устройство для формирования излучения в средах с инверсной заселенностью

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ В СРЕДАХ С ИНВЕРСНОЙ ЗАСЕЛЕННОСТЬЮ в многоканальных лазерах, имеющих M горизонтальных и N вертикальных рядов с симметричным расположением пакета независимых параллельных каналов в плоскости I, перпендикулярной продольным осям каналов, включающее оптически связанные плоское глухое и плоское полупрозрачное зеркала, расположенные в плоскости I, многопрофильные отражающие поверхности, состоящие из наборов плоскопараллельных глухих зеркал с параметром d и размерами отражающих поверхностей расположенных под углами 90^o одна к другой и 45^o к направлению продольной оси каналов, образующие в сечении на плоскости II, проходящей через вертикальный ряд каналов перпендикулярно плоскости I, треугольники с основанием 2d и высотой d, отличающееся тем, что на первом и последнем горизонтальных рядах каналов установлены дополнительные многопрофильные отражающие поверхности, состоящие из плоскопараллельных глухих зеркал с размером отражающих поверхностей расположенные под углами 90^o одна к другой и 45^o к направлению продольной оси каналов, развернутые в плоскости I на 90^o по отношению к многопрофильным отражающим поверхностям и образующие в плоскости III, проходящей по продольным осям каналов первого или последнего горизонтальных рядов перпендикулярно плоскости I, треугольники с основаниями 2d и высотой d.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для устройств с четным числом каналов в горизонтальном m 2K и вертикальном рядах на одной стороне пакета каналов установлены дополнительные многопрофильные отражающие поверхности, состоящие из K 1 элементов для каналов первого или последнего ряда и из K элементов соответственно на последнем или первом ряду, где K 2, 3,

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в устройствах с нечетным числом каналов в горизонтальном M 2K + 1 и вертикальном рядах на противоположных сторонах пакета каналов установлены дополнительные многопрофильные отражающие поверхности, состоящие из K элементов для каналов первого или последнего ряда плоскости I, кроме соответственно первого или последнего канала ряда, и из K элементов для каналов последнего или первого ряда плоскости II, кроме соответственно последнего или первого канала, где K 1, 2, 3

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в устройствах с четным числом каналов в горизонтальном ряду M 2K и нечетным в вертикальном на неодинаковых сторонах пакета каналов установлены дополнительные многопрофильные отражающие поверхности, состоящие из K 1 элементов на первом или последнем ряду для всех каналов, кроме соответственно первого или последнего ряда плоскости I, и из K элементов на последнем или первом ряду плоскости II, где K 2,3

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в устройствах с нечетным числом в горизонтальных рядах M 2K + 1 и четным в вертикальных рядах на одной стороне пакета каналов установлены дополнительные многопрофильные отражающие поверхности, состоящие из K элементов на первом и последнем рядах для всех каналов, кроме соответственно первого или последнего канала одного ряда и последнего или первого канала другого ряда, где K 1, 2, 3

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к оптике и может быть использовано в многоканальных лазерах с симметричным расположением пакета зависимых каналов или в эквивалентных ему лазерах для расширения области их применения, повышения КПД, улучшения выходных характеристик излучения.

Известны устройства, состоящие из отражающих поверхностей с различной кривизной поверхности. Сферические отражающие поверхности в сочетании с плоскопараллельными (устойчивые и неустойчивые резонаторы) применяются в мощных газовых лазерах с поперечной прокачкой активной среды. В отпаянных лазерах, как правило, используются устойчивые резонаторы, т. е. оба или одно зеркало резонатора плоские. Такой тип резонатора установлен в мощном многоканальном СО₂-лазере. Он состоит из глухого плоскопараллельного и полупрозрачного зеркал. В резонаторе формируется пакет независимых источников излучения, число которых равно числу каналов. В дальнейшем для проведения технологических работ по термообработке излучения излучение от всех независимых каналов фокусируется и попадает на обрабатываемые поверхности. Применение в многоканальных лазерах неустойчивых резонаторов практически невозможно, так как требуется обеспечить для каждого канала идентичные условия распространения излучения. Поэтому в многоканальных лазерах для технологических задач установлены плоскопараллельные зеркала, а сами лазеры из-за большого числа независимых каналов используются только для термообработки.

Для частичной синхронизации по одной из координат пакета каналов можно использовать резонатор типа "свертки". Он позволяет в два раза сохранить число независимых каналов в пучке излучения лазера. Число независимых источников излучения, таким образом, определяется количеством каналов горизонтального или вертикального ряда. Этот тип резонатора выбран прототипом.

