Газовый лазер

 

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании волноводных двухканальных со складным П-образным резонатором газовых лазеров. Лазер содержит размещенное на торцевой стенке лазера устройство юстировки комбинированного зеркала, на половину внутренней поверхности которого нанесено светоделительное покрытие, а на вторую высокоотражающее покрытие. Устройство юстировки выполнено из внешней части, содержащей полую втулку, состоящую из последовательно расположенных фланца с котировочными винтами, участка с деформируемой шейкой и участка закрепления на торцевой стенке, и внутренней части, состоящей из размещенного на полом цилиндре основания, на котором закреплена оправка с комбинированным зеркалом. Внешняя и внутренняя части устройства юстировки соединены полым цилиндром, ось которого смещена относительно оси лазера и имеет радиатор с гибкими пластинами, которые имеют контакт с корпусом лазера. Часть зеркала с высокоотражающим покрытием расположена напротив первого разрядного канала лазера, а другая половина зеркала со светоделительным покрытием расположена напротив второго разрядного канала с одной стороны, а с другой напротив полого цилиндра. Обеспечено повышение мощности излучения. 5 ил.

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании волноводных двухканальных со складным П-образным резонатором газовых лазеров с повышенной мощностью излучения.

Известен газовый лазер, включающий размещенное на торце устройство для юстировки зеркала резонатора лазера, состоящее из последовательно расположенных частей: цилиндрической, несущей зеркало, предохраняющей шейки, цилиндрической юстировочной, деформируемой шейки и участка крепления, и трех юстировочных винтов, расположенных под углом 120° относительно друг друга, закрепленных в цилиндрическом буртике и радиально упирающихся в цилиндрическую юстировочную часть (см. патент США 4856020, кл. H 01 S 3/086, опубл. 08.08.89 г.).

Недостатком известного газового лазера является то, что при размещении на одном торце волноводного двухканального лазера со складным резонатором двух известных устройств юстировки первого и второго зеркал резонатора, невозможно получить высокую мощность, так как наличие цилиндрических буртиков с радиально расположенными винтами не даст близко расположить разрядные каналы, что приведет к увеличению пассивной части резонатора лазера между поворотными зеркалами, а это увеличит энергетические потери излучения внутри резонатора волноводного лазера, и кроме того, значительное расстояние (из-за наличия нескольких шеек) между первым зеркалом первого устройства юстировки и торцом первого разрядного канала и, соответственно, между вторым зеркалом второго известного устройства и торцом второго разрядного канала также увеличит пассивную часть резонатора, что приведет к дополнительным энергетическим потерям излучения внутри резонатора волноводного лазера со складным резонатором.

Известен газовый лазер, включающий устройство для юстировки зеркал резонатора, содержащее размещенную на торце разрядного канала металлическую втулку с зеркалом.

Втулка имеет деформируемую шейку с толщиной стенки меньше, чем толщина стенки остальной части втулки. Регулировка деформируемой шейки осуществляется с помощью юстировочного механизма (см. пат. ФРГ № 2007939, кл. 21 g 53/02, опубл. 18.04.74 г.).

Недостатком известной конструкции является то, что при размещении на одном торце волноводного двухканального лазера со складным резонатором двух известных устройств юстировки первого и второго зеркал не позволит получить высокую мощность излучения лазера в силу того, что:

между первым и вторым известными устройствами юстировки должен быть зазор для размещения в процессе изготовления лазера оправок для юстировки первого и второго зеркал резонатора. Это приведет к увеличению расстояния между разрядными каналами и, соответственно, увеличению пассивной части резонатора между поворотными зеркалами, что увеличит энергетические потери излучения внутри резонатора волноводного лазера;

конструктивно первое и второе зеркало будут удалены от торцов первого и второго разрядного канала, соответственно, на значительные расстояния из-за конкретной длины втулки с деформируемой шейкой и толщины торцевого фланца. Это увеличит пассивную часть резонатора волноводного лазера и, соответственно, увеличит энергетические потери излучения внутри резонатора.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является газовый лазер, содержащий размещенное на торце лазера устройство юстировки зеркала резонатора, включающее полую втулку, состоящую из последовательно расположенных: фланца с юстировочными винтами, участка с деформируемой шейкой, образованной двумя внутренними проточками большего диаметра, чем диаметр шейки, составляющих внешнюю часть устройства юстировки и участка крепления на торце. Юстировочные винты расположены равномерно относительно оси держателя под углами 120° друг относительно друга в сквозных резьбовых отверстиях фланца устройства юстировки (см. пат. США № 4638486, кл. H 01 S 3/08), опубл.87г.) - прототип.

