RU2113044C1

RU2113044C1 - Controlled-polarization laser

Info

Publication number: RU2113044C1
Application number: RU97109179A
Authority: RU
Inventors: А.М. Забелин
Original assignee: Акционерное общество закрытого типа "Технолазер"
Priority date: 1997-05-28
Filing date: 1997-05-28
Publication date: 1998-06-10

Abstract

FIELD: laser engineering. SUBSTANCE: to ensure periodic change-over of laser polarization, optical length of cavity should be periodically varied by means of piezoceramic or any other drive. Polarization state is changed over while varying optical length of cavity due to heating, varying pressure and composition of laser mixture during pulse pumping of laser. Passing output laser beam through Brewster's plate yields two pulse-periodic beams shifted in phase through 180 deg. EFFECT: provision for controlling polarization of high-power laser due to satisfying conditions at which switching between orthogonal polarization states of laser is implemented. 6 cl, 5 dwg qn

Description

Изобретение относится к области лазерной техники, а более конкретно к области мощных технологических лазеров. The invention relates to the field of laser technology, and more particularly to the field of powerful technological lasers.

Для таких технологических процессов, как лазерная сварка и резка металлов, большое значение имеет состояние поляризации лазерного излучения. Известно, что ориентация плоскости поляризации падающего на металл излучения вдоль направления реза или вдоль стыка при сварке существенно повышает производительность этих процессов. Наоборот, для фигурной резки по разным направлениям желательно иметь либо деполяризованное излучение, либо излучение с круговой поляризацией, в противном случае лазерная резка будет иметь такие дефекты, как скос кромок, различную ширину реза в разных направлениях, наличие грата, непрорезов и т.д.. For such technological processes as laser welding and metal cutting, the state of polarization of laser radiation is of great importance. It is known that the orientation of the plane of polarization of the radiation incident on the metal along the direction of cut or along the butt during welding significantly increases the productivity of these processes. Conversely, for figured cutting in different directions, it is desirable to have either depolarized radiation or radiation with circular polarization, otherwise laser cutting will have such defects as bevel edges, different cut widths in different directions, the presence of burrs, not cuts, etc. .

Известен лазер, принятый нами за прототип (фиг.1), содержащий активную среду с однородно уширенной линией усиления 6, оптический резонатор, включающий концевые 1, 4 и промежуточные зеркала 2, 3, на которые излучение падает под определенным углом [1]. В этом лазере поляризационное состояние контролируется введением небольшой разности потерь для ортогональных поляризаций при падении излучения на зеркало 5 под углом 45^o. При отражении от зеркала излучение испытывает некоторую трансформацию своего поляризационного состояния. Прежде всего имеет место небольшой фазовый сдвиг между ортогональными составляющими поляризации, ориентированными в плоскости падения излучения и в перпендикулярной ей плоскости Δφ. Этот эффект называется фазовой поляризационной анизотропией при отражении от зеркала. Также существует и амплитудная поляризационная анизотропия, т. е. неравенство амплитуд (интенсивностей) излучения, отраженного от зеркала поляризованных в плоскости и поперек плоскости падения излучения на зеркало ΔA. Поляризационная и фазовая анизотропия растут с увеличением угла падения излучения на зеркало. Обычно фазовая анизатропия составляет несколько градусов, но с помощью нанесения на зеркало тонкопленочных покрытий можно добиться фазовой поляризационной анизотропии 90^o и более. Амплитудная поляризационная анизотропия у непокрытых металлических зеркал составляет 0,001... 0,01 и зависит от вида металла и угла падения. Пленочные покрытия могут как увеличивать, так и уменьшать величину амплитудной поляризационной анизотропии.A known laser, adopted by us for the prototype (Fig. 1), contains an active medium with a uniformly broadened gain line 6, an optical resonator, including end 1, 4 and intermediate mirrors 2, 3, to which the radiation falls at a certain angle [1]. In this laser, the polarization state is controlled by introducing a small loss difference for orthogonal polarizations when radiation is incident on mirror 5 at an angle of 45 ^° . When reflected from a mirror, radiation experiences a certain transformation of its polarization state. First of all, there is a small phase shift between the orthogonal polarization components oriented in the plane of incidence of the radiation and in the plane Δφ perpendicular to it. This effect is called phase polarization anisotropy when reflected from a mirror. There is also amplitude polarization anisotropy, i.e., the inequality of amplitudes (intensities) of radiation reflected from a mirror polarized in the plane and across the plane of radiation incidence on the mirror ΔA. Polarization and phase anisotropy increase with increasing angle of incidence of radiation on the mirror. Typically, the phase anisatropy is several degrees, but by applying thin-film coatings to the mirror, it is possible to achieve a phase polarization anisotropy of 90 ^° or more. The amplitude polarization anisotropy in uncoated metal mirrors is 0.001 ... 0.01 and depends on the type of metal and the angle of incidence. Film coatings can both increase and decrease the amplitude polarization anisotropy.

