RU175979U1 - Импульсный лазер - Google Patents

Импульсный лазер Download PDF

Info

Publication number
RU175979U1
RU175979U1 RU2017107376U RU2017107376U RU175979U1 RU 175979 U1 RU175979 U1 RU 175979U1 RU 2017107376 U RU2017107376 U RU 2017107376U RU 2017107376 U RU2017107376 U RU 2017107376U RU 175979 U1 RU175979 U1 RU 175979U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
laser
discharge channel
radiation
mirror
optical axis
Prior art date
Application number
RU2017107376U
Other languages
English (en)
Inventor
Николай Александрович Лябин
Александр Дмитриевич Чурсин
Игорь Сергеевич Колоколов
Гузель Маликовна Парамонова
Лариса Леонидовна Бетина
Original Assignee
Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И. Шокина" (АО "НПП "Исток" им. Шокина")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И. Шокина" (АО "НПП "Исток" им. Шокина") filed Critical Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И. Шокина" (АО "НПП "Исток" им. Шокина")
Priority to RU2017107376U priority Critical patent/RU175979U1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU175979U1 publication Critical patent/RU175979U1/ru

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02Constructional details
    • H01S3/03Constructional details of gas laser discharge tubes

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

Полезная модель относится к лазерной технике. Импульсный лазер включает установленные на оптической оси лазера разрядный канал длиной L, ось которого совпадает с оптической осью лазера, «глухое» выпуклое зеркало, расположенное с одной стороны разрядного канала на расстоянии lот его ближнего конца и просветленную положительную линзу, расположенную с другой, выходной для лазерного излучения стороны разрядного канала на расстоянии l. На поверхности линзы, обращенной к разрядному каналу, в области оптической оси лазера выполнен участок с покрытием, отражающим излучение. Площадь участка с покрытием соизмерима с площадью рабочей поверхности «глухого» зеркала, причем l+L/2<l<τ·с/2-(l+L), где τ - время существования инверсии, с - скорость света. Перед «глухим» зеркалом, в плоскости, перпендикулярной оптической оси лазера и проходящей через полюс этого зеркала, установлена диафрагма с диаметром приблизительно равным 2,44λ·(L+l)/D,где λ - длина волны излучения, D - диаметр апертуры разрядного канала, причем поверхность диафрагмы, обращенная к разрядному каналу, выполнена с покрытием, поглощающим излучение. Технический результат заключается в повышении стабильности положения оси диаграммы направленности дифракционного пучка излучения. 2 илл.

