RU2107976C1

RU2107976C1 - Method for generation of beam of multiple- channel laser

Info

Publication number: RU2107976C1
Application number: RU96107575A
Authority: RU
Inventors: А.Н. Сафонов; А.М. Забелин
Original assignee: Акционерное общество закрытого типа "Технолазер"
Priority date: 1996-04-11
Filing date: 1996-04-11
Publication date: 1998-03-27

Abstract

FIELD: laser equipment. SUBSTANCE: beam generation unit is designed as active bodies which are arranged around circle with equal spaces, and system of rotation mirrors at least one of which is located on shaft, rotates and reflects in one direction beams from all active bodies which generate beams in alternating order. EFFECT: increased functional capabilities. 9 cl, 2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к лазерному оборудованию, точнее к блоку генерации излучения многоканальных твердотельных и газовых лазеров, а также лазерных установок. The present invention relates to laser equipment, more specifically to a unit for generating radiation of multi-channel solid-state and gas lasers, as well as laser systems.

Известны многоканальные лазерные установки, состоящие из нескольких автономно расположенных каналов блоков генерации, излучение от этих блоков для получения высокой мощности синхронно фокусируется в одной точке (установки "Нова" и "Новетта" [1]). Known multi-channel laser systems, consisting of several autonomously located channels of the generation units, the radiation from these units for high power synchronously focuses at one point (installation "Nova" and "Novetta" [1]).

Недостатки этих установок заключаются в трудности синхронизации действия блоков генерации, а также громоздкости их конструкции (общая длина установки "Нова" достигает 137 м). The disadvantages of these installations are the difficulty in synchronizing the action of the generation units, as well as the cumbersomeness of their design (the total length of the Nova installation reaches 137 m).

Известен также блок генерации излучения многоканального лазера, включающий в свой состав коробчатый корпус с двумя торцевыми фланцами, герметично вставленными внутрь корпуса; активные элементы, собранные в пакет и расположенные внутри корпуса вдоль его оси, причем торцы активных элементов выведены на наружные стороны фланцев через отверстия; герметичную полость между внутренними стенками корпуса и внешними стенками активных элементов для прокачки охлаждающей жидкости; оптический резонатор, состоящий из заднего глухого зеркала, перекрывающего торцы активных элементов с одной стороны пакета и переднего отражательно-выводного угла с другой стороны пакета (см. блок генерации лазера МТЛ-2 [2]). Also known is a multichannel laser radiation generation unit including a box-shaped case with two end flanges hermetically inserted into the case; active elements assembled in a package and located inside the housing along its axis, the ends of the active elements displayed on the outer sides of the flanges through holes; a tight cavity between the inner walls of the housing and the outer walls of the active elements for pumping coolant; an optical resonator consisting of a rear blind mirror overlapping the ends of the active elements on one side of the packet and a front reflective-output angle on the other side of the packet (see MTL-2 laser generation unit [2]).

Этот блок генерации излучения позволяет значительно уменьшить габариты лазера. Он является наиболее близким техническим решением к заявляемому объекту, т.е. прототипом. This radiation generation unit can significantly reduce the size of the laser. It is the closest technical solution to the claimed object, i.e. prototype.

Недостатки прототипа заключаются в низком качестве лазерного излучения из-за высокой его расходимости, а также в трудности организации импульсного режима работы с высокой средней мощностью. The disadvantages of the prototype are the low quality of laser radiation due to its high divergence, as well as the difficulty of organizing a pulsed mode of operation with high average power.

Задачами предлагаемого изобретения является повышение качества генерируемого излучения, увеличение частоты генерируемых импульсов и средней мощности при сохранении компактности конструкции. The objectives of the invention is to improve the quality of the generated radiation, increase the frequency of the generated pulses and average power while maintaining the compact design.

Указанные задачи выполняются в предлагаемом блоке генерации излучения за счет того, что активные элементы расположены в пакете по окружности на равном расстоянии друг от друга, каждый активный элемент имеет модулятор для формирования импульсов лазерного излучения, передний отражательно-выводной узел выполнен в виде системы поворотных зеркал у выходных торцов активных элементов, расположенных под углом 45^o к их оси и выводящих лазерное излучение перпендикулярно к оси пакета, центрального поворотного зеркала, расположенного под углом 45^o на оси пакета в точке пересечения с ней лазерного излучения и вращающегося вокруг оси пакета, а также закрепленного на оси пакета полупрозрачного зеркала оптического резонатора, расположенного перпендикулярно к направленному от центрального поворотного зеркала лазерному излучению, и, кроме того, имеется система синхронизации вращения центрального поворотного зеркала и модуляторов импульсов.These tasks are performed in the proposed radiation generation unit due to the fact that the active elements are arranged in a packet around the circle at an equal distance from each other, each active element has a modulator for generating pulses of laser radiation, the front reflective output node is made in the form of a system of rotary mirrors the output ends of the active elements located at an angle of 45 ^o to their axis and outputting laser radiation perpendicular to the axis of the package, the Central rotary mirror located at an angle of 45 ^o on the axis of the packet at the point of intersection of the laser radiation and the packet rotating around the axis of the packet, as well as a semitransparent mirror of the optical resonator mounted perpendicularly to the laser radiation directed from the central rotary mirror, and, in addition, there is a synchronization system for rotating the central rotary mirrors and pulse modulators.

