RU2027268C1

RU2027268C1 - Pulsed laser

Info

Publication number: RU2027268C1
Authority: RU
Inventors: В.Н. Котиков; Ю.С. Титков; В.А. Крылов
Original assignee: Центральный научно-исследовательский институт технологии судостроения
Priority date: 1991-04-17
Filing date: 1991-04-17
Publication date: 1995-01-20

Abstract

FIELD: laser engineering. SUBSTANCE: cavity input mirror of pulsed laser is made of transparent material with alternating circumferential sections of different degree of transparency from opaque to fully transparent ones; mirror is mounted on shaft displaced relative to cavity axis and perpendicular to cavity optical axis. EFFECT: enlarged functional capabilities. 6 dwg

Description

Изобретение относится к лазерной технике, предназначенной для обработки металлов: резки, сварки, пробивки отверстий, гравирования и других видов обработки. The invention relates to a laser technique designed for metal processing: cutting, welding, punching, engraving and other types of processing.

Известны импульсные лазеры, способы осуществления импульсного лазерного излучения, которые обеспечиваются с помощью источников электропитания импульсной накачки, например импульсные лазеры типа "Квант-9", "Квант-10", "Квант-20" и т.д. [1]. Known are pulsed lasers, methods for implementing pulsed laser radiation, which are provided using pulsed-pump power sources, for example, pulsed lasers of the "Quant-9", "Quant-10", "Quant-20" type, etc. [1].

Недостатком этих лазеров и способов осуществления импульсного лазерного излучения является то, что частота импульсного режима низкая, не превышает 180 Гц, срок службы газоразрядных ламп накачки не более 100 ч. При импульсной токовой накачке для СО₂-лазеров также резко снижается ресурс работы катодных и анодных блоков.The disadvantage of these lasers and methods of implementing pulsed laser radiation is that the frequency of the pulsed mode is low, does not exceed 180 Hz, the service life of gas-discharge pump lamps is not more than 100 hours. With pulsed current pumping for CO ₂ lasers, the cathode and anode operating life also sharply decreases blocks.

Известны также импульсные лазеры и способы получения импульсного лазерного излучения с помощью оптических и акустооптических затворов [2]. Also known are pulsed lasers and methods for producing pulsed laser radiation using optical and acousto-optical shutters [2].

Недостатком этих устройств и способов получения импульсного лазерного излучения является то, что они могут использоваться для лазеров с небольшой выходной мощностью, несколько ватт. Для лазеров в сотни ватт оптические и акустооптические затворы не рассчитаны. Кроме того, в промежутках между импульсами генерация либо обрывается, либо излучение отклоняют, что также приводит к прекращению генерации, т.е. в обоих случаях происходят потери мощности илучения. The disadvantage of these devices and methods for producing pulsed laser radiation is that they can be used for lasers with a small output power of several watts. For lasers of hundreds of watts, optical and acousto-optical shutters are not calculated. In addition, in the intervals between pulses, the generation either breaks off or the radiation is rejected, which also leads to the termination of generation, i.e. in both cases, radiation power losses occur.

В качестве прототипа выбирается известное устройство - импульсный лазер, включающий резонатор с проходным и непроходным зеркалами, одно из которых вращается вокруг оси, перпендикулярной оси резонатора, и создающий импульсный режим за счет периодического прерывания генерации лазерного излучения [2]. As a prototype, a well-known device is chosen - a pulsed laser, which includes a resonator with pass-through and non-pass-through mirrors, one of which rotates around an axis perpendicular to the axis of the resonator, and creates a pulsed mode due to periodic interruption of laser radiation generation [2].

Генерация лазерного излучения в указанном лазере возникает периодически в момент, когда поверхность вращающегося зеркала оказывается перпендикулярной генерируемому лучу. При отклонении поверхности одного из зеркал резонатора от перпендикуляра генерация прекращается. За каждый оборот зеркала генерируются два импульса лазерного излучения. The generation of laser radiation in the specified laser occurs periodically at the moment when the surface of the rotating mirror is perpendicular to the generated beam. When the surface of one of the resonator mirrors deviates from the perpendicular, generation ceases. For each revolution of the mirror, two pulses of laser radiation are generated.

