СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКОГО РЕЖИМА РАБОТЫ ЛАЗЕРА

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКОГО РЕЖИМА РАБОТЫ ЛАЗЕРА


RU (11) 2175159 (13) C1

(51) 7 H01S3/11 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.10.2007 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 2000110750/28 
(22) Дата подачи заявки: 2000.04.28 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2000.04.28 
(45) Опубликовано: 2001.10.20 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: HUSMANN A. et. al. Scaling of a Q-switch CO2 - laser for pulsed laser deposition. SPIE. 1998, Vol 3343, p.759-768. RU 2080717 A, 27.05.1997. EP 0492994, 01.07.1992. SU 646729 A, 27.08.1995. 
(71) Заявитель(и): Закрытое акционерное общество "Энергомаштехника" 
(72) Автор(ы): Аполлонов В.В.; Вагин Ю.С.; Егоров А.Б.; Кийко В.В.; Кислов В.И. 
(73) Патентообладатель(и): Закрытое акционерное общество "Энергомаштехника" 
Адрес для переписки: 129110, Москва, Протоповский пер., 25а, ЗАО "Энергомаштехника" 

(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКОГО РЕЖИМА РАБОТЫ ЛАЗЕРА 

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в мощных лазерных системах. Способ направлен на решение задачи модуляции выходного излучения лазера с высоким уровнем средней выходной мощности. Способ заключается в ответвлении части выходного излучения лазера в дополнительный резонатор, в котором осуществляют его периодическую модуляцию и согласуют излучение по фазовой характеристике с основным резонатором. Излучение из дополнительного резонатора возвращают в периферийную область основного резонатора. Технический результат изобретения: устройство позволяет модулировать излучение лазеров с высокой средней выходной мощностью. 1 табл., 3 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано в мощных лазерных системах.

Известен способ получения импульсно-периодического режима, заключающийся модуляции интенсивности путем изменения потерь в оптическом резонаторе за счет поляризационного вывода части излучения из резонатора с помощью электрооптического модулятора, установленного внутри оптического резонатора лазера [1].

Недостатком данного способа является невозможность модуляции мощных лазерных систем с выходной мощностью несколько десятков киловатт, так как при этом происходит оптический пробой на поверхности модулятора и его разрушение.

Этот недостаток отсутствует в способе изменения (повышения) выходной мощности лазера при помощи регулирующей дополнительной обратной связи [2]

Однако данный способ не обеспечивает высокочастотное изменение выходной мощности лазера (модуляции добротности) с сокращением длительности импульса лазерного излучения.

Известен также способ, заключающийся в формировании внутри резонатора лазера перетяжки пучка и модуляции интенсивности излучения вращающимся диском с прорезями, пересекающим плоскость перетяжки [3].

Недостатком данного способа является невозможность модуляции мощных лазерных систем с выходной мощностью более пяти киловатт, так как при высокой энергии лазерных импульсов происходит оптический пробой на поверхности модулятора и его разрушение.

Данный способ наиболее близок к заявляемому и выбран в качестве прототипа.

Целью изобретения является решение задачи модуляции мощных лазерных систем со средней выходной мощностью на уровне десятков и сотен киловатт.

Заявляемый способ заключается в периодическом изменении коэффициента потерь неустойчивого резонатора путем ответвления части выходного излучения лазера в дополнительный резонатор, согласования амплитудно-фазовой характеристики выходящего из него излучения с параметрами неустойчивого резонатора лазера, периодической модуляции ответвленного излучения во вспомогательном резонаторе и возвращении промодулированного излучения в периферийную область основного резонатора.

Технический результат от применения предлагаемого способа состоит в увеличении допустимой средней мощности импульсного лазерного излучения. При использовании способа в лазерных системах достигается повышение эффективности лазера на порядки, при этом существенно расширяется область применения.

Эффективность применения данного способа существенно выше, чем у способа, выбранного в качестве прототипа, что связано с возможностью модуляции только части излучения лазера, величина которой может быть меньше мощности выходного излучения на порядок.