Description

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 для повышения стабильности оси диаграммы направленности пучка излучения с дифракционной расходимостью. Такое излучение обеспечивает дифракционному пучку высокостабильную пространственную направленность во времени, что важно, например, при зондировании атмосферы или гидросферы на большие расстояния.. Использование таких устройств особенно целесообразно для прецизионной микрообработки материалов, так как в плоскости обработки обеспечивается устойчивая локализация сфокусированного светового пятна малого размера и достигается минимальная шероховатость поверхности реза.
Известен импульсный лазер, включающий установленные на оптической оси лазера разрядный канал длиной L, ось которого совпадает с оптической осью лазера, «глухое» выпуклое зеркало, расположенное с одной стороны разрядного канала на расстоянии l1 от его ближнего конца, и просветленную положительную линзу, установленную с другой, выходной для лазерного излучения стороны разрядного канала. Фокус линзы совмещен с плоскостью изображения в выпуклом зеркале дальнего от выпуклого зеркала конца разрядного канала. Между линзой и разрядным каналом на расстоянии l2≤l1 от конца разрядного канала перпендикулярно оси лазера установлен плоский отражатель частично прозрачный для лазерного излучения [Патент на полезную модель «Импульсный лазер» №44004, H01S 3/097].
При включении электрического разряда в разрядном канале из «затравочного» спонтанного излучения образуются две низкокогерентные световые волны - пучки сверхсветимости, распространяющиеся вдоль активного элемента в разных направлениях с угловой расходимостью, определяемой геометрической апертурой разрядного канала. Одна из них, первая, проходит через активную среду, падает на «глухое» выпуклое зеркало, часть ее отражается от него и вновь попадает в активную среду разрядного канала. Вторая волна, выйдя из активной среды разрядного канала в сторону плоского отражателя, частично отразится от него, частично пройдет через него, образуя нерезонаторный низкокогерентный пучок. Отраженная от плоского отражателя часть волны попадает вновь в активную среду, имея большую, чем до отражения степень пространственной когерентности. Т.к. l2≤l1, эта волна поступает в активную среду разрядного канала раньше, чем первая волна, снижая инверсию населенностей активной среды. Вследствие этого возможность усиления для первой волны ослабевает, а вторая, получившая преимущество по усилению, пройдя через разрядный канал, падает на «глухое» выпуклое зеркало, и, отразившись от него, распространяется назад через активную среду, образуя пучок с меньшей, чем в аналоге расходимостью. В результате двух проходов этой волны по резонатору формируемый резонаторный пучок приобретает и большую мощность, и большую пространственную когерентность по сравнению с аналогом. Если уменьшить фокусное расстояние линзы до величины меньшей l1+l2+L+фокусное расстояние «глухого» зеркала, то пучок станет сходящимся, и в сравнении с аналогом в плоскости фокусировки он образует пятно меньшего диаметра с большей плотностью импульсной мощности.
В зависимости от соотношения между длиной резонатора, усилением среды и временем существования инверсии населенностей, вслед за первым резонаторным пучком излучения могут образоваться и следующие пучки, однако на величину общей расходимости излучения это уже не повлияет, т.к. их расходимость будет меньше расходимости первого резонаторного пучка. По мере уменьшения радиуса R расходимость первого резонаторного пучка приближается к дифракционному пределу, но мощность излучения при этом резко снижается из-за квадратичного уменьшения площади рабочей поверхности «глухого» зеркала.
Одним из недостатков конструкции является наличие нескольких пучков излучения, что отрицательно сказывается на качестве пятна фокусировки, т.е. распределении интенсивности, а следовательно, и качестве обработки материала.
Другой недостаток - это незначительное повышение мощности высококогерентного пучка излучения вследствие существенного снижения инверсии населенностей по всему разрядному каналу, в том числе и в его приосевой части, после прохождения по нему отраженного от плоского отражателя пучка излучения, имеющего сравнительно невысокую степень когерентности. Эти недостатки приводят к низкой производительности и качеству обработки материалов.
Наиболее близким техническим решением, прототипом предлагаемого устройства, является импульсный лазер, включающий установленные на оптической оси лазера разрядный канал длиной L, ось которого совпадает с оптической осью лазера, «глухое» выпуклое зеркало, расположенное с одной стороны разрядного канала на расстоянии l1 от его ближнего конца, и просветленную положительную линзу, расположенную с другой, выходной для лазерного излучения стороны разрядного канала на расстоянии l2≤l1 от его ближнего конца. На поверхности линзы, обращенной к разрядному каналу, в области оптической оси лазера выполнен небольшой участок с покрытием, отражающим излучение, причем l2+L/2<l1<τ·c/2-(l2+L),
