СПОСОБ ИМПУЛЬСНОЙ ГЕНЕРАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА ЩЕЛЕВОГО ТИПА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF PULSE OSCILLATION OF EMISSION OF SLOT-TYPE GAS LASER AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Группа изобретений относится к области квантовой электроники и может быть использована при создании газовых лазеров с высокочастотным возбуждением активной среды и высоким уровнем мощности импульсной генерации излучения, применяемых для технологической обработки материалов с особыми свойствами, например, цветных металлов и хрупких материалов.
2
Известны щелевые CO лазеры (US5048048 (A), H01S 3/03, 1991-09-10; ЕР0275023 (A1), H01S 3/03,1988-07-20: US5131003, H01S 3/097, 1992-07-14), в состав которых входят пара подключенных к ВЧ-генератору протяженных металлических электродов, образующих щелевой разрядный промежуток с активной средой, и зеркала резонатора, установленные вблизи торцов электродов разрядного промежутка. Характерные размеры разрядного промежутка: высота зазора 1.5-2 мм, а ширина в десятки раз больше. В щелевом разрядном промежутке возбуждается поперечный высокочастотный (ВЧ) разряд и излучение распространяется, как в планарном волноводе вдоль электродов и свободно - в боковом направлении. Комбинация волноводного и неволноводного распространения излучения позволяет реализовать высокие плотности мощности накачки активной среды и, соответственно, получить высокие уровни мощности генерации излучения.
2
2
В известных щелевых СО лазерах реализуются два режима возбуждения газовой активной среды и, соответственно, два режима генерации излучения: непрерывный и импульсно-периодический. В непрерывном режиме мощность излучения отпаянных СО лазеров в зависимости от объема активной среды составляет от 100 до 500 Вт. В импульсно-периодическом режиме при модуляции ВЧ-напряжения на разряде (см., например, US 5131003, H01S 3/097, 1992-07-14; JP 7226556 (A), H01S 3/097, 1995-08-22) получают импульсы с длительностью от 30 мкс и более с пиковой мощностью излучения, превышающей среднюю мощность в 2-2,5 раза.
2
2
3
Максимальная частота следования импульсов при 100% глубине модуляции света в отпаянных щелевых С0 лазерах находится в диапазоне до 10 кГц. Это связано с кинетическими процессами развития импульса в активной среде при типичных давлениях газа 50-80 Торр и типичных уровнях накачки 20-60 Вт/см. При более высоких частотах следования импульсов накачки глубина модуляции уменьшается вследствие больших времен (50-70 мкс) нарастания и спада импульсов генерации (см., например, "Slab waveguide RF-excited СO laser for material processing", A.I.Dutov, N.A.Novoselov, V.N.Sokolov, A.A.Kuleshov, Proc.SPIE, vol.2713, pp.51-57, 1995).
2
2
2
3
Увеличение импульсной мощности генерации в щелевых СО лазерах может быть достигнуто при увеличении давления газа до 150-200 Торр и многократным увеличением плотности мощности накачки. Например, в работе "Коэффициент усиления активной среды и параметры генерации щелевого СО лазера с высокой импульсной мощностью", А.И.Дутов, А.А.Кулешов, Н.А.Новоселов, Н.Л.Орлов, А.А.Соколов, С.А.Мотовилов, Изв.АН, сер.физ., том 66, №8, стр.1179-1181, (2002), сообщается о получении пиковой мощности генерации до 4-5 кВт при длительности импульсов 20-50 мкс в лазере, работающем на частоте повторения импульсов до 600 Гц. Аналогичные параметры генерации приведены и в работе F.Villarreal, P.R.Murray, H.J.Baker, G.A.J.Markillie, R.J.Ramirez, Q.Cao, D.R.Hall, "High peak power CO planar waveguide lasers for direct high resolution machining",Proc. SPIE, vol.4184, pp.258-261, (2001), где предельная частота следования импульсов без снижения амплитудной мощности составила 1 кГц. В обеих работах частота повторения импульсов была ограничена влиянием акустических волн плотности, которые развиваются в активной среде при импульсно-периодическом вкладе с высокими удельными плотностями накачки (300-800 Вт/см).
2
Известен способ импульсной генерации излучения газового лазера щелевого типа, осуществляемый в известном газовом СО лазере щелевого типа (US 5131003; H01S 3/097; 1992-07-14), который по совокупности существенных признаков является наиболее близким аналогом заявляемого лазера.
