RU2029421C1

RU2029421C1 - Optical cavity of gas-discharge laser

Info

Publication number: RU2029421C1
Authority: RU
Inventors: Юрий Павлович Рассадкин
Original assignee: Юрий Павлович Рассадкин
Priority date: 1991-06-11
Filing date: 1991-06-11
Publication date: 1995-02-20

Abstract

FIELD: laser engineering. SUBSTANCE: one mirror module of optical cavity has exit convex mirror, blind concave mirror with spherical surfaces, and two flat mirrors; other module has two flat mirrors; bottom frame is mounted on base and on one end rigidly fixed in position while on other end it is mounted for displacement. Base is mounted on adjustable supports; jumpers are isolated by means of bellows from chamber walls and adjusting unit of each mirror has case with spherical cavity in center whose hole receives spherical boss of insert on which mirror is fixed at three points. EFFECT: improved design. 2 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к лазерной резке, сварке и термообработке материалов и к оптическим резонаторам лазеров. Изобретение может быть использовано при создании технологических СО₂, СО и других типов лазеров с выходной мощностью 1-100 кВт.The invention relates to quantum electronics, in particular to laser cutting, welding and heat treatment of materials and to optical resonators of lasers. The invention can be used to create technological CO ₂ , CO and other types of lasers with an output power of 1-100 kW.

В качестве аналога выбран однопроходный, пятизеркальный резонатор с вращением поля [1]. Этот резонатор образован двумя уголковыми отражателями, ребра которых выставлены взаимно перпендикулярно друг другу, причем каждые две пары вогнутого и выпуклого цилиндрических зеркал образуют неустойчивый резонатор с различными коэффициентами увеличения в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, а вывод излучения обеспечивается плоским зеркалом с вырезом. As an analog, a single-pass, five-mirror cavity with field rotation was selected [1]. This resonator is formed by two corner reflectors, the edges of which are aligned mutually perpendicular to each other, and each two pairs of concave and convex cylindrical mirrors form an unstable resonator with different magnification factors in two mutually perpendicular planes, and the radiation output is provided by a flat mirror with a notch.

Недостатки этого резонатора следующие. Поскольку ось резонатора проходит через ребра отражателя, составленные из металлических зеркал, что коэффициент отражения их в этой зоне существенно меньше, что связано с потерями на щелях и плохим качеством оптических поверхностей на краях зеркал; имеются однопроходность схемы и неполное заполнение активной среды излучением. Допустимый угол разъюстировки зеркал и уголковых отражателей (УО) составляет 1,5-2 угл.с. The disadvantages of this resonator are as follows. Since the resonator axis passes through the reflector ribs composed of metal mirrors, their reflection coefficient in this zone is much smaller, which is associated with losses on slots and poor quality of optical surfaces at the edges of the mirrors; there are single-pass circuits and incomplete filling of the active medium with radiation. The permissible angle of misalignment of mirrors and corner reflectors (UO) is 1.5-2 angular.s.

Первые два фактора приводят к низкой эффективности резонатора, а третий при больших углах уходов зеркал в УО вызывает появление нескольких мод в выходном излучении, а следовательно, приводит к увеличению расходимости. The first two factors lead to low resonator efficiency, and the third, at large angles of mirror outcrops in the VO, causes the appearance of several modes in the output radiation and, consequently, leads to an increase in divergence.

