устройство для передачи мощного лазерного излучения

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ МОЩНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, состоящее из волоконного световода, расположенного в шланге с циркулирующим хладоагентом, устройство ввода лазерного излучения в световод и устройство вывода лазерного излучения из световода, в корпусе каждого из которых расположена оптическая система, содержащая линзу, и герметичная полость, заполненная жидким хладоагентом с возможностью его прокатки, в которой установлен конец световода, причем входной торец световода размещен в фокальной плоскости оптической системы, а выходной торец световода размещен от оптической системы на расстоянии больше фокусного расстояния оптической системы, отличающееся тем, что, с целью повышения мощности передаваемого лазерного излучения, в оптические системы входного и выходного устройств введен стержень из материала, пропускающего лазерное излучение, который размещен между линзой и торцем световода на расстоянии 100 - 200 мкм от него и соосно с линзой, при этом стержень закреплен в корпусе герметично, а герметичная полость ограничена торцом стержня, размещенным напротив торца световода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к технологическим лазерным устройствам.

Известен лазерный фотокоагулятор [1], который представляет собой отрезок волокна в гибком шланге и устройство ввода мощного лазерного излучения, содержащее полость, в которой с одной стороны расположена линза, а с другой - волоконный световод, в который с помощью линзы вводится лазерное излучение. Охлаждение световода достигается путем продува через шланг углекислого газа.

Главным недостатком этого устройства является использование газового охлаждения световода, так как теплообмен при данном способе охлаждения световода ограничивает передаваемую мощность лазерного излучения. При газовом продуве также не исключена возможность попадания мелких пылинок на торец световода, что приводит к их сгоранию и разрушению входного торца световода.

Известно устройство для передачи мощного лазерного излучения для технологических целей [2] . Это устройство состоит из отрезка волоконного световода, заключенного в гибкий шланг, устройства ввода лазерного излучения в световод, содержащего герметичную полость, на одной стороне которой установлена фокусирующая линза, а на другой - волоконный световод. Для коллимации лазерного излучения фокусирующей линзой и лазером установлен двухлинзовый телескоп. Имеется также устройство вывода лазерного излучения из волокна, содержащее полость, в которой с противоположных сторон закреплены выходной участок волокна и линза, фокусирующая лазерное излучение на обрабатываемой детали. Охлаждение световода в шланге и входного и выходного участков, расположенных в полостях, осуществляется путем продува газа через полости и гибкий шланг.

Главным недостатком приведенного устройства является использование газового способа охлаждения волоконного световода, в особенности входного и выходного участков, так как на этих участках могут возбуждаться оболочечные моды световода, что приводит к сгоранию его оболочки и тем самым ограничивает передаваемую мощность. Кроме того, с потоком газа могут переноситься пылинки, которые, попадая на входной или выходной торец световода, сгорают, что приводит к выходу из строя световода.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство [3]. Это устройство содержит отрезок волоконного световода, устройство ввода лазерного излучения в световод и устройство вывода лазерного излучения из волновода. Устройства ввода и вывода содержат полости, по которым протекает жидкий хладагент для охлаждения концов волоконного световода, уменьшения коэффициентов отражения на торцах световода и вывода из концевых участков световодов оболочечных мод. В противоположных концах полости закреплены линза и световод. Выходной торец световода расположен в фокусе линзы для устройства ввода, а для устройства вывода - на расстоянии от линзы большем, чем двойное фокусное.

Главным недостатком этого устройства являются ограниченные возможности по передаче мощного лазерного изучения, которые связаны с наличием полости больших размеров. Расстояние от линзы до торца световода должно составлять порядка 10 см, чтобы лазерное излучение полностью вводилось в световедущую сердцевину. Так как по этой полости циркулирует жидкий хладагент, то лазерный луч образует в нем градиентную отрицательную линзу, которая приводит к расфокусировке всей системы и эффективному возбуждению оболочечных мод световода, что при увеличении вводимой в световод мощности приводит к его выходу из строя. При этом величина расфокусировка пропорциональна расстоянию между линзой и торцом световода. Для увеличения передаваемой мощности необходимо увеличить скорость протока жидкости, что дополнительно приводит к расфокусировке оптической системы ввода и вывода лазерного излучения.

Целью изобретения является повышение мощности передаваемого светового излучения.

