ВОЛНОВОДНЫЙ ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 1994 года по МПК H01S3/977 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано для создания волноводных молекулярных СО₂-лазеров.

Известен лазер с высокочастотной накачкой, у которого электроды, охватывающие разрядный капилляр, образуют двухпроводниковую линию [1]. Короткозамкнутые на одном конце электроды представляют четвертьволновый колебательный контур с рабочей частотой 120 мГц. Который подключается к источнику мощности. При этом установлено, что высокочастотное возбуждение газовой среды позволило снять в этом устройстве ряд физических ограничений, связанных с большими потерями энергии на создание тлеющего разряда. Однако применяемая частота еще недостаточно велика, так как при увеличении частоты накачки до 200-900 мГц существенно уменьшается мощность накачки, а также уменьшается уровень флуктуаций лазерного излучения.

Наиболее близким по сущности техническим решением является газовый лазер [2] . В нем лазерная трубка, представляющая собой кварцевый капилляр, расположена вдоль оси прямоугольного волновода. Электpоды для возбуждения разряда постоянного тока находились вне волновода. Наложение СВЧ-полей в диапазоне 2-5 ГГц (сечение волновода 72х10 мм) позволило увеличить мощность, генерируемую лазером, более чем в два раза.

Однако газоразрядная трубка внутри волновода является плохо согласуемым с СВЧ-волной объектом, вдоль трубки устанавливается стоячая волна, нарушается модальный состав поля в волноводе, волновод трудно согласуем с источником СВЧ-энергии, эти факторы приводят к неэффективности возбуждения активного элемента.

Целью изобретения является повышение эффективности возбуждения газового волновода лазера при снижении флуктуации лазерного излучения.

Это достигается тем, что в волноводный газовый лазер, содержащий волноводную систему с расположенной в ней газонаполнительной трубкой и источник возбуждения введен прямоугольный волновод связи. Волноведущая система выполнена в виде двух параллельных идентичных волноводов, газонаполненная трубка установлена в отрезке прямоугольного волновода связи, соединяющем два параллельных идентичных волновода так, что широкие стенки волновода связи перпендикулярны широким стенкам идентичных волноводов и выступают за пределы их смежных поверхностей, в боковых стенках волновода связи выполнены сквозные отверстия, а длина волновода связи удовлетворяет соотношению λ_вш/4≥l_ш, где λ_вш - длина волны основного типа колебаний в волноводе, l_ш - длина волновода связи. Кроме того, широкие стенки волновода связи расположены в плоскостях, перпендикулярных продольным осям соединяемых волноводов.

На чертеже изображено предложенное устройство, общий вид.

Идентичные волноводы 1,2 расположены параллельно один над другим. Между ними перпендикулярно размещен запредельный волноводный шлейф 3, узкие стенки которого совмещены с широкими стенками волноводов 1,2. Внутри волноводного шлейфа 3 в пространстве между волноводами 1,2 размещена газонаполненная трубка.

Устройство работает следующим образом.

Разрядная трубка 4 с соответствующим газовым наполнением, расположенная поперек отрезка прямоугольного волновода, возбуждается электромагнитной энергией СВЧ-поля, распространяющейся по волноводу 1. Длина волновода l_ш близка к четверти длины волны основных типа СВЧ-колебаний в данном волноводе. Размер широкой стенки волновода связи а_ш больше размера широкой стенки соединенных волноводов а. Боковые стенки у волновода связи отсутствуют. Так как участки прямоугольного волновода связи, выходящие за пределы широких стенок связываемых волноводов, можно в данном случае рассматривать как отрезки предельных волноводов, то излучения энергии СВЧ-колебаний через отсутствующие боковые стенки не будет. Эти разомкнутые на конце отрезки предельных волноводов используются для вывода мощности генерации лазера.

Волновод связи, в котором расположен разрядный капилляр, возбуждается за счет поперечной компоненты магнитного поля волны, распространяющейся в одном из связываемых волноводов. При этом обеспечивается возможность подачи мощности на газонаполненную трубку как при одностороннем падении мощности со стороны волновода 1, так и при двустороннем возбуждении со стороны волновода 1 и 2. Если энергия источника СВЧ-колебаний поступает в оба связанных волновода, то, изменяя фазу колебаний в одном из волноводов, можно регулировать величину СВЧ-поля в месте расположения газового капилляра. Длина разрядного капилляра несколько больше широкой стенки соединенных волноводов а, но меньше размера широкой стенки волновода связи аш. В случае дополнительного возбуждения разряда постоянным током, на который накладывается СВЧ-поле, электроды находятся в отрезках предельных волноводов.

Отрезки открытых на конце предельных волноводов - это участки волновода связи, сечение которых l_ш х b_ш и длина . Подобная конструкция предусматривает включение многих газоразрядных трубок, которые подбором соответствующих фаз электромагнитных волн в волноводах 1 и 2, допускают создание многоэлементного лазера. Подбор формы дуги, по которой могут быть изогнуты питающиеся волноводы, обеспечит фокусировку излучения отдельных элементов.

Таким образом, отличительной особенностью предлагаемой конструкции газового лазера является расположение разрядного капилляра поперек волновода связи, у которого отсутствуют боковые стенки. Это обеспечивает более равномерное распределение СВЧ-поля вдоль разрядного капилляра, возможность хорошего согласования газоразрядной трубки с волноводом и самого волновода с генератором, а также создание многоэлементного лазера с суммированием мощности отдельных элементов. Эти особенности приводят к увеличению эффективности возбуждения активного элемента.

Использование: в квантовой электронике для создания волноводных молекулярных CO₂ -лазеров. Сущность изобретения: в волноводном газовом лазере, содержащем волноводную систему с расположенной в ней газонаполненной трубкой и источник возбуждения, волноведущая система выполнена в виде двух параллельных идентичных волноводов, перпендикулярно которым между ними установлен прямоугольный волновод связи с открытыми концами, узкие стенки шлейфа совмещены с широкими стенками параллельных волноводов, а газонаполненная трубка размещена внутри шлейфа в пространстве между волноводами. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. ВОЛНОВОДНЫЙ ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР, содержащий газонаполненную трубку, расположенную в волноведущей системе, и источник возбуждения с подводящими электродами, отличающийся тем, что в него введен прямоугольный волновод связи, волноведущая система выполнена в виде двух параллельных идентичных волноводов, газонаполненная трубка установлена в отрезке прямоугольного волновода связи, соединяющем два параллельных идентичных волновода так, что широкие стенки волновода связи перпендикулярны к широким стенкам идентичных волноводов и выступают за пределы их смежных поверхностей, в боковых стенках волновода связи выполнены сквозные отверстия, а длина волновода связи удовлетворяет соотношению
≥ l_т,
где λ_вт - длина волны основного типа колебаний в волноводе;
l_m - длина волновода связи. 2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что широкие стенки волновода связи расположены в плоскостях, перпендикулярных к продольным осям соединяемых волноводов.