Прототипом и наиболее близким по оптической схеме к заявляемому резонатору является резонатор [2] , предназначенный для использования активных сред типа твердотельных лазерных элементов или газовых разрядных трубок в видимом диапазоне или ближнем ИК-диапазоне, где можно применять стеклянную оптику. Он состоит из двух двугранных призм с отражающими боковыми гранями, установленных так, что ребра их взаимно перпендикулярны. Из четырех проходов оптической оси на одном размещено двустороннее зеркало, одна отражающая грань которого выпуклая, другая - вогнутая, а с двух сторон его оптический затвор и селектор мод. На втором проходе размещены активный лазерный элемент и выводное зеркало, а оптическая ось резонатора представляет собой ломаную замкнутую линию из отрезков прямых, проходящих под углом 45^о к боковым граням призм.The prototype and the closest optical scheme to the inventive resonator is a resonator [2], designed to use active media such as solid-state laser elements or gas discharge tubes in the visible range or near infrared, where glass optics can be used. It consists of two dihedral prisms with reflecting side faces, mounted so that their edges are mutually perpendicular. Of the four passes of the optical axis, one has a double-sided mirror, one reflecting face of which is convex, the other is concave, and on both sides there is an optical shutter and mode selector. On the second pass has an active laser element and a lead-out mirror and the optical axis of the cavity is closed polygonal line segments of straight lines extending at an angle of ⁴⁵ ° to the side faces of prisms.

Этот резонатор применить в полном или частичном объеме для мощных технологических лазеров дальнего ИК-диапазона 5-11 мкм невозможно по следующим причинам. This resonator can not be used in full or in part for high-power technological lasers in the far infrared range of 5–11 μm for the following reasons.

Призмы из ИК-материалов не выдерживают больших лучевых нагрузок, тем более при частичном поглощении излучения. В данной оптической схеме невозможно съюстировать резонатор без дополнительных оптических клиньев из ИК-материалов и необходимо разделить выходное и заднее зеркала. Prisms from infrared materials do not withstand large radiation loads, especially with partial absorption of radiation. In this optical scheme, it is impossible to align the resonator without additional optical wedges made of infrared materials and it is necessary to separate the output and rear mirrors.

Наличие оптических элементов из ИК-оптики внутри резонатора приводит к значительным потерям излучения, уменьшению его эффективности и увеличению расходимости за счет оптических искажений в элементах. Оптическая схема сильно чувствительна к разъюстировке выпукло-вогнутого зеркала относительно призмы. The presence of optical elements from IR optics inside the resonator leads to significant radiation losses, a decrease in its efficiency and an increase in divergence due to optical distortions in the elements. The optical design is highly sensitive to the misalignment of the convex-concave mirror relative to the prism.

Целью изобретения является увеличение выходной мощности излучения при одновременном уменьшении его расходимости и увеличении надежности и ресурса работы, а кроме того, для обеспечения уменьшения чувствительности оптической схемы и конструкции резонатора к внешним аккустическим и динамическим воздействиям. The aim of the invention is to increase the output power of the radiation while reducing its divergence and increasing reliability and service life, and in addition, to reduce the sensitivity of the optical circuit and design of the resonator to external acoustic and dynamic influences.

На фиг. 1 показана оптическая схема неустойчивого резонатора. In FIG. 1 shows an optical design of an unstable resonator.

