Способ возбуждения импульсов излучения лазерных систем на самоограниченных переходах (варианты)

Изобретение относится к способу возбуждения импульсов излучения системы генератор-каскад усилителей лазеров на самоограниченных переходах. Способ включает подачу периодической последовательности пакетов импульсов возбуждения на блоки питания генератора и усилителей. Вводят управление регулярностью повторения импульсов лазерного излучения системы. Выбирают временный сдвиг импульса возбуждения генератора относительно импульса возбуждения первого от генератора усилителя в одном из двух диапазонов величин. Длительность действия временного сдвига задается регулярностью повторения импульсов излучения системы генератор-каскад усилителей. Первый из диапазонов лежит в пределах времени существования инверсии населенности рабочего лазерного уровня усилителя. Второй лежит в пределах времени существования максимальной инверсной населенности метастабильного уровня усилителя. Технический результат - осуществление управления регулярностью повторения импульсов лазерного излучения в системе генератор-каскад усилителей лазеров на самоограниченных переходах при равных значениях амплитуд импульсов, получение высокой точности и воспроизводимости обработки материалов лазерным излучением. 2 н.п.ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к способу возбуждения импульсов излучения системы генератор-каскад усилителей лазеров на самоограниченных переходах, например лазерной системы на парах меди. Оно может быть использовано при работе такой системы в различных технологических установках с целью управления регулярностью повторения импульсов излучения при резке, сверлении отверстий, гравировке, микросварке, микронаплавке и других способах обработки материалов.

Одной из важных характеристик качества обработанного лазерным излучением материала является точность и воспроизводимость режима обработки материала при высокой выходной мощности излучения лазерной системы. Это обеспечивает высокие параметры качества при обработке лазером тугоплавких материалов, а для материалов с низкой температурой плавления (или испарения) - и высокую скорость обработки. В свою очередь точность и воспроизводимость режима обработки материала зависит от стабильности энергии, приходящейся на единицу длины контура обработки. Одним из вариантов стабилизации энергии является обеспечение постоянства количества импульсов излучения на единицу длины контура обработки при одинаковом уровне энергии в импульсах излучения и различных скоростях взаимного перемещения лазерного луча и поверхности обработки. Следовательно, для получения высокой точности и воспроизводимости обработки требуется управление регулярностью повторения импульсов излучения лазерной системы. Под регулярностью повторения импульсов излучения понимается равномерность повторения импульсов излучения в определенный промежуток времени. Решить проблему управления регулярностью повторения импульсов излучения за счет изменения регулярности повторения импульсов возбуждения источников питания системы (без изменения их энергетических параметров) невозможно, что связано с особенностями работы саморазогревных лазеров на самоограниченных переходах [1]. Для этого нужен другой способ.

Известен способ возбуждения импульсов излучения лазера на самоограниченных переходах (например, лазера на парах меди), заключающийся в формировании с каждым импульсом возбуждения одного дополнительного импульса, следующего перед основным и энергетически настроенного на создание инверсии на метастабильном безизлучательном лазерном уровне, с регулируемой задержкой между импульсами [2]. Управление регулярностью повторения импульсов излучения в указанном техническом решении осуществляется за счет изменения временного расположения дополнительного импульса относительно основного импульса возбуждения от момента начала импульса генерации в сторону предыдущего импульса возбуждения. Способ осуществляется следующим образом. Если задержка между импульсами меньше времени расселения метастабильного уровня, импульс накачки верхнего лазерного уровня не приводит к образованию выходного излучения. При задержке большей времени расселения метастабильного уровня (как и при отсутствии дополнительно импульса) происходит образование импульса излучения. Данное техническое решение позволяет менять регулярность повторения импульсов излучения, но применимо лишь к одноканальной конструкции лазера на парах меди (генератор без усилителя), имеющей ограничение по мощности излучения, генерируемой в пучках с малой расходимостью, близкой к дифракционной (обычно используемых практически), т.к. повышение мощности за счет увеличения объема активной среды сдерживается как техническими трудностями, так и неизбежным при этом снижением эксплуатационных характеристик самих лазеров [3].

Наиболее близким к предлагаемому способу (прототипом) является способ возбуждения импульсов излучения системы генератор-каскад усилителей лазеров на самоограниченных переходах [3]. Он включает подачу периодической последовательности пакетов импульсов возбуждения, в каждом из которых число импульсов возбуждения равно суммарному числу усилителей с генератором, причем часть из них подают на усилители: по одному импульсу на каждый усилитель, а один - на генератор с временным сдвигом относительно импульсов возбуждения, подаваемых на усилители.