где τ - время существования инверсии, с - скорость света. Участок с отражающим излучение покрытием на поверхности линзы, обращенной к разрядному каналу, в области оптической оси лазера является по существу вторым выпуклым зеркалом и вместе с «глухим» зеркалом образует неустойчивый резонатор. [Патент на изобретение «Импульсный лазер» №2432652, H01S 3/03]
Недостатками конструкции прототипа являются нестабильности положения оси диаграммы направленности дифракционного пучка излучения, вызывающие колебания сфокусированного светового пятна, что отрицательно сказывается на качестве обработки материала.
Эти процессы, как показали экспериментальные исследования, особенно сильно проявляются в импульсных лазерах на парах металлов из-за возникновения воздушных-тепловых потоков в пространстве между высокотемпературным разрядным каналом и зеркалами резонатора. Например, в исследуемом лазере на парах меди с рабочей температурой разрядного канала 1600-1700 С нестабильности положения оси диаграммы направленности дифракционного пучка практически соизмеримы с его расходимостью.
Технический результат изобретения заключается в повышении стабильности положения оси диаграммы направленности дифракционного пучка излучения и, как следствие, повышение качества микрообработки материала.
Технический результат достигается тем, что в импульсном лазере, включающем установленные на оптической оси лазера разрядный канал длиной L, ось которого совпадает с оптической осью лазера, «глухое» выпуклое зеркало, расположенное с одной стороны разрядного канала на расстоянии l1 от его ближнего конца, и просветленную положительную линзу, расположенную с другой, выходной для лазерного излучения, стороны разрядного канала, на поверхности линзы, обращенной к разрядному каналу, в области оптической оси лазера выполнен участок с покрытием, отражающим излучение. Площадь участка с покрытием соизмерима с площадью рабочей поверхности «глухого» зеркала, причем l2+L/2<l1<τ*c/2-(l2+L), где τ - время существования инверсии, с - скорость света. Перед «глухим» зеркалом, в плоскости, перпендикулярной оптической оси лазера и проходящей через полюс этого зеркала, установлена диафрагма с диаметром, приблизительно равным 2,44λ·(L+l1)/D,
где λ - длина волны излучения, D - диаметр апертуры разрядного канала, причем поверхность диафрагмы, обращенная к разрядному каналу, выполнена с покрытием, поглощающим излучение.
Из-за возникающих воздушно-тепловых потоков в пространстве между высокотемпературным разрядным каналом и зеркалами резонатора, что особенно сильно проявляется в лазерах на парах металлов с высокой температурой разрядного канала (1500-1700 С), пятно излучения дифракционного пучка непрерывно прецессирует (перемещается) по поверхности «глухого» зеркала, что вызывает нестабильности положения оси диаграммы направленности пучка, обычно соизмеримых с дифракционной расходимостью (Δ
Figure 00000001
=
Figure 00000001
дифр). При этом диаметр пятна излучения дифракционного пучка на поверхности «глухого» зеркала, из-за малого его радиуса, практически равен диаметру «мнимой» перетяжки пучка (dперет) в фокальной плоскости этого зеркала.. Поэтому для локализации пятна излучения на поверхности «глухого» выпуклого зеркала и, соответственно, жесткой фиксации пространственного положения оси диаграммы направленности дифракционного пучка диаметр диафрагмы (d) выбирается соизмеримым с диаметром «мнимой» перетяжки в «глухом» зеркале и определяется как произведение расстояния от фокальной плоскости «глухого» зеркала до выходной апертуры разрядного канала (F1+l2+L) на дифракционную расходимость (
Figure 00000001
дифр=2,44λ/D) - d ≈ dперет=2,44λ/D·(L+l1+F1),
где F1 - фокусное расстояние «глухого» зеркала. Так как F1<<(L+l1), формула упрощается и принимает вид d ≈ 2,44λ/D·(L+l1).
Нанесенное на поверхность диафрагмы покрытие, поглощающее излучение, устраняет образование обратной паразитной связи с активной средой лазера и не приводит к искажению пространственно-временной структуры дифракционного пучка излучения.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображена блок-схема импульсного лазера- прототипа,, где:
- «глухое» выпуклое зеркало - 1,
- разрядный канал- 2,
- просветленная положительная линза- 3,
- участок с отражающим покрытием- 4.
На фиг. 2 изображена блок-схема импульсного лазера, конструкция которого соответствует предложенному решению, где
- «глухое» выпуклое зеркало - 1,
- разрядный канал- 2,
- просветленная положительная линза- 3,
- участок с отражающим покрытием- 4,
- диафрагма с поглощающим покрытием-5.
Пример