Использование в лазерах заявляемого способа позволяет существенно повысить среднюю выходную мощность лазерного излучения в импульсном режиме работы. Заявляемый способ является универсальным, так как позволяет оптимизировать параметры лазера без изменения его конструктивных параметров путем добавления к нему дополнительной внешней системы и позволяет, тем самым, модернизировать уже существующие лазеры, широко используемые в промышленности и науке.

Преимущества заявляемого способа в сравнении с прототипом обусловлены следующим существенным признаком - модуляцией только части выходного излучения лазера и возвращением промодулированного излучения в периферийную область лазерного резонатора.

Среди известных из научной и технической литературы решений авторами изобретения не обнаружены способы получения импульсно-периодического режима работы лазера за счет обеспечения модуляции потерь части выходного излучения лазера, ответвляемого в дополнительный резонатор, согласования амплитудно-фазовой характеристики выходящего из него излучения с параметрами неустойчивого резонатора лазера, периодической модуляции его во вспомогательном резонаторе и возвращения в периферийную область основного резонатора. Работоспособность заявляемого способа исследована теоретически и экспериментально. В рамках проведенных исследований обоснована достаточность существенных признаков для достижения технической цели, решаемой заявляемым способом.

При оценке значимости изобретения для промышленного применения необходимо отметить следующие факторы: а) заявляемый способ может использоваться не только в разрабатываемых лазерах, но и в уже существующих; в последнем случае не требуется модернизация системы в целом - положительный эффект достигается путем установки дополнительного блока в имеющуюся систему;

Сущность изобретения поясняется с помощью чертежей:

Фиг. 1. Оптическая схема установки, реализующей способ.

Фиг. 2. Прозрачность резонатора в зависимости от относительной мощности возвращаемого в резонатор пучка.

Фиг. 3а, 3б. Интенсивность выходного сигнала при модуляции 20% выходного излучения с частотами 1 и 11 кГц.

Рассмотрим сущность изобретения. На фиг. 1 схематично показана реализация предлагаемого способа.

-З1,2 - зеркала неустойчивого резонатора, вывод излучения из резонатора осуществляется за краями зеркала З2;

-З3 - зеркало-ответвитель, направляющее часть выходного пучка в систему формирования инжектируемого пучка (СФИП); с помощью этого же зеркала пучок, обработанный СФИП, возвращается в резонатор;

-Мо - модулятор;

- СФИП - оптическая система формирования инжектируемого пучка (СФИП); в СФИП лазерный пучок модулируется по мощности и приобретает требуемое фазовое распределение;

Происходящие явления удобно описывать в терминах изменения прозрачности резонатора. Оценим эффективность модуляции прозрачности самоинжекционного лазера с неустойчивым резонатором.

Резонансное поле можно представить как суперпозицию обычной расходящейся волны и сходящейся, трансформирующейся в расходящуюся волну при некогерентном сложении в околоосевой области резонатора. Прозрачность резонатора с самоинжекцией лазерного излучения определяется соотношением:



где - модуль собственного значения;

M - геометрический коэффициент увеличения;

s = S/a2 - S - площадь инжектируемого пучка; а - радиус выходной апертуры резонатора;

- число проходов инжектируемого пучка через резонатор;

- длина волны излучения;

Lr - длина резонатора.

На фиг. 2. представлены результаты расчета прозрачности резонатора в зависимости от относительной мощности возвращаемого в резонатор пучка.

Из анализа результатов расчетов следует, что амплитуда модуляции потерь резонатора достигает 30% - при мощности возвращаемого в резонатор пучка равной 10% от мощности выходного пучка.

Таким образом, резонатор с самоинжекцией обеспечивает высокоэффективное управление прозрачностью резонатора.