Известный газовый лазер содержит заполненную активной газовой средой герметичную камеру с окном для вывода излучения, установленные в камере и подключенные к ВЧ-генератору два противолежащих протяженных металлических электрода, образующих между ними щелевой разрядный промежуток, и оптический резонатор с выводным зеркалом.
При осуществлении известного способа на электроды известного лазера от ВЧ-генератора подают напряжение возбуждения в виде импульса с заданной частотой, в результате чего возникает импульсный разряд. Протекание импульсов разряда обеспечивает создание кратковременной инверсии населенности энергетических уровней в находящейся в разрядном промежутке активной газовой среде. Вынужденное периодическое испускание излучения частицами газовой среды в пределах оптического резонатора при их переходе из возбужденного в основное состояние приводит к модуляции лазерного излучения на соответствующей длине волны.
2
Известный способ, осуществляемый в известных щелевых СО лазерах не позволяет реализовать одновременно высокие импульсные мощности света и высокие частоты повторения импульсов при 100% глубине модуляции. Максимальные пиковые мощности составляют у этих лазеров всего несколько киловатт, в то время как для технологических применений (например, для обработки цветных металлов, а также хрупких материалов) требуются пиковые мощности в десятки киловатт и более.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа импульсной генерации излучения, осуществляемым известным устройством, относятся нарушение однородности активной среды в режиме мощной импульсной накачки и неустойчивость газового разряда.
Известно, что при укорочении длительности лазерного импульса повышается эффективность взаимодействия излучения с веществом за счет уменьшения порогов плавления и испарения облучаемого материала, зависящих от его теплопроводности, плотности, теплоемкости и др. свойств. Уменьшение длительности импульса от 1 миллисекунды до 100 не позволяет понизить порог испарения металла в 100-300 раз (см. "Лазерные технологии в микроэлектронике". В.П.Вейко, С.М.Метев. Изд. Болгарской АН, София, 1991).
Эффективным методом укорочения длительности импульса в лазерах и повышения пиковой мощности является метод модуляции добротности резонатора. Для любой резонансной системы добротность определяется как отношение запасенной энергии в системе к энергии, теряемой за один цикл колебаний, т.е. высокая добротность резонатора лазера означает, что резонансная система имеет малые потери (см. О.Звелто. "Принципы лазеров". М.: Мир, 1990).
Если в оптическом тракте резонатора с помощью затвора блокируют усиление излучения, то генерация возникнуть не может. В этом случае инверсия населенностей может достичь значения, которое намного превышает пороговое, имеющее место в отсутствие затвора. Закрытое состояние затвора эквивалентно появлению в резонаторе лазера очень больших потерь. Если теперь резко открыть затвор, то усиление в лазере существенно превысит потери и накопленная энергия выделится в виде короткого и интенсивного импульса излучения.
2
2
Известен способ импульсной генерации излучения газового СО лазера (High power repetition rate Q-switch CO laser and its application to study the optical breakdown in supersonic air stream", A.N.Malov, A.M.Orishich, V.B.Shulatyev, Proc.SPIE, vol.7131, 7131 IP-1-7 (2009), в котором используют модуляцию лазерного излучения путем периодического блокирования усиления излучения в резонаторе.
В известном способе блокирование усиления излучения в резонаторе осуществляют с помощью модулятора в виде вращающегося диска с прорезями.
2
2
Известный способ был реализован только на базе нещелевого промышленного газового СО лазера низкого давления с прокачкой газа. На частотах повторения 30-40 кГц были получены импульсы генерации с амплитудой в диапазоне 50-100 кВт, что расширяет технологические возможности промышленного СО лазера, например позволяет резать стекло и цветные металлы.
Технологические нещелевые лазеры этого типа очень громоздки, расходуют много газовой смеси и малоэффективны, т.к. возбуждаются либо постоянным током, либо переменным током низкой частоты.
2
2
2
2
Известны также волноводные СО лазеры с модуляцией добротности резонатора с использованием электрооптического модулятора (ЭОМ) (См. Precision Microfabrication with Q-Switched CO Laser", C.Dunsky and H.Matsumoto, Proc.SPIE, Voi.4830,pp.85-90, (2003), а также "Q-switched cavity dumped CO laser for material processing", Kennedy J.T. et al., US Pat.6,697,408; H01S 003/22; 2004-02-24). Волноводные CO лазеры имеют круглое или квадратное сечение канала с размерами в диапазоне от 2 до 4 мм, в котором происходит накачка активной среды в газовом разряде.
