RU2429554C1 - Method of pulse oscillation of emission of slot-type gas laser and device for its implementation - Google Patents

Method of pulse oscillation of emission of slot-type gas laser and device for its implementation Download PDF

Info

Publication number
RU2429554C1
RU2429554C1 RU2010105943/28A RU2010105943A RU2429554C1 RU 2429554 C1 RU2429554 C1 RU 2429554C1 RU 2010105943/28 A RU2010105943/28 A RU 2010105943/28A RU 2010105943 A RU2010105943 A RU 2010105943A RU 2429554 C1 RU2429554 C1 RU 2429554C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
resonator
radiation
laser
emission
slot
Prior art date
Application number
RU2010105943/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Иванович Дутов (RU)
Александр Иванович Дутов
Андрей Юрьевич Родионов (RU)
Андрей Юрьевич Родионов
Александр Александрович Соколов (RU)
Александр Александрович Соколов
Original Assignee
Закрытое Акционерное Общество "РЛС"
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 Закрытое Акционерное Общество "РЛС" filed Critical Закрытое Акционерное Общество "РЛС"
Priority to RU2010105943/28A priority Critical patent/RU2429554C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2429554C1 publication Critical patent/RU2429554C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Lasers (AREA)

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: emission from slot-type discharge gap of laser is directed to one of resonator mirrors through additional passive optic forwarding section. At that, pulse generation of emission is performed by periodic interlocking of resonator emission amplification in this passive section. Device for implementation of the above method includes tight chamber filled with active gaseous medium and having an emission outlet opening and optic resonator with output mirror. Two opposite lying extended metal electrodes connected to HF generator and forming a slot-type discharge gap are installed in the chamber. Optic resonator is equipped with external passive section - optic retranslator with possibility of retranslation of distribution of intensity and phase of light beam in plane of edges of electrodes on plane of output resonator mirror installed outside the chamber, and with emission modulator installed on passive section.
EFFECT: providing the possibility of modulated change of losses in resonator of slot-type laser.
5 cl, 3 dwg

Description

Группа изобретений относится к области квантовой электроники и может быть использована при создании газовых лазеров с высокочастотным возбуждением активной среды и высоким уровнем мощности импульсной генерации излучения, применяемых для технологической обработки материалов с особыми свойствами, например, цветных металлов и хрупких материалов.The group of inventions relates to the field of quantum electronics and can be used to create gas lasers with high-frequency excitation of an active medium and a high level of pulsed radiation generation, used for technological processing of materials with special properties, for example, non-ferrous metals and brittle materials.

Известны щелевые CO2 лазеры (US5048048 (A), H01S 3/03, 1991-09-10; ЕР0275023 (A1), H01S 3/03,1988-07-20: US5131003, H01S 3/097, 1992-07-14), в состав которых входят пара подключенных к ВЧ-генератору протяженных металлических электродов, образующих щелевой разрядный промежуток с активной средой, и зеркала резонатора, установленные вблизи торцов электродов разрядного промежутка. Характерные размеры разрядного промежутка: высота зазора 1.5-2 мм, а ширина в десятки раз больше. В щелевом разрядном промежутке возбуждается поперечный высокочастотный (ВЧ) разряд и излучение распространяется, как в планарном волноводе вдоль электродов и свободно - в боковом направлении. Комбинация волноводного и неволноводного распространения излучения позволяет реализовать высокие плотности мощности накачки активной среды и, соответственно, получить высокие уровни мощности генерации излучения.Slit CO 2 lasers are known (US5048048 (A), H01S 3/03, 1991-09-10; EP0275023 (A1), H01S 3 / 03.1988-07-20: US5131003, H01S 3/097, 1992-07-14 ), which include a pair of extended metal electrodes connected to the RF generator, forming a gap discharge gap with the active medium, and resonator mirrors installed near the ends of the discharge gap electrodes. Typical dimensions of the discharge gap: the height of the gap is 1.5-2 mm, and the width is tens of times larger. A transverse high-frequency (HF) discharge is excited in the slit discharge gap and the radiation propagates, as in a planar waveguide along the electrodes and freely in the lateral direction. The combination of waveguide and non-waveguide radiation propagation allows one to realize high pump power densities of the active medium and, accordingly, to obtain high levels of radiation generation power.

В известных щелевых СО2 лазерах реализуются два режима возбуждения газовой активной среды и, соответственно, два режима генерации излучения: непрерывный и импульсно-периодический. В непрерывном режиме мощность излучения отпаянных СО2 лазеров в зависимости от объема активной среды составляет от 100 до 500 Вт. В импульсно-периодическом режиме при модуляции ВЧ-напряжения на разряде (см., например, US 5131003, H01S 3/097, 1992-07-14; JP 7226556 (A), H01S 3/097, 1995-08-22) получают импульсы с длительностью от 30 мкс и более с пиковой мощностью излучения, превышающей среднюю мощность в 2-2,5 раза.In known slotted CO 2 lasers, two modes of excitation of a gaseous active medium and, accordingly, two modes of radiation generation are realized: continuous and pulse-periodic. In continuous mode, the radiation power of sealed off CO 2 lasers, depending on the volume of the active medium, is from 100 to 500 watts. In the pulse-periodic mode when modulating the RF voltage at the discharge (see, for example, US 5131003, H01S 3/097, 1992-07-14; JP 7226556 (A), H01S 3/097, 1995-08-22) receive pulses with a duration of 30 μs or more with a peak radiation power exceeding the average power by 2-2.5 times.

