Импульсный лазер

Предлагаемое техническое решение относится к устройству импульсного лазера на самоограниченных переходах с высоким коэффициентом усиления активной среды (лазера на парах металлов, инертных газах, эксимерных, жидкостных и твердотельных лазеров) и может быть использовано при его конструировании для повышения стабильности оси диаграммы направленности пучка излучения с дифракционной расходимостью. Такое излучение обеспечивает дифракционному пучку высокостабильную пространственную направленность во времени, что важно, например, при зондировании атмосферы или гидросферы на большие расстояния.. Использование таких устройств особенно целесообразно для прецизионной микрообработки материалов, так как в плоскости обработки обеспечивается устойчивая локализация сфокусированного светового пятна малого размера и достигается минимальная шероховатость поверхности реза.
1
2
1
Известен импульсный лазер, включающий установленные на оптической оси лазера разрядный канал длиной L, ось которого совпадает с оптической осью лазера, «глухое» выпуклое зеркало, расположенное с одной стороны разрядного канала на расстоянии l от его ближнего конца, и просветленную положительную линзу, установленную с другой, выходной для лазерного излучения стороны разрядного канала. Фокус линзы совмещен с плоскостью изображения в выпуклом зеркале дальнего от выпуклого зеркала конца разрядного канала. Между линзой и разрядным каналом на расстоянии l≤lот конца разрядного канала перпендикулярно оси лазера установлен плоский отражатель частично прозрачный для лазерного излучения [Патент на полезную модель «Импульсный лазер» №44004, H01S 3/097].
2
1
1
2
При включении электрического разряда в разрядном канале из «затравочного» спонтанного излучения образуются две низкокогерентные световые волны - пучки сверхсветимости, распространяющиеся вдоль активного элемента в разных направлениях с угловой расходимостью, определяемой геометрической апертурой разрядного канала. Одна из них, первая, проходит через активную среду, падает на «глухое» выпуклое зеркало, часть ее отражается от него и вновь попадает в активную среду разрядного канала. Вторая волна, выйдя из активной среды разрядного канала в сторону плоского отражателя, частично отразится от него, частично пройдет через него, образуя нерезонаторный низкокогерентный пучок. Отраженная от плоского отражателя часть волны попадает вновь в активную среду, имея большую, чем до отражения степень пространственной когерентности. Т.к. l≤l, эта волна поступает в активную среду разрядного канала раньше, чем первая волна, снижая инверсию населенностей активной среды. Вследствие этого возможность усиления для первой волны ослабевает, а вторая, получившая преимущество по усилению, пройдя через разрядный канал, падает на «глухое» выпуклое зеркало, и, отразившись от него, распространяется назад через активную среду, образуя пучок с меньшей, чем в аналоге расходимостью. В результате двух проходов этой волны по резонатору формируемый резонаторный пучок приобретает и большую мощность, и большую пространственную когерентность по сравнению с аналогом. Если уменьшить фокусное расстояние линзы до величины меньшей l+l+L+фокусное расстояние «глухого» зеркала, то пучок станет сходящимся, и в сравнении с аналогом в плоскости фокусировки он образует пятно меньшего диаметра с большей плотностью импульсной мощности.
В зависимости от соотношения между длиной резонатора, усилением среды и временем существования инверсии населенностей, вслед за первым резонаторным пучком излучения могут образоваться и следующие пучки, однако на величину общей расходимости излучения это уже не повлияет, т.к. их расходимость будет меньше расходимости первого резонаторного пучка. По мере уменьшения радиуса R расходимость первого резонаторного пучка приближается к дифракционному пределу, но мощность излучения при этом резко снижается из-за квадратичного уменьшения площади рабочей поверхности «глухого» зеркала.
Одним из недостатков конструкции является наличие нескольких пучков излучения, что отрицательно сказывается на качестве пятна фокусировки, т.е. распределении интенсивности, а следовательно, и качестве обработки материала.
Другой недостаток - это незначительное повышение мощности высококогерентного пучка излучения вследствие существенного снижения инверсии населенностей по всему разрядному каналу, в том числе и в его приосевой части, после прохождения по нему отраженного от плоского отражателя пучка излучения, имеющего сравнительно невысокую степень когерентности. Эти недостатки приводят к низкой производительности и качеству обработки материалов.
1
2
1
2
1
2
Наиболее близким техническим решением, прототипом предлагаемого устройства, является импульсный лазер, включающий установленные на оптической оси лазера разрядный канал длиной L, ось которого совпадает с оптической осью лазера, «глухое» выпуклое зеркало, расположенное с одной стороны разрядного канала на расстоянии l от его ближнего конца, и просветленную положительную линзу, расположенную с другой, выходной для лазерного излучения стороны разрядного канала на расстоянии l≤l от его ближнего конца. На поверхности линзы, обращенной к разрядному каналу, в области оптической оси лазера выполнен небольшой участок с покрытием, отражающим излучение, причем l+L/2<l<τ·c/2-(l+L),
где τ - время существования инверсии, с - скорость света. Участок с отражающим излучение покрытием на поверхности линзы, обращенной к разрядному каналу, в области оптической оси лазера является по существу вторым выпуклым зеркалом и вместе с «глухим» зеркалом образует неустойчивый резонатор. [Патент на изобретение «Импульсный лазер» №2432652, H01S 3/03]
Недостатками конструкции прототипа являются нестабильности положения оси диаграммы направленности дифракционного пучка излучения, вызывающие колебания сфокусированного светового пятна, что отрицательно сказывается на качестве обработки материала.