Для получения количественных оценок режимов работы лазера с самоинжекцией и периодической модуляцией прозрачности осуществлялся с использованием следующей системы уравнений:



где K0 = 2 La g0 - усредненное ненасыщенное усиление на полный обход резонатора;

K = 2Lag - усредненное насыщенное усиление на полный обход резонатора;

I= J/Js, J - интенсивность усредненная по объему, Js - интенсивность насыщения;

t - текущее время;

- потери на полный проход;

- доля мощности спонтанного излучения, остающаяся в резонаторе после прохода туда-обратно.

Первое из уравнений в системе (2) - уравнение колебательной кинетики для заранее возбужденной однокомпонентной (нижний рабочий уровень не заселен) активной CO2 среды. Второе уравнение - резонаторное - описывает формирование излучения при проходе через резонатор. Характеристики активной среды и излучения усреднены по объему, поэтому уравнения не содержат пространственных производных и зависят только от времени.

Система уравнений (2) была исследована чиcленно методом Рунге-Кутта. Расчеты проводились для параметров реального газодинамического лазера, на котором были проведены экспериментальные исследования. Параметры, использованные при расчетах, приведены в таблице.

На фиг. 3а, 3б представлены временные зависимости мощности выходного излучения для частот синусной модуляции в 1 и 11 кГц при коэффициенте увеличения резонатора M=2. С увеличением частоты модуляции происходит увеличение пиковой интенсивности.

При частотах модуляции до 10 кГц импульсы мощности выходного излучения повторяют импульсы модуляции по форме и длительности. При более высоких частотах в пределах длительности импульса модуляции появляются отдельные пики мощности, их общее число составляет 4-10, минимальная интенсивность пиков достигает нуля. Переход в режим пичковой генерации с пиковой интенсивностью, превышающей стационарную в 10 и более раз, происходит при частотах модуляции >2/p . Дальнейшее увеличение частоты модуляции приводит к уменьшению числа пиков и переводит лазер в режим, близкий к однопичковому режиму модуляции добротности.

Проведенная экспериментальная проверка показала, что при использовании предлагаемого способа при частоте модуляции около 12 кГц, величине инжектируемого сигнала 20% от полной выходной мощности (15 кВт), генерация лазера осуществлялась в пичковом режиме с превышением мощности в пичке более чем на порядок по сравнению со стационарным режимом. При этом средняя мощность излучения осталась без изменений, что подтвердило реализуемость и эффективность предлагаемого способа.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент США N 4498179 от 5 февраля 1985 г.

2. Ю.С. Вагин. Исследования активной среды и оптических резонаторов газодинамических лазеров. - Труды ордена Ленина Физического института им. П.Н. Лебедева. Колебательная релаксация молекул и газодинамические лазеры, том. 113, с. 115-149.

3. A. Husmaim, M. Niesen, F. Grumbel, E.F. Kreutz, R. Poprawe Scaling of a Q-switch CO2-laser for pulsed laser deposition. - SPIE Conference on High-Power Laser Ablation, Santa Fe, NM, USA, April 1998, Proc. Vol. 3343, August 1998. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



Способ получения импульсно-периодического режима работы лазера с неустойчивым резонатором, заключающийся в периодическом изменении коэффициента потерь неустойчивого резонатора, отличающийся тем, что для обеспечения модуляции потерь часть выходного излучения лазера ответвляют в дополнительный резонатор, согласуют амплитудно-фазовую характеристику выходящего из него излучения с параметрами неустойчивого резонатора лазера, причем ответвленное излучение периодически модулируют во вспомогательном резонаторе и возвращают в периферийную область основного резонатора.


ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к лазерным квантовым генераторам, а именно лазеры и лазерное оборудование:

- твердотельные полупроводниковые лазеры

- газовые лазеры

- химические лазеры

- практическое применение в промышленности, науке и в быту газовых, твердотельных и химических лазеров.


Лазеры. Лазерное оборудование






СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+газовый -лазер".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "лазер" будут найдены слова "лазеры", "лазерный" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("лазер!").



Рейтинг@Mail.ru