ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР С ПЕРЕСТРАИВАЕМЫМ СПЕКТРОМ ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК H01S3/104 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано, например, при создании лазерных систем для спектрального анализа газов в химической промышленности, а также в экологических целях.

Известны газовые лазеры, в которых перестройка спектра излучения осуществляется введением в резонатор дисперсионного элемента дифракционной решетки, которая последовательно юстируется для различных длин волн [1]
Использование известных лазеров ограничено тем, что перестройка спектра в них возможна только в единственной монотонной последовательности. При этом возникает потребность в прецизионном механизме вращения решетки с высокой степенью стабилизации в каждом положении, что при сколь-либо значительных скоростях представляется довольно сложной технической задачей.

Известен также перестраиваемый по спектру газовый лазер, в котором монохроматическое излучение разных длин волн пространственно разделяется внутри резонатора, состоящего из дифракционной решетки (ешелетта), включенной неавтоколлимационно, и трех зеркал, два из которых установлены в плоскости дисперсии эшелетта, причем между этой парой зеркал введен диск с прорезями. Диск, осуществляющий пространственную фильтрацию, насажен на ось двигателя. При этом скорость вращения диска определяет скорость переключения спектра, местоположение отверстий на диске фиксирует выделяемую длину волны, а протяженность отверстия по дуге длительность генерации [2]
Такому лазеру присущи низкие надежность и устойчивость работы, что определяется внесением внутрь оптической системы механизма вращения диска; сложность конструкции, а также трудность настройки и юстировки, причиной чего является громоздкость многоходовой оптической системы и критичность условий функционирования используемого оптического резонатора; наличие механических вращающихся узлов в системе оптического резонатора, что расширяет спектр излучения и ухудшает стабильность излучения каждой генерируемой линии. Кроме того, комбинация переключений спектра излучения задается однозначно расположением отверстий на диске и не может быть изменена в процессе работы лазера; скорость переключения спектра ограничена скоростью вращения двигателя.

Громоздкость, низкая надежность и неустойчивость в работе делают возможным использование известного лазера только в качестве лазерного спектрографа для лабораторных исследований.

Технической задачей изобретения является электронное управление спектром генерации, упрощение конструкции и повышение надежности лазера.

Указанная задача достигается тем, что в газовом лазере с перестраиваемым спектром излучения, содержащем активную среду, систему возбуждения активной среды, соединенную с источником возбуждения, оптический резонатор, включающий отражающую дифракционную решетку, сферическое, вогнутое и плоское выходное зеркала, устройство пространственной селекции линий спектра излучения, оптический резонатор выполнен двуплечной V-образной конфигурации, на концах которого размещены отражающая дифракционная решетка и плоское выходное зеркало, при этом дифракционная решетка установлена в фокальной плоскости сферического зеркала по автоколлимационной схеме, активная среда с системой возбуждения расположены между сферическим и плоским зеркалами, устройство пространственной селекции линий спектра излучения совмещено с системой возбуждения, образованной двумя плоскими секционированными высокочастотными электродами, расположенными параллельно напротив друг друга, секции которых выполнены в виде протяженных вдоль оптической оси резонатора проводящих дорожек, изолированных друг от друга и расположенных согласованно с траекториями оптических лучей каждой линии спектра.

Число и местоположение протяженных областей электродов определяется требуемым набором генерируемых линий. Ионизация и возбуждение активной среды вдоль одной из нескольких протяженных областей и последовательность их включения обеспечиваются коммутирующим устройством.

В предложенном лазере впервые обеспечивается электронное переключение спектра, упрощается оптический резонатор. Здесь в отличие от прототипа и аналогов обеспечивается любая требуемая последовательность переключения спектра. Скорость переключения при этом ограничивается лишь кинематическими процессами в лазере. Существенным образом конструкция лазера упрощается вследствие исключения привода (двигателя с вращающимся диском), вносимого в оптический резонатор лазера. Последнее обстоятельство устраняет механические вибрации, повышает надежность и устойчивость работы лазера, повышает стабильность частоты выходного излучения.

