ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР С ВЫСОКОЧАСТОТНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ Российский патент 2001 года по МПК H01S3/09 

Предлагаемое устройство относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании компактных газовых лазеров с повышенной мощностью излучения.

Известен газовый лазер (1), в котором активная среда возбуждается электромагнитным полем высокой частоты в объеме нескольких плоских рабочих каналов, помещенных в общий тороидальный неустойчивый резонатор.

Недостатком известного лазера является малый коэффициент использования объема излучающей головки и, как следствие, малая мощность излучения.

Известен газовый лазер (2), являющийся прототипом предлагаемого изобретения и включающий активную среду, высокочастотный генератор накачки, устройство формирования поля накачки в виде параллельных пластинчатых электродов и неустойчивый оптический резонатор.

Недостатками лазера-прототипа является низкая гомоцентричность и невысокая мощность выходного излучения, а также сложность конструкции излучающей головки.

Эллиптичность поперечного сечения выходного луча в лазере-прототипе определяется способом выведения лазерного излучения из неустойчивого резонатора и конфигурацией зеркал последнего. Невысокая мощность излучения лазера-прототипа объясняется неустойчивым характером оптического резонатора, ограничивающим время жизни в его объеме индуцированных фотонов, вследствие чего поддерживаемая накачкой инверсия населенности в активной среде используется неполностью. Сложность конструкции лазера-прототипа обусловлена тем, что функции оптического резонатора системы, формирующей поле накачки разделены между разными конструктивными элементами: полностью отражающими зеркалами и совокупностью параллельных пластинчатых электродов. Отмеченные недостатки принципиально связаны с устройством лазера-прототипа.

Предлагаемое изобретение направлено на повышение гомоцентричности и мощности излучения лазера, а также упрощение его конструкции.

Эта задача решается благодаря тому, что в предлагаемом лазере оптический резонатор представляет собой пирамидальную систему соосных вплотную примыкающих один к другому гибридных резонаторов, образованных составными зеркалами тарельчатого типа, у которых центральные области выполнены в виде криволинейных софокусных полностью отражающих с обеих сторон выпукло-вогнутых поверхностей одинакового углового размера, а краевая область имеет форму плоского частично прозрачного для лазерного излучения кольца, окаймляет центральную область и ее внешний диаметр равен диаметру центральной области соседнего большего зеркала, причем центральные области всех зеркал выполнены из металла, поочередно подключены к противоположным полюсам высокочастотного генератора накачки и образуют совокупность электродов, формирующих поле накачки.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлен общий вид лазера; на фиг. 2 - сечение лазера плоскостью, проходящей через его продольную ось: на фиг. 2а изображен вариант конструкции лазера с центральным, а на фиг. 2б - с боковым подведением высокочастотной энергии накачки; на фиг. 3 показаны размеры центральной и краевой областей тарельчатых зеркал-электродов.

Лазер (фиг. 1) включает генератор высокочастотной энергии накачки 1, высокочастотный фидер 2, излучающую головку 3, тарельчатые зеркала, состоящие из центральных криволинейных поверхностей 4 и краевых плоских колец 5, общее выходное окно 6.

Лазер действует следующим образом. Генератор накачки 1 вырабатывает высокочастотную электромагнитную энергию, которая по фидеру 2 подводится к излучающей головке 3. Объем головки заполнен рабочей газовой смесью. Внутри излучающей головки размещены зеркала тарельчатой формы, составленные из центральной 4 и краевой 5 областей. Пара любых двух соседних зеркал образует гибридный устойчиво-неустойчивый оптический резонатор. Центральные области тарельчатых зеркал имеют криволинейную (например, сферическую с радиусом кривизны R_i) поверхность. Они выполнены из металла и с обеих сторон имеют 100%-ное отражение. Центральные области всех n зеркал соосны, имеют общий фокус F и одинаковый угловой размер 2α (фиг. 3), поэтому образуют пирамиду, основанием которой служит наибольшее зеркало. Расстояние по оси между любыми соосными зеркалами равно l и выбрано так, что для любой пары зеркал R_i-1-R_i = R_i-R_i+1 = 21. Нумерация зеркал (фиг. 3) ведется от наибольшего (i = 1) зеркала к наименьшему (i = n). Краевые области тарельчатых зеркал имеют форму плоских колец. Для произвольного (i-го) зеркала радиус внутренней окружности краевой области равен радиусу n центральной области того же зеркала, а радиус внешней окружности - радиусу r_i-1 центральной области предыдущего по нумерации зеркала. Поэтому ширина краевой области i-го зеркала равна d_i = r_i-1-r_i, вследствие чего любое i-е тарельчатое зеркало полностью перекрывает все лучи, параллельные оси резонатора, отраженные от центральной области (i-1)-го зеркала (фиг. 3). Металлические центральные области тарельчатых зеркал одновременно выполняют роль высокочастотных электродов. Все электроды нечетных номеров заземлены, а электроды четных номеров подключены к центральному (потенциальному) проводнику фидера 2. Подведение высокочастотной энергии от блока 1 к электродам 4 может быть как осевым (фиг. 2а), так и боковым (фиг. 2б).

