ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 1994 года по МПК H01S3/08 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании и разработке газовых лазеров субмиллиметрового диапазона длин волн.

При разработке лазеров, как и любых других источников излучения, основным стремлением разработчиков является получение максимально возможной мощности излучения. Как правило, повышения выходной мощности добиваются путем оптимизации динамических характеристик лазера. Изменение динамических параметров лазера в свою очередь требует изменения оптимальной связи лазера с внешней средой. В газовых лазерах вывод лазерного излучения, как правило, производится при помощи различных полупрозрачных зеркал. Известные способы регулирования связи либо требуют применения сложных высокоточных механизмов с прецизионной настройкой, либо связаны с внесением дополнительных потерь и искажением картины поля в резонаторе, например, путем внесения в объем резонатора делительной пленки. В лазерах субмиллиметрового диапазона зачастую применяют квазиоптические способы регулировки связи.

Одно из известных устройств представляет собой лазерный резонатор, образованный металлическим зеркалом и двумя смежными параллельно расположенными двумерными сетками [1]. В этом лазере изменение связи производится путем плоскопараллельного перемещения одной из сеток. Поскольку это перемещение производится в пределах полуволны лазерного излучения, то такое устройство требует высокой точности изготовления, прецизионной настройки в процессе работы, что становится трудновыполнимым с укорочением длины волны. Кроме того, одноразовое взаимодействие внутрилазерного излучения с активной средой приводит к неэффективному использованию активной среды, что в свою очередь вызывает снижение выходной лазерной мощности.

Ближайшим по назначению и технической сущности (прототипом) к изобретению является лазер, в котором для повышения мощности лазерного излучения при обеспечении оптимальной связи используется лазерный резонатор, образованный анизотропным зеркалом в виде одномерной проволочной решетки и полуволновым фазовым элементом, выполненным в виде 90^о-ного двугранного уголкового зеркала [2].

Повышения мощности в этом устройстве добиваются тем, что указанные зеркала устанавливаются с определенным азимутом друг относительно друга. Причем этот угол зависит от параметров электродинамической системы и его можно устанавливать путем поворота вокруг оси одного из отражателей.

Недостатком этого лазера является низкая эффективность использования активной среды из-за одноразового взаимодействия внутрилазерного излучения с активной средой, что также приводит к снижению мощности лазерного излучения.

Целью изобретения является повышение выходной мощности.

Цель достигается тем, что в газовом лазере, содержащем активную среду, размещенную в оптическом резонаторе, включающем анизотропное зеркало и полуволновый фазовый элемент, введено дополнительное анизотропное зеркало. Это дополнительное зеркало установлено между активной средой и основным зеркалом на расстоянии n от него, где n=1, 2, 3 ..., λ - длина волны излучения, при этом азимут между дополнительным зеркалом и полуволновым фазовым элементом составляет 45^о, азимут α_o между анизотропным зеркалом определяется соотношением:
α_o = 90^°± arcsin ,
(1) где g_о - коэффициент усиления активной среды;
L - длина активной среды;
а - общие потери резонатора.

Цель изобретения - повышение эффективности использования активной среды.

Цель достигается тем, что внутрилазерное излучение за один проход между зеркалами резонатора дважды взаимодействует с одной и той же активной средой, что аналогично удлинению последней в два раза. Кроме того, предложенное устройство позволяет реализовать оптимальную связь в таком лазере.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.

Предлагаемый лазер содержит активную среду 1, оптический резонатор, состоящий из анизотропных зеркал в виде одномерных проволочных решеток 2 и 3 и полуволнового фазового элемента, выполненного в виде 90^о-ного двугранного уголкового зеркала 4. При этом зеркала 2, 3 установлены на расстоянии n друг от друга. Азимут между зеркалом 2 и полуволновым фазовым элементом равен 45^о, азимут между зеркалом 3 и полуволновым фазовым элементом определяется соотношением (1).

Устройство работает следующим образом.

