Неустойчивый резонатор телескопического типа


СОДЕРЖАНИЕ:

Телескопический резонатор

Номер патента: 1839873

Формула

Телескопический резонатор, включающий два отражателя из системы зеркал, соосно установленных по торцам активного элемента преимущественно прямоугольной формы, отличающийся тем, что, с целью уменьшения расходимости излучения в виде сплошного пучка, выходной отражатель образован двумя вогнутыми зеркалами, а два соосных с ними выпуклые зеркала расположены в противоположных углах торца активного элемента и выполнены в виде прямоугольных треугольников, катеты которых совпадают со сторонами торца и в М раз меньше этих сторон, причем оси проходят через вершины прямых углов торца, где М — увеличение резонатора.

Описание

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании мощных лазеров (например, газовых).

Известны неустойчивые резонаторы, применяемые для получения узконаправленного излучения (см. например: Ю.А.Ананьев «Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения»). Так, например, в указанной книге описан неустойчивый резонатор с вращением поля, включающий систему отражателей, например зеркал, служащий для получения узконаправленного излучения и выходного пучка сплошного сечения в лазерах с малым усилением. Это достигается тем, что в отражателе, служащем для вывода излучения, выполнен вырез в форме части сектора с углом охвата, равным углу вращения поля генерации в резонаторе, и на расстоянии от оси резонатора, определяемом расчетным путем (см. А.С. №530606). Недостатком такого резонатора является большое количество отражающих поверхностей, что приводит к большим потерям излучения на них в мощных лазерах с большим усилением. Известен выбранный нами в качестве прототипа, наиболее часто употребляемый в газовых лазерах неустойчивый телескопический резонатор (см. патент США №3873942 по М.Кл 3 H 01 S 3/08), содержащий вогнутое заднее зеркало (выходное зеркало) и меньших размеров выпуклое переднее зеркало. На фиг.1 они обозначены соответственно 1, 2. Отражающие поверхности заднего и переднего зеркал резонатора ограничивают по краям его оптическую полость, в которой размещается активная среда (3 на фиг.1), например, смесь газов СО2 — N2 — Не. Сечение выходного светового пучка, формируемого таким резонатором, представляет собой прямоугольную рамку или кольцо (в зависимости от формы переднего зеркала), отношение наружных размеров которых к внутренним равно М, где М — коэффициент увеличения неустойчивого резонатора. Такая форма пучка в ряде случаев практического применения неустойчивых резонаторов является их недостатком по двум причинам: из-за большой угловой расходимости выходного пучка, обусловленной дифракцией на щели, и кольцевой (несплошной) формы сечения пучка.

Целью настоящего изобретения является уменьшение расходимости генерируемого излучения и получение выходного пучка сплошного сечения.

Указанная цель достигается тем, что выходное зеркало образовано двумя вогнутыми зеркалами, а два соосных с ними выпуклых зеркала расположены в противоположных углах торца активного элемента, выполнены в виде прямоугольных треугольников, катеты которых совпадают со сторонами торца и в М раз, где М — увеличение резонатора, меньше этих сторон, причем оси проходят через вершины прямых углов торца.

Выполнение выходного зеркала состоящим из двух вогнутых зеркал, треугольная форма соосных с ними выпуклых зеркал и их расположение в противоположных углах торца активного элемента преимущественно прямоугольной формы обеспечивают вывод излучения сплошным пучком, а также позволяют существенно увеличить размер щели, через которую он выводится из резонатора (см.фиг.2). Заметим, что площадь пучка при этом не меняется по величине и определяется только сечением оптической полости и увеличением М. Она равна площади рамки в поперечном сечении выходного пучка известных неустойчивых резонаторов.

Указанные размеры выпуклых зеркал, расположение центров кривизны каждого вогнутого зеркала и соосного с ним выпуклого зеркала на оси, проходящей через вершину прямого угла торца активного элемента, необходимы для создания оптической полости предлагаемого резонатора тех же размеров, что и в прототипе (для съема энергии с того же объема активного элемента).

На фиг.1 изображен неустойчивый телескопический резонатор — прототип;

на фиг.2 изображен предлагаемый резонатор.

Резонатор работает следующим образом.

Световой пучок падает на выпуклые зеркала 2. Часть пучка проходит в щель между указанными зеркалами и образует полезный сигнал, часть излучения, отражаясь от зеркал 2, идет в цепь обратной связи, состоящую из зеркал 1 резонатора, где сечение пучка увеличивается в М раз. Отразившись от зеркал 1, световой пучок вновь падает на выпуклые зеркала 2, осуществляя съем энергии со всего объема активного элемента 3.

Известно, что неустойчивые резонаторы позволяют достичь дифракционной расходимости генерируемого ими излучения.

Поскольку дифракционная расходимость излучения определяется по формуле = 1,22· / ,

где — длина волны падающего на щель с размером d излучения, увеличение размера щели в d2/d1 раз ведет к уменьшению расходимости во столько же раз. Нетрудно видеть (см. фиг.1, 2), что:

Поэтому применение изобретения позволит в d 2/d1= раз уменьшить расходимость излучения по сравнению с применением известного неустойчивого телескопического резонатора. Кроме того, сплошная форма пятна излучения на мишени выгодно отличает его от ранее использовавшихся неустойчивых резонаторов.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании мощных лазеров. Телескопический резонатор включает систему зеркал. Зеркала соосно установлены по торцам активного элемента прямоугольной формы. Выходное зеркало образовано двумя вогнутыми зеркалами. Два выпуклых зеркала, соосных с выходным зеркалом, расположены в противоположных углах торца активного элемента. Выпуклые зеркала выполнены в виде прямоугольных треугольников. Катеты прямоугольных треугольников совпадают со сторонами торца. Катеты в М раз, где М — увеличение резонатора, меньше сторон торца. Технический результат — уменьшение расходимости генерируемого излучения и получение выходного пучка сплошного сечения. 1 н.п.ф-лы, 2 ил.

Рисунки

Заявка

Опытное конструкторское бюро «Радуга»

Пухов Сергей Николаевич, Романов Виктор Афанасьевич, Чупраков Геннадий Васильевич, Долгов-Савельев Глеб Георгиевич, Козоровицкий Леонид Леонтьевич, Олетин Геннадий Иванович

Условие устойчивости обобщенного сферического резонатора обсуждалось в разделе 5.4, где было показано, что области неустойчивости соответствуют незаштрихованным частям плоскости gl9 g2 на рис. 5.7 [10]. Неустойчивые резонаторы разделяют на два вида: положительного типа (англ. negative — branch), с параметрами, удовлетворяющими условию gx — g2 > 1, и отрица­тельного типа (англ. positive-branch), для которых gx g2 М21а2. При этом условии един­ственной волной, которая покидает резонатор, будет сферическая волна, ис­ходящая из точки Рг и выходящая вокруг зеркала 2 (предполагается, что коэффициент отражения зеркал 1 и 2 равен 100%). Эуа сферическая волна уходит от зеркала 2 с диаметром 2а2 (см. рис. 5.176) и возвращается к нему, после одного обхода резонатора, с размером поперечного сечения, увеличен­ным в число М раз, определяемое как

М = М21М12 = (1 + rf1) (1 + г,»1), (5.6.3)

Где было использовано соотношение (5.6.2). С помощью (5.6.1) соотношение

(5.6.3) приводится к виду

М = (2ft • ft — 1) + 2gl • g2[ 1 — (ft • ft)’1]1/2, (5.6.4)

Показывающему, что M, коэффициент увеличения за полный проход, зави­сит только от ^-параметров резонатора. Отметим, что если ft • ft |#2|). Если апертура зеркала 1 диаметром 2ах достаточно велика (т. е. 2ах > 2Ма2), то из резона­тора будет выходить только плоская волна. Таким образом, излучение, покидающее односторонний конфокальный резонатор, является плоской волной, что является одним из основных преимуществ неустойчивых кон­фокальных резонаторов. Потеря излучения за обход, или относительная мощность на выходе, определяется для такого одностороннего резонатора соотношением (5.6.5).

Конфокальные неустойчивые резонаторы: а) отрицательного типа; б) положительного типа.

ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

Лазерная резка и гравировка в Киеве

Гравировка по металлу проводится на профессиональном оборудовании. Гравировка с высокой детализацией применяется для оформления подарков, памятных вещей.

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ И ВРЕМЕННАЯ КОГЕРЕНТНОСТЬ ТЕПЛОВЫХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА

В данном разделе приводится краткое описание когерентных свойств света, который излучается обычной лампой (лампой накаливания или га­зонаполненной лампой). Поскольку свет в этом случае обусловлен спон­танным излучением многих атомов, по существу …

УРАВНЕНИЕ ИОНИЗАЦИОННОГО БАЛАНСА

В результате соударений частиц с электронами в объеме электрического разряда происходит постоянное образование электронов и ионов. Ударная ио­низация осуществляется присутствующими в разряде горячими электронами, т. е. теми, энергия которых больше …

Мощный малогабаритный Nd:YAG-лазер с неустойчивым резонатором Текст научной статьи по специальности « Физика»

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Иночкин Михаил Владимирович, Назаров Вячеслав Валерьевич, Федин Кирилл Александрович, Хлопонин Леонид Викторович, Храмов Валерий Юрьевич

Рассматривается компактный источник лазерного излучения на основе кристаллов Nd:YAG с энергией импульса до 800 мДж на длине волны 1064 нм, длительностью импульса 3—5 нс, углом расходимости 0,6 мрад и квазиравномерным поперечным распределением излучения на выходе лазера. Приведен сравнительный анализ результатов предварительного компьютерного моделирования лазерного излучателя и экспериментальных данных.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Иночкин Михаил Владимирович, Назаров Вячеслав Валерьевич, Федин Кирилл Александрович, Хлопонин Леонид Викторович, Храмов Валерий Юрьевич

High-Powered Compact Nd:YAG Laser with Unstable Resonator

A new compact laser based on Nd:YAG crystals is presented. The developed laser generates light pulses with energy up to 800 mJ at the wavelength of 1064 nm; pulse duration comprises 3—5 ns, and the beam divergence is 0.6 mrad. Overall dimensions of the laser do not exceed 200´50´40 mm. Comparison of preliminary computer modeling results with experimental data shows a good agreement.

Текст научной работы на тему «Мощный малогабаритный Nd:YAG-лазер с неустойчивым резонатором»

М. В. Иночкин, В. В. Назаров, К. А. Федин, Л. В. Хлопонин, В. Ю. Храмов

МОЩНЫЙ МАЛОГАБАРИТНЫЙ Nd:YAG-ЛАЗЕР С НЕУСТОЙЧИВЫМ РЕЗОНАТОРОМ

Рассматривается компактный источник лазерного излучения на основе кристаллов Nd:YAG с энергией импульса до 800 мДж на длине волны 1064 нм, длительностью импульса 3—5 нс, углом расходимости 0,6 мрад и квазиравномерным поперечным распределением излучения на выходе лазера. Приведен сравнительный анализ результатов предварительного компьютерного моделирования лазерного излучателя и экспериментальных данных.

Ключевые слова: импульсный лазер, неустойчивый резонатор, градиентное выходное зеркало, ближняя зона излучения.

Введение. В настоящее время лазерное излучение ближнего ИК-диапазона широко применяется в различных областях науки и техники, а также в лазерной медицине. Эффективность использования лазеров для получения наноматериалов и в косметологии обсуждается, в частности, в работах [1, 2]. Одной из важнейших характеристик лазерного излучения в случае применения его в технологических операциях является равномерность распределения поверхностной плотности энергии излучения в ближней зоне. Многие технологические операции также требуют воздействия на длинах волн основной (1064 нм) и второй (532 нм) гармоник Nd:YAG-лазера, работающего в режиме модулированной добротности.

Одной из проблем при расположении лазера в базовом блоке является „доставка» лазерного излучения в зону обработки. Использование малогабаритного лазера, который может быть размещен вблизи зоны обработки, освобождает от необходимости применять громоздкие зеркально-линзовые и „нежные» оптоволоконные системы доставки излучения.

В настоящей статье приведены результаты математического моделирования и экспериментальных исследований моноимпульсного лазера с неустойчивым резонатором, содержащим выходное зеркало с переменным коэффициентом отражения (градиентное зеркало), а также результаты оптимизации параметров градиентного зеркала, направленной на улучшение пространственных и энергетических характеристик излучения мощного малогабаритного лазера.

Оптическая схема лазера. В ходе разработки малогабаритного лазера был произведен сравнительный анализ оптических схем лазерных резонаторов относительно достижения необходимой энергии генерируемого излучения, получения квазиравномерного поперечного распределения излучения и уменьшения габаритных размеров излучателя. Известным способом создания квазиравномерного профиля излучения на мишени является режим многомодо-вой генерации лазерного излучения с применением устойчивого резонатора. В этом случае значительное усиление активной среды и малая длительность импульса излучения могут привести к разрушению оптических элементов лазера. Повреждения диэлектрических покрытий

оптических элементов устойчивого резонатора могут быть обусловлены высокоинтенсивными мелкомасштабными неоднородностями поперечного распределения интенсивности лазерного излучения внутри резонатора, имеющими, в том числе, вид дифракционных колец. Такие неоднородности возникают, в первую очередь, в результате краевой дифракции лазерного излучения при высоких коэффициентах усиления активной среды.

Несомненное достоинство неустойчивых резонаторов положительной ветви заключается в отсутствии внутрирезонаторной фокусировки излучения и возможности существенного уменьшения длины резонатора без увеличения расходимости излучения [3]. Уменьшение влияния дифракции на равномерность пространственного распределения излучения достигается применением градиентного выходного зеркала. Для достижения энергии выходного импульса порядка Её=1 Дж была выбрана схема построения лазера в виде системы „задающий генератор—усилитель», включающей в себя два активных Кё: У АО-элемента диаметром 6 мм, расположенные в одном квантроне и накачиваемые одной импульсной лампой накачки. Схема лазера с неустойчивым резонатором представлена на рис. 1, где 1 — глухое зеркало, 2 — четвертьволновая пластинка, 3 — ячейка Поккельса, 4 — поляризатор, 5 — активный элемент задающего генератора, 6 — выходное зеркало с переменным коэффициентом отражения, 7 — система поворотных зеркал, 8 — активный элемент усилителя, 9 — кристалл удвоения частоты. Габаритные размеры лазера не превышают 250x50x40 мм.

Торцевые поверхности активных элементов наклонены к оптической оси лазера для предотвращения возникновения обратной волны в телескопическом резонаторе, приводящей к ухудшению пространственных характеристик излучения и повреждению оптических элементов [4]. Излучение из задающего генератора в усилитель направляется с помощью поворотных зеркал. На выходе излучателя расположен нелинейный кристалл КТР для удвоения частоты основного излучения.

Проведению теоретических исследований характеристик лазерного излучения предшествовали экспериментальные измерения коэффициента усиления и оптической силы тепловой линзы в активном элементе. Полученные значения использовалась при проведении компьютерного моделирования на основе математической модели лазера, разработанной ранее [5]. Коэффициент усиления слабого сигнала за один проход составил величину, равную примерно 30, а значение оптической силы тепловой линзы равнялось 0,7 м-1/кВт.

В ходе исследований в качестве критерия оптимизации было выбрано достижение квазиравномерного распределения плотности излучения в плоскости выходного торца активного элемента усилителя. В процессе оптимизации варьировались радиусы кривизны зеркал и профиль коэффициента отражения выходного зеркала резонатора лазера для уменьшения дифракционных явлений, возникающих при распространении излучения через естественные ограничивающие апертуры в виде входных, выходных и боковых поверхностей активных элементов. Зависимость коэффициента отражения выходного зеркала от пространственной координаты (г) моделировалась в виде супергауссовой функции:

Мощный малогабаритный ЫВ:УЛО-лазер с неустойчивым резонатором

где Кшах — максимальное значение коэффициента отражения, w — поперечный размер отражающего покрытия, п — показатель степени супергауссова профиля коэффициента отражения.

В процессе оптимизации были выбраны следующие диапазоны значений параметров выходного зеркала: п=4. 10, Кшах=0,15. 0,25, 2w=3,0. 4,5 мм, коэффициент увеличения резонатора М=1,1. 1,4. Очевидно, что при близком к полному заполнении излучением апертуры активного элемента задающего генератора возникают существенные дифракционные эффекты в системе задающий генератор—усилитель. Это приводит к увеличению неравномерности поперечного распределения интенсивности излучения, что, в свою очередь, увеличивает риск повреждения оптических элементов. При неполном заполнении активного элемента равномерность в ближней зоне улучшается, но при этом уменьшается энергия выходного излучения Её. Оптимальные характеристики градиентного зеркала можно определить в соответствии с соотношениями [6, 7]

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

В результате исследований установлено, что при значениях Кшах 0,25 неоднородность увеличивается примерно до 25—30 %. Уменьшение показателя п до 3—4 не приводит к существенному уменьшению неоднородности в моноимпульсном режиме, а энергия Её при этом падает. При высоких значениях п неоднородность увеличивается, а при п>10 возникают дифракционные кольца. Приемлемые энергетические характеристики достигаются при п=5.. .7.

Компьютерное моделирование показало, что при тепловой линзе в активном элементе .0=0,14 м-1 и базе резонатора ¿=220 мм лучшие результаты достигаются при М=1,55, радиусах кривизны глухого и выходного зеркал 1,1 и -0,7 м соответственно. При этих параметрах резонатора наиболее равномерное пространственное распределение выходной энергии лазерного излучения наблюдается при следующих значениях параметров выходного зеркала: Кшах=0,22, 2w=3,05 мм, п=6. На выходе усилителя рассчитанное значение Её =0,92 Дж, неравномерность вершины радиального распределения выходной энергии составляет 0,06. Следует отметить, что при данных параметрах выходного зеркала сохраняется стабильность пространственных характеристик излучения в ближней зоне при изменении тепловой линзы в диапазоне 0,14—0,18 м-1. На рис. 2 приведены графики радиального распределения коэффициента отражения выходного зеркала (кривая 1), а также рассчитанных радиальных распределений интенсивности I излучения лазера внутри резонатора (кривая 2), на выходе задающего генератора (кривая 3) и на выходе усилителя (кривая 4).

Экспериментальное исследование лазера. Исследование пространственных и энергетических характеристик излучения лазера проводилось на стенде, в состав которого были включены: измеритель энергии ОрЫг ЬаБе^аг с пироэлектрическим датчиком РЕ25ВБ; фотодиод ТЬог1аЬв 8ГО.5 и осциллограф ЬеСгоу WaveRunner 62X1 для регистрации временной

структуры излучения; ПЗС-камера ОрЫг БеашБ1аг БХ 50 для регистрации пространственного распределения генерируемого излучения.

Конфигурация лазерного резонатора полностью соответствовала данным, полученным при моделировании. На рис. 3, а, б представлены графики поперечного профиля распределения интенсивности излучения на выходе лазера при следующих параметрах выходного зеркала: а — 21=3,05 мм, п=6, ^шах=22 %; б — 21=4,5 мм, п=10, ^шах=22 %; кривая 1 соответствует сечению вдоль оси X, кривая 2 — сечению вдоль оси У. Как видно из данных рис. 3, а, мелкомасштабная модуляция пространственного распределения различима, но ее средняя величина не превышает 2—3 %, неравномерность пространственного распределения на вершине не превышает 6—8 %, что вполне допустимо. Следует также отметить, что значительные дифракционные возмущения отсутствуют, а форма распределения достаточно точно совпадает с результатами, полученными в ходе моделирования (ср.: рис. 2, кривая 4). Энергия генерируемого излучения достигает 800 мДж на длине волны ^=1064 нм и 500 мДж — для второй гармоники, частота следования импульсов У=1 Гц при средней мощности накачки Рр=250 Вт. Дифференциальный КПД лазера составил 2,2 %, а измеренная полная расходимость излучения лазера не превышала 0,6 мрад, что достаточно близко к дифракционному пределу. а) б)

-4 -2 0 2 х, мм -4 -2 0 2 х, мм

Модуляция добротности осуществлялась электрооптическим затвором с временем включения менее 2 нс, при этом длительность импульса излучения не превышала 3—5 нс. Малое время включения затвора приводит к модуляции временной формы моноимпульса, что способствует дополнительному повышению пиковой мощности излучения относительно среднего уровня.

