RU2814794C1

RU2814794C1 - Slit-type gas laser

Info

Publication number: RU2814794C1
Application number: RU2023119823A
Authority: RU
Inventors: Александр Владимирович Дутов; Роман Владимирович Жеребцов; Хорен Витальевич Мкртчян; Николай Леонидович Орлов; Владимир Геннадьевич Мишенин
Original assignee: Акционерное общество "Концерн воздушно-космической обороны "Алмаз-Антей"
Filing date: 2023-07-27
Publication date: 2024-03-04

Abstract

FIELD: quantum electronics.

SUBSTANCE: invention relates to quantum electronics, namely to gas lasers of slit type with high-frequency excitation of active medium, in particular to sealed slit CO₂ lasers. Slit-type gas laser comprises a high-frequency pumping module with self-contained generators and a cooled sealed housing, with a resonator, planar electrodes installed inside the housing through heat-conducting electrically insulating ceramic plates with spatial filters and connected to the high-frequency pumping unit, wherein electrodes are fixed by means of holders with formation of sliding contact, additionally comprises pilot laser, compensating periscope, consisting of a lower spherical mirror installed with an angle of incidence to the axis of the beam in the vertical plane, and an upper flat mirror, a spherical mirror configured to change the direction of the beam, besides, on planar electrodes there are through grooves forming an additional spatial filter for laser radiation.

EFFECT: high optical quality of laser radiation.

1 cl, 4 dwg

Description

Область техникиField of technology

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно, к газовым лазерам щелевого типа с высокочастотным возбуждением активной среды, в частности, отпаянным щелевым СО₂ лазерам.The invention relates to quantum electronics, namely, to slot-type gas lasers with high-frequency excitation of the active medium, in particular, sealed slot CO ₂ lasers.

Уровень техникиState of the art

Из уровня техники известны щелевые лазеры, включающие в себя пару протяженных охлаждаемых металлических электродов, образующих щелевой разрядный промежуток с активной средой, в котором возбуждается поперечный высокочастотный разряд, а также зеркала резонатора, установленные вблизи торцов электродов разрядного промежутка. Щелевой разрядный промежуток является одновременно и световодом, в котором излучение распространяется как в волноводе вдоль электродов и свободно распространяется в поперечном направлении. Комбинация волноводного и неволноводного распространения излучения позволяет реализовать высокие плотности мощности накачки активной среды и соответственно получить высокие уровни мощности генерации излучения (см. [1] US4719639, МПК H01S 3/03, опубл. 12.01.1988; [2] US4939738, МПК H01S 3/03, опубл. 03.07.1990).Slot lasers are known from the prior art, including a pair of extended cooled metal electrodes that form a slot discharge gap with an active medium in which a transverse high-frequency discharge is excited, as well as resonator mirrors installed near the ends of the discharge gap electrodes. The slot discharge gap is also a light guide, in which radiation propagates as in a waveguide along the electrodes and spreads freely in the transverse direction. The combination of waveguide and non-waveguide radiation propagation makes it possible to realize high pump power densities of the active medium and, accordingly, obtain high levels of radiation generation power (see [1] US4719639, IPC H01S 3/03, published 01/12/1988; [2] US4939738, IPC H01S 3 /03, published 07/03/1990).

В известных щелевых лазерах используются, как правило, неустойчивые резонаторные схемы отрицательной ветви неустойчивости (см. [3] US5048048, МПК H01S 3/03, опубл. 10.09.1991; [4] US5123028, МПК H01S 3/03, 16.06.1992; [5] RU2124790, МПК H01S 3/02, опубл. 10.01.1999). Резонатор состоит двух вогнутых зеркал с фокусом внутри резонатора. Этот тип неустойчивого резонатора отличается низкой чувствительностью к разъюстировкам, что важно для технологических лазеров.Known slot lasers usually use unstable resonator circuits of the negative branch of instability (see [3] US5048048, IPC H01S 3/03, published 09/10/1991; [4] US5123028, IPC H01S 3/03, 06/16/1992; [5] RU2124790, IPC H01S 3/02, published 01/10/1999). The resonator consists of two concave mirrors with a focus inside the resonator. This type of unstable resonator is characterized by low sensitivity to misalignment, which is important for technological lasers.

