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 с целью получения узконаправленного пучка лазерного излучения с высокой стабильностью параметров излучения. Такое излучение обеспечивает передачу энергии на большие расстояния с малыми потерями, например, при зондировании атмосферы. Использование таких устройств целесообразно при прецизионной обработке материалов, что позволяет получить малый диаметр пятна излучения в плоскости обработки при высокой плотности импульсной мощности, стабильный по мощности и размерам. Сумма этих эффектов снижает потери материала при испарении и обеспечивает высокое качество обработки материалов на технологической установке, использующей предлагаемое устройство.
Известна конструкция лазера для формирования узконаправленного лазерного пучка [1]. Конструкция содержит неустойчивый резонатор, с помощью которого генерируются высококогерентные пучки излучения с малой расходимостью. Однако характерные для таких резонаторов нестабильности оси диаграммы направленности, а также энергии и мощности от импульса к импульсу в конечном счете снижают качество выходного излучения. Нестабильности
параметров вызваны высокой чувствительностью поля резонатора к механическим и акустическим колебаниям, а также рефракционным явлениям.
1
Наиболее близким техническим решением, прототипом предлагаемого устройства, является импульсный лазер, включающий установленные на оптической оси лазера разрядный канал с анодом и катодом, в котором ось разрядного канала совпадает с оптической осью лазера, выпуклое зеркало, установленное с одной стороны разрядного канала на расстоянии 1 от него, и фокусирующий оптический элемент, установленный с другой, выходной для лазерного излучения стороны разрядного канала, фокус которого совмещен с плоскостью изображения в выпуклом зеркале дальнего от выпуклого зеркала конца разрядного канала [2].
При подаче импульсного напряжения на электроды разрядного канала лазер генерирует излучение с двухпучковой структурой и высокой стабильностью параметров. Первый пучок с низкой пространственной когерентностью после коллимирования фокусирующим элементом имеет расходимость на 3 порядка большую дифракционной и острой фокусировке не поддается [3]. Второй пучок имеет степень пространственной когерентности существенно более высокую, чем первый. При его коллимировании образуется пучок с расходимостью, зависящей от радиуса кривизны выпуклого зеркала R. Это позволяет, уменьшая радиус кривизны выпуклого зеркала, уменьшить расходимость пучка. Однако с уменьшением радиуса кривизны зеркала уменьшается и мощность пучка, (за счет уменьшения рабочей поверхности выпуклого зеркала),
а мощность фонового пучка увеличивается, что является недостатком устройства.
Целью настоящего технического решения является уменьшение расходимости излучения импульсного лазера без снижения мощности.
Указанная цель достигается тем, что в импульсном лазере, включающем установленные на оптической оси лазера разрядный канал с анодом и катодом, в котором ось разрядного канала совпадает с оптической осью лазера, выпуклое зеркало, установленное с одной стороны разрядного канала на расстоянии li от него, и фокусирующий оптический элемент, установленный с другой, выходной для лазерного излучения стороны разрядного канала, фокус которого совмещен с плоскостью изображения в выпуклом зеркале дальнего от выпуклого зеркала конца разрядного канала, между фокусирующим оптическим элементом и разрядным каналом на расстоянии Ь ^ li от разрядного канала перпендикулярно оси лазера установлен плоский отражатель частично прозрачный для лазерного излучения, причем катод в разрядном канале установлен со стороны выхода лазерного излучения.
Плоский отражатель может быть выполнен в виде плоско-параллельной пластины, или (и) с селективным покрытием, пропускающим только одну длину волны лазера.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в следующем.
