Газоразрядный со2 лазер

Газоразрядный СО₂ лазер относится к области квантовой электроники, а именно к устройству для модуляции излучения газоразрядных отпаянных СО₂ лазеров. Он может быть использован в технологии при резке и термообработке различных материалов, а также в медицине (лазерная хирургия) и метрологии (радиационная фототермия).

Техническим результатом является упрощение модулятора, снижение его стоимости, увеличение срока службы лазера.

Газоразрядный СО₂ лазер, содержащий разрядную трубку, оптический резонатор и управляющий элемент, отличающийся тем, что управляющий элемент выполнен в виде электромагнита, состоящего из набора жестко связанных секций, между которыми имеются воздушные промежутки и каждая из которых состоит из электромагнитной катушки и магнитопровода, при этом разрядная трубка размещена в воздушных зазорах магнитопроводов, причем вектор индукции магнитного поля магнитопроводов перпендикулярен оси разрядной трубки.

Полезная модель относится к области квантовой электроники, а именно к устройству для модуляции излучения газоразрядных отпаянных СО₂ лазеров. Оно может быть использовано в технологии при резке и термообработке различных материалов, а также в медицине (лазерная хирургия) и метрологии (радиационная фототермия).

Известна модуляция СО₂ лазера с помощью электрооптического модулятора (ЭОП) [В.А.Елохин, И.Г.Жданов Методы модуляции излучения СО₃ лазеров. Научное приборостроение, 2003, том 13, 3, с.49-50, [1]]. В состав такого лазера входят разрядная трубка, оптический резонатор, поляризатор; ЭОМ и блок питания ЭОМ. Действие затворов этого типа основано на электрооптическом эффекте, называемом эффектом Поккельса. При приложении к ячейке напряжения в ней возникает двойное лучепреломление. При соответствующем напряжении происходит изменение поляризации излучения на некоторый угол, что приводит к дополнительным потерям и срыву генерации. Недостатками таких модуляторов является: а) сильная чувствительность к повреждениям; б) маленькая лучевая стойкость; в) высокое напряжение управление ОЭМ.

Известна модуляция СО₂ лазера с частотно-импульсной модуляцией излучения, управляемой по разрядному току [1, с.46-48]. Такой СО₂ лазер состоит из разрядной трубки, оптического резонатора и управляющего элемента, обеспечивающего формирования импульсов разрядного тока определенной длительности и частоты. Модуляция осуществляется за счет зависимости мощности излучения лазера от разрядного тока. Такое устройство лазера имеет ряд недостатков: а) управляющий элемент является высоковольтным, т.к. современные технологические отпаянные СО ₂ лазеры требуют большого значения анодного напряжения питания (2050 кВ); б) для обеспечения поджига разряда требуется дополнительный инициирующий импульс напряжения в два раза превышающий значение напряжения питания лазера, при этом в разрядном промежутке возникают токовые шнуры, т.е. разряд становится неоднородным и нестационарным, возможны колебания когерентной мощности лазера; в) форма импульса излучения лазера будет сильно отличаться от прямоугольной из-за больших времен релаксационных процессов в плазме; г) погасание и повторное зажигание разряда с большой частотой будет снижать срок службы лазера из-за «стартовых потерь».

Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является CO₂ лазер, содержащий разрядную трубку, оптический резонатор и управляющий элемент [Т.З.Нгуен, В.В.Черниговский Исследование влияния поперечного магнитного поля нп роботу СO ₂ лазера, Вакуумная и газоразрядная электроника, Рязань 1984, с.15-19]. Управляющий элемент выполнен в виде электромагнита, состоящего из электромагнитной катушки и магнитопровода. В воздушном зазоре магнитопровода размещается разрядная трубка. При подаче напряжения на катушку электромагнита в воздушном зазоре магнитопровода возникает магнитное поле, вектор индукции которого перпендикулярен оси разрядной трубки. За счет силы Лоренца плазма отклоняется к стеклянной стенке разрядной трубки и лазер прекращает генерировать когерентное излучение. Недостатками таких модуляторов являются: а) большой вес управляющего элемента, т.к. электромагнит занимает все пространство вдоль длины разрядной трубки, б) большая стоимость такого электромагнита.

Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является упрощение устройства управляющего элемента.

Техническим результатом является упрощение управляющего элемента, снижение его веса и стоимости.

Технический результат появляется за счет того, что в газоразрядном СО₂ лазере, содержащем разрядную трубку, оптический резонатор и управляющий элемент, разрядная трубка помещается в воздушный зазор электромагнита, состоящего из набора жестко связанных секций, между которыми имеются воздушные промежутки и каждая из которых состоит из электромагнитной катушки и магнитопровода, при этом разрядная трубка размещена в воздушных зазорах магнитопроводов, причем вектор индукции магнитного поля магнитопроводов перпендикулярен оси разрядной трубки.