Импульсный лазер на парах меди имеет частоту повторения импульсов излучения 15 кГц, время существования инверсии населенностей 25 нс. Разрядный канала 2 имеет апертуру диаметром D, равным 14 мм, и длину L, равную 620 мм. «Глухое» выпуклое зеркало 1 выполнено с радиусом кривизны 10 мм и отстоит от ближнего к нему конца разрядного канала 2 на расстоянии l1=600 мм. Просветленная положительная линза 3 отстоит от разрядного канала 2 на расстоянии l2=150 мм. Радиус кривизны зеркального участка 4 линзы 3 равен 30 мм, диаметр зеркального участка равен 1 мм. Длина резонатора (l1+L+l2)=1370 мм. При таких геометрических размерах разрядного канала и расстояниях от его концов до зеркал неустойчивого резонатора условие неравенства l2+L/2<l1<τ·с/2-(l2+L) выполняется полностью. Диаметр d диафрагмы 5 был равен 150 мкм, что соизмерим с диаметром «мнимой» перетяжки дифракционного пучка в «глухом» выпуклом зеркале 1 - dперет.=2,44λ/D·(L+l1)=122 мкм. Диафрагма 5 изготовлена из молибденовой фольги с почерненной поверхностью, эффективно поглощающей лазерное излучение.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
При включении электрического разряда в разрядном канале лазера из усиливающегося «затравочного» спонтанного излучения образуется пучок сверхсветимости с углом распространения α1=2D/L (D - диаметр апертуры разрядного канала). Часть излучения пучка сверхсветимости попадает в поле неустойчивого резонатора, где происходит формирование пучка излучения с высокой степенью пространственной когерентности. На последнем этапе, пучок, отразившись от «глухого» выпуклого зеркала 1, выходит из резонатора с угловой расходимостью α2=D/(F1+l2+L), где F1 - фокусное расстояние «глухого» выпуклого зеркала 1. Когда фокус линзы 3 совмещен с плоскостью изображения в «глухом» выпуклом зеркале 1 дальнего от этого зеркала конца разрядного канала 2, расходящийся пучок преобразуется линзой 3 в цилиндрический с минимальной расходимостью. При соблюдении в резонаторе условия l2+L/2<l1<τ·с/2-(l2+L) и когда радиус «глухого» выпуклого зеркала 1 на один-два порядка меньше длины резонатора (R1=(l1+L+l2)/10…100=5-30 мм) расходимость высококогерентного пучка излучения становится дифракционной (
Figure 00000001
дифр=2,44Δ/D), где λ - длина волны излучения). Из-за возникающих воздушно-тепловых потоков в поле резонатора, что особенно сильно проявляется в лазерах на парах металлов с высокой температурой разрядного канала (1500-1700 С), пятно излучения дифракционного пучка непрерывно прецессирует (перемещается) по поверхности «глухого» зеркала, что вызывает нестабильности положения оси диаграммы направленности пучка, обычно соизмеримых с дифракционной расходимостью (Δ
Figure 00000001
=
Figure 00000001
дифр). При этом диаметр пятна излучения дифракционного пучка на поверхности «глухого» зеркала 1, из-за малого его радиуса, практически равен диаметру «мнимой» перетяжки пучка (dперет) в фокальной плоскости этого зеркала.. Поэтому для локализации пятна излучения на поверхности «глухого» зеркала и, соответственно, жесткой фиксации пространственного положения оси диаграммы 5 направленности дифракционного пучка диаметр диафрагмы5 (d) выбирается соизмеримым с диаметром «мнимой» перетяжки в «глухом» зеркале и определяется как произведение расстояния от фокальной плоскости «глухого» зеркала до выходной апертуры разрядного канала (F1+l2+L) на дифракционную расходимость (
Figure 00000001
дифр=2,44λ/D) - d ≈ dперет=2,44λ/D·(L+l1+F1). Так как F1<<(L+l1), формула упрощается и принимает вид d ≈ 2,44λ/D·(L+l1). Нанесенное на поверхность диафрагмы 5 покрытие, поглощающее излучение, устраняет образование обратной паразитной связи с активной средой лазера и не приводит к искажению пространственно-временной структуры дифракционного пучка излучения.
Эффективность предложенного устройства проверена на импульсном лазере на парах меди в составе современной технологической установки для прецизионной микрообработки материалов ИЭТ.. Средняя мощность лазерного излучения составила Р=1,5 Вт, расходимость достигла дифракционного предела
Figure 00000001
дифр=0,1 мрад, нестабильности оси диаграммы направленности были на два порядка меньше дифракционной расходимости - Δ
Figure 00000001
=
Figure 00000001
дифр/100=0,001 мрад. В отсутствии же диафрагмы 5 нестабильности положения оси были соизмеримы с дифракционной расходимостью Δ
Figure 00000001
=
Figure 00000001
дифр.=0,1 мрад. В технологической установке излучение этого импульсного лазера объективом с фокусным расстоянием 100 мм фокусировалось в световое пятно размером 12 мкм, где плотность пиковой мощности составляла 2·1010 Вт/см2, достаточной для эффективной микрообработки в испарительном режиме металлических и большого круга неметаллических материалов При обработке металлического материала без диафрагмы 5 перед «глухим» выпуклым зеркалом 1, шероховатость поверхности лазерного реза составляла 3-5 мкм, с установленной диафрагмой 5 шероховатость становится субмикронной, т.е. на порядок меньше, что важно при изготовлении качественных прецизионных деталей.

