ИМПУЛЬСНЫЙ ЛАЗЕР
PULSED LASER

Изобретение относится к устройству импульсного лазера на самоограниченных переходах с высоким коэффициентом усиления активной среды (лазера на парах металлов, инертных газах, эксимерных, жидкостных и твердотельных лазеров) и может быть использовано при его конструировании для использования в устройствах прецизионной микрообработки материалов, а также в локационных системах при зондировании атмосферы и гидросферы. Использование таких устройств особенно целесообразно для прецизионной микрообработки материалов, так как позволяет получить малый диаметр пятна излучения в плоскости обработки материала с высокой плотностью импульсной мощности.
1
2
Известен импульсный лазер, включающий установленные на оптической оси лазера разрядный канал, ось которого совпадает с оптической осью лазера, «глухое» выпуклое зеркало, расположенное с одной стороны на расстоянии l от разрядного канала, и просветленная положительная линза, расположенная с другой, выходной, для лазерного излучения стороны на расстоянии l от разрядного канала [1].
При подаче импульсного напряжения на электроды разрядного канала лазер генерирует излучение с двухпучковой структурой. Первый пучок с низкой пространственной когерентностью после коллимирования линзой имеет дифракционную расходимость на три порядка большую и острой фокусировке не поддается. Второй пучок имеет степень пространственной когерентности существенно более высокую, чем первый. При его коллимировании образуется пучок с расходимостью, зависящей от радиуса кривизны выпуклого зеркала R. Это позволяет, уменьшая радиус кривизны выпуклого зеркала, уменьшить расходимость пучка. Однако с уменьшением радиуса кривизны зеркала уменьшается и мощность пучка (за счет уменьшения рабочей поверхности выпуклого зеркала), а мощность фонового пучка увеличивается, что является недостатком устройства.
1
2
1
Наиболее близким техническим решением, прототипом предлагаемого устройства, является импульсный лазер, включающий установленные на оптической оси лазера разрядный канал длиной L, ось которого совпадает с оптической осью лазера, «глухое» выпуклое зеркало, расположенное с одной стороны разрядного канала на расстоянии l от его ближнего конца, и просветленную положительную линзу, установленную с другой, выходной для лазерного излучения стороны разрядного канала. Фокус линзы совмещен с плоскостью изображения в выпуклом зеркале дальнего от выпуклого зеркала конца разрядного канала. Между линзой и разрядным каналом на расстоянии l≤l от конца разрядного канала перпендикулярно оси лазера установлен плоский отражатель, частично прозрачный для лазерного излучения [2].
2
1
1
2
При включении электрического разряда в разрядном канале из «затравочного» спонтанного излучения образуются две низкокогерентные световые волны - пучки сверхсветимости, распространяющиеся вдоль активного элемента в разных направлениях с угловой расходимостью, определяемой апертурой разрядного канала. Одна из них, первая, проходит через активную среду, падает на «глухое» выпуклое зеркало, часть ее отражается от него и вновь попадает в активную среду разрядного канала. Вторая волна, выйдя из активной среды разрядного канала в сторону плоского отражателя, частично отразится от него, частично пройдет через него, образуя нерезонаторный низкокогерентный пучок. Отраженная от плоского отражателя часть волны попадает вновь в активную среду, имея большую, чем до отражения степень пространственной когерентности. Т.к. l≤l, эта волна поступает в активную среду разрядного канала раньше, чем первая волна, снижая инверсию населенностей активной среды. Вследствие этого возможность усиления для первой волны ослабевает, а вторая, получившая преимущество по усилению, пройдя через разрядный канал, падает на «глухое» выпуклое зеркало, и, отразившись от него, распространяется назад через активную среду, образуя пучок с меньшей, чем в аналоге расходимостью. В результате двух проходов этой волны по резонатору формируемый резонаторный пучок приобретает и большую мощность, и большую пространственную когерентность по сравнению с аналогом. Если уменьшить фокусное расстояние линзы до величины, меньшей l+l+L+фокусное расстояние «глухого» зеркала, то пучок станет сходящимся, и в сравнении с аналогом в плоскости фокусировки он образует пятно меньшего диаметра с большей плотностью импульсной мощности.