При наличии в резонаторе нескольких поляризационно-анизотропных зеркал полная анизотропия суммируется. If there are several polarization-anisotropic mirrors in the resonator, the total anisotropy is summed.

Наличие в оптическом резонаторе поляризационно-анизотропных зеркал или других оптических устройств приводит к появлению двух ортогональных поляризационных мод генерации (фиг.2), которые к тому же имеют сдвинутые друг относительно друга собственные частоты резонатора 1, 2, т. е. появляется частотная поляризационная анизотропия. При этом частотный сдвиг между поляризационными модами Δν определяется формулой
Δν = Δφc/π2l.
где l - оптическая длина резонатора.The presence in the optical resonator of polarization-anisotropic mirrors or other optical devices leads to the appearance of two orthogonal polarization generation modes (Fig. 2), which also have resonator frequencies 1, 2 shifted relative to each other, i.e., frequency polarization anisotropy appears . In this case, the frequency shift between the polarization modes Δν is determined by the formula
Δν = Δφc / π2l.
where l is the optical length of the resonator.

При наличии в лазере активной среды с однородно уширенной линией усиления в лазере имеется конкуренция между модами резонатора. Выживает (генерирует) только та мода, у которой больше разность между усилением в активной среде и полными потерями, в том числе и на зеркалах. Если линия усиления достаточно широка, т. е. почти нет зависимости усиления от частоты, то всегда реализуется поляризационная мода, имеющая меньшие потери при отражении от зеркал, т. е. реализуется излучение, поляризованное перпендикулярно плоскости падения излучения на анизотропное зеркало. Именно этот случай имеет место в устройстве, принятом нами за прототип [1]. In the presence of an active medium in the laser with a uniformly broadened gain line in the laser, there is competition between the cavity modes. Only that mode survives (generates), in which the difference between the gain in the active medium and the total loss is greater, including on mirrors. If the gain line is wide enough, i.e., there is almost no dependence of the gain on frequency, then the polarization mode is always realized, which has less loss when reflected from the mirrors, i.e., radiation is realized that is polarized perpendicular to the plane of incidence of the radiation on the anisotropic mirror. It is this case that takes place in the device adopted by us for the prototype [1].

В общем случае, с линией усиления, имеющей конечную ширину, коэффициент усиления g следующим образом зависит от частотного сдвига относительно центра линии 4:

где a - полуширина линии усиления, g₀ - коэффициент усиления в центре линии, ν - ν₀ - сдвиг частоты генерации относительно центра линии усиления.In the general case, with a gain line having a finite width, the gain g as follows depends on the frequency shift relative to the center of line 4:

where a is the half-width of the gain line, g ₀ is the gain in the center of the line, ν - ν ₀ is the shift of the generation frequency relative to the center of the gain line.

Условие, при котором генерируется только одна мода, будет выглядеть следующим образом

Противоположное неравенство будет определять область, в которой возможна генерация либо одной, либо другой моды поочередно в зависимости от того, для какой моды больше разность между усилением и потерями.The condition under which only one mode is generated will look as follows

The opposite inequality will determine the region in which it is possible to generate either one or another mode in turn, depending on for which mode the difference between gain and loss is greater.

Однако устройство-прототип имеет существенные недостатки. Во-первых, необходимо введение дополнительного зеркала, расположенного под углом 45^o к оси резонатора, во-вторых, для получения круговой поляризации необходимо наличие четвертьволнового зеркала, которое обычно изготавливается методом многослойного вакуумного напыления пленочного покрытия на отражающую поверхность зеркала. При высоких лучевых нагрузках такое зеркало разрушается.However, the prototype device has significant disadvantages. Firstly, it is necessary to introduce an additional mirror located at an angle of 45 ^° to the axis of the resonator, and secondly, to obtain circular polarization, a quarter-wave mirror is required, which is usually produced by the method of multilayer vacuum spraying of a film coating on a reflective surface of a mirror. At high radiation loads, such a mirror is destroyed.

Задачей изобретения является повышение надежности лазера на больших уровнях мощности и упрощение его конструкции. The objective of the invention is to increase the reliability of the laser at high power levels and simplify its design.

