Способ управления лазерным резонатором и устройство на его основе

 

Изобретение относится к управляемой лазерной технике и может быть использовано для построения управляемых лазерных резонаторов различных типов, в том числе с управляемой выходной мощностью, получения в непрерывном лазере импульсно-периодического режима модуляции в широком диапазоне и с различной амплитудой и для увеличения мощности выходного излучения и пиковой интенсивности различных лазеров. Два или более зеркал лазерного резонатора заменяют деформируемыми зеркалами. Формой отражающей поверхности каждого зеркала управляют с помощью электрических, магнитных, механических или гидравлических воздействий, формируемых блоками управления, которые сопрягают с компьютером, генератором электрических сигналов или с одноканальным или многоканальным датчиком/приемником. Управляющие воздействия, по крайней мере, двумя деформируемыми зеркалами лазерного резонатора формируют в виде последовательности импульсов, которые синхронизированы относительно друг друга с постоянным или изменяющимся сдвигом фазы. Обеспечено расширение диапазона обрабатываемых материалов в лазерных технологических комплексах, повышение качества и производительности лазерной обработки. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к управляемой лазерной технике и может быть использовано для построения управляемых лазеров различных типов, в том числе с управляемой выходной мощностью излучения, а также для управления ими в реальном времени. Кроме того, настоящее изобретение может быть использовано для получения в непрерывном лазере импульсно-периодического режима генерации в широком частотном диапазоне и с различной амплитудой, а также для увеличения мощности выходного излучения и пиковой интенсивности различных лазеров.

Известна система внутрирезонаторного управления (см. Воронцов М.А., Шмальгаузен В.И. Принципы адаптивной оптики. - М.: Наука, 1985, с.99-100, 107-110), содержащая многоканальное адаптивное зеркало, установленное в лазерный резонатор вместо поворотного зеркала или дополнительно; количество каналов управления деформируемым зеркалом - 9, 16 или 18. Кроме того, указанная система содержит фотоприемники, диафрагму, фокусирующие линзы, светоделитель, усилители, синхронные детекторы, генераторы сканирования, смесители и аналоговые делители. Данная система предназначена для компенсации в реальном времени внутрирезонаторных искажений лазерного излучения (наклонов волнового фронта, дефокусировки, астигматизма и т.п.) и работает по методу (способу) апертурного зондирования, согласно которому многоканальным адаптивным зеркалом управляют в соответствии с изменением сигнала фотоприемника, на который светоделителем отводится некоторая доля выходного излучения лазера. В каждом канале деформируемого зеркала формируют два электрических сигнала: управляющий и модулирующий. Модулирующие сигналы всех каналов различны и формируются генераторами сканирования. Сигнал фотоприемника после предварительного усиления детектируют синхронными детекторами, каждый из которых управляется соответствующим генератором сканирования.

Синхронно продетектированный сигнал в каждом канале после усиления и смешения с соответствующим модулирующим сигналом подают на соответствующий канал деформируемого зеркала. Под воздействием электрических сигналов изменяется профиль отражающей поверхности деформируемого зеркала и тем самым происходит компенсация внутрирезонаторных искажений лазерного излучения. Необходимо отметить, что в данной системе внутрирезонаторного управления искажения в резонатор вносились искусственно, с помощью дополнительного деформируемого зеркала, установленного внутрь резонатора вместо поворотного зеркала или дополнительно.

Недостатками известного способа и устройства являются: 1) малый диапазон управления выходной мощностью лазерного излучения (максимум на 60% от номинальной мощности) и, как следствие этого, невозможность полного запирания резонатора (гашения генерации); 2) наличие модулирующих сигналов на адаптивном зеркале при работе системы в автоматическом замкнутом режиме, что приводит к незначительной модуляции выходного излучения; 3) большая сложность, обусловленная наличием нескольких (по числу каналов управления) генераторов, синхронных детекторов и смесителей.

