ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 1999 года по МПК H01S3/104 

Предлагаемое устройство относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании газовых лазеров с перестраиваемой двухволновой генерацией.

Известен газовый лазер, включающий отпаянный активный элемент с рабочим газом, оптический резонатор Якоби, составленный из двух плоских и одного сферического зеркал и дифракционной решетки, настроенной на максимум отражения в первый порядок дифракции, а также подвижную маску [1].

Недостатком лазера является невозможность двухволновой генерации излучения с независимой перестройкой каждой длины волны по всему набору спектральных линий активной среды. Этот недостаток является следствием конструкции оптического резонатора и использования маски для перестройки длины волны выходного излучения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к данному изобретению является лазер, содержащий активную среду, систему возбуждения активной среды, источник возбуждения, селективный оптический резонатор, устройство пространственной селекции линий спектра излучения [2]. В лазере-прототипе имеются следующие недостатки:
- малое количество вариантов числовых значений разностной частоты при одновременной генерации двух спектральных линий;
- низкая частотная селективность выходного излучения.

Первый недостаток вызван малым общим числом спектральных линий, на которых может генерировать лазер. Второй - малой площадью "засветки" дифракционной решетки, расположенной в фокальной плоскости сферического зеркала.

Предлагаемое изобретение направлено на увеличение количества комбинаций одновременно генерируемых спектральных линий с разными длинами волн (частот), а также на повышение частотной селективности выходного излучения лазера.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в предлагаемом лазере оптический резонатор образован соосными конфокальными, полностью отражающими вогнутым сферическим и выпуклым цилиндрическим зеркалами, имеющими одинаковый угловой размер в плоскости искривления зеркал, причем со стороны боковых прямолинейных ребер выпуклое зеркало дополнено плоскими автоколлимационно отражающими дифракционными решетками, поворачивающимися вокруг ребер независимо одна от другой, а на оси по крайней мере одного из зеркал расположено полупрозрачное выходное окно.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлен общий вид лазера, на фиг. 2 - его продольное сечение в плоскости искривления зеркал, на фиг. 3 - формирование двухволнового излучения.

Лазер содержит: генератор накачки - 1, соединительный фидер - 2, плоские электроды - 3, зазор между которыми заполнен активной средой - 4, конфокальный оптический резонатор, образованный соосными полностью отражающими зеркалами вогнутым сферическим - 5 и выпуклым цилиндрическим - 6 с прямолинейными боковыми ребрами - 7, 8, две плоские автоколлимационно отражающие дифракционные решетки - 9, 10, которые могут независимо одна от другой поворачиваться вокруг ребер - 7, 8 как вокруг своих осей, выходное полупрозрачное окно - 11. Зеркала - 5 и 6 имеют одинаковый угловой размер 2 и общий фокус F.

