Электрооптический блок лазера с поперечной прокачкой рабочего газа

 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании высокомощных лазеров с высоким качеством излучения. Электрооптический блок лазера с быстрой прокачкой рабочего газа содержит вытянутую вдоль газового потока газоразрядную камеру с многосекционной электродной системой с параллельным газовому потоку расположением секций и оптический резонатор, устойчивый и неустойчивый в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через поперечную газовому потоку оптическую ось, причем плоскость неустойчивости оптического резонатора перпендикулярна газовому потоку. Оптический резонатор может быть с четным количеством проходов около четного количества электродных систем, при этом для передачи лазерного излучения из прохода в проход имеются обращаемые относительно газового потока зеркальные поворотные блоки. Технический результат изобретения: увеличение мощности лазерного излучения и улучшение качества излучения. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к лазерной технике, точнее к электрооптическим блокам лазеров с поперечной прокачкой рабочего газа.

Известные электрооптические блоки лазеров с поперечной прокачкой рабочего газа содержат вытянутую вдоль газового потока газоразрядную камеру с электродной системой и расположенный перпендикулярно газовому потоку оптический резонатор [1]. Недостатки таких электрооптических блоков заключаются в конструктивных противоречиях при получении высокой мощности излучения и одновременно высокого его качества в отношении получения одномодового режима генерации. В случае использования устойчивого оптического резонатора, обеспечивающего одномодовую генерацию, ограничена возможность получения высокой мощности из-за неполного объемного коэффициента (неполного заполнения объемом оптического резонатора объема газоразрядной камеры с возбужденной активной средой), а также из-за высокой энергетической нагрузки на переднее выводное зеркало, которое в этом случае обычно является полупрозрачным. В случае использования неустойчивого оптического резонатора объем оптического резонатора почти полностью заполняет объем газоразрядной камеры с возбужденной активной средой, значительно снижается энергетическая нагрузка на переднее выводное зеркало, что позволяет существенно повысить мощность, однако качество лазерного излучения, связанное с его фокусируемостью, при этом ухудшается, так как излучение при этом не является одномодовым.

Известен также электрооптический блок лазера с поперечной прокачкой рабочего газа, содержащий вытянутую вдоль газового потока газоразрядную камеру с электродной системой и оптический резонатор, устойчивый и неустойчивый в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через поперечную газовому потоку оптическую ось, причем плоскость неустойчивости при этом расположена перпендикулярно к газовому потоку [2]. В этом электрооптическом блоке в некоторой мере устранены конструктивные противоречия при получении высокой мощности излучения и высоким его качеством, поскольку объем неустойчивой плоскости оптического резонатора заполняет большой объем газоразрядной камеры с активной средой при одномодовом режиме генерации в устойчивой плоскости.

Это техническое решение является наиболее близким к заявляемому объекту, т. е. является прототипом.

Недостаток прототипа заключается в ограничении выходной мощности лазерного излучения, поскольку расположение электродной системы на боковых стенках газоразрядной камеры обуславливает небольшое расстояние h между этими стенками. Известно, что удельный энерговклад в разрядный промежуток обратно пропорционален расстоянию h и увеличение h приводит к снижению удельного вклада и, следовательно, к снижению мощности лазерного излучения. Малое расстояние h, необходимое для обеспечения высокого удельного энерговклада в разрядный промежуток, ограничивает расход газового потока в камере, что накладывает ограничение на мощность лазерного излучения.

Кроме того, качество излучения в прототипе ухудшается из-за нагрева газовой смеси при прохождении ее через разрядный промежуток, т. е. газ в поперечном сечении луча в оптическом резонаторе нагрет до разной температуры и это приводит к разной плотности мощности по сечению лазерного луча.

Техническими задачами предлагаемого изобретения являются увеличение мощности лазерного излучения и улучшение его качества.

Указанные задачи в предлагаемом изобретении реализуются за счет того, что плоскость неустойчивости оптического резонатора перпендикулярна газовому потоку, а между стенками газоразрядной камеры рядом с объемом оптического резонатора расположена многосекционная электродная система для возбуждения рабочего газа с параллельным к газовому потоку расположением секций. При этом между стенками газоразрядной камеры может быть расположено четное количество многосекционных электродных систем, оптический резонатор выполнен многопроходным с таким же количеством проходов, причем для обеспечения прохождения лазерного излучения оптического резонатора возле каждой электродной системы имеются обращаемые относительно газового потока зеркальные поворотные блоки.