Наиболее близкими к предлагаемым способу и устройству являются способ и устройство для управления мощностью выходного излучения однокиловаттного СО₂-лазера, см. Гнедой С.А. и др. "Исследование возможности управления мощностью генерации технологического СО₂-лазера внутрирезонаторным адаптивным зеркалом." - Квант. Электрон., 1989, т.16, №9, с.1839-1840. Данный способ заключается в том, что глухое (концевое) зеркало лазерного резонатора заменяют охлаждаемым управляемым корректором (деформируемым зеркалом) на основе полупассивного биморфного пьезоэлемента; формой отражающей поверхности деформируемого зеркала управляют электрическим напряжением, которое формируется электронным блоком управления. В статическом режиме управления было получено изменение выходной мощности излучения лазера максимум на 33% от его номинальной мощности (750 Вт), при этом управляющее напряжение на деформируемом зеркале изменялось в максимально возможных пределах (от -300 В до +300 В). В динамическом режиме, при синусоидальном управляющем напряжении на деформируемом зеркале амплитудой ±300 В была получена модуляция выходной мощности излучения лазера, при этом максимальная глубина модуляции была достигнута на резонансных частотах деформируемого зеркала (3,8 кГц и 7,6 кГц) и составила 50-75%. Устройство для управления мощностью выходного излучения однокиловаттного СО₂-лазера содержит деформируемое зеркало, соединенное с электронным блоком управления.

Недостатками известного способа и устройства являются: 1) малый диапазон управления выходной мощностью лазерного излучения в статическом режиме и, как следствие этого, невозможность полного запирания резонатора (гашения генерации); 2) малая глубина модуляции выходной мощности лазерного излучения в динамическом режиме, даже на резонансных частотах деформируемого зеркала, и, как следствие этого, невозможность получения импульсно-периодического режима генерации, вообще, и на низких частотах работы деформируемого зеркала, в частности; 3) невозможность получения импульсов лазерного излучения с амплитудой, превышающей среднюю мощность лазера в непрерывном режиме.

Техническим результатом от использования изобретения является увеличение диапазона управления выходной мощностью лазерного излучения, включая, с одной стороны, полное гашение генерации и, с другой стороны, частичное повышение номинальной выходной мощности лазера. Кроме того, предлагаемое изобретение обеспечивает получение импульсно-периодического режима генерации в непрерывном лазере, в том числе получение импульсов лазерного излучения с амплитудой, превышающей среднюю мощность лазера в непрерывном режиме.

Указанный технический результат достигается за счет того, что при осуществлении способа управления лазерным резонатором, по которому в качестве его зеркала используют деформируемое зеркало, формой отражающей поверхности которого управляют с помощью электрического сигнала, формируемого электронным блоком управления, в качестве, по крайней мере, еще одного зеркала лазера используют деформируемое зеркало или в качестве всех зеркал лазера используют деформируемые зеркала, формой отражающей поверхности каждого деформируемого зеркала управляют с помощью электрических воздействий, формируемых блоком управления, который сопрягают с компьютером, или/и с генератором электрических сигналов, или/и с одноканальным или многоканальным датчиком/приемником, радиус кривизны исходной оптической поверхности, по крайней мере, одного деформируемого зеркала или всех деформируемых зеркал R_ДЗисх.i, 1≤i≤N, где N - количество деформируемых зеркал в лазере, выбирают из соотношения

где D_ДЗi - световой диаметр 1-го деформируемого зеркала, R_исх.i - радиус кривизны i-го заменяемого зеркала (когда вместо него устанавливается i-e деформируемое зеркало) или R_исх.i=10¹⁰ мм (когда i-e деформируемое зеркало устанавливается в лазерный резонатор дополнительно), Δh_вaк.i - деформация (изменение стрелки прогиба) i-го деформируемого зеркала при его установке вакуумно-плотно в откаченный лазерный резонатор. Кроме того, при осуществлении способа управления лазерным резонатором управляющие воздействия, по крайней мере, двумя деформируемыми зеркалами или всеми деформируемыми зеркалами лазерного резонатора могут формироваться в виде последовательностей импульсов, которые синхронизированы относительно друг друга с постоянным или изменяющимся сдвигом фазы.