Излучение распространяется в канале, как в световоде, по обеим координатам. Одно или оба резонаторных зеркала располагаются снаружи и отделены от активной среды окнами Брюстера. ЭОМ находится во внешней оптической схеме и вместе с фазовой пластинкой образует модулятор-затвор для излучения.
Известный способ модуляции потерь в резонаторе с помощью ЭОМ не может быть использован в щелевом лазере по двум причинам: во-первых, работоспособность кристалла в ЭОМ ограничивается на уровне 10-15 Вт излучения и, во-вторых, световая апертура или сечение кристалла в ЭОМ слишком мала (от 4×4 мм до 8×8 мм) для установки в резонатор щелевого лазера.
Механический же модулятор (обтюратор) в качестве затвора применить в резонаторе щелевого лазера не представляется возможным, поскольку световая апертура резонатора у лазеров этого типа слишком велика для того, чтобы осуществить быстрое ("мгновенное") перекрывание света.
Из уровня техники не известны способы модуляции добротности резонатора в газовых лазерах щелевого типа.
2
Задачей, на решение которой направлена заявляемая группа изобретений, является одновременное повышение мощности и частоты повторения лазерных импульсов СО лазеров щелевого типа, в частности получение последовательности мощных лазерных импульсов с пиковой мощностью 5 кВт и более, следующих с высокой частотой повторения, преимущественно в диапазоне 10 кГц и более, при средней мощности излучения лазера от 50 до 500 Вт в отпаянном режиме. Значения указанных параметров зависят от конкретного воплощения прибора, в частности от величины объема активной среды и от конструкции модулятора излучения. Пиковая мощность примерно в 100 раз превосходит среднюю мощность излучения лазера, а частота следования импульсов зависит от числа прорезей на диске и от скорости вращения диска модулятора.
Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемой группы изобретений, заключается в обеспечении возможности модулированного с глубиной до 100% изменения потерь в резонаторе лазера щелевого типа.
Указанный технический результат достигается при осуществлении заявляемой группы разнообъектных изобретений, образующих единый творческий замысел и представляющих собой способ и устройство для его осуществления.
Указанный технический результат при осуществлении заявляемой группы изобретений достигается тем, что в заявляемом способе импульсной генерации излучения газового лазера щелевого типа излучение из щелевого разрядного промежутка лазера направляют на одно из зеркал резонатора через дополнительный пассивный оптический ретранслирующий участок, а импульсную генерацию излучения осуществляют путем периодического блокирования усиления излучения в резонаторе на этом пассивном участке.
Указанный технический результат при осуществлении заявляемой группы изобретений достигается также тем, что периодическое блокирование усиления излучения в резонаторе осуществляют на пассивном участке в месте перетяжки пучка излучения.
Указанный технический результат при осуществлении заявляемого изобретения достигается тем, что в заявляемом щелевом лазере, содержащем заполненную активной газовой средой герметичную камеру с окном для вывода излучения, установленные в камере и подключенные к ВЧ-генератору два противолежащих протяженных металлических электрода, образующих между ними щелевой разрядный промежуток, и оптический резонатор с выводным зеркалом, в отличие от известного лазера, оптический резонатор дополнительно снабжен внешним пассивным участком - оптическим ретранслятором с возможностью ретрансляции распределения интенсивности и фазы пучка излучения в плоскости торца электродов на плоскость установленного вне камеры выводного зеркала резонатора, и модулятором излучения, установленным на пассивном участке.
Указанный технический результат при осуществлении заявляемой группы изобретений достигается также тем, что модулятор излучения установлен на пассивном участке в месте перетяжки пучка излучения.
Указанный технический результат при осуществлении заявляемой группы изобретений достигается также тем, что оптический ретранслятор выполнен в виде двух софокусных линз, у которого передняя плоскость ретрансляции совмещена с торцами разрядных электродов, а задняя плоскость - с выводным зеркалом резонатора.
На фиг.1 изображен заявляемый лазер с резонатором неустойчивого типа отрицательной ветви, у которого ход лучей показан в плоскости волноводной координаты; на фиг.2 показана оптическая схема резонатора щелевого лазера с ходом лучей в плоскости свободной координаты; на фиг.3 - график расчетных зависимостей импульса генерации и потерь резонатора, полученные для резонатора с модуляцией добротности при частоте модуляции 1 кГц.
