RU2159977C2

RU2159977C2 - Axially excited gas laser

Info

Publication number: RU2159977C2
Application number: RU98119253A
Authority: RU
Inventors: А.М. Забелин
Original assignee: Закрытое акционерное общество "ТехноЛазер"; Забелин Александр Михайлович
Priority date: 1998-10-23
Filing date: 1998-10-23
Publication date: 2000-11-27

Abstract

FIELD: laser engineering; high-power axially excited lasers. SUBSTANCE: laser has rectangular- or elliptical- section tubular excitation chamber, stable-unstable optical resonator whose axis is parallel to that of excitation chamber, and end mirrors. Instability plane of resonator is parallel to longer side (or longer axis of ellipse) of tubular excitation chamber. Size of smaller side (smaller axis of ellipse) is chosen so as to ensure that it will be 1.5-2 times greater than size of main mode in stability plane of resonator. EFFECT: improved quality of laser radiation and efficiency; simplified design. 15 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к области лазерной техники, может быть применено при создании высокомощных лазеров с осевой прокачкой активной среды с высоким качеством излучения. The invention relates to the field of laser technology, can be applied to create high-power lasers with axial pumping of an active medium with high radiation quality.

Известны газовые лазеры с осевой прокачкой активной среды [1, 2]. Они включают трубчатую камеру возбуждения, состоящую из отрезков стеклянных труб круглого сечения, в которых прокачивается с большой скоростью смесь газов, например, смесь CO₂, N₂, Не с помощью компрессора. В камере возбуждения зажигается тлеющий разряд постоянного тока или высокочастотный тлеющий разряд. В тлеющем разряде энергия электронов в конечном счете переходит в энергию возбуждения молекул активных газов. Колебательная энергия молекул преобразуется затем с помощью резонатора в световую энергию.Known gas lasers with axial pumping of the active medium [1, 2]. They include a tubular excitation chamber, consisting of segments of glass tubes of circular cross-section, in which a mixture of gases is pumped at high speed, for example, a mixture of CO ₂ , N ₂ , He using a compressor. A direct current glow discharge or a high frequency glow discharge is ignited in the excitation chamber. In a glow discharge, the electron energy ultimately passes into the excitation energy of the active gas molecules. The vibrational energy of the molecules is then converted using light resonator into light energy.

Прокачным устройством могут являться двухроторные компрессоры марки Ruts и, особенно в последнее время, высоконапорные, высокооборотные вентиляторы центробежного типа. The pumping device can be Ruts two-rotor compressors and, especially recently, high-pressure, high-speed centrifugal fans.

В лазерах небольшой мощности используются стеклянные трубы небольшого диаметра ≈18-20 мм. Трубы камеры возбуждения соединяют последовательно по лучу резонатора и параллельно по потоку газа. Небольшой диаметр труб, сравнимый с диаметром основной гауссовой моды устойчивого резонатора позволяет эффективно селектировать гауссову моду нулевого порядка, т.е. обеспечивать очень высокое качество излучения, сохраняя высокий КПД лазера в целом. Small-power lasers use glass tubes of small diameter ≈18-20 mm. The tubes of the excitation chamber are connected in series along the resonator beam and in parallel along the gas flow. The small diameter of the pipes, comparable with the diameter of the main Gaussian mode of a stable resonator, allows one to effectively select a zero-order Gaussian mode, i.e. provide very high quality radiation, while maintaining high laser efficiency in general.

Недостатки устройства-аналога:
1. Для того, чтобы увеличить выходную мощность лазера, требуется увеличение объема прокачиваемого через камеру возбуждения газа. С целью увеличения прокачки газа диаметр труб увеличивают до 30 мм и даже до 90 мм. Это приводит к увеличению выходной мощности лазера, но вместе с тем к снижению качества излучения. Поэтому на уровнях мощности свыше 2 кВт лазеры подобного типа излучают существенно многомодовый выходной пучок, с большой угловой расходимостью, что существенно ограничивает технологические возможности таких лазеров.The disadvantages of the analog device:
1. In order to increase the output power of the laser, an increase in the volume of gas pumped through the excitation chamber is required. In order to increase gas flow, the diameter of the pipes is increased to 30 mm and even up to 90 mm. This leads to an increase in the laser output power, but at the same time to a decrease in the radiation quality. Therefore, at power levels above 2 kW, lasers of this type emit a substantially multimode output beam with a large angular divergence, which significantly limits the technological capabilities of such lasers.

2. В лазере с аксиальной прокачкой и с устойчивым резонатором одно из концевых зеркал (выходное) является полупрозрачным. Нагрев этого зеркала поглощенной долей проходящей через него мощности, растущей с ростом выходной мощности лазера и охлаждение периферийной боковой поверхностью приводят к термонапряжениям и термодеформациям в материале зеркала. Термодеформации в выходном зеркале приводят к снижению качества излучения, они растут с ростом выходной мощности. Термонапряжения также растут с ростом мощности лазера и в конце концов приводят к разрушению выходного зеркала. 2. In a laser with axial pumping and with a stable resonator, one of the end mirrors (output) is translucent. The heating of this mirror by the absorbed fraction of the power passing through it, increasing with increasing output power of the laser and cooling by the peripheral side surface, leads to thermal stresses and thermal deformations in the mirror material. Thermal deformations in the output mirror lead to a decrease in the quality of radiation, they grow with increasing output power. Thermal stresses also increase with increasing laser power and ultimately lead to the destruction of the output mirror.

Известен также лазер с аксиальной прокачкой [2], принятый нами на прототип, в котором используется неустойчивый резонатор. Неустойчивый резонатор состоит из полностью отражающих зеркал и обеспечивает заполнение излучением большого объема круглого сечения. В нем отсутствуют полупрозрачные зеркала. Однако большого промышленного применения такие лазеры не получили из-за своих существенных недостатков:
1. Относительно низкое качество излучения. Выходной пучок в сечении имеет форму кольца. Высокое качество удается получить лишь при высоком коэффициенте увеличения резонатора М>2, при котором снижается КПД из-за высоких потерь в резонаторе.Also known is a laser with axial pumping [2], which we adopted for the prototype, which uses an unstable resonator. An unstable resonator consists of completely reflecting mirrors and ensures filling with radiation of a large circular volume. It lacks translucent mirrors. However, such lasers did not receive large industrial applications due to their significant drawbacks:
1. Relatively low radiation quality. The output beam in cross section has the shape of a ring. High quality can be obtained only with a high coefficient of increase in the resonator M> 2, at which the efficiency decreases due to high losses in the resonator.

2. В трубах с большим диаметром трудно обеспечить возбуждение равномерного тлеющего разряда, особенно при повышенном давлении активной среды. Это приводит к снижению рабочего давления и, вследствие этого к увеличению размеров лазера и усложнению его конструкции. 2. In pipes with a large diameter, it is difficult to ensure the excitation of a uniform glow discharge, especially at high pressure of the active medium. This leads to a decrease in working pressure and, consequently, to an increase in the size of the laser and the complexity of its design.

3. С ростом мощности лазера увеличиваются трудности вывода излучения за пределы лазера. Вместо твердотельного выходного окна, разделяющего газовый контур лазера от атмосферы приходиться использовать аэродинамическое окно. Это резко усложняет конструкцию лазера, снижает его вакуумную гигиену и, следовательно, надежность лазера. 3. As the laser power increases, the difficulty of outputting radiation outside the laser increases. Instead of a solid-state exit window separating the laser gas circuit from the atmosphere, an aerodynamic window has to be used. This dramatically complicates the design of the laser, reduces its vacuum hygiene and, consequently, the reliability of the laser.

Задачей изобретения является увеличения качества излучения лазера с аксиальной прокачкой, повышение выходной мощности и эффективности лазера, а также упрощение конструкции. The objective of the invention is to increase the quality of laser radiation with axial pumping, increasing the output power and efficiency of the laser, as well as simplifying the design.

Задача решается тем, что в лазере с осевой прокачкой активной среды (фиг. 1) через трубчатую камеру возбуждения 1, включающим оптический резонатор, имеющий ось, параллельную оси трубчатой камеры возбуждения 2, концевые зеркала 3 и 4, трубчатая камера выполняется прямоугольного или эллиптического сечения 1, а резонатор выполняется устойчиво-неустойчивым (т.е. устойчивым в одной плоскости и неустойчивым в перпендикулярной ей плоскости[3, 4, 5] ), причем плоскость неустойчивости параллельна большой стороне (или большой оси эллипса) трубчатой камеры возбуждения. Размер меньшей стороны (меньшей оси эллипса b) выбирается, исходя из того, чтобы она в 1,5-2 раза превосходила бы размер основной моды в плоскости устойчивости устойчиво-неустойчивого резонатора (УНР). Для плосковогнутого устойчивого резонатора размер основной моды

Например, при длине резонатора L = 6 м, длине волны λ = 10,6 мкм, радиусе кривизны концевого заднего зеркала R = 30 м, тогда 2ω = 12 мм, а размер меньшей стороны камеры возбуждения равен: b=18..24 мм.The problem is solved in that in a laser with axial pumping of the active medium (Fig. 1) through a tubular excitation chamber 1, including an optical resonator having an axis parallel to the axis of the tubular excitation chamber 2,

end mirrors

3 and 4, the tubular chamber is made in a rectangular or elliptical section 1, and the resonator is stable-unstable (ie, stable in one plane and unstable in a plane perpendicular to it [3, 4, 5]), and the plane of instability is parallel to the large side (or the major axis of the ellipse) of the tubular chamber excitement. The size of the smaller side (the smaller axis of the ellipse b) is chosen based on the fact that it would be 1.5-2 times larger than the size of the fundamental mode in the stability plane of a stably unstable resonator (UNR). For a plane-concave stable cavity, the size of the fundamental

For example, with a resonator length L = 6 m, a wavelength λ = 10.6 μm, a radius of curvature of the end rear mirror R = 30 m, then 2ω = 12 mm, and the size of the smaller side of the excitation chamber is: b = 18..24 mm .

Размер большой стороны трубчатой камеры возбуждения определяется из условия получения необходимой мощности и может достигать 100 мм и более. Ограничивающим фактором может в этом случае быть максимальный размер зеркал. The size of the large side of the tubular excitation chamber is determined from the conditions for obtaining the necessary power and can reach 100 mm or more. The limiting factor in this case may be the maximum mirror size.

Согласно п. 2 формулы, трубчатая камера возбуждения и соответственно оптический резонатор могут представлять собой складчатую конструкцию, в частности оси труб и оптическая ось могут составлять с помощью промежуточных зеркал 11 плоский многоугольник (фиг. 2), например: треугольник или квадрат. Плоскость неустойчивости и большая сторона прямоугольного или эллиптического сечения трубчатой камеры могут быть перпендикулярны плоскости этого многоугольника. В этом случае реализуются минимальные размеры поворотных зеркал и лазера в целом. According to paragraph 2 of the formula, the tubular excitation chamber and, accordingly, the optical resonator can be a folded structure, in particular, the axis of the tubes and the optical axis can be a flat polygon using intermediate mirrors 11 (Fig. 2), for example: a triangle or a square. The plane of instability and the large side of a rectangular or elliptical section of the tubular chamber can be perpendicular to the plane of this polygon. In this case, the minimum dimensions of the rotary mirrors and the laser as a whole are realized.

Согласно п. 3 выводное окно 10 лазера также имеет эллиптическое или прямоугольное сечение, соответственное сечению трубчатой камеры возбуждения. Вытянутое сечение выходного окна за счет большей поверхности боковых стенок позволяет намного быстрее отводить поглощенную в окне мощность, если сечение поглощенной мощности также является вытянутым в том же направлении. According to p. 3, the laser output window 10 also has an elliptical or rectangular section corresponding to the section of the tubular excitation chamber. The elongated section of the exit window due to the larger surface of the side walls makes it possible to divert the power absorbed in the window much faster if the section of the absorbed power is also elongated in the same direction.

Согласно п. 4 устойчиво-неустойчивый резонатор является конфокальным в плоскости неустойчивости. Это позволяет получать выходные пучки с плоским фронтом. According to Section 4, a stably unstable cavity is confocal in the plane of instability. This allows you to receive output beams with a flat front.

Согласно п. 5 и 6 лазер может иметь двусторонний (фиг. 1), или односторонний (фиг. 4) вывод излучения. Двусторонний вывод излучения удобен при высоких уровнях полной мощности, потому что сечение выходного пучка при этом максимально, что позволяет выводить такой пучок через полупрозрачное окно даже при очень больших мощностях. Для дальнейшего использования этот пучок можно трансформировать в плоскости неустойчивости с помощью цилиндрического телескопа [5] и получить круглый пучок практически без потери качества излучения. According to p. 5 and 6, the laser may have a two-sided (Fig. 1), or one-sided (Fig. 4) output radiation. Two-sided output of radiation is convenient at high levels of apparent power, because the cross section of the output beam is maximized, which makes it possible to output such a beam through a semitransparent window even at very high powers. For further use, this beam can be transformed in the instability plane using a cylindrical telescope [5] and a round beam can be obtained with practically no loss of radiation quality.

Пучок с односторонним выводом излучения реализуется при разъюстировке зеркал. На фиг. 3 изображен случай положительной ветви устойчиво-неустойчивого резонатора. Ось резонатора 2 проходит вблизи края зеркал 3 и 4. Такой режим удобен тем, что излучение имеет компактное сечение. Сечение выходного пучка, например, может иметь одинаковые поперечные размеры в обоих плоскостях. Однако в этом случае всегда присутствует паразитный пучок 12, который необходимо устранять поглотителем 13, (фиг. 3). A beam with one-sided output of radiation is realized when the mirrors are misaligned. In FIG. Figure 3 shows the case of the positive branch of a stably unstable resonator. The axis of the resonator 2 passes near the edge of the mirrors 3 and 4. This mode is convenient in that the radiation has a compact cross section. The cross section of the output beam, for example, can have the same transverse dimensions in both planes. However, in this case, a parasitic beam 12 is always present, which must be eliminated by the absorber 13, (Fig. 3).

Отметим важное свойство лазера с УНР на отрицательной ветви с односторонним выводом излучения (фиг. 4). Как видно из фиг. 4, в этом случае в отличие от положительной ветви имеется действительно только один выходной пучок 5, т.е. полное отсутствие паразитного пучка, при этом ось резонатора не выходит на край концевых зеркал 3 и 4. Качество излучения выходного пучка 5 существенно повышается, по сравнению со случаем положительной ветви (фиг. 3), в связи с тем, что уменьшается дифракционно-отраженная доля мощности в сходящуюся волну неустойчивого резонатора. We note an important property of a laser with a UNR on the negative branch with a one-sided output of radiation (Fig. 4). As can be seen from FIG. 4, in this case, in contrast to the positive branch, there really is only one output beam 5, i.e. the complete absence of a spurious beam, while the axis of the resonator does not go to the edge of the end mirrors 3 and 4. The radiation quality of the output beam 5 is significantly increased compared with the case of the positive branch (Fig. 3), due to the fact that the diffraction-reflected fraction decreases power into a converging wave of an unstable resonator.

Согласно п. 8 и УНР можно выполнить с полупрозрачным выходным зеркалом (фиг. 5). В отличие от устойчивого резонатора, в котором полупрозрачное выходное зеркало является круглым в сечении, выходное полупрозрачное зеркало устойчиво-неустойчивого резонатора является вытянутым в плоскости неустойчивости, что приводит к существенно лучшему охлаждению зеркала и к возможности его применения до значительно больших мощностей. Полупрозрачное выходное зеркало может быть одновременно и выходным окном, разделяющим относительно разряженную активную среду газового лазера от атмосферы. According to p. 8 and the UNR can be performed with a translucent output mirror (Fig. 5). Unlike a stable resonator, in which a translucent output mirror is round in cross section, the output translucent mirror of a stable unstable resonator is elongated in the plane of instability, which leads to significantly better cooling of the mirror and the possibility of its use to significantly higher powers. The translucent exit mirror can also be an exit window that separates the relatively discharged active medium of the gas laser from the atmosphere.

Отсутствие резкого края в выходном полупрозрачном зеркале устойчиво-неустойчивого резонатора приводит к существенному ослаблению отражения в сходящуюся волну и к более гладкому в плоскости неустойчивости распределению выходной мощности лазера 5а, в плоскости устойчивости распределения мощности будет продолжать оставаться гауссовым 5б (фиг. 5). Известно, что если профиль коэффициента отражения выходного полупрозрачного зеркала будет гауссовым, то и собственной модой неустойчивого резонатора также будет гауссова мода. Поперечный размер ее может быть значительно больше, чем размер основной моды устойчивого резонатора. Профиль выходного пучка, тем не менее, является уже не гауссовым, он имеет провал в центре пучка из-за того, что отражение в центре полупрозрачного выходного зеркала максимально. Для того, чтобы уменьшить провал в центре кольцевого пучка, коэффициент отражения выходного зеркала профилируют по сложному супергауссовому закону, что несколько уменьшает глубину провала мощности в центре выходного пучка. The absence of a sharp edge in the output translucent mirror of a stable-unstable resonator leads to a significant weakening of reflection into a converging wave and to a smoother distribution of the laser output power 5a in the instability plane, and will remain Gaussian 5b in the stability plane of the power distribution (Fig. 5). It is known that if the profile of the reflection coefficient of the output translucent mirror is Gaussian, then the eigenmode of the unstable resonator will also be a Gaussian mode. Its transverse size can be much larger than the size of the fundamental mode of a stable resonator. The output beam profile, however, is no longer Gaussian; it has a dip in the center of the beam due to the maximum reflection at the center of the translucent output mirror. In order to reduce the dip in the center of the annular beam, the reflection coefficient of the output mirror is shaped according to a complex super-Gaussian law, which somewhat reduces the depth of the power dip in the center of the output beam.

Устойчиво-неустойчивый резонатор с полупрозрачным выходным зеркалом может быть выполнен как с двусторонним выходом излучения относительно оптической оси в плоскости неустойчивости, так и с односторонним выходом (фиг. 6 и 7). На фиг. 6 изображен У.Н.Р. с полупрозрачным зеркалом в варианте положительной ветви неустойчивого резонатора. A stable-unstable resonator with a translucent output mirror can be made both with a two-sided output of radiation relative to the optical axis in the plane of instability, and with a one-way output (Fig. 6 and 7). In FIG. 6 depicts U.N.R. with a translucent mirror in the variant of the positive branch of the unstable resonator.

В случае устойчиво-неустойчивого резонатора с полупрозрачным выходным зеркалом имеется возможность получения выходного излучения с выпуклым распределением мощности по сечению пучка. Для этого устойчиво-неустойчивый резонатор должен быть выбран на отрицательной ветви диаграммы устойчивости в плоскости неустойчивости (фиг. 7). При этом реализуется случай с односторонним выходным пучком. In the case of a stably unstable resonator with a translucent output mirror, it is possible to obtain output radiation with a convex power distribution over the beam cross section. For this, a stable-unstable resonator must be selected on the negative branch of the stability diagram in the plane of instability (Fig. 7). In this case, the case with a one-sided output beam is realized.

Согласно п. 10 устойчиво-неустойчивый резонатор в лазере с осевой прокачкой активной среды может в плоскости неустойчивости находится на отрицательной ветви устойчивости и является самофильтрующимся [5]. Самофильтрующиеся неустойчивые резонаторы отличаются от неустойчивых резонаторов, находящихся на отрицательной ветви устойчивости тем, что вывод излучения в них происходит с помощью дополнительного выводного зеркала с отверстием, расположенным в фокусе обеих концевых зеркал, причем размер выводного отверстия в точности равен размеру первого дифракционного минимума. В самофильтрующихся неустойчивых резонаторах, (в нашем случае устойчиво-неустойчивом резонаторе в плоскости неустойчивости) каждый проход присходит очистка излучения от аберраций и таким образом значительно повышается качество излучения лазера. Главный недостаток, ограничивающий применение обычного самофильтрующегося резонатора состоит в том, что практически интересный случай большого увеличения М сопровождается резким пропорционально М² ростом потерь резонатора, что, как правило, приводит к уменьшению мощности лазера. В устойчиво- неустойчивом резонаторе потери пропорциональны первой степени М, поэтому возможны значительно большие коэффициенты увеличения. Применение самофильтрующегося устойчиво-неустойчивого резонатора приводит к тому, что в обоих плоскостях; в устойчивой и неустойчивой лазерное излучение будет практически гауссовым, т.е. близким к идеальному. Неравенство размеров пучка во взаимно ортогональных плоскостях затем компенсируется вне резонатора [6].According to p. 10, a stably unstable cavity in a laser with axial pumping of the active medium can be in the instability plane on the negative stability branch and is self-filtering [5]. Self-filtering unstable resonators differ from unstable resonators located on the negative branch of stability in that the radiation is emitted from them using an additional output mirror with an opening located at the focus of both end mirrors, the size of the output opening being exactly equal to the size of the first diffraction minimum. In self-filtering unstable resonators, (in our case, a stable-unstable resonator in the plane of instability), each pass is subjected to the cleaning of radiation from aberrations and thus significantly improves the quality of laser radiation. The main drawback limiting the use of a conventional self-filtering resonator is that the practically interesting case of a large increase in M is accompanied by a sharp increase in the resonator losses proportionally to M ² , which, as a rule, leads to a decrease in the laser power. In a stably unstable cavity, the losses are proportional to the first degree M, therefore, significantly larger magnification factors are possible. The use of a self-filtering stable-unstable resonator leads to the fact that in both planes; in a stable and unstable laser radiation will be almost Gaussian, i.e. close to perfect. The beam size inequality in mutually orthogonal planes is then compensated outside the cavity [6].

Наибольшее применение предлагаемое изобретение найдет в области CO₂ газовых лазеров. Обычно смесь CO₂: N₂: Не возбуждают тлеющим разрядом постоянного или переменного тока или высокочастотным тлеющим разрядом.The invention will find the greatest application in the field of CO ₂ gas lasers. Typically, a mixture of CO ₂ : N ₂ : Do not excite a glow discharge of direct or alternating current or high frequency glow discharge.

Возможны несколько способов возбуждения тлеющего разряда по отношению к потоку активной среды вдоль трубчатой разрядной камеры. There are several ways to excite a glow discharge with respect to the flow of the active medium along the tubular discharge chamber.

1). Продольный тлеющий разряд, когда разряд осуществляется вдоль потока активной среды (п. 11 формулы). При этом электроды могут быть открытыми и находиться внутри трубчатой камеры возбуждения в случае разряда постоянного тока, или внешними по сношению к трубчатой камере возбуждения. В этом случае (согласно п.12 формулы) в трубчатой камере возбуждается емкостной продольный тлеющий разряд переменного тока через диэлектрические стенки трубчатой камеры между электродами, нанесенными на эти стенки с внешней стороны трубки. 1). Longitudinal glow discharge, when the discharge is carried out along the flow of the active medium (paragraph 11 of the formula). In this case, the electrodes may be open and located inside the tubular excitation chamber in the event of a direct current discharge, or external to the tubular excitation chamber. In this case (according to claim 12 of the formula), a capacitive longitudinal AC glow discharge is excited in the tubular chamber through the dielectric walls of the tubular chamber between electrodes deposited on these walls from the outside of the tube.

2). Поперечный тлеющий разряд, при котором направление разряда или, что то же самое, направление вектора электрического поля перпендикулярно (поперечно) направлению газового потока и перпендикулярно оси разрядной трубки. Отметим случай, когда стенки трубчатой камеры возбуждения выполнены из диэлектрического материала, причем через большие стенки в направлении плоскости устойчивости возбуждается высокочастотный тлеющий разряд (п.13. формулы). В этом случае можно ожидать повышения устойчивости разряда при повышенном рабочем давлении смеси активных газов, что приведет к пропорциональному повышению выходной мощности лазера. 2). A transverse glow discharge, in which the direction of the discharge or, equivalently, the direction of the electric field vector is perpendicular (transverse) to the direction of the gas flow and perpendicular to the axis of the discharge tube. We note the case when the walls of the tubular excitation chamber are made of a dielectric material, and a high-frequency glow discharge is excited through large walls in the direction of the stability plane (claim 13). In this case, one can expect an increase in the stability of the discharge at an increased working pressure of the active gas mixture, which will lead to a proportional increase in the laser output power.

С точки зрения надежности предпочтителен поперечный разряд переменного тока или ВЧ- разряд через диэлектрические стенки камеры. Неравенство сторон прямоугольного или эллиптического сечения трубчатой разрядной камеры позволяет возбуждать разряд предионизации между большими стенками трубки, так, что разряд предионизации горит в малом разрядном промежутке, в плоскости устойчивости (п.14 формулы). Основной разряд постоянного или переменного тока горит при этом между малыми стенками трубчатой камеры в плоскости неустойчивости. Это позволяет увеличивать рабочее давление и выходную мощность лазера. From the point of view of reliability, a transverse AC discharge or RF discharge through the dielectric walls of the chamber is preferred. The inequality of the sides of the rectangular or elliptical section of the tubular discharge chamber allows you to excite the preionization discharge between the large walls of the tube, so that the preionization discharge burns in a small discharge gap, in the stability plane (claim 14). The main discharge of direct or alternating current burns between the small walls of the tubular chamber in the plane of instability. This allows you to increase the working pressure and output power of the laser.

Конструктивно трубчатые камеры возбуждения могут представлять собой герметичные стеклянные трубы, несущие всю нагрузку давления атмосферы или могут быть лишь направляющими газового потока, заключенные в силовой корпус, который и противостоит разности давлений окружающей атмосферы и разряженного газа внутри камеры возбуждения п.16 формулы. Structurally, the tubular excitation chambers can be sealed glass pipes that carry the entire pressure load of the atmosphere or can only be gas flow guides enclosed in a power casing, which resists the pressure difference between the atmosphere and the rarefied gas inside the excitation chamber of claim 16.

Предлагаемый газовый лазер с осевой прокачкой активной среды работает следующим образом. Компрессор, например осевой вентилятор 9, создает перепад давления, в результате чего активный газ 7 поступает в трубчатые камеры возбуждения 1 прямоугольного или эллиптического сечения, а затем в теплообменник 8 и затем цикл повторяется. По газовому потоку трубы соединены параллельно, входы и выходы соединены, а по излучению соединены последовательно, так что ось резонатора 2 проходит через все трубы 1. Между электродами 6а и 6б прокачиваемом газе 7 внутри трубчатой камеры возбуждения 1 зажигается тлеющий разряд, создается инверсия населенности, необходимая для усиления излучения. Излучение, многократно проходя между концевыми зеркалами 3 и 4, многократно усиливается и постоянно за каждый проход увеличивает свое поперечное сечение в плоскости неустойчивости резонатора, при этом сохраняя неизменным сечение в плоскости устойчивости. На выходном зеркале 3 увеличение сечения пучка преобразуется в выходное излучение 5, которое может иметь вид двух пучков или только одного пучка. На выходе из лазера пучок эллиптического сечения может быть преобразован в одной плоскости цилиндрическим телескопом в высококачественный пучок почти круглого сечения. The proposed gas laser with axial pumping of the active medium operates as follows. A compressor, for example an axial fan 9, creates a pressure drop, as a result of which the active gas 7 enters the tubular excitation chambers 1 of a rectangular or elliptical cross section, and then into the heat exchanger 8 and then the cycle repeats. The pipes are connected in parallel through the gas flow, the inputs and outputs are connected, and connected in series through the radiation, so that the axis of the resonator 2 passes through all the pipes 1. Between the electrodes 6a and 6b of the pumped gas 7, a glow discharge is ignited inside the tubular excitation chamber 1, a population inversion is created, necessary to amplify radiation. Radiation passing many times between end mirrors 3 and 4 is amplified many times and constantly for each pass increases its cross section in the plane of resonator instability, while keeping the cross section in the stability plane unchanged. At the output mirror 3, an increase in the beam cross section is converted into output radiation 5, which may take the form of two beams or only one beam. At the exit from the laser, an elliptical beam can be transformed in one plane by a cylindrical telescope into a high-quality beam of almost circular cross section.

Литература
1. Технологические лазеры: Справочник: В 2т. Т.1: Расчет, проектирование и эксплуатация /Г.А. Абильсиитов и др.; под общей ред. Г.А. Абильсиитова. - М.: Машиностроение, 1991. - 432 с.: Глава 5, 24, стр. 148-154.Literature
1. Technological lasers: Reference: In 2t. T.1: Calculation, design and operation / G.A. Abilciites and others; under the general ed. G.A. Abilciitova. - M.: Mechanical Engineering, 1991. - 432 p.: Chapter 5, 24, pp. 148-154.

2. Ch. Hertsler, R. Wollermaim, U. Habich, U. Jaroch, P. Loosen. 30 KW fast axial CO₂ laser with RF exitation. SPIE, vol. 2788, pp 14-23.2. Ch. Hertsler, R. Wollermaim, U. Habich, U. Jaroch, P. Loosen. 30 KW fast axial CO ₂ laser with RF exitation. SPIE, vol. 2788, pp 14-23.

3. A. Borghese et al. Unstable - stable resonators with torroidal mirrors. Applied optics. Vol. 20, N 20, 1981 (3547-3552). 3. A. Borghese et al. Unstable - stable resonators with torroidal mirrors. Applied optics. Vol. 20, N 20, 1981 (3547-3552).

4. V. Fantini et al. A 5 kW cw CO₂ laser for industrial applications. Indust. Phys. conf. Ser. N 72, 1984, 17-20.4. V. Fantini et al. A 5 kW cw CO ₂ laser for industrial applications. Indust. Phys. conf. Ser. N 72, 1984, 17-20.

5. Забелин А. М. Проточный лазер с устойчиво-неустойчивым резонатором. Патент РФ N 2092947, Б.И. N 28 за 1997 г. 5. Zabelin A. M. Flowing laser with a stably unstable resonator. RF patent N 2092947, B.I. N 28 for 1997.

6. Забелин А.М. Установка для лазерной обработки. Патент РФ N 2108899, Б.И. N 17 за 1998 г. 6. Zabelin A.M. Installation for laser processing. RF patent N 2108899, B.I. N 17 for 1998.

Claims

1. Газовый лазер с осевой прокачкой активной среды через трубчатую камеру возбуждения, включающий оптический резонатор, имеющий ось, параллельную оси трубчатой камеры возбуждения, отличающийся тем, что трубчатая камера возбуждения имеет в сечении прямоугольную или эллиптическую форму, а оптический резонатор является устойчиво-неустойчивым с плоскостью неустойчивости, параллельной большей стороне прямоугольной камеры возбуждения или большей оси камеры возбуждения эллиптического сечения, причем в плоскости устойчивости резонатор является одномодовым, поперечный размер труб в плоскости устойчивости лежит в диапазоне 1,5 - 2 от диаметра основной гауссовой моды, а размер большей стороны камеры возбуждения или большей оси камеры возбуждения эллиптического сечения определяется из условия получения необходимой мощности лазера. 1. A gas laser with axial pumping of an active medium through a tubular excitation chamber, including an optical resonator having an axis parallel to the axis of the tubular excitation chamber, characterized in that the tubular excitation chamber has a rectangular or elliptical shape in cross section, and the optical resonator is stably unstable with the instability plane parallel to the larger side of the rectangular excitation chamber or the larger axis of the excitation chamber of elliptical cross section, and in the stability plane, the resonator is It is single-mode, the transverse size of the pipes in the stability plane lies in the range 1.5 - 2 of the diameter of the main Gaussian mode, and the size of the larger side of the excitation chamber or the larger axis of the excitation chamber of elliptical cross section is determined from the condition for obtaining the required laser power.

2. Газовый лазер с осевой прокачкой по п.1, отличающийся тем, что ось трубчатой камеры возбуждения и ось оптического резонатора составляют плоский многоугольник, в вершинах которого расположены зеркала резонатора, причем плоскость неустойчивости резонатора и большая сторона трубчатой камеры возбуждения перпендикулярны плоскости многоугольника. 2. A gas laser with axial pumping according to claim 1, characterized in that the axis of the tubular excitation chamber and the axis of the optical resonator comprise a flat polygon at the vertices of which the resonator mirrors are located, the plane of instability of the resonator and the large side of the tubular excitation chamber perpendicular to the plane of the polygon.

3. Газовый лазер с осевой прокачкой активной среды по каждому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что выходное окно лазера имеет такое же прямоугольное или эллиптическое сечение, что и сечение трубчатой камеры возбуждения. 3. A gas laser with axial pumping of the active medium according to each of claims 1 and 2, characterized in that the output window of the laser has the same rectangular or elliptical section as the section of the tubular excitation chamber.

4. Газовый лазер с осевой прокачкой активной среды по каждому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что упомянутый резонатор является конфокальным. 4. A gas laser with axial pumping of the active medium according to each of claims 1 and 2, characterized in that the said resonator is confocal.

5. Газовый лазер с осевой прокачкой активной среды по каждому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что устойчиво-неустойчивый резонатор имеет двусторонний вывод излучения. 5. A gas laser with axial pumping of the active medium according to each of claims 1 to 4, characterized in that the stably-unstable resonator has a two-sided radiation output.

6. Газовый лазер с осевой прокачкой активной среды по каждому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что устойчиво-неустойчивый резонатор в плоскости неустойчивости находится на отрицательной ветви неустойчивого резонатора. 6. A gas laser with axial pumping of the active medium according to each of claims 1 to 3, characterized in that the stably unstable resonator in the instability plane is on the negative branch of the unstable resonator.

7. Газовый лазер с осевой прокачкой активной среды по каждому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что устойчиво-неустойчивый резонатор имеет односторонний вывод излучения. 7. A gas laser with axial pumping of the active medium according to each of claims 1 to 4, characterized in that the stably-unstable resonator has a one-way radiation output.

8. Газовый лазер с осевой прокачкой активной среды по каждому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что устойчиво-неустойчивый резонатор имеет концевое выводное зеркало, являющееся полупрозрачным с переменным в неустойчивой плоскости коэффициентом отражения и коэффициентом пропускания. 8. A gas laser with axial pumping of the active medium according to each of claims 1 to 6, characterized in that the stably-unstable resonator has an end output mirror that is translucent with a reflection coefficient and transmittance variable in an unstable plane.

9. Газовый лазер с осевой прокачкой активной среды по п.8, отличающийся тем, что концевое выводное зеркало устойчиво-неустойчивого резонатора имеет коэффициент отражения, изменяющийся по гауссовому или супергауссовому закону. 9. A gas laser with axial pumping of the active medium according to claim 8, characterized in that the end output mirror of the stably-unstable resonator has a reflection coefficient that varies according to a Gaussian or super-Gaussian law.

10. Газовый лазер с осевой прокачкой активной среды по п.4, отличающийся тем, что в плоскости неустойчивости резонатор является самофильтрующимся. 10. A gas laser with axial pumping of an active medium according to claim 4, characterized in that the cavity is self-filtering in the instability plane.

11. Газовый лазер с осевой прокачкой активной среды по каждому из пп.1 - 10, отличающийся тем, что в трубчатой камере возбуждается продольный тлеющий разряд. 11. Gas laser with axial pumping of the active medium according to each of claims 1 to 10, characterized in that a longitudinal glow discharge is excited in the tubular chamber.

12. Газовый лазер с осевой прокачкой активной среды по п.12, отличающийся тем, что в трубчатой камере возбуждения возбуждается емкостной тлеющий разряд переменного тока через электроды, нанесенные на большие диэлектрические стенки трубчатой камеры. 12. A gas laser with axial pumping of an active medium according to claim 12, characterized in that an ac capacitive glow discharge is excited in the tubular excitation chamber through electrodes deposited on large dielectric walls of the tubular chamber.

13. Газовый лазер с осевой прокачкой активной среды по каждому из пп.1 - 8, отличающийся тем, что стенки трубчатой камеры возбуждения выполнены из диэлектрического материала, причем через большие стороны в трубчатой камере возбуждается высокочастотный тлеющий разряд. 13. A gas laser with axial pumping of the active medium according to each of claims 1 to 8, characterized in that the walls of the tubular excitation chamber are made of dielectric material, and a high-frequency glow discharge is excited through the large sides in the tubular chamber.

14. Газовый лазер с осевой прокачкой активной среды по п.13, отличающийся тем, что между стенками трубчатой камеры в плоскости неустойчивости горит тлеющий разряд постоянного или переменного тока, а в плоскости устойчивости (между большими стенками камеры) горит разряд предионизации. 14. A gas laser with axial pumping of an active medium according to claim 13, characterized in that a glow discharge of direct or alternating current burns between the walls of the tubular chamber in the instability plane, and a preionization discharge burns in the stability plane (between the large chamber walls).

15. Газовый лазер с осевой прокачкой активной среды по каждому из пп.1 - 14, отличающийся тем, что трубчатую камеру возбуждения окружает силовой корпус, противостоящий разности между давлением разряженной среды и давлением атмосферы. 15. A gas laser with axial pumping of the active medium according to each of claims 1 to 14, characterized in that the tubular excitation chamber is surrounded by a power casing opposing the difference between the pressure of the discharged medium and the pressure of the atmosphere.