При осуществлении способа управления лазерным резонатором увеличение диапазона управления выходной мощностью лазерного излучения достигается за счет того, что в качестве, по крайней мере, еще одного зеркала лазера используют деформируемое зеркало или в качестве всех зеркал лазера используют деформируемые зеркала, формой отражающей поверхности каждого деформируемого зеркала управляют с помощью электрических воздействий, формируемых блоком управления, который сопрягают с компьютером или/и с одноканальным или многоканальным датчиком/приемником. Действительно, пусть кривизна исходной оптической поверхности деформируемого зеркала соответствует кривизне штатного зеркала резонатора, вместо которого устанавливается деформируемое зеркало. Тогда при отсутствии управляющего воздействия I на деформируемом зеркале выходная мощность лазера соответствует номинальной. Изменение управляющего воздействия (в прототипе - электрического напряжения) на деформируемом зеркале (в прототипе - пьезоэлектрическом) приводит к изменению кривизны его отражающей поверхности. Это, в свою очередь, приводит к изменению оптической конфигурации лазерного резонатора и, следовательно, к увеличению потерь в резонаторе (при оптимальной исходной конфигурации резонатора). В результате выходная мощность лазера падает (в прототипе - на 33%). Замена еще одного или нескольких зеркал резонатора деформируемыми зеркалами и управление кривизной их отражающей поверхности с помощью управляющих воздействий приводит к тому, что оптическая конфигурация резонатора изменяется более значительно (каждое деформируемое зеркало вносит свой вклад в этот процесс). Следовательно, и потери в резонаторе при управлении зеркалами будут больше, что и приводит к увеличению диапазона управления выходной мощностью излучения по сравнению с прототипом. При этом в качестве зеркал с управляемой кривизной отражающей поверхности могут использоваться деформируемые зеркала любого типа и с любыми управляющими воздействиями (электрическими, магнитными, механическими, гидравлическими и т.д.), которые формируются соответствующими блоками управления по сигналам компьютера или/и одноканального (многоканального) датчика. Т.о., достигается указанный технический результат. В том случае, когда деформируемые зеркала устанавливаются в лазер дополнительно (например, на стадии разработки), увеличение диапазона управления выходной мощностью лазерного излучения (т.е. технический результат) достигается аналогичным образом. Соответствующим отличительным признаком в данных случаях является то, что в качестве, по крайней мере, еще одного зеркала лазера используют деформируемое зеркало или в качестве всех зеркал лазера используют деформируемые зеркала, формой отражающей поверхности каждого деформируемого зеркала управляют с помощью электрических воздействий, формируемых блоком управления, который сопрягают с компьютером или/и с одноканальным или многоканальным датчиком/приемником.

Полное гашение генерации излучения при осуществлении способа управления лазерным резонатором и частичное повышение номинальной выходной мощности лазера также достигается за счет того, что в качестве, по крайней мере, еще одного зеркала лазера используют деформируемое зеркало или в качестве всех зеркал лазера используют деформируемые зеркала, формой отражающей поверхности каждого деформируемого зеркала управляют с помощью электрических воздействий, формируемых блоком управления, который сопрягают с компьютером или/и с одноканальным или многоканальным датчиком/приемником. Поскольку указанный признак обеспечивает увеличение диапазона управления выходной мощностью лазера, можно ожидать, что при некотором наборе управляющих воздействий на деформируемых зеркалах , где N - количество деформируемых зеркал в резонаторе, генерация излучения в лазере прекратиться по причине полной разъюстировки резонатора. Понятно, что это возможно лишь при достаточных суммарных управляемых деформациях оптической поверхности деформируемых зеркал, что можно обеспечить заменой необходимого количества штатных зеркал лазерного резонатора на деформируемые или установкой в резонатор необходимого количества дополнительных деформируемых зеркал. Аналогично, при некотором наборе управляющих воздействий на деформируемых зеркалах мощность выходного излучения лазера достигнет своего номинального значения. При этом под последним будем понимать величину мощности излучения лазера, который содержит только штатные (недеформируемые) зеркала. Вообще говоря, при управляющих воздействиях на деформируемых зеркалах геометрия резонатора с деформируемыми зеркалами может и не соответствовать резонатору со штатными зеркалами. Благодаря тому что кривизна отражающей поверхности деформируемых зеркал является управляемой, имеется возможность тонкой подъюстировки геометрии резонатора при номинальной выходной мощности лазера с целью ее оптимизации (максимизации). Следовательно, можно ожидать, что при некотором наборе управляющих воздействий на деформируемых зеркалах , отличном от выходная мощность лазера с управляемым резонатором несколько превысит номинальную выходную мощность и достигнет своего максимума. Вероятная причина этого - оптимальное заполнение излучением активной среды внутри резонатора при управлении деформируемыми зеркалами, см. Воронцов М.А., Шмальгаузен В.И. Принципы адаптивной оптики. - М.: Наука, 1985, с.108. Управляющие воздействия деформируемых зеркал, в том числе и , формируются блоком управления по командам от компьютера или/и по сигналам одноканального или многоканального датчика/приемника. Таким образом, в предлагаемом способе обеспечивается, во-первых, полное гашение генерации лазерного излучения и, во-вторых, частичное повышение номинальной выходной мощности лазера. Соответствующим отличительным признаком в данном случае является то, что в качестве, по крайней мере, еще одного зеркала лазера используют деформируемое зеркало или в качестве всех зеркал лазера используют деформируемые зеркала, формой отражающей поверхности каждого деформируемого зеркала управляют с помощью электрических воздействий, формируемых блоком управления, который сопрягают с компьютером или/и с одноканальным или многоканальным датчиком/приемником.