Существенно большее значение Её может быть достигнуто, если увеличить радиальный коэффициент заполнения активной среды задающего генератора и усилителя. Для этого требуется изменить параметры выходного градиентного зеркала лазера: так, при 211=4,5 мм, п=10, ^шах=22 % была достигнута энергия выходного излучения 1100 мДж на длине волны 1064 нм. Неравномерность поперечного распределения интенсивности излучения составила

18 % (рис. 3, б), длительность импульса излучения практически не изменилась, а угол расходимости излучения увеличился до 0,1 мрад. Данная модификация лазера может быть полезной при решении задач, где неравномерность пространственного распределения не играет столь существенной роли: например, в лидарных и дальнометрических комплексах.

Заключение. Разработанная компьютерная программа реализует математическую модель моноимпульсного лазера с неустойчивым резонатором, включающим градиентное зеркало. Использование полученных в результате компьютерной оптимизации параметров градиентного зеркала позволяет генерировать излучение с неоднородностью поперечного распределения, не превышающей 8 %, и энергией порядка 1 Дж. Результаты экспериментальных исследований пространственно-энергетических характеристик лазерного излучения согласуются с результатами компьютерного моделирования. Параметры излучения разработанного

Мощный малогабаритный ND.YAG-лазер с неустойчивым резонатором

лазера удовлетворяют требованиям, необходимым для применения в технологических операциях получения наноматериалов, а малые габариты лазерного излучателя делают его привлекательным для использования и в других областях науки, техники, медицины.

1. Агеева С. А., Бобринецкий И. И., Конов В. И., Неволин В. К., Подгаецкий В. М., Пономарева О. В., Савранский В. В., Селищев С. В., Симунин М. М. Исследование нанотрубчатых 3Б-композитов, полученных под действием лазерного излучения // Квантовая электроника. 2009. Т. 39, № 4. С. 337—341.

2. Choudhary S., Elsaie M. L., Leiva A., Nouri K. Lasers for tattoo removal: a review // Lasers Med. Sci. 2010. Vol. 25, N 5. P. 619—627.

3. Назаров В. В., Хлопонин Л. В., Храмов В. Ю. Мощный компактный Nd^AG-лазер // Оптич. журн. 2009. Т. 76, № 11. С. 22—26.

4. Ананьев Ю. А. Оптические резонаторы и лазерные пучки. М.: Наука, 1990. 264 с.

5. Гагарский С. В., Гнатюк П. А., Назаров В. В., Приходько К. В., Хлопонин Л. В., Храмов В. Ю. Моделирование твердотельного лазера с диодной накачкой и параметрическим преобразователем частоты излучения // Оптич. журн. 2008. Т. 75, № 4. С. 28—34.

6. Звелто О. Принципы лазеров / Пер. с англ.; Под науч. ред. Т. А. Шмаонова. СПб: Изд-во „Лань», 2008. 720 с.

7. Koechner W. Solid-State Laser Engineering. N.Y.: Springer, 2006. 750 p.

Михаил Владимирович Иночкин

Вячеслав Валерьевич Назаров

Кирилл Александрович Федин

Леонид Викторович Хлопонин

Валерий Юрьевич Храмов

Рекомендована кафедрой лазерной техники и биомедицинской оптики

Виды и условие устойчивости оптических резонаторов

Все рассмотренные виды оптических резонаторов, содержащие сферические зеркала являются частными примерами общего случая резонатора, образованного двумя сферическими зеркалами, имеющими различные радиусы кривизны (причем либо положительные, либо отрицательные). Зеркала расположены на произвольном расстоянии L друг от друга.

Все резонаторы разделяют на две категории: устойчивые и неустойчивые. Устойчивый – такой резонатор в котором луч после отражения от зеркал остается в пределах ограниченной области. Неустойчивый – такой резонатор, когда произвольный луч, последовательно отражаясь от каждого из двух зеркал, удаляется на неограниченно большое расстояние от оси резонатора.

Пример: устойчивые – плоский, сферический, конфокальный; неустойчивые – с выпуклыми зеркалами.

При выполнении условия резонанса в оптическом резонаторе возникает определенная конфигурация стоячих волн. Это можно схематично представить рис .

Линии показывают синфазные поверхности, т.е поверхности в которых магнитная и электрическая составляющие электромагнитного поля стоячей волны имеют одинаковые фазы. При этом интенсивность излучения в области ограниченной линиями и называется каустикой.

Распределение поля внутри резонатора может быть получено путем решения систем уравнений Максвелла с учётом граничных условий на зеркалах в трехмерной системе координат. Граничные условия: электрическое поле стоячей волны на зеркалах равно «0».

В результате такого решения получено очень простое выражение условия устойчивости резонатора

Дата добавления: 2015-08-14 ; просмотров: 982 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Самофильтрующий неустойчивый резонатор в технологических CO2-лазерах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат технических наук Шулятьев, Виктор Борисович

  • Специальность ВАК РФ 01.04.05
  • Количество страниц 91
  • Скачать автореферат
  • Читать автореферат

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шулятьев, Виктор Борисович

ГЛАВА 1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПУЧКА СФР.

§ 1.1. Расходимость и качество лазерного излучения.

§ 1.2. Самофильтрующий резонатор — схема и основные свойства.

§1.3. Методы численного расчёта характеристик резонатора.

§ 1.4. Характеристики пучка СФР.

§ 1.5. Выбор размеров зеркал резонатора.

ГЛАВА 2. ОПТИМАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СФР В УСЛОВИЯХ

МОЩНОГО НЕПРЕРЫВНОГО С02-ЛАЗЕРА.

§ 2.1. Об эффективности преобразования энергии в лазерном резонаторе.

§ 2.2. Область рабочих параметров СФР.

ГЛАВА 3. СФР В МОЩНОМ НЕПРЕРЫВНОМ С02-ЛАЗЕРЕ.

§ 3.1. Устройство технологических СОг-лазеров ЛОК.

§ 3.2. Средства и методы измерений.

§ 3.3. Мощность излучения.

§ 3.4. Расходимость и качество излучения.

§ 3.5. Максимальная мощность непрерывных СОг-лазеров с СФР.

ГЛАВА 4. РЕЗКА МЕТАЛЛОВ ИЗЛУЧЕНИЕМ С02-ЛАЗЕРА С СФР.

§ 4.1. Особенности лазерной резки металлов.

§ 4.2. Технологические комплексы для резки на основе СОг-лазера с СФР.

§ 4.3.Скорость резки и качество реза.

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Оптика», 01.04.05 шифр ВАК

Резка толстых стальных листов излучением СО2-лазера 2011 год, доктор технических наук Шулятьев, Виктор Борисович

Исследование взаимодействия мощного лазерного излучения с потоками газа и плазмы и управление его характеристиками 2009 год, доктор физико-математических наук Якимов, Михаил Юрьевич

Резка толстых стальных листов излучением CO2-лазера 2011 год, доктор технических наук Шулятьев, Виктор Борисович

Формирование и наведение лазерных пучков с помощью внутрирезонаторных пространственно-временных модуляторов света 2009 год, доктор технических наук Алексеев, Владимир Николаевич

Разрешающая способность лазерных трубок (квантоскопов) и методы уменьшения расходимости и излучения 1998 год, кандидат физико-математических наук Созинов, Сергей Борисович

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Самофильтрующий неустойчивый резонатор в технологических CO2-лазерах»

Функциями оптического резонатора в лазере являются преобразование энергии активной среды в энергию когерентного излучения и формирование пространственной структуры лазерного пучка. Кроме того, в резонаторе могут находиться элементы, для управления спектральными, временными и поляризационными характеристиками излучения — дифракционные решетки, призмы, затворы, поглощающие ячейки, анизотропные элементы.

Идеи об использовании в лазерах открытого оптического резонатора впервые высказаны в работах A.M. Прохорова [121], а также Шавлова и Таунса [122]. В качестве резонатора предложено было использовать простейшую систему из двух расположенных друг напротив друга зеркал, причем, размер зеркал и расстояние между ними намного превышают длину волны излучения. Такой резонатор обладает на оптической частоте значительно лучшими селективными свойствами, чем объемный. В то же время, потери энергии, связанные с дифракцией излучения на зеркалах, имеют приемлемую величину. В работе Фокса и Ли [123] было показано существование в таком резонаторе устойчивых самовоспроизводящихся распределений поля — мод, рассчитаны характеристики мод. В шестидесятых годах двадцатого века была в основном построена: теория пустых идеальных резонаторов [4, 124]: В конце шестидесятых — начале семидесятых годов после выхода работы А. Сигмена [125] активно исследовались неустойчивые резонаторы, нашедшие применение в лазерах с большим поперечным сечением и сравнительно большим усилением активной среды. В настоящее время существуют десятки различных разновидностей лазерных резонаторов. Это связано, с одной стороны, с многообразием лазерных активных сред, с другой стороны — с многообразием применений лазеров и, соответственно, с разными требованиям к характеристикам лазерного излучения. Результаты теории и практики применения резонаторов изложены в [ 4, 6, 61, 95, 124].

Остановимся более подробно на мощных лазерах с большим объемом активной среды, к которым относятся и технологические лазеры, т.е., лазеры, применяемые для обработки материалов — резки, сварки, поверхностного термоупрочнения, наплавки, гравировки и т.д. Мощность технологических лазеров имеет величину от сотен ватт до десятков киловатт. Важнейшей характеристикой технологического лазера является и расходимость излучения.

Большинство среди технологических лазеров составляют СОг-лазеры с давлением газовой смеси до 100 мм.рт.ст. и непрерывной накачкой. Активная среда в этом случае является достаточно однородной, и расходимость излучения решающим образом зависит от типа и параметров оптического резонатора. При лазерной обработке на материал воздействуют сфокусированным пучком. Размер d фокального пятна при безаберрационной фокусировке определяется соотношением d = OF, 0 — расходимость излучения, F — фокусное расстояние линзы или зеркала. Расходимость определяет вместе с мощностью интенсивность излучения на поверхности материала — основной, параметр лазерной обработки. Важной является и форма распределения интенсивности в фокальном пятне, которая также зависит от модового состава резонатора.

Рассмотрим связь между модовым составом резонатора и технологическими возможностями лазера на примере ССЬ-лазеров, генерирующих в настоящее время максимальную мощность и составляющих большинство среди применяемых в промышленности: технологических лазеров. В появившихся г в семидесятых, годах СО2-лазерах мощностью — 1 кВт использовался простейший двухзеркальный устойчивый резонатор. В большинстве лазеров резонатор является многопроходным — содержит плоские зеркала для изменения направления луча, но промежуточные плоские зеркала не оказывают влияния на модовый состав резонатора. Как известно, модовыми конфигурациями устойчивого резонатора являются Эрмит-Гауссовы или Лагерр-гауссовы пучки [4]. В зависимости от числа Френеля N резонатора генерация происходит на низшей моде или на нескольких модах. Наименьшую расходимость при данном поперечном размере или наивысшее качество имеет гауссов пучок, соответствующий низшей ТЕМоо моде. С ростом поперечных индексов моды качество пучка ухудшается, следовательно, возрастает размер пятна, в которое может быть сфокусирован пучок при данном F/D, D — диаметр пучка на линзе. В зависимости от модового состава характеристики фокального пятна будут различными, соответственно, разными будут и условия нагрева материала.

Наиболее жесткие требования к качеству пучка предъявляет и лазерная резка [136, 140-141]- плотность мощности в фокальном пятне должна иметь величину 106. .107 Вт/см2 в непрерывном режиме, диаметр пятна должен быть 0,1.0,2 мм. Как показали эксперименты и практика лазерной резки, высокое качество реза может быть достигнуто в том случае, если генерация происходит на ТЕМоо или TEMoi* модах. При генерации на модах более высокого порядка качество и скорость резки существенно ухудшаются, и многомодовые лазеры для резки практически не используются. Важной является и форма распределения интенсивности в поперечном сечении сфокусированного пучка, распределение должно быть «компактным» — содержание энергии в периферийной области с низкой интенсивностью должно быт небольшим. По этой причине в лазерах для резки не используется неустойчивый резонатор из полностью отражающих зеркал. В дальней зоне пучок лазера с неустойчивым резонатором имеет характерную дифракционную структуру с побочными максимумами, содержащими значительную долю мощности пучка. Поверхностная обработка (термоупрочнение, наплавка) ведется при плотности мощности 104.105 Вт/см2, для этих технологий подходящим является многомодовый пучок. Распределение интенсивности в многомодовом пучке более равномерно по сравнению с гауссовым, это способствует созданию однородной закаленной зоны. Условия сварки близки к условиям резки, но являются менее жесткими: с / Л плотность мощности — 5*10 .5*10 Вт/см , форма распределения интенсивности имеет меньшее значение. Важным параметром для всех трех технологий является скорость обработки, которая прямо связана с мощностью излучения. Кроме того, при повышении мощности растет максимальная толщина разрезаемых листов при резке и максимальная глубина проплавления при сварке.

Наибольшая потребность существовала и продолжает существовать в мощных лазерах с высоким качеством излучения. Во-первых, наиболее распространенным видом лазерной обработки является резка, требующая излучение высокого качества. Во-вторых, лазер с качеством излучения на уровне ТЕМоо моды универсален — он обеспечивает качественную резку и сварку, в то же время, распределение интенсивности в фокальном пятне может быть преобразовано внешними устройствами в более равномерное для поверхностной обработки. Таким образом, при получении уже первого опыта практического применения технологических лазеров сформировалось основное направление их совершенствования — повышение мощности при сохранении высокого качества пучка.

Присущее устойчивому резонатору ограничение хорошо известно [4] — для дискриминации высших мод по потерям и поддержания генерации только на ТЕМоо моде число Френеля N резонатора не должно превышать величины приблизительно равной 1. л

Это ограничивает объем V моды и мощность излучения, поскольку V

NA.L , L -расстояние между концевыми зеркалами резонатора. Например,. при длине резонатора 8.05 м СС>2-лазер фирмы Spectra Physics модель 820 [1] имел при генерации на ТЕМоо моде мощность 1,5 кВт. Многомодовое же излучение, генерируемое при больших числах Френеля, непригодно для многих операций лазерной обработки. Существенно понизить расходимость излучения по сравнению с многомодовым устойчивым резонатором позволило применение в мощных СОг-лазерах неустойчивого резонатора [125, 4]. В неустойчивом резонаторе луч, запущенный в резонатор под малым углом к оси, при последовательных отражениях выходит за пределы апертуры зеркал. Оба зеркала резонатора могут быть полностью отражающими, излучение выводится из резонатора по периферии одного из зеркал. На практике наибольшее распространение получил телескопический резонатор, составленный из выпуклого и вогнутого сферических зеркал с общей фокальной точкой. В неустойчивом резонаторе эффективно подавляются высшие моды, выходной пучок имеет близкий к плоскому или сферическому волновой фронт даже при больших числах Френеля. На лазерах с неустойчивым резонатором были показаны хорошие результаты по сварке [127]. Однако, для резки качество пучка оказалось недостаточно высоким. Во-первых, выходной пучок имеет в поперечном сечении форму кольца, и в дальней зоне (в фокальной плоскости линзы) наблюдается дифракционная картина с побочными максимумами, имеющими значительную интенсивность. Это искажает структуру, фокального пятна и увеличивает его эффективный размер. Кроме того, распределение интенсивности в поперечном сечении пучка внутри резонатора существенно отличается от гауссова, обладающего минимальной расходимостью. Поэтому выходной пучок имеет худшее по сравнению с ТЕМоо модой качество даже при больших увеличениях резонатора, когда относительный размер отверстия связи в выходном зеркале мал и эффекты дифракции на отверстии не велики [6]. По этой причине неустойчивый резонатор не нашел применения в лазерах для резки.

В настоящее время в абсолютном большинстве технологических лазеров всех ведущих мировых производителей, таких, как Trumpf, Rofin Sinar, PRC Laser, используется обычный устойчивый резонатор. При генерации на ТЕМоо моде (К

0,6.0.9) мощность излучения не превышает 3.4 кВт [130, 131, 5], при мощности 8.10 кВт параметр качества имеет величину

0.25 [129, 130], при мощности 30 кВт — 0,13 [120] — расходимость излучения уже на порядок больше предельной дифракционной.

В течении последних 10-15 лет было предложено несколько решений для повышения качества излучения мощных СОг-лазеров. Большинство из них основано на применении резонаторов с неоднородным полупрозрачным зеркалом. Исследовалось несколько разновидностей неустойчивых резонаторов с полупрозрачным зеркалом. Если отражение выходного зеркала имеет максимум в центре и уменьшается к краю,-а неотраженная часть излучения составляет выходной пучок, то при соответствующем выборе величины отражения в центре, закона его изменения и коэффициента увеличения резонатора генерируется пучок без пустой центральной области с гладким профилем интенсивности и с расходимостью, близкой к предельной дифракционной. Существует несколько разновидностей зеркал с неоднородным отражением. Зеркала с гауссовым или супергауссовым профилем имеют на прозрачной подложке диэлектрическое покрытие с толщиной, уменьшающейся от центра к краю зеркала [7-8, 10]. Об экспериментах по применению таких зеркал в технологических С02-лазерах сообщалось в [11, 119, 149]. Известно зеркало с неоднородным отражением, представляющее собой интерферометр Фабри — Перо с изменяющимися по радиусу зазором [12]. В непрерывных С02-лазерах мощностью более 1 кВт применялось зеркало, в котором коэффициент отражения меняется ступенчато — отражение имеет постоянную величину в центральной части и просветленную кольцевую область [13]. В [13] подбором толщин покрытия и подложки обеспечивалось выравнивание фазы в выходном пучке.

Каждый электрик должен знать:  Почему ржавеют металлы

В [128] сообщается об использовании в мощном С02-лазере устойчивого резонатора с неоднородным полупрозрачным зеркалом — выходное зеркало имеет заданный коэффициент отражения в центральной части, а остальная часть зеркала просветлена. В лазере с таким резонатором достигнута мощность излучения 6,2 кВт, однако, в эксперименте наблюдалось ухудшение качества пучка при мощности излучения более 2 кВт, что авторы связывают с искажением в выходном зеркале.

В [14] в условиях непрерывкого С02-лазера мощностью около 1 кВт исследовался неустойчивый резонатор с однородным полупрозрачным зеркалом, что позволило повысить качество пучка по сравнению с неустойчивым резонатором с полностью отражающими зеркалами. Для уменьшения вредных дифракционных потерь резонатор имел увеличение, близкое к единице. Резонатор с малым увеличением имеет, как известно [4], высокую чувствительность к аберрациям, кроме того, остается возможность искажений пучка в полупрозрачном зеркале.