Наличие вышеперечисленных конструктивных отличий в заявляемом объекте по сравнению с прототипом позволяет изменить принцип суммирования энергии излучения, генерируемой в отдельных каналах, т.е. перейти от суммирования ее в пространстве к суммированию во времени при очередном испускании излучения из каждого активного элемента в тот момент, когда вращающееся центральное поворотное зеркало находится в положении общего многократного прохода излучения от заднего глухого зеркала до полупрозрачного выводного зеркала оптического резонатора через данный активный элемент. В результате увеличивается средняя выходная мощность излучения при одновременном повышении частоты импульсов пропорционально количеству активных элементов и скорости вращения центрального поворотного зеркала с сохранением компактности конструкции. Кроме того, сохраняется возможность генерации излучения в непрерывном режиме при неподвижном центральном поворотном зеркале, принимающем лазерное излучение от одного из активных элементов. The presence of the above structural differences in the claimed object in comparison with the prototype allows you to change the principle of summing the radiation energy generated in individual channels, i.e. go from summing it in space to summing over time with the next emission of radiation from each active element at the moment when the rotating central rotary mirror is in the position of the general multiple passage of radiation from the rear deaf mirror to the translucent output mirror of the optical resonator through this active element. As a result, the average output radiation power increases while increasing the pulse frequency in proportion to the number of active elements and the rotation speed of the central rotary mirror, while maintaining a compact design. In addition, it remains possible to generate radiation in a continuous mode with a fixed central rotary mirror receiving laser radiation from one of the active elements.

Поочередная генерация излучения из единичного активного элемента позволяет в наибольшей мере подавить возникновение поперечных мод в лазерном пучке, генерировать пучок с распределением интенсивности в поперечном сечении близком к ТЕМоо, а расходимость излучения обеспечить на уровне дифракционной. В результате значительно повышается качество излучения. Alternate generation of radiation from a single active element makes it possible to suppress the appearance of transverse modes in the laser beam to the greatest extent, to generate a beam with an intensity distribution in the cross section close to TEMOO, and to ensure radiation divergence at the diffraction level. As a result, the radiation quality is significantly improved.

Конструкция блока генерации излучения многоканального лазера иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан вид блока сбоку при сечении А-А; на фиг. 2 - вид со стороны вывода лазерного излучения. The construction of the multi-channel laser radiation generation unit is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a side view of the block in section AA; in FIG. 2 is a view from the output side of the laser radiation.

Блок генерации излучения состоит из коробчатого корпуса 1 с двумя торцевыми фланцами 2. В отверстия фланцев 2 вставлены активные элементы 3, расположенные вдоль оси корпуса 1. The radiation generation unit consists of a box-shaped housing 1 with two end flanges 2. Active elements 3 are inserted into the holes of the flanges 2 along the axis of the housing 1.

Активные элементы 3 могут представлять собой в твердотельных лазерах твердотельные активные элементы, например стержни из кристаллов алюмо-иттриевого граната с неодимом или из стекла с неодимом, возбуждаемые лампами накачки с отражателями или с помощью накачки диодной матрицей. The active elements 3 can be solid-state active elements in solid-state lasers, for example rods made of crystals of aluminum-yttrium garnet with neodymium or glass with neodymium, excited by pump lamps with reflectors or by pumping with a diode matrix.

В газоразрядных лазерах активные элементы 3 представляют собой стеклянные газоразрядные трубки с рабочим газом, как правило смесью CO₂, N₂ и He, в которых с помощью высокого напряжения, подаваемого на электродные системы в трубах, зажигается тлеющий разряд.In gas-discharge lasers, the active elements 3 are glass gas-discharge tubes with a working gas, usually a mixture of CO ₂ , N ₂ and He, in which a glow discharge is ignited by means of a high voltage applied to the electrode systems in the pipes.

В случае газоразрядных лазеров возможен волноводный режим распространения излучения по стеклянным газоразрядным трубкам. В волноводном режиме излучение как бы переотражается от стенок трубки к ее оси, распространяясь вдоль трубки без увеличения своего поперечного размера. Такой режим реализуется при достаточно малом размере трубок, когда

где a, l - радиус и длина трубки, λ - длина волны.In the case of gas-discharge lasers, a waveguide mode of propagation of radiation through glass gas-discharge tubes is possible. In the waveguide mode, the radiation seems to be reflected from the walls of the tube to its axis, propagating along the tube without increasing its transverse size. This mode is realized with a sufficiently small tube size when

where a, l is the radius and length of the tube, λ is the wavelength.

