EA026025B1 - Газовый лазер, снабженный емкостью для газа - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к лазерному устройству, которое содержит трубчатое пространство, сформированное по меньшей мере двумя лазерными трубками (12) для активного газа, а также возбуждающее средство (50) для каждой из по меньшей мере двух лазерных трубок (12), предназначенное для возбуждения активного газа в лазерной трубке с целью генерирования лазерного излучения. Кроме того, в устройстве имеется частично отражающий выходной компонент (42) для выведения лазерного пучка и по меньшей мере один газовый резервуар (60), образующий емкость для газа. Резервуар (60) свободен от возбуждающего средства, находится в сообщении по текучей среде с трубчатым пространством, расположен между по меньшей мере двумя лазерными трубками и присоединен к трубчатому пространству у двух отдельных соединительных элементов (20).

Description

Изобретение относится к газовому лазеру.

Предшествующий уровень техники

В процессе работы газового лазера образуются побочные продукты, непригодные для последующего возбуждения газа. В частности, в случае СО₂ лазера в их число входят такие компоненты газа, как Н₂, Н₂О и СО. Поэтому в лазере необходимо или регенерировать газ через определенные временные интервалы, или обеспечить наличие постоянного притока свежего газа.

Известен вариант, согласно которому, чтобы увеличить время между двумя последовательными регенерациями, предусмотренное в лазере трубчатое пространство, в котором происходит возбуждение газа, соединено с газовым контейнером, обеспечивающим подачу свежего газа в трубчатое пространство.

\УО 02/43197 описывает газовый лазер, в котором разряд происходит в разрядной трубке, а ее внутренний объем через два различных канала находится в сообщении по текучей среде с емкостью для газа (далее газовый резервуар).

И8 4189687 описывает газовый лазер с лазерной трубкой, к которой у ее противоположных концов через различные каналы присоединен газовый резервуар. Газ проходит из резервуара в лазерную трубку, поддерживая уровень содержания газа, позволяющий реализовать в лазерной трубке лазерную генерацию.

υδ 5592504 описывает газовый лазер, содержащий несколько удлиненных цилиндрических каналов, из которых первый образует лазерную газоразрядную камеру, а второй - камеру в виде резервуара для активного газа. Камеры находятся в сообщении по текучей среде через отверстие, которое представляет собой узкую щель, проходящую по всей длине камер.

υδ 4189697 описывает газовый лазер с продольным возбуждением, содержащий лазерные трубки и электроды для генерирования продольно возбуждаемого газового лазерного разряда. Трубки имеют несколько трубчатых секций, соединенных между собой. Для восполнения газа в трубчатых секциях предусмотрено наличие газового резервуара.

υδ 6263007 В1 описывает лазерный блок, содержащий корпус с оптической полостью (образующей оптический резонатор), в которой содержится лазерная среда. В блоке имеются также источник накачки, наличие которого обуславливает в лазерной среде усиление лазерного излучения, проходящего через оптическую полость, и по меньшей мере один резервуар, подающий лазерную среду, установленный отдельно от корпуса и хранящий необходимое количество лазерной среды.

υδ 5115446 описывает несущую конструкцию для фланцев и других элементов двух ветвей траектории лазерного пучка. На верхнюю поверхность корпуса выведены верхние участки соединительных линий, образующие конфигурацию в виде неполной звезды. В число соединительных линий входят четыре входные линии и четыре линии возврата. Все они имеют форму прямоугольных трубок и снабжены охлаждающими средствами.

Сущность изобретения

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в создании компактного лазерного устройства, обладающего особенно хорошими рабочими характеристиками.

Согласно изобретению данная задача решена посредством лазерного устройства с признаками, включенными в п.1 прилагаемой формулы. Предпочтительные варианты раскрыты в зависимых пунктах.