2
10
11
В заявляемом лазере (фиг.1) в заполненной активной газовой средой (содержащей СО) герметичной камере 1 с окном 2 для вывода излучения установлены подключенные к ВЧ-генератору 3 два противолежащих протяженных металлических электрода 4 и 5, образующих между ними щелевой разрядный промежуток 6. Оптический резонатор лазера образуют установленное в камере 1 концевое сферическое зеркало 7 и установленное вне камеры 1 выводное сферическое зеркало 8. В резонаторе между плоскостью торцов электродов 4 и 5 и выводным зеркалом 8 установлен внешний оптический ретранслятор 9, состоящий из двух софокусных положительных линз 10 и 11 с фокусными расстояниями f и f.
Передняя и задняя фокальные плоскости I и II ретранслятора 9 (фиг.2) совмещены соответственно с плоскостью торцов электродов 4 и 5 и выводным зеркалом 8 для обеспечения ретрансляции поля излучения (т.е. для воспроизведения по амплитуде и фазе) из плоскости I в плоскость II и обратно с точностью до полосы пропускания ретранслятора 9. Таким образом, участок между плоскостями I и II обладает нулевой эффективной длиной и полностью сохраняет структуру моды резонатора, его потери и чувствительность к аберрациям, то есть является пассивным участком в оптической схеме.
На пассивном участке (в ретрансляторе 9) между линзами 10 и 11, предпочтительно в месте перетяжки пучка излучения, установлен механический обтюратор 12 в виде диска с прорезями по периферии.
Заявляемый способ импульсной генерации излучения газового лазера щелевого типа осуществляется в заявленном лазере следующим образом.
2
ВЧ-генератор 3 в непрерывном режиме подает напряжение на электроды 4 и 5 и возбуждает активную среду в разрядном промежутке 6. Протекание тока между протяженными металлическими электродами 4 и 5 обеспечивает создание инверсной населенности энергетических уровней молекул СО в газовой активной среде, находящихся в промежутке 6. В исходном состоянии генерация возникнуть не может, поскольку в оптическом тракте резонатора диск обтюратора 12 перекрывает световую апертуру в месте перетяжки, т.е. блокирует усиление. При этом инверсия населенностей накапливается и может достичь высокого уровня, который намного превышает пороговое значение. Если прорезь на диске открывает поток излучения при повороте диска обтюратора 12, реализуется другое состояние лазера, при котором усиление в активной среде существенно превышает потери, и на короткое время t', определяемое скоростью вращения обтюратора 12 и сечением перетяжки пучка излучения, образованной в ретрансляторе 9 софокусными линзами 10 и 11, устанавливается поле излучения (мода). Накопленная в активной среде энергия выделяется в виде короткого и интенсивного импульса. Время t' определяется скоростью вращения обтюратора 12 и сечением перетяжки пучка излучения, образованной в ретрансляторе 9 софокусными линзами 10 и 11. Для минимизации оптических потерь в резонаторе и сохранения модовой структуры излучения плоскость выводного зеркала II и плоскость торцов разрядных электродов I сопряжены с помощью оптического ретранслятора 9, образованного линзами 10 и 11.
Механический обтюратор 12 в виде диска с прорезями по периферии, расположенный в области перетяжки ретранслятора 9, практически может иметь прорези шириной 0.5-1.0 мм, расстояние между ними в диапазоне 5-20 мм и скорость вращения диска 200-300 оборотов в секунду. Таким образом, может быть обеспечено открывание резонатора на время 1-10 мкс, в течение которого и осуществляется импульсный режим генерации лазера. При этом реализуется пиковая мощность излучения в десятки киловатт, длительность в пичке по полувысоте 40-500 нс, а длительность "хвоста" импульса в диапазоне от 2 до 10 мкс.
3
Оптическая схема ретранслятора для неустойчивого типа лазерного резонатора в сочетании с прерывателем излучения - модулятором оптических потерь - была использована при расчетах энергии, длительности и формы импульсов генерации методом компьютерного моделирования. На фиг.3 представлены графики результатов расчетов для активной среды щелевого лазера с размерами 2×60×600 (мм), давлением газа 70 Торр и плотностью мощности ВЧ-накачки в разряде 40 Вт/см, полученные для неустойчивого резонатора с модуляцией добротности при частоте модуляции 1 кГц.
Для неустойчивого резонатора с увеличением М=1.2 получена пиковая мощность 20 кВт, а энергия в импульсе - 9 мДж. Результаты расчетов подтверждают возможность осуществления заявляемого изобретения, достижения указанного технического результата и решения поставленной задачи.