При осуществлении способа управления лазерным резонатором импульсно-периодический режим генерации в непрерывном лазере обеспечивается за счет того, что блок управления сопрягают с компьютером или/и с генератором электрических сигналов, а управляющие воздействия, по крайней мере, двумя деформируемыми зеркалами или всеми деформируемыми зеркалами лазера формируют в виде последовательностей импульсов, которые синхронизированы относительно друг друга с постоянным или изменяющимся сдвигом фазы. Действительно, если предлагаемый способ обеспечивает полное гашение генерации в лазере за счет замены стандартной оптики деформируемой (или за счет установки в резонатор дополнительной деформируемой оптики) и управления последней, то в любой момент времени, когда управляющие воздействия на деформируемых зеркалах соответствуют набору , мощность выходного излучения лазера равна нулю. Любое одновременное (синхронное) изменение управляющих воздействий на деформируемых зеркалах (по направлению к набору ) приведет к возникновению генерации в резонаторе лазера, при этом величина мощности выходного излучения определяется текущими значениями управляющих воздействий I_k, k=1,..., N. Каждое I_k лежит в диапазоне , k=1,..., N. Следовательно, формируя импульсные управляющие воздействия на деформируемых зеркалах указанным образом, мы получим импульсно-периодическое изменение мощности на выходе лазера. Импульсные управляющие воздействия на деформируемых зеркалах формируются блоком управления по командам от компьютера либо путем усиления сигналов от внешнего генератора. Частота следования импульсов излучения может быть сколь угодно малой, а их минимальная длительность ограничена быстродействием деформируемых зеркал. Формируя импульсные управляющие воздействия на деформируемых зеркалах с постоянным фазовым сдвигом, можно получить повышение частоты импульсно-периодического излучения на выходе лазера, а также управлять скважностью, длительностью и формой импульсов излучения. Таким образом, за счет формирования импульсных управляющих воздействий указанным образом предлагаемый способ обеспечивает реализацию импульсно-периодического режима генерации в непрерывном лазере. Соответствующим отличительным признаком в данном случае является то, что блок управления сопрягают с компьютером или/и с генератором электрических сигналов, а управляющие воздействия, по крайней мере, двумя деформируемыми зеркалами или всеми деформируемыми зеркалами лазера формируют в виде последовательностей импульсов, которые синхронизированы относительно друг друга с постоянным или изменяющимся сдвигом фазы.

