ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ПО ДЛИНАМ ВОЛН ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 1995 года по МПК H01S3/106 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано для конструирования и разработки газовых лазеров, перестраиваемых по длинам волн.

Известен газовый лазер, перестраиваемый по длинам волн, резонатор которого содержит в качестве селектора наклонный эталон Фабри-Перо с угловым механизмом селекции [1] Перестройка по длинам волн осуществляется путем изменения угла наклона оптических поверхностей эталона к оптической оси резонатора лазера.

Недостатком лазера является пониженная оперативность управления частотой излучения, обусловленная присущей механическим узлам инерционностью.

Известен также перестраиваемый по длинам волн газовый лазер, содержащий оптический резонатор, рабочая среда которого обеспечивает генерацию лазерного излучения, а элемент селекции представляет собой наклонный эталон Фабри-Перо с воздушным промежутком, помещенный в герметичный контейнер с газом [2] Плотность газа в контейнере может меняться, что приводит к изменению показателя оптического преломления и, следовательно, к перестройке длины волны излучения.

Недостатком этого лазера является конструктивная сложность, обусловленная наличием баллонов с газом, системой напуска и контроля давления, что не обеспечивает необходимой оперативности настройки на требуемые длины волн и увеличивает массово-габаритные показатели.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому лазеру является выбранный в качестве прототипа перестраиваемый по длинам волн газовый лазер, содержащий оптический резонатор, внутри которого установлены разрядный канал и под углом к его оптической оси эталон Фабри-Перо с регулируемым по длине воздушным промежутком между параллельными отражающими поверхностями [3] Настройка эталона Фабри-Перо производится путем изменения расстояния (базы) между внутренними отражающими поверхностями.

Недостатками такого лазера являются невысокая оперативность процесса перестройки ввиду того, что неизвестно точное значение базы эталона (с точностью до λ /2) и отсутствует привязка к реперной частоте, а также невозможность настраиваться на колебательно-вращательные переходы в произвольном порядке, в том числе по заданной программе.

Задачей изобретения является создание газового лазера, оперативно перестраиваемого по длинам волн.

Технический результат повышение оперативности управления и возможности автоматизации процесса перестройки может быть получен за счет точного установления значения базы интерферометра для конкретно заданной длины волны в произвольном порядке без сканирования всего диапазона, а также перестройка по заданной программе.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в перестраиваемом по длине волн газовом лазере, содержащем оптический резонатор, внутри которого установлены разрядный канал и под углом к его оптической оси интерферометр Фабри-Перо с регулируемым по длине воздушным промежутком между его параллельными отражающими поверхностями, расстояние между последними выбрано для каждой длины волны из соотношения
L L_р + ΔX, (1) где L_р реперная база интерферометра Фабри-Перо;
ΔХ приращение базы интерферометра, выбираемое из условий
ΔX=3
где ν_i центральная частота выделяемого перехода;
ν_к центральные частоты переходов, близко расположенные к выделяемому;
с скорость света в вакууме;
δ наименьшее контролируемое изменение базы интерферометра, равное 0,02 мкм;
ν_p реперная частота.

Оперативность процесса перестройки по длинам волн и его автоматизации достигнуты за счет того, что изменение базы интерферометра осуществляется на заранее известную для каждой длины волны величину относительно реперной, выбираемой в качестве исходной. Величины настройки для каждого прибора определяются в процессе паспортизации. Таким образом, отпадает необходимость сканирования всего диапазона и появляется возможность перестройки по заданной программе.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показывает, что заявляемый лазер обеспечивает повышение оперативности процесса перестройки по длинам волн и его автоматизацию. Таким образом заявляемое устройство соответствует требованию "новизна".

Другие источники информации, в которых были бы известны отличительные признаки изобретения, не выявлены. Это позволяет сделать вывод о его соответствии требованию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 схематично представлен предлагаемый лазер, перестраиваемый по длинам волн; на фиг 2 узел селекцирующего элемента; на фиг. 3 показан порядок прохождения линий генерации (автограф) при изменении длины интерферометра на λ/2.