Для этого, согласно изобретению, амплитудную анизотропию резонатора выбирают достаточно малой, так чтобы выполнялось неравенство

при этом нет необходимости использовать зеркала, ориентированные под большим углом к оси резонатора. Использование же в качестве промежуточных зеркал резонатора зеркал с высоким значением фазовой анизотропии возможно. Схема лазера с контролируемой поляризацией, согласно изобретению, изображена на фиг. 3. Зеркала 1 - 4 образуют оптический резонатор, 6 - камера возбуждения, 7 - направление потока активной среды, зеркало 5, расположенное под большим углом к оси пучка, отсутствует. Зеркало 4 расположено на приводе 9. На выходе из лазера излучение частично отражается 14, частично проходит 12 через делитель 10, а затем может пройти через фазовращающие зеркала 13, 14.For this, according to the invention, the amplitude anisotropy of the resonator is chosen sufficiently small so that the inequality

there is no need to use mirrors oriented at a large angle to the axis of the resonator. Using intermediate mirrors with a high value of phase anisotropy as intermediate mirrors is possible. A polarized controlled laser circuit according to the invention is shown in FIG. 3. Mirrors 1–4 form an optical resonator, 6 — an excitation chamber, 7 — direction of flow of the active medium, mirror 5, located at a large angle to the beam axis, is absent. Mirror 4 is located on the drive 9. At the exit from the laser, the radiation is partially reflected 14, partially passes 12 through the divider 10, and then can pass through the phase-shifting

mirrors

13, 14.

В качестве примера 1 рассмотрим CO₂ лазер ТЛ5М [2], при давлении активной среды 50 Тор, в нем ширина линии a ≈ 300 МГц, при длине резонатора l = 7,5 м условие (^*) преобразуется

что является легко реализуемо на практике.As an example 1, let us consider a TL5M CO ₂ laser [2], with an active medium pressure of 50 Torr, the line width a ≈ 300 MHz in it, and condition ( ^* ) is transformed with a cavity length l = 7.5 m

which is easy to put into practice.

В случае, когда по каким-то причинам изменяется длина резонатора, происходит одновременное смещение и собственных частот резонатора соответственно изменения соотношения между усилением для разных поляризационных мод. В результате этого происходит переключение генерации то на одну, то на другую поляризационную моду. In the case when, for some reason, the cavity length changes, the resonator eigenfrequencies are simultaneously shifted, respectively, and the relationship between the amplification changes for different polarization modes. As a result of this, the generation is switched to one or the other polarization mode.

На фиг. 4 изображена зависимость выходной мощности CO₂ лазера, рассмотренного в примере 1, измерения датчиком мощности, чувствительного к поляризации излучения от времени. В отсутствие внешнего воздействия происходят хаотические переключения из состояния с плоскостью поляризации вдоль и поперек плоскости, образованной каустикой резонатора при ее отражении от промежуточных зеркал.In FIG. 4 shows the dependence of the output power of a CO ₂ laser, considered in Example 1, of measuring a sensor sensitive to radiation polarization versus time. In the absence of external action, chaotic transitions occur from a state with a plane of polarization along and across the plane formed by the caustic of the resonator when it is reflected from intermediate mirrors.

Такое излучение при достаточно высокой частоте переключений можно использовать как деполяризованное излучение, что важно, например, для качественной лазерной резки. Such radiation at a sufficiently high switching frequency can be used as depolarized radiation, which is important, for example, for high-quality laser cutting.

Изменение оптической длины резонатора можно осуществлять разными способами. Во-первых, с помощью механического привода 9 (фиг.3). Изменение длины резонатора на половину длины волны приводит к смещению частоты резонатора на величину

, что приводит по крайней мере к однократному переключению поляризаций, следовательно частота переключений описывается формулой

, где V - скорость изменения длины резонатора, λ - длина волны излучения, т.е. 1 м/с соответствует частота переключений 100 кГц.Changing the optical length of the resonator can be done in different ways. Firstly, using a mechanical drive 9 (Fig.3). Changing the cavity length by half the wavelength leads to a shift in the resonator frequency by

, which leads to at least a single switching of polarizations, therefore, the switching frequency is described by the formula

where V is the rate of change of the cavity length, λ is the radiation wavelength, i.e. 1 m / s corresponds to a switching frequency of 100 kHz.

Во-вторых, это может быть пьезоэлектрический или магнитнострикционный привод. Secondly, it can be a piezoelectric or magnetostrictive drive.

В-третьих, это может быть зеркало с переменной кривизной, например, на основе биморфной керамики. Thirdly, it can be a mirror with variable curvature, for example, based on bimorph ceramic.

