РЕЗОНАТОР ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОГО СО-ЛАЗЕРА Российский патент 1998 года по МПК H01S3/22 

Изобретение относится к квантовой электронике, более конкретно к газоразрядным CO-лазерам, генерирующим излучение на переходах первого колебательного обертона молекулы окиси углерода, и может быть использовано при создании технологических лазеров.

Известен резонатор газоразрядного непрерывного CO-лазера на обертоне [1] , в котором в качестве отражателя используется дифракционная решетка, работающая в автоколлимационном режиме для излучения на одном из колебательно-вращательных переходов первого колебательного обертона молекулы окиси углерода. Такая конструкция резонатора обеспечивает полное подавление паразитной генерации на основном токе λ = 4,8-6,5 мкм и плавную перестройку частоты генерации при повороте дифракционной решетки. Недостатком такой конструкции резонатора является одночастотный режим генерации (на отдельном колебательно-вращательном переходе), который характеризуется низкой энергетической эффективностью, примерно на порядок меньшей чем в многочастотном режиме генерации.

Известен резонатор газоразрядного непрерывного CO-лазера на обертоне [2] , в котором использовались селективные отражатель с многослойными диэлектрическими покрытиями. Такая конструкция резонатора обеспечивает многочастотный режим генерации и как следствие достаточно высокое значение энергетической эффективности генерации (≤5%). Недостатками такой конструкции резонатора является обязательное присутствие паразитной генерации на основном тоне, значительно ухудшающей энергетические характеристики генерации на обертоне [3].

Наиболее близкой к предлагаемой конструкции и выбранной нами в качестве прототипа является конструкция резонатора импульсного электроразрядного CO-лазера на обертоне, описанная в работе [4]. Этот резонатор содержит зеркала, между которыми размещена газоразрядная камера, окна Брюстера для вывода излучения и селективный поглотитель генерации на основной частоте, выполненный в виде пластины, перекрывающей апертуру резонатора. Данная пластина полностью подавляет генерацию на основной частоте; в то же время поглощение в ней в спектральном диапазоне 2,7-3 мкм не превышает 1%. Излучение из резонатора выводится через селективное полупрозрачное зеркало с многослойным диэлектрическим покрытием, обладающим достаточно высоким значением коэффициента отражения в спектральном диапазоне 2,8-3,1 мкм, в котором и была экспериментально реализована генерация на обертоне. Недостатком такого резонатора является недостаточная ширина спектрального диапазона, в котором обеспечивается высокая добротность резонатора для излучения на переходах первого колебательного обертона молекулы CO, что приводит к низкой энергетической эффективности генерации (≤1%).

Техническим результатом данного изобретения является увеличение КПД генерации излучения путем осуществления генерации на первом колебательном обертоне молекулы окиси углерода во всей полосе усиления. Этот результат достигается тем, что в резонаторе электроразрядного CO-лазера, генерирующего на переходах первого колебательного обертона молекулы окиси углерода, образованном зеркалами и включающем окна Брюстера для вывода излучения и селективный поглотитель излучения, перекрывающий апертуру резонатора, предложено селективный поглотитель выполнить таким образом, что его коэффициент поглощения в селективном диапазоне излучения на обертоне λ = 2,7-4 мкм не превышает 2%. При этом селективный поглотитель может быть выполнен из двуокиси кремния, в виде поворотной пластинки для вывода излучения, в виде пленки, нанесенной на зеркалах, а также на окнах Брюстера и на поворотной пластине.

Существо изобретения поясняется прилагаемым чертежом, на котором приведена блок-схема резонатора электроразрядного лазера.

Резонатор образован двумя зеркалами 1 и 2. На данной схеме зона активной среды в газоразрядной камере (ГРК) 3 и резонатор пространственно совмещенный, т.е. ГРК 3 размещена между зеркалами 1 и 2. Для вывода излучения внутри резонатора установлены окна Брюстера 4 и 5. Резонатор снабжен селективным поглотителем излучения 6, полностью перекрывающем апертуру резонатора. Селективный поглотитель излучения выполнен таким образом, что обеспечивается полное подавление или значительное ослабление генерации на основном тоне (4,8 мкм ≤ λ ≤6,5 мкм) за счет большого поглощения (не менее 85%), в то время поглощение излучения данным элементом в диапазоне длин волн на переходах первого колебательного обертона (2,7 мкм ≤ λ ≤4 мкм) не превышает 2%.