Максимальная частота следования импульсов при 100% глубине модуляции света в отпаянных щелевых С02 лазерах находится в диапазоне до 10 кГц. Это связано с кинетическими процессами развития импульса в активной среде при типичных давлениях газа 50-80 Торр и типичных уровнях накачки 20-60 Вт/см3. При более высоких частотах следования импульсов накачки глубина модуляции уменьшается вследствие больших времен (50-70 мкс) нарастания и спада импульсов генерации (см., например, "Slab waveguide RF-excited СO2 laser for material processing", A.I.Dutov, N.A.Novoselov, V.N.Sokolov, A.A.Kuleshov, Proc.SPIE, vol.2713, pp.51-57, 1995).The maximum pulse repetition rate at a 100% depth of light modulation in sealed-off C0 2 slit lasers is in the range up to 10 kHz. This is due to the kinetic processes of pulse development in the active medium at typical gas pressures of 50-80 Torr and typical pump levels of 20-60 W / cm 3 . At higher frequencies the pump pulse repetition modulation depth decreases due to long times (50-70 microseconds) rise and fall pulse generation (see., E.g., "Slab waveguide RF-excited CO2 laser for material processing", AIDutov, NANovoselov, VNSokolov, AAKuleshov, Proc.SPIE, vol. 2713, pp. 51-57, 1995).

Увеличение импульсной мощности генерации в щелевых СО2 лазерах может быть достигнуто при увеличении давления газа до 150-200 Торр и многократным увеличением плотности мощности накачки. Например, в работе "Коэффициент усиления активной среды и параметры генерации щелевого СО2 лазера с высокой импульсной мощностью", А.И.Дутов, А.А.Кулешов, Н.А.Новоселов, Н.Л.Орлов, А.А.Соколов, С.А.Мотовилов, Изв.АН, сер.физ., том 66, №8, стр.1179-1181, (2002), сообщается о получении пиковой мощности генерации до 4-5 кВт при длительности импульсов 20-50 мкс в лазере, работающем на частоте повторения импульсов до 600 Гц. Аналогичные параметры генерации приведены и в работе F.Villarreal, P.R.Murray, H.J.Baker, G.A.J.Markillie, R.J.Ramirez, Q.Cao, D.R.Hall, "High peak power CO2 planar waveguide lasers for direct high resolution machining",Proc. SPIE, vol.4184, pp.258-261, (2001), где предельная частота следования импульсов без снижения амплитудной мощности составила 1 кГц. В обеих работах частота повторения импульсов была ограничена влиянием акустических волн плотности, которые развиваются в активной среде при импульсно-периодическом вкладе с высокими удельными плотностями накачки (300-800 Вт/см3).An increase in the pulsed lasing power in slotted CO 2 lasers can be achieved by increasing the gas pressure to 150–200 Torr and by a multiple increase in the pump power density. For example, in the work “The gain of the active medium and the generation parameters of a slit CO 2 laser with high pulsed power”, A.I. Dutov, A.A. Kuleshov, N.A. Novoselov, N.L. Orlov, A.A. Sokolov, S.A. Motovilov, Izv.AN, ser.phys., Vol. 66, No. 8, pp. 1179-1181, (2002), it is reported that a peak generation power of up to 4-5 kW with a pulse duration of 20-50 μs in a laser operating at a pulse repetition rate of up to 600 Hz. Similar generation parameters are given by F.Villarreal, PRMurray, HJBaker, GAJMarkillie, RJRamirez, Q. Cao, DRHall, "High peak power CO 2 planar waveguide lasers for direct high resolution machining", Proc. SPIE, vol. 4184, pp. 258-261, (2001), where the maximum pulse repetition rate without decreasing the amplitude power was 1 kHz. In both studies, the pulse repetition rate was limited by the influence of acoustic density waves, which develop in the active medium with a pulse-periodic contribution with high specific pump densities (300-800 W / cm 3 ).

Известен способ импульсной генерации излучения газового лазера щелевого типа, осуществляемый в известном газовом СО2 лазере щелевого типа (US 5131003; H01S 3/097; 1992-07-14), который по совокупности существенных признаков является наиболее близким аналогом заявляемого лазера.A known method of pulsed generation of radiation of a gas laser of a slit type, carried out in a known gas CO 2 laser of a slit type (US 5131003; H01S 3/097; 1992-07-14), which, by the combination of essential features, is the closest analogue of the claimed laser.

Известный газовый лазер содержит заполненную активной газовой средой герметичную камеру с окном для вывода излучения, установленные в камере и подключенные к ВЧ-генератору два противолежащих протяженных металлических электрода, образующих между ними щелевой разрядный промежуток, и оптический резонатор с выводным зеркалом.The known gas laser contains a sealed chamber filled with active gas medium with a window for outputting radiation, installed in the chamber and connected to the RF generator two opposite extended metal electrodes forming a gap between them, and an optical resonator with an output mirror.