Основным недостатком указанного импульсного лазера является то, что за счет прерывания процесса генерации снижается КПД лазера, т.е. в момент паузы накачка лазера происходит, затрачивается энергия, а генерация излучения отсутствует. Выделялемое избыточное тепло утилизируется за счет принудительнго охлаждения. The main disadvantage of this pulsed laser is that due to interruption of the generation process, the laser efficiency is reduced, i.e. at the time of a pause, the laser is pumped, energy is expended, and radiation is not generated. The generated excess heat is utilized by forced cooling.

Второй недостаток заключается в том, что для осуществления высокочастотного импульсного режима генерации необходимо обеспечить очень высокие обороты вращения зеркала, что технически выполнить не всегда возможно из-за отсутствия высокооборотных электродвигателей. The second disadvantage is that for the implementation of the high-frequency pulse mode of generation it is necessary to provide very high revolutions of rotation of the mirror, which is technically not always possible due to the lack of high-speed electric motors.

Третьим недостатком указанного импульсного лазера является то, что рассмотренный принцип получения импульсного режима возможен только для маломощных лазеров. Это объясняется тем, что генерация при отклонении зеркала не исчезает мгновенно, а уменьшается, так как в самом начале генерируемый луч имеет незначительное угловое отклонение от оси резонатора и частично попадает на противоположное зеркало резонатора. В случае большой мощности излучения этот перекос может вызвать мгновенный локальный перегрев и разрушение активного элемента или пригары каких-либо деталей, расположенных вблизи оси резонатора. The third disadvantage of this pulsed laser is that the considered principle of obtaining a pulsed mode is possible only for low-power lasers. This is because the generation when the mirror is deflected does not disappear instantly, but decreases, since at the very beginning the generated beam has a slight angular deviation from the axis of the resonator and partially falls on the opposite mirror of the resonator. In the case of a large radiation power, this skew can cause instant local overheating and destruction of the active element or burns of any parts located near the axis of the resonator.

Целью изобретения является повышение КПД импульсного лазера, увеличение энергии импульсов, расширение диапазонов частот импульсного режима. The aim of the invention is to increase the efficiency of a pulsed laser, increase the energy of pulses, expand the frequency ranges of the pulsed mode.

Цель достигается тем, что в импульсном лазере, содержащем активный элемент, расположенный вдоль оптической оси резонатора, образованного глухим зеркалом и выходным зеркалом, связанным со средством его вращения, выходное зеркало резонатора выполнено из прозрачного материала с расположенными по кругу чередующимися участками с различной степенью прозрачности от непрозрачных до полностью прозрачных, насажено на ось, расположенную параллельно оси резонатора со смещением относительно последней на величину, превышающую диаметр генерируемого пучка излучения, и установлено перпендикулярно оптической оси резонатора. При этом рабочая поверхность проходного зеркала, взаимодействующая с генерируемым пучком, перпендикулярна последнему и состоит из чередующихся участков с большей или меньшей отражающей способностью в пределах от непрозрачного до полностью прозрачного. Проходное зеркало на рабочей поверхности может иметь отверстия или вырезы, чередующиеся с участками, обеспечивающими необходимую отражающую способность. Для получения положительного эффекта проходное зеркало вращают в плоскости, перпендикулярной генерируемому пучку. The goal is achieved by the fact that in a pulsed laser containing an active element located along the optical axis of the resonator formed by a blind mirror and an output mirror associated with its rotation means, the output mirror of the resonator is made of transparent material with alternating sections arranged in a circle with different degrees of transparency from opaque to completely transparent, mounted on an axis parallel to the axis of the resonator with an offset relative to the latter by an amount exceeding the diameter generated nth radiation beam, and is installed perpendicular to the optical axis of the resonator. In this case, the working surface of the passage mirror interacting with the generated beam is perpendicular to the latter and consists of alternating sections with more or less reflectivity ranging from opaque to completely transparent. The passage mirror on the working surface may have holes or cutouts alternating with areas providing the necessary reflectivity. To obtain a positive effect, the passage mirror is rotated in a plane perpendicular to the generated beam.