Лазер действует следующим образом. Генератор 1 вырабатывает энергию накачки лазера, которая по фидеру 2 подводится к электродам 3. В межэлектродном пространстве концентрируется высокочастотное электромагнитное поле. При достижении пробивного значения напряженности высокочастотного поля в межэлектродном зазоре возникает разряд, и рабочая газовая смесь 4 переходит в активное состояние. Подбором состава и давления активной среды, частоты и мощности высокочастотного поля возбуждения создаются условия, необходимые для достижения эффекта квантового усиления и генерации индуцированного излучения. Этому способствует оптический резонатор. Вогнутое сферическое зеркало 5 и выпуклое цилиндрическое зеркало 6 образуют неустойчивую зону оптического резонатора, состоящую из двух половин, симметрично расположенных относительно оси резонатора (см фиг. 3). Поэтому спонтанное параксиальное излучение, возникающее, например, в приосевой области резонатора, быстро "растекается" в поперечном направлении (см на фиг. 3 - вверх и вниз от оси) за счет переотражений от зеркал 5 и 6. Вследствие конфокальности неустойчивой зоны резонатора при движении вправо (см фиг. 3) пучок спонтанного излучения направлен параллельно оси резонатора, увеличиваясь в поперечном сечении после каждого двойного перехода между зеркалами. Испытав последнее отражение от края зеркала 5, широкий коллимированный пучок спонтанного излучения, имеющего плоский фазовый фронт, падает на дифракционные решетки 9 (в нижней половине оптического резонатора) и 10 (в верхней половине). Учитывая угол θ₁ наклона решетки 9 и ее автоколлимационную настройку, строго назад, с коэффициентом отражения близким к единице, от нее вернется в резонатор только излучение с длиной волны λ_1. . Спонтанное излучение других длин волн (частот) рассеется в разных направлениях. Поэтому высокая добротность нижней половины оптического резонатора будет иметь место лишь для излучения с длиной волны λ₁. В верхней половине резонатора, учитывая иное значение угла θ₂ наклона дифракционной решетки 10, те же физические процессы будут иметь место для излучения с длиной волны λ₂. Двигаясь назад от дифракционных решеток, спонтанное излучение в обеих половинах оптического резонатора возвращается в приосевую область. Таким образом, в верхней и нижней частях резонатора обеспечивается положительная обратная связь по оптическому полю, и при усилении, превышающем потери, возникает генерация индуцированного излучения на двух длинах волн λ₁ и λ₂. Поворотом дифракционных решеток вокруг осей, совмещенных с ребрами 7 и 8, на разные углы θ₁ и θ₂ достигается сканирование значений λ₁ и λ₂ по всему дискретному спектру, состоящему из m разрешенных спектральных линий активной среды от λ_min до λ_max. Поскольку поворот дифракционных решеток происходит независимо, разностная длина волны Δλ = λ₂-λ₁ (соответственно - разностная частота) изменяется от Δλ = 0, , когда λ₁ = λ₂, до Δλ = (λ_max-λ_min), когда λ₁ = λ_min, а λ₂ = λ_max (или наоборот). При этом количество вариантов значений Δλ_к = λ_2i-λ_1j, определяемое числом сочетаний из m по 2 при большом m будет значительным. Излучение двух длин волн в виде пространственно совмещенных параксиальных лучей выводится из резонатора через общее выходное полупрозрачное окно 11. За счет большой ширины d (см фиг. 3) коллимированного пучка, падающего на дифракционные решетки 9 и 10, засвечивается вся поверхность последних (то есть большое число штрихов на решетках) вследствие чего достигаются высокие резкость интерференционной картины поля и частотная селективность выходного излучения каждой половины оптического резонатора.

Приведенная совокупность признаков обеспечивает получение технического результата во всех случаях.

Источники информации
1. А. С. 594842 СССР, МКИ³ H 01 S 3/00 Лазер с перестраиваемым спектром генерации.

2. Пат. 2035812 МКИ³ H 01 S 3/104 Газовый лазер с перестраиваемым спектром излучения.

Использование: изобретение может быть использовано при создании газовых лазеров с перестраиваемой двухволновой генерацией. Сущность: перестраиваемый газовый лазер содержит активную среду, систему возбуждения активной среды, источник накачки, селективный оптический резонатор, образованный соосными конфокальными, полностью отражающими вогнутым сферическим и выпуклым цилиндрическим зеркалами, имеющими одинаковый угловой размер в плоскости искривления зеркал, причем со стороны боковых прямолинейных ребер выпуклое зеркало дополнено плоскими автоколлимационно отражающими дифракционными решетками, поворачивающимися вокруг ребер независимо одна от другой, а на оси по крайней мере одного из зеркал расположено полупрозрачное выходное окно. Такое выполнение резонатора позволяет увеличить количество комбинаций одновременно генерируемых спектральных линий с разными длинами волн. 3 ил.

Перестраиваемый газовый лазер, содержащий активную среду, систему возбуждения активной среды, источник накачки, селективный оптический резонатор, отличающийся тем, что оптический резонатор образован соосными конфокальными, полностью отражающими вогнутым сферическим и выпуклым цилиндрическим зеркалами, имеющими одинаковый угловой размер плоскости искривления зеркал, причем со стороны боковых прямолинейных ребер выпуклое зеркало дополнено плоскими автоколлимационно отражающими дифракционными решетками, поворачивающимися вокруг ребер независимо одна от другой, а на оси по крайней мере одного из зеркал расположено полупрозрачное выходное окно.