При осуществлении способа управления лазерным резонатором получение импульсов лазерного излучения с амплитудой, превышающей среднюю мощность лазера в непрерывном режиме, обеспечивается в импульсно-периодическом режиме генерации лазера при определенной длительности синхронных импульсов управляющих воздействий на деформируемых зеркалах. Действительно, пусть в некоторый момент времени мощность выходного излучения лазера равна нулю (управляющие воздействия на деформируемых зеркалах соответствуют набору и в этот момент синхронно происходит изменение управляющих воздействий, так что для всех k=1,..., N. Такое изменение приводит к возникновению генерации в лазере, так что в начале импульса излучения высвечивается энергия, запасенная в активной среде за время между импульсами. При этом, естественно, подразумевается, что лазер непрерывно накачивается. После высвечивания запасенной энергии будет происходить обычная генерация излучения с некоторым уровнем мощности (в данном случае мощность максимальна, т.к. для всех k=1,..., N) до тех пор, пока снова управляющие воздействия на деформируемых зеркалах синхронно не поменяют свои значения на для всех k=1,..., N. Следовательно, в начальный момент импульса излучения при неизменных управляющих воздействиях на деформируемых зеркалах выходная мощность лазера будет выше по сравнению с номинальной (максимальной) мощностью на протяжении всего импульса. Иными словами, в начальный момент импульса излучения происходит выброс мощности. Отметим, что при данной схеме управления лазером длительность такого выброса ограничена резонансными частотами деформируемых зеркал, поскольку время отклика зеркал превышает время включения генерации в лазере. Т.о., когда длительность синхронных импульсов управляющих воздействий совпадает с длительностью выброса мощности, то мощность в импульсе излучения повышается по сравнению с номинальной (максимальной) мощностью в непрерывном режиме. При этом период следования синхронных импульсов управляющих воздействий должен быть подобран так, чтобы за время между импульсами в активной среде лазера запасалось необходимое количество энергии. В соответствии с вышесказанным способ управления лазерным резонатором обеспечивает получение импульсов лазерного излучения с амплитудой, превышающей среднюю мощность лазера в непрерывном режиме. При этом соответствующим отличительным признаком является то, что блок управления сопрягают с компьютером или/и с генератором электрических сигналов, а управляющие воздействия, по крайней мере, двумя деформируемыми зеркалами или всеми деформируемыми зеркалами лазера формируют в виде последовательностей импульсов, которые синхронизированы относительно друг друга с постоянным или изменяющимся сдвигом фазы.

Другим отличием предлагаемого способа является то, что с целью увеличения диапазона управления выходной мощностью лазерного излучения, включая, с одной стороны, полное гашение генерации и, с другой стороны, частичное повышение номинальной выходной мощности лазера, радиус кривизны исходной оптической поверхности, по крайней мере, одного деформируемого зеркала или всех деформируемых зеркал R_ДЗисх.i, 1≤i≤N, где N - количество деформируемых зеркал в лазере, выбирают из соотношения

условные обозначения в формуле были приведены выше. Суть приведенного соотношения заключается в том, что исходную оптическую поверхность i-го деформируемого зеркала формируют с учетом поправки Δh_вак.i на деформацию отражающей поверхности этого зеркала при его установке вакуумно-плотно в откаченный лазерный резонатор. Величина Δh_вак.i, i=1,... N, определяется предварительно либо расчетным, либо экспериментальным путем. Помимо данных поправок при формировании исходной формы могут также учитываться поправки, приводящие к симметричному расположению (или наоборот к смещению) диапазона управления резонатором за счет i-го деформируемого зеркала относительно рабочего диапазона управляющих воздействий этого зеркала.

Для достижения указанного технического результата в устройстве для осуществления способа (управляемом лазерном резонаторе), содержащем деформируемое зеркало, соединенное с электронным блоком управления, по крайней мере, еще одно зеркало лазера выполнено с возможностью деформирования отражающей поверхности или все зеркала лазера выполнены с возможностью деформирования отражающей поверхности за счет электрических воздействий, формируемых блоком управления, который сопряжен с компьютером, или/и с генератором электрических сигналов, или/и с одноканальным или многоканальным датчиком/приемником.

Увеличение диапазона управления выходной мощностью лазерного излучения, включая, с одной стороны, полное гашение генерации и, с другой стороны, частичное повышение номинальной выходной мощности лазера в предлагаемом устройстве достигается за счет того, что, по крайней мере, еще одно зеркало лазера выполнено с возможностью деформирования отражающей поверхности или все зеркала лазера выполнены с возможностью деформирования отражающей поверхности за счет электрических воздействий, формируемых блоком управления, который сопряжен с компьютером или/и с одноканальным или многоканальным датчиком/приемником. Детальное обоснование данных преимуществ было выполнено при рассмотрении способа управления лазерным резонатором (см. выше).

Импульсно-периодический режим генерации в непрерывном лазере, в том числе получение импульсов лазерного излучения с амплитудой, превышающей среднюю мощность лазера в непрерывном режиме, обеспечивается в предлагаемом устройстве за счет того, что блок управления сопряжен с компьютером или/и с генератором электрических сигналов. Действительно, если указанный отличительный признак предлагаемого устройства выполнен, то управляющие воздействия, по крайней мере, двумя деформируемыми зеркалами или всеми деформируемыми зеркалами лазерного резонатора могут быть сформированы в виде последовательностей импульсов, которые синхронизированы относительно друг друга с постоянным или изменяющимся сдвигом фазы. Тем самым указанный отличительный признак предлагаемого устройства переходит в отличительный признак предлагаемого способа, а данные преимущества последнего были детально разъяснены при их рассмотрении выше.