Claims (4)

  1. Импульсный лазер, включающий установленные на оптической оси лазера разрядный канал длиной L, ось которого совпадает с оптической осью лазера, «глухое» выпуклое зеркало, расположенное с одной стороны разрядного канала на расстоянии l1 от его ближнего конца, и просветленную положительную линзу, расположенную с другой, выходной для лазерного излучения, стороны разрядного канала на расстоянии l2, а на поверхности линзы, обращенной к разрядному каналу, в области оптической оси лазера выполнен участок с покрытием, отражающим излучение, площадь которого соизмерима с площадью рабочей поверхности «глухого» зеркала, причем l2+L/2<l1<τ·с/2-(l2+L),
  2. где τ - время существования инверсии, с - скорость света,
  3. отличающийся тем, что перед «глухим» выпуклым зеркалом, в плоскости, перпендикулярной оптической оси лазера и проходящей через полюс этого зеркала, установлена диафрагма с диаметром, приблизительно равным 2,44λ·(L+l1)/D,
  4. где λ - длина волны излучения, D - диаметр апертуры разрядного канала, причем поверхность диафрагмы, обращенная к разрядному каналу, выполнена с покрытием, поглощающим излучение.
RU2017107376U 2017-03-06 2017-03-06 Импульсный лазер RU175979U1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017107376U RU175979U1 (ru) 2017-03-06 2017-03-06 Импульсный лазер

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017107376U RU175979U1 (ru) 2017-03-06 2017-03-06 Импульсный лазер

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU175979U1 true RU175979U1 (ru) 2017-12-25

Family

ID=63853636

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017107376U RU175979U1 (ru) 2017-03-06 2017-03-06 Импульсный лазер

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU175979U1 (ru)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2177196C1 (ru) * 2000-07-25 2001-12-20 Центр физического приборостроения ИОФ РАН Неустойчивый резонатор
US20020131468A1 (en) * 1998-08-06 2002-09-19 Lambda Physik Ag. Laser resonator for improving narrow band emission of an excimer laser
US6529228B1 (en) * 1999-06-30 2003-03-04 Canon Kabushiki Kaisha Laser working method, method for producing ink jet recording utilizing the same, and ink jet recording method produced by such method
RU2239920C1 (ru) * 2003-04-02 2004-11-10 Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН Способ формирования распределения инверсии в активном элементе лазера
RU2432652C1 (ru) * 2010-08-05 2011-10-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП "НПП "Исток") Импульсный лазер

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020131468A1 (en) * 1998-08-06 2002-09-19 Lambda Physik Ag. Laser resonator for improving narrow band emission of an excimer laser
US6529228B1 (en) * 1999-06-30 2003-03-04 Canon Kabushiki Kaisha Laser working method, method for producing ink jet recording utilizing the same, and ink jet recording method produced by such method
RU2177196C1 (ru) * 2000-07-25 2001-12-20 Центр физического приборостроения ИОФ РАН Неустойчивый резонатор
RU2239920C1 (ru) * 2003-04-02 2004-11-10 Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН Способ формирования распределения инверсии в активном элементе лазера
RU2432652C1 (ru) * 2010-08-05 2011-10-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП "НПП "Исток") Импульсный лазер

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2020207434A1 (zh) 激光器和激光雷达
US20070068475A1 (en) Internal combustion engine with a laser light generating device
JP2012522376A (ja) 再生リング共振器
US20100002743A1 (en) Laser focusing through turbulent medium
US8295319B2 (en) Ceramic gas laser having an integrated beam shaping waveguide
JP2016525803A (ja) Qスイッチ固体レーザー
RU175979U1 (ru) Импульсный лазер
US5434882A (en) Injection-controlled laser resonator
US5406578A (en) Unstable laser resonator for generating a stable fundamental mode beam profile
RU2432652C1 (ru) Импульсный лазер
JPH05507588A (ja) 色素レーザ増幅器
JP7066073B1 (ja) レーザ装置およびレーザ加工装置
CN115740792A (zh) 一种基于固体薄片的高稳定性超连续光源的产生方法
Mineev et al. Investigation of a cw planar laser with an unstable resonator and additional feedback
RU44004U1 (ru) Импульсный лазер
JPH10113354A (ja) レーザーシステム及びこのシステムにおけるビーム発散低減方法
US5764680A (en) Folded internal beam path for gas stable/unstable resonator laser
RU174838U1 (ru) Установка для лазерной обработки
Lamberton et al. Beam divergence of a highly multimode CO2 laser
JP3810716B2 (ja) X線発生装置及び発生方法
US5202898A (en) Laser oscillator, laser resonator, and apparatus for manufacturing of semiconductor
US3546621A (en) Laser brightness gain and mode control by optical compensation for distortion
RU2164724C2 (ru) Лазер
Schellhorn et al. High-Pulse Energy Mid-IR ZGP OPO with Divergence Compensation and High Beam Quality
RU2368046C2 (ru) Неустойчивый кольцевой резонатор