Известные щелевые СО₂ лазеры обладают рядом недостатков. Так, успех использования лазеров высокой мощности для обработки материалов сильно зависит от оптического качества луча, т.е. от модового состава и расходимости луча. В лазерах со щелевой активной средой плоские поверхности электродов образуют оптический волновод с характерным размером по высоте зазора 1,5 - 3 мм, что в теории должно приводить к формированию преимущественно моды низкого порядка в волноводном направлении. Однако на практике в щелевых лазерах генерируются также моды высокого порядка, что приводит к резкому увеличению расходимости луча. К этому приводят некоторые физические причины, например, неоднородность активной среды и коэффициента преломления, и особенно, искажение модового состава при взаимодействии волны с торцами электродов разрядного промежутка и с поверхностью зеркал, а также термодеформации электродов и оптических элементов - зеркал резонатора и окна.Known slit CO ₂ lasers have a number of disadvantages. Thus, the success of using high-power lasers for material processing strongly depends on the optical quality of the beam, i.e. on the mode composition and beam divergence. In lasers with a slot active medium, the flat surfaces of the electrodes form an optical waveguide with a characteristic size along the gap height of 1.5 - 3 mm, which in theory should lead to the formation of a predominantly low-order mode in the waveguide direction. However, in practice, high-order modes are also generated in slit lasers, which leads to a sharp increase in the beam divergence. This is due to some physical reasons, for example, inhomogeneity of the active medium and refractive index, and especially, distortion of the mode composition during the interaction of the wave with the ends of the discharge gap electrodes and with the surface of the mirrors, as well as thermal deformation of the electrodes and optical elements - resonator mirrors and windows.

Существенную роль в работе щелевых газовых лазеров играют тепловые процессы. Поскольку в разрядный промежуток вводятся значительные мощности (10 - 100 Вт/см³), возникают серьезные проблемы с отводом тепла, т.к. с излучением выводится обычно около 10 % мощности (электрооптический КПД), а остальная мощность должна выводиться путем охлаждения разрядных электродов и корпуса лазера. Реально надо отводить от 1 кВт до нескольких кВт в зависимости от того, на какую мощность в излучении рассчитан конкретный лазер.Thermal processes play a significant role in the operation of slit gas lasers. Since significant powers are introduced into the discharge gap (10 - 100 W/cm ³ ), serious problems arise with heat removal, because Usually about 10% of the power is output with radiation (electro-optical efficiency), and the remaining power must be output by cooling the discharge electrodes and the laser housing. In reality, it is necessary to allocate from 1 kW to several kW, depending on what radiation power a particular laser is designed for.

На практике существуют два типа охлаждения - воздушное и водяное. Воздушная система (вентиляторы) применяется для маломощных генераторов света - обычно до 50 Вт в излучении. Большинство щелевых лазеров с водяным охлаждением имеют разрядные электроды с впаянными в них трубками, которые выходят из корпуса лазера через «развязывающие» элементы, например, керамические втулки. Эти конструкции требуют хорошей вакуумной герметичности, т.к. даже незначительные утечки воды или попадание воздуха в корпус лазера приводят к быстрому и существенному уменьшению времени жизни активной среды, падению мощности излучения и падению ресурса работы лазера в отпаянном режиме.In practice, there are two types of cooling - air and water. The air system (fans) is used for low-power light generators - usually up to 50 W in radiation. Most water-cooled slot lasers have discharge electrodes with tubes soldered into them, which exit the laser body through “decoupling” elements, such as ceramic bushings. These designs require good vacuum tightness, because Even minor water leaks or air entering the laser housing lead to a rapid and significant decrease in the lifetime of the active medium, a drop in radiation power, and a decrease in the service life of the laser in sealed off mode.