Под действием электромагнитной энергии накачки в пространстве между тарельчатыми зеркалами-электродами происходит пробой рабочей газовой смеси и поддерживается высокочастотный емкостной разряд. Подбором частоты и мощности поля накачки, а также давления и состава рабочей газовой смеси в последней создается активное состояние. Генерация излучения происходит в объеме гибридных резонаторов. Вывод излучения из конкретного резонатора, образованного, например, тарельчатыми зеркалами (i-1)-м и i-м, осуществляется через частично прозрачную краевую область i-го зеркала. Поперечное сечение выходного пучка данного резонатора имеет форму кольца с диаметрами внешней и внутренней окружностей соответственно 2r_i-1 и 2r_i. Излучение совокупности всех резонаторов с учетом того, что их краевые области в радиальном направлении вплотную примыкают одна к другой также имеет форму кольца, у которого внешний радиус равен r₁, а внутренний - r_n, причем r_n может быть много меньше r₁. За счет дифракционной связи оптических полей всех гибридных резонаторов общее выходное излучение когерентно по всей площади поперечного сечения пучка, который выводится из излучателя через выходное окно 6 (фиг. 1).

Таким образом, за счет круговой формы краевых областей гибридных резонаторов достигается высокая гомоцентричность выходного излучения, за счет значительного объема активной среды при небольшом продольном размере - повышенная мощность излучения, а за счет совмещения в одном конструктивном элементе функций отражающих зеркал и высокочастотных электродов - упрощение конструкции предлагаемого лазера.

Предлагаемый лазер может быть реализован на отечественной элементной базе и не содержит никаких дефицитных материалов.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. E.F. Yelden, H.J.J.Seguin, C.E. Capjack, S.K.Nikumb. A multi-channal slot discharge CO₂ laser employing a toric unstable resonator, Optics communications, v. 82, n. 5.6, 1 May, 1991, p. 503-508.

2. P.E.Jackson, H.J.Baker, D.R.Hall CO₂ large-area discharge laser using an unstable - waveguide hybrid resonator, Applied Physics Letters, v. 54(20), 15 May, 1989, p. 1950-1952.

Предлагаемое устройство относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании компактных газовых лазеров с повышенной мощностью излучения. Оптический резонатор лазера представляет пирамидальную систему соосных вплотную примыкающих один к другому гибридных резонаторов. Они образованы составными зеркалами тарельчатого типа. Их центральные области выполнены в виде криволинейных софокусных полностью отражающих с обеих сторон выпукло-вогнутых поверхностей одинакового углового размера. Краевая область зеркал имеет форму плоского частично прозрачного для лазерного излучения кольца. Она окаймляет центральную область зеркала и ее внешний диаметр равен диаметру центральной области соседнего большего зеркала. Центральные области всех зеркал выполнены из металла и подключены поочередно к противоположным полюсам высокочастотного генератора накачки. Технический результат изобретения: в лазере достигается высокая гомоцентричность и мощность излучения, а конструкция лазера упрощается. 4 ил.

Газовый лазер, содержащий активную среду, высокочастотный генератор накачки, оптический резонатор, отличающийся тем, что оптический резонатор представляет пирамидальную систему соосных вплотную примыкающих один к другому гибридных резонаторов, образованных составными зеркалами тарельчатого типа, у которых центральные области выполнены в виде криволинейных софокусных полностью отражающих с обеих сторон выпукло-вогнутых поверхностей одинакового углового размера, а краевая область имеет форму плоского частично прозрачного для лазерного излучения кольца, окаймляет центральную область и ее внешний диаметр равен диаметру центральной области соседнего большего зеркала, причем центральные области всех зеркал выполнены из металла и поочередно подключены к противоположным полюсам высокочастотного генератора накачки и образуют совокупность электродов, формирующих поле накачки.