В настоящее время в промышленных технологических С02-лазерах применяется резонатор с неосевым выводом излучения-из полностью отражающих зеркал, устойчивый по одной поперечной координате и неустойчивый по другой, т.н. устойчиво-неустойчивый резонатор [131, 138]. В [129] устойчиво-неустойчивый резонатор применен в т.н. слэб лазерах с диффузионным охлаждением активной среды, лазеры генерируют мощность до 6 кВт при величине параметра качества 0,9. Устойчиво-неустойчивый резонатор применен также в С02-лазере с конвективным охлаждением активной среды и с поперечным потоком газа, где достигнута мощность излучения 6 кВт [131] Однако, эта схема также имеет свои ограничения. Резонатор плохо согласуется с активной средой, имеющей осевую симметрию. Выходной луч имеет в поперечном сечении форму прямоугольника, что не всегда приемлемо без дополнительных преобразований пучка. Для обеспечения неосевого вывода применяются цилиндрические зеркала, более сложные в изготовлении и дорогостоящие по сравнению со сферическими. . В слэб лазерах для обеспечения круговой симметрии пучка применяется внерезонаторная пространственная фильтрация. При фильтрации теряется мощность излучения. Кроме того, надежная техническая реализация пространственной фильтрации на высокой мощности является сложной задачей и при мощности

10 кВт, как минимум, значительно усложнит лазерную установку. Достоинством устойчиво-неустойчивого резонатора является отсутствие проходных оптических элементов. В то же время, из-за перечисленных особенностей применение устойчиво-неустойчивого резонатора нельзя считать универсальным решением генерации излучения с высоким качеством в мощных лазерах.

Цель работы — разработать оптический резонатор технологического СОг-лазера для генерации излучения с высоким качеством при уровне мощности 5 и более кВт.

Требование к резонатору мощного технологического лазера можно сформулировать следующим образом:

— высокое качество пучка при числе Френеля значительно превышающем 1; высокая эффективность преобразования энергии; простота конструкции;

— высокая лучевая стойкость оптических элементов

— низкая чувствительность к аберрациям.

В качестве объекта исследования выбран самофильтрующий резонатор [3]. Схема была предложена авторами P.G. Gobbi и G. Reali в 1984 году — за два года до начала настоящей работы. Резонатор отличается простотой конструкции, в нем отсутствуют проходные оптические элементы. К началу работы были опубликованы результаты экспериментов с самофильтрующим резонатором (СФР) в импульсных Nd:YAG [16], XeCl [18 ,37] и СОг-лазерах [17]. Сообщалось о высокой стабильности характеристик излучения. Была продемонстрирована возможность генерации пучка с высоким качеством и большей по сравнению с устойчивым резонатором мощности в лазерах с большим усилением активной среды. Возможность же эффективного использования СФР в лазерах с умеренным усилением, к которым принадлежат непрерывные СОг-лазеры, была неизвестной. Имевшихся теоретических и экспериментальных результатов было недостаточно для определения такой возможности и, тем более, для обоснованного выбора параметров при разработках. В выходном пучке СФР распределение поля низшей моды близко к гауссову за исключением приосевой области, которая не заполнена излучением. По этой причине распределение интенсивности в дальней зоне имеет характерную дифракционную структуру, детали которой определяются параметрами резонатора. Применимость такого пучка для резки также была неизвестна. Задачи работы формулируются следующим образом.

• Исследование возможности использования в непрерывном СОг-лазере самофильтрующего резонатора для повышения мощности излучения по отношению к устойчивому резонатору при сохранении качества пучка на уровне

• Определение оптимальной области рабочих параметров СФР в условиях мощного

• Экспериментальное определение характеристики излучения СО2-лазеров с СФР.

Оценка диапазона мощности излучения, в котором СФР может эффективно использоваться.

Исследование характеристик реза металлических листов излучением СОг-лазера с

В работе получены следующие новые результаты.

1. Впервые в технологическом СОг-лазере применен самофильтрующий резонатор для повышения качества пучка. . Разработана конструкция и определена область рабочих параметров резонатора в условиях непрерывного СОг-лазера мощностью 1. 8 кВт при качестве пучка близком к ТЕМоо моде.

2. Экспериментально определены энергетические характеристики и качество излучения технологических СОг-лазеров с СФР. На основе полученных удельных характеристик сделаны оценки мощности, которая может быть достигнута в проточных электроразрядных лазерах с СФР.

3. Определена перспективность применения СОг-лазера с самофильтрующим резонатором в технологиях обработки материалов на примере лазерной резки. Впервые экспериментально продемонстрирована возможность качественной резки стальных листов толщиной до 20 мм излучением лазера с СФР.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Самофильтрующий неустойчивый резонатор позволяет генерировать в непрерывном электроразрядном СОг-лазере мощностью 1.8 кВт излучение, близкое по качеству к ТЕМоо моде устойчивого резонатора при эффективности преобразования энергии на уровне неустойчивого телескопического резонатора.

2. СФР может обеспечивать в непрерывном электроразрядном проточном СОг-лазере мощность излучения с единицы длины резонатора приблизительно в три раза большую, чем устойчивый резонатор при генерации на ТЕМоо моде и при близких параметрах системы возбуждения.

3. СОг-лазер с самофильтрующим резонатором позволяет производить резку сталей с основными показателями качества реза и с удельными энергозатратами не хуже, чем лазер с устойчивым резонатором при генерации на низших модах.

Материалы диссертации опубликованы в работах [68-72, 74, 78 , 132-134, 145-148]. Основные результаты работы докладывались на Всесоюзной конференции «Применение лазеров в народном хозяйстве», Шатура, 1989 г.; Российской национальной конференции «Технологические лазеры и лазерная обработка материалов», Шатура, 1993 г; VII Международной конференции «Лазерные и лазерно-информационные технологии: фундаментальные проблемы и приложения», Владимир, 2001 г.; XIII International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers and High Power Laser Conference, Florence, Italy, 2000; XI International Conference on Laser Optics, S-Petersburg, 30 June-4 July, 2003; XV International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers and High Power Laser Conference, Prague, 30 August — 3 September 2004; XII International Conference on the Method of Aerophysical Research. , Novosibirsk, Russia, 23 June-3 July 2004; на 5 международной конференции «Лазерные технологии и средства их реализации», Санкт-Петербург, 2003; V Международном семинаре «Применение лазеров в науке и технике», Новосибирск, 1992; Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов ИТПМ, Новосибирск, 1988.

Личный вклад автора в получение представленных в работе результатов является определяющим, включая выбор способа достижения сформулированной в работе цели, планирование и проведение расчетов и экспериментов или непосредственное в них участие, разработку принципиальных технических решений конструкций резонаторов. Автор принимал непосредственное участие в создании экспериментальных установок и в формулировке целей и задач работы.

Результаты позволяют создавать мощные СОг-лазеры с высоким качеством излучения на основе простых по конструкции резонаторов из полностью отражающих зеркал. Результаты использованы при создании в ИТПМ СО РАН технологических СО2-лазеров мощностью от 1,5 до 8 кВт и на их основе автоматизированных комплексов для резки листовых материалов. Комплекс на основе лазера мощностью 1,5 кВт для резки электротехнической стали установлен в НПО «ЭЛСИБ» в 2001 году. В 2002 году в ОАО «Новосибирский завод химконцентратов» установлен комплекс мощностью 5 кВт для вырезки деталей из коррозионно-стойких сталей для атомной промышленности. На комплексе производится, также, резка углеродистых и низколегированных сталей, диэлектриков, композиционных материалов. Комплекс на основе лазера мощностью до 8 кВт создан для «ОКБ лазерной техники» при СО РАН. На комплексе ведутся исследования и разработки по лазерной технологии, в частности, произведена резка титановых пластин толщиной 30 мм. На предприятии «СибЛазер» СОг-лазеры мощностью

1.3 кВт с СФР входят в состав комплексов, использующихся для резки широкого круга металлических и неметаллических материалов.

Выполнение настоящей работы было бы невозможно без существующей в ИТПМ СО РАН экспериментальной базы — мощных СОг-лазеров и технологических комплексов на их основе. Автор глубоко благодарен их создателям — А.И Иванченко и А.М Оришичу. Автор благодарит соавторов научных публикаций и весь коллектив лаборатории №3 «Лазерные технологии» ИТПМ СО РАН за сотрудничество.

Численное моделирование лазерных неустойчивых резонаторов с зеркалами произвольной формы в неортогональных координатах

( The Mathematical Modeling of the Laser Beam Propagation in the Unstable Resonator with the Mirrors of the Arbitrary Form in Non-orthogonal Coordinate Systems

Preprint, Inst. Appl. Math., the Russian Academy of Science)

Коробочкин А.Е., Павлов В.И., Пергамент А.Х.
(A.E.Korobochkin, V.I.Pavlov, A.Kh.Pergament)

ИПМ им. М.В.Келдыша РАН

Москва, 2002


Аннотация

В настоящей работе представлен метод расчетов распространения лазерного излучения в неустойчивых резонаторах с лазерными зеркалами, произвольной формы. Предлагаемый метод основан на переходе к неортогональной системе криволинейных координат, позволяющей адекватно сводить полную волновую краевую задачу к системе эволюционных задач типа нестационарных уравнений Шредингера. Отличительная особенность предлагаемого метода – отказ от преобразования Сигмена-Синклаша. Вследствие этого отпадает необходимость в интерполяции поля на малом зеркале на более подробную сетку, что принципиально необходимо для решения уравнения, описывающего распространение излучения после отражения поля от малого зеркала. В предлагаемой работе для численного решения краевых задач использованы спектральные методы и итерационные процессы. Основные особенности расчетов неустойчивых резонаторов продемонстрированы на примере телескопического резонатора с цилиндрическими зеркалами, заполненного насыщающейся активной средой.

Abstract

The mathematical modeling of the laser beam propagation in the unstable resonator with the mirrors of the arbitrary form is represented in the article. The method considered is based on using the non-orthogonal coordinate systems, which allows the adequate reduction of full wave boundary problem to the system of the evolution Shredinger’s equations. The features of the method described are neglecting from the Siegman-Siclash transformations. As a result it doesn’t need to interpolate the field near the back mirror on the detailed grid, that is necessary generally for the solution of the equation, describing the radiation propagation after the field reflection from the back mirror. The spectral methods and iterations have been used for the numerical solution of the boundary problems. The telescope resonator with the cylindrical mirrors has demonstrated the features of the unstable resonator calculations when the active medium has been saturated.

Проблеме распространения лазерного излучения в открытых неустойчивых резонаторах, начиная со статьи Сигмена [1], посвящено большое количество теоретических и экспериментальных работ, основные результаты которых подытожены в известных монографиях [2,3]. Математические модели и основные численные методы изложены в работах [4,5].

В настоящей работе представлен метод расчетов распространения лазерного излучения в неустойчивых резонаторах с отражающими зеркалами, вообще говоря, произвольной формы. Предлагаемый метод основан на переходе к неортогональной системе криволинейных координат, позволяющей адекватно сводить полную волновую краевую задачу к системе эволюционных задач типа нестационарных уравнений Шредингера.

В данной работе проведено четкое разделение особенностей двумерных и трехмерных задач, получаемых из соответствующих уравнений Гельмгольца [6,7]. Важной особенностью полученных эволюционных уравнений является наличие в них членов, характерных для уравнений переноса. Так, в частном, но важном случае телескопического резонатора в уравнении, описывающем распространение излучения от малого зеркала к большому, появляется член переносного типа.

Одна из особенностей предлагаемого метода – отказ от преобразования Сигмена-Сиклаша. Вследствие этого отпадает необходимость в интерполяции поля на малом зеркале на более подробную сетку, что принципиально необходимо для решения уравнения, описывающего распространение излучения после отражения поля от малого зеркала. Поскольку время, затрачиваемое только на интерполяцию, вносит существенный вклад в общее время решения всей задачи, отказ от использования преобразования Сигмена-Сиклаша позволяет существенно увеличить эффективность численного решения.

В предлагаемой работе для численного решения краевых задач использованы спектральные методы [8,9] и итерационные процессы. При численном решении наличие достаточно резких изменений поля в резонаторе приводит к необходимости использования достаточно подробных сеток и проведения значительного числа итераций. Это, в свою очередь, приводит к необходимости точного учета кривизны зеркал.

Основные особенности расчетов неустойчивых резонаторов продемонстрированы на примере телескопического резонатора с цилиндрическими зеркалами, заполненного насыщающейся активной (усиливающей) средой.

Особый интерес представляет численное исследование поля в резонаторе в трехмерном случае. Решение такой задачи требует больших вычислительных ресурсов, которыми обладают многопроцессорные ЭВМ.

MACROBUTTON MTEditEquationSection Equation Section (Next) SEQ MTEqn \r \h \* MERGEFORMAT SEQ MTSec \h \* MERGEFORMAT 1. Рассмотрим открытый оптический резонатор с зеркалами произвольной формы. Поверхности зеркал в декартовой системе координат описываются соответственно гладкими функциями

и , имеющими ограниченные вторые частные производные.

Во внутренней области резонатора электрическое поле удовлетворяет уравнению Гельмгольца:

, MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT ( 1 )

где — волновой вектор в среде с показателем преломления , -известная функция. Будем рассматривать задачу в специально выбранных неортогональных криволинейных системах координат , позволяющих адекватно описывать распространение лазерного излучения в резонаторе.

В произвольной системе координат уравнение (1) принимает вид:

. MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT ( 2 )

Здесь — метрический тензор, , . По повторяющимся индексам подразумевается суммирование.

Перейдем от уравнения Гельмгольца к системе эволюционных уравнений типа уравнения Шредингера для медленно меняющихся комплексных амплитуд. Представим поле в виде . Здесь быстроменяющаяся функция — либо фундаментальное решение оператора Гельмгольца, либо решение, адекватно отражающее физический процесс распространения излучения. Тогда из уравнения (2) следует:

. MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT ( 3 )

Для удобства перепишем (3) следующим образом:

. MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT ( 4 )

ОПТИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1983 .

совокупность неск. отражающих элементов, образующих открытый резонатор (в отличие от закрытых объёмных резонаторов, применяемых в диапазоне СВЧ). Для длин волн также невозможно из-за возбуждения в них большого числа собств. колебаний, близких по частоте, в результате чего резонансные линии перекрываются и резонансные свойства практически исчезают. В О. р. отражающие элементы не образуют замкнутой полости, поэтому большая часть его собств. колебаний сильно затухает и лишь малая часть их затухает слабо. В результате спектр образовавшегося О. р. сильно разрежен.
О. р. — резонансная система лазера, определяющаяспектральный и модовый состав лазерного излучения, а также его направленностьи поляризацию. От О. р. зависит заполненность активной среды лазера полемизлучения и, следовательно, снимаемая с неё мощность излучения и кпд лазера.
Простейшим О. р. является интерферометрФабриПеро, состоящий из двух плоских параллельных зеркал. d друг от друга, где q — число полуволн, укладывающихся между зеркалами, наз. продольныминдексом колебания (обычно q

10 4 — 10 6 ).Собств. частоты О. р. образуют арифметич. прогрессию с разностью c/2d (эквидистантныйспектр). В действительности из-за дифракции на краях зеркал поле колебанийзависит и от поперечных координат, а колебания характеризуются также поперечнымииндексами т, п, определяющими число обращений поля в 0 приизменении поперечных координат. Чем больше т и п, тем вышезатухание колебаний, обусловленное излучением в пространство (вследствиедифракции света на краях зеркал). Моды с т = п =0 наз. продольными, Т. к. коэф. затухания колебания растётс увеличением т и п быстрее, чем частотный интервал междусоседними колебаниями, то резонансные кривые, отвечающие большим т и п, перекрываются и соответствующие колебания не проявляются. Коэф. N зон Френеля, видимых на зеркаледиам. R из центра др. зеркала, находящегося от первого на расстоянии d: (см. Френелязоны). При N

1 остаётся 1 — 2 колебания, сопутствующих осн. q =1).

Двухзеркальные резонаторы. О. р. каустики. Поскольку волновоеполе быстро убывает вне каустики, излучение из сферич. О. р. с каустикойгораздо меньше, чем излучение из плоского О. р.

Рис. 1. Двухзеркальный резонатор.

Разрежение спектра в этом случае реализуетсяблагодаря тому, что размеры каустики растут с ростом т и n.Для колебаний с большими т и п каустика оказывается расположеннойвблизи края зеркал или вовсе не формируется. Сферич. О. р. с каустикойназ. устойчивыми, т. к. параксиальный луч при отражении не уходит из приосевойобласти (рис. 2, а). Устойчивые О. р. нечувствительны к небольшимсмещениям и перекосам зеркал, они применяются с активными средами, обладающиминебольшим усилением ( 10%на один проход). Для сред с большим усилением используются неустойчивыеО. р., в к-рых каустика образоваться не может; луч, проходящий вблизи осирезонатора под малым углом к ней, после отражений неограниченно удаляетсяот оси. На рис. 2( б )дана диаграмма устойчивости О. р. при разл. R1 и R2 зеркал и расстоянием d между ними. Незаштрихованные области соответствуютналичию каустик, заштрихованные — их отсутствию. Точки, соответствующиерезонатору с плоскими (П) и концентрическими (К) зеркалами, лежат на границезаштрихованных областей. На границе между устойчивыми и неустойчивыми О. R1 = R2= d). Из устойчивых О. р. наиб. часто используется полуконфокальный(R1 = х R2 = 2d), из неустойчивых — телескопическийО. р. (R1+ R2 = 2d). Потерина излучение в неустойчивых О. р. для колебаний высших типов значительнобольше, чем для осн. колебания. Это позволяет добиться одномодовой генерациилазера и связанной с ней высокой направленности излучения.

Рис. 2. Образование каустики( а )идиаграмма устойчивости двухзеркальных резонаторов ( б): знаком плюсотмечены области устойчивости; минусом — области неустойчивости; сплошныелинии — границы этих областей; П — резонатор с плоскими зеркалами; Конф.- конфокальный резонатор; К — концентрический резонатор; пунктир — линиятелескопических резонаторов.

Теория. Распределение электрич. поля . устойчивогоО. р. в плоскости, перпендикулярной оси О. р. (z), описывается выражением

Здесь Е — коэф., определяющийамплитуду поля; Н т, — полиномы Эрмита (см. Ортогональныеполиномы) т- йи n -й степеней: Н (х) =1, Н 1(x)= 2х, Н2( х) =4x 2 — 2, Н 3 (х)=8 х 3 —12x; W — поперечный радиуспродольной моды (на расстоянии от оси О. р., равном W, плотностьэнергии продольной моды уменьшается в е раз). Зависимость W(z )имеет вид

где а z отсчитывается от т. н. перетяжки продольной моды, т. е. от той точкина оси резонатора, где её радиус имеет наим. значение, равное W (рис.2, а). Расстояние от перетяжки до зеркала R1


радиус продольной моды в перетяжке

Частотный спектр двухзеркального О. р.

Распределение поля на зеркале показанона рис. 3. Т. к. частотный спектр двухзеркального О. р. вырожден (зависитлишь от суммы т + n, но не от каждого из индексов в отдельности),то Е(х, )может отличаться от (1). Конкретный вид распределенийзависит от слабых возмущающих действий со стороны диафрагм или др. объектовв области, занимаемой пучком. В частности, при осевой симметрии возможныраспределения полей (рис. 4), описываемые в цилиндрич. координатах(r, ,z )выражением

Здесь l, p — индексы колебания, r и W(z)- радиус продольной моды; — обобщённый полином Лагерра:

Спектр О. р. при осевой симметрии определяетсясоотношением (2), где ( т+ п+ 1) следует заменить на (+l+1).

Рис. 3. Распределение поля на зеркале припрямоугольной симметрии.

Рис. 4. Распределение поля на зеркале приосевой симметрии; * соответствует распределению поля при сложении двухортогонально поляризованных мод.

Составной резонатор. Кроме зеркал О. р. пластинки, линзы и др.). СоставнойО. р. может работать в двух режимах в зависимости от того, используетсяили теряется излучение, отражённое от промежуточных поверхностей. Еслиотражённое излучение используется, то О. р. наз. согласованным. Каждаячасть согласованного О. р., заключённая между двумя соседними поверхностямираздела, может рассматриваться как отд. резонатор, причём поперечные модыэтих резонаторов подбирают так, чтобы они совпадали на границах раздела.