Волноводный режим характеризуется существенно меньшей чувствительностью к разъюстировке, большей селективностью основной поперечной моды излучения и большей устойчивостью разряда, что позволяет наиболее оптимально выбирать параметры активной среды газоразрядного лазера. The waveguide mode is characterized by a significantly lower sensitivity to misalignment, greater selectivity of the main transverse radiation mode and greater discharge stability, which makes it possible to select the parameters of the active medium of a gas-discharge laser most optimally.

Между стенками корпуса 1 и активных элементов 3 имеется герметичная полость 4 для прокачки охлаждающей жидкости. Between the walls of the housing 1 and the active elements 3 there is a sealed cavity 4 for pumping coolant.

С одной стороны пакета активных элементов 3 расположено заднее глухое зеркало 5 оптического резонатора, перекрывающее все торцы активных элементов 3. On one side of the package of active elements 3 there is a rear blind mirror 5 of the optical resonator, overlapping all the ends of the active elements 3.

Это зеркало может быть цельным или являться суммой соответствующих каждому активному элементу глухих зеркал 5. С другой стороны у торцов активных элементов 3 под углом 45^o к оси элементов 3 расположены поворотные зеркала 7, а на оси пакета активных элементов 3 расположено центральное поворотное зеркало 8, наклоненное под углом 45^o к оси пакета и вращающееся вокруг этой оси на оси пакета, в перпендикулярной плоскости к ней расположено полупрозрачное выводное зеркало 9 оптического резонатора.This mirror can be solid or can be a sum of blind mirrors 5 corresponding to each active element. On the other hand, at the ends of the active elements 3, rotary mirrors 7 are located at an angle of 45 ^° to the axis of the elements 3, and a central rotary mirror 8 is located on the axis of the packet of active elements 3, tilted at an angle of 45 ^o to the axis of the packet and rotating around this axis on the axis of the packet, in a perpendicular plane to it there is a translucent output mirror 9 of the optical resonator.

В качестве варианта полупрозрачное выводное зеркало 9 может располагаться между поворотными зеркалами 7 и 8 перпендикулярно осям активных элементов и быть цельным или составным, состоящим из совокупности зеркал, каждое из которых соответствует своему активному элементу и съюстировано перпендикулярно оси активного элемента. К каждому активному элементу 3 подключен модулятор 6 для формирования импульсов лазерного излучения. Модуляторы 6 и механизмы вращения центрального поворотного зеркала 8 объединены системой синхронизации 10. Модуляторы 6 могут являться модуляторами накачки или модуляторами добротности резонатора. Alternatively, a translucent exit mirror 9 can be located between the rotary mirrors 7 and 8 perpendicular to the axes of the active elements and be solid or composite, consisting of a set of mirrors, each of which corresponds to its active element and aligned perpendicular to the axis of the active element. A modulator 6 is connected to each active element 3 to form laser pulses. Modulators 6 and rotation mechanisms of the central rotary mirror 8 are combined by a synchronization system 10. Modulators 6 can be pump modulators or resonator Q factors.

Предложенный блок генерации излучения многоканальных лазеров работает следующим образом (фиг.1, 2). Активные элементы 3, размещенные в корпусе 1 с помощью фланцев 2, переводятся в рабочий режим, для чего подается высокое напряжение в твердотельных лазерах на лампы накачки, а в газовых лазерах - на электродные системы для возбуждения тлеющего разряда. При этом возбуждение рабочей среды (кристалла или рабочего газа) может происходить как в импульсном режиме так и в непрерывном. Для охлаждения активных элементов 3 через герметичную полость 4 прокачивается охлаждающая жидкость. Лазерное излучение формируется поочередно в каждом активном элементе 3 при отражении излучения от заднего глухого зеркала 5, поочередно от одного из поворотных зеркал 7 и центрального поворотного зеркала 8, а также полупрозрачного выводного зеркала 9. Испускание импульса лазерного излучения из каждого активного элемента 3 осуществляется с помощью модуляторов импульсов 6, включаемых с помощью системы синхронизации 10 в тот момент, когда вращающееся центральное поворотное зеркало 8 образует для данного активного элемента между полупрозрачным выводным зеркалом 9 и задним глухим зеркалом 5 общий оптический тракт. The proposed unit for generating radiation of multichannel lasers works as follows (Fig.1, 2). The active elements 3 placed in the housing 1 by means of flanges 2 are put into operation, for which high voltage is applied in solid-state lasers to pump lamps, and in gas lasers, to electrode systems to excite a glow discharge. In this case, the excitation of the working medium (crystal or working gas) can occur both in a pulsed mode and in a continuous mode. To cool the active elements 3 through the sealed cavity 4, coolant is pumped. Laser radiation is generated alternately in each active element 3 when radiation is reflected from a rear deaf mirror 5, alternately from one of the rotary mirrors 7 and the central rotary mirror 8, as well as a translucent output mirror 9. The laser pulse is emitted from each active element 3 using pulse modulators 6, switched on using the synchronization system 10 at the moment when the rotating central rotary mirror 8 forms for this active element between the translucent The output optic mirror 9 and the rear blind mirror 5 have a common optical path.