На фиг.1 представлена схема предлагаемого лазера.

Конструкция газоразрядного CO₂ лазера содержит (см. фиг.1) разрядную трубку 1, которая помещена в зазоры магнитопроводов 2 электромагнита. Разрядная трубка 1 имеет глухое зеркало 3. Оптический резонатор лазера образуется двумя зеркалами: глухим зеркалом 3 и полупрозрачным (выходным) зеркалом 4. Электромагнит состоит из набора секций, в состав которых входят электромагнитные катушки 5 и магнитопроводы 2.

Предлагаемый лазер работает следующим образом.

В отсутствии управляющего магнитного поля при включении постоянного напряжения питания в разрядной трубке 1 зажигается тлеющий разряд. Электроны в плазме, взаимодействуя с молекулами лазерной смеси газов, возбуждают верхние метастабильные уровни молекулы СО₂, обеспечивая инверсию населенности активной среды лазера. За счет индуцированных переходов возникают когерентные кванты, эти кванты приводят к дополнительным индуцированным переходам. Плотность энергии когерентных квантов начинает нарастать. В соответствии с соотношением Эйнштейна вероятность индуцированных переходов тоже нарастает. Этот процесс носит прогрессивно нарастающий характер. В итоге лазер входит в квазистационарный режим, когда усиление когерентного излучения компенсирует выход когерентной мощности лазера и потери излучения в активной среде. При этом между зеркалами 3 и 4 оптического резонатора лазера устанавливается стоячая электромагнитная волна. Плотность энергии этой волны в поперечном по отношению к оси разряда направлению носит гауссов характер, т.е. она максимальна на оси разряда и спадает до нуля на стенках разрядной трубки 1. Примерно такое же распределение имеет плотность электронов плазмы и возбужденных молекул углекислого газа. Таким образом, распределение плотности когерентных квантов и распределение плотности возбужденных молекул углекислого газа имеют одинаковый характер, что обеспечивает необходимую вероятность индуцированных переходов и нормальную работа лазера. При подаче напряжения на катушки 5 электромагнита в воздушном зазоре магнитопроводов 2 возникает магнитное поле, вектор индукции которого перпендикулярен оси разрядной трубки 1. За счет силы Лоренца электроны плазмы устремляются к стеклянной стенке разрядной трубки 1 и заряжают ее до значительного отрицательного потенциала. Под действием этого потенциала ионы плазмы также устремляются к стенке и вся плазма плотно прижимается к одной стенке разрядной трубки 1. Распределение электронов и возбужденных молекул углекислого газа в плоскости, перпендикулярной оси разряда, начинает носить сугубо неоднородный характер: концентрация возбужденных молекул углекислого газа на оси равна нулю и максимальна у одной из стенки разрядной трубки. Распределение плотности энергии когерентных квантов не может носить такой характер, так как в современных лазерах применяются сферические зеркала оптического резонатора и возникающие у стенки (вне оси резонатора) когерентные кванты будут в значительной мере теряться и не установят в резонаторе стационарной стоячей волны.

Отличие предлагаемой полезной модели от наиболее близкого технического решения заключается в том, что управляющий элемент представляет собой не монолитную электромагнитную систему, а наборотдельных жестко собраных электромагнитных секций, между которыми имеются воздушные промежутки. Как показали эксперименты, в этих воздушных промежутках между секциями за счет рассеяния возникает магнитное поле со значительной компонентой индукции магнитного поля перпендикулярной оси разрядной трубки 1. В итоге вдоль оси разрядной трубки 1 возникает относительное однородное магнитное поле, плазма «плотно» прижимается к стенке разрядной трубки и генерация когерентного излучения в лазере прекращается. Вес и стоимость управляющей электромагнитной системы при этом уменьшается в 2 3 раза. Сама схема питания модулирующей электромагнитной системы низковольтна, относительно проста и дешева по сравнению с существующими на сегодняшний день схемами модуляции излучения мощности СО₃ лазеров.

Газоразрядный CO₂ лазер, содержащий разрядную трубку, оптический резонатор и управляющий элемент, отличающийся тем, что управляющий элемент выполнен в виде электромагнита, состоящего из набора жестко связанных секций, между которыми имеются воздушные промежутки, и каждая из которых состоит из электромагнитной катушки и магнитопровода, при этом разрядная трубка размещена в воздушных зазорах магнитопроводов, причем вектор индукции магнитного поля магнитопроводов перпендикулярен оси разрядной трубки.