При осуществлении известного способа на электроды известного лазера от ВЧ-генератора подают напряжение возбуждения в виде импульса с заданной частотой, в результате чего возникает импульсный разряд. Протекание импульсов разряда обеспечивает создание кратковременной инверсии населенности энергетических уровней в находящейся в разрядном промежутке активной газовой среде. Вынужденное периодическое испускание излучения частицами газовой среды в пределах оптического резонатора при их переходе из возбужденного в основное состояние приводит к модуляции лазерного излучения на соответствующей длине волны.When implementing the known method, the excitation voltage is applied to the electrodes of a known laser from an RF generator in the form of a pulse with a given frequency, resulting in a pulse discharge. The flow of discharge pulses ensures the creation of a short-term inversion of the population of energy levels in the active gas medium located in the discharge gap. Forced periodic emission of particles by the gas medium within the optical cavity during their transition from the excited to the ground state modulates the laser radiation at the corresponding wavelength.

Известный способ, осуществляемый в известных щелевых СО2 лазерах не позволяет реализовать одновременно высокие импульсные мощности света и высокие частоты повторения импульсов при 100% глубине модуляции. Максимальные пиковые мощности составляют у этих лазеров всего несколько киловатт, в то время как для технологических применений (например, для обработки цветных металлов, а также хрупких материалов) требуются пиковые мощности в десятки киловатт и более.The known method implemented in known slotted CO 2 lasers does not allow to realize simultaneously high pulsed light powers and high pulse repetition frequencies at 100% modulation depth. The maximum peak powers of these lasers are only a few kilowatts, while for technological applications (for example, for processing non-ferrous metals, as well as brittle materials), peak powers of tens of kilowatts and more are required.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа импульсной генерации излучения, осуществляемым известным устройством, относятся нарушение однородности активной среды в режиме мощной импульсной накачки и неустойчивость газового разряда.The reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using the known method of pulsed radiation generation by a known device include violation of the homogeneity of the active medium in the regime of high-power pulsed pumping and instability of a gas discharge.

Известно, что при укорочении длительности лазерного импульса повышается эффективность взаимодействия излучения с веществом за счет уменьшения порогов плавления и испарения облучаемого материала, зависящих от его теплопроводности, плотности, теплоемкости и др. свойств. Уменьшение длительности импульса от 1 миллисекунды до 100 не позволяет понизить порог испарения металла в 100-300 раз (см. "Лазерные технологии в микроэлектронике". В.П.Вейко, С.М.Метев. Изд. Болгарской АН, София, 1991).It is known that when shortening the duration of a laser pulse, the efficiency of the interaction of radiation with matter increases due to a decrease in the melting thresholds and evaporation of the irradiated material, which depend on its thermal conductivity, density, heat capacity, and other properties. Reducing the pulse duration from 1 millisecond to 100 does not allow to lower the threshold for metal evaporation by 100-300 times (see "Laser Technologies in Microelectronics". V.P. Veiko, S.M. Metev. Publishing House of the Bulgarian Academy of Sciences, Sofia, 1991) .

Эффективным методом укорочения длительности импульса в лазерах и повышения пиковой мощности является метод модуляции добротности резонатора. Для любой резонансной системы добротность определяется как отношение запасенной энергии в системе к энергии, теряемой за один цикл колебаний, т.е. высокая добротность резонатора лазера означает, что резонансная система имеет малые потери (см. О.Звелто. "Принципы лазеров". М.: Мир, 1990).An effective method of shortening the pulse duration in lasers and increasing the peak power is the method of modulating the quality factor of the resonator. For any resonant system, the quality factor is defined as the ratio of the stored energy in the system to the energy lost in one oscillation cycle, i.e. the high quality factor of the laser cavity means that the resonant system has low losses (see O. Zvelto. "Principles of Lasers". M: Mir, 1990).

Если в оптическом тракте резонатора с помощью затвора блокируют усиление излучения, то генерация возникнуть не может. В этом случае инверсия населенностей может достичь значения, которое намного превышает пороговое, имеющее место в отсутствие затвора. Закрытое состояние затвора эквивалентно появлению в резонаторе лазера очень больших потерь. Если теперь резко открыть затвор, то усиление в лазере существенно превысит потери и накопленная энергия выделится в виде короткого и интенсивного импульса излучения.If radiation amplification is blocked in the optical path of the resonator with a shutter, then lasing cannot occur. In this case, the population inversion can reach a value that far exceeds the threshold that occurs in the absence of a shutter. The closed state of the shutter is equivalent to the appearance of very large losses in the laser cavity. If the shutter is now opened sharply, the gain in the laser will significantly exceed the losses and the stored energy will be released in the form of a short and intense radiation pulse.