Другим отличием предлагаемого устройства является то, что с целью увеличения диапазона управления выходной мощностью лазерного излучения, включая, с одной стороны, полное гашение генерации и, с другой стороны, частичное повышение номинальной выходной мощности лазера, радиус кривизны исходной оптической поверхности, по крайней мере, одного деформируемого зеркала или всех деформируемых зеркал R_ДЗисх.i 1≤i≤N, где N - количество деформируемых зеркал в лазере, может удовлетворять соотношению

Детальное обоснование данного преимущества было приведено выше при рассмотрении способа управления лазерным резонатором.

Сущность способа управления лазерным резонатором и устройства для его осуществления поясняется чертежами.

На фиг.1 схематично показано устройство многозеркального управляемого лазерного резонатора с несколькими деформируемыми зеркалами. На фиг.2 показано устройство кольцевого управляемого резонатора с деформируемыми зеркалами. На фиг.3 показан неустойчивый управляемый резонатор с деформируемыми зеркалами.

Управляемый лазерный резонатор включает в себя (фиг.1-3) корпус 1, закрепленные в корпусе 1 деформируемые зеркала 2 и частично прозрачное выходное зеркало 3, блок управления 4, генератор электрических сигналов 5, компьютер 6 и одноканальный или многоканальный датчик/приемник 7. В зависимости от оптической схемы деформируемые зеркала 2 установлены в резонатор в качестве концевого зеркала (фиг.1), поворотных зеркал (фиг.1-2), рефлектора и контррефлектора (фиг.3). На фиг.1-3 большими стрелками показан оптический пучок, выходящий из управляемого резонатора; сплошными линиями со стрелками показаны направления прохождения электрических сигналов между электронными устройствами; пунктирной линией со стрелкой показано возможное, но необязательное соединение датчика 7 и компьютера 6.

Работа управляемого лазерного резонатора поясняется функционированием входящих в него устройств. Пусть конструкция резонатора не предполагает вакуумно-плотной установки резонаторной оптики (на фиг.1-3 не показано) и пусть исходная оптическая форма (кривизна) каждого деформируемого зеркала 2 (фиг.1-3) соответствует кривизне штатного зеркала лазера, вместо которого устанавливается деформируемое зеркало. Тогда при установке деформируемых зеркал 2 в резонатор (в соответствии с оптической схемой последнего, см. фиг.1-3) его геометрия будет полностью соответствовать штатной. При действии накачки, следовательно, в активной среде лазера (на фиг.1-3 не показана) возникнет генерация оптического излучения 8, выходная мощность которого также соответствует штатной мощности лазера. Отметим при этом, что управляющие воздействия на деформируемых зеркалах отсутствуют (равны нулю).

Пусть теперь в некоторый момент времени от управляющего компьютера 6, см. фиг.1-3, на блок управления 4 поступает команда установить новое значение управляющих воздействий I_k для всех k=1,..., N. Блок 4 выполнит данную команду и тем самым управляющие воздействия на деформируемых зеркалах 2 будут равны I_k, k=1,..., N, при этом отражающая поверхность каждого зеркала 2 деформируется, т.е. изменяется его кривизна. Это, в свою очередь, приводит к изменению оптической геометрии (конфигурации) резонатора и, следовательно, к изменению выходной мощности лазера. Таким образом, при изменении управляющих воздействий на деформируемых зеркалах 2 изменяется I_k, k=1,..., N, на деформируемых зеркалах 2 изменяется мощность выходного излучения лазера. При полной разъюстировке резонатора (при некотором наборе управляющих воздействий на деформируемых зеркалах 2 генерация излучения 8 в лазере прекратится и выходная мощность упадет до нуля. С другой стороны, при оптимальной юстировке резонатора (при некотором наборе управляющих воздействий на деформируемых зеркалах 2 выходная мощность лазера достигнет своего максимума. Причем в соответствии с приведенным выше рассмотрением максимальная мощность излучения лазера с управляемым резонатором может превышать номинальную выходную мощность при штатных зеркалах. В том случае, когда деформируемые зеркала устанавливаются в лазер дополнительно (например, на стадии разработки), его работа происходит аналогичным образом.