Повышение КПД и энергии импульсов импульсного лазера по сравнению с прототипом достигается за счет накопления внутренней энергии резонатора в момент, когда излучение пучка частично или полностью заперто внутри резонатора. Это происходит в тот момент, когда участок проходного зеркала, взаимодействующий с генерируемым пучком света, имеет достаточно высокую или полную отражающую способность лазерного излучения, т.е. выход пучка из резонатора через проходное зеркало резко ограничен или полностью перекрыт. Improving the efficiency and energy of pulses of a pulsed laser compared with the prototype is achieved by accumulating the internal energy of the resonator at a time when the beam radiation is partially or completely locked inside the resonator. This occurs at the moment when the portion of the passage mirror interacting with the generated light beam has a sufficiently high or full reflectivity of the laser radiation, i.e. the beam exit from the resonator through the passage mirror is sharply limited or completely blocked.

Расширение диапазона частот по сравнению с прототипом достигается не только скоростью вращения (как в прототипе), но и диаметром зеркала и количеством чередующихся участков на рабочей поверхности зеркала с большей или меньшей отражающей способностью. The expansion of the frequency range compared with the prototype is achieved not only by the rotation speed (as in the prototype), but also by the diameter of the mirror and the number of alternating sections on the working surface of the mirror with a greater or lesser reflectivity.

Т.е. для обеспечения той же частоты импульсов, что и у прототипа, скорость вращения зеркала может быть уменьшена в несколько раз. И наоборот, при той же скорости вращения частота импульсов возрастет также в несколько раз. Those. to ensure the same pulse frequency as the prototype, the speed of rotation of the mirror can be reduced several times. And vice versa, at the same rotation speed, the pulse frequency will also increase several times.

На фиг.1 изображена схема импульсного лазера; на фиг.2-4 изображены типы проходных вращающихся зеркал, поверхность которых по периметру состоит из чередующихся участков, отличных по форме соответственно с большей или меньшей отражающей способностью; на фиг.5 и 6 изображены проходные вращающиеся зеркала, на рабочей поверхности которых имеются отверстия или вырезы, чередующиеся с участками с частичной или полной отражающей способностью. Figure 1 shows a diagram of a pulsed laser; figure 2-4 shows the types of through-passage rotating mirrors, the surface of which along the perimeter consists of alternating sections, different in shape, respectively, with a greater or lesser reflectivity; Figures 5 and 6 show through-passage rotating mirrors, on the working surface of which there are openings or cut-outs alternating with areas with partial or full reflectivity.

Лазер содержит резонатор 1, включающий непроходное зеркало 2, активную среду 3, в которой усиливается генерируемый пучок 4 света, проходное зеркало 5 способно вращаться относительно оси 6, которая установлена параллельно оптической оси резонатора 7. Рабочая поверхность проходного вращающегося зеркала 5, взаимодействующая с генерируемым пучком 4, перпендикулярна последнему и по периметру состоит из чередующихся участков 8 и 9 соответственно с большей или меньшей отражающей способностью. The laser contains a resonator 1, including a pass-through mirror 2, an active medium 3, in which the generated light beam 4 is amplified, the pass-through mirror 5 is able to rotate relative to the axis 6, which is installed parallel to the optical axis of the resonator 7. The working surface of the pass-through rotating mirror 5, interacting with the generated beam 4, is perpendicular to the latter and along the perimeter consists of alternating sections 8 and 9, respectively, with a greater or lesser reflectivity.

Импульсный лазер работает следующим образом. A pulsed laser operates as follows.

Пучок света усиливается в активной среде 3, помещенной в резонатор 1, и испытывает периодические отражения от зеркал 2 и 5. Зеркало 2 непрозрачное, поэтому полностью отражает световой пучок 4 генерируемого излучения. The light beam is amplified in the active medium 3, placed in the resonator 1, and experiences periodic reflections from mirrors 2 and 5. The mirror 2 is opaque, therefore, fully reflects the light beam 4 of the generated radiation.

