ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ ЛАЗЕР ЗАМКНУТОГО ЦИКЛА (ВАРИАНТЫ)
CLOSED-LOOP PULSE-PERIODIC ELECTRIC DISCHARGE LASER (VERSIONS)

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть применено в мощных лазерах, например в газопроточных электроразрядных импульсно-периодических, размещаемых на различных транспортных средствах и генерирующих излучение во время движения.
В настоящее время для решения различных задач осуществляют размещение лазеров на различных транспортных средствах, причем генерирование излучения должно происходить в том числе и во время их движения. Такие лазеры называют бортовыми. Под воздействием перегрузок и вибраций, возникающих при движении транспортного средства, а также температурных деформаций корпуса и лазерного резонатора, сопровождающих работу лазера, происходит разъюстировка резонатора, которая приводит к ухудшению расходимости излучения, уводу в сторону сверх допустимого энергетической оси излучения и уменьшению энергии излучения вплоть до срыва генерации.
Известны лазеры с резонаторами, главными оптическими элементами которых являются двугранные уголковые отражатели и плоские частично и полностью отражающие зеркала. Главным недостатком таких лазеров при бортовом их исполнении является возможность разъюстировки их резонаторов, заключающейся в нарушении параллельности оборачивающих ребер отражателей плоскостям зеркал, ведущей к соответствующей потере энергии и уводу энергетической оси излучения от требуемого направления [1. Ананьев Ю.А. Оптические резонаторы и лазерные пучки. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1990. - 264 с. - ISBN 5-02-014363-4].
Известен лазер с резонатором, состоящим из двух плоских, плотного и частично прозрачного выходного зеркал, закрепленных на общем фланце с одним двугранным уголковым отражателем, и закрепленным на другом фланце вторым таким же отражателем, причем оборачивающие ребра отражателей взаимно перпендикулярны и одно из зеркал юстируемое [2. Патент RU №2297084 С2, МПК Н01S 3/08, опубл. 10.04.2007 Бюл. №10]. Авторы утверждают, что их конструкция обеспечивает повышенные динамическую и статическую стабильность углового и пространственного положения выходного лазерного пучка. Возможно это так при импульсном режиме работы лазера в стационарных условиях, но при работе лазера бортового исполнения с таким резонатором, особенно в импульсно-периодическом режиме, все может быть иначе из-за наличия значительных транспортных и температурных перегрузок.
31
Известны импульсно-периодические электроразрядные газовые лазеры замкнутого цикла [3. Буцыкин И.Л., Великанов С.Д., Евдокимов П.А. и др. Квантовая электроника. , 957-961 (2001)], [4. Патент RU 2295810 С1, МПК H01S 3/041, H01S 3/097, опубликовано: 20.03.2007 Бюл. №8], предназначенные для решения тех же задач, что и предлагаемые автором импульсно-периодические бортовые лазеры. Лазер [4] включает в себя корпус в виде установленных одна в другую оболочек с разрядной камерой между ними, источник питания, резонатор из плоских зеркал на торцах камеры, размещенные в полости между оболочками теплообменник, средства очистки газов и их прокачки.
Данный лазер обладает высокой частотой следования импульсов, удовлетворительной энергетикой и хорошо работает при генерации ограниченного числа импульсов в стационарных условиях.
Недостатком подобных лазеров является существенное снижение энергии лазерных импульсов, ухудшение расходимости и увод в сторону от запланированного направления энергетической оси излучения при разъюстировке резонатора, что обычно наблюдается при длительной работе этих лазеров, а также в условиях нагрева, транспортных вибраций и перегрузок.
В качестве прототипа выбран лазер [4] как наиболее близкий по технической и физической сущности.
Техническим результатом изобретения является создание импульсно-периодического электроразрядного газового лазера замкнутого цикла, который генерирует излучение с неизменными во времени характеристиками в условиях температурных деформаций, а также вибраций и перегрузок, сопровождающих транспортировку лазера и его эксплуатацию на движущемся транспортном средстве.
