2
ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ДВУХВОЛНОВЫЙ СО СКЛАДНЫМ РЕЗОНАТОРОМ CO-ЛАЗЕР

Полезная модель относится к лазерной технике и может быть использована при разработке перестраиваемых по длинам волн лазеров и спектрометрических приборов на их основе.
2
Известен перестраиваемый лазер, содержащий активную среду, резонатор, ограниченный дифракционной решеткой, установленной с возможностью изменения пространственно-углового положения, и внутрирезонаторную регулируемую апертурную диафрагму. (См. Гуделев В.Г., Лешенюк Н.С., Невдах В.В. "Стабилизированный по частоте перестраиваемый СО-лазер". - Журнал прикладной спектроскопии, 1981, т.34, №2, с. 370-371).
Недостатком лазера является сложность процесса перестройки, обусловленная необходимостью регулирования апертуры диафрагмы независимо от настройки дифракционной решетки.
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. H01S 3/13, опубл. 20.10.95 г.).
К недостаткам лазера относится 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 механо-климатических воздействий.
Кроме того, в процессе перестройки по длинам волн (изменения пространственно-углового положения дифракционной решетки) происходит неконтролируемое и немонотонное изменение частоты лазерного излучения, что препятствует настройке на максимум мощности излучения при перестройке с одной длины волны на другую. А также, в процессе переключения с одной длины волны на другую, вследствие произвольного положения частоты излучения относительно центров контура усиления, происходит скачкообразное изменение мощности излучения, что ухудшает стабильность мощности излучения, точность и воспроизводимость контролируемых параметров.
2
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели и принятым за прототип является перестраиваемый двухволновый двухканальный со складным резонатором СО лазер. Лазер содержит расположенный в корпусе резонатор, включающий два разрядных канала, выходное зеркало, два поворотных зеркала и спектрально - селективный элемент (дифракционную решетку). Дифракционная решетка расположена напротив первого разрядного канала в юстировочном узле, закрепленном на торце полого цилиндра, соединенного через упруго деформируемый элемент (сильфон) с цилиндрической втулкой. На внешней поверхности полого цилиндра размещены жестко соединенные между собой подвижный рычаг и опорный фланец, зафиксированный сферическими опорами в цилиндрическом фланце. Выходное зеркало расположено на механизме юстировки между вторым разрядным каналом и сквозным отверстием в опорном фланце и подвижном рычаге. Один конец подвижного рычага кинематически связан с электромагнитом, другой - с торцевой поверхностью цилиндрического фланца. Для возврата рычага в первоначальное
положение после отключения электромагнита служит притягивающий элемент - пружина (см.пат. РФ №2284618 кл. H01S 3/00, опубл. 27.09.2006 г.-прототип).
1
n
n
1
14
Недостатком прототипа являются ограниченные возможности используемого в лазере механизма перестройки дифракционной решетки, а также низкая надежность при расширении диапазона перестройки по длинам волн, например с λ на λ, где λ не расположена рядом т.е.(n≠2), а находится на краю диапазона, например n=14. В этом случае должен быть значительно увеличен зазор «d» между подвижным рычагом и электромагнитом для того, чтобы дифракционная решетка, расположенная на рычаге, при включении электромагнита перестроила резонатор с λ на λ. Соответственно, значительно увеличится амплитуда изгиба упруго-деформируемого элемента - сильфона, связанного с дифракционной решеткой. Большая амплитуда изгиба сильфона при большой частоте переключений и длительной эксплуатации может нарушить герметичность сильфона, а это снижает надежность лазера в целом. Кроме того, в этом случае необходимо увеличить «мощность» электромагнита и возвратной пружины с тем, чтобы они могли преодолевать возросшее сопротивление сильфона при увеличении амплитуды изгиба. Это увеличит габариты и вес всего выходного узла лазера и снизит надежность при его транспортировке и эксплуатации в жестких механо-климатических воздействиях.
Другим недостатком известной конструкции является низкая эффективность охлаждения дифракционной решетки при большой выходной мощности лазерного излучения. Это связано с тем, что дифракционная решетка расположена в полом цилиндре в атмосфере пониженного давления газовой рабочей смеси (90 тор.). Поэтому тепло, выделяющееся на дифракционной решетке, отводится в основном за счет теплопроводности через оправу, далее на котировочный узел, полый цилиндр, опорный фланец и подвижный рычаг. Такой сложный и протяженный путь отвода тепла от дифракционной
решетки может привести к перегреву и деградации ее рабочей поверхности что, снижает надежность лазера.
Задача полезной модели заключается в создании перестраиваемого двухволнового со складным резонатором лазера, устойчиво и надежно работающего в широком диапазоне перестройки по длинам волн.