Лазерное устройство согласно изобретению содержит трубчатое пространство, образованное по меньшей мере двумя лазерными трубками для активного газа, каждая из которых снабжена средством, возбуждающим находящийся в трубке газ с генерацией лазерного излучения. Кроме того, в устройстве имеются частично отражающий выходной компонент для выведения лазерного пучка и по меньшей мере один газовый резервуар, образующий емкость для газа и свободный от возбуждающего средства. Данный резервуар находится в сообщении по текучей среде с трубчатым пространством, расположен между по меньшей мере двумя лазерными трубками и подсоединен к трубчатому пространству у двух отдельных соединительных участков.

Лазерное устройство по изобретению представляет собой газовый лазер, в частности СО₂ лазер, в котором находящийся в трубчатом пространстве газ содержит СО₂. Принцип действия таких лазерных устройств хорошо известен специалистам, так что его подробное описание не приводится. В предпочтительном варианте изобретения лазерное устройство может в числе прочих устройств представлять собой маркировочную головку для маркировки или гравирования объекта лазерным пучком.

Базовая идея изобретения состоит в обеспечении наличия газового резервуара, т. е. в создании емкости, которая увеличивает объем газа в трубчатом пространстве, образующем резонатор лазера. Эта дополнительная емкость для газа свободна от возбуждающего средства и является добавлением к трубчатому пространству лазерного устройства (т. е. добавлением к резонатору лазера).

Согласно изобретению в трубчатом пространстве содержится газ, возбуждаемый возбуждающими средствами, наличие которых предусмотрено у наружного периметра данного пространства. Такими возбуждающими средствами могут быть, в частности, радиочастотные электроды. Для возбуждения газа трубчатое пространство может быть, по меньшей мере, частично окружено возбуждающими средствами. В результате возбуждения газа в трубчатом пространстве образуется лазерное излучение.

- 1 026025

Поскольку газовый резервуар не снабжен какими-либо возбуждающими средствами, в нем лазерное излучение не генерируется. Более того, желательно, чтобы это излучение отражалось от наружной поверхности газового контейнера.

Газовый резервуар содержит два отдельных трубчатых соединителя, присоединенных к двум раздельным соединительным участкам трубчатого пространства. Эти соединители и соединительные участки обеспечивают достаточный поток газа из данного резервуара в трубчатое пространство лазерного устройства. В частности, для трубчатого пространства предусмотрена возможность распределения газа по разным секциям, обеспечивающая более равномерное распределение свежего газа.

В предпочтительном варианте изобретения трубчатое пространство и газовый резервуар образуют замкнутую газовую систему. Это, в частности, означает, что образованная ими полость лазерного устройства является замкнутой, и что отсутствует какой-либо постоянный поток газа через резонатор. Газ, находящийся в полости, заменяется только через определенные временные интервалы, когда лазерное устройство не функционирует. Свежий газ подается из резервуара преимущественно за счет диффузии в трубчатое пространство, формирующее резонатор.

В трубчатом пространстве расположено несколько лазерных трубок, конкретно по меньшей мере две трубки. Ими могут быть линейные лазерные трубки, соединенные между собой посредством одного или более фланцев. Относительно друг друга лазерные трубки установлены под углом, причем предусмотрена возможность перенаправления лазерного излучения из одной трубки в другую, соседнюю, посредством промежуточного зеркала. Лазерные трубки могут быть соединены друг с другом механически. Другими словами, лазерное устройство может содержать резонатор с несколькими лазерными трубками, соединенными между собой.

Лазерные трубки могут иметь любую форму, пригодную для генерирования лазерного излучения. В общем случае они могут именоваться объемами, усиливающими излучение лазера. Согласно изобретению предпочтительно придать этим объемам форму трубчатого цилиндра, но для них возможны и другие конфигурации.

В предпочтительном варианте изобретения предусмотрено наличие соединительного элемента, который присоединен между двумя взаимно примыкающими лазерными трубками. Соединительный элемент (угловой фланец) может содержать по меньшей мере одно зеркало, которое перенаправляет лазерное излучение между лазерными трубками. Предпочтительно выполнить данный элемент из керамического материала. В добавление к таким промежуточным фланцам, установленным между двумя лазерными трубками, можно предусмотреть наличие концевых фланцев, присоединенных к лазерным трубкам у противоположных осевых концов общего трубчатого пространства.