Известен способ импульсной генерации излучения газового СО2 лазера (High power repetition rate Q-switch CO2 laser and its application to study the optical breakdown in supersonic air stream", A.N.Malov, A.M.Orishich, V.B.Shulatyev, Proc.SPIE, vol.7131, 7131 IP-1-7 (2009), в котором используют модуляцию лазерного излучения путем периодического блокирования усиления излучения в резонаторе.The known method of pulsed generation of radiation of a gas CO 2 laser (High power repetition rate Q-switch CO 2 laser and its application to study the optical breakdown in supersonic air stream ", ANMalov, AMOrishich, VBShulatyev, Proc.SPIE, vol. 731, 7131 IP -1-7 (2009), which uses the modulation of laser radiation by periodically blocking the amplification of radiation in the cavity.

В известном способе блокирование усиления излучения в резонаторе осуществляют с помощью модулятора в виде вращающегося диска с прорезями.In the known method, the blocking of radiation amplification in the resonator is carried out using a modulator in the form of a rotating disk with slots.

Известный способ был реализован только на базе нещелевого промышленного газового СО2 лазера низкого давления с прокачкой газа. На частотах повторения 30-40 кГц были получены импульсы генерации с амплитудой в диапазоне 50-100 кВт, что расширяет технологические возможности промышленного СО2 лазера, например позволяет резать стекло и цветные металлы.The known method has only been implemented on the basis neschelevogo industrial gas CO 2 laser with low pressure gas flow. At repetition frequencies of 30-40 kHz were obtained laser pulses with an amplitude in the range of 50-100 kW, which expands the technological possibilities of industrial CO 2 laser, such as the ability to cut non-ferrous metals and glass.

Технологические нещелевые лазеры этого типа очень громоздки, расходуют много газовой смеси и малоэффективны, т.к. возбуждаются либо постоянным током, либо переменным током низкой частоты.Technological non-slot lasers of this type are very bulky, consume a lot of gas mixture and are ineffective, because excited either by direct current or by alternating current of low frequency.

Известны также волноводные СО2 лазеры с модуляцией добротности резонатора с использованием электрооптического модулятора (ЭОМ) (См. Precision Microfabrication with Q-Switched CO2 Laser", C.Dunsky and H.Matsumoto, Proc.SPIE, Voi.4830,pp.85-90, (2003), а также "Q-switched cavity dumped CO2 laser for material processing", Kennedy J.T. et al., US Pat.6,697,408; H01S 003/22; 2004-02-24). Волноводные CO2 лазеры имеют круглое или квадратное сечение канала с размерами в диапазоне от 2 до 4 мм, в котором происходит накачка активной среды в газовом разряде.Also known are waveguide CO 2 lasers with Q-switched resonators using an electro-optical modulator (EOM) (See Precision Microfabrication with Q-Switched CO 2 Laser ", C. Dunsky and H. Matsumoto, Proc.SPIE, Voi. 4830, pp. 85 -90, (2003), as well as "Q-switched cavity dumped CO 2 laser for material processing", Kennedy JT et al., US Pat. 6,697,408; H01S 003/22; 2004-02-24). Waveguide CO 2 lasers have a round or square cross-section of the channel with dimensions in the range from 2 to 4 mm, in which the active medium is pumped in a gas discharge.

Излучение распространяется в канале, как в световоде, по обеим координатам. Одно или оба резонаторных зеркала располагаются снаружи и отделены от активной среды окнами Брюстера. ЭОМ находится во внешней оптической схеме и вместе с фазовой пластинкой образует модулятор-затвор для излучения.The radiation propagates in the channel, as in a fiber, along both coordinates. One or both resonator mirrors are located outside and are separated from the active medium by Brewster windows. The EOM is located in the external optical circuit and, together with the phase plate, forms a modulator-gate for radiation.

Известный способ модуляции потерь в резонаторе с помощью ЭОМ не может быть использован в щелевом лазере по двум причинам: во-первых, работоспособность кристалла в ЭОМ ограничивается на уровне 10-15 Вт излучения и, во-вторых, световая апертура или сечение кристалла в ЭОМ слишком мала (от 4×4 мм до 8×8 мм) для установки в резонатор щелевого лазера.The known method for modulating resonator losses using EOM cannot be used in a slit laser for two reasons: firstly, the efficiency of the crystal in the EOM is limited to 10-15 watts of radiation and, secondly, the light aperture or the cross section of the crystal in the EOM is too small (from 4 × 4 mm to 8 × 8 mm) for installation in the cavity of a slit laser.

Механический же модулятор (обтюратор) в качестве затвора применить в резонаторе щелевого лазера не представляется возможным, поскольку световая апертура резонатора у лазеров этого типа слишком велика для того, чтобы осуществить быстрое ("мгновенное") перекрывание света.It is not possible to use a mechanical modulator (shutter) as a shutter in the cavity of a slit laser, since the light aperture of a resonator in lasers of this type is too large to allow fast ("instantaneous") blocking of light.

Из уровня техники не известны способы модуляции добротности резонатора в газовых лазерах щелевого типа.The prior art methods are not known for modulating the Q factor of a resonator in slot-type gas lasers.