Расположение между стенками газоразрядной камеры многосекционной электродной системы рядом с объемом оптического резонатора позволяет увеличить расстояние между стенками камеры h без уменьшения удельного энерговклада, поскольку в этом случае удельный энерговклад определяется через расстояние между электродными секциями многосекционной электродной системы, которое может быть небольшим. Увеличение расстояния между стенками h и расположение плоскости неустойчивости перпендикулярно газовому потоку позволяет увеличить объем оптического резонатора поперек потока и уменьшить вдоль потока, что приводит к меньшей разности температур в поперечном сечении лазерного луча и, следовательно, позволяет в наибольшей мере реализовать достоинства устойчиво-неустойчивого резонатора: достижение высокой мощности при высоком качестве излучения. Кроме того, при увеличении h можно увеличить расход газа в газоразрядной камере и снизить аэродинамическое сопротивление контура. Оба этих обстоятельства приводят к увеличению мощности лазерного излучения.

Параллельное к газовому потоку расположение секций многосекционной электродной системы приводит к уменьшению аэродинамического сопротивления и к минимальному нарушению однородности газового потока, что также обеспечивает повышение мощности лазерного излучения и его качества.

Расположение между стенками газоразрядной камеры четного количества электродных систем в совокупности с обращаемыми относительно газового потока поворотными блоками оптического резонатора позволяет при каждом последующем проходе лазерного луча через газоразрядный промежуток изменять расположение сечения лазерного луча по отношению к газовому потоку на противоположное. Вследствие этого температура по сечению лазерного луча выравнивается и качество излучения повышается.

Схема предложенного электрооптического блока лазера с поперечной прокачкой рабочего газа и с поперечным разрядом показана на фиг. 1, образованной двумя плоскими стенками, расположенными на расстоянии h. В газоразрядной камере 1 перпендикулярно газовому потоку V_г расположен оптический резонатор 2, устойчивый в плоскости, параллельной газовому потоку V_г, и неустойчивый в плоскости, перпендикулярной газовому потоку V_г. Лазерный луч в поперечном сечении имеет форму двух пятен, а распределение плотности мощности в каждом пятне близко к гауссовскому (фиг. 2). Рядом с объемом оптического резонатора 2 расположена многосекционная электродная система 3 с параллельным к газовому потоку расположением секций. Каждая секция в данном случае представляет собой параллельно расположенные друг к другу и к газовому потоку пластины электродов, например, анода и катода.

На фиг. 3 показана схема электрооптического блока лазера с поперечной прокачкой рабочего газа и с продольным разрядом. В данном случае каждая секция многосекционной электродной системы 3 представляет собой последовательно расположенные друг к другу и параллельно к газовому потоку ножевые или штырьковые электроды, в частности аноды и катоды.

Расстояние между катодами и анодами h не может быть меньше, чем 1,5 размера основной моды резонатора в плоскости устойчивости (в плоскости, параллельной газовому потоку) по уровню 1/e², e=2,81828.... В противном случае хвосты основной гауссовой моды будут обрезаться электродами, что, во-первых, снижает качество излучения, а, во-вторых, может разрушить электроды. Значительное увеличение разрядного промежутка, когда он больше чем в 2 раза превышает размер гауссовой моды, приведет к появлению старших гауссовых мод, что существенно снизит качество излучения, а при наличии дополнительной селекции диафрагмами приведет к снижению КПД лазера. Таким образом, оптимальные условия реализуются при Отметим, что возможны различные конфигурации электродов, например, катоды могут быть штырями, аноды ножами с независимым подводом электрической энергии и наоборот.

Конструкция разрядной камеры резко упрощается, если каждый из электродов представляет собой набор параллельных пластин, причем плоскости этих пластин ориентированы перпендикулярно для разноименных электродов. В этом случае реализуется разрядная камера перекрестной конфигурации. Количество электродов в такой разрядной камере во много раз меньше, чем в штырьковой. Если число катодов М и число анодов N, то число перекрестий, т. е. "эффективное число электродов" равно N М. Таким образом, количество разрядных промежутков превышает количество электродов в раз. Если, например, N=60; М=10, то Во столько же раз меньше и количество независимых источников тока или балластирующих элементов. Наиболее эффективно для разрядной камеры такой конфигурации применять реактивные балластирующие элементы, такие как индуктивности и емкости или источники тока.