Накачка активных элементов может осуществляться в непрерывном режиме, а генерация - в импульсном, что приводит к увеличению энергии импульса и, следовательно, к росту средней выходной мощности. Частота импульсов регулируется количеством активных элементов 3 и скоростью поворотного зеркала 8. The active elements can be pumped in a continuous mode, and generation in a pulsed mode, which leads to an increase in the pulse energy and, consequently, to an increase in the average output power. The pulse frequency is controlled by the number of active elements 3 and the speed of the rotary mirror 8.

Непрерывный режим работы блока генерации достигается при неподвижном центральном поворотном зеркале 8, зафиксированном в положении, когда центральное поворотное зеркало 8 образует между полупрозрачным выводным зеркалом 9 и задним глухим зеркалом 5 общий оптический тракт через один из активных элементов 3 и поворотное зеркало 7. The continuous operation of the generation unit is achieved when the central rotary mirror 8 is fixed, fixed in a position where the central rotary mirror 8 forms a common optical path between the translucent output mirror 9 and the rear deaf mirror 5 through one of the active elements 3 and the rotary mirror 7.

Усовершенствованием предложенной конструкции лазера является вариант, при котором пара поворотных зеркал 7 и 8 закреплены относительно друг друга и синхронно вращается относительно оси лазера, поочередно собирая импульсы излучения со всех активных элементов. An improvement of the proposed laser design is an option in which a pair of rotary mirrors 7 and 8 are fixed relative to each other and rotates synchronously relative to the axis of the laser, alternately collecting radiation pulses from all active elements.

Claims

1. The multichannel laser radiation generation unit, comprising a housing with two end flanges, hermetically inserted into the housing, active elements assembled in a package and located inside the housing along its axis, the ends of the active elements displayed on the outer sides of the flanges through openings, tight a cavity between the inner walls of the casing and the outer walls of the active elements for pumping coolant, an optical resonator including a rear deaf mirror that overlaps the ends of the active cops on one side of the packet, and the front reflective-rotary assembly, characterized in that the active elements are arranged in the packet around the circle at an equal distance from each other, each active element has a modulator for generating pump pulses of the laser medium, the front reflective-rotary assembly is made in the form of a system of rotary mirrors at the output ends of the active elements located at an angle of 45 ^o to their axis and outputting laser radiation perpendicular to the axis of the packet, a central rotary mirror located at At an angle of 45 ^o on the axis of the packet at the point of intersection of the laser radiation and the packet rotating around the axis of the packet, as well as a semitransparent output mirror of the optical resonator mounted perpendicular to the laser radiation directed from the central rotary mirror, and in addition, there is a synchronization system rotation of the central rotary mirror and pulse modulators.

2. The block according to claim 1, characterized in that the translucent mirror is located on the axis of the packet of active elements on the opposite side of them relative to the system of rotary mirrors.

3. The block according to claim 1, characterized in that the translucent output mirror is located on the side of the active elements relative to the system of rotary mirrors.

4. The block according to claim 3, characterized in that the translucent output mirror may consist of a system of translucent mirrors, each corresponding to its active element and aligned perpendicular to the axis of this active element.

5. The block according to claims 3 and 4, characterized in that the rear deaf mirror may consist of a system of rear deaf mirrors aligned perpendicular to the axis of the corresponding active element.

6. The block according to paragraphs. 1 - 5, characterized in that the system of rotary mirrors consists of one rotary mirror rigidly connected to the Central rotary mirror and rotates with it synchronously, alternately collecting radiation pulses from all the active elements that make up the laser.

7. The block according to claims 1 to 6, characterized in that the active element is a solid-state active element, in particular a rod made of a crystal of aluminum-yttrium garnet with neodymium or glass with neodymium, and the pump source is a gas-filled lamp operating in a pulsed mode.

8. The block according to claim 1 - 6, characterized in that a glass gas discharge tube filled with a mixture of CO ₂ , N ₂ and He gases and excited by a glow discharge in this gas is used as the active element.

9. The block of claim 8, characterized in that in each glass gas discharge tube, the radiation propagates substantially in the waveguide mode.