Задачей, на решение которой направлена заявляемая группа изобретений, является одновременное повышение мощности и частоты повторения лазерных импульсов СО2 лазеров щелевого типа, в частности получение последовательности мощных лазерных импульсов с пиковой мощностью 5 кВт и более, следующих с высокой частотой повторения, преимущественно в диапазоне 10 кГц и более, при средней мощности излучения лазера от 50 до 500 Вт в отпаянном режиме. Значения указанных параметров зависят от конкретного воплощения прибора, в частности от величины объема активной среды и от конструкции модулятора излучения. Пиковая мощность примерно в 100 раз превосходит среднюю мощность излучения лазера, а частота следования импульсов зависит от числа прорезей на диске и от скорости вращения диска модулятора.The problem to which the claimed group of inventions is directed is to simultaneously increase the power and pulse repetition frequency of CO 2 laser pulses of slot-type lasers, in particular, to obtain a sequence of high-power laser pulses with a peak power of 5 kW or more, followed by a high repetition rate, mainly in the range of 10 kHz and more, with an average laser radiation power of 50 to 500 W in sealed mode. The values of these parameters depend on the specific embodiment of the device, in particular, on the volume of the active medium and on the design of the radiation modulator. The peak power is approximately 100 times higher than the average laser radiation power, and the pulse repetition rate depends on the number of slots on the disk and on the rotation speed of the modulator disk.

Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемой группы изобретений, заключается в обеспечении возможности модулированного с глубиной до 100% изменения потерь в резонаторе лазера щелевого типа.The technical result obtained by the implementation of the claimed group of inventions is to provide the possibility of modulated loss up to 100% loss in the cavity of a slot-type laser.

Указанный технический результат достигается при осуществлении заявляемой группы разнообъектных изобретений, образующих единый творческий замысел и представляющих собой способ и устройство для его осуществления.The specified technical result is achieved by the implementation of the claimed group of diverse inventions that form a single creative concept and constitute a method and device for its implementation.

Указанный технический результат при осуществлении заявляемой группы изобретений достигается тем, что в заявляемом способе импульсной генерации излучения газового лазера щелевого типа излучение из щелевого разрядного промежутка лазера направляют на одно из зеркал резонатора через дополнительный пассивный оптический ретранслирующий участок, а импульсную генерацию излучения осуществляют путем периодического блокирования усиления излучения в резонаторе на этом пассивном участке.The specified technical result in the implementation of the claimed group of inventions is achieved by the fact that in the inventive method of pulsed generation of gas radiation of a slotted gas laser, radiation from the slotted discharge gap of the laser is directed to one of the cavity mirrors through an additional passive optical relay section, and pulsed generation of radiation is carried out by periodically blocking the gain radiation in the resonator in this passive section.

Указанный технический результат при осуществлении заявляемой группы изобретений достигается также тем, что периодическое блокирование усиления излучения в резонаторе осуществляют на пассивном участке в месте перетяжки пучка излучения.The specified technical result in the implementation of the claimed group of inventions is also achieved by the fact that the periodic blocking of radiation amplification in the resonator is carried out on a passive section at the waist of the radiation beam.

Указанный технический результат при осуществлении заявляемого изобретения достигается тем, что в заявляемом щелевом лазере, содержащем заполненную активной газовой средой герметичную камеру с окном для вывода излучения, установленные в камере и подключенные к ВЧ-генератору два противолежащих протяженных металлических электрода, образующих между ними щелевой разрядный промежуток, и оптический резонатор с выводным зеркалом, в отличие от известного лазера, оптический резонатор дополнительно снабжен внешним пассивным участком - оптическим ретранслятором с возможностью ретрансляции распределения интенсивности и фазы пучка излучения в плоскости торца электродов на плоскость установленного вне камеры выводного зеркала резонатора, и модулятором излучения, установленным на пассивном участке.The specified technical result in the implementation of the claimed invention is achieved by the fact that in the inventive slit laser containing a sealed chamber with an active gas medium with a window for outputting radiation, two opposing extended metal electrodes installed in the chamber and connected to the RF generator, forming a gap discharge gap between them , and an optical resonator with an output mirror, in contrast to the known laser, the optical resonator is additionally equipped with an external passive section - optical a repeater with the possibility of relaying the distribution of the intensity and phase of the radiation beam in the plane of the end face of the electrodes to the plane of the output mirror of the resonator mounted outside the camera, and a radiation modulator installed in the passive section.

Указанный технический результат при осуществлении заявляемой группы изобретений достигается также тем, что модулятор излучения установлен на пассивном участке в месте перетяжки пучка излучения.The specified technical result in the implementation of the claimed group of inventions is also achieved by the fact that the radiation modulator is installed on the passive section at the waist of the radiation beam.

Указанный технический результат при осуществлении заявляемой группы изобретений достигается также тем, что оптический ретранслятор выполнен в виде двух софокусных линз, у которого передняя плоскость ретрансляции совмещена с торцами разрядных электродов, а задняя плоскость - с выводным зеркалом резонатора.The specified technical result in the implementation of the claimed group of inventions is also achieved by the fact that the optical repeater is made in the form of two confocal lenses, in which the front plane of the relay is aligned with the ends of the discharge electrodes, and the rear plane is with the output mirror of the resonator.