Цель достигается тем, что в известном устройстве, состоящем из волоконного световода, расположенного в шланге с циркулирующим хладагентом, устройство ввода лазерного излучения в световод и устройства вывода лазерного излучения из световода, в корпусе каждого из которых расположена оптическая система, содержащая линзу, и герметичная полость, заполненная жидким хладагентом с возможностью его прокачки, причем входной торец световода размещен в фокальной плоскости оптической системы, а выходной торец световода размещен от оптической системы на расстоянии больше фокусного расстояния оптической системы, в оптическую систему входного и выходного устройств введен стержень из материала, пропускающего лазерное излучение, который размещен между линзой и торцом световода на расстоянии 100-200 мкм от него и соосно с линзой, при этом стержень размещен в корпусе герметично, а герметичная полость ограничена торцом стержня, размещенным напротив торца световода.

На фиг. 1 приведена схема устройства, общий вид.

Устройство состоит из устройства 1 ввода лазерного излучения в световод, гибкого шланга 2, в котором расположен световод, и устройства 3 для вывода лазерного излучения из световода.

На фиг. 2 приведена схема устройства ввода (вывода) лазерного излучения в световод.

Устройство содержит герметичную полость 4, с одной стороны которой впаян волоконный световод 5, расположенный внутри гибкого шланга 2. На входном конце устройства закреплена линза 6, фокусирующая лазерное излучение 7 на входной торец 8 световода 5. Между линзой 6 и световодом 5 расположен цилиндрический стержень 9, который вклеен в полость 4 с помощью клея 10. Через полость 4 с помощью штуцеров 11, 12 прокачивается жидкий хладагент 13 для охлаждения входного участка световода 14. Охлаждение световода производится прокачкой по шлангу 2 через штуцер 15 и канал 16 газообразного хладагента 17.

Устройство для вывода лазерного излучения из световода состоит из тех же элементов, что и устройство ввода, и эти элементы расположены аналогично, за исключением того, что линза расположена от выходного торца световода на расстоянии, позволяющем фокусировать лазерное излучение, вышедшее из световода.

На фиг. 3 приведена схема устройства ввода (вывода) в случае, когда функции фокусирующей линзы выполняет поверхность цилиндрического стержня, противоположная поверхности, расположенной у торца световода.

В этом случае устройство 1 ввода содержит герметичную полость 4, с одной стороны которой впаян волоконный световод 5, расположенный внутри гибкого шланга 2. На другой стороне полости 4 вклеен цилиндрический стержень 9, одна из поверхностей которого обработана в виде линзы 18, фокусирующей лазерное излучение 7 на входной торец 8 световода 5. Через полость 4 с помощью штуцеров 11, 12 прокачивается жидкий хладагент 13 для охлаждения входного участка световода 14. Охлаждение световода производится прокачкой по шлангу 2 через штуцер 15 и канал 16 газообразного хладагента 17.

На фиг. 4 приведена схема устройства ввода лазерного излучения в световод с охлаждением волоконного световода жидким хладагентом.

Устройство содержит те же элементы, что и устройство, изображенное на фиг. 2, за тем исключением, что соответствует штуцеру 12 и 15, а канал 16 соединяет шланг 2 с полостью 4.

Устройство для вывода лазерного излучения в световод устроено аналогично устройству для ввода.

Устройство, схема которого приведена на фиг.1, работает следующим образом. Лазерное излучение с помощью устройства 1 ввода вводится в волоконный световод, заключенный в гибком шланге, а затем выводится из световода с помощью устройства вывода.

Устройство ввода лазерного излучения в волоконный световод, схема которого приведена на фиг.2, работает следующим образом.

Лазерное излучение 7 попадает на линзу 6. После линзы в виде сходящегося пучка оно попадает на переднюю грань цилиндрического стержня 9. Для уменьшения отражения поверхности линзы 6 грань цилиндрического стержня, находящаяся возле линзы как в устройстве ввода, так и в устройстве вывода лазерного излучения из световода, должна быть просветлена. Линза 6 должна иметь такое фокусное расстояние, чтобы телесный угол, в котором распространяется лазерное излучение от линзы к световоду, был меньше, чем телесный апертурный угол волоконного световода. После прохода стержня 9 сфокусированное излучение попадает в герметичную полость 4, по которой через штуцеры 11 и 12 прокачивается жидкий хладагент 13, охлаждающий входной конец световода 14. Так как волоконный световод 5 установлен таким образом, что его входной торец 8 расположен вплотную к грани цилиндрического стержня 9 (зазор составляет порядка 100-200 мкм), то при этом достигается эффективное охлаждение входного конца световода 14. Малая величина зазора между входным торцом световода 8 и цилиндром не нарушает фокусировку лазерного пучка.