Известен газовый лазер щелевого типа (см. [6] US6195379, МПК H01S 3/03, опубл. 27.02.2001), содержащий блок высокочастотной накачки с автогенераторами и охлаждаемый герметичный корпус, заполненный активной газовой средой, с резонатором в виде зеркал на его торцах и разрядным промежутком, который образован между планарными электродами, установленными внутри корпуса через теплопроводящие изолирующие керамические пластины и подключенными через токовводы к указанному блоку накачки. Теплопроводная керамика используется в известном устройстве для развязки электродов по теплу и по электроизоляции от заземленного корпуса. При этом важную роль играют конструктивные особенности, в частности обеспечение хорошего теплового контакта между электродами и стенками корпуса лазера, а также необходимость избежать электрического пробоя между потенциальным электродом и заземленным корпусом. В указанном устройстве это достигается за счет сложной конфигурации корпуса и использования трудоемких операций сборки лазера. Другим недостатком известной конструкции является относительно высокие термодеформации электродов при нагреве лазера в рабочем состоянии, что влияет на прохождение света по волноводу и приводит к появлению нежелательных мод излучения и ухудшению расходимости луча.A slot-type gas laser is known (see [6] US6195379, IPC H01S 3/03, publ. 02.27.2001), containing a high-frequency pumping unit with self-oscillators and a cooled sealed housing filled with an active gaseous medium, with a resonator in the form of mirrors at its ends and a discharge gap, which is formed between planar electrodes installed inside the housing through heat-conducting insulating ceramic plates and connected through current leads to the specified pumping unit. Thermally conductive ceramics are used in a known device for decoupling electrodes for heat and electrical insulation from a grounded body. In this case, design features play an important role, in particular, ensuring good thermal contact between the electrodes and the walls of the laser housing, as well as the need to avoid electrical breakdown between the potential electrode and the grounded housing. In this device, this is achieved through a complex housing configuration and the use of labor-intensive laser assembly operations. Another disadvantage of the known design is the relatively high thermal deformation of the electrodes when the laser is heated in operating condition, which affects the passage of light through the waveguide and leads to the appearance of unwanted radiation modes and deterioration of the beam divergence.

Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является газовый лазер щелевого типа (см. [7] RU 2773619 C1, МПК H01S 3/038, опубл. 06.06.2021), содержащий блок высокочастотной накачки с автогенераторами и охлаждаемый герметичный корпус, заполненный активной газовой средой, с резонатором в виде зеркал на его торцах и разрядным промежутком, который образован между планарными электродами, установленными внутри корпуса через теплопроводящие электроизолирующие керамические пластины и подключенными через токовводы к указанному блоку накачки, при этом корпус выполнен в виде коробчатой рамы с верхней и нижней крышками, а электроды закреплены на указанных крышках с помощью держателей с изолирующими керамическими элементами, которые упираются в сформированные по бокам электродов наклонные поверхности с образованием скользящего контакта.The closest technical solution, taken as a prototype, is a slot-type gas laser (see [7] RU 2773619 C1, IPC H01S 3/038, published 06.06.2021), containing a high-frequency pumping unit with self-oscillators and a cooled sealed housing filled with active gaseous medium, with a resonator in the form of mirrors at its ends and a discharge gap, which is formed between planar electrodes installed inside the housing through heat-conducting electrically insulating ceramic plates and connected through current leads to the specified pumping unit, while the housing is made in the form of a box-shaped frame from the top and bottom covers, and the electrodes are fixed on said covers using holders with insulating ceramic elements that abut against inclined surfaces formed on the sides of the electrodes to form a sliding contact.

Недостатком данного технического решения является наличие существенного взаимовлияния электрических паразитных обратных связей по общему электроду, приводящее к выходу одного из автогенераторов из строя, что приводит к существенному снижению надежности устройства.The disadvantage of this technical solution is the presence of a significant mutual influence of electrical parasitic feedback on a common electrode, leading to the failure of one of the self-generators, which leads to a significant decrease in the reliability of the device.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Техническая проблема, решаемая заявленным изобретением, заключается в повышении надежности устройства.The technical problem solved by the claimed invention is to increase the reliability of the device.

