СПОСОБ ВЫВОДА И РЕГУЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ/МОЩНОСТИ ВЫХОДНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF OUTPUTTING AND CONTROLLING ENERGY/POWER OF OUTPUT LASER RADIATION AND APPARATUS THEREFOR

Заявленное техническое решение относится к способам регулируемого вывода излучения из резонатора лазера. Заявленный способ относится к способам и устройствам вывода энергии (импульсных) и мощности (непрерывных) лазеров с резонаторами, между выходным зеркалом и активным элементом которых имеется некоторое пространство.
Заявленный способ не может быть использован в случаях, когда покрытия зеркал резонаторов нанесены непосредственно на торцы активных элементов лазеров, или в лазерах, имеющих другие подобные решения, т.е. когда резонаторы составляют с активными элементами одно целое (миниатюрных лазерных устройств). Заявленное техническое решение также не относится к случаям, когда регулирование выходной мощности лазеров обеспечивается различными электронными способами - например, путем управления (изменения) энергии/мощности источника накачки.
Заявленное техническое решение может быть использовано при создании любых типов лазеров, которые имеют резонатор, зеркала которого конструктивно отделены от активного элемента. Причем это техническое решение может применяться в лазерах различного типа: лазерах, действующих на фиксированной частоте, в перестраиваемых лазерах, лазерах ультракоротких импульсов, лазерных фотометрах и спектрометрах. Заявленный способ может быть применен в лазерах, которые действуют в различных спектральных диапазонах, включая: средний инфракрасный, инфракрасный, видимый, ультрафиолетовый, вакуумно-ультрафиолетовый и мягкий рентген.
Попытки регулирования выходной энергии/мощности с целью достижения максимальной при выбранном уровне накачки оперативно и простыми действиями до настоящего времени являлись малоэффективными. Технические решения способов регулирования, заявленные ранее, порой трудоемкие и дорогие, не решали эту задачу в полной мере, а также эти решения часто имели узкоспециализированные области применения. Кроме того, устройства, реализующие эти решения, были сложны конструктивно и трудновыполнимы технологически.
Заявленное техническое решение заключается в замене выходного (полупрозрачного) зеркала резонатора лазера на зеркало с отражением, близким к 100%, и введением в резонатор дополнительного перемещаемого выводного непрозрачного зеркала, при помощи которого осуществляется вывод оптической энергии/мощности лазера. Это выводное зеркало установлено к оси резонатора, в общем случае, под углом, таким образом, чтобы отраженное от него излучение свободно выводилось из резонатора, не задевая элементы и узлы лазера. Само выводное зеркало устанавливается на специальном устройстве, которое позволяет прецизионно, возвратно-поступательно перемещать это зеркало в плоскости его отражающей поверхности.
При накачке активной среды лазера в его резонаторе устанавливается стоячая световая волна. При перемещении выводного зеркала с помощью специального устройства в направлении к оси резонатора с некоторого его положения выводное зеркало начинает частично перекрывать поле этой волны. Эта часть перекрытой световой волны отражается от поверхности зеркала и выводится из резонатора как полезное излучение. Оставшаяся внутри резонатора лазера часть энергии стоячей волны используется для самоподдержания. При дальнейшем перемещении зеркала в том же направлении выводимая энергия/мощность полезного излучения сначала будет возрастать до максимума, а при дальнейшем перемещении - убывать. Далее при достижении определенного положения выводного зеркала, когда энергии/мощности стоячей волны, остающейся в резонаторе лазера, будет недостаточно для самоподдержания, генерация излучения срывается.
Таким образом, заявленным способом обеспечивается возможность плавного регулируемого вывода энергии/мощности из резонатора лазера без выключения собственно самого лазера. Использование заявленного способа для выбранного уровня энергии/мощности накачки лазера при помощи устройства позволяет найти такое положение выводного зеркала, при котором уровень выводимой энергии/мощности лазера будет максимальный. Таким образом, назначением устройства является регулирование мощности/энергии лазера с целью:
1. нахождения и установки максимального уровня выводимой энергии/мощности излучения лазер, при выбранном уровне накачки оперативно без его выключения;
2. регулирование уровня энергии/мощности излучения лазера с целью установки необходимого потребителю уровня в пределах от минимальной до максимально достижимой по условиям п.1.
При регулировании выходной энергии/мощности лазера заявленным способом положение пятна луча лазера на мишени не испытывает каких-либо смещений.
Заявителем проведен анализ известного уровня техники на дату подачи заявки и выявлены аналоги технических решений, имеющие непосредственное отношение к заявленному техническому решению в отношении как известных способов, так и устройств. Ниже заявитель приводит информацию о выявленных способах регулирования энергии/мощности лазеров и устройствах, их реализующих.
Проблема простого регулирования выходной энергии/мощности лазеров является актуальной со времени создания собственно лазеров.
Проблема же создания способа и устройства, позволяющего плавно регулировать выводимую мощность лазера без его отключения, является наиболее актуальной и не разрешенной до настоящего времени вследствие наличия объективных не разрешенных в полной мере технических противоречий, описанных, например, в следующих описаниях изобретений и патентах.
Известно техническое решение (аналог 1) по патенту US 3448404 от 1969 года, (H01S 3/05, Filed Dec. 22, 1965, Ser. No. 515, 791 Int Cl. H01S 3/05 U.S. Cl. 331-94.5), заявленному Розом Макфарлейном (Ross A. McFarlane) с соавторами. Был предложен способ регулирования выходной мощности газового лазера при помощи прозрачной пластины 21 и зеркала 22 (Фиг.1). Этот способ основан на известной зависимости пропускания/отражения прозрачной пластинки от угла падения на нее излучения. В этом способе изначально пластинка 21 устанавливается под углом Брюстера (параллельно пластинкам 12 и 13, они являются окнами газовой кюветы активного элемента лазера, и которые установлены на нее так же под углом Брюстера). В этом положении пластинки 21 излучение, генерируемое лазером, проходит без потерь. При отклонении этой пластинки от угла Брюстера часть излучения начинает от нее отражаться (отбирается часть мощности от генерируемого излучения) и зеркалом 22 направляется на поглотитель. Таким образом, на выходе лазера (зеркало 16) выбирается необходимый уровень мощность излучения. Следует отметить, что регулирование выходной мощности лазера изменением мощности его накачки в то время не представлялось возможным вследствие уровня развития электроники того времени, а потребность в регулировании выходной мощности лазера была актуальной уже тогда (аналог 1).
Недостатками известного способа и устройства являются:
1. нет возможности нахождения максимально возможной выводимой мощности при выбранном уровне накачки вследствие того, что начальный уровень выводимой мощности определяется пропусканием выходного зеркала (16) резонатора лазера, а в этом способе идеологически и конструктивно заложено регулирование только в сторону уменьшения (ослабления) от этого начального уровня выводимой мощности. А коэффициент отражения этого выходного зеркала (16), оптимальный для одного уровня накачки лазера, будет неоптимальным для другого уровня его накачки;
2. применим только для лазеров, действующих в узкой спектральной области, вследствие наличия конструктивных элементов, которые ее ограничивают, т.к. эта область ограничена спектральной областью пропускания прозрачной пластинки применяемой в резонаторе лазера;
3. низкая точность удержания пятна луча лазера на мишени во время регулирования, что является следствием особенности конструкции устройства, т.к. пятно луча лазера на мишени будет испытывать смещение вызванное преломлением луча в регулирующей пластинке 21, которая имеет конечную толщину. Причем это смещение тем больше, чем больше угол между плоскостью регулирующей пластинки и осью резонатора, а также оно зависит от толщины этой пластинки;
4. большое число оптических элементов и узлов для реализации в устройстве, что резко усложняет конструкцию, т.к. для реализации известного устройства требуются три дополнительных элемента: прозрачная пластинка 21, зеркало 22 и элемент поглощающий излучение, каждый со своим механическим узлом для их удержания. Причем угол между пластинкой 21 и зеркалом 22 должен быть 90 градусов.
