Способ возбуждения импульсов лазерной системы генератор-усилитель на самоограниченных переходах
METHOD OF PULSES EXCITATION OF LASER SYSTEM GENERATOR-AMPLIFIER AT SELF-CONSTRAINED TRANSITIONS

Техническое решение относится к области лазерной техники, в частности к способам возбуждения импульсов лазерных систем генератор-усилитель на самоограниченных переходах, и может быть использовано в различных областях науки и техники, в том числе для лазерной обработки материалов, в лазерных информационных и других системах на основе лазеров на парах металлов, работающих в режиме сверхизлучения.
Известна лазерная система для освещения и усиления яркости изображения объектов [1], в которой используется лазер, работающий в режиме сверхизлучения - собственного излучения активного элемента в отсутствии зеркал резонатора. Лазер работает на парах металлов, наиболее предпочтительными названы пары меди. Система содержит блок формирования импульсов возбуждения излучателя, излучатель, с одной стороны которого расположено отражающее зеркало, с другой - фокусирующая оптическая система, расположенная между объектом и лазером, для направления светового излучения на объект. Лазер обеспечивает формирование высокоэнергетических импульсов лазерного излучения, что позволяет выполнять лазерную обработку объекта. Недостатком аналога является трудность определения оптимальных режимов работы лазера для качественной обработки объекта и способов управления ими.
Известен способ возбуждения импульсных лазеров на самоограниченных переходов атомов металлов, работающих в режиме саморазогрева, и устройство для его осуществления [2], который заключается в формировании с каждым импульсом тока возбуждения дополнительного маломощного импульса с заданной задержкой относительно основного импульса тока возбуждения. Для обеспечения режима генерации лазера дополнительный импульс формируют после основного импульса возбуждения, а для обеспечения режима гашения импульсов генерации лазера - перед основным импульсом возбуждения, при этом энергию дополнительного импульса и время между подачей основного и дополнительного импульсов задают меньшим, чем время жизни метастабильных лазерных уровней. Способ и устройство для его осуществления обеспечивают высокоскоростную импульсную модуляцию доз лазерного излучения с точностью до одного импульса, что позволяет устанавливать оптимальные режимы лазерной обработки различных материалов. Недостатком способа является небольшая мощность лазерного излучения, которая ограничена мощностью излучения одного лазера, а также трудность определения временной задержки между подачей основного и дополнительного импульсов возбуждения для полного гашения и максимального излучения импульсов генерации лазера.
Известен способ генерации импульсного лазерного излучения [3] в лазерной системе генератор - усилитель на основе лазеров на парах меди на самоограничительных переходах с усилительным каскадом. Способ обеспечивает повышение мощности и качества излучения лазера. Недостатком способа является низкая эффективность управления энергетическими характеристиками лазерного излучения.
Известен способ возбуждения импульсов излучения лазерных систем на самоограниченных переходах [4], выбранный в качестве прототипа, который включает в себя подачу периодической последовательности пакетов импульсов возбуждения на блоки питания генератора и усилителя с заданными регулярностью повторения импульсов лазерного излучения и временным сдвигом импульсов возбуждения генератора и усилителя, что позволяет управлять регулярностью подачи импульсов лазерного излучения и обеспечивает оптимальные режимы лазерной обработки различных материалов. Способ основан на известном эффекте зависимости мощности лазерного излучения на выходе усилителя от временного сдвига импульсов возбуждения генератора и усилителя. В прототипе для гашения импульса лазерного излучения генератора на выходе усилителя устанавливают время опережения импульса возбуждения усилителя от импульса возбуждения генератора в пределах времени существования инверсии населенности рабочего лазерного уровня усилителя, для усиления импульса лазерного излучения генератора на выходе усилителя устанавливают время отставания импульса возбуждения усилителя от импульса возбуждения генератора в пределах времени существования максимальной инверсной населенности метастабильного уровня усилителя. Недостатком способа является трудность определения оптимальных режимов возбуждения усилителя и генератора в режимах гашения и усиления.
Задачей технического решения является установка и поддержание оптимальных времен отставания и опережения импульсов возбуждения генератора и усилителя для достижения, с одной стороны полного гашения, а с другой максимальной мощности излучения системы генератор-усилитель. Определение и реализация надежного критерия для установки и поддержания этих уровней обеспечивает эффективное использование системы генератор-усилитель для лазерной обработки материалов, а так же для информационных и других лазерных систем.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в способе возбуждения импульсов излучения лазерной системы генератор-усилитель на самоограниченных переходах, работающих в режиме сверхизлучения, включающем подачу периодической последовательности пакетов импульсов возбуждения на генератор и усилитель с возможностью временного сдвига между ними в диапазонах времени существования инверсии населенности рабочего лазерного уровня и времени существования максимальной инверсной населенности метастабильного уровня, при которых импульс излучения либо гасится, либо усиливается, предусмотрены следующие отличия: временной сдвиг между импульсами возбуждения генератора и усилителя устанавливают в зависимости от уровня интенсивности сверхизлучения усилителя, а именно, при максимальном уровне сверхизлучения усилителя, фиксируют величину сдвига между импульсами возбуждения соответствующий гашению импульса излучения, а при минимальном - усилению импульса.