Технический результат может быть получен:
- за счет замены упруго деформируемого элемента (сильфона) на оптический элемент, расположенный под углом Брюстера;
-за счет развязки дифракционной решетки, зафиксированной в юстировочном узле на подвижном рычаге, от элемента, препятствующего движению рычага.
-за счет более эффективного охлаждения Спектрально- селективного элемента перестройки по длинам волн.
2
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в перестраиваемом двухволновом со складным резонатором СО лазере, содержащем расположенный в корпусе резонатор, включающий два разрядных канала, выходное зеркало, два поворотных зеркала и спектрально- селективный элемент (дифракционную решетку), установленный с возможностью изменения пространственно-углового положения напротив первого разрядного канала в юстировочном узле, выходное зеркало расположено на механизме юстировки между вторым разрядным каналом и сквозным отверстием в подвижном рычаге, который одним концом кинематически связан с электромагнитом, а другим с торцевой поверхностью цилиндрического фланца, закрепленного по периметру несущего фланца корпуса лазера, на котором также закреплены по разные стороны оси лазера цилиндрическая втулка и механизм юстировки выходного зеркала, цилиндрическая втулка, с противоположного от закрепления конца, закрыта окном под углом Брюстера, напротив которого установлена дифракционная решетка с котировочным узлом, закрепленным в подвижном рычаге, который
зафиксирован сферическими опорами в цилиндрическом фланце.
1
n
1
n
Расположение юстировочного узла с дифракционной решеткой на подвижном рычаге напротив окна Брюстера позволит повысить надежность лазера при широком диапазоне перестройки по длинам волн (λ...λ). Это связано с тем, что в предлагаемой конструкции лазера отсутствует элемент, который в процессе многочисленных переключений с λ на λ меняет свою геометрическую форму и, соответственно, может привести к разгерметизации лазера.
Кроме того, предлагаемая конструкция позволит повысить надежность лазера за счет более эффективного охлаждения дифракционной решетки. Это связано с тем, что дифракционная решетка находится в атмосфере и часть тепла отводится за счет конвективных потоков. Основная часть теплового потока по оправе, минуя промежуточные детали (как в прототипе), сразу передается на подвижный рычаг, который рассеивает тепло в пространстве.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, 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 полезной модели.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.
n
На фиг.1 изображен в сечении заявляемый лазер, излучающий на длине волны λ.
На фиг.2 представлен вид с торца лазера.
На фиг.3 представлен заявляемый лазер в сечении, вид сверху.
1
На фиг.4 изображен в сечении заявляемый лазер, излучающий на длине волны λ.
1
2
Лазер содержит расположенный в корпусе 1 резонатор, включающий два разрядных канала 2,3, фиг.3, выходное зеркало 4, поворотные зеркала 5,6 и спектрально-селективный элемент 7 (дифракционная решетка). Выходное зеркало 4 размещено на механизме юстирвки 8, в котором расположены три котировочных винта 9. Дифракционная решетка 7 фиксируется на юстировочном узле 10, имеющем стойку 11 и четыре котировочных винта 12, которые вкручены в подвижный рычаг 13. Механизм юстировки 8 зеркала 4 и цилиндрическая втулка 14 зафиксированы на неущем фланце 15 по разные стороны геометрической оси L-L лазера фиг.3. На противоположном торце цилиндрической втулки 14, срезанном под углом Брюстера фиг.1, размещено оптическое окно 16. По периметру несущего фланца 15 закреплена неподвижная часть цилиндрического фланца 17 и связанная с ним через резьбовое соединение подвижная часть цилиндрического фланца 18 фиг.1, 3. Подвижный рычаг 13 имеет возможность вращения вокруг оси O, O, проходящей через расположенные в подвижной части цилиндрического фланца 18 сферические опоры 19 фиг.2, 3. Винты 20 позволяют регулировать скольжение подвижного рычага 13. На цилиндрическом фланце 17,18 расположена опора 21 электромагнита и сам электромагнит 22 фиг.1, 4. Винты 9 обеспечивают юстировку светоделительного зеркала 4 фиг.3. Вывод излучения осуществляется через отверстие 23 в подвижном рычаге 13 фиг.2, 3. Винты 12 обеспечивают юстировку дифракционной решетки. Один конец подвижного рычага через стопорный винт 24 кинематически связан с торцевой поверхностью цилиндрического фланца 18, а другой конец подвижного рычага 13 через стопорный винт 25- с электромагнитом 22 фиг.1, 4. Кронштейн 26 держит прижимную пружину 27, которая связана с подвижным рычагом 13 фиг.1, 4.
1
n
Величина зазора «d» фиг.1, 4, регулируется стопорными винтами 24, 25. Этот зазор «d» соответствует диапазону перестройки с λ на λ.
Переключение длины волны происходит следующим образом.