Недостатком известного лазера является то, что при использовании его устройства юстировки зеркал резонатора в волноводном двухканальном лазере со складным П-образным резонатором нельзя получить высокий уровень мощности излучения. Это связано с тем, что при размещении на торце лазера первого устройства юстировки первого зеркала и второго устройства юстировки второго зеркала их межосевое расстояние и, соответственно, межосевое расстояние разрядных каналов будет удалено вследствие наличия внутренних проточек большего диаметра на первом и, соответственно, на втором устройствах юстировки зеркал. Наличие у первого и второго устройств юстировки зеркал винтов, расположенных под углом 120°, также будет способствовать разнесению первого и второго зеркал относительно друг друга и, соответственно, разрядных каналов. Это увеличит пассивную часть резонатора между поворотными зеркалами и, соответственно, увеличит энергетические потери излучения внутри резонатора волноводного лазера со складным резонатором.

Таким образом, удаление волноводных разрядных каналов друг от друга при расположении известного устройства юстировки для первого зеркала и известного устройства юстировки для второго зеркала на одном торце волноводного двухканального лазера со складным П-образным резонатором соответственно увеличит расстояние между поворотными зеркалами. В результате излучение на выходе из одного волноводного канала (аналогично для другого), имея расходимость, пройдя протяженную часть резонатора между поворотными зеркалами, может разойтись и поступить в другой волноводный канал в объеме, недостаточном для поддержания усиления в плазме газового разряда. При этом возникают, так называемые, энергетические потери излучения внутри резонатора. Это справедливо и для первого, и для второго зеркал. Чем дальше удалены первое и второе зеркала, соответственно, от торца первого и второго разрядных каналов, тем больше энергетические потери излучения внутри резонатора, связанные с расходимостью излучения и тем меньше выходная мощность излучения лазера.

Задачей данного изобретения является создание волноводного двухканального газового лазера с П-образным резонатором, обеспечивающего высокий уровень мощности лазерного излучения.

Технический результат может быть получен за счет сближения осей волноводных разрядных каналов и приближения юстируемого комбинированного зеркала резонатора к торцам каналов в волноводном лазере со складным П-образным резонатором. Это позволит уменьшить пассивную часть резонатора, тем самым уменьшить энергетические потери излучения внутри резонатора, увеличив при этом мощность излучения лазера.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном газовом лазере, содержащем юстируемое зеркало, устройство юстировки, размещенное на торцевой стенке, расположенной на корпусе лазера и включающее полую втулку, состоящую из последовательно расположенных фланца с юстировочными винтами, участка с деформируемой шейкой, составляющих внешнюю часть устройства юстировки, и участка крепления, во фланце закреплен полый цилиндр, который с деформируемой шейкой и участком крепления имеет зазор, обеспечивающий перемещение полого цилиндра с размещенной на нем внутренней частью устройства юстировки, расположенной коаксиально корпусу лазера и выполненной в виде основания с отверстием, в котором установлен торец полого цилиндра, оправки с юстируемым комбинированным зеркалом, закрепленной на основании, и зафиксированного на оправке радиатора с гибкими пластинами, установленными в контакте с внутренней цилиндрической поверхностью корпуса лазера, при этом половина поверхности юстируемого комбинированного зеркала с высокоотражающим лазерное излучение покрытием расположена напротив первого разрядного канала лазера, другая половина поверхности зеркала со светоделительным покрытием расположена напротив второго разрядного канала с одной стороны, а с другой стороны напротив полого цилиндра устройства юстировки, ось которого смещена относительно оси лазера.

На торцевой стенке двухканального лазера со складным П-образным резонатором устанавливается одно устройство юстировки зеркала, резонатора, причем функцию светоделительного и высокоотражающего выполняет комбинированное зеркало, подложка которого изготовлена из материала, прозрачного для генерации в заданной области длин волн.