На фиг.1 изображен заявляемый лазер с резонатором неустойчивого типа отрицательной ветви, у которого ход лучей показан в плоскости волноводной координаты; на фиг.2 показана оптическая схема резонатора щелевого лазера с ходом лучей в плоскости свободной координаты; на фиг.3 - график расчетных зависимостей импульса генерации и потерь резонатора, полученные для резонатора с модуляцией добротности при частоте модуляции 1 кГц.Figure 1 shows the inventive laser with a cavity of an unstable type of negative branch, in which the beam path is shown in the plane of the waveguide coordinate; figure 2 shows the optical diagram of the resonator slit laser with the path of the rays in the plane of the free coordinate; figure 3 is a graph of the calculated dependences of the generation pulse and resonator losses obtained for a resonator with Q-switching at a modulation frequency of 1 kHz.

В заявляемом лазере (фиг.1) в заполненной активной газовой средой (содержащей СО2) герметичной камере 1 с окном 2 для вывода излучения установлены подключенные к ВЧ-генератору 3 два противолежащих протяженных металлических электрода 4 и 5, образующих между ними щелевой разрядный промежуток 6. Оптический резонатор лазера образуют установленное в камере 1 концевое сферическое зеркало 7 и установленное вне камеры 1 выводное сферическое зеркало 8. В резонаторе между плоскостью торцов электродов 4 и 5 и выводным зеркалом 8 установлен внешний оптический ретранслятор 9, состоящий из двух софокусных положительных линз 10 и 11 с фокусными расстояниями f10 и f11.In the inventive laser (figure 1) in an airtight chamber 1 filled with active gas (containing CO 2 ) with a window 2 for radiation output, two opposite extended metal electrodes 4 and 5 are connected to the RF generator, forming a gap discharge gap 6 between them The optical laser cavity forms an end spherical mirror 7 installed in the chamber 1 and an output spherical mirror 8 installed outside the chamber 1. An external optical lens is installed in the cavity between the plane of the ends of the electrodes 4 and 5 and the output mirror 8 Sky repeater 9, consisting of two confocal positive lenses 10 and 11 with focal lengths f 10 and f 11 .

Передняя и задняя фокальные плоскости I и II ретранслятора 9 (фиг.2) совмещены соответственно с плоскостью торцов электродов 4 и 5 и выводным зеркалом 8 для обеспечения ретрансляции поля излучения (т.е. для воспроизведения по амплитуде и фазе) из плоскости I в плоскость II и обратно с точностью до полосы пропускания ретранслятора 9. Таким образом, участок между плоскостями I и II обладает нулевой эффективной длиной и полностью сохраняет структуру моды резонатора, его потери и чувствительность к аберрациям, то есть является пассивным участком в оптической схеме.The front and rear focal planes I and II of the relay 9 (figure 2) are aligned with the plane of the ends of the electrodes 4 and 5 and the output mirror 8, respectively, to ensure the relaying of the radiation field (i.e. for reproduction in amplitude and phase) from plane I to plane II and vice versa up to the passband of the repeater 9. Thus, the section between the planes I and II has a zero effective length and fully preserves the structure of the resonator mode, its loss and sensitivity to aberrations, that is, it is a passive section in opt cal scheme.

На пассивном участке (в ретрансляторе 9) между линзами 10 и 11, предпочтительно в месте перетяжки пучка излучения, установлен механический обтюратор 12 в виде диска с прорезями по периферии.On the passive section (in the repeater 9) between the lenses 10 and 11, preferably in the place of the waist of the radiation beam, there is a mechanical shutter 12 in the form of a disk with slots around the periphery.

Заявляемый способ импульсной генерации излучения газового лазера щелевого типа осуществляется в заявленном лазере следующим образом.The inventive method of pulsed generation of radiation of a gas laser slit type is carried out in the claimed laser as follows.

