СПОСОБ ЮСТИРОВКИ ТРЕХЗЕРКАЛЬНОГО РЕЗОНАТОРА ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА
METHOD OF ALIGNING THREE-MIRROR RESONATOR OF GAS LASER

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при изготовлении газовых лазеров с трехзеркальным резонатором, с визуально закрытым внутрирезонаторным пространством и перестраиваемой длиной волны излучения.
Известен способ юстировки активного элемента с помощью вспомогательного лазера и диафрагмы, установленных с одной стороны активного элемента, и отражающего зеркала с другой стороны. Вне оптической скамьи установлен вспомогательный экран, отверстие или перекрытие которого равноудалено от окон Брюстера активного элемента и расположено от оптической оси газоразрядной трубки на расстоянии h=L/2tg (1800-2αб), где L - расстояние между окнами Брюстера, αб - угол Брюстера. Юстируют вспомогательный лазер и зеркало до совмещения в отверстии диафрагмы прямого и отраженного от зеркала лучей вспомогательного лазера. Юстировку оптических узлов выполняют до пересечение лучей, отраженных от внешних поверхностей окон Брюстера в отверстии или перекрытии экрана (см. авт. свид. СССР №1426382, кл. H01S 3/03, опубл. 07.10.92 г.).
Недостатком этого способа является невозможность его использования для юстировки активных элементов с зеркалами, так как в этом случае h стремится к нулю.
Известен способ юстировки зеркал резонатора с помощью видимого луча вспомогательного лазера. Луч вспомогательного лазера, расположенного снаружи юстируемого, через поворотное зеркало и специальное окошко в оболочке, направляется на дополнительное поворотное зеркало, помещенное внутри оболочки. Отражаясь от дополнительного поворотного зеркала, луч проходит через отверстие в центре вогнутого зеркала оптического резонатора. Причем направление вспомогательного луча совпадает с осью оптического резонатора. Затем луч падает на выпуклое зеркало. Юстировка зеркал резонатора продолжается до попадания отраженного вспомогательного луча в точку падения первоначального вспомогательного луча на дополнительное поворотное зеркало (см. пат. США №3919663, кл.331-94.5, опубл. 11.11.1975 г.).
Недостатком этого способа является невозможность юстировки трехзеркального резонатора газового лазера с визуально закрытым внутрирезонаторным пространством и перестраиваемой длиной волны излучения без специального оборудования и больших трудозатрат.
Наиболее близким способом юстировки многозеркальных резонаторов газовых лазеров является способ юстировки складного четырехзеркального оптического резонатора газового лазера, включающий визуализацию отрезков оптической оси резонатора в первом разрядном капилляре лучом основного, а во втором разрядном капилляре - лучом вспомогательного юстировочных лазеров, размещенных со стороны торцов капилляров, юстировку поворотных элементов оптического резонатора выполняют с использованием источника рассеянного света так, что при освещении торца каждого из разрядных капилляров источником рассеянного света освещенный участок, наблюдаемый со стороны торца другого разрядного капилляра, расположен концентрически с апертурой этого разрядного капилляра, при этом юстировку торцевых элементов оптического резонатора выполняют относительно соответствующих отрезков оптической оси резонатора, визуализированных основным и вспомогательным котировочными лазерами (см. Патент РФ №1554716, кл. H01S 3/02, опубл. 30.07.1994 г.) - принят за прототип.
Недостатком этого способа является необходимость установки вспомогательных лазеров на оптической оси разрядных каналов с большой точностью. В условиях трехзеркального резонатора с закрытым внутрирезонаторным пространством невозможно провести эту операцию визуально. Она требует сложной технологии сборки таких лазеров, разработки специального оборудования и больших трудозатрат.
Задача изобретения состоит в разработке простого и точного способа юстировки трехзеркального резонатора с закрытым внутрирезонаторным пространством газового лазера, с перестраиваемой длиной волны излучения в видимом диапазоне на λ=0,63 мкм и инфракрасном диапазоне на λ=1,15 мкм и λ=3,39 мкм, который не требует сложного и дорогостоящего оборудования, а также сокращения времени юстировки такого лазера.