К сказанному необходимо добавить, что блок управления 4 (фиг.1-3) может формировать нужные управляющие воздействия _k, k=1,..., N, на деформируемых зеркалах 2 по сигналу одноканального или многоканального датчика/приемника 7. Причем указанные устройства 4 и 7 могут быть связаны как непосредственно (сплошная стрелка на фиг. 1-3), так и через управляющий компьютер 6 (пунктирная стрелка). Деформируемые зеркала 2 могут управляться как общими блоками управления 4 (см. фиг.1-3), так и отдельными блоками управления для каждого зеркала или группы зеркал (на фиг.1-3 этот вариант не показан). В последнем случае одни блоки управления 4 могут быть сопряжены с компьютером 6, другие - с датчиком/приемником 7.

Таким образом, на основании вышеизложенного можно утверждать, что предлагаемый управляемый лазерный резонатор обеспечивает эффективное управление выходной мощностью лазерного излучения. При этом в соответствии с приведенным выше рассмотрением за счет сочетания указанных отличительных признаков - а именно, что, по крайней мере, еще одно зеркало лазера выполнено с возможностью деформирования отражающей поверхности или все зеркала лазера выполнены с возможностью деформирования отражающей поверхности за счет электрических воздействий, формируемых блоком управления, который сопряжен с компьютером или/и с одноканальным или многоканальным датчиком/приемником, - описанное техническое решение обеспечивает гарантированное существенное увеличение диапазона управления выходной мощностью лазерного излучения, включая, с одной стороны, полное гашение генерации и, с другой стороны, частичное повышение номинальной выходной мощности лазера.

С целью получения импульсно-периодического режима генерации в непрерывном лазере, в том числе импульсов лазерного излучения с амплитудой, превышающей среднюю мощность лазера в непрерывном режиме, в предлагаемом управляемом лазерном резонаторе на блок управления 4 (фиг.1-3) подаются периодические команды от управляющего компьютера 6, так что управляющие воздействия I_k, k=1,..., N, на деформируемых зеркалах 2 представляют собой последовательности импульсов, которые синхронизированы относительно друг друга с постоянным или изменяющимся сдвигом фазы. Из вышеизложенного понятно, что в моменты времени, когда управляющие воздействия на деформируемых зеркалах 2 есть , k=1..., N, мощность выходного излучения лазера будет равна нулю. При отличии управляющих воздействий I_k, k=1,..., N, от набора (в сторону для любого I_k) выходная мощность лазера будет соответствовать некоторому заданному уровню. При этом, как отмечалось ранее, в начальный момент каждого импульса излучения происходит выброс мощности, что и обеспечивает получение импульсов лазерного излучения с амплитудой, превышающей среднюю мощность лазера в непрерывном режиме.

Можно добавить, что управляющие воздействия на деформируемых зеркалах 2 могут формироваться не только по командам компьютера 6, но и путем усиления сигналов от генератора 5 (фиг.1-3). Деформируемые зеркала 2 могут управляться как общими блоками управления 4 (см. фиг.1-3), так и отдельными блоками управления для каждого зеркала или группы зеркал (на фиг.1-3 этот вариант не показан). В последнем случае одни блоки управления 4 могут быть сопряжены с компьютером 6, другие - с генератором электрических сигналов 5.

Таким образом, за счет сочетания указанных отличительных признаков, а именно, что блок управления сопряжен с компьютером или/и с генератором электрических сигналов, в предлагаемом устройстве будет происходить импульсно-периодическая генерация излучения, в том числе импульсов лазерного излучения с амплитудой, превышающей среднюю мощность лазера в непрерывном режиме, т.е. будет достигнут указанный выше технический результат.

Необходимо отметить, что в соответствии с предлагаемым способом управления лазером (п.2 формулы изобретения) импульсные управляющие воздействия на деформируемых зеркалах 2 (фиг.1-3) могут формироваться различным образом, в частности с различным фазовым сдвигом относительно друг друга. За счет этого возможно повышение частоты импульсно-периодического излучения на выходе лазера, а также управление скважностью, длительностью и формой импульсов выходного излучения. Работа предлагаемого устройства в этих случаях соответствует приведенному выше описанию.