Кроме того, предложенный способ возбуждения импульсов излучения лазерной системы генератор-усилитель на самоограниченных переходах отличается тем, что в процессе работы системы контролируют уровень сверхизлучения усилителя в режимах гашения и усиления импульса излучения и при отклонении его соответственно от максимального и минимального значения, корректируют временной сдвиг между импульсами возбуждения генератора и усилителя, так что бы уровни интенсивности сверхизлучения усилителя приняли соответственно максимальное и минимальное значение, а также тем, что уровень интенсивности сверхизлучения усилителя в режимах гашения и усиления импульса излучения определяют как разницу между выходной мощностью излучения системы и мощностью излучения, сформированного в генераторе, при этом в качестве усилителя можно использовать каскад усилителей, тогда временной сдвиг между импульсами возбужения генератора и каскада усилителей для режимов гашения и усиления импульсов системы устанавливают в зависимости от уровня сверхизлучения последнего усилителя.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого способа и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно, при минимальной интенсивности сверхизлучения усилителя достигается максимум концентрации энергии в центральном сечении пучка, определяемом расходимостью генератора, а когда интенсивность сверхизлучения достигает максимума - энергия лазерного пучка в центральном сечении становится минимальной, что обеспечивает эффективное управление импульсами излучения при лазерной обработке материалов, а также в лазерных информационных и других системах.
Техническое решение обеспечивает получение на выходе системы коллимированного лазерного пучка максимальной энергии с минимальной для выбранной оптической схемы расходимостью излучения, а также позволяет эффективно управлять последовательностью импульсов лазерного излучения, вплоть до включения или выключения отдельного импульса.
Техническая сущность предложенного способа поясняется чертежом, на котором:
Фиг. 1 содержит схему экспериментальной установки;
Фиг. 2 содержит график распределения мощности излучения по сечению выходного пучка при минимальном и максимальном значении уровня сверхизлучения усилителя;
Фиг. 3 содержит фотографию выходного пучка системы при максимальном значении уровня сверхизлучения усилителя;
Фиг. 4 содержит фотографию выходного пучка при минимальном значении уровня сверхизлучения усилителя;
Фиг. 5 Содержит примеры резки пластин из сапфира и кремния при минимальном значении уровня сверхизлучения усилителя.
Известно, что в системе генератор-усилитель важнейшим фактором, определяющим параметры выходного излучения, является величина временного сдвига импульса возбуждения, подаваемого на генератор, относительно импульса возбуждения, подаваемого на усилитель. Для поддержания режима саморазогрева и оптимальной температуры газовой среды генератора и усилителя импульсы возбуждения должны подаваться на генератор и усилитель с заданными параметрами и частотой.
Известно, что мощность лазерного излучения зависит от рассогласования подачи импульсов возбуждения на генератор и усилитель и имеет зону гашения луча лазера, когда рассогласование между импульсами превышает время существования инверсии населенности рабочего лазерного уровня, зону усиления, когда время рассогласования импульсов не превышает время существования максимальной инверсной населенности метастабильного уровня усилителя. Максимальное усиление достигается при минимальном временном рассогласовании импульсов возбуждения, подаваемых на генератор и усилитель, и последующим его снижением по мере отставания импульса возбуждения усилителя от импульса возбуждения генератора вплоть до зоны прозрачности усилителя для излучения генератора.
Важнейшем фактором при этом является наличие объективного и надежного критерия выбора оптимального сдвига импульсов возбуждения для получения усиления и гашения световых импульсов. В соответствии с заявленным техническим решением таким критерием является уровень сверхизлучения усилителя - собственное излучение активного лазерного элемента в отсутствии резонатора.
Для подтверждения эффективности предложенного технического решения использовалась экспериментальная установка, схема которой приведена на фиг. 1.
Установка содержит следующие элементы:
- лазер (генератор) 1;
- сферическое глухое зеркало резонатора лазера 2;
- активный элемент лазера 3;
- выходное зеркало лазера 4;
- лазерный усилитель 5;
- светоделительный элемент 6;
- измеритель мощности лазерного излучения 7;
- управляющий процессор 8;
- блок правления параметрами системы 9;
- маску 10;
- фокусирующую систему 11;
- измеритель мощности сверхизлучения 12;
- систему управления лазерным усилителем 13;
- блок синхронизации 14;
- систему управления генератором 15.