Трубчатым пространством (резонатором) образуется полость лазерного устройства, в которой лазерное излучение распространяется между полностью отражающим задним зеркалом, расположенным у одного его конца, и частично отражающим выходным компонентом, расположенным у противоположного конца. Выходной компонент и заднее зеркало желательно установить на соответствующих концевых фланцах.

В предпочтительном варианте изобретения по меньшей мере к одному соединительному элементу и/или концевому фланцу присоединен газовый резервуар. Соединительный элемент может иметь входные или соединительные участки для подсоединения по меньшей мере двух лазерных трубок и по меньшей мере одного газового резервуара.

Предпочтительно также, чтобы соединительный элемент имел внутреннюю полость, сообщающуюся по текучей среде по меньшей мере с двумя лазерными трубками и позволяющую газу перетекать между по меньшей мере двумя взаимно примыкающими трубками и по меньшей мере одним резервуаром. Эта полость может иметь трубчатую изогнутую форму, причем в углу полости может быть установлено зеркало, которое перенаправляет лазерное излучение между лазерными трубками.

Предпочтительный вариант прикрепления газового контейнера обеспечивается за счет использования двух соединительных элементов, каждый из которых присоединен между двумя взаимно примыкающими лазерными трубками, и газового резервуара, присоединенного к данным элементам. Таким образом, предусмотрена возможность установить газовый контейнер между двумя соединительными элементами. Особо желательно, чтобы газовый контейнер был ориентирован, по существу, вдоль лазерной трубки, установленной между двумя соединительными элементами.

Кроме того, согласно изобретению желательно установить газовый резервуар в сообщении по текучей среде по меньшей мере с двумя лазерными трубками. Тогда свежий газ имеет возможность непосредственно подаваться по меньшей мере в две лазерные трубки, например, через один из соединительных элементов. Желательно придать газовому резервуару трубчатую форму и установить его в той же плоскости, в которой находятся лазерные трубки.

По меньшей мере две лазерные трубки можно расположить, например, с образованием Ь- или Vконфигурации, а газовый резервуар поместить между трубками в той же плоскости. Таким образом, газовый резервуар соединит две отдельных лазерных трубки лазерного устройства.

Компактность лазерного устройства при повышенной мощности достигается за счет того, что конфигурация расположения лазерных трубок представляет собой разомкнутое или замкнутое кольцо, ок- 2 026025 ружающее расположенное между ними свободное центральное пространство. По сравнению с линейным резонатором за счет складывания резонатора вокруг свободного центрального пространства длина резонатора может быть увеличена без увеличения общей длины лазерного устройства. Лазерные трубки, уложенные по кольцеобразному контуру, обеспечивают внутри лазерного устройства наличие свободного пространства, которое может быть ими по меньшей мере частично окружено. Это пространство, проходящее по сечению лазерного устройства, можно использовать, в частности, для размещения какогонибудь объекта, такого, например, как сканирующее устройство с одним или более подвижными зеркалами, средства, возбуждающие газ, или средства охлаждения лазерных трубок.

Чтобы сформировать свободное пространство в центральной области лазерного устройства или маркировочной головки, лазерные трубки можно расположить по сложенному контуру или кольцу, задающему границы свободного пространства. Предпочтительны прямые (линейные) лазерные трубки, т. е. трубки, у которых продольные оси представляют собой прямые линии. Между взаимно примыкающими лазерными трубками могут быть образованы угловые зоны. Таким образом, форма такого резонатора может быть описана так же, как многоугольное кольцо, которое может быть замкнутым в виде петли или разомкнутым, т. е. имеющим разрыв между двумя своими трубками.

Особенно предпочтительно, чтобы угол, образованный каждыми двумя взаимно примыкающими лазерными трубками, превышал 60°. Это позволяет обеспечить улучшенное и более эффективное перенаправление лазерного излучения между трубками. Кроме того, согласно изобретению предпочтительны одинаковые углы между трубками для всех пар взаимно примыкающих лазерных трубок.