Технический результат изобретения первого варианта по пункту 1 достигается тем, что импульсно-периодический электроразрядный газовый лазер замкнутого цикла включает в себя корпус в виде двух установленных одна в другую оболочек с разрядной камерой между ними, источник питания, резонатор на торцах камеры, размещенные в полости между оболочками теплообменник, средства очистки газов и их прокачки. Новым в изобретении является то, что разрядная камера содержит два параллельных друг другу разрядных промежутка, резонатором служат выполненные на одной стороне плоскопараллельной пластины глухое и выходное зеркала и трехгранный уголковый отражатель, отражающие поверхности которого обращены в сторону плоскопараллельной пластины, причем разрядные промежутки размещены перпендикулярно плоскопараллельной пластине и расположены относительно вершины трехгранного уголкового отражателя так, что генерируемое излучение не попадает на его ребра, а плоскость, содержащая продольные оси разрядных промежутков и вершину трехгранного уголкового отражателя, параллельна направлению разрядного тока и перпендикулярна направлению газового потока.
В пункте 2 первого варианта исполнения изобретения разрядные промежутки образованы между тремя электродами, из которых один общий.
Технический результат изобретения второго варианта по пункту 4 достигается тем, что импульсно-периодический электроразрядный газовый лазер замкнутого цикла включает корпус в виде двух установленных одна в другую оболочек с разрядной камерой между ними, содержащей один разрядный промежуток, источник питания, резонатор на торцах камеры, размещенные в полости между оболочками теплообменник, средства очистки газов и их прокачки. Новым в изобретении является то, что резонатором служат выполненные на одной стороне плоскопараллельной пластины глухое и выходное зеркала и трехгранный уголковый отражатель, при этом разрядный промежуток размещен перпендикулярно плоскопараллельной пластине с возможностью автоматического формирования при разрядах в разрядном промежутке пассивного, т.е. не излучающего лазерного канала вне разрядного промежутка впереди по газовому потоку, причем разрядный промежуток и пассивный лазерный канал параллельны и расположены относительно вершины трехгранного уголкового отражателя так, что генерируемое излучение не попадает на его ребра, а плоскость, содержащая продольную ось разрядного промежутка и вершину трехгранного уголкового отражателя, перпендикулярна направлению разрядного тока и параллельна направлению газового потока.
В пунктах 3 и 5 для обоих вариантов исполнения изобретения трехгранный уголковый отражатель выполнен в виде триппель-призмы из материала, прозрачного к генерируемому излучению, причем триппель-призма выполнена с плоским участком вместо вершины, вписанный радиус которого меньше по размеру в  раз по сравнению с расстоянием между разрядным промежутком и вершиной триппель-призмы.
Не обнаружены технические решения, совокупность признаков в которых совпадает с совокупностью признаков заявляемого импульсно-периодического электроразрядного газового лазера замкнутого цикла по пунктам 1-5, в том числе и с отличительными признаками. Эта новая совокупность признаков является новым техническим средством, которое обеспечивает получение технического результата, и это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию "изобретательский уровень".
Покажем, каким образом достигается указанный выше технический результат по пунктам 1-5 заявляемого импульсно-периодического электроразрядного газового лазера замкнутого цикла.
Известно, что трехгранный уголковый отражатель и триппель-призма обладают априорной способностью отражать точно назад входящие в них лучи [1]. Однако резонаторы с такими отражателями имеют существенные недостатки. Дело в том, что в резонаторах с ними в процессе генерации апертура резонатора разбивается на три пары противоположно расположенных относительно вершины уголкового отражателя 60-градусных сектора. У каждой пары противоположных секторов устанавливается свое состояние поляризации, и в целом, нарушается пространственная когерентность излучения. Потерю энергии вносят и имеющиеся у отражателей три ребра и вершина, по существу это фаски. Мало того, что их требуется выполнять с оптической точностью, как и грани отражателя, и что они просто затеняют часть активного объема, уменьшая энергию генерации, и способствуют развитию самостоятельной генерации в разных его частях, они ведут к повышению порога генерации и к дополнительным дифракционным потерям. Потери энергии в резонаторе с трехгранными отражателями и триппель-призмами могут быть столь велики, что в лазерах с небольшой апертурой они не применяются.