Изготовление комбинированного зеркала так, что половина поверхности зеркала выполнена с высокоотражающим лазерное излучение покрытием и расположена напротив первого разрядного канала лазера, а другая половина поверхности комбинированного зеркала выполнена со светоделительным (полупрозрачным) для лазерного излучения покрытием и расположена напротив второго разрядного канала, позволило сблизить волноводные разрядные каналы складного резонатора лазера на минимально возможное расстояние, т.к. светоделительное и высокоотражающее покрытия, расположенные на единой подложке и выполненные из разных материалов, разделяет переходная зона шириной всего 0,3-0,4 мм.

По существу, в данном случае межосевое расстояние разрядных каналов будет определяться конструкцией и технологией изготовления перегородки между разрядными каналами. Таким образом, использование комбинированного зеркала позволит сблизить разрядные каналы на минимально возможное расстояние, тем самым уменьшить пассивную часть резонатора между поворотными зеркалами и, соответственно, увеличить выходную мощность лазерного излучения. Устройство юстировки выполнено из внутренней и внешней частей, соединенных между собой полым цилиндром. Внешняя часть устройства юстировки включает полую втулку с юстировочными винтами, а также участок с деформируемой шейкой, участок крепления на торце лазера, оба участка имеют с полым цилиндром зазор, обеспечивающий в процессе юстировки комбинированного зеркала перемещение полого цилиндра с размещенной на нем внутренней частью устройства юстировки, расположенной коаксиально корпусу лазера и включающей основание с отверстием, в котором расположен торец полого цилиндра, оправку с комбинированным зеркалом, закрепленную на основании, а расположение светоделительного (полупрозрачного) для лазерного излучения покрытия комбинированного зеркала напротив полого цилиндра, позволило расположить комбинированное зеркало внутри корпуса лазера непосредственно вблизи разрядных каналов и симметрично относительно оси лазера.

Таким образом, размещение комбинированного зеркала в непосредственной близости от торцов разрядных волноводных каналов позволило уменьшить пассивную часть резонатора между торцом первого разрядного канала и высокоотражающим покрытием зеркала и торцом второго разрядного канала и светоделительным покрытием зеркала, и тем самым позволило уменьшить энергетические потери, связанные с расходимостью излучения и, соответственно, увеличить выходную мощность лазерного излучения.

Комбинированное зеркало находится внутри оболочки лазера и без дополнительного отвода тепла температура зеркала в процессе работы может подняться до уровня, при котором может произойти деградация покрытий и, соответственно, снижение уровня мощности лазерного излучения в процессе эксплуатации.

Поэтому размещение радиатора с гибкими пластинами на оправке зеркала в контакте с внутренней цилиндрической поверхностью корпуса лазера позволило отвести с помощью гибких пластин радиатора тепловую энергию, выделяемую на комбинированном зеркале, на корпус лазера.

Размещение на полом цилиндре внутренней части устройства юстировки, расположенной коаксиально корпусу лазера и выполненной в виде основания с отверстием, в котором установлен торец полого цилиндра, оправки с комбинированным зеркалом, закрепленной на основании, позволило симметрично расположить радиатор с гибкими пластинами относительно корпуса лазера, что обеспечивает контакт каждой гибкой пластины и, соответственно, передачу тепла от комбинированного зеркала на корпус лазера, а также равномерное усилие каждой пластины, передаваемое на внутреннюю часть устройства юстировки, что исключает возможность несимметричного воздействия радиатора и, соответственно, разъюстировку комбинированного зеркала и снижение мощности излучения.

Смещение оси полого цилиндра относительно оси лазера позволило выполнить деформируемую шейку небольшого диаметра, т.к. с увеличением диаметра шейки увеличивается жесткость шейки и пропорционально возрастают усилия, которые надо прикладывать к юстировочным винтам. Поэтому для исключения заклинивания юстировочных винтов необходимо увеличивать диаметр юстировочных винтов, шаг резьбы, выполнение головки под болт и т.д. При этом уменьшается точность юстировки зеркала и увеличивается вероятность разгерметизации шейки.