В другом предпочтительном варианте изобретения лазерные трубки установлены по треугольному, прямоугольному, квадратному, И-образному или У-образному контуру. В треугольном контуре резонатор лазерного устройства содержит три лазерные трубки, тогда как в прямоугольном или квадратном контуре он может быть образован четырьмя лазерными трубками. В других предпочтительных вариантах могут быть использованы пять или более трубок, установленных по многоугольному контуру. Кольцеобразное расположение лазерных трубок позволяет оптимизировать геометрию резонатора, например, в зависимости от требуемой мощности и ограничений на объем, определяемых конкретным приложением. и-образный контур, являющийся вариантом незамкнутого кольца, обеспечивает легкий доступ к свободному центральному пространству через свой просвет. Таким образом, нужный объект можно ввести в свободное центральное пространство через просвет между двумя лазерными трубками, прилегающими к этому просвету.

Предусмотрена возможность придать лазерному устройству конфигурацию, обеспечивающую направление лазерного пучка в свободное центральное пространство, окруженное лазерными трубками и, возможно, по меньшей мере одним трубчатым газовым резервуаром. Для этого можно предусмотреть наличие отклоняющего зеркала, которое отклоняет лазерный пучок, проходящий сквозь выходной компонент в направлении свободного центрального пространства. Отклоняющее (выходное) зеркало предпочтительно поместить вне резонатора, границы которого у противоположных осевых концов задаются задним зеркалом и выходным компонентом.

В предпочтительном варианте изобретения газовый резервуар представляет собой трубчатый газовый резервуар, имеющий два отдельных трубчатых соединителя, предназначенные для присоединения к соединительным участкам трубчатого пространства. Желательно разместить трубчатый газовый резервуар по меньшей мере на части того же треугольного, прямоугольного, квадратного или И-образного контура, по которому установлены лазерные трубки. Кроме того, предпочтительно расположить этот резервуар так, чтобы в свободном центральном пространстве оставалось место для размещения сканирующего устройства, средств возбуждения газа, средств охлаждения лазерных трубок и/или других объектов.

Предпочтительно размещение лазерных трубок и трубчатого газового резервуара в одной плоскости. Трубки, уложенные в общей плоскости, позволяют получить очень компактную и плоскую конструкцию лазерного устройства. Кроме того, этот вариант позволяет собрать несколько лазерных устройств в стопу с формированием лазерной конструкции, состоящей из нескольких лазерных устройств, уложенных в стопу.

Компактное лазерное устройство формируется за счет того, что трубчатый газовый резервуар установлен параллельно по меньшей мере одной из лазерных трубок лазерного устройства. Так, данному газовому резервуару можно придать трубчатую форму с продольной осью, проходящей параллельно продольной оси трубчатого пространства или одной из его лазерных трубок. Трубчатый газовый резервуар может иметь длину, по существу, равную длине лазерной трубки, и располагаться непосредственно рядом с ней, что позволяет свести к минимуму поперечное сечение лазерного устройства.

В другом предпочтительном варианте изобретения в перечень средств возбуждения газа входит по меньшей мере один радиочастотный электрод, проходящий вдоль продольной оси трубчатого пространства (конкретно, вдоль продольных осей лазерных трубок).

Перечень фигур

Далее изобретение будет описано со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг. 1 представлено в перспективном изображении лазерное устройство согласно изобретению.

На фиг. 2 устройство по фиг. 1 показано на виде сверху.

- 3 026025

На фиг. 3 в увеличенном масштабе показан угловой участок лазерного устройства по фиг. 1 и 2.

На всех чертежах идентичные или соответствующие компоненты идентифицированы посредством идентичных обозначений.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Лазерное устройство 10, выполненное согласно изобретению, представлено на фиг. 1 и 2. Таким устройством может быть, в частности, лазерное устройство для маркировки объекта посредством лазерного пучка. Для этого одно или более устройств 10 можно установить в маркировочную головку.