Вращающееся проходное зеркало 5 имеет по периметру участки с большей или меньшей отражающей способностью в пределах от непрозрачного до полностью прозрачного. Например, участки вращающегося зеркала 5 в виде отверстий 10 (фиг.5) или вырезов 11 (фиг.6) полностью прозрачны для лазерного пучка. Там, где стекло, прозрачность рабочих участков зеркала будет зависеть от состава и плотности покрытия, нанесенного на эти участки, т.е. рабочие участки в этом случае могут быть от полностью непрозрачных до различной степени прозрачных и обладать различной отражающей способностью. The rotating pass-through mirror 5 has around the perimeter sections with greater or lesser reflectivity ranging from opaque to completely transparent. For example, sections of a rotating mirror 5 in the form of holes 10 (Fig. 5) or cutouts 11 (Fig. 6) are completely transparent to the laser beam. Where there is glass, the transparency of the working areas of the mirror will depend on the composition and density of the coating applied to these areas, i.e. work areas in this case can be from completely opaque to various degrees of transparency and have different reflectivity.

При последовательном взаимодействии генерируемого пучка 4 с участками менее или более прозрачными 8 и 9 за счет вращения зеркала 5, часть энергии, накорпленной в резонаторе, испускается в виде импульсов 12 света, покидая пределы резонатора. При этом, чем выше прозрачность участка 9 зеркала 5, тем более мощный импульс накопленной энергии испускается. Чем меньше прозрачность участка 8 зеркала 5, тем больше энергии накапливается в резонаторе для последующего импульса лазерного излучения. Частота следования импульсов зависит от количества чередующихся участков 8 и 9 и скорости вращения зеркала 5. In the sequential interaction of the generated beam 4 with regions less or more transparent 8 and 9 due to the rotation of the mirror 5, part of the energy accumulated in the resonator is emitted in the form of pulses 12 of light, leaving the cavity. Moreover, the higher the transparency of section 9 of the mirror 5, the more powerful the pulse of accumulated energy is emitted. The lower the transparency of section 8 of mirror 5, the more energy is accumulated in the resonator for the subsequent laser pulse. The pulse repetition rate depends on the number of alternating sections 8 and 9 and the rotation speed of the mirror 5.

Предлагаемый импульсный лазер и способ получения импульсного режима по сравнению с прототипом будут иметь примерно в 2 раза более высокий КПД за счет исключения потерь энергии накачки в промежутках между импульсами. The proposed pulsed laser and a method for producing a pulsed mode in comparison with the prototype will have approximately 2 times higher efficiency due to the exclusion of losses of pump energy in the intervals between pulses.

Мощность импульсов при той же частоте повысится также примерно в 2 раза, что позволит увеличить толщину обрабатываемого материала. The pulse power at the same frequency will also increase by about 2 times, which will increase the thickness of the processed material.

Увеличение частоты импульсного режима лазера позволит улучшить качественные показатели обработки материалов, а также увеличить скорость обработки. Increasing the frequency of the pulsed laser mode will improve the quality of materials processing, as well as increase the processing speed.

Claims

ИМПУЛЬСНЫЙ ЛАЗЕР, содержащий активный элемент, расположенный вдоль оптической оси резонатора, образованного глухим зеркалом и выходным зеркалом, связанным со средством его вращения, отличающийся тем, что выходное зеркало резонатора выполнено из прозрачного материала с расположенными по кругу чередующимися участками с различной степенью прозрачности от непрозрачных до полностью прозрачных, насажено на ось, расположенную параллельно оси резонатора, со смещением относительно последней на величину, превышающую диаметр генерируемого пучка излучения, и установлено перпендикулярно к оптической оси резонатора. A PULSED LASER containing an active element located along the optical axis of the resonator formed by a blind mirror and an output mirror associated with its rotation means, characterized in that the output mirror of the resonator is made of transparent material with alternating sections arranged in a circle with varying degrees of transparency from opaque to completely transparent, mounted on an axis parallel to the axis of the resonator, with an offset relative to the latter by an amount exceeding the diameter of the generated radiation point, and is set perpendicular to the optical axis of the resonator.