Газовый лазер содержит резонатор, образованный выходным зеркалом 1, соединенным с элементом 2 перестройки частоты, и глухим зеркалом 3. Внутри резонатора установлены разрядный канал 4 и под углом Θ к его оптической оси 5 эталон Фабри-Перо, выполненный с регулируемым по длине L воздушным промежутком между параллельными пластинами 6, 7. Пластина 6 расположена неподвижно относительно торца разрядного канала 4 под углом Θ к оптической оси резонатора. Пластина 7 установлена на расстоянии L параллельно пластине 6 и жестко связана с управляющими элементами 8.

Лазер работает следующим образом.

Активная среда и резонатор формируют оптическое излучение, частота которого связана с расстоянием L между пластинами 6 и 7 следующим соотношением:
ν m где n показатель преломления вещества, заполняющего рабочий промежуток эталона (равен единице для воздушного промежутка);
m число полуволн, укладывающихся на длине h.

Настройка на колебательно-вращательный переход определяется расстоянием L между пластинами 6, 7, выбираемым для заданной длины волны из соотношения
L L_р + ΔX, где L_р реперная база интерферометра, устанавливаемая путем настройки на "реперную" центральную частоту, выбираемую из сопоставления с набором автографов генерации;
ΔХ приращение базы интерферометра, выбираемое из условий (2)-(4), и обеспечивается управляющими элементами 8, осуществляющими линейное перемещение жестко связанной с ними пластины 7 относительно пластины 6. Способы изменения длины управляющих элементов могут быть различными (термический, с использованием пьезокорректора и т.д.).

В качестве реперных частот могут быть выбраны центральные частоты любого колебательно-вращательного перехода, но для визуализации удобно выбрать центральную частоту одного из близко расположенных переходов, комбинации которых рассчитываются для каждой величины начальной (технологичекой) базы интерферометра L_o, индивидуальность которой для каждого из приборов связана с точностью изготовления и внешними условиями (температура и др.), отличающихся на λ/2. Настройка на реперную частоту производится путем изменения технологической базы интерферометра L_o на величину Δ При этом база интерферометра L_р, соответствующая настройке интерферометра на частоту ν_p, составляет
L_р= L_o± Δ m где m число полуволн частоты ν_p, укладывающихся на длине L_р.

Соединение выходного зеркала 1 с элементом перестройки частоты (пьезокорректором) позволяет изменять длину резонатора и в процессе эксплуатации прибора осуществлять настройку на центральную частоту колебательно-вращательного перехода.

Установка пластины 7 параллельно пластине 6 на расстоянии L выбираемом из соотношения (1) и при выполнении условий (2)-(4) обеспечивает настройку на заданный колебательно-вращательный переход.

Благодаря тому, что настройка на заданный колебательно-вращательный переход осуществляется линейным смещением пластины 7, жестко связанной с управляющими элементами 8 относительно неподвижно закрепленной на торце разрядного канала пластины 6, увеличивается оперативность управления частотой генерации и уменьшается нестабильность параметров выходного излучения.

Жесткая связь пластины 7 с управляющими элементами 8 позволяет осуществить осевое перемещение пластины 7 относительно неподвижно расположенной у торца разрядного канала пластины 6, что обеспечивает выполнение условия (1).

Предварительная настройка на реперную частоту позволяет настроиться на любой колебательно-вращательный переход, изменив базу интерферометра L относительно реперной длины L_р на величину Δ Х, заранее вычисленную для всех переходов, и, таким образом, произвести паспортизацию приборов.

Изменение базы интерферометра L относительно "реперной" длины на величину Δ Х, не превышающую выбираемую из условий (2)-(4), позволяет производить как последовательную настройку на колебательно-вращательные переходы, так и настройку в произвольном порядке, в том числе по заданной программе, что может существенно расширить область применения прибора.

Пример конкретной реализации изобретения. Конструкция лазера удовлетворяет соотношениям (1) (4) изобретения.

Конструкция лазера, перестраиваемого по длинам волн, имеет резонатор, включающий в себя входное и глухое зеркало и плоско-параллельные пластины, отражающие поверхности которых образуют интерферометр Фабри-Перо, связанные с управляющими элементами. Величина базы интерферометра L_o 0,99± 0,01 мм определяется технологической точностью изготовления.