Целью изобретения является синхронизация излучения по всем каналам.

Цель достигается тем, что на первом и последнем горизонтальных рядах каналов установлены многопрофильные отражающие поверхности (МСП), состоящие из плоскопараллельных глухих зеркал с размером отражающих поверхностей d x d, расположенные под углами 90^о друг к другу и 45^ок направлению продольной оси каналов, развернутые в плоскости 1 на 90^опо отношению к системе отражающих поверхностей на других горизонтальных рядах и образующие в плоскости 111, проходящей по продольным осям каналов первого и последнего горизонтальных рядов перпендикулярно плоскости 1, треугольники с основаниями 2d и высотой d. Причем, если число каналов М 2К в горизонтальном и вертикальном рядах четное, то МОП установлены на одной стороне пакета каналов и состоят из К-1 элементов для каналов первого (последнего) ряда, за исключением первого и последнего каналов, и из К элементов на последнем (первом) ряду. Если число каналов M 2К + 1 в горизонтальном и вертикальном рядах нечетное, то на разных сторонах пакета каналов установлены МОП, состоящие из К элементов для каналов первого (последнего) ряда стороны 1, за исключением первого (последнего) канала ряда, и из К элементов для каналов последнего (первого) ряда стороны 11, за исключением последнего (первого) канала. Если число каналов в горизонтальном ряду четное М 2К, а в вертикальном нечетное, то на разных сторонах пакета каналов установлены МОП, состоящие из К-1 элементов на первом (последнем) ряду для всех каналов, за исключением первого (последнего) стороны 1, и из К элементов на последнем (первом) ряду стороны 11. Если число каналов в горизонтальных рядах нечетное M 2К + 1, а вертикальных четное, то на одной стороне каналов устанавливают МОП, состоящее из К элементов на первом и последнем рядах для всех каналов, за исключением первого (последнего) канала одного ряда и последнего (первого) канала другого ряда. К целое число, равное 1, 2, 3

Существенным отличием предлагаемого устройства по сравнению с прототипом является то, что дополнительно устанавливают наборы многоотражающих поверхностей, развернутые наборы многоотра- жающих поверхностей, развернутые относительно имеющихся на 90^о, на первый и последний ряды каналов. Это позволяет соединить воедино излучение во всех каналах, а следовательно, уменьшить апертуру выходного излучения до размера одного канала. Таким образом, выходные характеристики многоканального лазера становятся эквивалентными одноканальному и могут применяться уже не только для термообработки, но и для резки и сварки металлов.

На фиг. 1 и 2 схематично изображено устройство для тех вариантов, когда число горизонтальных и вертикальных каналов нечетное и четное соответственно; на фиг. 3 показана установка МОП на первом и последнем горизонтальных рядах в том случае, если число горизонтальных рядов четное М 2К, а вертикальных нечетное; на фиг. 4 установка МОП в том варианте, когда число горизонтальных рядов нечетное, а вертикальных четное.

Устройство состоит из МОП 1, расположенных параллельно горизонтальному ряду каналов, МОП 2, глухого 3₁ и полупрозрачного 3₁₁зеркал.

Принцип работы устройства следующий.

Излучение лазера формируется между концевыми зеркалами 3₁ и 3₁₁, а МОП 1 последовательно переводит излучение по горизонтальным рядам каналов. MОП 2 соединяют между собой вертикальные каналы.

При четном числе каналов в горизонтальных и вертикальных рядах, а также при нечетном в горизонтальном и четном в вертикальном рядах МОП 2 расположены на одной стороне каналов. Первый из этих вариантов показан на фиг. 2. На нем даны разрезы по четырем вертикальным рядам. Зеркала 3₁и 3₁₁ установлены на первом и последнем каналах первого горизонтального ряда. На последнем, четвертом, горизонтальном ряду установлены МОП 2, состоящие из двух элементов. На первом ряду напротив второго и третьего каналов также имеется МОП 2, но имеющая один элемент. Излучение отражается от зеркала 3₁ и распространяется по первому вертикальному ряду при отражении от МОП 1, состоящих из двух элементов на стороне, где нет МОП 2, и из одного элемента на другой стороне. МОП 2 первого вертикального ряда переводит излучение во второй вертикальный ряд, где далее излучение переводится МОП 1 на второй канал первого горизонтального ряда и далее МОП 2 нижнего горизонтального ряда на третий канал этого ряда. С третьего канала излучение распространяется по МОП 1 на третий канал, но уже верхнего горизонтального ряда, потом по МОП 2 на четвертый канал верхнего ряда, а затем по МОП 1 на четвертый канал первого горизонтального ряда, где установлено полупрозрачное зеркало 3₁₁. На фиг. 3 приведен вариант, когда МОП 2 также находится на одной стороне. Выбрано число горизонтальных рядов, равное четырем, а вертикальных трем. Количество МОП 1 на обоих сторонах осталось без изменения по сравнению с фиг. 2. МОП 2 состоят из одного элемента на первом и четвертом горизонтальных рядах. Отражающие зеркала установлены напротив первого канала первого горизонтального ряда и третьего канала четвертого ряда. Распространение излучения повторяет первый случай.