Согласованный О. р. обладает неэквидистантнымспектром и может быть использован для разрежения продольного спектра О. Важной проблемой в случае составного О. Квазиоптика). Егопрохождение через оптич. элементы описывается матрицами этих элементов(см. Матричные методы в оптике), а прохождение через О. р. описываетсяматрицей, являющейся произведением матриц составляющих его оптич. элементов. q определяется ур-нием

Cq 2 + (D — A)q — B = 0.

Коэф. А, В, С, D образуют матрицуО. р. Это ур-ние, а также соотношения R = [Re( l /q)]l, =[kIm( 1 /q)] -1 позволяют определить поперечныйрадпус пучка и радиус кривизны волнового фронта R в любом сечении резонатора.

Селекция продольных мод. Для разрежения(селекции) продольных мод, имеющих одинаковое поперечное распределениеполя, но отличающихся частотой, используются резонаторы, содержащие дисперсионныеэлементы (призмы, дифракц. решётки, интерферометры и др.). В частности, зеркало, коэф. отражения к-рогоrзависит от частоты v. Для удаления из спектра одной из продольныхмод наиб. пригоден линейный трёхзеркальный О. р. (рис. 6, а), длявыделения в спектре одной продольной моды — резонатор Фокса — Смита (рис.6, б) и Т-образный (рис. 6, в). В нек-рых случаях удобен О. г).

Рис. 6. Различные типы связанных резонаторов(I) и зависимость коэффициента отражения эквивалентного зеркала отчастоты v(II).

В лазерах на красителях применяется комбинациядифракц. решётки и интерферометра Фабри — Перо (рис. 7). При этом интерферометрвыделяет одну продольную моду, а решётка предотвращает генерацию на др. 1 и Л 2, образующиет. н. телескоп, согласуют узкий пучок, проходящий через активную средуА, с широким пучком, попадающим на интерферометр и решётку .Активная средав таком О. р. играет также роль диафрагмы, выделяющей осн. поперечную моду. лазерына красителях.

Рис. 7. Резонатор, содержащий дисперсионныеэлементы (используемый в лазерах на красителях). А — кювета с активнойсредой; З — непрозрачное или частично прозрачное зеркало; И — интерферометрФабри — Перо; Д — дифракционная решётка.

Селекция поперечных мод основана на различиив распределении полей поперечных мод с разными т и п. Т. При селекции поперечных мод необходимо, 6), где поперечные размерымод увеличиваются: 1) радиус моды увеличивается во всём объёме, если расстояние . между зеркалами постоянно, а радиусы крпвизны зеркал Rl и R2 (приэтом сильно увеличивается чувствительность резонатора к разъюстировкам);2) радиус моды увеличивается на 1-м зеркале и уменьшается на 2-м, если d R1(R2R1); 3) радиус моды увеличивается на 2-м зеркале и уменьшаетсяна 1-м, если d R2;4) радиус моды увеличивается на обоих зеркалах и уменьшаетсяв области их центров кривизны, если d (R1 + R2).
При необходимости выделения к.-л. высшеймоды на нулевой линии распределения поля этой моды помещают тонкую рассеивающуюнить, к-рая не оказывает влияния на избранную моду и подавляет др. моды, Резонаторы с анизотропными элементами. поляризаторы, вещества, обладающие оптической активностью, и др., а такжепластины Брюстера и диэлектрич. зеркала при наклонном падении на них излучения. матрица всего О. р. является произведением матриц входящих внего элементов, расположенных в том порядке, в к-ром через эти элементыпроходит излучение начиная с того места, где требуется определить состояниеполяризации. Собств. векторы поляризац. матрицы являются векторами Джонса Еху) полей, генерируемых в О. р.

Модули собств. значений матрицы Джонсаопределяют потери О. р., обусловленные поляризаторами, а фазы собств. значений- поляризац. поправки к частотам соответствующих мод. Подбирая анизотропныеэлементы, можно добиться требуемого состояния поляризации. Учитывая, чтообычно анизотропные элементы обладают заметной дисперсией, можно использоватьих также для разрежения продольного спектра.

Кольцевые резонаторы. Спектр собств. R, расположенными в вершинах равностороннего треугольникасо стороной а (рис. 8), определяется соотношением

Рис. 8. Кольцевые оптические резонаторы.

Перетяжки мод находятся на серединах сторонтреугольника; поперечные протяжённости мод в области перетяжки в плоскостиосевого контура равны:

Если у резонатора лишь одно зеркало сферическое, 8,6), то его спектр определяется соотношением

Поперечные протяжённости мод в областиперетяжки, к-рая находится на середине стороны треугольника, противолежащейсферич. зеркалу в плоскости резонатора, равны:

Оптич. система, образующая О. р. с неплоскимконтуром, напр. система из 4 зеркал, расположенных в вершинах тетраэдра(рис. 8, в), характеризуется тем, что изображение того или иногопредмета, построенное с помощью этой системы, повёрнуто относительно самогопредмета на нек-рый свойственный этой системе угол. Для тетраэдра этотугол равен где -углы между соседними плоскостями падения лучей на зеркала (грани тетраэдра),к-рые отсчитываются так, что тетраэдр лежит внутри угла. Продольной модойО. р. с неплоским контуром является пучок, у к-рого гл. оси эллиптич. амплитудногораспределения развёрнуты на нек-рый угол относительно гл. линий кривизныволнового фронта. Благодаря этому амплитудное распределение при распространениипучка в свободном пространстве испытывает поворот, к-рый компенсирует поворот, лазерных гироскопах. Они позволяют, Неустойчивые резонаторы обладаютвысокими потерями на излучение во внеш. пространство (см. выше). Потеривозрастают с увеличением т и п, благодаря этому неустойчивыеО. р. обеспечивают одномодовую (по т и п )генерацию. Достоинствомнеустойчивых О. р. является большая поперечная протяжённость осн. моды, Осн. мода неустойчивого О. р. образованадвумя сферич. волнами, распространяющимися между зеркалами навстречу другдругу. В случае телескопич. неустойчивого О. р. (рис. 9) одна из волн можетбыть плоской. Центр сферич. волны лежит на расстоянии х = R2/2за выпуклым зеркалом с радиусом кривизны R2. Вогнутоезеркало должно обладать при этом радиусом кривизны |R1| =R2 + 2d (Rl

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Самофильтрующий неустойчивый резонатор в технологических CO2-лазерах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Шулятьев Виктор Борисович

САМОФИЛЬТРУЮЩИЙ НЕУСТОЙЧИВЫЙ РЕЗОНАТОР В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ С02-ЛАЗЕРАХ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Институте теоретической и прикладной механики Сибирского отделения Российской академии наук

доктор технических наук Иванченко Анатолий Иванович

доктор физико-математических наук, профессор Оришич Анатолий Митрофанович

доктор физико-математических наук Насыров Камиль Ахметович

кандидат физико-математических наук Карапузиков Александр Иванович

Институт проблем механики РАН

Защита состоится «_»_2005 г. в_час._мин. на заседании

диссертационного совета К 003.005.01 в Институте автоматики и электрометрии СО РАН по адресу: 630090, г. Новосибирск, просп. Академика Коптюга 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Институте автоматики и электрометрии СО РАН

Автореферат разослан «_»_2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н.

¿0082. ¿ЛУ о /), и^Г)) радиальные распределения комплексной амплитуды поля в опорных плоскостях ! и 2, А — расстояние между опорными плоскостями, Я/ — апертура источника в плоскости 1, ](, — функция Бесселя первого рода нулевого порядка, к = 2тх/Х, А, В, О -элементы лучевой матрицы промежутка 1-2. Расчеты проводились двумя методами -итерационным методом Фокса и Ли, а также методом [18], при котором интегральное уравнение резонатора сводится к системе линейных алгебраических уравнений.

Расчеты выполнялись для низшей моды пустого резонатора со сферическими зеркалами. Вследствие дифракции на отверстии связи распределение в дальней зоне представляет собой характерную струюуру с центральным пятном и боковыми кольцами. Качество пучка возрастает с ростом увеличения резонатора М, М = поскольку уменьшается интенсивность побочных максимумов и доля энергии за пределами центрального пятна. При М> 4 выходной пучок СФР приближается по качеству к гауссову, рассчитанный для пустого резонатора параметр К имеет величину 0,9 и более, К параметр качества излучения, К = 4л/7гОО, где 0, О — расходимость излучения в дальней зоне и диметр пучка в ближней зоне, соответственно.

На рис. 2 показана доля мощности а, в центральном пятне в дальней зоне и интенсивность 1т! первого побочного максимума в зависимости от увеличения резонатора М. При М

4 в центральном пятне содержится 90% всей мощности пучка, а 1т1 имеет величину менее 0,007. Для сравнения отметим, что источнику с круглой апертурой и однородным распределением амплитуды и фазы соответствуют б0 и 1т1, равные 84% и 0,

0175 На рис 3 показаны рассчитанные распределения интенсивности изучения в выходном пучке (в плоскости выводно! о зеркала) и в дальней зоне при М

Рассчитывалась также зависимость качества выходного пучка от соотношения апертуры зеркал резонатора и размера пятен на зеркалах Установлено, что качество пучка максимально, когда радиус А апертуры зеркал равен радиусу центрального пятна радиального распределения интенсивности на выводном зеркале, что имеет место при А = 1,5 Ma.

В главе 2 анализируется возможность эффективного использования СФР в мощном непрерывном элекгроразрядном С02-лазере

Особенностью СФР является взаимозависимость величины обрашой связи, модового объема при заданной длине резонатора и качества выходного пучка, поскольку все эти величины зависят от геометрического увеличения M резонатора Причем зависимость модового объема V и качес!ва пучка К or M яв^ется прямой, а величины обратной связи R’ — обратной.

Оценка эффективности преобразования энергии в резонаторе и необходимого усиления сделана на основе известных соотношений [1!], полученных для аационарното режима генерации, однорочного уширения контура уситения, равномерного распределения ненасыщенного коэффициента уситения а0 по активному объему и равномерною распре (еления интенсивности излучения генерации в поперечном сечении резонатора. Как следу ci из представленных в Главе 1 результатов, выходной пучок СФР приближается по качеству к гауссову при M * 4 и более Согласно оценкам, при M — 4 . 5 и характерных дтя СОт-тазера потерях в многопроходной схеме резонаюра эффективность преобразования имеет максимум при a(Jl = 10. 12 Но поскольку КПД резонатора слабо зависит от обратной связи вблизи свои о максимального значения, уменьшение усиления в 2 2,5 раза приводит к уменьшению КПД всего на 10%. Усиление ccol

4.. 6 уже вполне достижимо при непрерывной накачке в многопроходной схеме Таким образом, высокое качество пучка и высокая эффек тивнос гь преобразования энергии в резона юре достигаются в диапазоне увеличений резонатора M

4 .. 6. В СФР с увеличением однозначно связано число Френе.ш N усилительного плеча, N = D7 /4X1 — 0,6\a»hM , здесь а — A/Ma, А -радиус апертуры зеркала резонаюра, 1 длина акшвной среды, h f]/’l Соо1ве1ствующий Vf 4. 6 диапазон N равен 5. 8, что хорошо согласуется с парамеграми активных сред современных проючных С02-лазеров.

[‘лава 3 посвящена применению СФР в технологических С02-лазерах. Описана конструкция разработанных в ИТПМ СО РАН лазеров, предиавлены схемы резонаторов, приведены результаты измерения характеристик излучения, проведено сравнение лазеров с СФР и лазеров с устойчивым и неустойчивым телескопическим резонаторами

Созданные в ИТПМ СО РАН технологические С02-лазеры непрерывного действия ЛОК [151 существую! в нескольких модификациях. Общим для них является использование самостоятельного разряда постоянного тока для возбуждения активной среды, конструкция электроразрядного устройства со сплошными несекционированными электродами и общая компоновочная схема лазера: направления газового потока, электрического тока и направление распространения излучения в резонаторе взаимно перпендикулярны Различаю юя лазеры длиной электродной сисюмы в поперечном к

газовому потоку направлении, количеством разрядов в общем газовом потоке (один или два), конфигурацией газодинамического контура. Электродная система включает общий для обоих разрядов анод — медную пластину шириной вдоль потока 100. 140 мм, и два кагода — медные трубки по обеим сторонам анода вблизи диэлектрических стенок канала. Газ прокачивается по замкнутому контуру при помощи центробежного вентилятора. Скорость газового потока на входе в разрядную камеру составляет 45. 60 м/с. Непосредственно за разрядной камерой по направлению потока расположен ребристый теплообменник, использующий в качестве хладагента воду. Газовая смесь C02:N2:He или С02:воздух:Не имеет давление до 30 мм.рт.ст.

СФР устанавливался и исследовался на нескольких лазерах типа ЛОК, отличающихся количеством разрядных промежутков и длиной разряда. Максимальная мощность излучения ССЬ-лазеров семейства JIOK с СФР получена на лазере «Сибирь 1» с двумя разрядными промежутками. Расстояние между катодом и анодом равно 55 мм в каждом разряде, длина электродной системы вдоль направления распространения излучения в резонаторе рав1 га 110см. Скорость газа в разрядных промежутках равна 50 м/с. Схема резонатора показана ни рис. 4. В большем шгече резонатора луч совершает по 3 прохода в каждом разрядном промежутке по Z-образной схеме. Увеличение резонатора равно 4,5, длина резонатора (расстояние между крайними сферическими зеркалами) -11,2 м. Диаметр отверстия связи в выводном зеркале равен 7,3 мм, диаметр апертуры зеркал в большом плече резонатора — 49 мм и равен расчетному значению центрального пятна распределения интенсивности. Кольцевое зеркало является вогнутым и образует со стоящим за ним по ходу луча выпуклым зеркалом (на рисунке не показано) телескоп, уменьшающий диаметр луча в 1,3 раза. Максимальная мощность излучения лазера равна 8,3 кВт.

В таблице 1 дано сравнение лазера «Сибирь 1» с СО?-лазерами Spectra Physics 820 [15] и Toshiba Corporation [16], в которых активная среда возбуждается гакже самостоятельным разрядом постоянного тока.

Мощность Aitepiypa Длина Удельная

Лазер Резонатор излучения, зеркал, резонатора, мощность,

Spectra Physics устойчивый 1,5 — 8,05 0,19

Toshiba неустойчивый 10 50 10 1,0

Corporation M = 3

Сибирь 1 самофильтрующий М — 4,5 8 49 11,2 0,71

Самофилырующий резонатор позволит получить мощность излучения с единицы длины резонатора примерно в 1,4 раза меньшую, чем неустойчивый телескопический резонатор, но более чем в 3 раза ботьшую, чем устойчивый при i операции па TFMf,o моде.

Измерения пространственных характеристик излучения выполнены на лазерах «Сибирь 1» и ЛОК-ЗМ мощностью 3,5 kBi Лазер ЛОК-ЗМ имеет два разрядных промежутка при длине разряда 80 мм. Увеличение резонатора ЛОК-ЗМ равно 4,5, компоновочная схема резонатора аналогична схеме лазера «Сибирь 1» Для измерения расходимости излучения в дальней зоне и диаметра пятна в ближней зоне использовался метод калиброванных диафрагм. Выходной пучок фокусировался сферическим мстатлическим зеркатом с фокусным расстоянием 4,8 м, распределение мощности в перетяжке пучка («мощность в кружке») определялось измерением доли полной мощности, проходящей через диафрагму при различных диаметрах диафрагмы По результатам измерений расходимость излучения 0 равна 0,68 мрад (полный утл по уровню 0,86 мощности), а диаметр D пучка в ближней зоне, измеренный методом калиброванных диафрагм, — 30 мм Этим величинам соответствуст К = 0,66

Зависимость распределения интенсивности в сфокусированном пучке от мощности излечения измерена на лазере «Сибирь Ь>. Распределение ингенсивносш в перетяжке пучка, сфокусированного ZnSe линзой с фокусным расстоянием 190,5 мм, регистрировалось методом сканирования отражающим цилиндром. Фокусирующая линза входи I в состав резака, который используется для лазерной резки. При помощи соыасующею icJiecKona апертурньтй диаметр пучка на входе в линзу устанавливался равным 30 мм. На рис. 5 показано распределение мощности в пучке, полученное в результате сканирования перетяжки пучка в направлении, перпендикулярном оси пучка

Измерения проводились при мощности излучения 0,5. 5,5 кВт. В этом диапазоне осевая интенсивность возрастает с ростом мощности практически линейно, и не происхотит видимых изменений диаметра пучка и формы распредетения Диаметр пучка по уровню 0,86 мощности на фокусирующей линзе равен приблизительно 20 мм Как показывают оценки, вклад сферической аберрации в размер фока плюю пята пренебрежимо мал, что позвотяет оценить расходимость излучения и параметр качества пучка Оценка дает К — 0,63, что близко к величине 0,66 лазера ЛОК-ЗМ, резонатор которого также имеет увеличение 4,5.

На рис 6 в координатах «мощность изтучения — качество пучка» представлены промышченные ¡ехнологические СОг-лазеры двух ведущих мировых фирм-нроизводитетей — Trumpf и Rofin Sinar, зтесь же представлен лазер «Сибирь 1» с самофильтрующим резонатором

Как видно из рисунка, максимальная мощность лазеров с устойчивым резонатором при генерации на ТЕМад моде (К — 0,9) не превышает 3,5 кВт. Такую же мощность имеют лазеры, генерирующие преимущественно на ТЕМ„о моде с примесью мод высших порядков (К — 0,6) Мощность 6 кВт достигается при генерации на ТЕМ0| моде (К = 0,55). Далее с ростом мощности происходит резкое ухудшение качества пучка Максимальную мощность 6 кВт при качестве пучка на уровне TEMqo моды имеют так называемые «слэб»-пазеры, в которых применен устойчиво-неустойчивый резонатор. Эта схема применена также в СОглазере с поперечным поюком мощностью 6 кВт [12|. Присущие эюму резонатору недостатки отмечены во Введении Проведенный анализ показываст, чю

полученная в настоящей работе мощность проточного СОг-лазера с СФР не является предельной Самофильтрующий резонатор позволяет сочетать высокую мощность излучения и высокое качество пучка и представляется перспективным для использования в ССЬ-чазерах мощностью более 5 кВт

Мощность излучения может быть повышена путем увеличения объема активной среды или увеличения плотности накачки. В работе сделаны оценки мощное I и, достижимой в лазере с поперечной прокачкой при использовании СФР В таблице 2 представлены два варианта построения лазера типа «Сибирь \>, также с двумя разрядами, но с повышенной длиной разряда и коэффициентом увеличения резонатора 5 вместо 4,5. Уси тения активной среды при этом, как показывают оценки, достаючно для обеспечения эффективного преобразования энергии Мощность излучения с единицы активною объема принята 1акой же, как в ¡тазере «Сибирь 1» Возможность достижения мощности излучения 5 кВт с 1 м длины разряда в лазерах типа ЛОК продемонстрирована в [ 17] Таблица_2.

резонатора резонатора разряда

В главе 4 изложены результаты применения СОг лазеров с СФР для резки сталей Дано общее описание созданных на основе лазеров с СФР техпотогических комплексов д ш речки листвых материалов. Приведены скорость резки, шероховатость поверхности реза, ширина реза для листов углеродистой и легированной ста ш. Дано сравнение полученных резу штатов с известными из литературы харак!сристиками реза, полученными при использовании лазеров с устойчивыми резонаторами Приведены фоюграфии вырезанных деталей, поверхностей реза, поперечных сечений канала реза.

Оптическая система комплекса включает лазерный резонатор, выходное окно из 7пЯе, зерка зьный телескоп для согласования диаметра выходного пучка лазера и входной апер|уры лазорною резака, систему плоских нромежу!очных зеркал, фазосдвигающее зеркало для преобразования плоской поляризации излучения в круговую, фокусирующую линзу из /п$с Координатный технологический стол построен по схеме «тегающая оптика» (лазерный резак перемещается по двум поперечным координатам относительно неподвижного лис га) Соосно с лазерным пучком на материал подается через коническое сопто струя технологического газа Дтя стабилизации зазора между соплом и разрезаемым листом применена система слежения на основе емкостного датчика На рис 7 дана фотография лазерного технологического комплекса для резки листовых материалов на основе лазера с СФР. Резонатор лазера имеет увеличение 4,5.

