Несущие конструкции лазеров

В зависимости от требований, предъявляемых к лазерам, их несущие конструкции можно сгруппировать следующим образом:

1.Конструкции типа оптической скамьи.

2.Стержневые конструкции.

3.Моноблочные конструкции.

Основное назначение несущей конструкции – обеспечение стабильности оптических параметров лазера (угловая стабильность расположения отражателей, стабильность длины оптического пути лазерного излучения).

Основные требования: высокая термостабильность, виброустойчивость, механическая прочность, жесткость, технологичность и экономичность, малые габариты, вес.

4.12.1.1 Несущая конструкция типа оптической скамьи (Рис.4.29)была исторически первой, применяемой в лазерной технике. В дальнейшем она стала широко использоваться для ТТЛ. В такой конструкции узел активной среды и узел юстировки монтируются на рейтерах– столиках, которые укрепляются на оптической скамье или другом достаточно жестком и компактном одномерном основании. Это основание может иметь как замкнутый (прямоугольный,

Рисунок 4.29 – Оптическая скамья.

1 — блок активной среды; 2 — узел юстировки; 3 — несущая конструкция.

треугольный, квадратный, реже трубчатый), так и незамкнутый (П-образный, швеллер, тавр или двутавр) профиль.

Достоинством такой конструкции является: универсальность, простота замены узлов, легкий доступ по всем элементам схемы.

Недостатки: большие габариты и вес, склонность к термическим и механическим разъюстировкам.

4.12.1.2 Стержневая конструкция(Рис.4.30) в настоящее время является наиболее распространенной. Высокая жесткость конструкции из трех, четырех стержней достигается за счет равномерного расположения стержней вокруг оптической оси лазера и соединения их между собой, по крайней мере в трех, четырех сечениях: на концах стержней узлами юстировки 2, а в средней части узлами крепления активной среды 1.

Рисунок 4.30 – Стержневая конструкция.

1 - сечения узлов юстировки; 2 -сечения крепления активной среды;

3 - стержни.

Для уменьшения термической разъюстировки О.Р. стержни несущей конструкции изготавливают из специального железо-никелиевого сплава – инвара, который имеет низший ТКЛР ( ). Там, где требования к частотной стабильности лазера несколько ниже, можно применять материалы, которые приспосабливаются к температурным изменениям медленно и равномерно, так, что угловая юстировка зеркал не меняется. Для этой цели пригодны уголковые алюминиевые, силуминовые или дюралевые конструкции. Такая конструкция благодаря своей массивности медленно реагирует на термические возмущения. Хорошая теплопроводность этих материалов обеспечивает равномерный нагрев всей конструкции, тем самым уменьшая угловую разъюстировку ОР и, как следствие, повышая частотную стабильность лазера. Разновидностью стержневой конструкции можно считать несущий трубчатый корпус из инвара с вентиляционными отверстиями.

Достоинства: простота изготовления, компактность, малый вес, доступность к узлам и деталям.

К недостаткам следует отнести – более низкую ремонтопригодность,чем в первом случае.

ОР, как правило, помещают в кожухи из хорошо проводящих тепло материалов, которые выполняют роль пыле-, влаго- и тепловых экранов, обеспечивающих равномерный нагрев деталей.

4.12.1.3Вмоноблочной конструкции лазера используется несущий корпус из стеклянного материала, который имеет соответствующие сверления для размещения активной среды и оптически обработанные торцы для посадки отражателей ОР. К торцам крепятся отражатели резонатора. Как правило, это тонкие пленки, нанесенные на кварцевую подложку. После сборки такой блок

Рисунок 4.31 – Моноблочная конструкция.

1 - блок активной среды; 2 - отражатели; 3 - несущий корпус.

вакуумируют и подвергают термотренировке.Для исключения термической разъюстировки в качестве материала корпуса используют кварц, или чаще ситалл с нулевым ТКЛР. Такая конструкция может длительно работать в любых климатических условиях при сильных вибрациях тепловых и ударных нагрузках. Широкому распространению моноблочных конструкций препятствует их высокая стоимость. Последнее связано с необходимостью высокоточной оптической обработки посадочных поверхностей и одноразовостью использования, так как замена активной среды по окончании срока службы затруднительна.

Узлы юстировки

Узлы юстировки отражателей и других оптических элементов, которые точно устанавливаются под определенным углом к оптической оси резонатора, должны обеспечивать простую и быструю юстировку оптической системы лазера и неизменность положения юстировочных элементов при эксплуатации. В зависимости от геометрии резонатора (длина , радиусы кривизны сферических зеркал и светового диаметра ) требования к точности юстировки колеблются от долей угловых секунд до десятков минут. Наиболее жесткие требования к точности юстировки предъявляют плоскпараллельные и неустойчивые телескопические резонаторы. Большинство известных конструкций юстировочных узлов могут быть объединены в три группы:

1.Узлы юстировки в кардановом подвесе.

2. Узлы с юстировочно-крепежными винтами.

3. Узлы юстировки со сферическим подшипником.

4.12.2.1 Узлы юстировки с кардановым подвесом используются при наиболее высоких требованиях к точности юстировки, где уменьшение шага винта - достигается за счет использования дифференциальных винтов, у которых суммарный шаг определяется разностью шагов левой и правой винтовых пар, вращающихся одновременно в одном направлении; использование клиновой пары между юстировочным винтом и рамкой (такая пара может выполняться в виде кольцевых клиньев). Для уменьшения мертвого хода и повышения стабильности юстировочного узла в нем всегда обеспечивается силовое замыкание юстирующих элементов – рамка прижимается к наконечнику юстировочного винта пружиной. Для повышения точности юстировки необходимо выдержать перпендикулярность осей. В качестве опор вращения чаще всего используют подшипники скольжения, а в некоторых случаях пружинный торсионный подвес. В лазерах с частой подъюстировкой используются электромагнитный привод или другие микроприводы.

можно рассматривать как упрощенную и значительно более дешевую конструкцию узла юстировки с кардановым подвесом применительно к трехстержневой несущей конструкции малогабаритных лазеров. В этой конструкции корпус 1 зеркала 2 является одновременно основной деталью юстировочного узла. Кольцевая шайба 3 перемещается при повороте винта с эксцентриком 5. Винт 4 служит для точной подъюстировки за счет прогиба пружины 3. Основным недостатком такого узла юстировки является то, что юстировку приходится выполнять не в прямоугольных координатах, а по трем направлениям через . После некоторой практики это почти не заметно.