Вариант, соответствующий третьему пункту формулы и фиг. 1, имеет равное количество МОП 1, состоящих из двух элементов на разных сторонах пакета каналов, и МОП 2 по одному элементу на каждой стороне каналов. В данном варианте число горизонтальных рядов равно пяти, а вертикальных трем. Отражающее зеркало установлено на первом канале первого горизонтального ряда на стороне 1. Излучение распространяется по каналам первого вертикального ряда, отражаясь от МОП 1, на второй вертикальный ряд от МОП 2 стороны 11, далее с второго канала пятого горизонтального ряда на второй канал первого горизонтального ряда от МОП 1 сторон 11 и 1 от МОП 2 стороны 1 на третий канал первого горизонтального ряда и потом от МОП 1 обоих сторон на третий канал пятого горизонтального ряда со стороны, где установлено полупрозрачное зеркало 3₁₁.

Случай расположения элементов устройства при нечетном количестве горизонтальных и четном вертикальных рядов показан на фиг. 4. Число горизонтальных рядов равно пяти, а вертикальных четырем. На одной из сторон установлены оба зеркала 3₁ и 3₁₁ на нижнем горизонтальном ряду, на котором имеется МОП 2 из одного элемента. Вторая группа МОП 2 установлена на пятом горизонтальном ряду стороны 11 и состоит из двух элементов. МОП 1 на той же стороне установлены напротив первого-четвертого горизонтальных рядов, состоят из двух элементов. На стороне 1 МОП 1 имеют два элемента, но установлены напротив второго-пятого горизонтальных рядов. Принцип распространения излучения описан выше.

В данном устройстве выбрано одно из двух расположений ориентации отражающих поверхностей. Так МОП 1 параллельны горизонтальным рядам, а МОП 2 перпендикулярны им. Возможно и обратное расположение ориентации поверхностей. Местоположение зеркал 3₁ и 3₁₁ взаимозаменяемы.

Таким образом, вместо независимых каналов в пучке излучения по сравнению с прототипом имеется излучение только одного канала. Кроме того, апертура пучка становится меньше, на выходе имеется стабилизированное по частоте излучение. Оно обусловлено тем, что многократно увеличивается длина резонатора, а следовательно, уменьшается межмодовое расстояние. Такой факт приводит к тому, что в излучении лазера постоянно наблюдаются переходы, усиление которых превышает порог генерации. Особо важную роль это имеет в лазерах с давлением активной среды 10-25 мм рт. ст. Такие давления для электроразрядных лазеров соответствуют промежуточным условиям формирования контура усиления между доплеровским и столкновительным уширением. Чисто доплеровское уширение наблюдается при давлениях менее 5 мм рт. ст. а столкновительное соответствует давлениям более 50 мм рт. ст. При этом в первом случае контур линии является неоднородным, а во втором однородным, т. е. если частота одной продольной моды попадает в контур усиления на пороге генерации, то при неоднородном уширении выжигаются два провала в контуре и в излучении будет вклад только частиц из провала. Для того, чтобы стабилизировать излучение по мощности и частоте, необходимо обеспечить плотность расположения мод, что выполняется при длинном резонаторе. Для чисто столкновительного уширения это важно для обеспечения стабильности излучения.

Промежуточные давления характерны тем, что контур линии является частично однородным, а частично неоднородным. Поэтому чем больше длина резонатора, тем более стабильные по характеристикам становятся излучательные свойства лазера. Таким образом, полная синхронизация излучения излучает выходные данные излучения и может существенно расширить область применения многоканальных лазеров. С технической стороны длина одного канала может быть сокращена, что является упрощением конструкции разрядного блока.

Предлагаемое устройство может быть использовано в многоканальных лазерных системах для расширения области их применения, повышения КПД.