Технический результат достигается за счет использования источника рассеянного света, позволяющего провести точное совмещение оси разрядного канала активного элемента первого резонатора с центром перекрестья экрана, использования видимого излучения первого резонатора, выходящего со стороны второго зеркала для предварительной юстировки третьего зеркала второго резонатора, а также за счет использования вспомогательного лазера и экрана с меткой «К» для юстировки третьего зеркала визуально закрытого резонатора с генерацией излучения на длинах волн 1,15 мкм и 3,39 мкм.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что юстировка трехзеркального резонатора лазера с перестраиваемой длиной волны, включающего два оптически связанных между собой и установленных на общей оси резонатора, первый из которых, с излучением в видимом диапазоне, сформирован первым полупрозрачным выходным и вторым прозрачным для длин волн с высоким коэффициентом усиления (λ=1,15 мкм, и λ=3,39 мкм) и непрозрачным (высоким коэффициентом отражения) для длины волны с низким коэффициентом усиления (λ=0,63 мкм) зеркалами и активным элементом между ними, а второй сформирован первым полупрозрачным выходном зеркалом и третьим визуально непрозрачным и высокоотражающим для длин волн с высоким коэффициентом усиления зеркалом (λ=1,15 мкм, и λ=3,39 мкм) и визуально закрытое внутрирезонаторное пространство между вторым и третьим зеркалами включает в себя юстировку первого резонатора путем поочередного расположения экрана с перекрестьем и диафрагмой в центре перекрестья и источника рассеянного света, освещающего экран, вначале со стороны выходного полупрозрачного зеркала, для визуализации оси разрядного канала активного элемента и юстировки полупрозрачного выходного зеркала, закрепленного в упругодеформируемом участке активного элемента, до совмещения перекрестья с диафрагмой с осью активного элемента, затем со стороны второго зеркала и повторяют операции визуализации разрядного канала активного элемента и юстировки второго зеркала, после получения генерации дальнейшую юстировку зеркал проводят до получения максимальной мощности на длине волны λ=0,63 мкм, после чего закрепляют на оси активного элемента со стороны второго зеркала держатель третьего зеркала с упругодеформируемым участком, на расстоянии ≈10 мм от держателя на одной оси с первым резонатором размещают в юстировочном приспособлении третье зеркало с визуально открытой рабочей поверхностью, проводят его предварительную юстировку, используя частично выходящее из первого резонатора через второе зеркало видимое излучение длиной волны 0,63 мкм, до сведения отраженных лучей от второго и третьего зеркал в одну точку, при этом результатом юстировки является исчезновение видимого излучения с длиной волны λ=0,63 мкм из-за появления во втором резонаторе инфракрасного излучения с длиной волны λ=3,39 мкм, которое является для него конкурирующим, затем с внешней стороны третьего зеркала около оси устанавливают экран с диафрагмой и вспомогательный лазер, направляют видимый луч вспомогательного лазера через диафрагму в экране на внешнюю сторону третьего зеркала, отраженный от зеркала луч на экране отмечается меткой, например «К», после чего это зеркало снимается с юстировочного приспособления и закрепляется на держателе с упругодеформируемым участком, вновь проводят юстировку закрепленного третьего зеркала до совмещения отраженного видимого луча с меткой «К», на выходе лазера генерация на видимой длине волны λ=0,63 мкм должна смениться генерацией на инфракрасных длинах волн, дальнейшая юстировка третьего зеркала производится по измерителю мощности до получения максимального значения суммарной мощности на длинах волн 1,15 мкм и 3,39 мкм.
В заявляемом способе юстировки нет необходимости в высокой точности установки вспомогательного лазера относительно оптической оси юстируемого лазера, количество используемого вспомогательного оборудования сведено к минимуму, что делает юстировку простой, точной и быстрой.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату обличительных признаков в заявленном объекте.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.
Для проверки соответствия изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений, результаты которого показывают, что заявляемое изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку не выявлены решения, в которых был бы известен простой и точный способ юстировки трехзеркального резонатора с закрытым внутрирезонаторным пространством газового лазера, с перестраиваемой длиной волны излучения в видимом диапазоне на λ=0,63 мкм и инфракрасном диапазоне на λ=1,15 мкм и λ=3,39 мкм, который не требует сложного и дорогостоящего оборудования, а также сокращения времени юстировки, за счет использования источника рассеянного света, позволяющего провести точное совмещение оси разрядного канала активного элемента первого резонатора с центром перекрестья экрана, использования видимого выходного излучения первого резонатора для предварительной юстировки третьего зеркала второго резонатора, а также за счет использования вспомогательного лазера и экрана с меткой «К» для юстировки третьего зеркала визуально закрытого резонатора с генерацией излучения на длинах волн 1,15 мкм и 3,39 мкм.
Следовательно, заявляемое изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень» по действующему законодательству.
На фиг.1 представлен газовый лазер с трехзеркальным резонатором.
На фиг.2а, б, в, с - схематично показан процесс юстировки газового лазера.
Газовый лазер с трехзеркальным резонатором с перестраиваемой длиной волны включает два резонатора 1, 2, оптически связанных между собой и установленных на общей оси 3, первый из которых, с излучением в видимом диапазоне, сформирован первым 4 полупрозрачным выходным и вторым 5 прозрачным для длин волн с высоким коэффициентом усиления (λ=1,15 мкм, и λ=3,39 мкм) и непрозрачным для длины волны с низким коэффициентом усиления (λ=0,63 мкм) зеркалами и активным элементом 6 между ними, а второй сформирован первым 4 полупрозрачным выходным зеркалом и третьим 7 высокоотражающим для длин волн с высоким коэффициентом усиления зеркалом (λ=1,15 мкм и λ=3,39 мкм) и визуально закрытое внутрирезонаторное пространство между вторым 5 и третьим 7 зеркалами. Полупрозрачное выходное зеркало 4 закреплено в упругодеформируемом участке 8, а второе зеркало 5 закреплено в упругодеформируемом участке 9 активного элемента 6. Третье зеркало7 закреплено в упругодеформируемом участке 10 держателя оптики 11 третьего зеркала. Для юстировки имеется экран 12 с перекрестьем 13 и диафрагмой 14 в центре перекрестья, источник рассеянного света 15, вспомогательный лазер 16 (фиг.1).