Резонатор содержит выходное выпуклое зеркало 1, глухое вогнутое зеркало 2, плоские зеркала 3-6 показаны: направление потока активной среды 7, форма выходного пучка излучения 8, положение оптических осей 9. Плоские зеркала 3, 4 составляют малый уголковый отражатель (МУО), а зеркала 5, 6 - большой уголковый отражатель (БУО). Зеркала имеют прямоугольную форму, причем отражающие поверхности плоских зеркал в МУО и БУО расположены взаимно перпендикулярно. Оптическая ось резонатора проходит от выходного зеркала 1 к плоским зеркалам БУО 5, 6, затем к плоским зеркалам МУО 3, 4, потом снова к зеркалам БУО 6, 5 и к глухому зеркалу 2. При этом зеркала 1, 2 и МУО находятся в одном блоке по одну сторону активной среды, а БУО находятся во втором блоке по другую сторону активной среды. Вся оптическая область в плоскости, перпендикулярной оптической оси делится на 4 прямоугольные области с помощью диафрагмы. Оптическая ось размещается в плане поперечного сечения пучков в любом из углов прямоугольной области, а выходной пучок имеет форму прямоугольника с вырезанным углом, что позволяет по сравнению с симметричным расположением оптической оси в центре области уменьшить дифракционный предел расходимости излучения в 2-2,5 раза и исключить появление второй оси генерации излучения при разъюстировке. Для этой оптической схемы угловой уход оптической оси при разъюстировке - блоков зеркал друг относительно друга не зависит от коэффициента увеличения резонатора и в одной плоскости равен углу разъюстировки блоков зеркал, а в другой плоскости только в 3 раза его превышает. Переворот пучка излучения после каждого прохода по активной среде позволяет уменьшить влияние макрооптических неоднородностей на расходимость излучения и уменьшить неравномерность интенсивности в пучке. The resonator contains an output convex mirror 1, a blind concave mirror 2, flat mirrors 3-6 are shown: the direction of flow of the active medium 7, the shape of the output radiation beam 8, the position of the optical axes 9. Flat mirrors 3, 4 comprise a small angular reflector (MUO), and mirrors 5, 6 - large corner reflector (BWO). The mirrors have a rectangular shape, and the reflecting surfaces of the flat mirrors in the MUO and the BIO are mutually perpendicular. The optical axis of the resonator passes from the output mirror 1 to the flat mirrors BUO 5, 6, then to the flat mirrors MUO 3, 4, then again to the mirrors BUO 6, 5 and to the deaf mirror 2. In this case, mirrors 1, 2 and MUO are in the same block on one side of the active medium, and the control unit is located in the second block on the other side of the active medium. The entire optical region in the plane perpendicular to the optical axis is divided into 4 rectangular regions using a diaphragm. The optical axis is placed in the plan of the beam cross section in any of the corners of the rectangular region, and the output beam has the shape of a rectangle with a cut out angle, which makes it possible to reduce the diffraction limit of the divergence of radiation by 2–2.5 times in comparison with the symmetrical arrangement of the optical axis in the center of the region exclude the appearance of a second axis of radiation generation during misalignment. For this optical scheme, the angular departure of the optical axis during misalignment of the mirror blocks relative to each other does not depend on the magnification factor of the resonator and in one plane it is equal to the angle of misalignment of the mirror blocks, and in the other plane it only 3 times exceeds it. The revolution of the radiation beam after each passage through the active medium makes it possible to reduce the influence of macro-optical inhomogeneities on the divergence of radiation and to reduce the unevenness of intensity in the beam.

Большое количество проходов оптической оси на активной среде позволяет увеличить эффективность резонатора при коэффициенте увеличения 1,5-2. A large number of passes of the optical axis on the active medium allows increasing the resonator efficiency with a magnification factor of 1.5-2.

Оптическая схема такого резонатора показана на фиг.2. В этой схеме размещение и количество зеркал аналогично показанной на фиг.1, за исключением того, что отражающие поверхности зеркал 1-4 имеют цилиндрическую форму, причем выходное и одно из зеркал МУО - выпуклую, а глухое и другое зеркала МУО - вогнутую. Оптическая ось размещается у середины боковой стороны зеркал, а вывод излучения осуществляется мимо боковой стороны выходного зеркала в виде прямоугольника. Образующие цилиндрических поверхностей зеркал 1, 2 параллельны между собой и перпендикулярны образующим цилиндрических поверхностей зеркал МУО 3, 4. Этот резонатор в плоскости ZOY является устойчивым, в плоскости XOY неустойчивым и угловой уход оптической оси при разъюстировке блоков зеркал друг относительно друга в обеих плоскостях не зависит от коэффициента увеличения и равен углу разъюстировки блоков зеркал. The optical design of such a resonator is shown in FIG. 2. In this scheme, the placement and number of mirrors is similar to that shown in Fig. 1, except that the reflecting surfaces of mirrors 1-4 are cylindrical, with the output and one of the MUO mirrors being convex, and the blind and other MUO mirrors are concave. The optical axis is located at the middle of the side of the mirrors, and the radiation is output past the side of the output mirror in the form of a rectangle. The generators of the cylindrical surfaces of the mirrors 1, 2 are parallel to each other and perpendicular to the generators of the cylindrical surfaces of the mirrors MUO 3, 4. This resonator is stable in the ZOY plane, unstable in the XOY plane and the angular departure of the optical axis is not independent when the mirror blocks are misaligned in both planes from the magnification factor and equal to the angle of misalignment of the mirror blocks.