От известных технических решений предложенный лазер с переключением спектра отличается следующим. В зоне дисперсии между сферическим и плоским зеркалами резонатора введены плоскопараллельные электроды, образованные из нескольких протяженных токопроводящих областей. Протяженные токопроводящие области электродов совмещены с ходом монохроматических лучей в резонаторе. Используется оптический резонатор, образованный полностью отражающим сферическим зеркалом и размещенными в его фокальной плоскости дифракционной решеткой, установленной по автоколлимационной схеме, и плоским зеркалом, причем оси указанных элементов соотносятся особым образом. Введено коммутирующее устройство, которое посредством переключения плоскопроводящих дорожек управляет положением газового разряда в зоне дисперсии оптического резонатора. Селекция линий генератора осуществляется с помощью изменения пространственного расположения активной среды в оптическом резонаторе.

Новая совокупность существенных признаков придает объекту новые свойства, не совпадающие со свойствами известных технических решений, а именно реализуется внутрирезонаторное электронное переключение спектра излучения лазера; переключение может осуществляться в любой требуемой последовательности, включая одновременное излучение на нескольких линиях генерации в произвольных комбинациях; длительность оптических сигналов и интервалы между ними могут быть произвольными, при этом максимальная длительность сигналов не ограничена; конструкция лазера упрощается, становится менее громоздкой вследствие устранения из оптического резонатора подвижного диска и механизма его вращения, что определяет устранение механических вибраций, повышает надежность и устойчивость работы лазера, повышается стабильность выходных параметров, в частности частоты излучения, сужается спектр излучения; упрощается оптическая схема лазера с переключаемым спектром, снижается критичность ее настройки, упрощается юстировка; возрастает скорость переключения спектра, она определяется только кинетическими процессами в лазере. Изложенное определяет соответствие предложенного технического решения критериям "Существенные отличия" и "Новизна".

На чертеже показан лазер с переключением спектра, продольное сечение.

Лазер содержит высокочастотный генератор 1 накачки, подключенный посредством коммутирующего устройства 2 к протяженным токопроводящим областям 3 пары высокочастотных электродов 4. Оптический резонатор лазера образован полностью отражающим сферическим зеркалом 5 с радиусом кривизны R и установленными в его фокальной плоскости полупрозрачным зеркалом 6 и дифракционной решеткой 7, причем последняя установлена автоколлимационным образом. Оптическая схема и высокочастотные электроды помещены в герметичном объеме 8, заполненном рабочим газом. Дифракционная решетка 7 и выходное зеркало 6 разнесены на некотором расстоянии в фокальной плоскости сферического зеркала 5, при этом нормаль к поверхности сферического зеркала отклонена в направлении центра дифракционной решетки на угол
ϕ arctg ( h / R )
Протяженные токопроводящие области 3 электродов совмещаются с ходом монохроматических лучей в зоне дисперсии оптического резонатора между зеркалами 5 и 6, причем число и местоположение этих протяженных областей в конкретном случае определяется требуемым набором генерируемых линий лазерного излучения.

Лазер работает следующим образом.

При включении высокочастотного генератора 1 накачки коммутирующее устройство 2 подводит электромагнитную энергию к одной или нескольким токопроводящим протяженным областям 3. Вдоль этих областей в зазоре между высокочастотными электродами 4 возбуждается активная среда и образуется канал генерации индуцированного излучения. Оптическая волна после отражения от плоского зеркала 6 проходит, усиливаясь, через активную среду в канале генерации и попадает на сферическое зеркало 5. Поскольку зеркало 5 отклонено в направлении центра решетки, то после отражения от него оптическая волна падает на решетку 7. После отражения от дифракционной решетки излучение возвращается на зеркало 5 под тем же углом, что обеспечивается установкой решетки по автоколлимационной схеме в первом порядке дифракционного спектра. Вторично пройдя через канал генерации, оптическая волна вновь попадает на плоское зеркало 6, завершая таким образом полный обход оптического резонатора. Величина угла падения излучения на решетку 7 однозначно определяет длину волны λ_i на которой возникает генерация. Величина этого угла определяется из соотношения
sin λ_i λ_i /2Λ где Λ- период решетки.

Угол падения определяется пространственным положением канала генерации между зеркала 5 и 6. Таким образом, управляя положением канала генерации в зоне дисперсии оптического резонатора посредством коммутирующего устройства, изменяют и угол падения излучения на дифракционную решетку и, следовательно, длину волны, для которой выполняются условия генерации. Последовательность переключения линий, их число и длительность генерации на выбранной длине волны определяются требуемым законом изменения спектра выходного излучения лазера. При одновременном формировании нескольких каналов или при полном заполнении активной газоразрядной плазмой пространства между зеркалами 5 и 6 возникают условия для одновременной генерации нескольких длин волн или всего набора линий генерации, ограниченного геометрическими размерами резонатора и электродов.