Способ юстировки газового лазера с трехзеркальным резонатором осуществляется в следующей последовательности:
1. Газовый лазер, содержащий коаксиальный активный элемент 6, на торцах которого методом твердой запайки установлены полупрозрачное выходное зеркало 4 и прозрачное для длин волн с высоким коэффициентом усиления (λ=1,15 мкм и λ=3,39 мкм) и непрозрачное (с высоким коэффициентом отражения) для длин волн с низким коэффициентом усиления (λ=0,63 мкм) зеркало 5, устанавливается на оптическую скамью, закрепляется и включается.
2. Экран 12 с перекрестьем 13 и диафрагмой 14 в центре перекрестья 13 устанавливается у торца активного элемента 6 со стороны выходного зеркала 4 таким образом, чтобы через диафрагму просматривались разрядный канал 17 активного элемента 6 и отражение перекрестья 13. Для подсветки используется источник рассеянного света 15. Деформацией упругодеформируемого участка 8 активного элемента 6 со стороны выходного зеркала 4 добиваются совмещения центра отражения перекрестья 13 с центром (осью) разрядного канала 17. В этом случае выходное зеркало 4 считается съюстированным (фиг.2а).
3. Аналогично проводят юстировку зеркала 5, прозрачного для длин волн с высоким коэффициентом усиления (λ=1,15 мкм и λ=3,39 мкм) и непрозрачного для длин волн с низким коэффициентом усиления (λ=0,63 мкм) до возникновения генерации излучения. Более точную подъюстировку первого резонатора проводят контролируя мощность выходного излучения на длине волны (λ=0,63 мкм) измерителем мощности, до получения ее максимального значения. После чего юстируемый лазер выключается и снимается со скамьи.
4. К оболочке активного элемента 6 со стороны зеркала 5 твердой запайкой закрепляют держатель оптики 11 с пластично-деформируемым участком 10. Газовый лазер снова устанавливают, закрепляют на оптической скамье и включают. В технологическом юстировочном приспособлении закрепляют зеркало 7, которое является высокоотражающим для длин волн с высоким коэффициентом усиления (λ=1,15 мкм и λ=3,39 мкм). Юстировочное приспособление размещается на оптической скамье на одной оси с газовым лазером на расстоянии ≈10 мм от держателя оптики 11 таким образом, чтобы рабочая поверхность зеркала визуально просматривалась (фиг.2б).
5. Используя частично выходящее из первого резонатора 1 через зеркало 5 излучение с длиной волны λ=0,63 мкм, производят предварительную юстировку зеркала 7, путем сведения отраженных от зеркал 5 и 7 лучей в один пучок, что визуально просматривается на рабочей поверхности зеркала 7. В результате видимое излучение λ=0,63 мкм должно исчезнуть из-за появления во втором резонаторе инфракрасного излучения длиной волны λ=3,39 мкм, которое является для него конкурирующим (фиг.2б).
6. С внешней стороны зеркала 7, примерно на одной оси, устанавливают вспомогательный лазер 16 и у его выходного торца закрепляют экран 12 с диафрагмой 14 для прохождения луча видимого излучения вспомогательного лазера 16. Прошедшее через диафрагму 14 излучение направляют на середину зеркала 7. Отраженный от внешней стороны зеркала 7 луч вспомогательного лазеря 16 появляется на экране 12, где он отмечается меткой, например «К». Вспомогательный лазер 16 выключают (фиг.2в). Юстировочное приспособление вместе с третьим зеркалом 7 снимают с оптической скамьи. Зеркало 7 твердой запайкой закрепляют на держателе оптики 11 с упругодеформируемым участком 10, образуя закрытое внутрирезонаторное пространство.
7. Вспомогательный лазер 16 включают и вновь проводят юстировку закрепленного третьего зеркала 7 до совмещения отраженного видимого луча вспомогательного лазера 16 с меткой «К». При съюстированном зеркале 7 на выходе лазера с трехзеркальным резонатором генерация на видимой длине волны должна смениться генерацией на инфракрасных длинах волн (фиг.2с).
8. Дальнейшая точная юстировка третьего зеркала 7, образующего вместе с зеркалом 4 второй резонатор, производится по измерителю мощности до получения максимального значения суммарной мощности на длинах волн 1,15 мкм и 3,39 мкм.
В качестве примера, доказывающего возможность реализации заявляемого способа, является способ юстировки трехзеркального газового лазера с закрытым внутрирезонаторным пространством - это трехволновый He-Ne лазер ЛГН-118-3В.
Приведенный пример показывает, что заявленное изобретение соответствует требованию «промышленная применимость» по действующему законодательству.