Известен способ (аналог 2) регулируемого вывода излучения из резонатора, предложенный в работе: «Eduardo Granados, David W. Coutts, and David J. Spence / Mode-locked deep ultraviolet Ce:LiCAF laser // OPTICS LETTERS / Vol.34, No.11 P.1660-1662». В этой работе приводится описание лазера с лазерной накачкой, в котором полезная часть излучения выводится из резонатора при помощи прозрачной пластинки. Причем плавное изменение выводимой мощности этого лазера с целью регулирования осуществляется ее поворотом. Ниже в описании представлен фрагмент из этой статьи и рисунок со схемой этого лазера с подписью к нему, а также часть текста статьи, где описывается его схема. Тут же заявителем приводятся соответствующие переводы на русский язык.
На Фиг.2 жирным шрифтом выделена фраза, относящаяся к существу вопроса: «....The three cavity mirrors had low transmission (<0.03%), and so a 6-mm-thick UV-grade silica plate placed in the cavity at close to Brewster's angle was used as a variable output coupler. The cavity lengths of the pump and cerium laser were matched for synchronous mode locking. Each time the chopper opened a stable mode-locked pulse train was produced after approximately 4 mks build up time. A maximum output of 52 mW was obtained, with an output coupling of 3% inferred by measurement of the coupler angle. All reflections from the plate were included in the power measurement; this power could be easily produced in a single output beam with a suitable transmissive cavity mirror.…» Перевод текста: «…Три зеркала резонатора имели низкое пропускание (<0,03%), и также пластина 6-мм толщины из УФ-кварца, помещенная в резонатор под углом, близким к углу Брюстера, была использована в качестве выходного зеркала с переменным пропусканием. Длина резонатора для накачки цериевого лазера была подобрана для достижения синхронизации мод. Каждый раз, когда прерыватель открывался, устанавливался стабильный режим последовательности импульсов генерируемых приблизительно после 4 мкс от момента его открывания. Максимальная мощность 52 мВт была получена при выходной связи вывода из резонатора около 3% (эквивалентно выходному зеркалу с пропусканием 3%), определяемых изменением угла ответвителя. Все отражения от пластины были учтены при измерении выводимой мощности; эту мощность можно было легко определить по резонатору с одиночным выходным пучком с зеркалом с эквивалентным пропусканием…» (аналог 2).
В известном способе по аналогу 2 для регулирования выходного излучения в качестве физического принципа, так же как и в аналоге способа регулирования 1, используется зависимость коэффициента отражения прозрачной пластинки от угла падения на нее излучения. Только в аналоге 2 пластинка используется для вывода полезного излучения из резонатора лазера, который составлен их «глухих», с отражением, равным 100% зеркал. Этим способом возможно плавное регулирование выходной энергии/мощности и при регулировании можно найти такое положение пластинки, при котором выходная энергия/мощность лазера с таким резонатором будет максимальной. Однако в аналоге 2 в соответствии с законами оптики в противоположную сторону от направления выводимого излучения, указанного авторами, излучение будет отражаться также и противоположной стороной пластинки, что приведет к дополнительным потерям. На последнее, весьма негативное свойство аналога 2 авторами не было обращено внимание читателя.
Недостатками известного способа и устройства являются:
1. узкий спектральный диапазон его применения вследствие наличия конструктивных элементов, которые ее ограничивают, т.к. эта область ограничена спектральной областью пропускания применяемой прозрачной пластинки;
2. сложность регулирования выводимой мощности вследствие особенностей принципа действия устройства, т.к. при регулировании энергии/мощности направление выводимого излучения меняется весьма существенно, а именно: угол между крайними положениями пучка выходного излучения составляет десятки градусов. В этом случае имеется необходимость перемещать «потребителя» излучения такого лазера, например мишень, и снова наводить излучение на то же место, куда падало излучение до предыдущей подстройки выводимой энергии/мощности;
3. низкий КПД устройства вследствие особенности конструкции устройства - присутствия отражения в направлении, противоположном выводимому, указанному на Фиг.2 (на рисунке авторами не показано), это является каналом дополнительных потерь, что снижает КПД (эффективность) лазера в целом;
4. сложность реализации конструкции известного устройства вследствие того, что для устройства, реализующего этот известный способ, кроме узла для вращения пластинки, с помощью которой осуществляется регулирование выходной энергии/мощности лазера, потребуется специальное устройство для перемещения мишени, то есть приемника излучения, которое отслеживало бы изменение направления выводимого луча лазера.
Известен способ (аналог 3), в котором для регулирования выходной энергии/мощности излучения лазера используется интерференционное зеркало в виде клина-фильтра. Этот способ представлен в патенте US 4187475 от 5 февраля 1980 года, заявленном Ирвином Видером (Irwin Wieder). (Int. Cl. H01S 3/08 U.S. Cl. 331/94.5 S; 331/94.5 C; 350/288). Этот клин-фильтр представляет собой интерференционное зеркало, у которого толщины слоев диэлектрических покрытий изменяются от одного края зеркала до другого. В результате пропускание такого зеркала для конкретной выбранной длины волны является функцией его положения относительно падающего на него луча. Этот клин-фильтр используется в качестве выходного зеркала резонатора лазера. Регулирование энергии осуществляется возвратно-поступательным перемещением данного зеркала перпендикулярно оси резонатора. Перемещением этого выходного зеркала находят такое его положение, при котором вывод выходной энергии лазера максимальный.
На Фиг.3 изображен клин-фильтр. На подложку 2 из стекла или кварца нанесены диэлектрические слои 4, 6, 8, 10 и 12 последовательно с большой и малой диэлектрической постоянной таким образом, что толщина каждого слоя линейно возрастает от одного конца подложки до другого. Таким образом, пропускание такого фильтра для выбранной длины волны будет функцией положения пучка излучения относительно краев такого зеркала (аналог 3).
Недостатками известного способа и устройства являются:
1. узкий спектральный диапазон применения такого способа, так как он ограничен диапазоном прозрачности основы клина-фильтра, а также напыляемых на нее материалов;
2. сложная технология и дороговизна нанесения диэлектрических покрытий переменной толщины.
3. сложная конструкция устройства как в реализации, так и в использовании, так как оно выполняет сразу две функции: выходного зеркала резонатора лазера и регулирующего устройства. То есть кроме обычных винтов юстировки, требующихся для настройки этого клина-фильтра как выходного зеркала резонатора лазера, этот узел должен иметь устройство продольного перемещения, причем весьма прецизионное, такое чтобы эта юстировка сохранялась. Поэтому в известном способе 3 при его использовании для клина-фильтра применяется автоматическая подстройка с электронным управлением.
Известен способ (аналог 4), позволяющий производить регулировку выходного излучения лазера посредством дополнительного внутрирезонаторного устройства, защищенного патентом US 3243724 от 1963 года, заявленный Артуром Вилстеком (Arthur A. Vuylsteke). (U.S. Patents 3243724 1/1963 S.n. 250, 250 3 Claims (Cl.331-94.5)). Схема установки реализующей этот способ приведена на Фиг.4. В этом способе используется деление внутрирезонаторного циркулярно поляризованного света лазера на обыкновенную и необыкновенную волны двулучепреломляющим кристаллом 20, введенным в резонатор, а также введенного туда же регулирующего элемента 18, способного вращать поляризацию проходящего сквозь него излучения, в качестве которого, например, может служить ячейка Керра. Путем вращения последнего относительно оси резонатора осуществляется регулирование излучения и, соответственно, изменяется доля выводимой мощности лазерного излучения.
