ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ЛАЗЕР

Полезная модель относится к лазерной технике и может быть использована при разработке перестраиваемых по длинам волн лазеров и спектрометрических приборов на их основе.
Известен перестраиваемый лазер, содержащий активный элемент с окном Брюстера, оптический резонатор, включающий спектрально -селективный элемент с возможностью поворота или продольно - углового перемещения, для перестройки лазера по линиям спектра. (См. з-ка РСТ №86/04746, кл. H 01 S 3/1055, опубл. 14.08.86 г.)
Несмотря на высокую точность перестройки, лазер обладает таким недостатком, как сложность процесса перестройки, связанная с использованием целой группы дополнительных измерительных приборов, схем сравнения и обработки сигналов.
Известен перестраиваемый лазер, содержащий активную среду, резонатор, включающий спектрально - селективный элемент (дифракционную решетку), установленный с возможностью изменения пространственно - углового положения и внутрирезонаторную регулируемую апертурную диафрагму. Лазер дополнительно содержит профилированный толкатель, кинематически связанный со спектрально -селективным элементом, а диафрагма снабжена приводным рычагом, кинематически связанным с профилированным толкателем. (См. пат. РФ №2046482, кл. Н 01 S 3/13, опубл. 20.10.95 г.)
К недостаткам лазера следует отнести следующее: в процессе работы приводной рычаг в значительных пределах линейно перемещается (скользит) в фигурном и (или) прямом пазе. Вследствие этого возникает повышенный и неравномерный износ контактирующих поверхностей и ухудшается точность и воспроизводимость выбора длины волны в процессе перестройки, снижается надежность и устойчивость работы перестраиваемого лазера в условиях механоклиматических воздействий.
Кроме того, в процессе перестройки по длинам волн (изменение пространственно - углового положения спектрально селективного элемента) происходит неконтролируемое
и немонотонное изменение частоты лазерного излучения, что препятствует настройке на максимум мощности излучения.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является перестраиваемый лазер, содержащий расположенный в корпусе резонатор, включающий активную среду, выходное зеркало и спектрально -селективный элемент (дифракционную решетку), соединенную через первый юстировочный механизм со свободным концом подвижного рычага, второй конец которого зафиксирован сферическими опорами в «П»-образном фланце и через второй юстировочный механизм соединен с корпусом лазера, причем свободный конец подвижного рычага кинематически связан с микрометрическим винтом. (См. пат. РФ №2244368, кл. Н 01 S 3/1055, опубл. 10.01.2005 г. - прототип)
К недостаткам прототипа следует отнести следующее: при выводе излучения через выходное зеркало не используется излучение «0»-го порядка дифракционной решетки, из-за чего теряется часть излучения, составляющая несколько процентов, а увеличение внутрирезонаторных потерь приводит к снижению диапазона перестройки и выходной мощности излучения.
Использование «О»-го порядка излучения дифракционной решетки в прототипе в принципе не возможно, из-за изменения углового положения оси диаграммы направленности в процессе перестройки и использования выходного зеркала, которое не обладает стабильными характеристиками в широком спектральном диапазоне перестройки.
Задача полезной модели заключается в создании перестраиваемого по длинам волн лазера с увеличенным диапазоном перестройки, мощности излучения и стабильной осью диаграммы направленности (ОДН), устойчивого к механо-климатическим воздействиям.
Технический результат будет получен за счет использования «О»-го порядка излучения дифракционной решетки, минимизации внутрирезонаторных потерь и обеспечения стабильного пространственного положения ОДН.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в перестраиваемом лазере, содержащем расположенный в корпусе резонатор, включающий активную среду, выходное зеркало, дифракционную решетку соединенную через юстировочный механизм со свободным концом подвижного рычага, второй конец которого зафиксирован сферическими опорами в «П»-образном фланце и через второй юстировочный механизм соединен с корпусом лазера, причем свободный конец подвижного рычага кинематически связан с микрометрическим винтом, выходное зеркало расположено в резонаторе со стороны дифракционной решетки и через третий юстировочный механизм соединено с кронштейном, который жестко связан
со свободным концом подвижного рычага, при этом плоскости отражения выходного зеркала и дифракционной решетки направлены навстречу друг другу и линия их пересечения совпадает с осью вращения подвижного рычага проходящей через сферические опоры, а противоположно дифракционной решетке в резонаторе расположено высокоотражающее («глухое») зеркало лазера.