Варианты выполнения и размещения селективного поглотителя могут быть различными. На приведенной на чертеже блок-схеме он выполнен в виде пластины и размещен на окне Брюстера. этот элемент может быть изготовлен из двуокиси или иного материала, удовлетворяющего указанным выше требованиям по спектральным свойствам, в виде пленки, нанесенной на окна Брюстера, на поворотные пластинки, или на зеркала, образующие резонатор. В резонаторе может быть помещен один такой элемент или все перечисленные, что определяется толщиной одного элемента. Зеркало 2 резонатора выполнено либо полупрозрачным неселективным, либо глухим металлическим ( в этом случае излучение выводится из резонатора за счет френелевского отражателя от поверхности вспомогательной поворотной пластинки).

Резонатор работает следующим образом. После включения электрического разряда ГРК и достижения порогового энерговклада в активной среде возникает усиление на переходах основной частоты (v _→ v-1). Однако генерация излучения при этом не возникает, либо сильно подавляется из-за наличия в резонаторе селективного поглотителя излучения. Затем по мере формирования квазистационарной функции распределения молекул CO на колебательных уровнях v≥10 в активной среде возникает усиление на переходах первого колебательного обертона, причем соответствующие значения коэффициентов усиления примерно на порядок меньше, чем на основной частоте. Однако благодаря высокой добротности резонатора в спектральном диапазоне 2,7 мкм≤ λ ≤4 мкм генерация на обертоне возникает и может характеризоваться высокими значениями энергетической эффективности (до 10-20%). При этом поглощение на селективных элементах в указанном спектральном диапазоне не должно превышать 2% на один проход. Излучение выводится из резонатора либо за счет Френелевского отражения от поворотной пластины, либо при использовании неселективного полупрозрачного зеркала.

В результате возбуждения активной среды в разряде и процессов колебательно-колебательного обмена формируется характерная функция распределения с так называемым "плато" в области колебательных уровней v=5-39, где возникает частичная инверсия на колебательно-вращательных переходах основного тона и первого обертона. Чем шире спектральный диапазон, в котором возникает генерация, тем большая часть потока квантов на верхние колебательные уровни перехватывается в излучение, тем выше эффективность генерации. Количественно этот эффект исследован в недавней теоретической работе [4], где показано, что энергетическая эффективность генерации на обертоне может многократно возрастать при увеличении числа колебательных переходов, участвующих в генерации.

Описанный резонатор позволяет получать одновременную генерацию на максимально возможном числе колебательно-вращательных переходов первого колебательного обертона и может обеспечить получение генерации с максимальной энергетической эффективностью 10-20%.

Источники информации
1. M. Gromoll-Bohle, W. Bohle and W.Urban Broadband CO laser overtone transitions Δ v=2. Optics Communications 1989, v.69, p.409.

2. C. Bergman, J.W.Rich Overtone Band Lasing at 2.7-3.1 mkm in Electrically Excited CO. Applied Physics Letters, 1977, 9, p.597.

3. Ю.Б.Конев, И.В.Кочетов, А.К.Курносов и др. Исследование характеристик газоразрядного CO-лазера при генерации на обертоне. Инженерно-физический журнал, 1981, т.41, N 3, с.514.

4. А.Д.Белых, В.А.Гурашвили, И.В.Кочетов, А.К.Курносов, А.П.Напартович, В.М.Путилин, Н.Г.Туркин. Импульсный CO-лазер на первом колебательном обертоне. Квантовая электроника, 1995, т.22, N 4, с.333.

Изобретение относится к квантовой электронике, более конкретно к газоразрядным СО-лазерам, генерирующим излучение на переходе первого колебательного обертона, и может быть использовано при создании технологических лазеров. Сущность: техническим результатом данного изобретения является увеличение КПД генерации излучения на первом колебательном обертоне, что достигается за счет реализации максимально широкополосной генерации в полосе частот переходов первого колебательного обертона при подавлении генерации на основной частоте путем использования в резонаторе селективного поглотителя с поглощением не более 2% в спектральном диапазоне 2,7 - 4 мкм. 5 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Резонатор электроразрядного СО-лазера, генерирующего на переходах первого колебательного обертона молекулы окиси углерода, образованный зеркалами, включающий селективный поглотитель излучения на основном тоне, перекрывающий апертуру резонатора и окна Брюстера, отличающийся тем, что селективный поглотитель выполнен таким образом, что его коэффициент поглощения в спектральном диапазоне излучения на обертоне λ = 2,7 - 4 мкм не превышает 2%. 2. Резонатор по п.1, отличающийся тем, что селективный поглотитель выполнен из двуокиси кремния. 3. Резонатор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что селективный поглотитель выполнен в виде поворотной пластинки для вывода излучения. 4. Резонатор по п.1, отличающийся тем, что селективный поглотитель выполнен в виде пленки, нанесенной на зеркала. 5. Резонатор по п.1, отличающийся тем, что селективный поглотитель выполнен в виде пленки, нанесенной на окна Брюстера. 6. Резонатор по п.1, отличающийся тем, что селективный поглотитель выполнен в виде пленки, нанесенной на поворотную пластинку.