Принцип регулирования приведен на Фиг.4. В качестве активного элемента лазера использовался рубин 10 в виде цилиндрического стержня с плоскопараллельными торцами 12 и 14, которые были перпендикулярными к оси стержня. На торце 12 нанесено покрытие с коэффициентом отражения, близким к единице. Это покрытие вместе с зеркалом 22 образуют «глухой» (т.е. оба зеркала имеют 100% отражения на длине волны генерации) резонатор лазера. Торец 14 покрытия не имеет, поэтому вся генерируемая энергия свободно проходит через него. Стержень 10 окружает импульсная лампа накачки выполненная в виде спирали 16, которая подключена к источнику питания 17. Выходной пучок излучения поляризован перпендикулярно оси стержня. На пути луча лазерной генерации, т.е. соосно стержню, расположен вращатель поляризации 18, а за ним - двулучепреломляющий селектор поляризации 20, который разделяет пучок излучения на два - обыкновенный и необыкновенный пучки. Необыкновенный пучок выходит из лазерного резонатора как полезное излучение, а обыкновенный остается в нем, отражаясь от зеркала 22 для поддержания стоячей волны генерации лазера.
Недостатками известного способа и устройства являются:
1. большие потери излучения на поверхностях и в теле дополнительных элементов 18 и 20, введенных в резонатор, которые вносят в последнем дополнительные потери, что отрицательно сказывается на выходных характеристиках лазера;
2. узкий спектральный диапазон применения, который ограничивается спектральными и оптическими характеристиками двулучепреломляющих оптических элементов и элементов для вращения плоскости поляризации, кроме того, поляризационно-активные материалы известны только для узкой спектральной области - видимый и ближний ИК диапазоны;
3. сложная конструкция устройства, которое занимает большое внутрирезонаторное пространство, т.к. для реализации устройства требуются два оптических элемента, которые устанавливаются в резонатор одно за другим, каждый со своим узлом юстировки, при этом с прецизионным вращением одного из них.
Известен способ (аналог 5) регулирования выходной мощности который описывается в патенте (RU 2150773, МПК H01S 3/08, заявка 98118589/28, 08.10.1998). Для этого в мощном лазере используется устойчиво-неустойчивый резонатор (см. Фиг.8), внутри которого располагается «плоская» протяженная активная среда. Устойчиво-неустойчивый резонатор, имеющий устойчивость в вертикальной плоскости (вид резонатора в этой плоскости изображен на нижней части Фиг.5), а перпендикулярно к ней располагается плоскость неустойчивости, в которой осуществляется регулирование выходной мощности. Вид резонатора в этой плоскости с устройством регулирования изображен на верхней части Фиг.5. Вывод излучения в лазере осуществляется путем возвратно-поступательного перемещения блока зеркал 4 вдоль направления вывода. В плоскости неустойчивости резонатор имеет небольшой коэффициент увеличения М, 1<М<2. Технический результат изобретения состоит в возможности регулирования уровня выводимой мощности с возможностью нахождения максимального ее уровня при заданном уровне накачки, что ведет к увеличению КПД лазера.
Недостатками известного способа и устройства являются:
1. низкая пространственная когерентность генерируемого лазерного пучка - он состоит как бы из двух пучков, поэтому в блоке зеркал угол между зеркалами должен выдерживаться равным 90 градусам максимально точно, иначе на большом расстоянии эти половины пучка разойдутся;
2. устройство резонатора сложно конструктивно, т.к. требует прецизионных узлов с юстировкой как для каждого из зеркал блока, так и для перемещения всего блока регулировки.
Известен способ (аналог 6) вывода мощности/энергии из резонатора лазера. Суть этого способа изложена в книге: Е.Ф. Ищенко, «ОТКРЫТЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ РЕЗОНАТОРЫ НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ И РАСЧЕТА», МОСКВА: СОВЕТСКОЕ РАДИО. - 1980 г. На странице 8 приводится Фиг.1.2 (см. Фиг.6 этой заявки) со следующим текстом: «…Иногда используют элемент с отверстием связи (Фиг.1.2б); таких отверстий может быть несколько. Возможен также вывод излучения через края одного из отражателей (Фиг.1.2в) или с помощью полупрозрачной пластинки, помещаемой внутрь полости резонатора (Фиг.1.2г)».
Пропускание такого зеркала, в свою очередь, определяется прозрачностью выходного зеркала на фиг.6 - рис.1.2а или отношением площади отверстия в выходном зеркале к площади пятна стоячей волны (на рисунках 1.2 область стоячей волны заштрихована), образуемой в лазере во время генерации - рис.1.2б, или площади пятна стоячей волны к площади зеркала для случая 1.2в. Следует обратить внимание, что в случаях, приведенных на фиг.6 (рис.1.2б и 1.2в), излучение выводится за края выходных зеркал. Размер пятна стоячей волны, в свою очередь, определяется конфигурацией резонатора (с плоскими зеркалами, расположенными конфокально, концентрически и т.п.). В случае схемы резонатора, отображенного на Фиг.6 (рис.1.2г), уровень выводимой мощности/энергии из резонатора определяется прозрачностью (зеркальностью) пластинки, помещаемой внутрь его полости. Здесь отметим особо, что для случаев, приведенных на фиг.6 (рис.1.2а-в), каждый раз при замене зеркала требуется юстировка резонатора, а в случае, приведенном на фиг.6 (рис.1.2г.), юстировки не требуется.
Недостатками известного способа и устройства являются:
1. отсутствие возможности оперативного регулирования выходной мощности/энергии без выключения лазера, т.к. для изменения отношения площади пятна выводимого излучения к площади оставшейся части пятна стоячей волны на зеркале резонатора требуется набор из 3-5 зеркал с различными диаметрами отверстий, или набора полупрозрачных пластин с различным пропусканием (отражательной способностью), для случая, приведенного на фиг.6 (рис.1.2г);
2. потребность в новой юстировке резонатора при каждой замене зеркала на зеркало с другим отношением площадей. Но в случае, приведенном на Фиг.6 (рис.1.2г), с полупрозрачными пластинами, юстировки резонатора не требуется, однако в целях безопасности требуется выключение лазера для установки новой пластинки и настройки ее положения с целью восстановления направления излучения лазера на мишень.
3. большое число дорогостоящих зеркал для реализации устройства по любой из схем прототипа, т.к. требует набора из 3-5 зеркал с различным пропусканием (или набор из полупрозрачных пластин) для каждого из заявленных спектральных диапазонов: среднего инфракрасного, инфракрасного, видимого, ультрафиолетового, вакуумно-ультрафиолетового и мягкого рентгена, а также необходимость в юстировке лазера при замене одного зеркала на другое во всех упомянутых диапазонах. Кроме того, к этим неудобствам в случае лазера, работающего, например, в вакуумно-ультрафиолетовой области спектра, при замене одного зеркала другим добавится потребность в разгерметизации бокса, в который этот лазер помещен, с откачкой бокса заново после замены зеркала, что в конечном счете приводит к неоправданно высоким затратам материальных ресурсов и времени.
4. низкий КПД вследствие отражения (потери) части мощности/энергии противоположной стороной пластинки (автором не указано) в направлении противоположном выводимому излучению.
Известно устройство по изобретению «Лазер», защищенному а.с. № SU 884526, в котором осуществляется способ регулирования энергии/мощности выходного излучения лазера (прототип). Известное устройство отличает то, «что резонатор в предлагаемом лазере образован крышеобразным и плоским металлическими зеркалами, между активной средой и плоским металлическим зеркалом расположен плоский зеркальный дифракционный экран, выполненный подвижным в направлении, перпендикулярном оптической оси, и перекрывающий не менее половины апертуры пучка излучения, причем зеркальная поверхность экрана обращена к активной среде и параллельна ребру крышеобразного зеркала.
При этом вдоль ребра крышеобразного зеркала выполнена щель регулируемой ширины» (Фиг.9, 10).
Общими признаками между сопоставляемыми решениями (прототипом и заявленным решением) в отношении способа - являются:
- выходное излучение резонатора лазера выводится с помощью регулирующего элемента;
- регулирующий элемент выполнен с возможностью перемещения;
в отношении устройства:
- выходное зеркало со 100% отражением;
- регулирующий элемент выходного излучения, помещенный между активным элементом и выходным зеркалом;
- механизм перемещения регулирующего элемента.
