Способ формирования лазерного излучения в системе генератор-усилитель на парах металлов
METHOD FOR GENERATING LASER RADIATION IN GENERATOR-AMPLIFIER SYSTEM ON METAL VAPOUR

Техническое решение относится к области лазерной техники, в частности к способам формирования лазерного излучения в системе генератор-усилитель на парах металлов и может быть использовано в лазерной обработке материалов, лазерного сканирования и других областях, где необходимо использование лазерного излучения на уровне дифракционной расходимости.
Известен метод лазерной обработки [1], в котором излучение генератора направляют на пространственный фильтр, содержащий фокусирующую линзу, диафрагму пространственной фильтрации, помещенную в минимальном сечении сфокусированного лазерного пучка, линзу-коллиматор, восстанавливающую лазерный луч, прошедший через диафрагму в параллельный лазерный пучок, который направляется в фокусирующий объектив для выполнения обработки. Метод позволяет уменьшить диаметр сфокусированного лазерного пятна на объекте обработки за счет удаления фонового излучения и шумовых компонент света. Недостатком аналога является то, что мощность излучения ограничена мощностью генератора.
Известен пространственный фильтр для лазерного излучения и устройство для формирования лазерного излучения дифракционного качества с его использованием [2]. Пространственный фильтр содержит коллиматор с диафрагмой пространственной фильтрации. Устройство для формирования лазерного излучения дифракционного качества содержит генератор, коллиматор с диафрагмой с профилированным отверстием, расположенной в области фокуса коллиматора, а также двухпроходовый усилитель мощности лазерного излучения, выходное излучение которого выделятся за счет поляризационной развязки. Аналог обеспечивает повышение качественных характеристик лазерного излучения за счет использования пространственной фильтрации, а также повышение мощности излучения за счет использования усилителя. Недостатком аналога является сложность изготовления диафрагмы с профилированным отверстием для получения лазерного излучения дифракракционного качества, сложность ее юстировки в области фокуса коллиматора, а также сложность оптической системы лазера, кроме того, при высокой мощности излучения диафрагма имеет ограниченный срок эксплуатации.
Известен способ возбуждения импульсных лазерных систем на самоограниченных переходах [3]. Лазерная система содержит генератор, формирующий лазерный пучок в режиме работы с неустойчивым резонатором, и усилитель. Генератор и усилитель выполнены на одинаковых активных элементах лазера на парах меди. Особенностью способа возбуждения генератора и усилителя является подача импульсов возбуждения на генератор и усилитель с временным сдвигом. При оптимальном подборе времени отставания импульса возбуждения усилителя от импульса возбуждения генератора можно добиться максимальной концентрации энергии лазерного пучка в центральном сечении. Недостатком способа является невозможность получения лазерного пучка с дифракционной расходимостью.
В качестве прототипа выбрана система генератор-усилитель на основе лазерных активных элементов на парах меди [4]. Система содержит лазерные активные элементы генератора и усилителя на парах меди. Генератор содержит неустойчивый телескопический резонатор. Разогрев и возбуждение лазерных активных элементов осуществляется от импульсного источника питания. Для подавления фоновой составляющей излучения генератора на входе усилителя установлен пространственный фильтр с фокусирующим зеркалом, зеркалом коллиматора и диафрагмой, расположенной по оси выходного луча генератора в точке фокусировки зеркал. В прототипе длина оптического пути от генератора до усилителя составляет 7 метров, диаметр диафрагмы 0.5 мм. Недостатком прототипа являются большие размеры пространственного фильтра, что приводит к нестабильности выходного излучения из-за воздействия возмущающих факторов - вибрации и воздушных тепловых потоков, что не позволяет уменьшить диаметр диафрагмы для снижения уровня фона на выходе системы и получение выходного лазерного излучения с дифракционной расходимостью. Кроме того, требуются трудоемкие операции изготовления диафрагмы требуемого диаметра и ее юстировки по оси выходного луча генератора в точке фокусировки пространственного фильтра.
Задачей технического решения является получение выходного лазерного излучения в системе генератор-усилитель на уровне дифракционной расходимости, уменьшение длины оптического пути от генератора до усилителя, а также снижение трудоемкости изготовления диафрагмы и ее юстировки в точке фокусировки пространственного фильтра.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в способе формирования излучения в лазерной системе генератор-усилитель на парах металлов, заключающемся в том, что сформированное в генераторе, содержащем неустойчивый телескопический резонатор, излучение направляют на пространственный фильтр, выполненный в виде телескопической системы с диафрагмированием пучка в плоскости совмещенного фокуса, и пропускают через усилитель, предусмотрены следующие отличия, в плоскости совмещенного фокуса линз телескопической системы пространственного фильтра устанавливают пластину из материала, не прозрачного для излучения системы, и формируют в ней диафрагмирующее отверстие воздействием собственного излучения генератора.
Кроме того, предложенный способ формирования излучения в лазерной системе генератор-усилитель на парах металлов отличается тем, что пластину перемещают в плоскости установки и формируют в ней новое диафрагмирующее отверстие перед каждым включением системы.