Размещение выходного зеркала на кронштейне,а дифракционной решетки на свободном конце подвижного рычага, жесткая связь кронштейна с подвижным рычагом, юстировка плоскостей отражения выходного зеркала и дифракционной решетки, направленных навстречу друг другу, до пересечения с осью вращения подвижного рычага, обеспечивают отражение «О»-порядка излучения дифракционной решетки на выходное зеркало лазера и неизменность пространственного положения ОДН выходного излучения и использование высокоотражающего («глухого») зеркала, расположенного противоположно дифракционной решетке в резонаторе, исключают потери, повышают мощность излучения и диапазон перестройки.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленной полезной модели, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленной полезной модели, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.
Следовательно заявленная полезная модель соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.
На фиг.1 изображен общий вид перестраиваемого лазера.
На фиг.2 представлен вид подвижного рычага зафиксированного в «П»-образном фланце.
На фиг.3 показан механизм юстировки.
Лазер содержит расположенный в корпусе 1 резонатор, включающий активную среду 2, с одной стороны которой размещено («глухое») высокоотражающее зеркало 3, а с другой спектрально -селективный элемент 4 (дифракционная решетка) и, установленное со стороны дифракционной решетки 4, выходное зеркало 5. Дифракционная решетка 4, расположенная в оправе 6, через юстировочный механизм 7 соединена со свободным концом подвижного рычага 8. Второй конец подвижного рычага 8 зафиксирован
1
2
сферическими опорами 9 в «П»-образном фланце 10, который через юстировочный механизм 11 и несущий элемент 12 соединен с корпусом 1 лазера. Подвижный рычаг 8 жестко связан с кронштейном 13, с которым через юстировочный механизм 14 связано, закрепленное в оправе 15, отражающее выходное зеркало 5, при этом плоскости отражения выходного зеркала 5 и дифракционной решетки 4 направлены навстречу друг другу и совпадают с осью вращения O-О (Фиг.2) подвижного рычага 8, проходящей через сферические опоры 9. Свободный конец подвижного рычага 8 кинематически связан через рычаг 16 с микрометрическим винтом 17, включающим шток 18. Все котировочные механизмы 7, 11, 14, выполнены аналогично и содержат винт-стойку 19 с деформируемой шейкой 20 и три котировочных винта 21, расположенных под углом 120° относительно друг друга.
Перестройка длины волны излучения осуществляется следующим образом:
1
2
1
2
1
2
1
2
Вращение микрометрического винта 17 приводит к поступательному перемещению штока 18, которое, в свою очередь, вызывает вращение жестко связанных между собой рычага кинематической связи 16, подвижного рычага 8 и жестко связанного с последним кронштейна 13, а также закрепленных на них оправы 5 с дифракционной решеткой 4 и выходного зеркала 5 в оправе 15. Рычаг 16 находится в постоянном упруго - контактном зацеплении со штоком 18. Вращение подвижного рычага 8 осуществляется относительно оси O-О , проходящей через центры сферических опор 9. Сферические опоры 9 зафиксированы в «П»-образном фланце 10, который упруго - пластически через юстировочный механизм 11 связан с несущим элементом 12 корпуса 1 лазера, что обеспечивает юстировку оси вращения O-О с помощью винтов 21 относительно оси резонатора. Дифракционная решетка 4 предварительно съюстирована таким образом, чтобы ее штрихи были строго параллельны оси вращения O-О. Это условие является необходимым и достаточным для исключения разъюстировки штрихов дифракционной решетки 4 относительно оптической оси резонатора в процессе перестройки по длинам волн. Вследствие этого юстировка «П»-образного фланца 10 (т.е. оси вращения О-О) относительно оптической оси резонатора обеспечивает необходимую юстировку дифракционной решетки 4 и ее сохранение в процессе вращения (т.е. перестройки по длинам волн).