В таблице 3 приведены скорости резки листов углеродистой стали обыкновенного качества Ст.З в струе кислорода в сравнении со скоростями резки мало)г геродистой стали

при использовании СОглазера с устойчивым резонатором фирмы PRC. При резке лазером с СФР во всем диапазоне толщин листов использовалась линза с фокусным расстоянием 190,5 мм при диаметре пучка на линзе 30 мм (апертурный размер). Скорость резки определялась как скорость, при которой отсутствует грат на нижней кромке реза, и шероховатость имеет визуально минимальную величину Видно, что скорости резки лазером с СФР и лазером PRC близки. Таблица 3.

Толщина, мм 2 3 4 5 6 8 10 10 12 20

Мощность, кВт 1 1 1 ! 1 1 1 1,3 1,5 1,5 3,5

Скорость, м/мин СФР,ЛОК 3,8 2,7 1,8 1,6 1,4 1 0,8 0,6 0,9

Скорость, м/мин УР, PRC 4 2,3 1,8 _ 1,5 1,4 1 0,9 0,8 0,85

Измеренная величина шероховатости R„ усредненная для образцов толщиной 1. 10 мм, равна 19,7 мкм (для измерений использовался профилограф Form Talysurf 0355) Аналогичная величина для поверхности реза, полученного на комплексах фирмы Trumpf, -14,7 мкм, величины достаточно близки. При толщине образцов 10 мм и более поверхность реза для лазеров с СФР имеет в 1,5. 2 раза большую шероховатость. Следует заметить, что качество реза зависит от большого количества различных, иногда трудно контролируемых факторов — химического состава разрезаемого материала и технологического газа, состояния поверхности листа, стабильности перемещения резака относительно листа, состояния оптических элементов, что затрудняет корректное сравнение результатов, полученных на разных установках. Образцы реза малоуглеродистой стали толщиной 16 мм и 10 мм показаны на рис. 8 и 9, соответственно.

При резке малоуглеродистой стали толщиной 1 мм в струе азота одиночной линзой при условиях фокусировки, оптимальных для получения минимального размера фокального пятна, рез имеет ширину 90. 100 мкм, что характерно для одномодовых С02-лазеров.

На рис. 10 показано сечение канала реза титановой пластины толщиной 20 мм. В качестве технологического газа использовался аргон, фокусное расстояние линзы равно 254 мм, перетяжка сфокусированного пучка находится на расстоянии 9 мм от верхней поверхности реза. Ширина канала на половине толщины равна 33 мм, что близко к диаметру пучка в перетяжке. На рис. И показана поверхность реза титановой пластины толщиной 30 мм, рез выполнен на установке «Сибирь 1» при мощности излучения 6 кВт.

По результатам экспериментов можно сделать следующие выводы.

1. При резке малоуглеродистой стали в струе кислорода фат на деталях orcyi ствует.

2 Скорость резки малоуглеродистой стали в струе кислорода близка к скорости резки излучением С02-лазера с устойчивым резонатором.

3. Шероховатость поверхности рсза листов малоуглеродистой стали толщиной до 10 мм не превышает 20 мкм, что характерно для резки излучением лазеров с устойчивым резонатором.

4. Боковые стенки канала реза близки к прямым. При резке стальных и титановых листов с инертным газом выбором условий фокусировки может бьггь получена ширина реза, близкая к диаметру перетяжки сфокусированного пучка. В листе толщиной 1 мм рез имеет ширину примерно равную 0,1 мм, характерную для С02-лазеров с устойчивым резонатором.

В Заключении приведены основные результаты работы.

1. Расчетным путем определены пространственные характеристики выходного пучка самофильтрующего резонатора.

2. Определены увеличение резонатора и поперечные размеры зеркал, оптимальные для генерации излучения с высоким качеством в мощном непрерывном С02-лазере.

3. Разработаны и применены в технологических СОглазер ах с поперечным потоком резонаторы на основе СФР. Измеренный параметр качества пучка равен 0,66 при числе Френеля 6,1.

4. Впервые произведена генерация пучка с качеством ТЕМ«) моды при мощности излучения 8 кВт.

5. Показано, что возможным является создание непрерывных С02-лаэеров с СФР уровня мощности до 15 кВт при значениях параметров резонатора, обеспечивающих высокое качество излучения.

6. Впервые произведена резка стальных листов толщиной до 20 мм излучением С02-лазера с СФР. Показано, что по основным показателям качества реза и удельной энергии резки СФР близок к устойчивому резонатору. Произведена резка титановых пластин толщиной 30 мм.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1 Иванченко А.И., Крашенинников В.В., Пономаренко АГ., Шулятьев ВБ. Самофильтрующий резонатор в С02

лазере непрерывного действия // Квантовая электроника. 1989. Т. 16, №2. С. 305-307.

2. Грачёв ГЛ., Иванченко А.И., Смирнов AJI., Шулятьев В.Б. Неустойчивый резонатор с пространственной фильтрацией излучения в технологическом СОглаэере // Квантовая электроника. 1991.Т. 18,№ 1.С. 131-134.

3. Иванченко АЛ., Крашенинников ВБ., Смирнов АЛ., Шулятьев В.Б. Технологический С02-лазер мощностью 3 кВт с высоким качеством излучения Н Квантовая электроника. 1994. Т. 21, №7. С. 643-648.

4. Афонин Ю.В., Гольпиев А.П, Иванченко А.И., Малов АН., Оришич AM., ПечуринВЛ., Филев В.Ф., Шулятьев В.Б. Генерация излучения с качеством ТЕМ«) моды в непрерывном ССЬ-лазере мощностью 8 кВт // Квантовая электроника. 2004. Т. 31,№4. С. 307-310.

5. Смирнов АД, Шулятьев В.Б. Численное и экспериментальное исследование самофильтрующего неустойчивого резонатора применительно к проточному С02-лаэзру // Моделирование в механике: Сб. науч. гр. Т. 2, № 6. Новосибирск, Изд. ИП1М СО АН СССР, 1988. С. 115-121.

6. Иванченко А.И., Крашенинников В.В., Пономаренко А.Г., Шулятьев В.Б. Самофильтрующий неустойчивый резонатор для СО>-лазера // Применение лазеров в народном хозяйстве: Тез. докл. III Всесоюз. конф. Шатура, 1989. С. 23.

7. Gohshev А.P., Ivanchenko A.I, Onshich AM, Shulyat’ev V.B. Industrial C02-lasers of power up to 10 kW with high quality radiarion//Proc SPIE. 2001. Vol. 4184. P. 414 — 419.

8. Малов A.H., Малов H.A., Оришич AM., Шулятьев В.Б., Печурин В.А., Филев В.Ф. Резка толстых металлических пластин излучением (Х)2-лазера с самофиллрующим резонатором // Лазерные технологии и средства их реализации: Материалы IV Междунар. научно-техн. конф. С.-Петербург: Изд-во СПбГТТУ, 2003. С. 39-47

9 Fomin V.M, Filev V F, Pcchurm V A , Onshich A M., Golyshev A P, Malov A.N., Afonin Yu.V., Shulyat’ev VB High power high beam quality industrial C02-lasers and material processing systems // Intern. Conf. on the Methods of Aerophys. Research: Proc. Pt III. Novosibirsk, 2004. P. 65-70. 10. Malov A N., Shulyat’ev V.B Measurement of the parameters of a focused beam of powerfull C02-laser // Intern. Conf. on the Methods of Aerophys. Research: Proc. Pt III. Novosibirsk, 2004. P. 119-122.

11 Golyshev A.P, Malov AN., Orishich A.M., Shulyat’ev V.B., Pechurm VA, Filev VF. Application of the high-power continuous-wave C02-laser with self-filtering resonator to cutting of metal plates // Proc. SPIE. 2004. Vol. 5777. P. 256-261

12 Afonin Yu.V, Filev VF, Ivanchenko A.I, Golyshev A.P., Malov A.N., Onshich A.M., Pechurin V A , Shulyat’ev V В., Shikhalcv E G. Automated laser technological complex for cutting with irradiation power of 8 kWt//Proc SPIE. 2004 Vol. 5479 P. 164-169.

1. Willets D V., Harris В R Output charactenstics of a compact 1 J COrlaser with a gaussian

reflectivity resonator // IEEE J. Quant. Electron. 1988. Vol. 24, No. 6. P. 849-955 2 Snell K.J, McCarthy N, Piche M.. I avigne P. Single transverse mode oscillations from an unstable resonator Nd’YAG laser using a variable reflectivity mirror // Optics Comms. 1988 Vol. 65, No. 5. P. 377-381. 3. Lavigne P., McCarthy N., Parent A., Snell K.J. Laser mode control with variable reflectivity mirrors // Canadian J. Phys. 1988. Vol. 66, No. 10. P. 888-895.

4 Sona P, Muys P, Sherman С, Leys Ch. High-power fast-axial-flow C02-laser with a

variable-reflectivity output coupler//Opt. Lett. 1990. Vol. 15, No. 24 P 1452-1455

5 Generalov N A., Gorbulenko M.I, Solov’yov NG, Yakimov M.Yu., Zimakov V.P. High-

power industrial COj-lasers excited by a nonself-sustaincd glow discharge. Gas Lasers —

Recent Developments and Future Prispects / Eds W J. Witteman, V N. Ochkin Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 1996 P 323-327.

6 Генералов H.A., Зимаков В.П, Соловьев Н.Г., Якимов MJO. Повышение качества

излучения мощных непрерьшных С02-лазеров с поперечной прокачкой путем применения специальных схем оптических резонаторов // Изв. Акад. наук. Сер физическая. 1994. Т. 56, № 2. С. 104 109.

7 De Silvestri S, Laporta P., Magni V. Laser output coupler based on a radially variable

interferometer//! Opt. Soc Am. A. 1987 Vol. 4,No. 8. P. 143-150.

8. Yasui K., Tanaka S , Yagi S. Unstable resonator with phase-unifying coupler for high power lasers // Appl. Phys. Lett. 1988. Vol. 52, No. 7. P. 530-533.

9. Takenaka Y, Nishimae J, Tanaka M, Motoki Y. Gauss-core resonator for high-speed cutting of thin metall sheets //Opt Lett 1997. Vol. 22, No 1. P. 37-39.

10 Михеев П.А., Николаев В. Д., Шепеленко А А. Неустойчивый резонатор с полупрозрачным выходным зеркалом для быстропрсп очного (ХЬ-лазера // Квантовая электроника. 1992. Т. 12, № 5. С. 456-461.

И.Ананьев ЮЛ. Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения. М.: Наука, 1979.

12,Galushkm M.G., Golubev V.S, Korotchenko A.V, Zabelin A.M. Physical and technical factors determining beam quality of high-power fast-transverse-flow industrial lasers // Proc. SPIE. 1996 Vol. 3092 P. 134-141.

13 Du K., Biesenbach J., Ehrhchmann D. Lasers for materia! processing- specifications and trends // Opt. and Quant Electronics. 1995. Vol. 27. P. 1089-1101.

14 Gobbi P.O., Reali G.C. A novel unstable resonator configuration with a self filtering aperture // Opt. Comms. 1984. Vol. 52, No. 3. P. 195-202.

15.Технологические лазеры: Справочник / Под ред ГА. Абильсишова. Т. I. М.: Машиностроение, 1991.

16 Takhasaki Т, Kakisaki К., Sasaki N., Sakuma J. 10 kW C02-laser for material processing // Proc. SPIE. 1986. Vol. 610 P. 50-55.

17. Волков BJI., Денисенко A.A., Закревский С.И., Иванченко А.И., Коба А.П, Лысенко КЛ., Пономаренко А.Г. Система накачки с высокими удельными энергетическими характеристиками для технологического С02-лазера // Квантовая электроника. 1989. Т. 16, № 11. С. 2234-2234.

18 Булышев А.Е., Ведерников ГО А., Преображенский Н Г. К расчету характеристик лазерного резонатора //Квантовая электроника. 1980. Т. 7, № 5. С. 1093-1094.

Рис. 1. Оптическая схема Рис. 2. Зависимость доли мощности Со в

самофильтрующего резонатора. центральном пятне и интенсивности 1т]

первого побочного максимума в дальней зоне от увеличения М резонатора.

Углоюй радиус огнсд

Угловой ради) с, о ш ед

Рис. 3. Угловое распределение интенсивности излучения выходного пучка СФР в дальней зоне при М = 4 (а) и М = 6 (б). Пфиферийная часть пучка увеличена

-400 -200 0 200 400 600 Радиус пучка, мкм

Рис. 4. Схема СФРС02-лазера Сибирь 1. 1,2- сферические зеркала, 3 — кольцевое выводное зеркало.

Рис. 5. Измеренное распределение мощности в сфокусированном пучке.

1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0 1

6 8 10 12 Мощность, кВт

Рис. 6. Мощность излучения и качество пучка технологических С02-лазеров. Знак «+» в ТЕМш+ означает, что ТЕМоо мода является доминирующей.

Рис. 7. Автоматизированный лазерный технологический комплекс для резки листовых материалов на основе лазера мощностью 5 кВт.

Рис. 10. Поперечное сечение канала реза в титановой пластине толщиной 20 мм. Ширина канала равна 33 мм (измерение при помощи микроскопа). Минимальная ширина канала равна 23 мм (измерение щупом).

Рис.11. Поверхность реза титановой пластины толщиной 30 мм. Рез выполнен на установке «Сибирь 1» при мощности излучения 6 кВт

Ответственный за выпуск В.Б. Шулятьев Подписано в печать 28.10.2005

Формат бумаги 60 х 84/16, Усл. печ. л. 1.0, Уч. изд. л. 1.0, Тираж 100 экз., Заказ №10

Отпечатано на ризографе ЗАО «ИНТЕРТЕК» 630090, Новосибирск-90, Институтская, 4/1

РНБ Русский фонд

ГЛАВА 1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПУЧКА СФР.

§ 1.1. Расходимость и качество лазерного излучения.

§ 1.2. Самофильтрующий резонатор — схема и основные свойства.

§1.3. Методы численного расчёта характеристик резонатора.

§ 1.4. Характеристики пучка СФР.

§ 1.5. Выбор размеров зеркал резонатора.

ГЛАВА 2. ОПТИМАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СФР В УСЛОВИЯХ

МОЩНОГО НЕПРЕРЫВНОГО С02-ЛАЗЕРА.

§ 2.1. Об эффективности преобразования энергии в лазерном резонаторе.

§ 2.2. Область рабочих параметров СФР.

ГЛАВА 3. СФР В МОЩНОМ НЕПРЕРЫВНОМ С02-ЛАЗЕРЕ.

§ 3.1. Устройство технологических СОг-лазеров ЛОК.

§ 3.2. Средства и методы измерений.

§ 3.3. Мощность излучения.

§ 3.4. Расходимость и качество излучения.

§ 3.5. Максимальная мощность непрерывных СОг-лазеров с СФР.

ГЛАВА 4. РЕЗКА МЕТАЛЛОВ ИЗЛУЧЕНИЕМ С02-ЛАЗЕРА С СФР.

§ 4.1. Особенности лазерной резки металлов.

§ 4.2. Технологические комплексы для резки на основе СОг-лазера с СФР.

§ 4.3.Скорость резки и качество реза.

Функциями оптического резонатора в лазере являются преобразование энергии активной среды в энергию когерентного излучения и формирование пространственной структуры лазерного пучка. Кроме того, в резонаторе могут находиться элементы, для управления спектральными, временными и поляризационными характеристиками излучения — дифракционные решетки, призмы, затворы, поглощающие ячейки, анизотропные элементы.

Идеи об использовании в лазерах открытого оптического резонатора впервые высказаны в работах A.M. Прохорова [121], а также Шавлова и Таунса [122]. В качестве резонатора предложено было использовать простейшую систему из двух расположенных друг напротив друга зеркал, причем, размер зеркал и расстояние между ними намного превышают длину волны излучения. Такой резонатор обладает на оптической частоте значительно лучшими селективными свойствами, чем объемный. В то же время, потери энергии, связанные с дифракцией излучения на зеркалах, имеют приемлемую величину. В работе Фокса и Ли [123] было показано существование в таком резонаторе устойчивых самовоспроизводящихся распределений поля — мод, рассчитаны характеристики мод. В шестидесятых годах двадцатого века была в основном построена: теория пустых идеальных резонаторов [4, 124]: В конце шестидесятых — начале семидесятых годов после выхода работы А. Сигмена [125] активно исследовались неустойчивые резонаторы, нашедшие применение в лазерах с большим поперечным сечением и сравнительно большим усилением активной среды. В настоящее время существуют десятки различных разновидностей лазерных резонаторов. Это связано, с одной стороны, с многообразием лазерных активных сред, с другой стороны — с многообразием применений лазеров и, соответственно, с разными требованиям к характеристикам лазерного излучения. Результаты теории и практики применения резонаторов изложены в [ 4, 6, 61, 95, 124].

Остановимся более подробно на мощных лазерах с большим объемом активной среды, к которым относятся и технологические лазеры, т.е., лазеры, применяемые для обработки материалов — резки, сварки, поверхностного термоупрочнения, наплавки, гравировки и т.д. Мощность технологических лазеров имеет величину от сотен ватт до десятков киловатт. Важнейшей характеристикой технологического лазера является и расходимость излучения.

Большинство среди технологических лазеров составляют СОг-лазеры с давлением газовой смеси до 100 мм.рт.ст. и непрерывной накачкой. Активная среда в этом случае является достаточно однородной, и расходимость излучения решающим образом зависит от типа и параметров оптического резонатора. При лазерной обработке на материал воздействуют сфокусированным пучком. Размер d фокального пятна при безаберрационной фокусировке определяется соотношением d = OF, 0 — расходимость излучения, F — фокусное расстояние линзы или зеркала. Расходимость определяет вместе с мощностью интенсивность излучения на поверхности материала — основной, параметр лазерной обработки. Важной является и форма распределения интенсивности в фокальном пятне, которая также зависит от модового состава резонатора.

Рассмотрим связь между модовым составом резонатора и технологическими возможностями лазера на примере ССЬ-лазеров, генерирующих в настоящее время максимальную мощность и составляющих большинство среди применяемых в промышленности: технологических лазеров. В появившихся г в семидесятых, годах СО2-лазерах мощностью — 1 кВт использовался простейший двухзеркальный устойчивый резонатор. В большинстве лазеров резонатор является многопроходным — содержит плоские зеркала для изменения направления луча, но промежуточные плоские зеркала не оказывают влияния на модовый состав резонатора. Как известно, модовыми конфигурациями устойчивого резонатора являются Эрмит-Гауссовы или Лагерр-гауссовы пучки [4]. В зависимости от числа Френеля N резонатора генерация происходит на низшей моде или на нескольких модах. Наименьшую расходимость при данном поперечном размере или наивысшее качество имеет гауссов пучок, соответствующий низшей ТЕМоо моде. С ростом поперечных индексов моды качество пучка ухудшается, следовательно, возрастает размер пятна, в которое может быть сфокусирован пучок при данном F/D, D — диаметр пучка на линзе. В зависимости от модового состава характеристики фокального пятна будут различными, соответственно, разными будут и условия нагрева материала.