Устройство 10 содержит несколько лазерных трубок 12, которые могут быть изготовлены, например, из оксида алюминия. Лазерные трубки 12 образуют часть общего трубчатого пространства, которое может рассматриваться также как резонатор лазерного устройства 10. Трубки 12, по меньшей мере, частично окружены возбуждающими средствами 50 в виде радиочастотных электродов 51, служащих для возбуждения активного газа, находящегося в лазерных трубках 12. Электроды 51 проходят, по существу, по всей длине этих трубок.

В представленном варианте лазерное устройство 10 содержит четыре лазерные трубки 12, расположенные в форме прямоугольника. Однако вместо прямоугольной формы резонатор может иметь также форму квадрата, И-образную форму или треугольную форму. Вместо резонатора с четырьмя сторонами возможен резонатор, имеющий только две, или три стороны, или более четырех сторон. При этом предлагаемая конструкция позволяет оптимизировать конфигурацию резонатора в зависимости от требуемой мощности и ограничений на объем, определяемых конкретным приложением.

Во внутренней зоне лазерного устройства 10 сформировано центральное свободное пространство 8, окруженное лазерными трубками 12. У каждой трубки 12 имеется продольная ось. Продольные оси трубок 12 лежат в одной общей плоскости.

В трех из четырех углов квадрата находятся соединительные элементы 20, 21 в виде керамических треугольников, которые служат для соединения взаимно примыкающих лазерных трубок 12. Каждый из соединительных элементов 20, 21 снабжен зеркалом 22 для перенаправления лазерного излучения из одной трубки 12 в примыкающую к ней трубку 12, обеспечивая между ними связь по лазерной энергии. У каждого из соединительных элементов 20, 21 имеется корпус 24, к которому прикреплены трубки 12. Зеркало 22 также крепится к корпусу 24.

У осевого конца одной из лазерных трубок 12 установлено полностью отражающее заднее (концевое) зеркало 44, которое отражает лазерное излучение назад, в трубку 12. Для выведения лазерного пучка у конца второй лазерной трубки 12 установлен выходной компонент 42, представляющий собой частично отражающее зеркало.

В проиллюстрированном варианте те две лазерные трубки 12, которые могут именоваться концевыми, связаны между собой интегральным выходным фланцем 40. Другими словами, четвертый угол сконструирован так, что на одной его поверхности находится заднее зеркало 44, а на другой поверхности - частично отражающий выходной компонент 42.

Интегральный выходной фланец 40 имеет первый, внутренний, корпус 70 и второй, наружный, корпус 72. Между первым и вторым корпусами 70, 72 сформирована (в форме зазора) внутренняя полость 74, в которой размещены заднее зеркало 44 и выходной компонент 42.

В угловой зоне интегрального выходного фланца 40 находится выходное зеркало 46 для отражения лазерного пучка, выводимого через выходной компонент 42, в заданном направлении. Выходное зеркало 46 установлено так, что лазерный пучок отражается в свободное центральное пространство 8 лазерного устройства 10. В первом корпусе 70 фланца 40 выполнено выходное отверстие 48, через которое лазерный пучок, отклоненный выходным зеркалом 46, может проходить в центральное пространство 8. Ко второму корпусу 72 прикреплен монтажный фланец 76.

Вдоль одной из лазерных трубок 12 расположена другая трубка, которая свободна от возбуждающего средства 50 и образует газовый резервуар 60, входящий в состав лазерного устройства 10. Резервуар 60 является газовым балластом для лазерных трубок 12, увеличивая срок службы лазерного устройства 10. Размеры этого трубчатого резервуара 60 могут отличаться от размеров лазерных трубок 12; например он может иметь больший диаметр. В общем случае конструкция газовых балластных трубок может иметь любую форму или даже представлять собой отдельный объем, подсоединенный к лазерному устройству 10 посредством трубок.