Перед описанием недостатков известного устройства и способа, осуществляемого с помощью этого устройства, реализуемого в изобретении по а.с., следует отметить, что описываемый в а.с. лазер и способ регулирования относятся к лазерам только импульсного действия. Упоминание термина «мощность» относится только к пиковой мощности импульсов, увеличивающейся за счет укорочения длительности этих импульсов.
К недостаткам технического решения, описанного в а.с., относятся:
- работоспособность способа вывода и регулирования в лазерах только импульсного действия;
- в качестве отражательного элемента для вывода выходного излучения, реализующего способ вывода и регулирования энергии и мощности, используется дифракционный экран - сложный, дорогой и не стойкий к высокой плотности излучения элемент, который не рассматривается как самостоятельный регулирующий элемент (т.к. работает в связке с крышеобразным зеркалом) и не может быть применен в лазерах другого типа;
- сложность установки дифракционного экрана, поверхность которого должна быть строго параллельна ребру крышеобразного зеркала;
- малый диапазон регулирования, так как регулирующий элемент уже введен в поле резонатора, причем не менее чем на половину, и задача этого элемента - компенсация потерь энергии путем нахождения ее максимального возможного значения (энергии) после установки другого размера ширины щели в крышеобразном резонаторе;
- потери на краю экрана и потери на щели крышеобразного зеркала, которые приводят к повышению порога генерации и уменьшению КПД;
- перемещение пятна излучения на мишени за счет перемещения элемента регулирования и наличие дифракционного излома, изменяемого при перемещении элемента регулирования;
- для удержания пятна излучения на мишени необходимость использования дополнительных элементов вне конструкции лазера;
- регулирование энергии осуществляется путем последовательного приближения, но не менее двух этапов: регулирование щели крышеобразного зеркала, подстройка выходной мощности с помощью дифракционного экрана и осуществление контроля длительности.
Заявленное техническое решение поясняется следующими графическими материалами:
На Фиг.1 представлен аналог по патенту США в виде объемного изображения известного устройства.
На Фиг.2 представлен аналог в виде схемы экспериментальной установки со схематическим изображением известного устройства
На Фиг.3 представлен аналог по патенту США в виде схематического изображения известного устройства.
На Фиг.4 представлен аналог по патенту США в виде объемно-схематичного изображения известного устройства.
На Фиг.5 представлен аналог по заявке на изобретение в виде схематичного изображения известного устройства.
На Фиг.6 представлен аналог из книги в виде схематичного изображения известного устройства.
На Фиг.7 представлен аналог по а.с., выбранный в качестве прототипа, в виде схематического изображения известного устройства.
На Фиг.8 представлена схема лазера на красителе, использовавшегося в экспериментах.
На Фиг.9 представлен общий вид в виде схематичного изображения заявленного способа и устройства.
На Фиг.10 представлен детализированный фрагмент заявленного технического решения, увеличенный фрагмент схемы выходной части лазера, приводившейся на Фиг.9.
Сущность заявленного технического решения заключается в способе регулирования энергии/мощности выходного излучения лазера, в котором:
- выходное зеркало заменяется на «глухое»;
- применено дополнительное зеркало, уставленное в резонатор под углом к его оси, на устройстве, обеспечивающем плавное возвратно-поступательное перемещение этого зеркала вдоль его отражающей плоскости с целью плавного регулирования энергии/мощности выходного излучения лазера.
Осуществив существенное упрощение конструкции, с одной стороны, авторам удалось решить 11 задач, для решения которых методами обычного конструирования требовалось бы разрешить практически непреодолимые противоречия.
Например, для повышения КПД для каждого уровня накачки надо подбирать индивидуальное зеркало. При этом следует отметить, что количество шагов по подбору зеркал для каждого уровня накачки может быть несколько (от 3-4 до десятков).
Заявленное техническое решение обеспечивает повышение показателей эффективности импульсных и непрерывных лазеров, оснащенных резонаторами в виде отдельных зеркал, посредством элементарной замены выходного зеркала, используемого обычно, на «глухое», при одновременном применении заявленного устройства с зеркалом, установленным в резонатор, удалось решить 11 целей (задач), и это является доказательством неочевидности для специалистов в данной области техники.
Указанная неочевидность доказывается тем, что в данном случае имеется техническое противоречие между необходимостью поддержания КПД лазера на максимально возможном уровне при любых уровнях накачки. Однако выходное зеркало резонатора (например, импульсного или непрерывного лазера) с одним коэффициентом отражения, которое оптимально для одного уровня энергии/мощности накачки, является неоптимальным при другом ее уровне. Причем при увеличении уровня накачки необходимо, чтобы у лазера выходное зеркало было с меньшим коэффициентом отражения, а при уменьшении уровня - с большим коэффициентом отражения.
До представления заявленного технического решения в большинстве из известных из уровня техники способов для выбранного уровня накачки регулирование осуществлялось путем подбора, то есть посредством замены одного полупрозрачного зеркала на другое с другим коэффициентом пропускания с последующей его переюстировкой. Это действие являлось достаточно сложной в техническом отношении процедурой и достаточно дорогостоящим процессом в смысле необходимости в материальных затратах на приобретение, подбор и подстройку зеркал в лазерах, при этом была строгая необходимость в выключении лазера. Таким образом, основной задачей заявленного технического решения является реализация возможности выведения, регулирования и поддержания выводимой энергии/мощности на необходимом пользователю уровне в пределах обеспечиваемым выбранным уровнем накачки лазера без его выключения.
При выводе и регулировании выходной энергии/мощности лазера в заявленном техническом решении обеспечивается стабильность пространственного положения выходного лазерного пучка, что является весьма значительным (существенным) фактором, определяющим качественные контролируемые показатели по производительности и по иным существенным показателям дорабатываемого лазера (т.е. лазера, в котором реализуется заявленный способ).
В основе заявленного технического решения была задача разработки способа и устройства вывода и регулирования уровня выводимой из резонатора оптической энергии/мощности из лазера (с возможностью обеспечения ее (энергии/мощности максимального уровня) импульсного и/или непрерывного действия непосредственно во время его работы - без его остановки и новой юстировки резонатора лазера. При использовании заявленного способа благодаря возможности оперативной подстройки энергии/мощности выводимого излучения с помощью устройства, реализующего его, коэффициент полезного действия лазера может быть максимально возможным при любом текущем уровне накачки (поскольку пропускание выходного зеркала лазера должно быть тем больше, чем выше уровень накачки, то есть для этого необходима его постоянная подстройка). В заявленном варианте конструкция и габариты лазера, оборудуемого этим устройством, не изменяются, и оно может быть встроено практически в любой лазер действующий (используемый) в хозяйственном обороте, который имеет между выходным зеркалом и активным элементом свободное место, достаточное для установки заявляемого устройства регулирования, посредством которого и реализуется заявленный способ.
