Электрооптический блок лазера с поперечной прокачкой газа

 

Использование: изобретение относится к области лазерной техники, точнее к электрооптическим блокам лазеров с поперечной прокачкой газа. Сущность: электрооптический блок лазера с поперечной прокачкой газа включает в свой состав газоразрядную камеру с одним и несколькими разрядными промежутками и с обращаемыми или необращаемыми электродными системами, а также многопроходный оптический резонатор с задним глухим зеркалом, передней выводной системой и обращаемыми или необращаемыми поворотными узлами. Расположение соседних поворотных узлов и направление передач лазерного излучения по ним могут быть взаимно перпендикулярны, причем один из поворотных узлов может быть перпендикулярным газовому потоку при определенном сочетании типа поворотного узла и типа электродных систем. Число проходов лазерного излучения при этом может быть кратно четырем, что обеспечивает наибольшую равномерность температуры и интенсивности по сечению лазерного излучения. 12 ил.

Изобретение относится к области лазерной техники, точнее к электрооптическим блокам лазеров с поперечной прокачкой газа.

Известные электрооптические блоки лазеров с поперечной прокачкой газа включают в свой состав газоразрядную камеру с одним или несколькими разрядными промежутками, в каждом из которых имеются обращаемые или необращаемые электродные системы для создания тлеющего разряда поперек газового потока, а также многопроходный оптический резонатор, состоящий из заднего глухого зеркала, передней выводной системы и поворотных узлов для обеспечения нескольких проходов лазерного излучения по разрядным промежуткам и перехода лазерного излучения из одного разрядного промежутка в другой [1, 2]. Основной недостаток этих технический решений заключается в низком качестве лазерного излучения. Это обусловлено тем, что при передаче излучения в пределах разрядных промежутков используются необращаемые поворотные узлы в виде плоских единичных зеркал, а при передаче лазерного излучения между разрядными промежуткам используется сочетание обращаемых поворотных узлов в виде поворотных призм с наклоненными друг к другу под углом 90^o плоскими зеркалами и обращаемых электродных систем, изменяющих направление разряда на противоположное. В результате сечение лазерного излучения в процессе передач по поворотным узлам сохраняет постоянную ориентировку относительно газового потока и разряда, при этом разные точки сечения нагреваются до разных температур, что приводит к неравномерной интенсивности в пучке.

Известен также электрооптический блок лазера с поперечной прокачкой газа, в котором обращаемые поворотные узлы в виде расположенных вдоль газового потока поворотных призм обеспечивают несколько проходов лазерного излучения по разрядному промежутку с изменением ориентировки поперечного сечения лазерного излучения относительно газового потока [3]. В этом объекте неравномерность интенсивности по сечению лазерного излучения в направлении газового потока снижается. Это техническое решение наиболее близко к заявляемому объекту, т.е. является прототипом.

Недостаток прототипа заключается в низком качестве лазерного излучения из-за неравномерности интенсивности по сечению в направлении разряда.

Задачей изобретения является повышение качества лазерного излучения за счет снижения неравномерности интенсивности по сечению.

Задача в предложенном электрооптическом блоке лазера с поперечной прокачкой газа реализуется за счет того, что в нем из двух последних поворотных узлов по крайней мере хотя бы один расположен под углом к направлению газового потока, а сочетание типов поворотных узлов и электродных систем обеспечивает при переходе через два соседних поворотных узла изменение ориентировки поперечного сечения лазерного излучения относительно и газового потока и разряда.

Согласно п. 2 расположение соседних поворотных узлов и направления передач лазерного излучения по ним взаимно перпендикулярны.

Согласно п. 3 один из двух соседних поворотных узлов расположен перпендикулярно газовому потоку, причем обращаемый тип этого поворотного узла сочетается с необращаемой электродной системой, а необращаемый его тип сочетается с обращаемой электродной системой.

Согласно п. 4 число проходов лазерного излучения кратно четырем.

Расположение хотя бы одного из двух соседних поворотных узлов под углом к направлению газового потока, а также сочетание типов поворотных узлов и электродных систем с обеспечением изменения ориентировки поперечного сечения лазерного излучения относительно и газового потока и разряда при переходе через два соседних поворотных узла приводят к тому, что в места с наибольшей температурой поочередно попадают различные точки поперечного сечения излучения. В результате различие в температуре по сечению лазерного излучения уменьшается, неравномерность интенсивности снижается, а качество излучения повышается. Перпендикулярное расположение соседних поворотных узлов и направления передач по ним лазерного излучения приводит к тому, что в результате этих двух передач ориентировка поперечного сечения в третьем проходе изменяется по сравнению с первым проходом на противоположную и относительно газового потока и относительно разряда, распределение температуры по сечению лазерного излучения изменяется на противоположное, что способствует повышению однородности интенсивности и улучшению качества лазерного излучения.