Оптические схемы резонатора для характерных размеров активной среде вдоль оптической оси обеспечивают следующие характеристики. The optical cavity designs for the characteristic dimensions of the active medium along the optical axis provide the following characteristics.

Допустимый угловой уход блоков зеркал друг относительно друга в предположении изменения мощности излучения ± 10% составляет ± 5-7 угл.мин; дополнительный вклад в расходимость излучения колебаний блоков зеркал ≈ 0,05 мрад; дополнительный вклад в расходимость за счет колебаний зеркал в блоках ≈ 0,1 мрад. The permissible angular departure of the mirror blocks relative to each other under the assumption of a change in the radiation power of ± 10% is ± 5-7 ang.min; additional contribution to the divergence of the radiation from the oscillations of the mirror blocks ≈ 0.05 mrad; an additional contribution to the divergence due to mirror vibrations in the blocks is ≈ 0.1 mrad.

Схема конструкции резонатора применительно к газоразрядному лазеру приведена на фиг. 3, 4, где показаны зеркала 1-6 юстировочные узлы 10, диафрагмы 11, кронштейны 12, плиты 13 каркасной конструкции, трубы 14 каркасной конструкции, подставка 15 и основание 16 каркасной конструкции, газодинамический контур лазера 17, корпус газоразрядной камеры 18, проставки резонаторных камер 19, крышки резонаторных камер 20, сильфоны 21, регулируемые по высоте опоры 22, выходное окно 23, автоматическая шторка 24. A design diagram of the resonator as applied to a gas discharge laser is shown in FIG. 3, 4, where mirrors 1-6 are shown, alignment units 10, diaphragms 11, brackets 12, plates 13 of the frame structure, pipes 14 of the frame structure, stand 15 and the base 16 of the frame structure, the gas-dynamic circuit of the laser 17, the body of the gas discharge chamber 18, the spacers of the resonator chambers 19, covers of resonator chambers 20, bellows 21, height-adjustable bearings 22, exit window 23, automatic shutter 24.

Каркасная часть конструкции резонатора, на которой крепятся кронштейны с юстировочными узлами и зеркалами, устанавливается через подставку на собственное основание и регулируемые по высоте опоры. Трубы каркасной конструкции "развязаны" от камер резонатора с помощью сильфонов, которые одновременно обеспечивают герметичность резонаторных камер. Перед обоими блоками зеркал устанавливаются диафрагмы, которые делят оптическую область резонатора на 4 прямоугольных участка. Кроме того, перед блоком зеркал БУО устанавливается автоматическая шторка. К корпусу разрядной камеры газодинамического тракта лазера крепятся жестко проставки, к которым, в свою очередь, - крышки боковых камер резонатора. В одной из крышек напротив выходного зеркала устанавливается выводное окно из ИК-материала. Проставки предназначены для размещения на них проходных штуцеров системы охлаждения и электроразъемы. The frame part of the resonator structure, on which the brackets with adjustment nodes and mirrors are mounted, is installed through the stand on its own base and height-adjustable supports. The tubes of the frame structure are “untied” from the cavity chambers using bellows, which simultaneously ensure the tightness of the cavity chambers. Apertures are installed in front of both mirror blocks, which divide the optical region of the resonator into 4 rectangular sections. In addition, an automatic shutter is installed in front of the BUO mirror block. Rigid spacers are attached to the body of the discharge chamber of the gas-dynamic path of the laser, to which, in turn, are the covers of the side chambers of the resonator. In one of the covers opposite the output mirror, an exit window of IR material is installed. Spacers are designed for placement on them through-fittings of the cooling system and electrical connectors.