Между совокупностью существенных признаков способа формирования излучения в лазерной системе генератор-усилитель на парах металлов и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно выполнение фокусирующей и коллимирующей оптических систем пространственного фильтра в виде линз позволяет существенно сократить длину оптического пути от генератора до усилителя, формирование отверстия диафрагмы в непрозрачной пластине, установленной в плоскости фокуса, посредством воздействия собственного излучения генератора его центральным пучком исключает необходимость изготовления диафрагмы пространственного фильтра, обеспечивающей выделение пучка с дифракционной расходимость из выходного излучения генератора, а также необходимость юстировки отверстия диафрагмы в фокусе пространственного фильтра.
Техническое решение обеспечивает получение лазерного излучения в системе генератор-усилитель на парах металлов на уровне дифракционной расходимости, уменьшение габаритов системы за счет сокращения длины оптического пути от генератора до усилителя, а также снижение трудоемкости изготовления диафрагмы и ее юстировки по оси выходного луча генератора в фокусе пространственного фильтра.
Техническая сущность предложенного технического решения поясняется чертежом, на котором фиг. 1 изображает схему системы генератор-усилитель, фиг. 2 содержит изображение пучков излучения генератора на диафрагмирующей пластине, фиг. З содержит график распределения мощности излучения генератора по сечению и фотографию этого излучения на экране, расположенном в плоскости измерения распределения.
На фиг. 1 изображена схема системы генератор-усилитель, которая содержит зеркала 1 и 3, образующие телескопический резонатор генератора 2, фокусирующую линзу 4, диафрагмирующую пластину 5, коллимирующую линзу 6 и усилитель 7, а также диафрагмирующие отверстия 8. В качестве генератора 2 и усилителя 7 использованы отпаянные лазерные активные элементы на парах меди. Пластина 5 выполнена из материала, непрозрачного для лазерного излучения генератора и усилителя, и установлена в плоскости совмещенного фокуса линз 4 и 6. При включении системы под действием излучения генератора 2, сфокусированного линзой 4 в пластине 5, формируется отверстие 8, которое становится диафрагмой для пространственного фильтра, образованного линзами 4 и 6. За счет того, что интенсивность центральной части пучка генератора существенно больше, чем интенсивность периферийной части, диафрагмирующее отверстие 8 формируется только центральной - наиболее энергетической частью лазерного пучка генератора 2, сфокусированного линзой 4. Отверстие 8 создается в пластине 5 на оптической оси пространственного фильтра диаметром, обеспечивающим выходной луч из пространственного фильтра, подаваемый на усилитель 7, с дифракционной расходимостью.
Если в процессе эксплуатации системы, диаметр диафрагмирующего отверстия 8 из-за вибраций и температурных воздействий изменится, пластину 5 перемещают в плоскости установки и формируют в ней новое дифрагмирующее отверстие 8 собственным излучением генератора. Эту операцию можно при необходимости производить перед каждым включением системы.
Выходное излучение генератора имеет многопучковую структуру: пучки сверхсветимости с расходимостью 50 и 18 мрад, промежуточный пучек с расходимостью, превышающей дифракционную в несколько раз, формируемый за первый проход излучения в резонаторе генератора, и пучок с дифракционной расходимостью 0.07 мрад, формируемый за второй и третий проход излучения в резонаторе генератора.
На фиг. 2 условно показано пятно излучения генератора, сфокусированное линзой 4 на пластине 5. Пучок с дифракционной расходимость 9 концентрируется в центре пятна, затем следует промежуточный пучок 10 и пучки сверхсветимости образуют фоновое излучение 11.
На фиг. 3 показано распределение энергии излучения генератора по сечению. Максимальная энергия лазерного пучка генератора концентрируется в его центре, который формируется пучком 9 с дифракционной расходимость. Энергии промежуточного пучка 10 и пучков сверхсветимости 11 распределяются на значительно больших расстояниях от центра излучения и имеют соответственно меньшую плотность мощности. Данное распределение наглядно демонстрирует фотографией излучения генератора, сделанное на расстоянии 1 м от генератора. На фотографии четко видно наиболее яркое пятно пучка 9 с дифракционной расходимость, значительно менее яркое пятно промежуточного пучка 10 и практически не видное пятно пучков сверхсветимости 11.
Энергии центрального пучка 9 с дифракционной расходимость, при соответствующем выборе материала и толщины пластины 5, достаточно, чтобы в непрозрачной пластине 5 за счет абляции материала сформировать диафрагмирующее отверстие в фокусе пространственного фильтра, которое не пропускает пучки сверхсветимости 11 и промежуточные пучки 10 и пропускает только пучек 9 с дифракционной расходимостью.
Предложенное техническое решение обеспечивает формирование лазерного излучения в системе генератор-усилитель на уровне дифракционной расходимости, уменьшение габаритов системы, а также снижение трудоемкости изготовления диафрагмы и ее юстировки.
Источники информации
1. Патент США 5670069.
2. Патент РФ 2392649.
3. Патент РФ 2264011.
4. В.В. Зубов, Н.А. Лябин, А.Д. Чуреин, Квантовая электроника, том 13, номер 12, 2431-2436, 1986, УДК 621.373.826.038.823 – прототип.