Расположение одного из двух соседних поворотных узлов перпендикулярно газовому потоку с сочетанием обращаемого его типа с необращаемой электродной системой и необращаемого типа с обращаемой электродной системой к тому, что при первой передаче ориентировка сечения лазерного излучения изменяется на противоположную в одном направлении (либо по разряду либо по потоку), а при второй передаче - на противоположную в другом направлении. Это обуславливает дальнейшее выравнивание температуры и однородности интенсивности по сечению и повышение качества лазерного излучения.

Кратность числа проходов лазерного излучения четырем позволяет получить одинаковое количество проходов с прямой и обратной ориентировкой поперечного сечения как относительно газового потока газа, так и разряда. Это приводит к максимальному выравниванию температуры и интенсивности по сечению лазерного излучения, а также к значительному повышению его качества.

Конструкция предложенного электрооптического блока лазера с поперечной прокачкой газа иллюстрируется чертежами, из которых на фиг. 1 показан вид сбоку, а на фиг. 2 - вид сзади. Он включает в свой состав газоразрядную камеру с двумя разрядными промежутками 1, поперек которых прокачивается поток газа со скоростью Vr. В каждом разрядном промежутке 1 имеются необращаемые электродные системы, состоящие из анодов 2 и катодов 3, расположение которых и направление разряда при переходе из одного разрядного промежутка в другой не изменяется.

Многопроходный оптический резонатор состоит из заднего глухого зеркала 4, расположенного у заднего торца нижнего разрядного промежутка 1, обращаемых поворотных узлов 5, расположенных с двух сторон разрядных промежутков 1, а также из передней выводной системы 6, расположенной у переднего торца верхнего разрядного промежутка 1.

Обращаемые поворотные узлы 5 представляют собой двугранные поворотные призмы с плоскими зеркалами на гранях, расположенными под углом 45^o к лазерному излучению 7 и под углом 90^o друг к другу.

Нижний и верхний (или первый и второй) поворотные узлы 5 расположены под углами и в общем случае могут быть не равны друг другу и принимать разные значения, но один из них должен быть отличным от 0^o или 180^oC.

На фиг. 3 показан вариант передачи лазерного излучения 7 в газоразрядной камере, состоящей из двух разрядных промежутков 1 с необращаемыми электродными системами: анодами 2 и катодами 3, в котором обращаемые поворотные узлы 5 расположены под одинаковыми углами , к газовому потоку V_г. На фиг. 4 второй поворотный узел 5 расположен под углом 180^o к газовому потоку V_г, возможен такой же вариант с расположением одного из поворотных узлов 5 под углом = 90 к газовому потоку V_г. Расположение одного из двух соседних поворотных узлов 5 под углом к направлению газового потокам V_г, а также сочетание обращаемых поворотных узлов 5 и необращаемых электродных систем 2, 3 обеспечивает изменение ориентировки поперечного сечения лазерного излучения 7 в процессе передач по этим узлам, т.е. изменение положения точек а, б, в, г.

Аналогичные варианты расположения поворотных узлов 5 возможны и в газоразрядной камере с одним раздельным промежутком 1.

На фиг. 1 показан вариант соосного расположения обеих поворотных узлов 5 под одинаковыми углами к направлению газового потока V_г. В этом случае при использовании обращаемых поворотных узлов 5 в среднем и верхнем разрядных промежутков 1 имеются обращаемые электродные системы 2, 3, изменяющие направление разряда на противоположное. В этом случае имеет место изменение положения точек а, б, в, г и относительно направления потока (при первой передаче) и относительно разряда.

На фиг. 6 показан вариант с взаимно перпендикулярным расположением соседних обращаемых поворотных узлов 5 и таким же направлением по ним передач лазерного излучения 7. При этом второй поворотный узел может быть направлен также вниз.

В указанном на фиг. 6 варианте оба поворотных узла 5 расположены под углом 45^o к направлению газового потока V_г, что обеспечивает наиболее простую компоновку разрядных промежутков 1, возможное отклонение от угла 45^o усложняет компоновку разрядных промежутков 1.

На фиг. 7 показан вариант передачи лазерного излучения 7, при котором один из двух взаимно-перпендикулярных поворотных узлов 5, в данном случае второй, расположены перпендикулярно газовому потоку V_г. Обращаемый тип второго поворотного узла 5 сочетается с необращаемой электродной системой 2, 3.

Возможно также сочетание необращаемого поворотного узла 5 и обращаемой электродной системой 2, 3 (фиг. 8). Обращаемая электродная система может состоять из двух катодов 3 и общего анода 2, что значительно упрощает конструкцию газоразрядной камеры. Необращаемый поворотный узел 5 может быть представлен в виде плоского поворотного зеркала (фиг. 9).

Количество поворотных узлов и проходов лазерного излучения в предложенном электрооптическом блоке с поперечной прокачкой газа может быть различным в зависимости от мощности и габаритов лазера, а также от компоновки его конструкции.

На фиг. 10-12 показаны варианты передач лазерного излучения 7 при числе проходов кратном четырем. При этом число проходов может увеличиваться поперек потока газа (фиг. 10), вдоль потока газа (фиг. 11) и в диагональном направлении (фиг. 12).