ВЧ-генератор 3 в непрерывном режиме подает напряжение на электроды 4 и 5 и возбуждает активную среду в разрядном промежутке 6. Протекание тока между протяженными металлическими электродами 4 и 5 обеспечивает создание инверсной населенности энергетических уровней молекул СО2 в газовой активной среде, находящихся в промежутке 6. В исходном состоянии генерация возникнуть не может, поскольку в оптическом тракте резонатора диск обтюратора 12 перекрывает световую апертуру в месте перетяжки, т.е. блокирует усиление. При этом инверсия населенностей накапливается и может достичь высокого уровня, который намного превышает пороговое значение. Если прорезь на диске открывает поток излучения при повороте диска обтюратора 12, реализуется другое состояние лазера, при котором усиление в активной среде существенно превышает потери, и на короткое время t', определяемое скоростью вращения обтюратора 12 и сечением перетяжки пучка излучения, образованной в ретрансляторе 9 софокусными линзами 10 и 11, устанавливается поле излучения (мода). Накопленная в активной среде энергия выделяется в виде короткого и интенсивного импульса. Время t' определяется скоростью вращения обтюратора 12 и сечением перетяжки пучка излучения, образованной в ретрансляторе 9 софокусными линзами 10 и 11. Для минимизации оптических потерь в резонаторе и сохранения модовой структуры излучения плоскость выводного зеркала II и плоскость торцов разрядных электродов I сопряжены с помощью оптического ретранслятора 9, образованного линзами 10 и 11.The RF generator 3 continuously supplies voltage to the electrodes 4 and 5 and excites the active medium in the discharge gap 6. The flow of current between the extended metal electrodes 4 and 5 creates an inverse population of the energy levels of CO 2 molecules in the gas active medium located in the gap 6 . In the initial state, generation cannot occur, since in the optical path of the resonator the disk of the shutter 12 overlaps the light aperture at the waist, i.e. blocks gain. In this case, the population inversion accumulates and can reach a high level, which far exceeds the threshold value. If the slot on the disk opens the radiation flux when the disk of the obturator 12 is rotated, another laser state is realized in which the gain in the active medium significantly exceeds the losses, and for a short time t ', determined by the rotation speed of the obturator 12 and the cross section of the waist of the radiation beam formed in the repeater 9 with focus lenses 10 and 11, the radiation field (mode) is set. The energy accumulated in the active medium is released in the form of a short and intense pulse. The time t 'is determined by the speed of rotation of the obturator 12 and the cross section of the waist of the radiation beam formed in the repeater 9 by confocal lenses 10 and 11. To minimize optical losses in the resonator and maintain the radiation mode structure, the plane of the output mirror II and the plane of the ends of the discharge electrodes I are conjugated using an optical repeater 9 formed by lenses 10 and 11.

Механический обтюратор 12 в виде диска с прорезями по периферии, расположенный в области перетяжки ретранслятора 9, практически может иметь прорези шириной 0.5-1.0 мм, расстояние между ними в диапазоне 5-20 мм и скорость вращения диска 200-300 оборотов в секунду. Таким образом, может быть обеспечено открывание резонатора на время 1-10 мкс, в течение которого и осуществляется импульсный режим генерации лазера. При этом реализуется пиковая мощность излучения в десятки киловатт, длительность в пичке по полувысоте 40-500 нс, а длительность "хвоста" импульса в диапазоне от 2 до 10 мкс.A mechanical obturator 12 in the form of a disk with peripheral slots located in the region of the repeater 9 waist can practically have slots 0.5-1.0 mm wide, the distance between them is in the range of 5-20 mm and the disk rotation speed is 200-300 rpm. Thus, the cavity can be opened for a time of 1-10 μs, during which the pulsed mode of laser generation is carried out. In this case, the peak radiation power of tens of kilowatts is realized, the duration in the peak at half maximum is 40-500 ns, and the duration of the "tail" of the pulse is in the range from 2 to 10 μs.

Оптическая схема ретранслятора для неустойчивого типа лазерного резонатора в сочетании с прерывателем излучения - модулятором оптических потерь - была использована при расчетах энергии, длительности и формы импульсов генерации методом компьютерного моделирования. На фиг.3 представлены графики результатов расчетов для активной среды щелевого лазера с размерами 2×60×600 (мм), давлением газа 70 Торр и плотностью мощности ВЧ-накачки в разряде 40 Вт/см3, полученные для неустойчивого резонатора с модуляцией добротности при частоте модуляции 1 кГц.The optical circuit of the repeater for an unstable type of laser resonator in combination with a radiation chopper - an optical loss modulator - was used in calculating the energy, duration and shape of the generation pulses by computer simulation. Figure 3 presents graphs of calculation results for an active medium of a slit laser with dimensions of 2 × 60 × 600 (mm), a gas pressure of 70 Torr, and an RF pump power density in the discharge of 40 W / cm 3 obtained for an unstable Q-switched resonator at modulation frequency 1 kHz.

Для неустойчивого резонатора с увеличением М=1.2 получена пиковая мощность 20 кВт, а энергия в импульсе - 9 мДж. Результаты расчетов подтверждают возможность осуществления заявляемого изобретения, достижения указанного технического результата и решения поставленной задачи.For an unstable resonator with an increase in M = 1.2, a peak power of 20 kW was obtained, and the energy in the pulse was 9 mJ. The calculation results confirm the possibility of implementing the claimed invention, achieving the specified technical result and solving the problem.

Claims (5)