Заявленное техническое решение обеспечивает возможность решения всех перечисленных недостатков выявленных из уровня техники у аналогов и наиболее близкого аналога-прототипа посредством применения достаточно простого с точки зрения конструкции решения и позволяет придать вновь разрабатываемым лазерам новое качество (новые потребительские свойства, которыми в настоящее время не обладают известные из уровня техники устройства), а именно:
1. обеспечение возможности повышения КПД лазера при выбранном уровне накачки;
2. обеспечение возможности оперативного регулирования выходного излучения при текущем уровне накачки непосредственно во время работы лазера;
3. обеспечение возможности регулирования энергии/мощности лазера в максимально широком диапазоне спектра от среднего ПК, до мягкого рентгена (диапазон 20 мкм - 0,05 мкм);
4. обеспечение возможности расширения диапазона перестройки перестраиваемых по длине волны лазеров (особенно) на краях диапазона перестройки за счет обеспечения возможности оперативного регулирования энергии/мощности выводимого излучения при выбранной длине волны генерации и текущем уровне накачки без его остановки (выключения);
5. обеспечение возможности упрощенной эксплуатации лазера за счет исключения трудоемкого процесса юстировки (переюстировки) зеркал резонатора после каждой их замены с возможностью плавного регулирования (повышения и понижения соответственно) выводимой мощности в зависимости от потребности пользователя;
6. обеспечение стабильности пространственного положения выходного лазерного пучка;
7. сохранение работоспособности заявленного технического решения в лазерах различного типа - непрерывных, импульсных и генерирующих импульсы ультракороткой длительности;
8. возможность выведения максимальной энергии/мощности лазера для текущего уровня накачки для любого типа лазера без его остановки (выключения);
9. обеспечение работоспособности при использовании в лазерах с резонаторами любой сложности: простых, двухзеркальных, с селектирующими элементами, кольцевых и т.п.;
10. обеспечение экономической эффективности при проведении НИР и НИОКР;
11. обеспечение экономической эффективности при эксплуатации серийных лазеров.
Сущность заявленного технического решения заключается в способе вывода и регулирования энергии/мощности выходного излучения лазера, заключающемся в установке в резонатор лазера под углом к оси резонатора отражающего элемента на подвижном основании, положение которого определяет уровень выводимой энергии/мощности после запуска лазера, и установки требуемого уровня энергии/мощности накачки, отличающемся тем, что в заявленном способе в резонатор импульсного или непрерывного лазера между выходным зеркалом лазера, замененным на непрозрачное отражающее зеркало, и торцом его активного элемента в качестве отражающего регулирующего элемента устанавливается непрозрачное отражающее зеркало на подвижном основании, позволяющем перемещать это зеркало параллельно его отражающей поверхности в пределах от полного его вывода за пределы светового поля, установившегося в резонаторе, до полного перекрытия этого поля после ввода этого перемещаемого зеркала, с возможностью осуществления не только вывода энергии/мощности лазера, но и его регулирования, а именно плавного изменения энергии/мощности от нулевого до максимального значения и обратно при заданном уровне накачки и возможности установки выводимой энергии на требуемом уровне. Устройство, реализующее способ по п.1., вводимое в резонатор лазера между активной средой и выходным зеркалом лазера, обеспечивающее вывод и регулирование энергии выходного излучения лазера, отличается тем, что выполнено в виде непрозрачного отражающего зеркала, установленного на механическую пару механизм, представляющую собой узел для крепления зеркала и основания, соединенных между собой посредством винт-гайка для обеспечения возвратно-поступательного перемещения этого зеркала параллельно его отражающей плоскости путем установки этого зеркала на механизме под углом к оси резонатора импульсного или непрерывного лазера.
При этом характерным для заявленного технического решения является оригинальность (неочевидность для специалиста) предложенного решения вследствие того, что не требуется большого набора, обычно состоящего из 3-5 дорогостоящих индивидуально изготовленных зеркал с различными коэффициентами отражения, для возможности выбора из них зеркала с оптимальным коэффициентом отражения для данного уровня накачки для регулирования выходной энергии/мощности лазера с последующей юстировкой зеркала при каждой замене его на другое для каждого из заявленных спектральных диапазонов: от среднего инфракрасного, инфракрасного, видимого, ультрафиолетового, вакуумно-ультрафиолетового и до мягкого рентгена, а материально-технические затраты на оптимизацию выходной энергии/мощности лазеров значительно минимизируются.
Схематически заявляемый способ приведен на Фиг.9 и Фиг.10. В качестве выходного зеркала в резонаторе лазера устанавливается зеркало м2 с такими же характеристиками, которые имеет зеркало, применяемое в этом лазере в качестве «глухого» то есть как у зеркала м1, которое имеет коэффициент отражения на длине волны генерации лазера, близкий к 100% (или 0% пропускания). Между активным элементом и выходным зеркалом вводится третье плоское непрозрачное зеркало м3 (далее будем называть выводным), плоскость отражения которого установлена под углом к оси резонатора, образованного двумя первыми зеркалами. Отражающая сторона выводного зеркала должна быть обязательно обращена в сторону активной среды лазера АС.
Вывод излучения из резонатора лазера осуществляется путем перемещения выводного зеркала вдоль его плоскости отражения до пересечения с областью, в которой образовалась стоячая волна генерации лазера, как показано на Фиг.10, где приводится увеличенный фрагмент схемы выходной части лазера, приводившейся на Фиг.9.
Часть излучения стоячей волны, попавшая на отражающую поверхность выводного зеркала, выходит из резонатора под углом в соответствии с законом отражения. Дальнейшее плавное перемещение выводного зеркала в направлении к оси резонатора вдоль плоскости отражения приведет вначале к возрастанию выходной энергии/мощности лазера, а затем, с какого-то момента, к плавному убыванию вплоть до срыва генерации. Таким образом, при перемещении этого третьего зеркала в прямом или обратном направлениях можно найти такое его положение, при котором вывод энергии/мощности лазера будет максимальным для текущего уровня накачки.
Зеркала м2 и м3 образуют как бы выходное зеркало лазера с плавно изменяемым пропусканием. Его коэффициент пропускания определяется отношением площади части пятна стоячей волны лазера на зеркале м2, перекрытой зеркалом м3, к оставшейся площади пятна стоячей волны на зеркале м2. Перемещением зеркала м3 осуществляется плавная настройка пропускания выходного зеркала лазера для достижения максимально возможного уровня выводимой оптической энергии/мощности.
Применение такого способа вывода излучения не исключает использования различных устройств с другой стороны резонатора, т.е. со стороны места традиционной установки глухого зеркала резонатора лазера. Здесь, как обычно, можно использовать любые элементы - от просто глухого зеркала до зеркал с селектирующими дисперсионными элементами, которые традиционно применяются в перестраиваемых лазерах, а также различных элементов затворов, часто применяемых для модуляции добротности резонаторов лазеров.
Заявленный способ вывода излучения из резонатора позволяет существенно расширить диапазон перестройки перестраиваемых по длине волны лазеров. Причем применение устройства, реализующего заявленный способ, позволяет оперативно регулировать выходное излучение при выбранной длине волны генерации и текущем уровне накачки. Особенно это актуально на краях диапазона перестройки, тогда когда усиление активной среды на них меньше, и в этом случае требуется более закрытый резонатор, т.е. требуется выходное зеркало с меньшим пропусканием, чем в середине диапазона.
Данный способ вывода излучения из глухого резонатора сохраняет работоспособность в лазерах различного типа, генерирующих в широком диапазоне длин волн от средней ИК области спектра до вакуумного ультрафиолета (ВУФ) и даже мягкого рентгена. В настоящее время в средней (видимой и близко к ней) части указанного диапазона спектра хорошо развита технология нанесения диэлектрических покрытий на подложки. Благодаря этой технологии для лазеров, излучающих в этой области спектра, до настоящего времени изготавливаются полупрозрачные зеркала в качестве выходных в резонаторах лазеров. На краях же диапазона (среднего ИК и ВУФ а также мягкого рентгена) изготовление полупрозрачных выходных зеркал связано с рядом трудностей, в частности, с отсутствием материалов как для основы зеркала, так и для покрытий, прозрачных в этой области. Именно поэтому в лазерах, генерирующих в этих областях, применяются специальные лазерные резонаторы, сконструированные для конкретной задачи, например, с отверстиями различного диаметра в металлической оптике (который выбран в качестве прототипа этой заявки). Заявленный способ позволяет решать эту проблему легко - двумя одинаковыми глухими зеркалами, одно из которых подвижное. Способ применим для любых типов лазеров, как импульсных, так и непрерывных, а также применим для лазеров, излучающих во всех упомянутых здесь спектральных диапазонах спектра, включая видимый.