Когда конструкция резонатора предполагает вакуумно-плотную установку резонаторной оптики, то отражающие поверхности деформируемых зеркал 2 выполняются с учетом поправок Δh_вак.i, см. с.10. Оптимальный радиус кривизны исходной отражающей поверхности деформируемого зеркала R_ДЗисх.i с учетом данной поправки может быть вычислен по следующей формуле:

условные обозначения в формуле были приведены ранее. В конечном итоге, указанные поправки приводят к увеличению диапазона управления выходной мощностью излучения в предлагаемом устройстве. Кроме того, за счет них могут быть снижены требования к блокам управления 4 по величине выходного сигнала. Работа управляемого лазера в данном случае аналогична ранее описанной.

Уместно сделать следующие замечания относительно предлагаемого способа управления лазерным резонатором и устройства на его основе.

1. При одновременной замене нескольких зеркал лазера деформируемыми зеркалами, как показано на фиг.1-3, появляется дополнительная полезная возможность: снижение требований к блокам управления 4 по величине выходного сигнала. При этом не имеет значения, какие деформируемые зеркала используются: однотипные или различные, например пьезоэлектрические и гидравлические.

2. Использование нескольких деформируемых зеркал в лазерах с неустойчивыми резонаторами (фиг.3) помимо отмеченных возможностей имеет следующие достоинства:

- отсутствие побочного астигматизма, так как зеркала в неустойчивом резонаторе расположены нормально к оптическому пучку;

- возможность эффективной фазовой коррекции оптического излучения, поскольку, как правило, в неустойчивом резонаторе генерируется широкий оптический пучок.

3. Устройство на основе предлагаемого способа управления лазером может представлять собой не только лазер, но и, например, оптический объектив. Это становиться понятным, если учесть, что оптические схемы, например, двухзеркального неустойчивого резонатора (фиг.3) и двухзеркального объектива весьма сходны.

4. Используемые в данном способе и устройстве деформируемые зеркала могут быть как одно-, так и многоканальными. Последние могут использоваться в резонаторе для решения традиционных задач адаптивной оптики (компенсация искажений в реальном времени и т.д.).

Одним из практических вариантов использования данного изобретения является расширение диапазона обрабатываемых материалов в лазерных технологических комплексах, повышение качества и производительности лазерной обработки.

Формула изобретения

1. Способ управления лазерным резонатором, по которому в качестве его зеркала используют деформируемое зеркало, формой отражающей поверхности которого управляют с помощью электрического сигнала, формируемого электронным блоком управления, отличающийся тем, что в качестве, по крайней мере, еще одного зеркала лазера используют деформируемое зеркало или в качестве всех зеркал лазера используют деформируемые зеркала, формой отражающей поверхности каждого деформируемого зеркала управляют с помощью электрических воздействий, формируемых блоком управления, который сопрягают с компьютером или/и с генератором электрических сигналов или/и с одноканальным или многоканальным датчиком/приемником, радиус кривизны исходной оптической поверхности, по крайней мере, одного деформируемого зеркала или всех деформируемых зеркал R_дзисх.i, 1≤i≤N, где N - количество деформируемых зеркал в лазере, выбирают из соотношения

где D_ДЗi - световой диаметр i-го деформируемого зеркала;

R_иcx.i - радиус кривизны i-го заменяемого зеркала;

Δh_вак.i - деформация (изменение стрелки прогиба) i-го деформируемого зеркала при его установке вакуумно плотно в откаченный лазерный резонатор.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что управляющие воздействия, по крайней мере, двумя деформируемыми зеркалами или всеми деформируемыми зеркалами лазера формируют в виде последовательностей импульсов, которые синхронизированы друг относительно друга с постоянным или изменяющимся сдвигом фазы.

3. Управляемый лазерный резонатор, содержащий деформируемое зеркало, соединенное с электронным блоком управления, отличающийся тем, что, по крайней мере, еще одно зеркало лазера выполнено с возможностью деформирования отражающей поверхности или все зеркала лазера выполнены с возможностью деформирования отражающей поверхности за счет электрических воздействий, формируемых блоком управления, который сопряжен с компьютером или/и с генератором электрических сигналов или/и с одноканальным или многоканальным датчиком/приемником, радиус кривизны исходной оптической поверхности, по крайней мере, одного деформируемого зеркала или всех деформируемых зеркал R_ДЗисх.i, 1≤i≤N, где N - количество деформируемых зеркал в лазере, удовлетворяет соотношению

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3