Так как входной торец 8 установлен в фокусе линзы 8, то лазерное излучение эффективно вводится в световодную сердцевину световода 5 и распространяется к устройству вывода, которое устроено аналогично устройству ввода. По мере прохода излучения по световоду 5, который расположен в гибком шланге 2, часть излучения переизлучается в оболочечные моды и поглощается полимерной защитной оболочкой. Газообразный хладагент 17, распространяясь через штуцер 15 и канал 16 по шлангу 2 от устройства ввода к устройству вывода, охлаждает световод и выходит из устройства вывода через канал и штуцер, аналогичный каналу 16 и штуцеру 15 устройства ввода. После выхода из световода лазерное излучение проходит через зазор жидкого хладагента и цилиндрический стержень и фокусируется линзой, установленной на выходе устройства вывода лазерного излучения из световода.

Так как входная грань цилиндрического стержня находится вблизи фокусирующей линзы 6, то плотность мощности лазерного излучения на этой грани значительно меньше плотности мощности на входном торце 8 световода, что не приводит к выходу из строя устройства, если на этой грани стержня и произойдет сгорание отдельных пылинок, так как из-за малых их размеров основной лазерный пучок будет проходить на вход световода.

Устройство, схема которого приведена на фиг.3, работает аналогично устройству, приведенному на фиг.2, с той лишь разницей, что фокусировка на входе и выходе осуществляется криволинейной поверхностью цилиндрического стержня 9.

Работа устройства, приведенного на фиг.4, отличается от работы устройства на фиг. 2 тем, что жидкий хладагент 13, пройдя через полость 4 через канал 16, попадает в гибкий шланг 2, охлаждает световод и по аналогичному каналу в устройству вывода лазерного излучения из световода через полость и штуцер выводится в насос.

Конкретное устройство выполнялось с непрерывным лазером на алюмо-иттриевом гранате ЛТН-103 с длиной волны генерируемого излучения 1,06 мкм и кварцевым световодом, имеющим световедущую сердцевину диаметром 500 мкм, кварцевую оболочку и защитную полимерную оболочку длиной 2 м. Общий диаметр световода 1 мм. Концы световода длиной 5 см освобождались от полимерной оболочки и покрывались металлом. Мощность лазерного излучения на выходе измерялась измерителем ИМО-2. Фокусировка лазерного излучения на входной торец световода осуществлялась линзами из кварца с фокусным расстоянием (в воздухе) 70 и 50 мм.

В предложенном устройстве применялся цилиндрический стержень из плавленого кварца длиной 50 мм и диаметром 15 мм. Показатель преломления 1,46. Стержень вклеивался эпоксидной смолой в латунную полость, через которую прокачивалась дистиллированная вода. С другой стороны полости вплотную к цилиндру (зазор порядка 100-200 мкм) впаивался волоконный световод. Аналогичная конструкция устанавливалась на входном конце световода. Охлаждение световода осуществлялось обдувом вентилятором. Излучение лазера вводилось в световод через стержень с помощью линзы с фокусным расстоянием 50 мм. Длина стержня была меньше, чем произведение фокусного расстояния линзы на показатель преломления кварца. Это приводит составляет 72 мм (длину стержня желательно выбирать наибольшей, чтобы он размещался между линзой и световодом, так как в этом случае плотность световой мощности на выходном торце стержня будет минимальной). Проведенные эксперименты показали, что при мощности 120 Вт на выходе устройства в течение 20 мин не наблюдалось никаких изменений.

Если убрать стержень, то при фокусировке лазерного излучения мощностью 40 Вт в воздухе линзой с фокусным расстоянием 70 мм в отдельные моменты наблюдается попадание пылинок на входной торец световода и их сгорание, что приводит к резкому падению вводимой в световод мощности и яркому свечению торца световода.

Эксперименты, проведенные с заполнением полости между входным торцом световода и линзой глицерином, показали, что уже при мощности лазерного излучения 5 Вт наблюдается расфокусировка лазерного излучения, уменьшение эффективности ввода и эффективное возбуждение оболочечных мод, приводящих к сгоранию полимерной оболочки световода.

Проверка влияния жидкостного охлаждения на передаваемую через световод мощность осуществлялась следующим образом. С конца световода снималось устройство вывода лазерного излучения, и выходной торец световода оставался в воздухе. Это приводило к обратному отражению лазерного излучения от торца к лазеру и эффективному возбуждению оболочечных мод. Оказалось, что при мощности 75 Вт на выходе световода на выходном конце световода начинает сгорать полимерная оболочка. Помещение конца световода в полимерный шланг, заполненный водой, и длиной 20 см предотвращало сгорание полимера.

Предложенное устройство позволяет повысить передаваемую световую мощность лазерного излучения в три раза, упростить устройство за счет охлаждения световода путем одновременной прокачки жидкого хладагента через полость и шланг.