1
2
Жестко связанное с подвижным рычагом 8 выходное зеркало 5 установлено и предварительно съюстировано таким образом, что его рабочая поверхность обеспечивает зеркальное отражение «О»-го порядка излучения дифракционной решетки 4, при этом плоскости поверхностей выходного зеркала 5 и дифракционной решетки 4 проходят через ось вращения O-О, что обеспечивает стабильное пространственное положение оси
диаграммы направленности выходного излучения в процессе перестройки по длинам волн.
Вывод внутрирезонаторного излучения перестраиваемого лазера через «О»порядок дифракции позволяет использовать в качестве выходного элемента высокоотражающее зеркало. В результате уменьшаются внутрирезонаторные потери, возрастает диапазон перестройки и мощность излучения. Отказ от применения частично пропускающего зеркала позволяет исключить потери от поглощения в материале подложки и устранить влияние неравномерности спектральной характеристики его светоделительного покрытия.
Перестраиваемый лазер обеспечивает высокую точность и воспроизводимость выбора длины волны излучения за счет сохранения юстировки дифракционной решетки в условиях механоклиматических воздействий. Раздельная и независимая юстировка плоскости дисперсии дифракционной решетки относительно оси вращения подвижного рычага и последнего относительно оптической оси резонатора обеспечивается отдельными юстировочньми механизмами. При этом, оптическая ось резонатора и ось вращения подвижного рычага взаимно -перпендикулярны и не лежат в одной плоскости (т.е. разнесены в пространстве), плоскость дисперсии дифракционной решетки строго перпендикулярна оси вращения подвижного рычага, а штрихи, соответственно, строго параллельны ей.
1
2
Одновременное и постоянное совпадение отражающих поверхностей, жестко связанных между собой дифракционной решетки и выходного зеркала, с общей осью вращения О-О, обеспечивает неизменность пространственного положения ОДН выходного излучения в процессе перестройки по длинам волн.
Приводим пример конкретной реализации полезной модели.
2
2
Перестраиваемый лазер типа LCD-5 WGT-M содержит разрядный канал, образованный керамическими пластинами и металл-диэлектрическими электродами. Активная среда (рабочая смесь газов СО:N:He:Хе) возбуждается ВЧ емкостным разрядом. В резонаторе, образованном высокоотражающим зеркалом с коэффициентом отражения ≥99% в области 9,2-10,8 мкм и нарезной отражательной дифракционной решеткой с постоянной 150 шт/мм и коэффициентом отражения в «1» порядок ~95%, возникает генерация на длине волны, соответствующей углу автоколлимации по схеме Литтрова. «О»-порядок излучения дифракционной решетки отражается выходным высокоотражающим зеркалом. Изменением угла установки дифракционной решетки добиваются генерации лазерного излучения требуемой длины волны. При этом, значение (показание) шкалы микрометрического винта однозначно соответствует определенному значению длины волны (может устанавливаться в соответствиис градуировочной
таблицей). Микрометрический винт имеет общий ход в пределах 25 мм и при эквивалентной длине передаточного рычага ~90мм обеспечивает необходимый диапазон углового перемещения дифракционной решетки (~13°-14°) и, соответственно, перестройки по длинам волн (9.2-10.8 мкм). Геометрические размеры разрядного канала (2,2×2,2) обеспечивают одномодовый режим генерации лазерного излучения .Корпус лазера выполнен из цельнотянутого "П"-образного швеллера из алюминиевого сплава типа АД-31. Активный элемент выполнен на базе лазера типа LCD-10 WG с заменой полупрозрачного зеркала резонатора на «глухое», а «глухого» на окно связи Брюстера из ZnSe. Детали узла перестройки по длинам волн выполнены из нержавеющей стали марки Х18Н10Т. Декоративные детали корпуса лазера выполнены из алюминиевых сплавов типа AMg. Охлаждение лазера может осуществляться проточной водой, либо встроенными вентиляторами (воздухом).
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует требованию «промышленная применимость» по действующему законодательству.