В зависимости от соотношения между длиной резонатора, усилением среды и временем существования инверсии населенностей, вслед за первым резонаторным пучком излучения могут образоваться и следующие пучки, однако на величину общей расходимости излучения это уже не повлияет, т.к. их расходимость будет меньше расходимости первого резонаторного пучка. По мере уменьшения радиуса R расходимость первого резонаторного пучка приближается к дифракционному пределу, но мощность излучения при этом резко снижается из-за квадратичного уменьшения площади рабочей поверхности «глухого» зеркала.
Одним из недостатков конструкции прототипа является наличие нескольких пучков излучения, что отрицательно сказывается на качестве пятна фокусировки, т.е. распределении интенсивности, а следовательно, и качестве обработки материала. Другой недостаток - это незначительное повышение мощности высококогерентного пучка излучения вследствие существенного снижения инверсии населенностей по всему разрядному каналу, в том числе и в его приосевой части, после прохождения по нему отраженного от плоского отражателя пучка излучения, имеющего сравнительно невысокую степень когерентности. В сравнении с аналогом плотность мощности излучения увеличивается только в 3 раза: в 1,5 раза за счет увеличения мощности и в 2 раза - за счет уменьшения расходимости. Этого часто недостаточно для производительной и качественной обработки многих материалов.
Технический результат изобретения заключается в повышении выходной мощности лазерного излучения при одновременном уменьшении его расходимости до дифракционного предела в режиме однопучкового излучения.
1
2
Технический результат достигается тем, что в импульсном лазере, включающем установленные на оптической оси лазера разрядный канал длиной L, ось которого совпадает с оптической осью лазера, «глухое» выпуклое зеркало, расположенное с одной стороны разрядного канала на расстоянии l от его ближнего конца, просветленную положительную линзу, расположенную с другой, выходной для лазерного излучения стороны разрядного канала. Линза установлена на расстоянии l от ближнего к ней конца разрядного канала, а на поверхности линзы, обращенной к разрядному каналу, в области оптической оси лазера выполнен участок с покрытием, отражающим излучение, площадь которого соизмерима с площадью рабочей поверхности «глухого» зеркала, причем
2
1
2
l+L/2<l<τc/2-(l+L),
где τ - время существования инверсии, с - скорость света.
Участок с отражающим излучение покрытием на поверхности линзы, обращенной к разрядному каналу, в области оптической оси лазера является по существу вторым выпуклым зеркалом и вместе с «глухим» зеркалом образует нестабильный резонатор. При этом, также как и в прототипе, появляются условия для обратного прохода в активной среде отраженного от зеркального участка линзы части пучка свехсветимости (второй волны). Однако в отличие от прототипа с плоским отражателем в предлагаемом техническом решении выпуклый зеркальный участок малого размера формирует сильно расходящуюся отраженную волну (пучок) с существенно меньшей (в силу выпуклой формы зеркального участка) интенсивностью и высокой пространственной когерентностью. Низкая интенсивность отраженной волны позволяет сохранить в активной среде и более высокий уровень инверсии населенностей. При соблюдении условия
2
1
2
l+L/2<l<τc/2-(l+L)
дифр
пучки сверхсветимости (первая и вторая волны), отраженные от обоих зеркал, встречаются в пространстве между «глухим» и ближним к нему концом разрядного канала, первый пучок (первая волна), отраженный от «глухого» зеркала не сможет сформироваться из-за слабой конкуренции со вторым, прошедшим через активную среду. Второй пучок сверхсветимости, частично отраженный от зеркального участка поверхности линзы, усилившись в активной среде, падает на «глухое» зеркало. Часть его с высокой степенью пространственной когерентности, соответствующей дифракционной расходимости (θ≈2,44λ/D, где λ - длина волны излучения, D - диаметр апертуры разрядного канала, см. фиг.2), отражается назад в активную среду. А поскольку активная среда по сравнению с прототипом обладает для обратного прохода большей инверсной населенностью, то и усиление второго пучка будет существенно большим, чем в прототипе. Площадь участка с покрытием соизмерима с площадью рабочей поверхности «глухого» зеркала, то есть отличие в размерах может быть в пределах порядка. В противном случае отраженный пучок будет иметь невысокую степень когерентности, как в прототипе.
1
2
Таким образом, на выходе лазера образуется пучок с дифракционной расходимостью и мощностью большей, чем в прототипе. Если фокусное расстояние линзы меньше чем l+l+L+фокусное расстояние «глухого» зеркала, пучок сфокусируется в пятно с меньшим в сравнении с прототипом диаметром при существенно большей плотности мощности.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 изображена блок-схема импульсного лазера-прототипа, где
- «глухое» выпуклое зеркало 1,
- разрядный канал 2,
- просветленная положительная линза 3,
- плоский отражатель 4.