Эти процессы, как показали экспериментальные исследования, особенно сильно проявляются в импульсных лазерах на парах металлов из-за возникновения воздушных-тепловых потоков в пространстве между высокотемпературным разрядным каналом и зеркалами резонатора. Например, в исследуемом лазере на парах меди с рабочей температурой разрядного канала 1600-1700 С нестабильности положения оси диаграммы направленности дифракционного пучка практически соизмеримы с его расходимостью.
Технический результат изобретения заключается в повышении стабильности положения оси диаграммы направленности дифракционного пучка излучения и, как следствие, повышение качества микрообработки материала.
1
2
1
2
1
Технический результат достигается тем, что в импульсном лазере, включающем установленные на оптической оси лазера разрядный канал длиной L, ось которого совпадает с оптической осью лазера, «глухое» выпуклое зеркало, расположенное с одной стороны разрядного канала на расстоянии l от его ближнего конца, и просветленную положительную линзу, расположенную с другой, выходной для лазерного излучения, стороны разрядного канала, на поверхности линзы, обращенной к разрядному каналу, в области оптической оси лазера выполнен участок с покрытием, отражающим излучение. Площадь участка с покрытием соизмерима с площадью рабочей поверхности «глухого» зеркала, причем l+L/2<l<τ*c/2-(l+L), где τ - время существования инверсии, с - скорость света. Перед «глухим» зеркалом, в плоскости, перпендикулярной оптической оси лазера и проходящей через полюс этого зеркала, установлена диафрагма с диаметром, приблизительно равным 2,44λ·(L+l)/D,
где λ - длина волны излучения, D - диаметр апертуры разрядного канала, причем поверхность диафрагмы, обращенная к разрядному каналу, выполнена с покрытием, поглощающим излучение.
дифр
перет
1
2
дифр
перет
1
1
Из-за возникающих воздушно-тепловых потоков в пространстве между высокотемпературным разрядным каналом и зеркалами резонатора, что особенно сильно проявляется в лазерах на парах металлов с высокой температурой разрядного канала (1500-1700 С), пятно излучения дифракционного пучка непрерывно прецессирует (перемещается) по поверхности «глухого» зеркала, что вызывает нестабильности положения оси диаграммы направленности пучка, обычно соизмеримых с дифракционной расходимостью (Δ=). При этом диаметр пятна излучения дифракционного пучка на поверхности «глухого» зеркала, из-за малого его радиуса, практически равен диаметру «мнимой» перетяжки пучка (d) в фокальной плоскости этого зеркала.. Поэтому для локализации пятна излучения на поверхности «глухого» выпуклого зеркала и, соответственно, жесткой фиксации пространственного положения оси диаграммы направленности дифракционного пучка диаметр диафрагмы (d) выбирается соизмеримым с диаметром «мнимой» перетяжки в «глухом» зеркале и определяется как произведение расстояния от фокальной плоскости «глухого» зеркала до выходной апертуры разрядного канала (F+l+L) на дифракционную расходимость (=2,44λ/D) - d ≈ d=2,44λ/D·(L+l+F),
1
1
1
1
где F - фокусное расстояние «глухого» зеркала. Так как F<<(L+l), формула упрощается и принимает вид d ≈ 2,44λ/D·(L+l).
Нанесенное на поверхность диафрагмы покрытие, поглощающее излучение, устраняет образование обратной паразитной связи с активной средой лазера и не приводит к искажению пространственно-временной структуры дифракционного пучка излучения.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображена блок-схема импульсного лазера- прототипа,, где:
- «глухое» выпуклое зеркало - 1,
- разрядный канал- 2,
- просветленная положительная линза- 3,
- участок с отражающим покрытием- 4.
На фиг. 2 изображена блок-схема импульсного лазера, конструкция которого соответствует предложенному решению, где
- «глухое» выпуклое зеркало - 1,
- разрядный канал- 2,
- просветленная положительная линза- 3,
- участок с отражающим покрытием- 4,
- диафрагма с поглощающим покрытием-5.
Пример
1
2
1
2
2
1
2
перет.