Экспериментальные данные
Встраивание в резонатор лазера устройства регулирования выходного излучения и особенности его эксплуатации
Для предотвращения смещения пучка выходного излучения лазера при поступательном движении зеркала ВЗ необходимо, чтобы движение осуществлялось вдоль его отражательной плоскости (Фиг.10).
При этом угловая ориентация этого зеркала относительно оси резонатора может быть, в разумных пределах, любой, тем не менее, каждое из этих положений зеркала В3 имеет свои преимущества и недостатки. Например, при установке зеркала ВЗ к оси резонатора под углом 45°, когда выводимое излучение из резонатора составляет с осью резонатора прямой угол, для ВЗ можно использовать зеркала сравнительно небольшого размера. Для перемещения таких зеркал необходимы прецизионные узлы с малым предельным перемещением (например, работающие на основе пьезоэффекта). При этом если используются диэлектрические зеркала, то в этом случае наилучшим образом подойдут зеркала со 100% отражением при угле падения на них равном 45°. Зеркала с такой характеристикой наряду с зеркалами с другими характеристиками, часто предлагаются производителями.
В случае угла падения излучения на зеркало В3, близкого к 90°, когда излучение практически скользит по поверхности зеркала, можно найти ряд более значимых преимуществ. В этом случае требуется узел продольного перемещения с существенно большим предельным ходом. Пятно лазерного пучка на перемещаемом зеркале занимает большую площадь при той же энергии, что и в предыдущем случае, а это означает, что плотность энергии на зеркале существенно снижена, и, следовательно, можно использовать зеркала с гораздо меньшей лучевой прочностью. Дефекты некачественной обработки края зеркала будут давать меньший вклад в дифракционные потери резонатора с таким способом вывода излучения. Также в этом случае можно использовать в качестве зеркала ВЗ вместо диэлектрических или металлических зеркал, простые стеклянные или кварцевые и т.п. пластинки. Потери на пропускание пластинок, расположенных под таким углом к излучению, несущественны, однако эти пластинки должны быть довольно длинными.
Описание схемы экспериментальной установки
Метод вывода излучения с внутрирезонаторным зеркалом, описываемый в этой работе, можно использовать в любом лазере, у которого имеется некоторое пространство между активной средой и выходным зеркалом резонатора. В данной работе изучение характеристик и свойств выходного излучения лазера с применением этого метода осуществлялось на красительном лазере с квазипродольной накачкой, схема которого приведена на Фиг.10.
3+
Активной средой этого лазера (Фиг.8) являлся краситель феналемин 160, растворенный в этиловом спирте, который прокачивался через кювету (3) с окнами скошенными друг относительно друга - для предотвращения на них паразитной генерации. Активная среда лазера накачивалась излучением второй гармоники YAG:Nd лазера (1), которое фокусировалось в среду линзой (2). Резонатор был составлен из глухих диэлектрических зеркал (6) и (10) и глухого зеркала (5), подведенного своим краем к оси резонатора под некоторым углом, причем его диэлектрическое покрытие было обращено в сторону активной среды. Перемещением зеркала (5) вдоль его плоскости отражения при пересечении им модового поля резонатора осуществлялся регулируемый вывод энергии генерации лазера. Призмы (7, 8), введенные в резонатор лазера, являлись диспергирующими элементами, которые позволяли осуществлять перестройку излучения лазера по длинам волн. Перестройка лазера на красителе осуществлялась поворотом глухого зеркала (10) вокруг оси нормальной к плоскости рисунка. Для обеспечения генерации только одной поперечной моды в лазерный резонатор была введена диафрагма (4). Контроль длины волны осуществлялся спектрометром (13) посредством световода (12) по доле генерируемого излучения, проходящей сквозь глухое диэлектрическое зеркало (10), которое рассеивалась матовой стеклянной пластинкой (11) для снижения интенсивности этого излучения. Мощность выходного излучения лазера регистрировалась с помощью измерителя (9), подключенного к тому же компьютеру. Поток данных обрабатывался компьютером (14).
Результаты экспериментов
Результаты, полученные с внутрирезонаторным устройством с зеркалом 5 (см. Фиг.8), приведены на рисунке 3, из которого видно, что для каждой длины волны существует оптимальное положение зеркала, при котором значение выводимой мощности максимально. Действительно, оно соответствует оптимальному значению внутрирезонаторных потерь, соответствующих коэффициенту усиления активной среды на выбранной длине волны при заданном уровне накачки.
На этом рисунке также видно, что существует диапазон положений зеркала ВЗ, при которых возможно осуществление плавной регулировки выводимой из резонатора мощности от нуля до максимума (т.е. решение цели 2).
Кроме того, на графиках (Фиг.11) видны максимумы зависимости выходной мощности лазера на красителе с внутрирезонаторным устройством «вывода излучения за край» от положения его зеркала относительно края внутрирезонаторного пучка излучения. Эти кривые были получены в результате измерений на каждой из длин волн лазера: 585, 590, 600, 615, 630, 645, 660 нм, на которые осуществлялась перестройка длины волны лазера перед каждой серией измерений. Измерения для этих кривых были проведены без выключения лазера (т.е. решение цели 2). И соответственно, уровень выходной энергии при максимуме может быть найден и установлен также без его выключения простым перемещением зеркала (т.е. решение цели 1).
В совокупности описанное выше доказывает решение задачи 8 и задачи 2. Кроме того, из описания эксперимента очевидно упрощение эксплуатации лазера, так как отсутствовал трудоемкий процесс юстировки (переюстировки), так как замены зеркал резонатора в экспериментах не было (т.е. отвечает решению задачи 5).
Для сравнения полученных результатов, приведенных на Фиг.11, с данными, получаемыми традиционным методом оптимизации выходного излучения, на тех же длинах волн были проведены измерения выходной мощности лазерного излучения с использованием ряда зеркал с различным пропусканием, которые поочередно устанавливались на место зеркала (6), - (6') в качестве выходного, см. Фиг.8. При этом устройство с зеркалом (5) из резонатора было удалено. Соответственно измеритель энергии (9) был переставлен на место (9'). Полученные графики зависимостей представлены на Фиг.12.
При сравнении зависимостей, приведенных на Фиг.11 и Фиг.12, можно отметить их одинаковый характер изменений. То есть зависимости на обоих графиках имеют максимумы и пересечения их с нулем.
Для их явного сравнения авторами были построены зависимости значений максимумов от длины волны, полученные в обоих экспериментах. Эти зависимости приведены на Фиг.13. Значения интенсивностей максимумов, взятые из измерений с устройством вывода за край, в сравнении с измерениями со сменными зеркалами с различным пропусканием в каждой измеренной спектральной точке отличаются в среднем на постоянное значение ~0.2. Это значение можно определить как значение потерь при использовании устройства ВЗ.
Эти потери включают в себя несколько составляющих, основное из которых - потери на зеркале, которое применялось в устройстве регулирования. Диэлектрическое покрытие взятого для этих экспериментов зеркала было рассчитано для 100% отражения при нормальном падении на него излучения. Известно, что при других углах такие зеркала становятся частично пропускающими. Таким образом, к основным потерям можно отнести потери за счет неполного отражения диэлектрического покрытия применявшегося зеркала - частичное пропускание отражающегося от него излучения. Однако производители в настоящее время предлагают диэлектрические зеркала со 100% отражением при угле падения, равном 45°. В качестве такого зеркала также можно использовать металлическое зеркало. Не исключаются из расчетов потерь также царапины на поверхности произвольно взятого зеркала.
В обычных лазерах для вывода излучения традиционно используется полупрозрачное зеркало, которое имеет фиксированный коэффициент отражения. Это зеркало конструкторами каждого лазера обычно выбирается из заданных изначально условий его эксплуатации и остается постоянным. И такой лазер имеет максимальный КПД только при определенном уровне накачки, при всех других уровнях накачки КПД будет ниже, чем при этом определенном уровне.