Для повышения мощности излучения в прототипе излучение, созданное в генераторе, усиливается каскадом усилителей, число которых может быть равно в том числе и одному. Импульс возбуждения генератора сдвигают по времени относительно импульсов возбуждения усилителя в пределах ширины линии усиления усилителя. На выходе лазерной системы получают импульсы излучения, отличающиеся друг от друга, в зависимости от величины временного сдвига, мощностью и формой составляющих компонент с разной длиной волны и расходимостью. Данный способ позволяет усиливать отдельные компоненты излучения, однако не позволяет осуществлять управление регулярностью повторения импульсов излучения.

Предложены способы возбуждения импульсов излучения лазерных систем на самоограниченных переходах.

1-ый вариант

Способ возбуждения импульсов излучения системы генератор-каскад усилителей лазеров на самоограниченных переходах, включающий подачу периодической последовательности пакетов импульсов возбуждения, в каждом из которых число импульсов возбуждения равно суммарному числу усилителей с генератором, причем часть из них подают на усилители по одному импульсу на каждый усилитель, а один - на генератор с временным сдвигом относительно импульсов возбуждения, подаваемых на усилители, в котором дополнительно вводят управление регулярностью повторения импульсов лазерного излучения системы генератор-каскад усилителей путем выбора временного сдвига импульса возбуждения генератора относительно импульса возбуждения первого от генератора усилителя в одном из двух диапазонов величин и чередования величины временного сдвига, взятого из первого диапазона, с величиной временного сдвига, взятого из второго диапазона, причем длительность действия временного сдвига задается требуемой регулярностью повторения ипульсов излучения системы генератор-каскад усилителей, первый из диапазонов временного сдвига лежит в пределах времени существования инверсии населенности рабочего лазерного уровня первого усилителя, а второй - в пределах времени существования максимальной инверсии населенности метастабильного уровня первого усилителя.

2-ой вариант

Предложен способ управления лазерной системой, в котором число усилителей равно одному. Им является способ возбуждения импульсов излучения системы генератор - усилитель лазеров на самоограниченных переходах, включающий подачу периодической последовательности импульсов возбуждения, причем один из них подается на усилитель, а другой импульс - на генератор с временным сдвигом относительно импульса возбуждения, подаваемого на усилитель, отличающийся тем, что в него дополнительно вводят управление регулярностью повторения импульсов лазерного излучения системы генератор-усилитель путем выбора временного сдвига импульса возбуждения генератора относительно импульса возбуждения усилителя в одном из диапазонов величин и чередования величины временного сдвига, взятого из первого диапазона, с величиной временного сдвига, взятого из второго диапазона, причем длительность действия временного сдвига задается регулярностью повторения импульсов излучения системы генератор-усилитель, первый из диапазонов временного сдвига лежит в пределах времени существования инверсии населенности рабочего лазерного уровня усилителя, а второй - в пределах времени существования максимальной инверсной населенности метастабильного уровня усилителя.

Предложенное решение позволяет осуществлять управление регулярностью повторения импульсов лазерного излучения в системе генератор-каскад усилителей лазеров на самоограниченных переходах при равных значениях амплитуд импульсов.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в следующем.

При формировании импульсов возбуждения системы генератор-каскад усилителей (далее система), важнейшим фактором, определяющим параметры выходного излучения системы, является величина временного сдвига импульса возбуждения, подаваемого на генератор относительно импульса возбуждения, подаваемого на усилители. Если на какой-либо усилитель системы импульс возбуждения не подается (пассивное состояние усилителя), или сдвиг между импульсами возбуждения таков, что время прохождения импульса излучения генератора через данный усилитель и время существования инверсного состояния среды усилителя не совпадают, то лазерная среда усилителя является прозрачной для импульсов излучения генератора [1]. При этом регулярность повторения импульсов излучения на выходе системы будет такой же, как и регулярность повторения импульса излучения на выходе генератора.