Известен двухпроходный неустойчивый телескопический резонатор лазера [5. SU №1840367 А1, МПК H01S 3/08, опубл. 27.09.2006, бюл. №27], содержащий выпуклое и вогнутое зеркала, отражающие поверхности которых обращены в одну сторону, и трехгранный уголковый отражатель, установленный отражающими поверхностями в сторону отражающих поверхностей выпуклого и вогнутого зеркал. Использование в лазере резонатора с таким конструктивным выполнением и не чувствительного к крупномасштабным аберрациям нечетных порядков за счет переворачивания сечения пучка относительно оси симметрии уголкового отражателя обеспечивает расходимость излучения, близкую к дифракционной.
Однако этот резонатор нельзя использовать в лазере, размещаемом на транспортном средстве и генерирующем излучение во время его движения. Это связано с тем, что во время движения транспортного средства по разным причинам возможны угловые и поперечные смещения уголкового отражателя и зеркал резонатора относительно друг друга, приводящие к разъюстировке резонатора и соответственно к ухудшению расходимости, уводу в сторону энергетической оси излучения и дополнительным потерям энергии.
Использование (пункт 1 формулы) резонатора из глухого и выходного плоских зеркал, выполненных на одной стороне плоскопараллельной пластины, совместно с трехгранным уголковым отражателем, размещение в разрядной камере двух параллельных друг другу разрядных промежутков перпендикулярно плоскопараллельной пластине и расположение их относительно вершины трехгранного уголкового отражателя так, что генерируемое излучение не попадает на его ребра, а плоскость, содержащая продольные оси разрядных промежутков и вершину трехгранного уголкового отражателя, параллельна направлению разрядного тока и перпендикулярна направлению газового потока, позволяет обеспечить образование двух активных лазерных каналов и при этом устранить влияние на характеристики генерируемого излучения вибраций, перегрузок, а также температурных деформаций, возникающих при транспортировке лазера и его эксплуатации на движущемся транспортном средстве, причем: апертура резонатора не разбивается на три пары расположенных друг против друга секторов с различными состояниями поляризации, не нарушается пространственная когерентность генерируемого излучения и излучение выходит из лазера геометрически единым пучком.
Наличие в изобретении по пункту 1 в разрядной камере импульсно-периодического электроразрядного газового лазера замкнутого цикла двух параллельных друг другу разрядных промежутков при указанном выше размещении разрядных промежутков, зеркал резонатора и трехгранного уголкового отражателя позволяет получить одновременное или независимое друг от друга и поочередное излучение каждым каналом. В варианте синхронного излучения разрядных промежутков излучаемая мощность лазерных каналов удваивается. При независимом друг от друга излучении каналов излучение каждого их них несет какую-либо информационную нагрузку, отличаясь, например, частотой, амплитудой, расходимостью или другими параметрами. Кроме того, генерируемое излучение проходит по каждому каналу дважды в противоположных направлениях по участкам каналов с одинаковыми оптическими неоднородностями, обеспечивая взаимную компенсацию этих неоднородностей.