Юстировочный узел показан на фиг.5. Он состоит из подвижного вкладыша 25, корпуса 26, четырех специальных болтов 27, четырех гаек 28, сфероконусных шайб 29. В корпусе имеется сферическое углубление, в котором скользит вкладыш при попеременном затягивании и отпускании обеих пар противоположно размещенных болтов с гайками. Корпус пристыковывается к кронштейну, а к вкладышу - тремя болтами, через сфероконусные шайбы закрепляется зеркало. В центре юстировочного узла имеется отверстие для вывода штуцеров охлаждения зеркала. The adjustment unit is shown in FIG. 5. It consists of a movable insert 25, a housing 26, four special bolts 27, four nuts 28, spherical conical washers 29. The housing has a spherical recess in which the insert slides when alternately tightening and releasing both pairs of oppositely placed nuts and bolts. The case is docked to the bracket, and to the liner - with three bolts, a mirror is fixed through spherical cone washers. In the center of the adjustment unit there is a hole for the output of the cooling nozzles of the mirror.

Демпфирующее устройство показано на фиг.6 и включает в себя металлические накладки 30, аммортизаторы 31, защитные экраны 32, упорные болты 33. Аммортизатор делается из резины и может представлять собой отрезок вакуумного шланга. Устройства устанавливаются с боковых сторон зеркала и с помощью упорных болтов, накладок прижимают к нему амортизаторы. The damping device is shown in FIG. 6 and includes metal pads 30, shock absorbers 31, shields 32, stop bolts 33. The shock absorber is made of rubber and may be a piece of a vacuum hose. Devices are installed on the sides of the mirror and with the help of persistent bolts, pads, shock absorbers are pressed against it.

Они воспринимают на себя часть массы зеркала, уменьшают амплитуду колебаний, не искажая оптической поверхности. Экраны защищают аммортизаторы от рассеянного излучения. They perceive a part of the mass of the mirror, reduce the amplitude of the oscillations without distorting the optical surface. Screens protect shock absorbers from scattered radiation.

Предлагаемый резонатор существенно улучшает следующие характеристики мощного ТЛ: увеличивает эффективность преобразования запасной колебательной энергии и излучение; уменьшает расходимость излучения; уменьшает чувствительность зеркал к разъюстировке; уменьшает влияние внешних акустических, динамических, климатических воздействий на эксплуатационные характеристики ТЛ; вывод излучения в виде прямоугольника с вырезанным углом позволяет получить минимальный дифракционный предел расходимости и при использовании цилиндрической оптики осуществить поверхностное упрочнение материалов с помощью прямоугольной полоски излучения с равномерной интенсивностью в ней; неравномерность распределения интенсивности излучения в сечении выходного пучка не превышает 20-30% ; допустимый угловой развал блоков зеркал друг относительно друга, при котором мощность излучения уменьшается не более чем на 10%, 5-7 угл.мин; допустимый угловой уход зеркал в блоках от начального съюстированного положения, при котором мощность уменьшается не более чем на 10% , 10-15 угл. с.; при разъюстировке зеркал резонатора оптическая схема исключает образование двух оптических осей генерации излучения, а остается только одна. Каркасная конструкция резонатора обеспечивает развязку кронштейнов с юстировочными узлами и зеркалами от газодинамического контура ТЛ; развал блоков зеркал друг относительно друга во время эксплуатации - не более 30 угл.с.; угловой узел зеркал внутри блоков от начального съюстированного положения во время эксплуатации - не более ±3 угл.с.; стабильность выставки зеркал без подъюстировки в течение нескольких месяцев эксплуатации ТЛ; юстировочные узлы имеют диапазон угловых подвижек ± 3^о и чувствительность ± 3 угл.с. при одновременной контровке, при этом усилие стяжки подвижной части относительно неподвижной после контровки составляет от нескольких сот до тысячи кг; демпфирующее устройство уменьшает амплитуду колебаний зеркал.The proposed resonator significantly improves the following characteristics of a powerful TL: increases the conversion efficiency of the reserve vibrational energy and radiation; reduces the divergence of radiation; reduces mirror sensitivity to misalignment; reduces the influence of external acoustic, dynamic, climatic influences on the operational characteristics of TL; the radiation output in the form of a rectangle with a cut-out angle allows to obtain the minimum diffraction divergence limit and, when using cylindrical optics, carry out surface hardening of materials using a rectangular radiation strip with uniform intensity in it; uneven distribution of radiation intensity in the output beam section does not exceed 20-30%; permissible angular camber of mirror blocks relative to each other, in which the radiation power is reduced by no more than 10%, 5-7 arc.min; permissible angular departure of mirrors in blocks from the initial aligned position, at which the power decreases by no more than 10%, 10-15 angles. from.; when the alignment of the cavity mirrors is misaligned, the optical scheme excludes the formation of two optical axes of radiation generation, and only one remains. The frame construction of the resonator provides the isolation of the brackets with the adjustment nodes and mirrors from the gas-dynamic circuit of the TL; the collapse of the mirror blocks relative to each other during operation - not more than 30 arc.s .; the corner node of the mirrors inside the blocks from the initial aligned position during operation is not more than ± 3 angular seconds; stability of the exhibition of mirrors without adjustment for several months of operation of the TL; Adjustment units have a range of angular motions ^of ± 3, and ± 3 seconds of arc sensitivity at the same time, while the force of the coupler of the movable part is relatively stationary after the control is from several hundred to a thousand kg; the damping device reduces the amplitude of oscillations of the mirrors.