Импульс возбуждения, поданный на какой-либо усилитель каскада (активное состояние усилителя), меняет состояние лазерной среды этого усилителя. Из прозрачной среды она превращается в среду, усиливающую импульс излучения генератора, проходящего в это время через данный усилитель. Инверсия лазерной среды усилителя достигает наибольшего значения вблизи максимума импульса возбуждения усилителя. Одновременно с заселением рабочего лазерного уровня усилителя происходит заселение его метастабильного уровня, который является безизлучательным. Величина инверсии метастабильного уровня в период одновременного существования его с рабочим лазерным уровнем существенно ниже величины инверсии рабочего уровня, в то время как время жизни его на порядок больше. С момента окончания импульса возбуждения усилителя, длительность которого одного порядка с временем жизни рабочего лазерного уровня усилителя Δτ_p, величина инверсии населенности метастабильного уровня усилителя возрастает за счет расселения рабочего уровня и достигает максимального значения. Если в это время через усилитель пройдет импульс излучения генератора, то он поглотится атомами активной среды усилителя, находящимися на метастабильном уровне, время существования инверсии населенности которого Δτ_м порядка 2 мкс (для лазерной активной среды на парах меди), в то время как длительность импульса возбуждения по основанию обычно 100-150 нс [3]. Т.о. в активном состоянии усилитель имеет две временные зоны: зону усиления и зону поглощения.

Поэтому при временном сдвиге импульса возбуждения генератора относительно импульса возбуждения усилителя в пределах времени максимальной инверсии населенности метастабильного уровня данного усилителя Δτ_м-Δτ_р, например 500 нс, (импульс возбуждения генератора следует после импульса возбуждения усилителя) излучение генератора поглотится в среде усилителя. Если величина инверсии метастабильного уровня достаточна для полного поглощения импульса генератора, например, при числе усилителей, равном единице, и одинаковых активных элементах, являющихся основой генератора и усилителя, на выходе лазерной системы мощность излучения системы будет равна нулю. При временном сдвиге импульса возбуждения генератора относительно импульса возбуждения усилителя в пределах времени существования инверсии населенности рабочего лазерного уровня данного усилителя Δτ_p на выходе лазерной системы будет наблюдаться усиленный импульс излучения генератора. Число усиленных или поглощенных импульсов излучения генератора зависит от длительности действия периода временного сдвига.

Чередуя величины временного сдвига Δτм-Δτр и Δτр импульса возбуждения генератора относительно импульса возбуждения какого-либо усилителя из каскада, а также продолжительность их действия, можно получать на выходе лазерной системы изменение регулярности повторения импульсов излучения системы генератор-каскад усилителей в соответствии с требуемым законом при одинаковом уровне энергии излучения в импульсах.

Управлять регулярностью повторения импульсов излучения системы можно с помощью любого из усилителей каскада. Однако амплитуда импульса излучения к выходу из лазерной системы возрастает в зависимости от числа усилителей каскада. При регулировании временного сдвига между генератором и, например, последним от генератора усилителем поглощающей способности усилителя может оказаться недостаточно для поглощения многократно усиленного импульса излучения генератора. Для увеличения его поглощающей способности потребуется увеличение объема рабочей среды. Чтобы возможность управления регулярностью повторения импульсов излучения системы не зависела от количества усилителей в каскаде, временной сдвиг следует регулировать между импульсами, подаваемыми на генератор и первый от генератора усилитель.

Величину энергии в импульсе излучения системы можно менять, подавая на усилитель или несколько усилителей, кроме первого от генератора усилителя, импульс возбуждения, амплитуда которого равна нулю. Таким образом, можно реализовать систему генератор-каскад усилителей с одним усилителем в каскаде, приведенную в прототипе.

Сущность предлагаемого решения поясняется чертежами.

На фиг.1 изображена блок-схема лазерной системы генератор-каскад усилителей лазеров на самоограниченных переходах, использованной для реализации способа.

На фиг.2-5 приведены полученные при проверке способа физические характеристики системы генератор-каскад усилителей на парах меди, подтверждающие работоспособность способа.

На фиг.2 приведена зависимость регулярности повторения импульсов лазерного излучения системы (в данном случае она совпадает с частотой повторения импульсов излучения F) от величины временного сдвига Δτ импульсов возбуждения генератора и первого от генератора усилителя. Отставание импульсов возбуждения генератора от импульсов возбуждения усилителя на графике соответствует отрицательной величине Δτ. Указанный режим соответствует частному случаю, приведенному на фиг.3.

На фиг.3, 4, 5 приведены три варианта характеристик сигнала управления регулярностью повторения импульсов излучения, отличающиеся величиной Δτ и длительностью действия Δt временного сдвига, и соответствующая им регулярность повторения импульсов излучения системы в координатах амплитуды импульса излучения системы Е и текущего времени t.