Наличие в изобретении по пункту 3 в разрядной камере газового лазера замкнутого цикла одного разрядного промежутка, продольная ось которого перпендикулярна плоскопараллельной пластине резонатора, при указанном выше размещении зеркал резонатора и трехгранного уголкового отражателя позволяет обеспечить образование одного активного лазерного канала, расположенного так, что генерируемое излучение не попадает на ребра отражателя, и одновременно с ним автоматически сформировать в газовой среде лазера вне разрядного промежутка и впереди по газовому потоку пассивный, т.е. не генерирующий излучение лазерный канал, геометрически полностью идентичный активному лазерному каналу и осуществляющий оптическую связь между зеркалами резонатора, при этом оба лазерных канала автоматически параллельны между собой, перпендикулярны плоскопараллельной пластине, а плоскость, содержащая продольные оси обоих каналов и вершину трехгранного уголкового отражателя, перпендикулярна направлению разрядного тока и параллельна направлению газового потока, позволяют устранить влияние на характеристики генерируемого излучения вибраций, перегрузок, а также температурных деформаций, возникающих при транспортировке лазера и его эксплуатации на движущемся транспортном средстве, причем: апертура резонатора не разбивается на три пары расположенных друг против друга секторов с различными состояниями поляризации и не нарушается пространственная когерентность генерируемого излучения. Кроме того, генерируемое излучение проходит по активному лазерному каналу дважды в противоположных направлениях неоднородностями, обеспечивая частичную взаимную компенсацию оптических неоднородностей.
Заявленная совокупность существенных признаков, направленная на достижение технического результата по обоим вариантам изобретения, позволяет создать газовые лазеры замкнутого цикла с неизменными во времени параметрами генерируемого излучения в условиях вибрации, перегрузок и температурных деформаций, возникающих при транспортировке лазера и его эксплуатации на движущемся транспортном средстве. При реализации изобретения по пунктам 2, 3 и 5 достигаются дополнительные технические результаты. Так, согласно пункту 2 первого варианта исполнения изобретения разрядные промежутки образованы между тремя электродами, из которых один общий. Такое конструктивное выполнение позволяет уменьшить габариты разрядной камеры и при этом разместить часть элементов источника накачки в общем среднем электроде. В изобретении по пунктам 3 и 5 за счет выполнения трехгранного уголкового отражателя в виде триппель-призмы и выполнения ее с плоским участком вместо вершины обеспечивается уменьшение турбулентности газового потока в активном объеме разрядной камеры, а также упрощается изготовление и крепление в конструкции самой триппель-призмы.
На фиг.1 представлен первый вариант лазера. На фигуре обозначены: 1 - разрядные промежутки - активные лазерные каналы, 2 - электроды, 3 - трехгранный уголковый отражатель, 4 - направление газового потока, 5 - направляющие потока, 6 - плоскопараллельная пластина с нанесенными плотным и частично отражающим зеркальными покрытиями.
На фиг.1 слева схематично показано продольное сечение разрядной камеры лазера первого варианта по пункту 1, проходящее через продольные оси двух одинаковых разрядных промежутков 1, организованных между верхним, нижним и общим средним электродами 2, при разрядах между которыми образуются два идентичных активных лазерных канала. Резонатор выполнен из глухого и частично прозрачного для генерируемого излучения зеркал, расположенных в данном случае на внешней поверхности плоскопараллельной пластины 6, и трехгранного уголкового отражателя 3. Источники накачки не показаны, ход лучей через уголковый отражатель и сам отражатель показаны условно. На виде справа дано поперечное сечение активной зоны разрядной камеры лазера по первому варианту, где схематично показано взаимное размещение активных лазерных каналов 1 и электродов 2 относительно трехгранного уголкового отражателя 3. Каналы располагаются симметрично относительно вершины отражателя и на одинаковом расстоянии от нее в пределах 60-градусных секторов двух граней, граничащих с третьей гранью, плоскость, проходящая через продольные оси каналов и вершину отражателя, перпендикулярна одному из его ребер и плоскопараллельной пластине 6. Выделены проекции ребер отражателя. Разрядные промежутки располагаются параллельно и продуваются одной и той же рабочей газовой смесью с одинаковой скоростью. Направление газового потока показано стрелкой 4. Для организации потока имеются диэлектрические направляющие газового потока 5.