Наиболее жесткие требования к качеству пучка предъявляет и лазерная резка [136, 140-141]- плотность мощности в фокальном пятне должна иметь величину 106. .107 Вт/см2 в непрерывном режиме, диаметр пятна должен быть 0,1.0,2 мм. Как показали эксперименты и практика лазерной резки, высокое качество реза может быть достигнуто в том случае, если генерация происходит на ТЕМоо или TEMoi* модах. При генерации на модах более высокого порядка качество и скорость резки существенно ухудшаются, и многомодовые лазеры для резки практически не используются. Важной является и форма распределения интенсивности в поперечном сечении сфокусированного пучка, распределение должно быть «компактным» — содержание энергии в периферийной области с низкой интенсивностью должно быт небольшим. По этой причине в лазерах для резки не используется неустойчивый резонатор из полностью отражающих зеркал. В дальней зоне пучок лазера с неустойчивым резонатором имеет характерную дифракционную структуру с побочными максимумами, содержащими значительную долю мощности пучка. Поверхностная обработка (термоупрочнение, наплавка) ведется при плотности мощности 104.105 Вт/см2, для этих технологий подходящим является многомодовый пучок. Распределение интенсивности в многомодовом пучке более равномерно по сравнению с гауссовым, это способствует созданию однородной закаленной зоны. Условия сварки близки к условиям резки, но являются менее жесткими: с / Л плотность мощности — 5*10 .5*10 Вт/см , форма распределения интенсивности имеет меньшее значение. Важным параметром для всех трех технологий является скорость обработки, которая прямо связана с мощностью излучения. Кроме того, при повышении мощности растет максимальная толщина разрезаемых листов при резке и максимальная глубина проплавления при сварке.

Наибольшая потребность существовала и продолжает существовать в мощных лазерах с высоким качеством излучения. Во-первых, наиболее распространенным видом лазерной обработки является резка, требующая излучение высокого качества. Во-вторых, лазер с качеством излучения на уровне ТЕМоо моды универсален — он обеспечивает качественную резку и сварку, в то же время, распределение интенсивности в фокальном пятне может быть преобразовано внешними устройствами в более равномерное для поверхностной обработки. Таким образом, при получении уже первого опыта практического применения технологических лазеров сформировалось основное направление их совершенствования — повышение мощности при сохранении высокого качества пучка.

Присущее устойчивому резонатору ограничение хорошо известно [4] — для дискриминации высших мод по потерям и поддержания генерации только на ТЕМоо моде число Френеля N резонатора не должно превышать величины приблизительно равной 1. л

Это ограничивает объем V моды и мощность излучения, поскольку V

NA.L , L -расстояние между концевыми зеркалами резонатора. Например,. при длине резонатора 8.05 м СС>2-лазер фирмы Spectra Physics модель 820 [1] имел при генерации на ТЕМоо моде мощность 1,5 кВт. Многомодовое же излучение, генерируемое при больших числах Френеля, непригодно для многих операций лазерной обработки. Существенно понизить расходимость излучения по сравнению с многомодовым устойчивым резонатором позволило применение в мощных СОг-лазерах неустойчивого резонатора [125, 4]. В неустойчивом резонаторе луч, запущенный в резонатор под малым углом к оси, при последовательных отражениях выходит за пределы апертуры зеркал. Оба зеркала резонатора могут быть полностью отражающими, излучение выводится из резонатора по периферии одного из зеркал. На практике наибольшее распространение получил телескопический резонатор, составленный из выпуклого и вогнутого сферических зеркал с общей фокальной точкой. В неустойчивом резонаторе эффективно подавляются высшие моды, выходной пучок имеет близкий к плоскому или сферическому волновой фронт даже при больших числах Френеля. На лазерах с неустойчивым резонатором были показаны хорошие результаты по сварке [127]. Однако, для резки качество пучка оказалось недостаточно высоким. Во-первых, выходной пучок имеет в поперечном сечении форму кольца, и в дальней зоне (в фокальной плоскости линзы) наблюдается дифракционная картина с побочными максимумами, имеющими значительную интенсивность. Это искажает структуру, фокального пятна и увеличивает его эффективный размер. Кроме того, распределение интенсивности в поперечном сечении пучка внутри резонатора существенно отличается от гауссова, обладающего минимальной расходимостью. Поэтому выходной пучок имеет худшее по сравнению с ТЕМоо модой качество даже при больших увеличениях резонатора, когда относительный размер отверстия связи в выходном зеркале мал и эффекты дифракции на отверстии не велики [6]. По этой причине неустойчивый резонатор не нашел применения в лазерах для резки.

В настоящее время в абсолютном большинстве технологических лазеров всех ведущих мировых производителей, таких, как Trumpf, Rofin Sinar, PRC Laser, используется обычный устойчивый резонатор. При генерации на ТЕМоо моде (К

0,6.0.9) мощность излучения не превышает 3.4 кВт [130, 131, 5], при мощности 8.10 кВт параметр качества имеет величину

0.25 [129, 130], при мощности 30 кВт — 0,13 [120] — расходимость излучения уже на порядок больше предельной дифракционной.

В течении последних 10-15 лет было предложено несколько решений для повышения качества излучения мощных СОг-лазеров. Большинство из них основано на применении резонаторов с неоднородным полупрозрачным зеркалом. Исследовалось несколько разновидностей неустойчивых резонаторов с полупрозрачным зеркалом. Если отражение выходного зеркала имеет максимум в центре и уменьшается к краю,-а неотраженная часть излучения составляет выходной пучок, то при соответствующем выборе величины отражения в центре, закона его изменения и коэффициента увеличения резонатора генерируется пучок без пустой центральной области с гладким профилем интенсивности и с расходимостью, близкой к предельной дифракционной. Существует несколько разновидностей зеркал с неоднородным отражением. Зеркала с гауссовым или супергауссовым профилем имеют на прозрачной подложке диэлектрическое покрытие с толщиной, уменьшающейся от центра к краю зеркала [7-8, 10]. Об экспериментах по применению таких зеркал в технологических С02-лазерах сообщалось в [11, 119, 149]. Известно зеркало с неоднородным отражением, представляющее собой интерферометр Фабри — Перо с изменяющимися по радиусу зазором [12]. В непрерывных С02-лазерах мощностью более 1 кВт применялось зеркало, в котором коэффициент отражения меняется ступенчато — отражение имеет постоянную величину в центральной части и просветленную кольцевую область [13]. В [13] подбором толщин покрытия и подложки обеспечивалось выравнивание фазы в выходном пучке.

В [128] сообщается об использовании в мощном С02-лазере устойчивого резонатора с неоднородным полупрозрачным зеркалом — выходное зеркало имеет заданный коэффициент отражения в центральной части, а остальная часть зеркала просветлена. В лазере с таким резонатором достигнута мощность излучения 6,2 кВт, однако, в эксперименте наблюдалось ухудшение качества пучка при мощности излучения более 2 кВт, что авторы связывают с искажением в выходном зеркале.

В [14] в условиях непрерывкого С02-лазера мощностью около 1 кВт исследовался неустойчивый резонатор с однородным полупрозрачным зеркалом, что позволило повысить качество пучка по сравнению с неустойчивым резонатором с полностью отражающими зеркалами. Для уменьшения вредных дифракционных потерь резонатор имел увеличение, близкое к единице. Резонатор с малым увеличением имеет, как известно [4], высокую чувствительность к аберрациям, кроме того, остается возможность искажений пучка в полупрозрачном зеркале.

В настоящее время в промышленных технологических С02-лазерах применяется резонатор с неосевым выводом излучения-из полностью отражающих зеркал, устойчивый по одной поперечной координате и неустойчивый по другой, т.н. устойчиво-неустойчивый резонатор [131, 138]. В [129] устойчиво-неустойчивый резонатор применен в т.н. слэб лазерах с диффузионным охлаждением активной среды, лазеры генерируют мощность до 6 кВт при величине параметра качества 0,9. Устойчиво-неустойчивый резонатор применен также в С02-лазере с конвективным охлаждением активной среды и с поперечным потоком газа, где достигнута мощность излучения 6 кВт [131] Однако, эта схема также имеет свои ограничения. Резонатор плохо согласуется с активной средой, имеющей осевую симметрию. Выходной луч имеет в поперечном сечении форму прямоугольника, что не всегда приемлемо без дополнительных преобразований пучка. Для обеспечения неосевого вывода применяются цилиндрические зеркала, более сложные в изготовлении и дорогостоящие по сравнению со сферическими. . В слэб лазерах для обеспечения круговой симметрии пучка применяется внерезонаторная пространственная фильтрация. При фильтрации теряется мощность излучения. Кроме того, надежная техническая реализация пространственной фильтрации на высокой мощности является сложной задачей и при мощности

10 кВт, как минимум, значительно усложнит лазерную установку. Достоинством устойчиво-неустойчивого резонатора является отсутствие проходных оптических элементов. В то же время, из-за перечисленных особенностей применение устойчиво-неустойчивого резонатора нельзя считать универсальным решением генерации излучения с высоким качеством в мощных лазерах.

Цель работы — разработать оптический резонатор технологического СОг-лазера для генерации излучения с высоким качеством при уровне мощности 5 и более кВт.

Требование к резонатору мощного технологического лазера можно сформулировать следующим образом:

— высокое качество пучка при числе Френеля значительно превышающем 1; высокая эффективность преобразования энергии; простота конструкции;

— высокая лучевая стойкость оптических элементов

— низкая чувствительность к аберрациям.

В качестве объекта исследования выбран самофильтрующий резонатор [3]. Схема была предложена авторами P.G. Gobbi и G. Reali в 1984 году — за два года до начала настоящей работы. Резонатор отличается простотой конструкции, в нем отсутствуют проходные оптические элементы. К началу работы были опубликованы результаты экспериментов с самофильтрующим резонатором (СФР) в импульсных Nd:YAG [16], XeCl [18 ,37] и СОг-лазерах [17]. Сообщалось о высокой стабильности характеристик излучения. Была продемонстрирована возможность генерации пучка с высоким качеством и большей по сравнению с устойчивым резонатором мощности в лазерах с большим усилением активной среды. Возможность же эффективного использования СФР в лазерах с умеренным усилением, к которым принадлежат непрерывные СОг-лазеры, была неизвестной. Имевшихся теоретических и экспериментальных результатов было недостаточно для определения такой возможности и, тем более, для обоснованного выбора параметров при разработках. В выходном пучке СФР распределение поля низшей моды близко к гауссову за исключением приосевой области, которая не заполнена излучением. По этой причине распределение интенсивности в дальней зоне имеет характерную дифракционную структуру, детали которой определяются параметрами резонатора. Применимость такого пучка для резки также была неизвестна. Задачи работы формулируются следующим образом.

• Исследование возможности использования в непрерывном СОг-лазере самофильтрующего резонатора для повышения мощности излучения по отношению к устойчивому резонатору при сохранении качества пучка на уровне

• Определение оптимальной области рабочих параметров СФР в условиях мощного

• Экспериментальное определение характеристики излучения СО2-лазеров с СФР.

Оценка диапазона мощности излучения, в котором СФР может эффективно использоваться.

Исследование характеристик реза металлических листов излучением СОг-лазера с

В работе получены следующие новые результаты.

1. Впервые в технологическом СОг-лазере применен самофильтрующий резонатор для повышения качества пучка. . Разработана конструкция и определена область рабочих параметров резонатора в условиях непрерывного СОг-лазера мощностью 1. 8 кВт при качестве пучка близком к ТЕМоо моде.

2. Экспериментально определены энергетические характеристики и качество излучения технологических СОг-лазеров с СФР. На основе полученных удельных характеристик сделаны оценки мощности, которая может быть достигнута в проточных электроразрядных лазерах с СФР.

3. Определена перспективность применения СОг-лазера с самофильтрующим резонатором в технологиях обработки материалов на примере лазерной резки. Впервые экспериментально продемонстрирована возможность качественной резки стальных листов толщиной до 20 мм излучением лазера с СФР.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Самофильтрующий неустойчивый резонатор позволяет генерировать в непрерывном электроразрядном СОг-лазере мощностью 1.8 кВт излучение, близкое по качеству к ТЕМоо моде устойчивого резонатора при эффективности преобразования энергии на уровне неустойчивого телескопического резонатора.

2. СФР может обеспечивать в непрерывном электроразрядном проточном СОг-лазере мощность излучения с единицы длины резонатора приблизительно в три раза большую, чем устойчивый резонатор при генерации на ТЕМоо моде и при близких параметрах системы возбуждения.

3. СОг-лазер с самофильтрующим резонатором позволяет производить резку сталей с основными показателями качества реза и с удельными энергозатратами не хуже, чем лазер с устойчивым резонатором при генерации на низших модах.

Материалы диссертации опубликованы в работах [68-72, 74, 78 , 132-134, 145-148]. Основные результаты работы докладывались на Всесоюзной конференции «Применение лазеров в народном хозяйстве», Шатура, 1989 г.; Российской национальной конференции «Технологические лазеры и лазерная обработка материалов», Шатура, 1993 г; VII Международной конференции «Лазерные и лазерно-информационные технологии: фундаментальные проблемы и приложения», Владимир, 2001 г.; XIII International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers and High Power Laser Conference, Florence, Italy, 2000; XI International Conference on Laser Optics, S-Petersburg, 30 June-4 July, 2003; XV International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers and High Power Laser Conference, Prague, 30 August — 3 September 2004; XII International Conference on the Method of Aerophysical Research. , Novosibirsk, Russia, 23 June-3 July 2004; на 5 международной конференции «Лазерные технологии и средства их реализации», Санкт-Петербург, 2003; V Международном семинаре «Применение лазеров в науке и технике», Новосибирск, 1992; Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов ИТПМ, Новосибирск, 1988.

Личный вклад автора в получение представленных в работе результатов является определяющим, включая выбор способа достижения сформулированной в работе цели, планирование и проведение расчетов и экспериментов или непосредственное в них участие, разработку принципиальных технических решений конструкций резонаторов. Автор принимал непосредственное участие в создании экспериментальных установок и в формулировке целей и задач работы.

Результаты позволяют создавать мощные СОг-лазеры с высоким качеством излучения на основе простых по конструкции резонаторов из полностью отражающих зеркал. Результаты использованы при создании в ИТПМ СО РАН технологических СО2-лазеров мощностью от 1,5 до 8 кВт и на их основе автоматизированных комплексов для резки листовых материалов. Комплекс на основе лазера мощностью 1,5 кВт для резки электротехнической стали установлен в НПО «ЭЛСИБ» в 2001 году. В 2002 году в ОАО «Новосибирский завод химконцентратов» установлен комплекс мощностью 5 кВт для вырезки деталей из коррозионно-стойких сталей для атомной промышленности. На комплексе производится, также, резка углеродистых и низколегированных сталей, диэлектриков, композиционных материалов. Комплекс на основе лазера мощностью до 8 кВт создан для «ОКБ лазерной техники» при СО РАН. На комплексе ведутся исследования и разработки по лазерной технологии, в частности, произведена резка титановых пластин толщиной 30 мм. На предприятии «СибЛазер» СОг-лазеры мощностью

1.3 кВт с СФР входят в состав комплексов, использующихся для резки широкого круга металлических и неметаллических материалов.

Выполнение настоящей работы было бы невозможно без существующей в ИТПМ СО РАН экспериментальной базы — мощных СОг-лазеров и технологических комплексов на их основе. Автор глубоко благодарен их создателям — А.И Иванченко и А.М Оришичу. Автор благодарит соавторов научных публикаций и весь коллектив лаборатории №3 «Лазерные технологии» ИТПМ СО РАН за сотрудничество.

Основные результаты и выводы.

1. Расчетным путем определены пространственные характеристики выходного пучка самофильтрующего резонатора.

2. Определены увеличение резонатора и поперечные размеры зеркал, оптимальные для генерации излучениях высоким качеством в мощном непрерывном СОг-лазере.

3. Разработаны и применены в технологических СОг-лазерах с поперечным потоком резонаторы на основе СФР. Измеренный параметр качества пучка равен 0,66 при числе Френеля 6,1.

4. Впервые произведена генерация пучка с качеством ТЕМоо моды при мощности излучения 8 кВт.

5. Показано, что возможным является создание непрерывных СОг-лазеров с СФР уровня мощности до 15 кВт при значениях параметров резонатора, обеспечивающих высокое качество излучения.


6. Впервые произведена резка стальных листов толщиной до 20 мм излучением лазера с СФР. Показано, что по основным показателям качества реза и удельной энергии резки СФР близок к устойчивому резонатору. Произведена резка титановых пластин толщиной 30 мм.

1. Технологические лазеры. Справочник. Ред. Г.А. Абильсиитов. Т. 1. М.: Машиностроение, 1991.

2. Дж. Реди. Промышленные применения лазеров. М.: Мир, 1981.

3. P.G. Gobbi, G. Reali. Stable telescopic resonators, unstable resonators and new cavity designs applied to high energy laser engineering // Proc. SPIE.- 1984.- V. 492.- P. 68.

4. Ю.А. Ананьев. Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения. М.: Наука, 1979.

5. К. Yasui, И. Kuzumoto, S. Ogawa, V. Tanaka, S. Yagi. Silent-discharge exited TEMoo 2,5 kW C02 laser // IEEE J. Quant Electron.- 1989.- V: 25,- N 4,- P. 836.

6. N. Hodgson, H. Weber. Optische resonatoren. Springer-Verlag, 1991.

7. D.V. Willets, И. R. Harris. Output characteristics of a compact 1 J C02-laser with a gaussian reflectivity resonator // IEEE J. Quant, electron.- 1988,- V. 24,- N 6.- P.-849.

8. K.J. Snell, N. McCarthy, M. Piche, P. Lavigne. Single transverse mode oscillations from an unstable resonator Nd:YAG laser using a variable reflectivity mirror // Optics comms.-1988.- V. 65.- N 5,- P. 377.

9. S. De Silvestri, P. Laporta, V. Magni, O. Svelto. Unstable laser resonators with super-Gaussian mirrors // Opt. lett.-1988.- V. 13.- N 3.- P. 201.

10. P. Lavigne, N. McCarthy, A. Parent, K.J. Snell. Laser mode control with variable reflectivity mirrors. Canadian J. Phys.-1988.- V. 66.- N 10.- P. 888.

11. P. Sona, P. Muys, C. Sherman, Ch. Leys. High-power fast-axial-flow СОг-laser with a variable-reflectivity output coupler //Opt.lett,- 1990,- V.15.- N 24,- P. 1452.

12. S. De Silvestri, P. Laporta, V. Magni. Laser output coupler based on a radially variable interferometer // J. Opt. Soc. Am. A. 1987.- V. 4.- N 8,- P. 143.

13. K. Yasui, S. Tanaka, S. Yagi. Unstable resonator with phase-unifying coupler for high power lasers // Appl. Phys. Lett.- 1988.- V.52.- N. 7,- P. 530.

14. П.А. Михеев, В.Д. Николаев, А.А. Шепеленко. Неустойчивый резонатор о полупрозрачным выходным зеркалом для быстропроточного С02-лазера // Квант, электроника,- 1992.-Т. 12,- N 5.- С. 456.

15. P.O. Gobbi, G.C. Reali. A novel unstable resonator configuration with a self filtering aperture // Opt. comms.-1964.- V. 52.- N 3.- P. 195.

16. A. Luches, V. Nassisi, M.R. Perrone. Experimental characterisation of a self-filtering unstable resonator applied to a short pulse XeCl laser // Appl. Opt.-1989,- V. 28.-N 11.- P. 2047.

17. B.K. Голов, А.И. Иванченко, B.B. Крашенинников, А.Г. Пономаренко, А.А.1.’

18. Шепеленко, В.Б. Шулятьев. Технологический СОг-лазер мощностью 2,5 кВт // Изв. СО АН СССР, сер. техн.-1986,- N 10,- вып. 2.- С. 87.

19. Г. Хирд. Измерение лазерных параметров. М.: Мир, 1970.

20. А.А. Шепеленко, В.Б. Шулятьев. Измерение расходимости излучения СОг-лазеров//ПТЭ,-N 5.- С. 157.-1985.