Осуществление способа проверено на примере системы генератор-каскад усилителей, в которой активные элементы генератора и усилителей одинаковы. Система включает в себя генератор 1 (фиг.1) оптически соединенный с входом каскада усилителей 2, расположенных последовательно. Выход блока управления запуском импульсов возбуждения генератора и усилителей 3 электрически с одной стороны соединен со входами генератора 1 и усилителей 2, а с другой -с выходом устройства управления регулярностью повторения импульсов излучения (т.е. величиной и длительностью действия временного сдвига) 4. В качестве такого устройства может служить ЭВМ.

Система работает следующим образом. Блок управления запуском 3 обеспечивает постоянный временной сдвиг между импульсами возбуждения генератора 1и каждым из усилителей каскада 2. Устройством управления регулярностью повторения импульсов 4 на блок управления запуском 3 подают сигнал, обеспечивающий переменные значения временного сдвига импульса возбуждения генератора 1 относительно импульса возбуждения первого от генератора усилителя 2 и его длительности. Этот сдвиг выбирают из двух диапазонов: Δτ_р (диапазон усиления) и Δτ_м-Δτ_р (диапазон поглощения). Длительность действия временного сдвига кратна количеству усиленных или поглощенных импульсов излучения генератора.

На фиг.2 показано, что изменение регулярности повторения импульсов излучения системы происходит, когда импульс возбуждения генератора следует после импульса возбуждения усилителя через время, выбранное из промежутка Δτ_p-Δτ_м, если система состоит из генератора и одного усилителя. Промежуток Δτ_р-Δτ_м - время существования максимальной инверсии населенности метастабильного уровня усилителя. Если усилителей несколько и временной сдвиг регулируется между генератором и n-ым усилителем каскада, при выборе величины временного сдвига следует учитывать время прохода луча от генератора до этого усилителя. Промежутки Δτ_p-Δτ_м и Δτ_p уменьшаются на величину этого времени.

Для реализации режимов работы системы с различной регулярностью повторения импульсов выходного излучения устройством управления регулярностью повторения импульсов излучения 4 на блок управления запуском импульсов возбуждения генератора и усилителей 3 подают сигнал управления, приведенный, например, на фиг 3 (при величине временного сдвига Δτ_р-Δτ_м=-500 нс, длительность действия временного сдвига Δt=70 мкс, при величине временного сдвига Δτ_p-Δτ_м=0 нс, длительность действия временного сдвига Δt =70 мкс). При этом в момент времени 0 на генератор 1 и первый от генератора усилитель 2 системы одновременно (нулевой сдвиг) подают импульсы возбуждения с частотой 14 кГц и длительностью по основанию 120 нс. Амплитуды импульсов возбуждения остальных усилителей каскада равны нулю, что соответствует работе усилителей в режиме прозрачности. На выходе системы получают усиленный импульс излучения. Далее через 35 мкс подачу возбуждающего импульса генератора сдвигают относительно импульса возбуждения первого усилителя на величину -500 нс с помощью блока управления запуском (3) и устройства (4). Импульс генератора следует через 500 нс после импульса усилителя. Длительность действия сдвига сохраняют в течение 70 мкс, что соответствует временному интервалу между импульсами при частоте следования импульсов 14 кГц. При этом световой импульс генератора попадал в усилитель в момент наибольшего поглощения излучения. На выходе системы импульс излучения отсутствовал. Если сигнал управления регулярностью повторения импульсов излучения имеет такую характеристику и далее, то на выходе системы отсутствует каждый второй световой импульс генератора, и частота повторения импульсов излучения системы (7 кГц) становится в 2 раза меньше частоты повторения импульсов возбуждения (14 кГц), что видно из графика зависимости Е от t на фиг.3.

Если устройством управления регулярностью повторения импульсов излучения (4) на блок управления запуском (3) подают сигнал управления, приведенный на фиг.4, (при величине временного сдвига -500 нс длительность действия временного сдвига 70 мкс, при величине временного сдвига 0 нс, длительность действия временного сдвига 140 мкс) на выходе системы отсутствовал каждый третий импульс излучения генератора.

Из графиков (фиг.3 и 4) следует, что, задавая форму управляющего сигнала, можно получать последовательность импульсов излучения системы, подчиняющуюся требуемой функции изменения регулярности повторения импульсов, например выделять единичные импульсы, либо пакеты импульсов с различным числом импульсов в пакете и скважностью.