Как видно из фигуры, в данном случае направление потока рабочего газа перпендикулярно направлению разрядного тока и плоскости, проходящей через оси каналов. На виде в плане каналы должны располагаться по обе стороны от вершины отражателя в пределах 60-градусных секторов двух граней, граничащих с третьей гранью, и симметрично относительно вершины. Каналы должны быть параллельны друг другу и перпендикулярны плоскому зеркалу, имеющему плотное покрытие против одного из каналов и частично пропускающему генерируемое излучение против другого. Плоскость, проходящая через оси обоих каналов и вершину отражателя, должна быть также перпендикулярна плоскости, одновременно перпендикулярной плоскому зеркалу и содержащей одно из ребер отражателя. Причем все эти требования не обязательно выполнять с "оптической" точностью, достаточно размещения узлов и деталей с обычными конструктивными допусками, допустимы в широких пределах поперечные и угловые подвижки оптических элементов, что дает возможность разрабатывать бортовые лазеры по данной схеме. Вывод излучения осуществлен через частично прозрачный участок плоской пластины против одного из каналов.
Газовый лазер замкнутого типа первого варианта работает следующим образом.
Под действием импульсных объемных разрядов в межэлектродных промежутках лазера происходят химические реакции, за счет чего возникает инверсная заселенность лазерных уровней, формируются активные лазерные каналы и генерируется излучение. Генерируемое в одном лазерном канале излучение распространяется перпендикулярно плоской пластине, последовательно отразившись от трех граней уголкового отражателя, нигде не пересекаясь с ребрами отражателя, пройдет далее снова к плоской пластине, усиливаясь во втором активном канале. Отразившись от плоской пластины, излучение пойдет назад, повторяя свой путь через уголковый отражатель и активные лазерные каналы, снова усиливаясь в последних, вновь попадет на первый участок плоской пластины. Часть излучения покинет резонатор через частично пропускающий излучение участок пластины, далее все повторится. При каждом отражении от отражателя пучок лучей идет перевернутым и сверху вниз и слева направо, размеры пучка остаются прежними. Ничего не изменится, если вход и выход поменять местами, порядок отражения и размеры пятен отражения на гранях отражателя и на пластине не изменятся. Упомянутое выше размещение оптических элементов резонатора и активных лазерных каналов обеспечивает непопадание генерируемого излучения на ребра уголкового отражателя, а также на биссектрисы граней входа и выхода, при этом порядок отражения на гранях отражателя будет одинаковым для всего пучка генерируемого излучения - апертура резонатора не разобьется на не связанные друг с другом части с различным состоянием поляризации и нарушением пространственной когерентности излучения.
На фиг.2 представлен второй вариант заявляемого изобретения. На фигуре обозначены: 1 - разрядный промежуток - активный лазерный канал, 2 - электроды, 7 - пассивный, не генерирующий излучение лазерный канал, 6 - плоскопараллельная пластина с нанесенными плотным и частично отражающим зеркальными покрытиями, 3 - триппель-призма, 4 - направление газового потока, 5 - направляющие газового потока.
На фиг.2 слева схематично показано продольное сечение разрядной камеры импульсно-периодического электроразрядного газового лазера второго варианта, проходящее через продольные оси активного лазерного канала 1, формирующегося при разрядах между электродами 2, и пассивного лазерного канала 7. Резонатор выполнен из глухого и частично прозрачного для генерируемого излучения зеркал, расположенных в данном случае на внешней поверхности плоскопараллельной пластины 4, и триппель-призмы 3. Источники накачки не показаны, триппель-призма и ход лучей через нее показаны условно. На виде справа дано поперечное сечение активной зоны разрядной камеры лазера по второму варианту, где схематично показано взаимное размещение активного 1 и пассивного 7 лазерных каналов, а также электродов 2 относительно триппель-призмы 3. Каналы располагаются на одинаковом расстоянии относительно вершины отражателя в пределах 60-градусных секторов двух граней, граничащих с третьей гранью, плоскость, проходящая через продольные оси каналов и вершину отражателя, перпендикулярна одному из его ребер и плоскопараллельной пластине 6. Триппель-призма относительно электродов размещается таким образом, чтобы пассивный канал формировался вне разрядного промежутка впереди по потоку. Выделены проекции ребер триппель-призмы. Разрядный промежуток и пассивный лазерный канал располагаются параллельно и продуваются одной и той же рабочей газовой смесью. Направление газового потока показано стрелкой 4. Для организации потока имеются диэлектрические направляющие газового потока 5.