1
Импульсный лазер на парах меди имеет частоту повторения импульсов излучения 15 кГц, время существования инверсии населенностей 25 нс. Разрядный канала 2 имеет апертуру диаметром D, равным 14 мм, и длину L, равную 620 мм. «Глухое» выпуклое зеркало 1 выполнено с радиусом кривизны 10 мм и отстоит от ближнего к нему конца разрядного канала 2 на расстоянии l=600 мм. Просветленная положительная линза 3 отстоит от разрядного канала 2 на расстоянии l=150 мм. Радиус кривизны зеркального участка 4 линзы 3 равен 30 мм, диаметр зеркального участка равен 1 мм. Длина резонатора (l+L+l)=1370 мм. При таких геометрических размерах разрядного канала и расстояниях от его концов до зеркал неустойчивого резонатора условие неравенства l+L/2<l<τ·с/2-(l+L) выполняется полностью. Диаметр d диафрагмы 5 был равен 150 мкм, что соизмерим с диаметром «мнимой» перетяжки дифракционного пучка в «глухом» выпуклом зеркале 1 - d=2,44λ/D·(L+l)=122 мкм. Диафрагма 5 изготовлена из молибденовой фольги с почерненной поверхностью, эффективно поглощающей лазерное излучение.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
1
2
дифр
дифр
перет
1
2
дифр
перет
1
1
1
1
1
При включении электрического разряда в разрядном канале лазера из усиливающегося «затравочного» спонтанного излучения образуется пучок сверхсветимости с углом распространения α=2D/L (D - диаметр апертуры разрядного канала). Часть излучения пучка сверхсветимости попадает в поле неустойчивого резонатора, где происходит формирование пучка излучения с высокой степенью пространственной когерентности. На последнем этапе, пучок, отразившись от «глухого» выпуклого зеркала 1, выходит из резонатора с угловой расходимостью α=D/(F+l+L), где F - фокусное расстояние «глухого» выпуклого зеркала 1. Когда фокус линзы 3 совмещен с плоскостью изображения в «глухом» выпуклом зеркале 1 дальнего от этого зеркала конца разрядного канала 2, расходящийся пучок преобразуется линзой 3 в цилиндрический с минимальной расходимостью. При соблюдении в резонаторе условия l+L/2<l<τ·с/2-(l+L) и когда радиус «глухого» выпуклого зеркала 1 на один-два порядка меньше длины резонатора (R=(l+L+l)/10…100=5-30 мм) расходимость высококогерентного пучка излучения становится дифракционной (=2,44Δ/D), где λ - длина волны излучения). Из-за возникающих воздушно-тепловых потоков в поле резонатора, что особенно сильно проявляется в лазерах на парах металлов с высокой температурой разрядного канала (1500-1700 С), пятно излучения дифракционного пучка непрерывно прецессирует (перемещается) по поверхности «глухого» зеркала, что вызывает нестабильности положения оси диаграммы направленности пучка, обычно соизмеримых с дифракционной расходимостью (Δ=). При этом диаметр пятна излучения дифракционного пучка на поверхности «глухого» зеркала 1, из-за малого его радиуса, практически равен диаметру «мнимой» перетяжки пучка (d) в фокальной плоскости этого зеркала.. Поэтому для локализации пятна излучения на поверхности «глухого» зеркала и, соответственно, жесткой фиксации пространственного положения оси диаграммы 5 направленности дифракционного пучка диаметр диафрагмы5 (d) выбирается соизмеримым с диаметром «мнимой» перетяжки в «глухом» зеркале и определяется как произведение расстояния от фокальной плоскости «глухого» зеркала до выходной апертуры разрядного канала (F+l+L) на дифракционную расходимость (=2,44λ/D) - d ≈ d=2,44λ/D·(L+l+F). Так как F<<(L+l), формула упрощается и принимает вид d ≈ 2,44λ/D·(L+l). Нанесенное на поверхность диафрагмы 5 покрытие, поглощающее излучение, устраняет образование обратной паразитной связи с активной средой лазера и не приводит к искажению пространственно-временной структуры дифракционного пучка излучения.
дифр
дифр
дифр.
10
2
Эффективность предложенного устройства проверена на импульсном лазере на парах меди в составе современной технологической установки для прецизионной микрообработки материалов ИЭТ.. Средняя мощность лазерного излучения составила Р=1,5 Вт, расходимость достигла дифракционного предела =0,1 мрад, нестабильности оси диаграммы направленности были на два порядка меньше дифракционной расходимости - Δ=/100=0,001 мрад. В отсутствии же диафрагмы 5 нестабильности положения оси были соизмеримы с дифракционной расходимостью Δ==0,1 мрад. В технологической установке излучение этого импульсного лазера объективом с фокусным расстоянием 100 мм фокусировалось в световое пятно размером 12 мкм, где плотность пиковой мощности составляла 2·10 Вт/см, достаточной для эффективной микрообработки в испарительном режиме металлических и большого круга неметаллических материалов При обработке металлического материала без диафрагмы 5 перед «глухим» выпуклым зеркалом 1, шероховатость поверхности лазерного реза составляла 3-5 мкм, с установленной диафрагмой 5 шероховатость становится субмикронной, т.е. на порядок меньше, что важно при изготовлении качественных прецизионных деталей.