В установившемся режиме излучение отражается от решетки 3 и проходит через решетку 2 с поляризацией, ортогональной проволокам решетки 2. Далее это излучение проходит через активную среду 1, усиливается и попадает на 90^о-ное двугранное зеркало 4. Направление вектора поляризации этого излучения составляет угол 45^о по отношению к ребру двугранного зеркала 4. Зеркало 4 обладает тем свойством, что от него излучение будет поляризовано под углом 90^о по отношению к падающему на двугранное зеркало 4. Отраженное от зеркала 4 излучение проходит через активную среду 1, усиливается и падает на решетку 2. Направление вектора поляризации этого излучения параллельно проволокам решетки 2. Параметры решетки 2 такие, что для излучения с поляризацией, параллельной проволокам решетки 2, она является отражающей. Отраженное излучение от проволочной решетки 2 проходит через активную среду 1, усиливается и попадает на 90^о-ное двугранное зеркало 4. Направление вектора поляризации этого излучения составляет угол 45^о по отношению к ребру двугранного зеркала 4. Отраженное излучение проходит через активную среду 1, усиливается, свободно проходит через решетку 2 (так как направление вектора поляризации этого излучения ортогонально проволокам решетки 2) и попадает на решетку 3. Вектор поляризации этого излучения будет составлять угол α с направлением проволок решетки 3. На решетке 3 происходит расщепление излучения на две составляющие, одна из которых, пропорциональная sin² α от общей падающей на решетку 3 мощности, проходит через решетку 3 с вектором поляризации, ортогональным проволокам решетки 3. Другая часть мощности излучения с вектором поляризации, параллельным проволокам решетки 3, отражается от нее и пропорциональна 1-sin² α. Отраженная от решетки 3 часть излучения падает на решетку 2. Направление вектора поляризации этого излучения будет составлять угол α с направлением проволок решетки 2. На решетке 2 опять происходит расщепление, такое же, как и на решетке 3, только теперь от решетки 2 в сторону решетки 3 отражается часть мощности излучения, пропорциональная (1-sin²)sin² α . Это излучение складывается в фазе с излучением, прошедшим ранее через решетку 3, и является выходным лазерным излучением. Таким образом, выходное излучение пропорционально sin²+(1-sin²)sin² α . Это выражение является коэффициентом связи лазера с внешней средой. Первоначальное излучение, отраженное от решетки 3, четыре раза прошло через активную среду 1. В обычном резонаторе при аналогичном рассмотрении излучение дважды проходит через активную среду. При этом оптимальное значение угла определяется путем сравнения полученного выражения (2sin² α -sin⁴ α ) и выражения для оптимального коэффициента связи α_опт=[(g_o2La)^1/2-a ] через динамические параметры лазера. Последнее выражение учитывает двойной проход через активную среду:
2sin² α -sin⁴ α =(2g_oLa)^1/2-a
Решая это уравнение относительно sinα и отбрасывая мнимые решения, получим:
sinα = ±
α = arcsin , а оптимальный угол между направлением проволок решеток будет составлять 1.

Использование данного изобретения позволяет повысить мощность излучения данной длины лазера примерно в два раза, сохранить мощность излучения при существенном уменьшении габаритов лазера, позволяет повысить КПД за счет увеличения эффективности использования активной среды.

Использование: изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании газовых лазеров субмиллиметрового диапозона длин волн. Сущность изобретения: устройство содержит активную среду, размещенную в оптическом резонаторе, образованном основным анизотропным зеркалом и полуволновым фазовым элементом, выполненным в виде 90-градусного двугранного отражателя. Между основным анизотропным зеркалом и активной средой расположено дополнительное анизотропное зеркало. Анизотропные зеркала установлены на расстоянии n(λ/2) друг от друга, где n = 1, 2, 3 ... ; λ - длина волны излучения, при этом азимут между ними определяется соотношением приведенным в описании. Азимут между дополнительным анизотропным зеркалом и полуволновым фазовым элементом равен 45°. 1 ил.

ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР, содержащий активную среду, размещенную в оптическом резонаторе, включающем полуволновой фазовый элемент и полупрозрачное анизотропное зеркало, отличающийся тем, что, с целью повышения выходной мощности, в лазер введено второе дополнительное анизотропное зеркало, установленное между активной средой и основным зеркалом на расстоянии n от него, где n = 1,2,3 ... , λ - длина волны излучения, при этом азимут между дополнительным зеркалом и полуволновым фазовым элементом составляет 45^o, а азимут α_o между анизотропными зеркалами определяется соотношением
α_o = 90^°± arcsin ,
где g_о - коэффициент усиления активной среды;
L -длина активной среды;
a - общие потери резонатора.