Как видно из фигуры, в данном случае направление потока рабочего газа перпендикулярно направлению разрядного тока и параллельно плоскости, проходящей через оси каналов. На виде в плане разрядный промежуток расположен в пределах 60-градусного сектора одной из граней отражателя перпендикулярно плоскопараллельной пластине и против ее участка, частично пропускающего генерируемое излучение. Плоскость, проходящая через ось разрядного промежутка и вершину отражателя, должна быть также перпендикулярна плоскости, одновременно перпендикулярной плоскопараллельной пластине и содержащей одно из ребер отражателя. Причем все эти требования не обязательно выполнять с "оптической" точностью, достаточно размещения узлов и деталей с обычными конструктивными допусками, допустимы в широких пределах поперечные и угловые подвижки оптических элементов, даже большие, чем в лазере первого варианта, что дает возможность разрабатывать бортовые лазеры по данной схеме.
Газовый лазер замкнутого типа второго варианта работает следующим образом. Под действием импульсных объемных разрядов в разрядном промежутке лазера происходят химические реакции, за счет чего возникает инверсная заселенность лазерных уровней, формируется активный лазерный канал и генерируется излучение. Генерируемое излучение распространяется перпендикулярно плоской пластине, последовательно отразившись от трех граней уголкового отражателя, нигде не пересекаясь с ребрами отражателя, пройдет далее по газовой среде вне межэлектродного промежутка впереди по потоку, т.е. по автоматически формирующемуся пассивному каналу, снова к плоской пластине к участку с плотным покрытием. Отразившись от плоской пластины, излучение пойдет назад, повторяя свой путь через уголковый отражатель, пассивный и активный лазерные каналы, снова усиливаясь в активном канале, вновь попадет на первый участок плоской пластины. Часть излучения покинет резонатор через частично пропускающий излучение участок пластины, далее все повторится. При каждом отражении от отражателя пучок лучей идет перевернутым и сверху вниз и слева направо, размеры пучка остаются прежними. Упомянутое выше размещение оптических элементов резонатора и лазерных каналов обеспечивает непопадание генерируемого излучения на ребра уголкового отражателя, а также на биссектрисы граней входа и выхода, при этом порядок отражения на гранях отражателя будет одинаковым для всего пучка генерируемого излучения - апертура резонатора не разобьется на не связанные друг с другом части с различным состоянием поляризации и нарушением пространственной когерентности излучения.
Проведено расчетно-теоретическое обоснование работоспособности предлагаемых вариантов изобретений с достижением указанного выше технического результата.
Осуществлена экспериментальная проверка предлагаемых вариантов изобретения. Установка моделировала один из вариантов изобретения, но с двумя пассивными каналами, в которые заводилось излучение He-Ne-лазера, при этом триппель-призма подвергалась угловым и поперечным смещениям относительно плоского зеркала. Показано, что при этом расходимость излучения изменялась незначительно, и направление оси излучаемого пучка определялось только отражающей поверхностью плоского зеркала.
Как видно из вышеизложенного, в предлагаемых вариантах лазеров отсутствуют негативные явления, присущие лазерам с резонаторами на основе трехгранных уголковых отражателей или триппель-призм, размещаемых соосно с активным лазерным каналом, в то же время оказываются решенными поставленные задачи - нетребовательность резонатора лазера к точности первоначальной юстировки, нечувствительность к разъюстировкам, отсутствие потерь энергии на ребрах и вершине уголкового отражателя, постоянство направления энергетической оси излучения, зависящего только от одной отражающей поверхности плоского зеркала, и постоянство расходимости излучения, обусловленного геометрией активных лазерных каналов и оптическими неоднородностями в них.
Изобретение найдет применение в мощных твердотельных и газовых лазерах, например в газопроточных электроразрядных импульсно-периодических, размещаемых на различных транспортных средствах и генерирующих излучение во время движения.