После включения лазера и прогрева производится паспортизация прибора. Для этого снимается зависимость мощности генерации от изменения величины базы интерферометра в пределах ≈ 5,3 мкм ≈ 5,3 мкм при фиксированной длине резонатора. Далее производится сравнение полученного автографа с автографами, полученными расчетным путем для значений баз интерферометра, отличающихся на , и определяется значение базы эталона с точностью до . После этого производится настройка на реперную частоту, в качестве которой удобно выбрать центральную частоту одного из близкорасположенных в данном автографе колебательно-вращательных переходов.

Например, сравнение полученного автографа с набором автографов, полученных путем вычислений (см. фиг. 3), дает величину L_o 0,9938 ± 0,053 мм. В качестве реперной выбирают центральную частоту колебательно-вращательного перехода Р32 (ν₃₂= 27969449, 783 МГц), поскольку рядом с ним располагается переход Р42, что характерно для данного автографа. Изменением базы интерферометра производится настройка на эту частоту, при этом реперная база интерферометра составляет
L_рm 5,36·10^-6·m [M]
Определяют число полуволн, укладывающихся на базовой длине интерферометра,
m 185,4
Поскольку при настройке на реперную частоту между отражающими поверхностями интерферометра должно укладываться целое число полуволн, принимают m 186.

Тогда L_рm 5,36·10^-6м·186 0,99683 мм
Для настройки на центральную частоту перехода Р20 необходимо установить величину базы интерферометра, при которой между отражающими поверхностями интерферометра укладывается целое число полуволн, соответствующих линии Р20.

Поскольку дробная часть
Поскольку дробная часть 0,24015<0,5,
ΔX=дя 1,2717·10^-6м
Тогда величина базы интерферометра, обеспечивающая настройку на колебательно-вращательный переход Р20, составляет
L L_р + ΔХ 0,99683 + 0,00127 0,9981 мм.

Установка указанной длины обеспечивается управляющими элементами. Если необходимо настроиться на один из близкорасположенных на данном автографе колебательно-вращательных переходов, производится изменение базы интерферометра на величину 5,3 мкм. Этому значению базы интерферометра соответствует свой порядок расположения линий генерации, и близкорасположенные переходы оказываются разнесены.

Использование предлагаемого перестраиваемого лазера позволяет по сравнению с существующими повысить оперативность и автоматизацию процесса перестройки по длинам волн и существенно расширить области применения приборов данного класса. Изобретение может быть использовано при разработке газовых лазеров перестраиваемых по длинам волн, следовательно, оно соответствует требованию "промышленная применимость".

Использование: в перестраиваемых по длинам волн газовых лазерах с повышенной оперативностью и автоматизацией процесса перестройки. Сущность изобретения: расстояние L между отражающими поверхностями двух параллельных пластин 6 и 7, образующих интерферометр Фабри-Перо, установленный внутри резонатора лазера, выбрано для каждой длины волны из соотношения L=L_р+ΔX, где L_р реперная база интерферометра Фабри-Перо; ΔX приращение базы интерферометра, выбираемое из заданных условий. Точное установление базы интерферометра исключает необходимость сканирования всего диапазона длин волн для выбора заданной. 3 ил.

ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ПО ДЛИНАМ ВОЛН ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР, содержащий оптический резонатор, внутри которого установлены разрядный канал и под углом к его оптической оси интерферометр Фабри Перо, с регулируемым по длине воздушным промежутком между его параллельными отражающими поверхностями, отличающийся тем, что расстояние L между отражающими поверхностями интерферометра выбрано для каждой длины волны из соотношения
L = L_p+ΔX,
где L_р реперная база интерферометра Фабри Перо;
ΔX приращение базы интерферометра, выбираемое из условий

где c скорость света в вакууме;
ν_i центральная частота выделяемого перехода;
ν_к центральные частоты переходов, близко расположенных к выделяемому;
ν_p реперная частота;
δ наименьшее контролируемое изменение базы интерферометра, равное 0,02 мкм.