Claims

1. OPTICAL RESONATOR OF A POWER LASER, including two mirror units with alignment units containing control elements, brackets, diaphragms mounted in cameras with covers and mounted on a frame structure made in the form of two plates connected by frames, and also an exit window with an infrared plate , a cooling device with collectors for the distribution and discharge of refrigerant, characterized in that, in order to increase the output power of the radiation while reducing its divergence and increasing reliability and resource and the work, in one block of mirrors there is an output convex, blind concave mirror with spherical reflecting surfaces and two flat mirrors forming the first corner reflector with mutually perpendicular reflecting surfaces, and in the other block two plane mirrors forming the second corner reflector, the edges of both corner the reflectors are mutually perpendicular, and the convex output mirror and the concave blind mirror are optically coupled to each other through the mirrors of the first and second corner reflectors, while the bottom frame of the frame structure is mounted on the base and fixed with one end, with the other being movable, the base is placed on height-adjustable supports, the jumpers connecting the plates of the frame structure with the frames are separated by bellows from the walls of the chambers, while the adjustment unit of each mirror comprises a housing having a spherical recess in the center with an opening in which a spherical protrusion of the liner is mounted, with a mirror mounted on it at three points, and dem is mounted on the sides of the mirrors firuyuschie device.

2. Optical resonator of a high-power laser, including two mirror units with adjustment units containing control elements, brackets, diaphragms installed in cameras with covers and mounted on a frame structure made in the form of two plates connected by frames, as well as an exit window with an infrared plate and a cooling device with collectors of distribution and discharge of refrigerant, characterized in that, in order to increase the output power of the radiation while reducing its divergence and increasing reliability and res When working, in one mirror unit the output and one of the mirrors of the first corner reflector have a convex, and the blind and other mirrors of the first corner reflector have concave cylindrical surfaces, the cylindrical reflective surfaces of the first corner reflector being parallel to its edge, and the tangent planes to them along the line the intersections in the rib are mutually perpendicular, forming the cylindrical reflective surfaces of the output and blind mirrors perpendicular to the edge of the first corner reflector, while the lower frame of the frame structure is mounted on the base and fixed with one end, with the other being movable, the base is placed on height-adjustable supports, the jumpers connecting the plates of the frame structure with the frames are separated by means of bellows from the walls of the chambers, while the adjustment unit of each mirror contains a housing having a spherical recess in the center with an opening in which a spherical protrusion of the insert with a mirror mounted on it at three points is mounted, and de pfiruyuschie device.