21. S. De Silvestri, V. Magni, 0. Svelto, G. Valentini. Lasers with super gaussian mirrors // IEEE J. Quant. Electron.-1990.- V. 26,- N 9.- P. 1500.

22. А.И. Иванченко, В.В. Крашенинников, А.А. Шепеленко, В.Б. Шулятьев. ^ Калориметрический преобразователь средней мощности лазерногоизлучения. Авторское свидетельство N 1226969

23. Г.В. Креопалова, Н.А. Лазарева, Д.Т. Пуряев. Оптические измерения. М.: Машиностроение, 1987.

24. А.Н. Громов, В.Б. Шулятьев. Измеритель радиусов кривизны отражающих поверхностей // ПТЭ.- 1987.- N 2.- С. 212.

25. Н. Kogelnik, Т. Li. Laser beams and resonators // Proc. IEEE.-1966.- V. 54.- N 10,- P. 1312.

26. A.E. Siegman. Unstable optical resonators for laser applications // Proc. 1ЕЕЕ,-1965.- V. 53.- P. 277.

27. A.E. Siegman, R. Arrathoon. Modes in unstable optical resonators and lens waveguides // IEEE J. quant, electron.-1967.- V. QE-З,- N 4.- P. 156.

28. Ю.А. Ананьев, В.E. Шерстобитов. Влияние краевых эффектов на свойства неустойчивых резонаторов // В об.: Квантовая электроника, ред. Н.Г. Басов,-1971.-N 3,-С. 82.

29. Т. Takhasaki, К. Kakisaki, N. Sasaki, J. Sakuma. 10 kW СОг-laser for material processing // Proc. SPIE.- 1986,- V. 610.-P. 50.

30. R. Hauok, N. Hodgson, H. Weber. Losses and mode structure of unstable resonators with spherical mirrors // J. Appl. Phys.-1988,- V. 63.- N 3.- P. 628.

31. P.G. Gobbi, G.C. Reali. Numerical study of a self filtering unstable resonator // Proc. SPIE.- 1985,- V. 540,- P. 119.

32. P.G. Gobbi, G.G. Reali. Mode analysis of a gaussian transmission aperture // Opt. comms.- 1986.- V. 57.- N 5,- P. 355.

33. P. Di Lazzaro, T. Hermsen, T. Letardi, G.E. Zheng. Self-filtering unstable resonator: an approximate analytical model with comparison to computed and XeCl laser experimental results // Opt. comms.- 1987,- V. 61.- N 6.- P. 393.

34. A. Parent, N. McCarthy, P. Lavigne. Effects of hard apertures on mode properties of resonators with gaussian reflectivity mirrors // IEEE J. quant, electron.- 1987.- V. QE-23.- N 2.-P. 222.

35. A. Grekelberger. New developments of C02-high power lasers in multi-kilowatt range and their industrial production // Proc. SPIE,- 1986.- V. 610,- P. 24.

36. A.G. Fox, T. Li. Resonant modes In maser interferometer // Bell syst. techn. J.-1961,- V. 40.- 453.

37. D.B. Rench, A.N. Chester. Iterative diffraction calculations of transverse mode distributions In confocal unstable laser resonators // Appl. Opt.- 1973.- V. 12.- N 15,-P. 997.

38. A.B. Siegman, Е.А. Szikals. Mode calculations in unstable resonators with flowing saturable gain. 1: Hermite-Gaussian expansion// Appl. Opt.- 1974.- V. 13.- N 12.-P. 2775; 2: Fast fourier transform method // Appl. Opt.- 1975,- V. 14.- P. 1875.

39. Г.В. Гадияк, A.JI. Добривокий, K.A. Насыров. Математическое моделирование и оптимизация проточных газоразрядных С02 лазеров.-Новосибирск, 1988.- 48 с,- (Препринт/АН СССР, Сиб. отд-ние, Ин-т теорет. и прикл. механики; N 24-88).

40. М. Борн, Э. Вольф. Основы оптики,- М.: Наука, 1970.

41. А. Мейтленд, М. Дан. Введение в физику лазеров. М.: Наука, 1978.

42. А.Е. Siegman, H.Y. Miller. Unstable optical resonator loss calculations using the Prony method // Appl. Opt.- 1970,- V. 9.- N 12.- P. 2729.

43. А.Е. Булышев, Ю.А. Ведерников, Н.Г. Преображенский. К расчётухарактеристик лазерного резонатора // Квант, электрон.- 1980.-Т. 7.- N 5.- С. 1093.

44. Г.И. Марчук. Методы вычислительной физики. Новосибирск.: Наука, 1973.

45. Ю.А. Ананьев, С.Г. Аникичев, А.В. Горланов. Эффекты краевой дифракции и насыщения усиления в линейном неустойчивом резонаторе с пространственной фильтрацией излучения // Опт. и спектр.- 1988.- Т. 64,- В. 4.- С. 957.

46. Справочник по специальным функциям. Ред. М. Абрамович, И. Стиган. М.: Наука, 1979.

47. К.Е. Oughstun. Unstable resonator modes // Progress in Optics .- Elsever science publishers B.V., 1987,- V. 24,- P. 165.

48. E. Armandillo, A.S. Kay. Modelling of transverse-flow CW C02-lasers: theory and experiment//J. phys. D: Appl. phys.-1980.- V. 13.- P. 321.

49. Г.В. Гадияк, А.Л. Добривский, K.A. Насыров. Численный расчёт выходного излучения проточного газоразрядного СОг- лазера по измеренному полю ненасыщенного коэффициента усиления. Квант, электрон.- 1989,-Т. 16.- N 6.-С. 1149.

50. В.А. Шангин, A.M. Райцин, И.И. Шангина. Измерение энергетической расходимости лазерных пучков // Измерит, техника,- 1983.- N 3.- С. 38.

51. A.S. Кауе, A. Delph, Е. Hanly, С. Nicholson. A new 10 kW industrial carbon dioxide laser // Gas flow and chemicallasers, 4th Int. symp., Stresa, 1982.

52. Ю.А. Ананьев. О выборе лазерного резонатора // Квант, электрон.- 1989.- Т. 16,- С. 2107.

53. W.F. Rrupke, W.R. Sooy. Properties of an unstable confocal resonator СОг-laser system // IEEE J. Quant. Electron.- 1969.-V. QE-5.- P. 575.

54. A.H. Ораевский. Гауссовы пучки и оптические резонаторы // Труды ФИАН.-М.: Наука, 1988.-т. 184.-С. 3.

55. В.И. Купренюк, С.И. Клементьев, Н.В. Марусяк и др. Исследование активной среды и характеристик излучения СОг- лазера замкнутого цикла // Опт,- мех. пром-ть.- 1984.- N 2.-С. 8.

56. J.P. Sercel. Matrix overview of medium-to high-power СОг-lasers // Proc. SPIE.-1987.- V. 737,- P. 59.

57. W. Triebel, E. Ose, G. Michel, A. Petrioh. Experimental and theoretical investigation of a transverse flow cw СОг-laser // Proc. SPIE.- 1968.- V. 1031.- G. 41.

58. И.А. Турыгин. Прикладная оптика. M.:% Машиностроение, 1966.

59. М.Г. Галушкин, B.C. Голубев, A.M. Забелин, В.Я. Панченко. Светоиндуцированные мелкомасштабные оптические неоднородности активной среды непрерывных СОг- лазеров // Изв. АН СССР. Сер. физ.-1992.- Т. 56,- N8,- С. 199.

60. B.C. Голубев, М.Г. Галушкин, A.M. Забелин, В.Я. Панченко. Сильная нелинейность в усиливающей среде и особенности её проявления в технологических СОг- лазерах // Изв. АН СССР. Сер. физ.- 1989,- Т. 53,- N 6,-С. 1136.

61. A.JI, Смирнов, В.Б. Шулятьев. Численное и экспериментальное исследование самофильтрующего неустойчивого резонатора применительно к проточному

62. С02 лазеру // Моделирование в механике. Сб. науч. трудов. ИТПМ СО АН СССР.- 1988,- Т. 2,- N 6,- С. 115.

63. А.И. Иванченко, В.В. Крашенинников, А.Г. Пономаренко, В.Б. Шулятьев. Самюфильтрующий резонатор в С02- лазере непрерывного действия // Квант, электроника.- 1989,- Т. 16,- N 2,- С. 305.

64. Г.Н. Грачёв, А.И. Иванченко, A.JI. Смирнов, В.Б. Шулятьев. Неустойчивый резонатор с пространственной фильтрацией излучения в технологическом С02 лазере // Квант, электроника.- 1991,- Т. 18.- N I.- С. 131.

65. А.И. Иванченко, В.В. Крашенинников, А.Г. Пономаренко, В.Б. Шулятьев. Самофильтрующий неустойчивый резонатор для С02- лазера // Тезисы докл. НГВсесоюз. конф. «Применение лазеров в народном хозяйстве», г. Шатура,-1989,-С. 23.

66. А.И. Иванченко, В.В. Крашенинников, АЛ. Смирнов, В.Б. Шулятьев. Технологический С02- лазер мощностью 3 кВт с высоким качеством излучения // Материалы V Международ, семинара «Применение лазеров в науке и технике», г. Новосибирск.-1992.- С. 153.

67. G.N. Grachev, A.I. Ivanchenko, A.G. Ponomarenko, V.B. Shuljat’ev. 3 kW high, quality beam CW C02- laser with line tuning and Q-switched pulsing capabilities // Proceedings of the SPIE. V 2257.- P. 106.

68. А.И. Иванченко, В.В. Крашенинников, A.JI. Смирнов, В.Б. Шулятьев. Технологический С02- лазер мощностью 3 кВт с высоким качеством излучения // Квантовая электроника. 1994.- Т. 21.- N 7,- С. 643.

69. А. А. Шепеленко, В. Б. Шулятьев. Измерение расходимости излучения С02-лазеров // Приборы и техника эксперимента,-1985,- N Б.- С. 157.

70. А.Н. Громов, В.Б. Шулятьев. Измеритель радиусов кривизны отражающих поверхностей // Приборы и техника эксперимента.- 1987.- N 2,- С. 66.

71. А.И. Иванченко, А.А. Шепеленко. Устройство для измерения распределения интенсивности излучения // Авторское свидетельство СССР № 646774.- 1977.

72. Патент РФ N 1702842. Проточный газовый лазер А.И Иванченко, В.Б. Шулятьев.

73. G.V. Gadiyak, A.L. Dobrivskii, К.А. Nasirov. An application of multlpassed self-filtering unstable resonator in high power gas-discharge C02-laser // «Lasers and their applications», IV National conference, Plovdiv, Bulgaria. Abstracts.- 1990.- P. 26.

74. Ю.П. Райзер. Физика газового разряда. М.: Наука, 1987.

75. D.C. Smith, М.С. Fowler. Ignition and maintenance of a CW plasma in atmospheric-pressure air with C02 laser radiation // Appl. Phys. Lett.- 1973.- V. 22,-N 10,- P. 500.

76. И.О. Fowler, D.C. Smith. Ignition and maintenance of subsonic plasma waves in atmospheric pressure air by CW C02-laser radiatin and their effect on laser propagation// J. Appl. Phys.- 1975.- V. 46.- N.I.- P. 138.

77. C.C. Воронцов, Г.Н. Грачёв, А.Г. Пономаренко, В.Б. Шулятьев. Мощный непрерывный СОг- лазер с быстрой перестройкой частоты для зондирования атмосферы // Тезисы докл. V Совещания по атмосферной оптике, г. Томок,-1991.- С. 112.

78. Г.Н. Грачёв, А.И. Иванченко, В.В. Лебедев, А.Г. Пономаренко, С.А. Стоянов,

79. B.Б. Шулятьев. Одночастотный непрерывный СОг- лазер мощностью 2,5 кВт // Тезисы докл. конф. Оптика лазеров 98, 21-25 июня, г. С,- Петербург.- 1993.-Часть1.-С. 132.

80. А.В. Елецкий, Б.М. Смирнов. Физические процессы в газовых лазерах. М.: Энергоатомиздат, 1985.

81. А. А. Веденов. Физика электроразрядных СОг- лазеров. М.: Энергоатомиздат, 1982.

82. C.Г. Аникичев, Е.Н. Котляков, В.Н. Прокашев. Зеркала со ступенчатым коэффициентом отражения для технологических лазеров // Тезисы докл.конф. Оптика лазеров 93, 21-25 июня, г. С,- Петербург.- 1993.- Часть I,- С. 258.

83. Н:А. Генералов, В,П. Зимаков, Н.Г. Соловьёв, М.Ю. Якимов. Применение аподизированных зеркал в резонаторах мощных технологических лазеров // Тезисы докл. конф. Оптика лазеров 93, 21-25 июня, г. С.- Петербург,- 1993,-Часть. I.-С. 277.

84. D.R. Akitt, H.J.J. Seguin, M.R. Gervenan, S.K. Nikumb. Electronic mode and power control of a high-power СОг- laser // IEEE j Quant. Electron.- 1990.- V. 26.-N8.-P. 1413.

85. J. Spalding, A.C. Selden, И. Hill, J. H. P. C. Megaw, B. A. Ward. High power C02- lasers//Proc. SPIE,- 1988,- V. 1031.-P.16.

86. Заявка N 4869735/10-098375, решение о выдаче патента от 31.01.92. Устройство юстировки зеркала лазерного резонатора / А.П. Голышев, В.Б. Шулятьев.

87. Ю.А. Ананьев, В.Е. Шерстобитов. Расчёт эффективности ОКГ с большими потерями на излучение // Квант, электроника. Сб. статей под ред. Н.Г.1. Басова.-1971.-N1.-С. 91.

88. D.P. Chernin. Optical extraction efficiency in lasers with high Fresnel number confocal unstable resonators // Applied Optics.- Vol. 18,- No. 21,- P. 3562.

89. Заявка на изобретение N 4869735/10-098375. Устройство юстировки зеркала лазерного резонатора. А.П. Голышев, В.Б. Шулятьев

90. Ананьев Ю.А., Егорова В.Ф., Мак А.А., Прилежаев Д.С., Седов Б.Mr О работе четырёхуровневого оптического квантового генератора. ЖЭТФ.- 1963,- Т. 44,- С. 1884.

91. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. М.: Советское радио, 1978.

92. Rigrod W. Gain saturation and output power of optical masers // J. Appl. Phys.-1963.-V.34.-P.2602.

93. G. Sliwinskl at al. Investigation of a high-power transverse-flow СОг-laser II Proc. SPIE.- 1988.- V.1031.-P.216.

94. K. Yasuoka at al. Characteristics and applications of new electrode system for high power C02-laser // Pros. SPIE.-1987.- V.737,- P.52.

95. Ананьев Ю.А., Ковальчук Л.В., Трусов В.П. Методика расчёта эффективности лазеров с неустойчивыми резонаторами //Квантовая электроника,- 1974,- T.I.-С. 1201.

96. Виттеман В. С02- лазер. М.: Мир, 1990, С. 79.

97. Новосибирск, 1987.- 125 с.

98. N.A. Generalov, M.I. Gorbulenko, N.G. Solov’yov, M.Yu. Yakimov, V.P. Zimakov. High-power industrial СОг-lasers excited by a nonself-sustained glow discharge/

99. A.M. Прохоров. О молекулярном усилителе и генераторе на субмиллиметровых волнах.// ЖЭТФ.- 1958,- т. 34.- с. 1658.

100. A.L. Shawlow, C.N. Townes. Infrared and optical masers//Phys. Rev.- 1958.- V. 112.- P. 1940.

101. A.G. Fox, T. Li. Resonant modes in a maser interferometer//Bell Syst. Techn. J.-1961.-V.40:-P. 453.

102. H. Kogelnik, T. Li. Laser Beams and Resonators// Proc. IEEE.- 1966.- V. 54.- P. 1312.

103. A.E. Siegman. Unstable optical resonators for laser application. Proc// IEEE.-m 1965.-V.53.-P.277.

104. В.П. Быков, O.O. Силичев Лазерные резонаторы. М.: Физматлит, 2003

105. W. М. Steen. Laser Material Processing. Springer Verlag, 1991.

106. Y. Takenaka, J. Nishimae, M. Tanaka, Y. Motoki. Gauss-core resonator for high speed cutting of thin metal sheets // Optics Letters, 1997, V. 22,- N 1.- P. 37.

107. Технические данные лазеров Rofin-Sinar, http://www.rofin.com/home-e.htm.

108. Технические данные лазеров Trumpf, http://www.us.trumpf.com.

109. Galushkin M.G., Golubev V.S., Korotchenko A.V., Zabelin A.M. Physical and technical factors determining beam quality of high-power fast-transverse-flowш industrial lasers// Proc. SPIE.- 1996,- V. 3092.- P. 134.

110. А.Р. Golishev, A.I. Ivanchenko, A.M. Orishich, V.B. Shulyat’ev. Industrial C02lasers of power up to 10 kW with high quality radiation// Proc. SPIE.- 2001,- V. 4184.-P.414.

111. Ю.В. Афонин, А.П. Голышев, А.И. Иванченко, А.Н. Малов, A.M. Оришич, В.А. Печурин, В.Ф. Филев, В.Б. Шулятьев. Генерация излучения с качеством ТЕМоо моды в непрерывном С02- лазере мощностью 8 кВт// Квантовая электроника.- 2004,- Т. 31.- N 4. С.307-310.

112. Стандарт ISO/TS 172/SC 9/WG1

113. W. М. Steen. Laser Material Processing. Springer Verlag, 1991.

114. Г.А. Абильсиитов, Е.П. Велихов, B.C. Голубев, Ф.В. Лебедев. Перспективные схемы и методы накачки мощных С02- лазеров для технологии (обзор)//Квант. Электроника.- 1981,- Т. 8.- № 12,- С. 2517.

115. К. Du, J. Biesenbach, D. Ehrlichmann. Lasers for material processibg: specifications and trends// Optical and Quant. Electronics.- 1995.- V.27.- P. 1089.

116. J. Powell. C02- laser cutting. Springer-Verlag, 1998.

117. A.M. Оришич. Технология лазерной обработки материалов. В кн. Высокоэнергетические процессы обработки материалов, серия Низкотемпературная плазма, Новосибирск, Наука, 2000, С. 7 62.

118. A.M. Оришич и др. Лазерные технологии машиностроения. Новосибирск, Новосиб. Гос. Ун-т., 2004.

119. Н. Jorgenson, F.O. Olsen. Experimental Investigation of Relations Between Adjustable Process Parameters and Quality Parameters in C02-laser Cutting. Lasers in Engineering. Laser 91. Ed. W.W. Waidelich. Springer-Verlag, 1991.

120. Рекомендации по выбору фокусирующей ZnSe линзы фирмы II-VI, http://www.ii-vi.com/pages/res-determining.html144. http://prclaser.com/calculator.html.

121. V.M. Fomin, V.F. Folev, V.A. Pechurin, A.M. Orishich, A.P. Golyshev, A.N. Malov, Yu. V. Afonin, V.B. Shulyatiev. High power high beam quality industrial

122. C02-lasers and material processing systems. //XII International Conference on the

123. Method of Aerophysical Research. , Novosibirsk, Russia, 23 June-3 July 2004, Proceedings, Part III, Novosibirsk, Russia, 2004, P. 65-70.