Технический результат заключается в повышении оптического качества лазерного излучения.The technical result consists in increasing the optical quality of laser radiation.

Указанный технический результат достигается в газовом лазере щелевого типа, содержащем модуль высокочастотной накачки с автогенераторами и охлаждаемый герметичный корпус, с резонатором, планарными электродами, установленными внутри корпуса через теплопроводящие электроизолирующие керамические пластины с пространственными фильтрами и подключенными к блоку высокочастотной накачки, при этом электроды закреплены с помощью держателей с образованием скользящего контакта, при этом дополнительно содержит пилотный лазер, сферическое зеркало, выполненное с возможностью изменения направления луча, кроме того на планарных электродах выполнены сквозные проточки, образующие дополнительный пространственный фильтр для лазерного излучения.The specified technical result is achieved in a slot-type gas laser containing a high-frequency pumping module with self-oscillators and a cooled sealed housing, with a resonator, planar electrodes installed inside the housing through heat-conducting electrically insulating ceramic plates with spatial filters and connected to the high-frequency pumping unit, while the electrodes are fixed with using holders to form a sliding contact, and additionally contains a pilot laser, a spherical mirror configured to change the direction of the beam, in addition, through grooves are made on the planar electrodes, forming an additional spatial filter for laser radiation.

Дополнительная особенность заключается в том, что внутри герметичного корпуса выполнен защитный кожух внешней оптики.An additional feature is that inside the sealed housing there is a protective casing for external optics.

Краткое описание чертежейBrief description of drawings

Заявленное изобретение поясняется на графических материалах, где изображены:The claimed invention is illustrated in graphic materials, which show:

На фиг.1 - внешний вид устройства;Figure 1 shows the appearance of the device;

На фиг.2 - вид внутри корпуса с защитным кожухом для внешней оптики;Figure 2 is a view inside the housing with a protective casing for external optics;

На фиг.3 - вид внутри корпуса без защитного кожуха для внешней оптики;Figure 3 is a view inside the housing without a protective casing for external optics;

Фиг.4 - схема сборки электродов.Figure 4 is a diagram of the electrode assembly.

На фигурах обозначены следующие позиции: 1 - высокочастотный модуль, 2 - лазер, 3 - рефилятор (штуцер), 4 - основание корпуса, 5 - задняя панель корпуса (коммуникации), 6 - передняя панель корпуса (выводная), 7- отверстие выводное, 8 - крышка корпуса боковая правая, 9 - крышка корпуса боковая левая, 10 - защитный кожух внешней оптики, 11 - пилотный лазер, 12 - компенсирующий перископ, 13 - зеркало сферическое, 14 - линза коллимирующая, 15 - электрод, 16 - пластина, 17 - трубка теплоносителя, 18 - держатели электродов.The figures indicate the following positions: 1 - high-frequency module, 2 - laser, 3 - refilator (fitting), 4 - base of the housing, 5 - rear panel of the housing (communications), 6 - front panel of the housing (output), 7 - output hole, 8 - right side housing cover, 9 - left side housing cover, 10 - protective casing of external optics, 11 - pilot laser, 12 - compensating periscope, 13 - spherical mirror, 14 - collimating lens, 15 - electrode, 16 - plate, 17 - coolant tube, 18 - electrode holders.

Осуществление изобретенияCarrying out the invention

Газовый лазер щелевого типа выполнен в охлаждаемом корпусе, образованном коробчатой рамой с независимыми правой 8 и левой 9 боковыми крышками, герметично соединенными через индиевое уплотнение. Корпус через штуцер 3 (фланец вакуумного соединения) заполнен активной газовой средой в виде, по меньшей мере, двухкомпонентной смеси газов, содержащей СО2, N2, He, Xe, СО и/или Ar.The slot-type gas laser is made in a cooled housing formed by a box-shaped frame with independent right 8 and left 9 side covers, hermetically connected through an indium seal. The housing, through fitting 3 (vacuum connection flange), is filled with an active gas medium in the form of at least a two-component mixture of gases containing CO2, N2, He, Xe, CO and/or Ar.

