отверстий) радиальная поляризация излучения является наиболее эффективной по сравнению с другими типами поляризации, т.к. для радиально поляризованного луча коэффициент поглощения имеет максимально возможную величину, соответствующую поглощению Р-волны на всей обрабатываемой поверхности: как на фронте, так и на стенках. Технический результат состоит в увеличении в 1,5-2 раза параметров резки (при обработке металлов) по сравнению с прототипом (скорости резки или толщины обрабатываемого материала при прочных равных условиях). 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области лазерной оптики, более конкретно к лазерным резонаторам.

Известен оптический элемент в составе резонатора лазера [1]. Он имеет хорошо отполированную поверхность, высокий коэффициент отражения и используется в качестве глухого или поворотного зеркал.

Такой элемент не обладает селективностью по поляризации излучения, т.е. коэффициент отражения излучения любой поляризации от его поверхности одинаков. Однако состояние поляризации излучения существенно влияет на параметры лазерной обработки [2]. Лазерное излучение, выходящее из резонатора, содержащего только элементы, не обладающие селективностью по поляризации, имеет случайную, неконтролируемую поляризацию. При использовании такого излучения для лазерной обработки металлов (резке, сварке, пробивке отверстий) коэффициент поглощения излучения на стенках канала K_K равен среднему арифметическому от коэффициентов поглощения S- и P-волн К_K=(K_s+K_p)/2. При больших углах падения коэффициенты поглощения для P и S-волн сильно отличаются K_p >> K_s так, что K_K ≈ 0.5 K_p. Потенциальные возможности поглощения лазерного излучения, заложенные в механизме поглощения P-волны не реализуются. Другим серьезным недостатком является то, что случайное, неконтролируемое состояние поляризации приводит к большой нестабильности параметров и качества обработки.

Известно устройство для получения радиально поляризованного излучения [3]. Для этого в резонаторе установлено коническое брюстеровское окно. Такое техническое решение имеет ряд недостатков. Одним из них является сложная форма конического брюстеровского окна. В наиболее широко распространенных технологических лазерах на углекислом газе для изготовления проходных оптических элементов используют кристаллические материалы: селенид цинка, хлористый натрий. Изготовление конуса требует заготовок большого размера, сложной технологии изготовления. Проходные элементы имеют меньшую лучевую стойкость, чем отражательные, и их установка внутрь резонатора ограничивает предельную мощность лазера. Излучение, отраженное от внутренней поверхности конуса при падении на нее со стороны основания конуса, фокусируется внутри конуса, что может приводить к его лучевому повреждению при высокой мощности лазера.

Известен другой оптический элемент лазерного резонатора [4], (прототип). Он выполнен в виде линейной металлической дифракционной решетки. Штрихи решетки нанесены вдоль прямых линий, параллельных друг другу.

Достоинством такого элемента является то, что он обладает селективностью по поляризации излучения, т.е. коэффициент отражения излучения для поляризации с колебаниями вектора электрического поля вдоль штрихов решетки отличается от коэффициента отражения излучения для поляризации с колебаниями вектора электрического поля поперек штрихов решетки. Лазерное излучение, выходящее из резонатора, содержащего такой элемент, имеет стабильную, контролируемую поляризацию, имеющую меньшие внутрирезонаторные потери.

Одним из недостатков этого элемента является то, что при его установке в резонатор, поляризация лазерного излучения оказывается линейной. Такое излучение используют для резки и сварки металлов. Однако при любом положении вектора скорости движения луча по отношению к плоскости колебаний вектора E, резка оказывается неэффективной, т.к. лишь небольшая доля излучения поглощается и идет на разрушение материала.

В случае, когда вектор скорости движения луча перпендикулярен плоскости колебаний вектора E, коэффициент поглощения излучения на переднем фронте реза мал (соответствует поглощению S-волны).

В случае, когда вектор скорости движения луча параллелен плоскости колебаний вектора E, коэффициент поглощения излучения на переднем фронте реза велик (соответствует поглощению P-волны), однако, поглощение на боковых стенках канала мало (соответствует поглощению S-волны), их разрушение неэффективно, что препятствует проникновению луча вглубь материала.

Кроме того, при произвольном направлении движения луча по отношению к плоскости колебаний вектора E, параметры реза (глубина, ширина, форма) зависят от направления движения луча, что недопустимо для многих применений.