Диапазон значений периода решетки Λ при которых обеспечивается работа в автоколлимационном режиме и имеется только нулевой и первый порядок дифракции, определяется известным соотношением
λ / 2 ≅ Λ ≅ 3 λ / 2
Вывод излучения может быть осуществлен через нулевой порядок решетки 7 или полупрозрачное покрытие на зеркале 6.

Для экспериментальной проверки предлагаемого технического решения был изготовлен экспериментальный образец СО₂-лазера с переключением спектра выходного излучения. Герметичный корпус из стали 12х18Н10Т выполнял одновременно функции несущей конструкции оптического резонатора и резервуара, заполненного смесью рабочих газов CO₂:N₂:He:Xe1:0,6:4:0,35 при давлении 15.18 мм рт.ст. Оптический резонатор был образован плоским Al-зеркалом, глухим сферическим зеркалом и дифракционной решеткой с периодом 100 мм^-1. Пара полных высокочастотных электродов имела ширину 25 мм и протяженность 300 м. На поверхности электродов, обращенной к активной среде, были нанесены медные полоски шириной 2,5 мм с зазором 0,5 мм. Переключение осуществлялось коммутирующим устройством с высоковольтным выходом на базе ТТЛ-логики и транзисторов КТ505Б. В ходе предварительных исследований было осуществлено переключение семи линий в области 10,4 мкм. Полученные результаты приведены в таблице.

Предлагаемое техническое решение впервые реализует внутрирезонаторное электронное переключение спектра излучения газового лазера, исключая механический и пьезоэлектрический приводы. Вследствие устранения механических систем упрощается и становится менее громоздкой конструкция лазера. При этом существенно расширяются возможности управления спектром излучения лазера. Переключение может осуществляться в любой последовательности, включая одновременное излучение на нескольких линиях в произвольных комбинациях. Длительность оптических сигналов и интервалов между ними, определяемых коммутирующим устройством, может быть произвольной и изменяться непосредственно в процессе работы лазера. Скорость переключения спектра ограничивается лишь кинетическими процессами в лазере. Повышается стабильность выходных параметров, в частности частоты излучения. Кроме того, устранение механических приводов из резонатора, а также упрощение оптической схемы и снижение критичности ее настройки естественным образом повышают надежность и устойчивость работы лазера, что делает реальным широкое использование лазеров с переключением спектра, в частности, в переносных и мобильных газоанализаторах, для контроля окружающей среды, а также химических производств.

Использование: в лазерных системах для спектрального анализа газов. Сущность изобретения: оптический резонатор газового лазера выполнен двухплечной V-образной конфигурации, на его концах размещены отражающая дифракционная решетка 7 и плоское выходное зеркало 6, при этом дифракционная решетка установлена в фокальной плоскости сферического зеркала 5 по автоколлимационной схеме, активная среда с системой возбуждения расположены между сферическим и плоским зеркалами, устройство пространственной селекции линий спектра излучения совмещено с системой возбуждения, образованной двумя плоскими секционированными высокочастотными электродами 4, расположенными параллельно напротив друг друга, секции которых выполнены в виде протяженных вдоль оптической оси резонатора проводящих дорожек, изолированных друг от друга и расположенных согласованно с траекториями оптических лучей каждой линии спектра. 1 табл., 1 ил.

ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР С ПЕРЕСТРАИВАЕМЫМ СПЕКТРОМ ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащий активную среду, систему возбуждения активной среды, соединенную с источником возбуждения, оптический резонатор, включающий отражающую дифракционную решетку, сферическое вогнутое и плоское выходное зеркала, устройство пространственной селекции линий спектра излучения, отличающийся тем, что оптический резонатор выполнен двухплечей V-образной конфигурации, на его концах размещены отражающая дифракционная решетка и плоское выходное зеркало, при этом дифракционная решетка установлена в фокальной плоскости сферического зеркала по автоколлимационной схеме, активная среда с системой возбуждения расположены между сферическим и плоским зеркалами, устройство пространственной селекции линий спектра излучения совмещено с системой возбуждения, образованной двумя плоскими секционированными ВЧ-электродами, расположенными параллельно напротив друг друга, секции электродов выполнены в виде протяженных вдоль оптической оси резонатора проводящих дорожек, изолированных одна от другой и расположенных согласованно с траекториями оптических лучей каждой линии спектра.