Внутри корпуса через теплопроводящие электроизолирующие керамические пластины 16 (например, из нитрида алюминия) установлены планарные электроды 15, образующие разрядный промежуток. Благодаря пластинам 16 между потенциальным электродом 15 и заземлённой крышкой корпуса остается зазор величиной порядка 0,4-0,6 мм, который по закону Пашена не дает возможности развиваться разряду между ними.Inside the housing, through heat-conducting electrically insulating ceramic plates 16 (for example, made of aluminum nitride), planar electrodes 15 are installed, forming a discharge gap. Thanks to the plates 16, a gap of about 0.4-0.6 mm remains between the potential electrode 15 and the grounded housing cover, which, according to Paschen’s law, does not allow a discharge to develop between them.

Электроды 15 по всему периметру закреплены на пластине 16 с помощью держателей 18 с изолирующими керамическими элементами толщиной 3 мм. Держатели 18 упираются в сформированные по бокам электродов 15 наклонные поверхности с образованием скользящего контакта. На каждом электроде 15 перпендикулярно оптической оси резонатора выполнены канавки, образующие внутренний пространственный фильтр, служащий улучшению оптического качества лазерного излучения.Electrodes 15 along the entire perimeter are fixed to the plate 16 using holders 18 with insulating ceramic elements 3 mm thick. The holders 18 rest against the inclined surfaces formed on the sides of the electrodes 15 to form a sliding contact. On each electrode 15, grooves are made perpendicular to the optical axis of the resonator, forming an internal spatial filter that serves to improve the optical quality of laser radiation.

При этом, для устранения термодеформации электродов при нагреве лазера в рабочем состоянии, влияние которой, вследствие волноводных эффектов, способно приводить к появлению нежелательных мод излучения и ухудшению расходимости луча, в каждом электроде произведен сквозной распил, образующий несколько самостоятельных электродов с расстоянием 4 мм, который выступает в качестве дополнительного внутреннего пространственного фильтра для лазерного излучения и служит улучшению оптического качества лазерного излучения.At the same time, to eliminate thermal deformation of the electrodes when heating the laser in operating condition, the influence of which, due to waveguide effects, can lead to the appearance of undesirable radiation modes and deterioration of the beam divergence, a through cut was made in each electrode, forming several independent electrodes with a distance of 4 mm, which acts as an additional internal spatial filter for laser radiation and serves to improve the optical quality of laser radiation.

С наружной стороны корпуса вдоль крышек напротив электродов 15 впаяны трубки 17, по которым циркулирует жидкий теплоноситель.On the outside of the housing, along the covers opposite the electrodes 15, tubes 17 are soldered through which the coolant liquid circulates.

Газовый лазер содержит несколько автогенераторов, каждый из которых соединён со своей парой электродов 15, и теплообменник, к которому подведены трубки 17.The gas laser contains several self-oscillators, each of which is connected to its own pair of electrodes 15, and a heat exchanger to which tubes 17 are connected.

Автогенераторы, подключенные к электродам 15 с единым разрядным промежутком, работают синфазно, благодаря своим цепям обратной связи. За счёт этого достигается стабильность поджига разряда и однородность вклада мощности по всей длине электродов 15.Autogenerators connected to electrodes 15 with a single discharge gap operate in phase, thanks to their feedback circuits. Due to this, stability of the discharge ignition and uniformity of the power contribution along the entire length of the electrodes 15 are achieved.