Таким образом, предлагаемое выполнение газового лазера с устройством юстировки зеркала волноводного лазера с П-образным резонатором позволит уменьшить расстояние между волноводными разрядными каналами и расстояние между комбинированным зеркалом и торцом первого и второго волноводных разрядных каналов, что приведет к увеличению мощности излучения за счет уменьшения пассивной части резонатора и, соответственно, снижению энергетических потерь.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения. Следовательно заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня был проведен дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, т.к. не выявлены технические решения, в которых была бы повышена выходная мощность волноводного, двухканального, со складным П-образным резонатором лазера за счет снижения энергетических потерь излучения внутри резонатора, которое обеспечивается путем максимального приближения комбинированного зеркала резонатора к торцам волноводных каналов и сближения их осей.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

На фиг.1 изображен волноводный двухканальных лазер со складным П-образным резонатором в разрезе.

На фиг.2 показан торец волноводного лазера.

На фиг.3(а) показано устройство юстировки зеркала резонатора в увеличенном виде перед установкой его в корпус лазера.

На фиг.3(б) показан увеличенный вид корпуса лазера в разрезе.

На фиг.4 изображены в увеличенном виде комбинированное зеркало в оправке и радиатор с гибкими пластинами.

На фиг.5 показан ход оптического излучения из одного волноводного канала в другой через систему поворотных зеркал для двух случаев:

а) волноводные разрядные каналы удалены на значительное расстояние;

б) волноводные разрядные каналы расположены в максимальной близости друг от друга.

Газовый лазер включает устройство юстировки зеркала резонатора лазера, которое состоит из внутренней и внешней частей, расположенных относительно торцевой стенки 1 лазера. Внешняя часть устройства юстировки включает полую втулку, состоящую из последовательно расположенных фланца 2, в котором расположены три юстировочных винта 3, упирающихся в торцевую стенку 1, участка с деформируемой шейкой 4, участка закрепления 5 на торцевой стенке 1 лазера. Внутренняя часть устройства юстировки состоит из основания 6 с отверстием 7, оправки 8, на которой расположено комбинированное зеркало 9, радиатора 10 с гибкими пластинами 11 и кольца 12, которое служит для фиксации радиатора 10. Фланец 2 внешней части устройства юстировки соединен полым цилиндром 13 с основанием 6 внутренней части устройства. Шейка 4 и участок закрепления 5 имеют зазор 14 с полым цилиндром 13. На половине внутренней поверхности комбинированного зеркала 9 нанесено высокоотражающее покрытие 15, а на другой половине - светоделительное покрытие 16.

Устройство юстировки комбинированного зеркала расположено в корпусе лазера 17. С другой стороны корпуса 17 расположен узел с поворотными зеркалами, состоящий из торцевой стенки 18 и поворотных зеркал 19, 20. Волноводные разрядные каналы 21, 22 сформированы электродами 23, 24, 25 и двумя керамическими пластинами (не указаны).

Торцевые стенки 1, 18 герметично расположены на корпусе лазера 17, в котором содержится запас рабочего газа.

На фиг.5 показан путь прохождения оптического излучения из одного волноводного разрядного канала 22 в другой 21 через систему поворотных зеркал 20, 19 для двух случаев:

а) каналы удалены;

б) каналы максимально приближены.

Заштрихованная часть "γ" - та часть оптического излучения, которая не попадет в волноводный разрядный канал 21 и которая определяет энергетические потери оптического излучения при его проходе между поворотными зеркалами 20, 19.

Устройство работает следующим образом. Собирается устройство юстировки зеркала резонатора, для чего на торцевой стенке 1 устанавливается внешняя часть устройства юстировки (поз.2, 4, 5 фиг.3а), вкручиваются юстировочные винты 3. Затем во фланце 2 устанавливается полый цилиндр 13 и основание 6.

Далее на основание 6 устанавливаем оправку 8 с загерметизированным заранее комбинированным зеркалом 9. На оправку 8 устанавливается радиатор 10, который фиксируется кольцом 12.

На оптической скамье (без устройства юстировки зеркала) с помощью He-Ne лазеров № 1 и № 2 юстируются поворотные зеркала 19, 20 относительно соответствующих волноводных разрядных каналов 21, 22, расположенных в корпусе лазера.

