Оптический элемент лазерного резонатора

 

Изобретение относится к лазерной технологии, более конкретно к лазерным резонаторам. Он представляет собой отражательный дифракционный элемент, который может использоваться в качестве глухого зеркала в резонаторе лазера. Оптический элемент лазерного резонатора имеет высокую селективность к радиально поляризованному излучению. Рабочая поверхность элемента разделена на сектора с вершинами на оси резонатора, в каждом секторе штрихи сформированы отрезками прямых, параллельных биссектрисе угла сектора. Технический результат изобретения: использование в лазере при обработке металлов позволяет увеличить параметры резки металла (толщину обрабатываемого металла или скорость резки). 1 ил.

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.

Недостатком такого элемента является то, что он не обладает селективностью по поляризации излучения, т.е. коэффициент отражения излучения любой поляризации от его поверхности одинаков. Лазерное излучение, выходящее из резонатора, содержащего только элементы, не обладающие селективностью по поляризации, имеет случайную, неконтролируемую поляризацию. В то же время известно, что поляризация излучения влияет на параметры лазерной обработки металлов [2]. При использовании такого излучения для лазерной обработки металлов (резке, сварке, пробивке отверстий) коэффициент поглощения излучения на стенках канала К_K равен среднему арифметическому от коэффициентов поглощения S- и P-волн К_K = (K_S + К_P)/2 (P и S-волны отличаются ориентацией вектора электрического поля по отношению к плоскости падения излучения на поверхность [3] ). При больших углах падения коэффициенты поглощения для P и S-волн сильно отличаются, так что К_K≈0,5К_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.

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.

Недостатком этого элемента является то, что при его установке в резонатор, поляризация лазерного излучения оказывается линейной, с направлением вектора электрического поля одинаковым во всех точках поперечного сечения лазерного луча. 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 Е, параметры реза (глубина, ширина, форма) зависят от направления движения луча, что недопустимо для многих применений.

Техническая задача изобретения - создание оптического элемента лазерного резонатора, имеющего высокую селективность к радиально поляризованному излучению.

Указанная задача достигается тем, что в известном элементе, выполненном в виде отражательного дифракционного элемента, рабочая поверхность разделена на сектора с вершинами на оси резонатора, в каждом секторе штрихи сформированы отрезками прямых, параллельных биссектрисе угла сектора.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежом. Оптический элемент лазерного резонатора выполнен в виде отражательного дифракционного элемента, селективного по поляризации. Рабочая поверхность разделена на сектора с вершинами на оси резонатора, в каждом секторе штрихи сформированы отрезками прямых, параллельных биссектрисе угла сектора. Такой элемент резонатора обеспечивает генерацию радиально-поляризованного излучения.

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 TEM₀₁ оказывается радиально поляризованным, поскольку именно такая поляризация имеет минимальные внутрирезонаторные потери.

Поверхность оптического элемента разделена на сектора с вершинами на оси резонатора в каждом секторе. Штрихи сформированы отрезками прямых, параллельных биссектрисе угла сектора, что обеспечивает постоянство периода штрихов, а следовательно, одинаковую величину поляризационной селективности на всей поверхности оптического элемента.

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 (толщину обрабатываемого металла или скорость резки) по сравнению с прототипом.

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. М.: Высшая школа, 1988, с. 56-61.

3. Б.М. Яворский, А.А. Детлаф. Справочник по физике. М.,Наука. 1974, с. 587-589.

4. Физическая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия 1988 г. Том 1, стр. 657-660.

5. Справочник по лазерам. /Под ред. акад. А.М. Прохорова. М.: Сов. радио, 1978, т. 2, с.21.

Формула изобретения

Оптический элемент лазерного резонатора, выполненный в виде отражательного дифракционного элемента, отличающийся тем, что рабочая поверхность элемента разделена на сектора с вершинами на оси резонатора, в каждом секторе штрихи сформированы отрезками прямых, параллельных биссектрисе угла сектора.

РИСУНКИ

Рисунок 1