ДВУХПРОХОДНЫЙ НЕУСТОЙЧИВЫЙ ТЕЛЕСКОПИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР ЛАЗЕРА

SU (11) 1840367 (13) A1

(51) МПК
H01S 3/08 (2006.01)

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ СССР
Статус: по данным на 07.12.2007 — нет данных

Документ: В формате PDF
(21) Заявка: 3116924/28
(22) Дата подачи заявки: 1985.04.01
(45) Опубликовано: 2006.09.27
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: Kellen P.F., Mattsson A.C., Ahouse D.R., Yoder M.J., Opt. Engineering, 1979, v.18, p.340-344.
(71) Заявитель(и): Опытное конструкторское бюро «Радуга»
(72) Автор(ы): Мальцев Виктор Васильевич (RU); Молодцов Игорь Евгеньевич (RU); Труфанов Александр Иванович (RU)

(54) ДВУХПРОХОДНЫЙ НЕУСТОЙЧИВЫЙ ТЕЛЕСКОПИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР ЛАЗЕРА

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в мощных газовых лазерах. Сущность: резонатор содержит выпуклое и вогнутое зеркала, отражающие поверхности которых обращены в одну сторону, и оптический элемент связи. Оптические оси зеркал, проходящие через их центры, параллельны между собой. При этом оптический элемент связи выполнен в виде трехгранного уголкового отражателя, установленного отражающими поверхностями в сторону отражающих поверхностей выпуклого и вогнутого зеркал. Ось симметрии уголкового отражателя расположена в плоскости оптических осей выпуклого и вогнутого зеркал и равноудалена от каждой из них, а его ребра выполнены вне этой плоскости. Кроме того, плоскость проходящая через одно из ребер и ось симметрии уголкового отражателя перпендикулярна плоскости оптических осей выпуклого и вогнутого зеркал. Технический результат: уменьшение расходимости излучения за счет компенсации аберрации нечетного порядка. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в мощных газовых лазерах.

Известен неустойчивый телескопический резонатор с вращением поля, содержащий выпуклое и вогнутое зеркала и два двугранных уголковых отражателя, позволяющий осуществить частичную компенсацию аберраций. Однако он имеет большое количество зеркал, что приводит к увеличению суммарных аберраций, связанных с формой зеркал, и увеличению расходимости излучения. В этом резонаторе ребра уголковых отражателей находятся на оптической оси, что также ухудшает расходимость излучения.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является двухпроходный неустойчивый телескопический резонатор, содержащий выпуклое и вогнутое зеркала и оптический элемент связи, представляющий собой двугранный уголковый отражатель, обеспечивающий двухпроходность схемы. Это устройство обеспечивает частичную компенсацию аберраций нечетного порядка только в одном направлении, связанном с ориентацией двугранного уголкового отражателя, что уменьшает расходимость излучения только в одном направлении.

[Kellen P.F., Mattsson A.C., Ahouse D.R., Yoder M.J., Opt. Engineering, 1979, v.18, p.340-344].

Цель изобретения — уменьшение расходимости излучения, формируемого резонатором, путем компенсации аберраций нечетного порядка.

Указанная цель достигается тем, что в известном устройстве, содержащем выпуклое и вогнутое зеркала, расположенные отражающей поверхностью в одном направлении так, что нормали к центрам зеркал, являющиеся их оптическими осями, параллельны, и оптический элемент связи, обеспечивающий двухпроходность схемы, последний выполнен в виде трехгранного уголкового отражателя, обращенного отражающими поверхностями в направлении выпуклого и вогнутого зеркал, и представляющего собой систему трех взаимно перпендикулярных зеркал, ось симметрии которого лежит в плоскости, определяемой оптическими осями выпуклого и вогнутого зеркал, и равноудалена от них, причем ни одного из ребер уголкового отражателя не лежит в этой плоскости.

Такой резонатор обеспечивает компенсацию крупномасштабных аберраций нечетного порядка за счет эффекта «переворачивания» сечения пучка трехгранным уголковым отражателем.

Симметричная ориентация уголкового отражателя относительно плоскости оптических осей выпуклого и вогнутого зеркал, когда плоскость, проходящая черед ось симметрии уголкового отражателя и одно из его ребер, перпендикулярна плоскости оптических осей, обеспечивает наибольшую удаленность оптической оси резонатора от ребер уголкового отражателя, что исключает внесение дополнительных искажений в приосевую область резонатора, ответственную за начальную стадию формирования излучения. (В.Е.Шерстобитов. Угловая расходимость излучения проточных газовых лазеров. Известия АН СССР сер. Физическая т.46, 1982, №10, с.1905-1914).

На фиг.1 изображена схема предлагаемого резонатора. На фиг.2 изображено прохождение расходящейся волны от оптической линии, эквивалентной двухпроходному неустойчивому телескопическому резонатору с трехгранным уголковым отражателем со слабо неоднородной средой.

В двухпроходном неустойчивом телескопическом резонаторе вогнутое 1 и выпуклое 2 зеркала расположены отражающей поверхностью в одном направлении таким образом, что нормали к центрам зеркал, являющиеся их оптическими осями, параллельны. Оптический элемент связи, обеспечивающий двухпроходность схемы, выполнен в виде трехгранного уголкового отражателя 3. Он представляет собой систему трех взаимно перпендикулярных зеркал и ориентирован отражающими поверхностями в направлении выпуклого 2 и вогнутого 1 зеркал. Ось симметрии уголкового отражателя 3 лежит в плоскости, определяемой оптическими осями вогнутого 1 и выпуклого 2 зеркал и равноудалена от них.

Наибольшая удаленность оптической оси резонатора от ребер уголкового отражателя 3 обеспечивается при его симметричной ориентации относительно плоскости оптических осей выпуклого 2 и вогнутого 1 зеркал, когда плоскость, проходящая через ось симметрии уголкового отражателя и одно из его ребер перпендикулярна ей.

В мощных газовых лазерах предлагаемый резонатор ориентируется так, чтобы направление газового потока совпадало с плоскостью оптических осей вогнутого 1 и выпуклого 2 зеркал. Разряд реализуется в направлении, перпендикулярном этой плоскости.

Двухпроходный неустойчивый телескопический резонатор в лазере работает следующим образом.

Генерируемое излучение, распространяющееся от вогнутого зеркала 1 в направлении выпуклого зеркала 2, представляет собой параллельный пучок. При отражении от уголкового отражателя 3 происходит «переворачивание» сечения пучка излучения и пучок вновь направляется в активную среду параллельно направлению прихода на уголковый отражатель 3, но без перекрытия пучков. После отражения от выпуклого зеркала 2 распространяется расходящийся пучок, уголковым отражателем 3 сечение пучка вновь переворачивается и пучок направляется в вогнутому зеркалу 1. После отражения от него пучок излучения становится вновь параллельным, что обеспечивает обратную связь в лазере. Часть излучения, приходящая мимо выпуклого зеркала представляет собой долю полезных потерь резонатора, являющихся выходным излучением лазера.

Компенсация аберраций нечетного порядка, а, следовательно, уменьшение расходимости излучения обеспечивается оптической схемой резонатора.

Так как переворачивание сечения пучка происходит относительно оси симметрии трехгранного уголкового отражателя, то будут частично компенсироваться все аберрации нечетного порядка.

Анализ прохождения основной расходящейся волны по оптической линии, эквивалентной предлагаемому резонатору (см. фиг.2), для случая, когда неоднородности распределены равномерно по всей длине резонатора и показатель преломления активной среды n может быть представлен в виде

где х — поперечная координата, позволяет получить основные зависимости, иллюстрирующие частичную компенсацию аберраций нечетных порядков,

n0 — показатель преломления активной среды на оптической оси.

Длина оптического пути по оси на участке длиной L

где L — длина активной среды.

АВСДЕFGH — внеосевой луч, заканчивающийся в точке А с поперечной координатой (-x), тогда

точки А и В имеют координату (-x),

точки С Д Е имеют координату (x),

где М — увеличение резонатора.

Длина оптического пути между точками А и В с учетом знака координаты:

Разность оптических длин путей на этом участке:

Длина участка СД:

Длина участка EF:

Суммарная разность хода внеосевого и осевого луча: на одном полном обходе резонатора:

Суммарная разность хода внеосевых и осевых лучей за все обходы резонатора будет:

Заменив в последней формуле

получаем окончательное выражение для суммарной разности хода за все обходы резонатора:

k — аберрационные коэффициенты, их величины показывают, во сколько раз данный тип неоднородности проявляется сильнее в неустойчивом резонаторе, чем в одноходовых усилителях.

Анализ выражений для k показывает, что при нечетных значениях K в прямом ходе, то есть когда генерируемое излучение представляет собой параллельный пучок, нечетные аберрации компенсируются полностью, а в наклонном пучке лишь частично, (компенсацию аберраций нечетного порядка в накленном пучке характеризуют первые два слагаемых в выражении (11)).

Таким образом, за полный обход резонатора аберрации нечетных порядков частично компенсируются. Причиной этого является «перевертывание» пучка трехгранным уголковым отражателем относительно оси симметрии этого отражателя, в результате чего каждый внеосевой луч проходит попеременно зоны то с большим, то с меньшим показателем преломления.

К преимуществам этого резонатора следует отнести также и то, что кроме компенсации волновых аберраций нечетного порядка будет компенсироваться, и довольно часто, имеющая место в электроионизационных лазерах клиновидность распределения коэффициента усиления в активной среде в направлении анод-катод.

Таким образом, использование двухпроходного неустойчивого телескопического резонатора в лазере обеспечивает уменьшение расходимости излучения и выравнивание распределения интенсивности по сечению выходного излучения лазера.

1. Двухпроходный неустойчивый телескопический резонатор лазера, содержащий выпуклое и вогнутое зеркала, отражающие поверхности которых обращены в одну сторону, и оптические оси зеркал, проходящие через их центры, параллельны между собой, и оптический элемент связи, отличающийся тем, что, с целью уменьшения расходимости излучения за счет компенсации аберраций нечетного порядка, оптический элемент связи выполнен в виде трехгранного уголкового отражателя, установленного отражающими поверхностями в сторону отражающих поверхностей выпуклого и вогнутого зеркал, ось симметрии которого расположена в плоскости оптических осей выпуклого и вогнутого зеркал и равноудалена от каждой из них, причем ребра уголкового отражателя выполнены вне этой плоскости.

2. Двухпроходный неустойчивый телескопический резонатор лазера по п.1, отличающийся тем, что плоскость, проходящая через одно из ребер и ось симметрии уголкового отражателя, перпендикулярна плоскости оптических осей выпуклого и вогнутого зеркал.

ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян

Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к лазерным квантовым генераторам, а именно лазеры и лазерное оборудование:

— твердотельные полупроводниковые лазеры

— практическое применение в промышленности, науке и в быту газовых, твердотельных и химических лазеров.

Двухпроходный неустойчивый телескопический резонатор лазера

Авторы патента
Категории

Патент 1840367

Двухпроходный неустойчивый телескопический резонатор лазера

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в мощных газовых лазерах. Сущность: резонатор содержит выпуклое и вогнутое зеркала, отражающие поверхности которых обращены в одну сторону, и оптический элемент связи. Оптические оси зеркал, проходящие через их центры, параллельны между собой. При этом оптический элемент связи выполнен в виде трехгранного уголкового отражателя, установленного отражающими поверхностями в сторону отражающих поверхностей выпуклого и вогнутого зеркал. Ось симметрии уголкового отражателя расположена в плоскости оптических осей выпуклого и вогнутого зеркал и равноудалена от каждой из них, а его ребра выполнены вне этой плоскости. Кроме того, плоскость проходящая через одно из ребер и ось симметрии уголкового отражателя перпендикулярна плоскости оптических осей выпуклого и вогнутого зеркал. Технический результат: уменьшение расходимости излучения за счет компенсации аберрации нечетного порядка. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в мощных газовых лазерах.

Известен неустойчивый телескопический резонатор с вращением поля, содержащий выпуклое и вогнутое зеркала и два двугранных уголковых отражателя, позволяющий осуществить частичную компенсацию аберраций. Однако он имеет большое количество зеркал, что приводит к увеличению суммарных аберраций, связанных с формой зеркал, и увеличению расходимости излучения. В этом резонаторе ребра уголковых отражателей находятся на оптической оси, что также ухудшает расходимость излучения.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является двухпроходный неустойчивый телескопический резонатор, содержащий выпуклое и вогнутое зеркала и оптический элемент связи, представляющий собой двугранный уголковый отражатель, обеспечивающий двухпроходность схемы. Это устройство обеспечивает частичную компенсацию аберраций нечетного порядка только в одном направлении, связанном с ориентацией двугранного уголкового отражателя, что уменьшает расходимость излучения только в одном направлении.

[Kellen P.F., Mattsson A.C., Ahouse D.R., Yoder M.J., Opt. Engineering, 1979, v.18, p.340-344].

Цель изобретения — уменьшение расходимости излучения, формируемого резонатором, путем компенсации аберраций нечетного порядка.

Указанная цель достигается тем, что в известном устройстве, содержащем выпуклое и вогнутое зеркала, расположенные отражающей поверхностью в одном направлении так, что нормали к центрам зеркал, являющиеся их оптическими осями, параллельны, и оптический элемент связи, обеспечивающий двухпроходность схемы, последний выполнен в виде трехгранного уголкового отражателя, обращенного отражающими поверхностями в направлении выпуклого и вогнутого зеркал, и представляющего собой систему трех взаимно перпендикулярных зеркал, ось симметрии которого лежит в плоскости, определяемой оптическими осями выпуклого и вогнутого зеркал, и равноудалена от них, причем ни одного из ребер уголкового отражателя не лежит в этой плоскости.

Такой резонатор обеспечивает компенсацию крупномасштабных аберраций нечетного порядка за счет эффекта «переворачивания» сечения пучка трехгранным уголковым отражателем.

Симметричная ориентация уголкового отражателя относительно плоскости оптических осей выпуклого и вогнутого зеркал, когда плоскость, проходящая черед ось симметрии уголкового отражателя и одно из его ребер, перпендикулярна плоскости оптических осей, обеспечивает наибольшую удаленность оптической оси резонатора от ребер уголкового отражателя, что исключает внесение дополнительных искажений в приосевую область резонатора, ответственную за начальную стадию формирования излучения. (В.Е.Шерстобитов. Угловая расходимость излучения проточных газовых лазеров. Известия АН СССР сер. Физическая т.46, 1982, №10, с.1905-1914).

На фиг.1 изображена схема предлагаемого резонатора. На фиг.2 изображено прохождение расходящейся волны от оптической линии, эквивалентной двухпроходному неустойчивому телескопическому резонатору с трехгранным уголковым отражателем со слабо неоднородной средой.

В двухпроходном неустойчивом телескопическом резонаторе вогнутое 1 и выпуклое 2 зеркала расположены отражающей поверхностью в одном направлении таким образом, что нормали к центрам зеркал, являющиеся их оптическими осями, параллельны. Оптический элемент связи, обеспечивающий двухпроходность схемы, выполнен в виде трехгранного уголкового отражателя 3. Он представляет собой систему трех взаимно перпендикулярных зеркал и ориентирован отражающими поверхностями в направлении выпуклого 2 и вогнутого 1 зеркал. Ось симметрии уголкового отражателя 3 лежит в плоскости, определяемой оптическими осями вогнутого 1 и выпуклого 2 зеркал и равноудалена от них.

Наибольшая удаленность оптической оси резонатора от ребер уголкового отражателя 3 обеспечивается при его симметричной ориентации относительно плоскости оптических осей выпуклого 2 и вогнутого 1 зеркал, когда плоскость, проходящая через ось симметрии уголкового отражателя и одно из его ребер перпендикулярна ей.

В мощных газовых лазерах предлагаемый резонатор ориентируется так, чтобы направление газового потока совпадало с плоскостью оптических осей вогнутого 1 и выпуклого 2 зеркал. Разряд реализуется в направлении, перпендикулярном этой плоскости.

Двухпроходный неустойчивый телескопический резонатор в лазере работает следующим образом.

Генерируемое излучение, распространяющееся от вогнутого зеркала 1 в направлении выпуклого зеркала 2, представляет собой параллельный пучок. При отражении от уголкового отражателя 3 происходит «переворачивание» сечения пучка излучения и пучок вновь направляется в активную среду параллельно направлению прихода на уголковый отражатель 3, но без перекрытия пучков. После отражения от выпуклого зеркала 2 распространяется расходящийся пучок, уголковым отражателем 3 сечение пучка вновь переворачивается и пучок направляется в вогнутому зеркалу 1. После отражения от него пучок излучения становится вновь параллельным, что обеспечивает обратную связь в лазере. Часть излучения, приходящая мимо выпуклого зеркала представляет собой долю полезных потерь резонатора, являющихся выходным излучением лазера.

Компенсация аберраций нечетного порядка, а, следовательно, уменьшение расходимости излучения обеспечивается оптической схемой резонатора.

Так как переворачивание сечения пучка происходит относительно оси симметрии трехгранного уголкового отражателя, то будут частично компенсироваться все аберрации нечетного порядка.

Анализ прохождения основной расходящейся волны по оптической линии, эквивалентной предлагаемому резонатору (см. фиг.2), для случая, когда неоднородности распределены равномерно по всей длине резонатора и показатель преломления активной среды n может быть представлен в виде

где х — поперечная координата, позволяет получить основные зависимости, иллюстрирующие частичную компенсацию аберраций нечетных порядков,

n — показатель преломления активной среды на оптической оси.

Длина оптического пути по оси на участке длиной L

где L — длина активной среды.

АВСДЕFGH — внеосевой луч, заканчивающийся в точке А с поперечной координатой (-x), тогда

точки А и В имеют координату (-x),

точки С Д Е имеют координату (x),

где М — увеличение резонатора.

Длина оптического пути между точками А и В с учетом знака координаты:

Разность оптических длин путей на этом участке:

Длина участка СД:

Длина участка EF:

Суммарная разность хода внеосевого и осевого луча: на одном полном обходе резонатора:

Суммарная разность хода внеосевых и осевых лучей за все обходы резонатора будет:

Заменив в последней формуле

получаем окончательное выражение для суммарной разности хода за все обходы резонатора:

k — аберрационные коэффициенты, их величины показывают, во сколько раз данный тип неоднородности проявляется сильнее в неустойчивом резонаторе, чем в одноходовых усилителях.

Анализ выражений для k показывает, что при нечетных значениях K в прямом ходе, то есть когда генерируемое излучение представляет собой параллельный пучок, нечетные аберрации компенсируются полностью, а в наклонном пучке лишь частично, (компенсацию аберраций нечетного порядка в накленном пучке характеризуют первые два слагаемых в выражении (11)).

Таким образом, за полный обход резонатора аберрации нечетных порядков частично компенсируются. Причиной этого является «перевертывание» пучка трехгранным уголковым отражателем относительно оси симметрии этого отражателя, в результате чего каждый внеосевой луч проходит попеременно зоны то с большим, то с меньшим показателем преломления.

К преимуществам этого резонатора следует отнести также и то, что кроме компенсации волновых аберраций нечетного порядка будет компенсироваться, и довольно часто, имеющая место в электроионизационных лазерах клиновидность распределения коэффициента усиления в активной среде в направлении анод-катод.

Таким образом, использование двухпроходного неустойчивого телескопического резонатора в лазере обеспечивает уменьшение расходимости излучения и выравнивание распределения интенсивности по сечению выходного излучения лазера.

1. Двухпроходный неустойчивый телескопический резонатор лазера, содержащий выпуклое и вогнутое зеркала, отражающие поверхности которых обращены в одну сторону, и оптические оси зеркал, проходящие через их центры, параллельны между собой, и оптический элемент связи, отличающийся тем, что, с целью уменьшения расходимости излучения за счет компенсации аберраций нечетного порядка, оптический элемент связи выполнен в виде трехгранного уголкового отражателя, установленного отражающими поверхностями в сторону отражающих поверхностей выпуклого и вогнутого зеркал, ось симметрии которого расположена в плоскости оптических осей выпуклого и вогнутого зеркал и равноудалена от каждой из них, причем ребра уголкового отражателя выполнены вне этой плоскости.

2. Двухпроходный неустойчивый телескопический резонатор лазера по п.1, отличающийся тем, что плоскость, проходящая через одно из ребер и ось симметрии уголкового отражателя, перпендикулярна плоскости оптических осей выпуклого и вогнутого зеркал.

Добавить комментарий