В то время как благодаря тому что при использовании зеркала 5 (Фиг.8) возможно плавное изменение выходного излучения с выведением его на максимум при любом уровне выбранной накачки, возможно оперативное выведение уровня выходного излучения на максимум, то есть достижение максимального КПД при каждом уровне накачки (т.е. решение задачи 1).
Для представления о распределении интенсивности в пятне выводимого внутрирезонаторным устройством ВЗ лазерного излучения, на Фиг.14 показана фотография этого пятна на экране, которое на нем не испытывало смещений, изменялась лишь его интенсивность (т.е. решение задачи 6). На Фиг.15 приведен график распределения интенсивности в выходном пучке в поперечном сечении.
Из полученных данных видно, что при использовании описанного метода вывода излучения из резонатора пучок на выходе лазера остается Гауссовым.
Применение устройства в перестраиваемом лазере
Применение устройства в резонаторе перестраиваемого лазера позволяет расширить его спектральный диапазон перестройки. Это становится возможным благодаря тому, что этот метод позволяет сделать резонатор более закрытым для случаев, когда коэффициент усиления активной среды мал, что имеет место на краях кривой настройки у большинства перестраиваемых лазеров.
На Фиг.16 представлены две перестроечные кривые лазера, полученные на красителе феналемин 160. Эти кривые были получены на перестраиваемом лазере, схема которого была показана на Фиг.8.
Основная часть оптических схем перестраиваемого лазера в обоих экспериментах была классической: 60-градусный призма была использована в качестве диспергирующего элемента, и диэлектрическое зеркало с плоской спектральной характеристикой, соответствующей спектральной области люминесценции красителя, была выбрана в качестве высокоотражающего «глухого» зеркала. Но способы вывода излучения из резонатора отличались. В одном из них было использовано традиционное выходное зеркало, которое было оптимальным для перестраиваемого лазера в максимуме перестроечной кривой. Для второй реализации схемы лазера на красителе это оптимальное выходное зеркало был заменено на «глухое» с отражением, равным 100%. Для вывода излучения из резонатора лазера было использовано плоское зеркало со 100% отражением, которое было установлено на подвижном основании и вводилось в резонатор под углом к его оси.
В экспериментах с перестраиваемым лазером была измерена энергия на выходе лазера в различных точках перестроечной кривой для обоих вариантов схем лазеров. В том случае когда в эксперименте для вывода излучения лазера использовалось устройство с подвижным зеркалом 5 (см. Фиг.8), после перестройки на новую длину волны перестраиваемого лазера выходное излучение с помощью устройства с подвижным зеркалом 5 подстраивалось до положения максимума возможной выходной мощности лазера. Энергия накачки перестраиваемого лазера во всех экспериментах была неизменной. На Фиг.16 видно, что кривая перестройки в случае применения способа вывода энергии с помощью подвижного зеркала в общей сложности шире на 7 нм по сравнению с кривой, полученной с использованием обычного метода вывода излучения лазера. Это стало возможным благодаря тому, что при использовании нового способа вывода излучения появилась возможность делать лазерный резонатор более «закрытым» по краям перестроечной кривой лазера во время его работы. Таким образом, описанный выше результат отвечает решению задачи 4 и задачи 9 - в экспериментальном лазере использовался двухпризменный селектирующий элемент.
Таким образом, в отличие от классического лазерного резонатора с помощью описанного способа имеется возможность коррекции выходного уровня мощности выводимой из лазерного резонатора в любое момент без выключения самого лазера. Кроме того, с помощью описанного способа, можно получить любую наперед заданную форму кривой настройки, например плоскую кривую с постоянным уровнем выходной мощности лазера при изменении длины волны излучения, что является важным для лазерной спектроскопии (не заявленная в перечне решаемых 11 задач, однако которая может решаться).
Из приведенного отчета остаются недоказанными задачи заявленного технического решения 3, 7, 10 и 11
В отношении этих задач заявители сообщают следующее:
1. По решению задачи 3: При применении металлической оптики, как и в случае с а.с. SU 884526 А1, эта задача легко выполняется.
2. По решению задачи 7. В отличие от противопоставленных а.с. SU 884526 А1 и патента RU 2239921 С1, в которых специально оговариваются временные параметры выходного излучения, в заявленном техническом решении специально оговаривалось: «регулирование энергии/мощности», технически это означает: регулирование импульсного и непрерывного излучений. Кроме того, из принципа действия заявленного устройства в заявленном техническом решении очевидно, что оно никоим образом не влияет на временные характеристики лазера, а внутрирезонаторное световое поле, часть которого выводится устройством, устанавливается во всех без исключения типах лазеров - импульсных, непрерывных, ультракороткой длительности и т.д.
3. По решению задач 10 и 11 выполнение их очевидно из описания вышеприведенных экспериментов, а также подробное описание доводов приведено в ответе заявителя на экспертное заключение.
ПРЕИМУЩЕСТВА ЗАЯВЛЕННОГО СПОСОБА заключается в следующем:
ПРОТИВ СПОСОБА, описанного в налоге 1 (Фиг.1):
1. В заявленном способе регулирование выходной мощности/энергии лазера можно осуществлять оперативно и плавно, от режима его работы в глухом резонаторе до режима в полностью открытом резонаторе, проходя режим с максимумом выходной мощности/энергии без выключения лазера. Причем вся выводимая из резонатора мощность используется как полезная.
В способе 1 уровень выводимой мощности изначально определяется пропусканием выходного зеркала лазера (16) и мощность можно ТОЛЬКО УМЕНЬШАТЬ от уровня заданного зеркалом 16, имеющего фиксированный коэффициент пропускания. Причем отводимая часть излучения теряется в поглотителе;
2. Заявленный способ применим для лазеров, действующих в широком спектральном диапазоне, от среднего инфракрасного диапазона спектра, до вакуумно-ультрафиолетового, включая видимый и ультрафиолетовый диапазоны.
Применение способа 1 ограничено спектральным диапазоном пропускания применяемой прозрачной пластинки;
3. В заявленном способе пятно выходного излучения не испытывает какого либо смещения при регулировании его мощности/энергии.
В способе 1 выходное пятно излучения испытывает смещение за счет преломления луча в пластинке конечной толщины, которая используется для регулирования. Причем это смещение зависит от толщины пластинки и тем больше, чем больше ее угол по отношению к оси резонатора.
Конструктивные преимущества узла, реализующего заявленный способ:
В заявленном способе в резонатор добавляется только один элемент - третье зеркало с устройством перемещения.
В способе 1 требуется три дополнительных элемента: прозрачная пластинка 21, зеркало 22 и элемент, поглощающий излучение, и устройства к каждому из них.
ПРОТИВ СПОСОБА, описанного в аналоге 2 (Фиг.2):
1. Заявленный способ применим для лазеров, действующих в широком спектральном диапазоне, от среднего инфракрасного диапазона спектра, до вакуумно-ультрафиолетового, включая видимый и ультрафиолетовый диапазоны.
Применение способа 2 ограничено спектральным диапазоном пропускания применяемой прозрачной пластинки;
2. При применении заявленного способа обеспечивается стабильность пространственного положения выходного лазерного пучка при регулировании выводимой энергии/мощности лазера во всем диапазоне вывода.
В способе 2 при регулировании энергии/мощности излучения направление выводимого излучения меняется весьма существенно: угол между крайними положениями пучка выходного излучения составляет десятки градусов. В этом случае нужно перемещать «потребителя» излучения такого лазера, например мишень, и снова наводить излучение на то же пятно, куда попадало излучение до подстройки выводимой мощности.
3. заявленный способ не вносит дополнительных потерь при регулировании энергии/мощности излучения в лазере - все выводимое излучение используется как полезное.
В способе 2 всегда будет присутствовать отражение в направлении, противоположном указанному на схеме Фиг.2 (на рисунке авторами не показано), это является каналом дополнительных потерь, что снижает эффективность всего лазера.