На фиг.2 изображена блок-схема импульсного лазера, конструкция которого соответствует предложенному решению, где
- «глухое» выпуклое зеркало 1,
- разрядный канал 2,
- просветленная положительная линза 3,
- участок с отражающим покрытием 5.
Пример
Импульсный лазер на парах меди с частотой повторения импульсов 15 кГц и временем существования инверсии населенностей активной среды τ=25 нс. Длина разрядного канала 2L=470 мм. Расстояние между выпуклым зеркалом 1 и линзой 3 составляет 1300 мм. «Глухое» выпуклое зеркало 1 имеет радиус кривизны 6 мм и отстоит от ближнего к нему конца разрядного канала 2 на расстоянии 11, равном 780 мм. Линза 3 отстоит от разрядного канала 2 на расстоянии 12, равном 50 мм. Участок с отражающим покрытием 5 на поверхности линзы 3 в области оптической оси линзы лазера выполнен зеркальным. Радиус кривизны зеркального участка 5 линзы 3 равен 30 мм, диаметр зеркального участка 5 равен 0,7 мм.
1
2
дифр
10
11
2
Предлагаемое устройство работает следующим образом. При включении электрического разряда в разрядном канале 2 из «затравочного» спонтанного излучения образуются два низкокогерентных пучка сверхсветимости (две волны), распространяющихся вдоль разрядного канала 2 в противоположных направлениях. Один из пучков сверхсветимости, первый, выйдя из разрядного канала 2, падает на выпуклое «глухое» зеркало 1 и частично отражается от него обратно в сторону разрядного канала 2. Второй пучок, выйдя из активной среды разрядного канала 2 в сторону линзы 3, отражается от ее участка с зеркальным покрытием 5 и частично возвращается назад в активную среду, где, усилившись, выходит из выходного конца разрядного канала 2 раньше, чем этого конца достигнет первая волна, т.к. расстояние l больше суммы половины длины разрядного канала 2 (активной среды) и расстояния от линзы 3 до выходного конца разрядного канала (L/2+l). Это условие не дает возможности для усиления первого пучка и приводит к его затуханию. Усиленный в активной среде второй пучок, отразившись от рабочей поверхности «глухого» выпуклого зеркала 1, частично возвращается обратно в разрядный канал 2, вновь усиливается в активной среде и выходит из резонатора, имея более высокую по сравнению с прототипом мощность излучения. Благодаря двойному проходу по нестабильному резонатору с двумя выпуклыми зеркалами он приобретает и дифракционную расходимость (θ). Если фокусное расстояние линзы 3 меньше расстояния от ее оптического центра до фокуса «глухого» зеркала 1, из лазера выходит сходящийся пучок. При этом размер сфокусированного пятна излучения при малых фокусных расстояниях линзы 3 предельно мал (5…15 мкм), пучок имеет гауссово распределение интенсивности и высокую плотность мощности (10…10 Вт/см).
1
1
дифр
1
2
Эффективность предложенного устройства проверена экспериментально. Средняя мощность излучения в режиме с одним выпуклым зеркалом с радиусом кривизны 6 мм составила P=0,2 Вт, расходимость θ=0,2 мрад (2θ). С нестабильным резонатором с двумя выпуклыми зеркалами Р=1 Вт, расходимость практически достигла дифракционного предела θ=0,1 мрад.
Т.е. с новым резонатором по сравнению с аналогом мощность излучения увеличилась в 5 раз, а расходимость уменьшилась в 2 раза, что привело к увеличению плотности мощности ρ в фокусе в соответствии с формулой  в 20 раз.
Вместе с тем у прототипа по сравнению с аналогом плотность мощности излучения увеличивалась лишь в 3 раза. Таким образом, эффективность предложенного устройства по сравнению с прототипом стала примерно в 7 раз больше.
Источники информации
1. Григорьянц А.Г., Казарян М.А., Лябин Н.А. «Лазеры на парах меди». - М.: Физматлит, 2005, с.115-117.
2. Лябин Н.А., Угольников С.А., Ипполитова З.К. Патент на полезную модель «Импульсный лазер» №44004.