1
В исходном состоянии стопоры 24 и 25 выкручены. На электромагнит 22 подается управляющее напряжение и подвижный рычаг 13 прижимается к электромагниту 22 фиг.4. Регулировкой стопорного винта 25 между рычагом и электромагнитом выставляется зазор приблизительно 0,1 мм фиг.4. В этом положении дифракционная решетка 7 настраивается с помощью 4-х котировочных винтов 12 на длину λ.
1
Окончательно на максимальную мощность лазерного излучения на длине волны λ, лазер настраивается с помощью плавной регулировки стопорного винта 25.
n
1
n
1
n
1
2
При снятии управляющего напряжения с электромагнита 22 под действием притягивающей пружины 27 подвижный рычаг 13 прижимается к торцевой поверхности цилиндрического фланца 18, а зазор между электромагнитом 22 и подвижным рычагом 13 увеличивается. В таком положении регулировкой стопорного винта 24 фиг.1 устанавливается длина волны лазерного излучения λ фиг.1. Величина зазора «d» фиг.1.4 определяет диапазон перестройки с длины волны λ на λ. Далее подвижный рычаг 13 работает по принципу "качелей ". При подаче управляющего сигнала на электромагнит 22 лазер излучает длину волны λ, а при снятии управляющего сигнала лазер перестраивается на длину волны λ. Дифракционная решетка 7 предварительно съюстирована таким образом, чтобы ее штрихи были параллельны оси вращения OO фиг.2 Это условие является необходимым и достаточным для исключения разъюстировки штрихов дифракционной решетки относительно оптической оси резонатора при переключении длин волн.
Разделение цилиндрического фланца на подвижную 18 и неподвижную 17 части позволяет в процессе оптимизации выходных параметров излучения изменить длину резонатора в небольших пределах, тем самым обеспечивая подавление нежелательных длин волн за счет улучшения его селектирующих свойств.
Таким образом, использование в механизме перестройки по длинам волн окна, расположенного под углом Брюстера, позволило отказаться от использования упруго-деформируемого элемента, вынести дифракционную решетку из внутреннего объема в атмосферу, расположив ее на рычаге, облегчив тем самым работу электромагнита и возвратной пружины. Это позволило расширить диапазон перестройки по длинам волн и улучшить температурный режим дифракционной решетки.
2
2
2
Приводим пример конкретной реализации полезной модели. Перестраиваемый двухволновый двухканальный со складным резонатором CO лазер типа LCD содержит два разрядных канала, образованных керамическими пластинами и металл - диэлектрическими электродами. Активная среда (рабочая смесь газов CO:N:He:Xe) возбуждается ВЧ-емкостным разрядом. Выходное светоделительное зеркало расположено на механизме юстировки, представляющем собой фланец с двумя деформируемыми шейками и тремя котировочными винтами. Механизм юстировки и цилиндрическая втулка расположены на несущем фланце с одной стороны корпуса лазера. С другой стороны на торцевом фланце расположены поворотные металлические зеркала, выполненные из молибдена. В резонаторе, образованном выходным зеркалом из ZnSe с коэффициентом пропускания 18-20% в области 9,2÷10,8 мкм, двумя поворотными зеркалами из Мо и нарезной отражательной дифракционной решеткой с постоянной 150 штр./мм и коэффициентом отражения в "-1" порядок ≈95%, возникает генерация на длине волны, соответствующей углу автоколлимации по схеме Литтрова. В качестве окна Брюстера используется плоскопараллельная пластина из селенида цинка.
1
Лазер, согласно выше описанному, при включенном электромагните был настроен на λ=10,26 мкм с помощью юстировки дифракционной решетки котировочными винтами 12 и стопорным винтом 25. После отключения
n
электромагнита лазер был настроен на λ=10,591 мкм, т.е. режим работы осуществлялся на двух крайних линиях 10,26 - 10,591 мкм диапазона, состоящего из 14 линий: -10,260; 10,274; 10,239; 10,303; 10,318; 10,334; 10,453; 10,476; 10,494; 10,513; 10,551; 10,571; 10,591-мкм
1
2
Измерения показали, что при переключении генерации с λ=10,260 мкм на λ=10,591 мкм и обратно, колебания мощности лазерного излучения не превышают 2÷3%, что подтверждает практически сохранение относительного положения частоты излучения в контурах усиления.
Геометрические размеры разрядного канала (2,2×2,2)мм обеспечивают одномодовый режим генерации лазерного излучения. Корпус лазера, детали механизма переключения выполнены из инварового сплава типа 36Н, декоративные элементы изготовлены из алюминиевых сплавов типа AM. Охлаждение лазера может осуществляться проточной водой, либо воздухом.
Приведенный пример доказывает, что заявленная полезная модель соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству.