RU2156528C2

RU2156528C2 - Laser resonator optical element

Info

Publication number: RU2156528C2
Application number: RU98114630A
Authority: RU
Inventors: А.В. Нестеров; В.Г. Низьев; В.П. Якунин
Original assignee: Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН
Priority date: 1998-07-21
Filing date: 1998-07-21
Publication date: 2000-09-20

Abstract

FIELD: laser engineering, in particular, laser resonators. SUBSTANCE: the optical element has a high reflection factor and selectivity to polarized radiation, it represents a reflection diffraction element, which may be used as a blind mirror in the laser resonator. The slits of the reflection diffraction element are scribed on the working surface along the lines meeting on the resonator axis. At laser treatment of metals (cutting, welding, piercing) radial polarization of radiation is most effective as compared with polarization of other types, since for a radially polarized beam the absorption factor has the maximum probable quantity corresponding to absorption of R-wave on the whole treated surface: both on the front and on the walls. EFFECT: enhanced cutting parameters (at metal treatment) by 1.5 to 2 times as compared with the prototype (cutting rate or thickness of treated material, other things being equal); enhanced reflection factor and selectivity to radially polarized radiation. 1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области лазерной оптики, более конкретно к лазерным резонаторам. The present invention relates to the field of laser optics, and more particularly to laser resonators.

Известен оптический элемент в составе резонатора лазера [1]. Он имеет хорошо отполированную поверхность, высокий коэффициент отражения и используется в качестве глухого или поворотного зеркал. Known optical element in the composition of the laser cavity [1]. It has a well-polished surface, high reflection coefficient and is used as a blind or swivel mirror.

Такой элемент не обладает селективностью по поляризации излучения, т.е. коэффициент отражения излучения любой поляризации от его поверхности одинаков. Однако состояние поляризации излучения существенно влияет на параметры лазерной обработки [2]. Лазерное излучение, выходящее из резонатора, содержащего только элементы, не обладающие селективностью по поляризации, имеет случайную, неконтролируемую поляризацию. При использовании такого излучения для лазерной обработки металлов (резке, сварке, пробивке отверстий) коэффициент поглощения излучения на стенках канала K_K равен среднему арифметическому от коэффициентов поглощения S- и P-волн К_K=(K_s+K_p)/2. При больших углах падения коэффициенты поглощения для P и S-волн сильно отличаются K_p >> K_s так, что K_K ≈ 0.5 K_p. Потенциальные возможности поглощения лазерного излучения, заложенные в механизме поглощения P-волны не реализуются. Другим серьезным недостатком является то, что случайное, неконтролируемое состояние поляризации приводит к большой нестабильности параметров и качества обработки.Such an element does not have selectivity for radiation polarization, i.e. the reflection coefficient of radiation of any polarization from its surface is the same. However, the state of polarization of radiation significantly affects the parameters of laser processing [2]. Laser radiation emerging from a resonator containing only elements that do not have selectivity for polarization has a random, uncontrolled polarization. When using such radiation for laser processing of metals (cutting, welding, punching holes), the radiation absorption coefficient on the channel walls K _K is equal to the arithmetic mean of the absorption coefficients of S and P waves K _K = (K _s + K _p ) / 2. At large angles of incidence, the absorption coefficients for P and S waves are very different K _p >> K _s so that K _K ≈ 0.5 K _p . The potential absorption of laser radiation inherent in the P-wave absorption mechanism is not realized. Another serious drawback is that a random, uncontrolled state of polarization leads to great instability of the parameters and processing quality.

Известно устройство для получения радиально поляризованного излучения [3]. Для этого в резонаторе установлено коническое брюстеровское окно. Такое техническое решение имеет ряд недостатков. Одним из них является сложная форма конического брюстеровского окна. В наиболее широко распространенных технологических лазерах на углекислом газе для изготовления проходных оптических элементов используют кристаллические материалы: селенид цинка, хлористый натрий. Изготовление конуса требует заготовок большого размера, сложной технологии изготовления. Проходные элементы имеют меньшую лучевую стойкость, чем отражательные, и их установка внутрь резонатора ограничивает предельную мощность лазера. Излучение, отраженное от внутренней поверхности конуса при падении на нее со стороны основания конуса, фокусируется внутри конуса, что может приводить к его лучевому повреждению при высокой мощности лазера. A device for producing radially polarized radiation [3]. For this, a conical Brewster window is installed in the resonator. This technical solution has several disadvantages. One of them is the complex shape of the conical Brewster window. In the most widely used technological carbon dioxide lasers, crystalline materials are used for the manufacture of optical elements through passage: zinc selenide, sodium chloride. The manufacture of a cone requires large-sized blanks, complex manufacturing techniques. The passage elements have lower radiation resistance than reflective elements, and their installation inside the cavity limits the ultimate laser power. The radiation reflected from the inner surface of the cone when it falls on it from the side of the base of the cone is focused inside the cone, which can lead to radiation damage at high laser power.

Известен другой оптический элемент лазерного резонатора [4], (прототип). Он выполнен в виде линейной металлической дифракционной решетки. Штрихи решетки нанесены вдоль прямых линий, параллельных друг другу. Known for another optical element of a laser resonator [4], (prototype). It is made in the form of a linear metal diffraction grating. Grid lines are plotted along straight lines parallel to each other.

Достоинством такого элемента является то, что он обладает селективностью по поляризации излучения, т.е. коэффициент отражения излучения для поляризации с колебаниями вектора электрического поля вдоль штрихов решетки отличается от коэффициента отражения излучения для поляризации с колебаниями вектора электрического поля поперек штрихов решетки. Лазерное излучение, выходящее из резонатора, содержащего такой элемент, имеет стабильную, контролируемую поляризацию, имеющую меньшие внутрирезонаторные потери. The advantage of such an element is that it has selectivity for the polarization of radiation, i.e. the reflection coefficient of radiation for polarization with oscillations of the electric field vector along the bars of the lattice differs from the reflection coefficient of radiation for polarization with oscillations of the vector of the electric field across bars of the lattice. Laser radiation emerging from a resonator containing such an element has a stable, controlled polarization, which has lower intracavity losses.

Одним из недостатков этого элемента является то, что при его установке в резонатор, поляризация лазерного излучения оказывается линейной. Такое излучение используют для резки и сварки металлов. Однако при любом положении вектора скорости движения луча по отношению к плоскости колебаний вектора E, резка оказывается неэффективной, т.к. лишь небольшая доля излучения поглощается и идет на разрушение материала. One of the disadvantages of this element is that when it is installed in the resonator, the polarization of the laser radiation is linear. Such radiation is used for cutting and welding metals. However, for any position of the ray velocity vector relative to the oscillation plane of the vector E, cutting is ineffective, because only a small fraction of the radiation is absorbed and goes to the destruction of the material.

В случае, когда вектор скорости движения луча перпендикулярен плоскости колебаний вектора E, коэффициент поглощения излучения на переднем фронте реза мал (соответствует поглощению S-волны). In the case where the beam velocity vector is perpendicular to the plane of oscillation of the vector E, the absorption coefficient of radiation at the leading edge of the cut is small (corresponds to the absorption of the S-wave).

В случае, когда вектор скорости движения луча параллелен плоскости колебаний вектора E, коэффициент поглощения излучения на переднем фронте реза велик (соответствует поглощению P-волны), однако, поглощение на боковых стенках канала мало (соответствует поглощению S-волны), их разрушение неэффективно, что препятствует проникновению луча вглубь материала. In the case when the ray velocity vector is parallel to the oscillation plane of the vector E, the absorption coefficient of radiation at the leading edge of the cut is large (corresponds to the absorption of the P-wave), however, the absorption on the side walls of the channel is small (corresponds to the absorption of the S-wave), their destruction is ineffective. which prevents the penetration of the beam into the material.

Кроме того, при произвольном направлении движения луча по отношению к плоскости колебаний вектора E, параметры реза (глубина, ширина, форма) зависят от направления движения луча, что недопустимо для многих применений. In addition, for an arbitrary direction of the beam with respect to the plane of oscillation of the vector E, the cut parameters (depth, width, shape) depend on the direction of the beam, which is unacceptable for many applications.

Другим недостатком является низкая отражательная эффективность данного элемента. При установке линейной дифракционной решетки в качестве одного из зеркал резонатора в автоколлимационном режиме по одному из главных максимумов часть падающей на дифракционную решетку мощности уходит в добавочные или второстепенные максимумы [4], снижающие эффективность дифракционной решетки как отражательного элемента. Эти потери составляют до 10% от падающей на решетку мощности. Another disadvantage is the low reflective efficiency of this element. When a linear diffraction grating is installed as one of the resonator mirrors in the autocollimation mode, one of the main maxima part of the power incident on the diffraction grating goes to additional or secondary maxima [4], which reduce the efficiency of the diffraction grating as a reflective element. These losses amount to 10% of the power incident on the grating.

Техническая задача изобретения - создание оптического элемента лазерного резонатора, имеющего высокий коэффициент отражения и селективность к радиально поляризованному излучению. The technical task of the invention is the creation of an optical element of a laser resonator having a high reflection coefficient and selectivity to radially polarized radiation.

Указанная задача достигается тем, что в известном элементе, выполненном в виде отражательного дифракционного элемента штрихи нанесены на рабочей поверхности элемента вдоль линий, пересекающихся на оси резонатора. This problem is achieved by the fact that in the known element, made in the form of a reflective diffraction element, strokes are applied on the working surface of the element along lines intersecting on the axis of the resonator.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый элемент отличается от известного тем, что штрихи дифракционного элемента нанесены определенным образом, вдоль линий, пересекающихся в центре. A comparative analysis of the proposed solution with the prototype shows that the claimed element differs from the known one in that the strokes of the diffraction element are applied in a certain way along the lines intersecting in the center.

Сравнительный анализ заявляемого технического решения с прототипом позволил установить его соответствие критерию "новизна". При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены, и поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "существенные отличия". A comparative analysis of the proposed technical solution with the prototype made it possible to establish its compliance with the criterion of "novelty." In the study of other well-known technical solutions in this technical field, signs that distinguish the claimed invention from the prototype were not identified, and therefore they provide the claimed technical solution with the criterion of "significant differences".

Сущность изобретения иллюстрируется чертежом. Оптический элемент лазерного резонатора выполнен в виде дифракционного элемента, селективного по поляризации [4]. Штрихи нанесены на рабочей поверхности вдоль линий, пересекающихся на оси резонатора. Такой элемент резонатора обеспечивает генерацию радиально поляризованного излучения, при котором плоскость колебаний вектора электрического поля E в любой точке поперечного сечения луча проходит через ось луча. The invention is illustrated in the drawing. The optical element of the laser resonator is made in the form of a diffraction element, selective in polarization [4]. The dashes are plotted on the working surface along lines intersecting on the axis of the resonator. Such a resonator element provides the generation of radially polarized radiation, in which the plane of oscillation of the electric field vector E at any point in the cross section of the beam passes through the axis of the beam.

Элемент работает следующим образом. При использовании предлагаемого элемента в составе лазерного резонатора внутрирезонаторные потери для лазерных мод с разными типами поляризации оказываются различными. Минимальные потери будут для радиально поляризованного излучения. Такой поляризацией, в частности, может обладать мода TEM_01*. Эта мода является суперпозицией двух простых мод TEM₀₁, повернутых друг относительно друга вокруг оси резонатора на 90^o [5] . Сложение этих мод дает кольцеобразное распределение интенсивности излучения.The element works as follows. When using the proposed element in the composition of the laser cavity, the intracavity losses for laser modes with different types of polarization turn out to be different. Minimum losses will be for radially polarized radiation. In particular, the TEM _{01 *} mode may possess such polarization. This mode is a superposition of two simple TEM ₀₁ modes rotated 90 ^° relative to each other around the cavity axis [5]. The addition of these modes gives a ring-shaped distribution of radiation intensity.

При установке в резонатор предлагаемого оптического элемента моды TEM₀₁ имеют взаимно перпендикулярную линейную поляризацию. Кольцеобразное излучение моды TEM_01* оказывается радиально поляризованным [4], поскольку именно такая поляризация имеет минимальные внутрирезонаторные потери.When the proposed optical element is installed in the resonator, the TEM ₀₁ modes have mutually perpendicular linear polarization. The ring-shaped radiation of the TEM _{01 *} mode turns out to be radially polarized [4], since it is precisely such polarization that has minimal intracavity losses.

Предлагаемый элемент обладает уникальной особенностью в случае падения на него осесимметричного излучения под углом ноль градусов. В этом случае все падающее излучение зеркально отражается от поверхности. Из-за полной симметрии добавочные или второстепенные максимумы отражения отсутствуют, а значит нет потерь, связанных с ними. Поэтому такой элемент может эффективно использоваться в качестве глухого зеркала лазерного резонатора. The proposed element has a unique feature in the case of falling on it axisymmetric radiation at an angle of zero degrees. In this case, all incident radiation is specularly reflected from the surface. Due to complete symmetry, there are no additional or secondary reflection maxima, which means there are no losses associated with them. Therefore, such an element can be effectively used as a dull mirror of a laser resonator.

При использовании излучения с радиальной поляризацией для лазерной обработки металлов (резке, сварке, пробивке отверстий) поглощение на всех стенках происходит по одному и тому же закону, причем коэффициент поглощения имеет максимально возможную величину, соответствующую поглощению P-волны. Происходит более интенсивное разрушение материала. Луч глубже проникает в материал. Предельные параметры обработки увеличиваются за счет повышения эффективности использования лазерного излучения. When using radiation with radial polarization for laser processing of metals (cutting, welding, punching holes), absorption on all walls occurs according to the same law, and the absorption coefficient has the maximum possible value corresponding to the absorption of the P-wave. A more intense destruction of the material occurs. The beam penetrates deeper into the material. Ultimate processing parameters are increased by increasing the efficiency of using laser radiation.

Использование предлагаемого оптического элемента лазерного резонатора в лазере для обработки металлов позволяет увеличить в 1.5-2 раза параметры резки по сравнению с прототипом (скорость резки или толщину обрабатываемого материала при прочих равных условиях). Using the proposed optical element of the laser resonator in a laser for metal processing allows you to increase 1.5-2 times the cutting parameters compared to the prototype (cutting speed or thickness of the processed material, ceteris paribus).

Источники информации
1. Технологические лазеры. Справочник. /Под ред. Г.А.Абильсиитова. М.: Машиностроение, 1991, т. 2, с. 272.Sources of information
1. Technological lasers. Directory. / Ed. G.A.Abilsiitova. M .: Engineering, 1991, v. 2, p. 272.

2. А.Г.Григорьянц, А.А.Соколов Лазерная резка металлов. Книга 7 из серии "Лазерная техника и технология" /Под ред. А.Г.Григорьянца. М.: Высшая школа, 1988, с. 56-61. 2. A.G. Grigoryants, A.A. Sokolov Laser cutting of metals. Book 7 from the series "Laser Technology and Technology" / Ed. A.G. Grigoryantsa. M .: Higher school, 1988, p. 56-61.

3. Chen-Ching Shih, Palos Verdes Estates, Calif "Radial Polarization Laser Resonator" United States Patent #5,359,622, Oct. 25, 1994. 3. Chen-Ching Shih, Palos Verdes Estates, Calif "Radial Polarization Laser Resonator" United States Patent # 5,359,622, Oct. 25, 1994.

4. Физическая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1988, том 1, с. 658. 4. Physical encyclopedia. M .: Soviet Encyclopedia, 1988, Volume 1, p. 658.

5. Ананьев Ю.А. Оптические резонаторы и лазерные пучки. М.: Наука, 1990, с. 110. 5. Ananiev Yu.A. Optical resonators and laser beams. M .: Nauka, 1990, p. 110.

Claims

The optical element of the laser resonator, made in the form of a reflective diffraction element, characterized in that the strokes are applied on the working surface of the element along lines intersecting on the axis of the resonator.