Данная установка представляет собой систему генератор-усилитель, где в качестве генератора используется лазер 1, состоящий из активного лазерного элемента 3, сферического глухого зеркала резонатора 2 и сферического выходного зеркала 4 резонатора. При этом фокуса зеркал 1 и 4 совмещены, образуя так называемый телескопический резонатор, позволяющий получать на выходе лазера пучок на уровне дифракционной расходимости пучка. Данный пучок направляется на лазерный усилитель 5, представляющий собой в точности такой же по спектру и принципу работы активный элемент как и активный элемент генератора 3. В данной установке оба они представляют собой активные элементы лазеров на парах меди, работающих на самоограниченных атомных переходах, в режиме саморазогрева, характеризующегося тем, что импульсы возбуждения используются так же для разогрева и поддержания рабочей температуры.
Для таких систем характерен, так называемый, режим сверхизлучения, а именно собственного излучения активного элемента лазера при возбуждении в отсутствии зеркал резонатора. Сверхизлучение распространяется в основном в телесном угле α, определяемым апертурой активного элемента. При прохождении сформированного в генераторе 1 пучка через усилитель 5 происходит его трансформация, зависящая от рассогласования подачи импульсов возбуждения на генератор и усилитель. При определенном согласовании и рассогласовании импульсов возбуждения генератора и усилителя может происходить как усиление так и гашение выходных импульсов системы генератор-усилитель. При этом происходит так же взаимное влияние (конкуренция) излучения, сформированного в генераторе и сверхизлучения усилителя. Характер данного влияния был определен с помощью экспериментальной установки.
Посредством блока синхронизации 14 происходит относительный сдвиг импульсов систем управления генератора 15 и усилителя 13 во всем диапазоне управления. В ответвленном светоделительным элементом 6 пучке установлена маска 10, закрывающая центральную часть пучка, сформированного генератором 1 и прошедшего через усилитель. После маски установлена фокусирующая система 11, которая собирает сверхизлучение усилителя, распространяющееся в апертурном угле α, на измерителе мощности сверхизлучения 12. Основной выходной пучок системы после прохождения светоделительного элемента 6 направляется на измеритель мощности 7.
Результаты измерений показали наличие зависимости между минимальным и максимальным уровнями сверхизлучения усилителя и соответственно максимальным и минимальным уровнями выходного пучка системы генератор-усилитель, которые изображены на фиг. 2 в виде графика распределения мощности излучения по сечению выходного пучка при минимальном (1) и максимальном значении (2) уровня сверхизлучения усилителя. Таким образом, минимальное показание измерителя 12 соответствует максимальному показанию измерителя 7, а максимальное показание измерителя 12 соответствует минимальному показанию измерителя 7.
Для увеличения выходной мощности системы генератор-усилитель, в рамках данного технического решения, целесообразно использовать не один, а несколько усилителей 5, расположенных последовательно друг за другом - так называемый каскад усилителей. При этом уровень сверхизлучения контролируют на выходе последнего усилителя.
Полученные результаты применимы также к оптической схеме системы генератор-усилитель с пространственным фильтром, который представляет собой телескопическую систему, установленную между генератором 1 и усилителем 5, в совмещенном фокусе которой расположена диафрагма, ограничивающая пучки генератора с расходимостью, отличной от дифракционной. При этом предложенное техническое решение обеспечивает надежное получение на выходе системы коллимированного лазерного пучка максимальной энергии с дифракционной расходимостью излучения, а также позволяет эффективно управлять последовательностью импульсов лазерного излучения, вплоть до включения или выключения отдельного импульса.
На фиг. 3 представлена фотография структуры выходного пучка системы при максимальном значении уровня сверхизлучения усилителя, усилителя. При этом наблюдается «гашение» выходного пучка в сечении равному диаметру канала.
На фиг. 4 представлена фотография структуры выходного пучка при минимальном значении уровня сверхизлучения усилителя. При этом наблюдается максимальное увеличения яркости выходного пучка в сечении равному диаметру канала.
На фиг. 5 приведены примеры резки пластин из сапфира и кремния при минимальном значении уровня сверхизлучения усилителя, при котором обеспечивается оптимальный режим обработки материала.
Предлагаемое техническое решение обеспечивает объективную установку оптимальных режимов возбуждения генератора и усилителя, а также их оперативный контроль и управление ими в процессе работы, для получения коллимированного лазерного пучка максимальной энергии с расходимостью на уровне дифракционной, а также эффективно управлять последовательностью импульсов лазерного излучения, вплоть до включения или выключения отдельного импульса, что необходимо для качественной лазерной обработки материалов, а также в лазерных информационных и специальных системах.
Источники информации
1. Патент США 3786366.
2. Патент РФ 2251179.
3. Патент РФ 2197042.
4. Патент РФ 2264011 – прототип.