Затем в корпус лазера (фиг.3б) вставляется собранное устройство юстировки зеркал резонатора (фиг.3а). Конусная часть радиатора 10, образованная гибкими пластинами 11, выполнена больше, чем внутренний диаметр корпуса 17 лазера, что обеспечивает постоянный тепловой контакт гибких пластин с корпусом 17 лазера. С помощью He-Ne лазера № 2, предварительно съюстированного относительно канала 22, юстируют по отраженному лучу He-Ne лазера № 2 комбинированное зеркало 9, вращая юстировочные винты 3.

Далее в лазер напускается газовая смесь, устанавливается измеритель мощности лазерного излучения. В волноводных разрядных каналах зажигается разряд, и юстировочным ключом юстируют на максимальный уровень мощность лазера, равномерно затягивая винты 3. При этом деформируемая шейка 4 за счет пластической деформации позволяет изменять положение полого цилиндра 13 с расположенной на нем внутренней частью устройства юстировки комбинированного зеркала 9, а зазор 14 не ограничивает движение полого цилиндра 13. Пластины 11 радиатора 10 в силу своей гибкости не препятствуют перемещению внутренней части держателя (комбинированного зеркала) в процессе юстировки, а с другой стороны обеспечивают постоянный контакт с внутренней поверхностью корпуса лазера.

Предлагаемый газовый лазер с устройством юстировки зеркала резонатора дает возможность разместить комбинированное зеркало внутри корпуса лазера, а фланец с юстировочными винтами расположить снаружи корпуса лазера. Это позволит:

уменьшить расстояние до минимума между торцами волноводных разрядных каналов и светоделительным и высокоотражающим покрытиями комбинированного зеркала, тем самым уменьшить энергетические потери внутри резонатора и увеличить мощность излучения лазера;

уменьшить до минимума расстояние между волноводными разрядными каналами, тем самым уменьшить пассивную часть резонатора между поворотными зеркалами (фиг.5б) и увеличить выходную мощность лазерного излучения.

Предлагаемое устройство юстировки зеркал резонатора будет использовано в волноводных двухканальных СО₂ лазерах со складным П-образным резонатором LCD-1A, LCD-10A, LCD-15A.

В лазере LCD-1A мощностью излучения 1 Вт и габаритами 200×95×66 мм имеются два разрядных канала длиной 144 мм, сечением 1,8х1,8 мм и межосевым расстоянием 10,2 мм, применяется комбинированное зеркало диаметром 20 мм и пропусканием светоделительной части 4%.

В лазере LCD-10A мощностью излучения 10 Вт и габаритами 345×95×66 мм имеются два разрядных канала длиной 290 мм, сечением 2,1×2,1 мм и межосевым расстоянием 9,9 мм, используется комбинированное зеркало диаметром 20 мм и пропусканием светоделительной части 12%.

В лазере LCD-15A мощностью излучения 15 Вт и габаритами 465х95х66 мм имеются два разрядных канала длиной 400 мм, сечением 2,2×2,2 мм и межосевым расстоянием 9,8 мм, используется комбинированное зеркало диаметром 20 мм и пропусканием светоделительной части 16%.

Приведенные примеры показывают, что заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству.

Формула изобретения

Газовый лазер, содержащий юстируемое зеркало, устройство юстировки, размещенное на торцевой стенке, расположенной на корпусе лазера, и включающее полую втулку, состоящую из последовательно расположенных фланца с юстировочными винтами, участка с деформируемой шейкой, составляющих внешнюю часть устройства юстировки, и участка крепления, отличающийся тем, что во фланце закреплен полый цилиндр, который с участком деформируемой шейки и участком крепления имеет зазор, обеспечивающий перемещение полого цилиндра, с размещенной на нем внутренней частью устройства юстировки, расположенной коаксиально корпусу лазера и выполненной в виде основания с отверстием, в котором установлен полый цилиндр, оправки с юстируемым комбинированным зеркалом, закрепленной на основании, и зафиксированного на оправке радиатора с гибкими пластинами, установленными в контакте с внутренней цилиндрической поверхностью корпуса лазера, при этом половина поверхности юстируемого зеркала с высокоотражающим лазерное излучение покрытием расположена напротив первого разрядного канала лазера, другая половина поверхности зеркала со светоделительным покрытием расположена напротив второго разрядного канала с одной стороны, а с другой напротив полого цилиндра, ось которого смещена относительно оси лазера.

РИСУНКИ

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