Расходимость выходного пучка излучения зависит от числа отражений пучка от зеркал резонатора. Чем больше отражений, тем выше пространственная
когерентность выходного излучения, тем меньше его расходимость. Мощность пучка, сформированного в активной среде, зависит от параметров среды, степени заполнения полем пучка активной среды разрядного канала, числа проходов пучка между отражателями и количества одновременно существующих в активной среде конкурирующих пучков при одном и том же коэффициенте пропускания выходного зеркала. Поскольку в импульсных лазерах, работающих на самоограниченных переходах, процессы образования пучков в резонаторе строго разделены по времени, этим можно воспользоваться, создав условия для эффективного развития выходного пучка, сформированного двумя отражениями в резонаторе. Для этого выпуклое зеркало устанавливают со стороны разрядного канала, содержащей анод. А между фокусирующим оптическим элементом и концом разрядного канала, содержащим катод, на расстоянии (12), меньшем или равном, чем расстояние от другого конца канала до выпуклого зеркала (li), устанавливают плоский отражатель частично прозрачный для лазерного излучения.
При включении разряда в разрядном канале из «затравочного» спонтанного излучения образуются две низкокогерентные волны, распростаняю-щиеся вдоль активного элемента в разных направлениях. Одна их них проходит через активную среду и падает на выпуклое зеркало, отражается от него и вновь попадает в активную среду разрядного канала. Вторая волна, выйдя из активной среды разрядного канала в сторону плоского зеркала, частично отразится от него, частично пройдет через пластину, образуя нерезонаторный низкокогерентный пучок. Отраженная от пластины часть волны попадает вновь в активную
1
2
среду, имея большую, чем до отражения область пространственной когерентности [4] и, т.к. l≥1, поступает в область активной среды разрядного канала, расположенную вблизи выпуклого зеркала раньше, чем первая волна после отражения от выпуклого зеркала, снижая инверсию населенности активной среды. Вследствие этого, первая волна, не имея возможности усилиться, затухает, а вторая падает на выпуклое зеркало, и, отразившись от него, распространяется назад, образуя пучок с меньшей расходимостью, чем в прототипе, без снижения мощности. Поскольку этот пучок вследствие двух проходов по резонатору приобретает и большую пространственную когерентность, то при коллимировании фокусирующим оптическим элементом он преобразуется в пучок с меньшей, чем в прототипе, предельной расходимостью. Если пучок сфокусировать с целью использования его для обработки материала, то в плоскости фокусировки он образует пятно меньшего диаметра, чем пучок прототипа, с большей плотностью импульсной мощности.
В зависимости от соотношения между длиной резонатора, усилением среды, коэффициентом отражения плоского отражателя и временем существования инверсии населенности, вслед за первым резонаторным пучком излучения могут образоваться и другие пучки, однако на величину расходимости излучения это уже не повлияет, т.к. их расходимость будет меньше расходимости первого резонаторного пучка, а при малых радиусах R, ввиду малого отличия расходимости первого пучка от дифракционного предела, их расходимость практически будет такой же, как расходимость первого резонаторного пучка.
Плоский отражатель может быть выполнен с селективным покрытием для пропускания одной из длин волн генерации (0.51 или 0.58 мкм). Тогда в плоскости обработки материала будет пучок с одной длиной волны.
Плоский отражатель может быть выполнен в виде стеклянной плоско-параллельной пластины, которая, в свою очередь, может быть выполнена с покрытием для одной из длин волн генерации лазера.