В предлагаемом лазере используется симметричная схема возбуждения плазмы разряда, т.е. автогенератор имеет два выхода высокочастотной мощности, которые через токовводы излучателя лазера соединяются каждый со своим электродом 15. Автогенератор формирует на своих выходах высокочастотные напряжения разноименной полярности, каждое из которых прикладываются к своему электроду 15. При этом высокочастотное напряжение между электродами 15 становится вдвое большим, чем напряжение между каждым электродом 15 и корпусом.The proposed laser uses a symmetrical circuit for excitation of the discharge plasma, i.e. The self-oscillator has two high-frequency power outputs, which are each connected through the current leads of the laser emitter to its own electrode 15. The self-oscillator generates high-frequency voltages of opposite polarity at its outputs, each of which is applied to its own electrode 15. In this case, the high-frequency voltage between the electrodes 15 becomes twice as high as voltage between each electrode 15 and the housing.

Излучение, сформированное резонатором в виде астигматичного пучка попадает на компенсирующий перископ 12, состоящий из нижнего сферического зеркала, установленного с углом падения к оси пучка в вертикальной плоскости и верхнего плоского зеркала, и, отражаясь, поступает на зеркало сферическое 13, где изменяет свое направление на 180° и через коллимирующую линзу 14 попадает в выводное отверстие 7, выполненное на передней панели корпуса 6. Дополнительно, для более точного наведения лазера выполнен пилотный лазер 11, установленный на защитном кожухе 10 внешней оптики.The radiation generated by the resonator in the form of an astigmatic beam falls on the compensating periscope 12, consisting of a lower spherical mirror installed with an angle of incidence to the beam axis in a vertical plane and an upper flat mirror, and, being reflected, enters the spherical mirror 13, where it changes its direction by 180° and through the collimating lens 14 enters the output hole 7 made on the front panel of the housing 6. Additionally, for more accurate laser guidance, a pilot laser 11 is installed, mounted on the protective casing 10 of the external optics.

Место установки компенсирующего перископа 12 выбиралось, таким образом, чтобы размеры выходящего из резонатора пучка щелевидной формы по обеим координатам успели выровняться после прохода вдоль камеры по межэлектронному рупору. Выполнение сферического зеркала 13, изменяющего направление излучения, обеспечивает повышение надежности устройства, исключая возможность аварии вследствие попадания луча на коммуникации, например теплоноситель, а вместе с коллимирующей линзой 14 упрощает конструкцию устройства, исключая выполнение внешней оптики.The installation location of the compensating periscope 12 was chosen in such a way that the dimensions of the slit-shaped beam emerging from the resonator in both coordinates had time to align after passing along the chamber along the interelectronic horn. The implementation of a spherical mirror 13, which changes the direction of radiation, increases the reliability of the device, eliminating the possibility of an accident due to the beam hitting communications, for example, a coolant, and together with the collimating lens 14 simplifies the design of the device, eliminating the need for external optics.

Благодаря описанным конструктивным особенностям, предлагаемая разрядная камера с системой электродов менее подвержена термодеформациям, демонстрирует стабильную надёжную работу с улучшенным качеством излучения на протяжении пролонгированного срока службы.Thanks to the described design features, the proposed discharge chamber with a system of electrodes is less susceptible to thermal deformation and demonstrates stable, reliable operation with improved radiation quality over an extended service life.

Claims

1. A slot-type gas laser containing a high-frequency pumping module with self-oscillators and a cooled sealed housing, with a resonator, planar electrodes installed inside the housing through heat-conducting electrically insulating ceramic plates with spatial filters and connected to the high-frequency pumping unit, while the electrodes are secured using holders with formation of a sliding contact, characterized in that it additionally contains a pilot laser, a compensating periscope, consisting of a lower spherical mirror installed with an angle of incidence to the beam axis in a vertical plane, and an upper flat mirror, a spherical mirror configured to change the direction of the beam, in addition , through grooves are made on the planar electrodes, forming an additional spatial filter for laser radiation, while the radiation generated by the resonator falls on the compensating periscope and, being reflected, enters the spherical mirror, and the installation location of the compensating periscope is selected in such a way that the dimensions of the The slit-shaped beam resonator had time to align in both coordinates after passing along the chamber along the interelectronic horn.

2. A slot-type gas laser according to claim 1, characterized in that a protective casing for external optics is made inside the sealed housing.