В-четвертых, оптическая длина резонатора может изменяться при изменении показателя преломления активной среды за счет изменения давления, состава или температуры активной среды. В частности, такой разогрев среды происходит при модуляции накачки активной среды. Fourth, the optical length of the resonator can change with a change in the refractive index of the active medium due to a change in pressure, composition, or temperature of the active medium. In particular, such a heating of the medium occurs upon modulation of the pumping of the active medium.

На фиг. 5 изображена зависимость от времени выходной мощности лазера, работающего в импульсно-периодическом режиме по накачке. Штрихпунктирная линия 2 показывает зависимость полной выходной мощности лазера от времени, а сплошная линия 1 показывает зависимость выходной мощности, измеренной поляризационно-чувствительным датчиком мощности. Плоскость максимальной чувствительности датчика была перпендикулярна плоскости, в которой расположен многопроходный резонатор. При переключении поляризации во времени на ортогональную поляризацию, для которой датчик имеет меньшую чувствительность, на осциллограмме видны провалы, в результате из одного импульса получается несколько. Причина режима переключения при импульсной накачке состоит в том, что из-за импульсного разогрева среды происходит изменение оптической длины резонатора и, вследствие этого, частота продольной моды резонатора сканирует относительно линии усиления активной среды, при этом переходя из частотного диапазона, в котором генерирует только поляризационная мода с вектором поляризации, перпендикулярно плоскости резонатора, в частотный диапазон, в котором генерирует только ортогональная поляризованная мода. In FIG. Figure 5 shows the time dependence of the output power of a laser operating in a pulse-periodic pumped mode. The dashed-dotted line 2 shows the time dependence of the total laser output power, and the solid line 1 shows the dependence of the output power measured by a polarization-sensitive power sensor. The plane of maximum sensitivity of the sensor was perpendicular to the plane in which the multipass cavity was located. When switching the polarization in time to orthogonal polarization, for which the sensor has a lower sensitivity, dips are visible on the waveform, resulting in several from one pulse. The reason for the switching mode during pulsed pumping is that due to the pulsed heating of the medium, the optical length of the resonator changes and, as a result, the frequency of the longitudinal mode of the resonator scans relative to the gain line of the active medium, while changing from the frequency range in which only the polarization mode with a polarization vector perpendicular to the plane of the resonator, in the frequency range in which only the orthogonal polarized mode generates.

Размещение на выходе лазера делителя излучения 10 (фиг.3), представляющего собой прозрачную пластину, установленную под углом Брюстера к выходному излучению, приводит к тому, что излучение делится на два импульсно-периодических во времени луча, сдвинутых по фазе на 180^o и поляризованных взаимно перпендикулярно 11 и 12. Эти два линейно поляризованных пучка можно пропустить через четвертьволновое устройство (зеркало со специальным многослойным покрытием) 13, 14, в результате чего получается два пучка с круговой поляризацией.The placement at the laser output of the radiation divider 10 (figure 3), which is a transparent plate mounted at a Brewster angle to the output radiation, leads to the fact that the radiation is divided into two pulse-periodic beams in time, phase shifted by 180 ^o and polarized mutually perpendicular to 11 and 12. These two linearly polarized beams can be passed through a quarter-wave device (mirror with a special multilayer coating) 13, 14, resulting in two beams with circular polarization.

Такое излучение удобно использовать, например, для двухлучевой лазерной резки. Such radiation is conveniently used, for example, for double-beam laser cutting.

Claims

1. A laser with controlled polarization, containing an active medium with a uniformly broadened gain line, an optical cavity, including end and intermediate mirrors, characterized in that the phase Δφ and amplitude polarization anisotropy of the cavity ΔA, its length l and the gain line width a of the active medium satisfy the inequality

the length of the resonator periodically changing.

2. The laser according to claim 1, characterized in that the metal intermediate mirrors of the resonator are coated with dielectric coatings that increase the phase polarization anisotropy.

3. The laser according to claims 1 and 2, characterized in that at the exit from the laser there is a beam splitter, which is a plate transparent to laser radiation, located at a Brewster angle to the beam.

4. The laser according to claims 1 to 3, characterized in that the cavity length is periodically changed using a piezoceramic or magnetostrictive drive.

5. The laser according to claims 1 to 3, characterized in that the optical length of the resonator varies due to periodic bending of the surface of the end or intermediate mirrors with controlled curvature.

6. The laser according to claims 1 to 3, characterized in that the optical length of the resonator is changed by modulating the pressure or temperature of the active medium, including when modulating the pumping of the active medium of the laser.