Другим недостатком является низкая отражательная эффективность данного элемента. При установке линейной дифракционной решетки в качестве одного из зеркал резонатора в автоколлимационном режиме по одному из главных максимумов часть падающей на дифракционную решетку мощности уходит в добавочные или второстепенные максимумы [4], снижающие эффективность дифракционной решетки как отражательного элемента. Эти потери составляют до 10% от падающей на решетку мощности.

Техническая задача изобретения - создание оптического элемента лазерного резонатора, имеющего высокий коэффициент отражения и селективность к радиально поляризованному излучению.

Указанная задача достигается тем, что в известном элементе, выполненном в виде отражательного дифракционного элемента штрихи нанесены на рабочей поверхности элемента вдоль линий, пересекающихся на оси резонатора.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый элемент отличается от известного тем, что штрихи дифракционного элемента нанесены определенным образом, вдоль линий, пересекающихся в центре.

Сравнительный анализ заявляемого технического решения с прототипом позволил установить его соответствие критерию "новизна". При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены, и поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "существенные отличия".

Сущность изобретения иллюстрируется чертежом. Оптический элемент лазерного резонатора выполнен в виде дифракционного элемента, селективного по поляризации [4]. Штрихи нанесены на рабочей поверхности вдоль линий, пересекающихся на оси резонатора. Такой элемент резонатора обеспечивает генерацию радиально поляризованного излучения, при котором плоскость колебаний вектора электрического поля E в любой точке поперечного сечения луча проходит через ось луча.

Элемент работает следующим образом. При использовании предлагаемого элемента в составе лазерного резонатора внутрирезонаторные потери для лазерных мод с разными типами поляризации оказываются различными. Минимальные потери будут для радиально поляризованного излучения. Такой поляризацией, в частности, может обладать мода TEM_01*. Эта мода является суперпозицией двух простых мод TEM₀₁, повернутых друг относительно друга вокруг оси резонатора на 90^o [5] . Сложение этих мод дает кольцеобразное распределение интенсивности излучения.

При установке в резонатор предлагаемого оптического элемента моды TEM₀₁ имеют взаимно перпендикулярную линейную поляризацию. Кольцеобразное излучение моды TEM_01* оказывается радиально поляризованным [4], поскольку именно такая поляризация имеет минимальные внутрирезонаторные потери.

Предлагаемый элемент обладает уникальной особенностью в случае падения на него осесимметричного излучения под углом ноль градусов. В этом случае все падающее излучение зеркально отражается от поверхности. Из-за полной симметрии добавочные или второстепенные максимумы отражения отсутствуют, а значит нет потерь, связанных с ними. Поэтому такой элемент может эффективно использоваться в качестве глухого зеркала лазерного резонатора.

При использовании излучения с радиальной поляризацией для лазерной обработки металлов (резке, сварке, пробивке отверстий) поглощение на всех стенках происходит по одному и тому же закону, причем коэффициент поглощения имеет максимально возможную величину, соответствующую поглощению P-волны. Происходит более интенсивное разрушение материала. Луч глубже проникает в материал. Предельные параметры обработки увеличиваются за счет повышения эффективности использования лазерного излучения.

Использование предлагаемого оптического элемента лазерного резонатора в лазере для обработки металлов позволяет увеличить в 1.5-2 раза параметры резки по сравнению с прототипом (скорость резки или толщину обрабатываемого материала при прочих равных условиях).

Источники информации 1. Технологические лазеры. Справочник. /Под ред. Г.А.Абильсиитова. М.: Машиностроение, 1991, т. 2, с. 272.

2. А.Г.Григорьянц, А.А.Соколов Лазерная резка металлов. Книга 7 из серии "Лазерная техника и технология" /Под ред. А.Г.Григорьянца. М.: Высшая школа, 1988, с. 56-61.

3. Chen-Ching Shih, Palos Verdes Estates, Calif "Radial Polarization Laser Resonator" United States Patent #5,359,622, Oct. 25, 1994.

4. Физическая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1988, том 1, с. 658.

5. Ананьев Ю.А. Оптические резонаторы и лазерные пучки. М.: Наука, 1990, с. 110.

Формула изобретения

Оптический элемент лазерного резонатора, выполненный в виде отражательного дифракционного элемента, отличающийся тем, что штрихи нанесены на рабочей поверхности элемента вдоль линий, пересекающихся на оси резонатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1