Конструктивные преимущества узла, реализующего заявленный способ:
В заявленном способе в резонатор добавляется только один элемент - третье зеркало. Причем для регулирования мощности/энергии лазера этим способом потребуется узел только для его продольного перемещения, в остальном лазером с этим узлом можно пользоваться так же, как и без него.
В способе 2 для пластинки, с помощью которой осуществляется регулирование, потребуется узел для ее вращения, что конструктивно реализуется сравнительно сложнее. Кроме того, для лазера с таким способом регулирования потребуется специальный поворотный стол для его объектов облучения.
ПРОТИВ СПОСОБА, описанного а аналоге 3 (Фиг.3):
1. Применение заявленного способа возможно во всем оптическом диапазоне: от среднего ИК до мягкого рентгеновского, включая видимый УФ и ВУФ диапазоны.
Применение способа 3 ограничено диапазоном прозрачности основы и напыляемых материалов вообще и, еще больше, спектральный диапазон заужен конкретной реализацией фильтра-клина - в частности.
2. В заявленном способе зеркало, выводящее излучение, не участвует в процессе генерации лазерного излучения - оно только отбирает его часть для вывода из резонатора. Это означает, что при перемещении выводного зеркала резонатор лазера не расстраивается.
В способе 3 фильтр-клин является выходным зеркалом лазера и при его перемещении малейшее отклонение плоскости зеркала от нормали к оси резонатора приведет к разъюстировке лазера и, следовательно, к срыву генерации.
3. В заявленном способе в качестве выводного зеркала можно использовать даже простую полированную пластинку, установленную под скользящим углом.
В способе 3 других вариантов нет, а его реализация обусловлена сложной технологией и дороговизной нанесения диэлектрических покрытий переменной толщины.
Конструктивные преимущества узла, реализующего заявленный способ:
Реализация конструкции узла для способа 3, когда оно выполняет при этом роль выходного зеркала, весьма проблематична. То есть кроме обычных винтов юстировки этот узел должен иметь устройство протяженного перемещения, причем весьма прецизионное, но даже при этом сохранение юстировки проблематично. Именно поэтому в описанном способе 3 в патенте применяется автоматическая подстройка клина-фильтра с электронным управлением.
В заявленном способе можно применять простой узел перемещения, так как оно не влияет на юстировку резонатора.
ПРОТИВ СПОСОБА, описанного в аналоге 4 (Фиг.4):
1. В способе 4 большое количество отражающих плоскостей связано с большим числом оптических элементов, которые вносят дополнительные потери в резонатор, что отрицательно сказывается на выходных характеристиках лазера.
В заявленном способе «лишние» плоскости отражения отсутствуют.
2. В способе 4 применение двулучепреломляющих оптических элементов и элементов для вращения плоскости поляризации ограничивает применение данного способа узким спектральным диапазоном.
В заявленном способе такие ограничения отсутствуют.
3. В способе 4 ограничен диапазон регулирования выводимой доли излучения и необходимость использования поляризационно-активных элементов.
В заявленном способе такие ограничения отсутствуют.
Конструктивные преимущества узла, реализующего заявленный способ:
В способе 4 в сравнении с заявленным способом требуется дополнительный элемент с узлом юстировки, причем с прецизионным вращением элемента.
ПРОТИВ СПОСОБА, описанного в аналоге 5 (Фиг.5):
При применении способа 5 низкая пространственная когерентность лазерного пучка - он состоит как бы из двух половин и в связи с этим в блоке зеркал угол между зеркалами должен выдерживаться равным 90 градусам максимально точно, иначе на большом расстоянии эти половины пучка разойдутся.
В заявленном способе этот недостаток отсутствует, из резонатора лазера выводится один пучок.
Конструктивные преимущества узла, реализующего заявленный способ:
В способе 4 конструктивно сложное устройство вывода излучения - требует 2 зеркала для вывода и 3 прецизионных узла с дополнительными юстировками.
В заявленном способе для вывода излучения из резонатора требуется только одно зеркало с устройством для его перемещения.
ПРОТИВ СПОСОБА, описанного в аналоге 6 (Фиг.6):
1. Пропускание устройства, реализующего заявленный способ вывода мощности/энергии излучения лазера, определяется, как и в способе 6, отношением площадей пятна выводимого излучения к площади оставшейся части стоячей волны на зеркале резонатора лазера. Однако если в случае способа 6 это отношение фиксированное, то в устройстве, реализующем заявленный способ вывода мощности/энергии излучения, пропускание может плавно меняться от 0 до 100% без нарушения юстировки самого резонатора. В случае применения способа регулирования вывода излучения/мощности по одной из схем аналога 6, приведенных на Фиг.6 (рис.1.2б и 1.2в в книге Ищенко), при необходимости регулирования с целью оптимизации выводимой мощности такого лазера требуется набор выходных зеркал. То есть зеркал с различным диаметром отверстий в случае 1.2б или различных диаметров зеркал в случае 1.2.в, которые поочередно заменяются (подбираются), при этом каждый раз при замене зеркала требуется новая юстировка резонатора. Оставляется то зеркало, которое дало наилучший результат по максимальному выводу излучения (причем для заданного на текущий момент уровня накачки).
2. Кроме того, в случае необходимости регулирования с целью оптимизации вывода излучения из лазера, имеющего перестройку по частоте, с применением способа 6, зеркало, оптимизированное для одной частоты излучения по максимальной выводимой мощности, будет неоптимальным для другой частоты излучения. Это связано с неравномерностью спектра усиления активной среды любого перестраиваемого лазера. Для достижения максимального диапазона перестройки перестраиваемого по частоте лазера требуется отдельная оптимизация выходного зеркала с заменой зеркал с различными значениями пропускания (диаметрами отверстий) в общем случае для каждой частоты, а для частот на краях диапазона в особенности.
При применении заявленного способа оптимизация вывода излучения перестраиваемого лазера осуществляется простым поворотом ручки настройки зеркала 3 во время работы лазера.
3. Заявленный способ не мешает процессу генерации лазера в процессе регулирования - зеркала резонатора механически не связаны с регулируемым зеркалом, то есть резонатор лазера не расстраивается.
Преимущества в конструктивной реализации заявленного способа:
Для реализации регулирования вывода излучения/мощности по одной из схем аналога 6 потребуется набор из 3-5 зеркал с различным пропусканием и юстировка всего лазера при замене одного зеркала другим. К этим неудобствам в случае лазера, работающего в вакуумно-ультрафиолетовой области спектра, при замене одного зеркала другим добавляется потребность в разгерметизации и последующая герметизация бокса, в который этот лазер помещен.
При применении заявленного способа регулирования выходного излучения/мощности лазера, излучающего в вакуумно-ультрафиолетовой области спектра, преимущества заявленного способа регулирования становятся еще более очевидными, так как в этом случае регулирование может осуществляться при помощи ручки на валике, связанном с узлом выводного зеркала, второй конец которого выведен из вакуумируемого бокса через уплотнение. В этом случае разгерметизации бокса при регулировании не потребуется.
В сравнении с прототипом в заявленном техническом решении осуществляется регулирование не длительности импульсов, а именно выводимой энергии/мощности лазера.
Заявленное техническое решение соответствует критерию «новизна», предъявляемому к изобретениям, т.к. из исследованного заявителем уровня техники на дату подачи заявки не выявлены признаки, совпадающие с признаками заявленного технического решения.
Заявленное техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень», предъявляемому к изобретениям, т.к. для специалиста оно явным образом не следует из уровня техники.
Заявителями был изготовлен опытный образец, работающий в видимом диапазоне длин волн, испытания которого подтвердили достижение поставленных целей и наличие указанных преимуществ по сравнению с известными устройствами, в том числе и значительные преимущества перед прототипом, заявленное техническое решение может быть реализовано в лазерах с различными принципами действия, производимых и уже находящихся в хозяйственном обороте, и не требует применения специального промышленного оборудования, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость» для изобретения.