На фиг. 4 показана схема электрооптического блока лазера с поперечной прокачкой рабочего газа и с поперечным разрядом, в котором между стенками газоразрядной камеры 1 расположены две многосекционные электродные системы 3. Для обеспечения прохождения лазерного излучения оптического резонатора 2 возле каждой системы 3 имеется обращаемый относительно газового потока поворотный блок 4, представляющий собой два зеркала, установленные под углом 45^o к лазерному лучу в двух промежутках с активной средой и под углом 90^o друг к другу (фиг. 5). Количество многосекционных электродных систем 3 может быть увеличено до четного количества, при этом поворотных блоков 4 будет нечетное количество.

Предложенный электрооптический блок лазера с поперечной прокачкой рабочего газа работает следующим образом. После включения системы прокачки рабочий газ перемещается между стенками газоразрядной камеры 1 со скоростью V_г. На электроды многосекционной электродной системы 3 подают высокое напряжение для зажигания тлеющего разряда и создания в рабочем газе активной среды. Активная среда в случае поперечного разряда создается между секциями многоэлектродной системы 3 поперек газового потока, а также на некотором расстоянии от этой системы по газовому потоку (фиг. 1). В случае продольного разряда активная среда создается между штырьковыми электродами многосекционной электродной системы 3, расположенной по обе стороны от объема оптического резонатора 2 (фиг. 3). Образующиеся в активной среде кванты формируются в лазерный луч при многократном отражении в устойчиво-неустойчивом резонаторе 2, в котором плоскость неустойчивости расположена перпендикулярно газовому потоку V_г. Это обеспечивает полное заполнение объема газоразрядной камеры 1 лазерным лучом. В плоскости, параллельной газовому потоку V_г, оптический резонатор является устойчивым, что обеспечивает одномодовый режим генерации в двух пятнах лазерного луча (фиг. 2). При соответствующей настройке зеркал оптического резонатора 2 возможна генерация излучения лишь в одном пятне. В поперечном сечении объем оптического резонатора 2 имеет вытянутую поперек газового потока форму, что позволяет в наибольшей мере реализовать достоинства устойчиво-неустойчивого резонатора.

При наличии между стенками газоразрядной камеры 1 двух электродных систем 3 лазерный луч проходит рядом с каждой электродной системой, отражаясь между проходами от зеркал обращаемого поворотного блока 4 (фиг. 4, 5). После отражения от зеркал обращаемого поворотного блока 4 сечение лазерного луча повернуто относительно газового потока V_г на 180^o, т. е. более горячие потоки луча помещены в более холодную часть газового потока и наоборот.

Использованная литература 1. Абильсиитов Г. А., Голубев В.С., Гонтарь В.Г. и др. Технологические лазеры. Справочник. В 2 т. Т. 1: Расчет, проектирование и эксплуатация. - М. : Машиностроение, 1991 (с. 131 и 132).

2. Патент России N 2092947, 10.10.97.

Формула изобретения

1. Электрооптический блок лазера с поперечной прокачкой рабочего газа, содержащий вытянутую вдоль газового потока газоразрядную камеру и оптический резонатор, устойчивый и неустойчивый в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через поперечную газовому потоку оптическую ось, причем плоскость неустойчивости оптического резонатора перпендикулярна газовому потоку, отличающийся тем, что газоразрядная камера состоит из двух многосекционных электродных систем противоположного знака с параллельным газовому потоку расположением секций, причем разряд осуществляется между двумя электродными системами противоположного знака продольно газовому потоку, объем оптического резонатора расположен между этими электродными системами, а расстояние h между ними выбрано в диапазоне где размер основной моды в плоскости устойчивости по уровню 1/e², e = 2,81828.

2. Электрооптический блок по п.1, отличающийся тем, что аноды и катоды представляют собой вытянутые поперек потока параллельные пластины, причем плоскости анодов ориентированы перпендикулярно плоскостям катодов.

3. Электрооптический блок лазера с поперечной прокачкой рабочего газа по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что между стенками газоразрядной камеры расположено четное количество многосекционных электродных систем, оптический резонатор выполнен с таким же количеством проходов, причем для обеспечения прохождения лазерного излучения возле каждой электродной системы имеются обращаемые относительно газового потока зеркальные поворотные блоки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5