Предложенный электрооптический блок лазера с поперечной прокачкой газа работает следующим образом. Через газоразрядную камеру с разрядными промежутками 1 прокачивается газ со скоростью V_г. С помощью электродных систем - анодов 2 и катодов 3 - в каждом разрядном промежутке 1 зажигают тлеющий разряд поперек газового потока. Лазерное излучение 7 формируется в оптическом резонаторе при многократном отражении от заднего глухого зеркала 4, поворотных узлов 5 и передней выводной системы 6 (фиг. 1). Расположение обращаемых поворотных узлов 5 под углом к газовому потоку V_г приводит к изменению ориентировки поперечного сечения лазерного излучения 7 относительно диаметральных плоскостей О-О, перпендикулярных направлению передачи лазерного излучения 7. В процессе каждой передачи имеет место изменение ориентировки точек поперечного сечения а, б, в, г относительно и потока газа и разрядов (фиг. 2). В результате точка a, например, перемещается из передней части в хвостовую по потоку, а точка из прианодной части ближе к прикатодной.

Аналогичные изменения ориентировки поперечного сечения имеются при передаче лазерного излучения по двум поворотным узлам, расположенным под углом к газовому потоку в пределах двух разрядных промежутков 1 (фиг. 3).

При расположении одного из поворотных узлов 5 под углом 0 или 180^o к направлению газового потока V_г (фиг. 4) ориентировка поперечного сечения при передаче по этому поворотному узлу изменяется только по потоку, а по второму узлу - и по потоку и по разряду. При расположении одного из поворотных узлов 5 перпендикулярно газовому потоку V_г и сочетании в этом направлении обращаемых поворотных узлов 5 и необращаемых электродных систем 2, 3 или необращаемых поворотных узлов 5 и обращаемых электродных систем 2, 3 ориентировка поперечного сечения при передаче по этому поворотному узлу изменяться на противоположную только по разряду, а по второму - и по потоку и по разряду.

Сочетание обращаемого поворотных узлов 5 и обращаемой электродной системы 2, 3 в схеме, показанной на фиг. 5 а, также изменяет ориентировку поперечного сечения и по потоку газа и по разряду.

При расположении поворотных узлов 5 перпендикулярно друг другу и под углом к газовому потоку Vr (фиг. 6) положение точек а, б, в, г после двух передач изменяется на прямо-противоположное и по газовому потоку и по разряду.

В случае расположения одного из двух взаимно-перпендикулярных поворотных узлов 5 под углом 90^o к газовому потоку положение точек а, б, в, г при передаче лазерного излучения по этому узлу изменяется на противоположное относительно разряда, а по другому узлу - относительно потока (фиг. 7, 8, 9).

При количестве проходов лазерного излучения 7 кратном четырем число проходов с прямой и обратной ориентировкой поперечного сечения одинаково (фиг. 10, 11, 12). В этом случае достигается максимальная однородность температуры и интенсивности по сечению.

Список литературы 1. Низьев В.Г., Гофман З.Н., Голубев В.С. Современные разработки мощных технологических лазеров: Препринт N 2 НИЦТЛ, Шатура, 1988. - 38 с. рис. 1.

2. Технологические лазеры: Справочник в 2 т. Т. 1. Расчет, проектирование и эксплуатация /Г.А. Абильсиитов, В.С. Голубев, В.Г. Гонтарь и др.;/ Под общ. ред. Г.А. Абильсиитова. - М.: Машиностроение, 1991, - 432с. Рис. 84.

3. Ананьев Ю. А. Оптические резонаторы и лазерные пучки. - М.: Наука, 1990.

Формула изобретения

1. Электрооптический блок лазера с поперечной прокачкой газа, включающий в свой состав газоразрядную камеру с одним или несколькими разрядами промежутками, в каждом из которых имеются обращаемые или необращаемые электродные системы для создания тлеющего разряда поперек газового потока, а также многопроходный оптический резонатор, состоящий из заднего глухого зеркала, передней выводной системы и обращаемых или необращаемых поворотных узлов для обеспечения нескольких проходов лазерного излучения по разрядным промежуткам и перехода излучения из одного разрядного промежутка в другой с изменением ориентировки поперечного сечения, отличающийся тем, что в нем из двух соседних поворотных узлов по крайней мере хотя бы один расположен под углом к направлению газового потока, а сочетание типов поворотных узлов и электродных систем обеспечивает при переходе через два соседних поворотных узла изменение ориентировки поперечного сечения лазерного излучения относительно и газового потока и разряда.

2. Блок по п.1, отличающийся тем, что расположение соседних поворотных узлов и направления передач лазерного излучения по ним взаимно перпендикулярны.

3. Блок по пп.1 и 2, отличающийся тем, что один из двух соседних поворотных узлов расположен перпендикулярно газовому потоку, причем обращаемый тип этого поворотного узла сочетается с необращаемой электродной системой, а необращаемый его тип сочетается с обращаемой электродной системой.

4. Блок по пп.1 - 3, отличающийся тем, что число проходов лазерного излучения кратно четырем.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12