1. Способ импульсной генерации излучения газового лазера щелевого типа, характеризующийся тем, что излучение из щелевого разрядного промежутка лазера направляют на одно из зеркал резонатора через дополнительный пассивный оптический ретранслирующий участок, а импульсную генерацию излучения осуществляют путем периодического блокирования усиления излучения в резонаторе на этом пассивном участке.1. A method of pulsed generation of radiation of a slot-type gas laser, characterized in that the radiation from the slotted discharge gap of the laser is directed to one of the resonator mirrors through an additional passive optical relay section, and the pulsed generation of radiation is carried out by periodically blocking radiation amplification in the resonator in this passive section . 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что периодическое блокирование усиления излучения в резонаторе осуществляют на пассивном участке в месте перетяжки пучка излучения.2. The method according to claim 1, characterized in that the periodic blocking of radiation amplification in the resonator is carried out on a passive section at the waist of the radiation beam. 3. Газовый лазер щелевого типа, содержащий заполненную активной газовой средой герметичную камеру с окном для вывода излучения, установленные в камере и подключенные к ВЧ-генератору два противолежащих протяженных металлических электрода, образующих между ними щелевой разрядный промежуток, и оптический резонатор с выводным зеркалом, отличающийся тем, что оптический резонатор дополнительно снабжен внешним пассивным участком - оптическим ретранслятором с возможностью ретрансляции распределения интенсивности и фазы светового пучка в плоскости торцов электродов на плоскость установленного вне камеры выводного зеркала резонатора, и модулятором излучения, установленным на пассивном участке.3. A slit-type gas laser containing a sealed chamber filled with active gas medium with a window for radiation output, two opposite extended metal electrodes installed in the chamber and connected to the RF generator, forming a gap discharge gap between them, and an optical resonator with an output mirror, characterized the fact that the optical resonator is additionally equipped with an external passive section - an optical repeater with the ability to relay the distribution of the intensity and phase of the light beam in the square the bores of the ends of the electrodes on the plane of the output mirror of the resonator mounted outside the camera, and a radiation modulator installed on the passive section. 4. Газовый лазер по п.3, отличающийся тем, что модулятор излучения установлен на пассивном участке в месте перетяжки пучка излучения.4. The gas laser according to claim 3, characterized in that the radiation modulator is mounted on a passive section in the area of the radiation beam waist. 5. Газовый лазер по п.3, отличающийся тем, что в нем оптический ретранслятор выполнен в виде двух софокусных линз, у которого передняя плоскость ретрансляции совмещена с торцом разрядных электродов, а задняя плоскость - с выводным зеркалом резонатора. 5. The gas laser according to claim 3, characterized in that the optical repeater in it is made in the form of two confocal lenses, in which the front plane of the relay is aligned with the end of the discharge electrodes, and the rear plane is with the exit mirror of the resonator.
RU2010105943/28A 2010-02-15 2010-02-15 Method of pulse oscillation of emission of slot-type gas laser and device for its implementation RU2429554C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010105943/28A RU2429554C1 (en) 2010-02-15 2010-02-15 Method of pulse oscillation of emission of slot-type gas laser and device for its implementation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010105943/28A RU2429554C1 (en) 2010-02-15 2010-02-15 Method of pulse oscillation of emission of slot-type gas laser and device for its implementation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2429554C1 true RU2429554C1 (en) 2011-09-20

Family

ID=44758801

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010105943/28A RU2429554C1 (en) 2010-02-15 2010-02-15 Method of pulse oscillation of emission of slot-type gas laser and device for its implementation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2429554C1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11446086B2 (en) Picosecond optical radiation systems and methods of use
JP5155560B2 (en) Laser resistant to internal infrared induced damage
GB2476452A (en) Transverse laser mode switching
Mineev et al. Radio frequency excited planar CO2 and CO lasers
RU2429554C1 (en) Method of pulse oscillation of emission of slot-type gas laser and device for its implementation
Danailov et al. Ultrabroadband laser using prism-based “spatially-dispersive” resonator
CN114725756A (en) Efficient ultrashort mid-infrared pulse system
Zverev et al. Barium nitrate Raman laser for near IR spectral region
Bezrodnyĭ et al. Mechanism of laser Q switching by intracavity stimulated scattering
Forsyth SINGLE‐FREQUENCY OPERATION OF THE ARGON‐ION LASER AT 5145 Å
Büker et al. High-pulse-energy Q-switched Ho3+: YAG laser
Smolski et al. High-energy Q-switched 25mJ Er: YAG and 75mJ Ho: YAG lasers at 1kHz repetition rate
Elder et al. Efficient single-pass resonantly-pumped Ho: YAG laser
Foth Principles of lasers
James Pulsed CO2 laser technology
Evtuhov et al. A continuously pumped repetitively Q-switched ruby laser and applications to frequency-conversion experiments
Ji et al. Comparison of laser performance of electro-optic Q-switched Nd: YAG ceramic/single crystal laser
McClung Jr et al. Operation of a Transverse Mode‐Controlled Hydrogen Stokes Laser Oscillator
Dehn et al. Phase conjugation for improvement of solid state and excimer lasers
RU2239921C1 (en) Laser and method for heterogeneous output of free-running lasing energy of higher transverse wave modes from laser
Peters et al. Long-pulse ArF and F2 excimer lasers
Jang et al. 285 mJ Electro-optically Q-switched Er: YAG Master Oscillator Power Amplifier (MOPA) System with Adjustable Pumping Delay between Flashlamps at 2.94 μm
Panchenko Generation of a high quality short pulse in excimer lasers at use of SBS mirror
WO2023021351A1 (en) Laser apparatus for the emission of ultra-short light pulses at high energy and high repetition frequency and respective optoelectronic device
Borisov et al. Pulse-periodic neodymium laser with wavefront reversal in a stimulated-Brillouin-scattering mirror and with frequency doubling

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20120216