Трубчатый газовый резервуар 60 присоединен к первому и второму соединительным элементам 20 соответственно у своего первого осевого конца 62 и у своего второго осевого конца 64. Для этого у первого и второго концов 62, 64 предусмотрено наличие соответственно первого трубчатого соединителя 66 и второго трубчатого соединителя 68. Первый и второй соединительные элементы 20 имеют соответственно первый соединительный участок 30 и второй соединительный участок 32, к которым трубчатый газовый резервуар присоединен посредством своего первого трубчатого соединителя 66 и второго трубчатого соединителя 68 соответственно.

Трубчатый газовый резервуар расположен параллельно лазерной трубке 12, присоединенной к тем же соединительным элементам 20.

На фиг. 3 детально показан угловой участок между двумя лазерными трубками 12. Трубки 12 при- 4 026025 соединены к соединительному элементу 20, который можно рассматривать также как соединительный или угловой фланец. Соединительный элемент 20 имеет три входных участка, два из которых предназначены для присоединения лазерных трубок 12, а третий - для присоединения трубчатого газового резервуара 60. В элементе 20 сформирована внутренняя полость 26, обеспечивающая сообщение по текучей среде между лазерными трубками 12 и резервуаром 60.

Входной участок для присоединения газового резервуара 60 и входной участок для одной из лазерных трубок 12 расположены на одной стороне соединительного элемента 20 друг за другом и параллельно друг другу. Входной участок для второй лазерной трубки 12 расположен на другой стороне соединительного элемента 20. В угловой зоне установлено зеркало 22, которое перенаправляет лазерное излучение между трубками 12. Зеркало 22 расположено таким образом, чтобы лазерное излучение, по существу, вообще не попадало в газовый резервуар 60.

Рядом с лазерными трубками 12 для охлаждения содержащегося в них газа установлены охлаждающие блоки 78.

Claims (7)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Газовый лазер, содержащий оптический резонатор, сформированный по меньшей мере тремя лазерными трубками (12) для активного газа, каждая из которых выполнена с отдельным возбуждающим средством (50) для возбуждения в ней активного газа с целью генерирования лазерного излучения, частично отражающий выходной компонент (42) для выведения лазерного пучка и по меньшей мере два соединительных элемента (20), причем каждый из указанных соединительных элементов присоединен между двумя взаимно примыкающими лазерными трубками (12) и имеет внутреннюю полость (26), которая находится в сообщении по текучей среде по меньшей мере с двумя взаимно примыкающими лазерными трубками (12), причем лазерные трубки (12) расположены в одной плоскости и размещены в форме разомкнутого или замкнутого контура, окружающего находящееся между ними центральное пространство (8), отличающийся тем, что у двух соединительных участков (30, 32), сформированных у двух соединительных элементов (20), к оптическому резонатору присоединен газовый резервуар (60) в форме трубки, который свободен от возбуждающего средства и образует емкость для газа, причем каждый из указанных соединительных элементов (20) находится в сообщении по текучей среде как с соответствующими лазерными трубками (12), так и с газовым резервуаром (60), при этом указанный газовый резервуар (60) расположен в плоскости лазерных трубок (12), в пространстве (8) между ними, и установлен вдоль одной из лазерных трубок (12), а лазерные трубки (12) и указанный газовый резервуар (60) образуют замкнутую полость.
2. 2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что каждый из соединительных элементов (20) снабжен по меньшей мере одним зеркалом (22) для переноса лазерного излучения между лазерными трубками (12).
3. 3. Лазер по п.1 или 2, отличающийся тем, что газовый резервуар (60) находится в сообщении по текучей среде по меньшей мере с тремя лазерными трубками (12).
4. 4. Лазер по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что лазерные трубки (12) установлены по треугольному, прямоугольному, квадратному или И-образному контуру.
5. 5. Лазер по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что указанный газовый резервуар имеет два отдельных соединителя (66, 68) для присоединения к соединительным участкам (30, 32) оптического резонатора.
6. 6. Лазер по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что указанный газовый резервуар проходит параллельно по меньшей мере одной из лазерных трубок (12).
7. 7. Лазер по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что каждое возбуждающее средство (50) содержит по меньшей мере один радиочастотный электрод (51), проходящий вдоль продольной оси соответствующей лазерной трубки.