Фиг.5 отражает работу системы, в каскаде которой активны первые два от генератора усилителя. Возбуждение первого от генератора усилителя происходит в соответствии с сигналом управления, приведенным на фиг.5 (при величине временного сдвига 0 нс длительность действия временного сдвига варьировалась между двумя величинами 105 мкс и 70 мкс, при величине временного сдвига -500 нс, длительность действия временного сдвига составляла 70 мкс). Импульс возбуждения генератора был постоянно сдвинут блоком управления запуском в сторону отставания по времени относительно импульса возбуждения второго от генератора усилителя на величину -(40-50) нс, которая складывается из времени развития импульса возбуждения второго усилителя от нуля до максимального значения (˜50-60 нс) и времени прохода импульса излучения через активную среду генератора и первого усилителя (˜10 нс). На выходе системы наблюдались импульсы излучения с амплитудой, соответствующей двойному усилению и регулярностью, заданной сигналом устройства управления регулярностью повторения импульсов излучения 4.

Таким образом, чередуя величину временного сдвига и регулируя длительность действия временного сдвига по определенному закону, можно менять регулярность повторения импульсов излучения. Формируя требуемую последовательность импульсов в соответствии с этим законом с одинаковым уровнем энергии в импульсах можно обеспечить стабильность энергии излучения, падающей на единицу длины обрабатываемого контура, независимо от скорости взаимного перемещения лазерного луча и поверхности обрабатываемого материала. Это существенно улучшает параметры качества обработки, такие как точность и воспроизводимость режима обработки.

Источники информации

[1] В.М.Батенин, В.В.Бучанов, М.А.Казарян и др. Лазер на самоограниченных переходах», Москва, 1998 г., «Научная книга».

[2] Патент РФ №2082263, МКИ H 01 S 3/97 от 02.04.92. Скрипниченко А.С. и др. «Способ возбуждения импульсных лазеров на самоограниченных переходах».

[3] В.В.Зубов, Н.А.Лябин, А.Д.Чурсин. «Эффективная система генератор-усилитель на основе лазерных активных элементов на парах меди» «Квантовая электроника», 13 №12 (1986).

1. Способ возбуждения импульсов излучения системы генератор-каскад усилителей лазеров на самоограниченных переходах, включающий подачу периодической последовательности пакетов импульсов возбуждения, в каждом из которых число импульсов возбуждения равно суммарному числу усилителей с генератором, причем часть из них подается на усилители по одному на каждый, а один импульс - на генератор с временным сдвигом относительно импульсов возбуждения, подаваемых на усилители, отличающийся тем, что в него дополнительно вводят управление регулярностью повторения импульсов лазерного излучения системы генератор-каскад усилителей путем выбора временного сдвига импульса возбуждения генератора относительно импульса возбуждения первого от генератора усилителя в одном из двух диапазонов величин и чередования величины временного сдвига, взятого из первого диапазона, с величиной временного сдвига, взятого из второго диапазона, причем длительность действия временного сдвига задается регулярностью повторения импульсов излучения системы генератор-каскад усилителей, первый из диапазонов временного сдвига лежит в пределах времени существования инверсии населенности рабочего лазерного уровня усилителя, а второй - в пределах времени существования максимальной инверсной населенности метастабильного уровня усилителя.

2. Способ возбуждения импульсов излучения системы генератор-усилитель лазеров на самоограниченных переходах, включающий подачу периодической последовательности пакетов импульсов возбуждения, причем один из них подается на усилитель, а другой импульс - на генератор с временным сдвигом относительно импульсов возбуждения, подаваемого на усилитель, отличающийся тем, что в него дополнительно вводят управление регулярностью повторения импульсов лазерного излучения системы генератор-усилитель путем выбора временного сдвига импульса возбуждения генератора относительно импульса возбуждения усилителя в одном из диапазонов величин и чередования величины временного сдвига, взятого из первого диапазона, с величиной временного сдвига, взятого из второго диапазона, причем длительность действия временного сдвига задается регулярностью повторения импульсов излучения системы генератор-усилитель, первый из диапазонов временного сдвига лежит в пределах времени существования инверсии населенности рабочего лазерного уровня усилителя, а второй - в пределах времени существования максимальной инверсной населенности метастабильного уровня усилителя.