Сущность предлагаемого решения поясняется чертежами. На фиг.1 изображена блок-схема импульсного лазера- прототипа. На фиг.2 изображена блок-схема импульсного лазера, конструкция которого соответствует предложенному решению. На фиг 1 и 2
1 - выпуклое зеркало с радиусом кривизны R;
2 - разрядный канал;
3 - анод разрядного канала;
4 - катод разрядного канала;
5 - фокусирующий оптический элемент;
3
6 - нерезонаторный пучок излучения, сформированный апертурой разрядного канала в направлении выпуклого зеркала;
отр
6 - нерезонаторный пучок излучения, сформированный апертурой разрядного канала в направлении плоского отражателя;
вых
6 - нерезонаторный пучок выходного излучения 7-пучок излучения, образованный выпуклым зеркалом и выходной апертурой разрядного канала;
8 - плоский отражатель;
9 - пучок излучения, образованный отражениями от плоского отражателя и выпуклого зеркала;
3
отр
вых
10 - пучок излучения, отраженный от плоского отражателя. Предложенное устройство работает следующим образом. При включении разряда вблизи катода 4 разрядного канала 2 возникают две волны «сверхсветимости». Первая из них 6, усиливаясь активной средой, направляется к выпуклому зеркалу 1 и отражается от него в виде пучка 7 в активную среду. Вторая 6 волна падает на плоский отражатель 8 с частичной прозрачностью для лазерного излучения. Часть ее проходит через отражатель 8 и образует низкокогерентный пучок с большой расходимостью 6. Другая часть ее, отражаясь, вновь попадает в усиливающую среду разрядного канала 2 и распространяется вдоль канала, имея большую пространственную когерентность, чем до отражения от плоского отражателя 8. Эта волна, усиливаясь в активной среде, приходит на противоположную от катода область разрядного канала (область анода 3) раньше, чем волна 7, существенно уменьшая инверсию населенности активной среды разрядного канала. Поэтому отраженная от выпуклого зеркала «слабая» волна 7, не имея возможности усилиться, быстро «гаснет», а встречная, отраженная от плоского отражателя 8 и усиленная волна, отражается от выпуклого зеркала 1, повышая свою когерентность. В активной среде эта волна 9 уже с высокой пространственной когерентностью вновь усиливается, частично отражается от плоского отражателя 8, частично проходит через него к фокусирующему элементу 5, образуя высококогерентный пучок
излучения с расходимостью меньшей, чем в прототипе. Если длительность инверсии населенности в активной среде больше времени двух проходов излучения между выпуклым зеркалом 1 и плоским отражателем 8, вслед за первым пучком излучения могут образоваться и другие пучки 10, при малых R практически полностью пространственно совпадающие с первым. За фокусирующим элементом наблюдаются два пространственно разделенных пучка излучения:
пучок сверхсветимости 6, образованный апертурой разрядного канала, и второй пучок с практически дифракционной расходимостью 9, который может являться следствием наложения нескольких пучков.
1
2
9
2
9
2
Эффективность предложенного устройства проверена на примере импульсного лазера на парах меди с частотой повторения импульсов 10 кГц, в котором выпуклое зеркало имело радиус кривизны R=0,6 см, длину разрядного канала 93 см, расстояние между выпуклым зеркалом и плоским отражателем см, и l=1. (фиг.2). На выходе лазера (после коллимирования) регистрировался сильно расходящийся пучок «сверхизлучения» и пучок с расходимостью 0,07 мрад с мощностью 0,5 Вт, при том, что предельная расходимость (дифракционная) для такой конфигурации составляет 0,06 мрад. Для прототипа величина расходимости составляла 0,1 мрад при мощности излучения 0,35 Вт. При фокусировании малорасходящегося коллимированного пучка излучения линзой с фокусным расстоянием 100 мм в плоскости фокусировки получен диаметр пучка излучения 0,007 мм, плотность средней мощности 9*10 Вт/см. В прототипе эти же значения составили 0,01 мм и 3* 10 Вт/см.
Таким образом, описанная конструкция позволяет получить малорасходящийся пучок лазерного излучения, в котором расходимость и диаметр пучка в плоскости фокусировки в 1,5 раза меньше, а плотность мощности в 3 раза больше, чем в прототипе.
Источники информации.
[1] В.В.Зубов, Н.А.Лябин, А.Д.Чурсин «Эффективная система генератор-усилитель на основе лазерных активных элементов на парах меди» «Квантовая электроника», 13, №12 (1986)
[2] Н.А.Лябин «Безрезонаторный лазер на парах меди с высоким качеством излучения» «Квантовая электроника», 16, №4 (1989)
[3] В.В.Зубов, Н.А.Лябин, А.Д.Чурсин «Лазер на парах меди с высокостабильным однопучковым излучением и управляемой расходимостью» «Квантовая электроника», 15, №10 (1988)
[4] В.М.Батенин и др. «Лазеры на самоограниченных переходах атомов металлов», глава 6, Москва, 1998.