ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР С ВЫСОКОЧАСТОТНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ Российский патент 2004 года по МПК H01S3/09 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании дисковых цельнометаллических газовых лазеров с высокочастотным возбуждением.

Известен лазер (А. С. RU 2170483), являющийся прототипом предлагаемого изобретения и содержащий высокочастотный генератор накачки, устройство формирования поля накачки, активную среду и гибридный оптический резонатор, образованный двумя металлическими полностью отражающими соосными и софокусными зеркалами одинакового внешнего размера, из которых одно - вогнутое сферическое, а другое - составное тарельчатое. Зеркала, будучи металлическими, одновременно выполняют функции высокочастотных электродов и подключены к противоположным полюсам высокочастотного генератора накачки.

В известном лазере устройство, концентрирующее поле накачки в зазоре между зеркалами-электродами, является открытым как в электромагнитном отношении, так и в отношении вакуумной герметичности. Поэтому лазер требуется помещать в отдельный достаточно сложный по конструкции герметичный корпус. Если последний негерметичен в электромагнитном отношении, то в окружающем лазер пространстве присутствует сильное поле на частоте накачки, так как мощность возбуждения обычно составляет сотни и даже несколько тысяч ватт. Это создает биологическую опасность для обслуживающего персонала и вызывает электромагнитные наводки в близко расположенной электронной аппаратуре. Конструкция лазера оказывается нежесткой, что снижает ее сопротивляемость внешним воздействиям.

Отмеченные недостатки обусловлены конструкцией устройства формирования поля накачки лазера-прототипа.

Предлагаемое изобретение направлено на исключение утечки высокочастотной энергии накачки в окружающее пространство, упрощение конструкции лазера и придание ей повышенной прочности.

Эта задача решается благодаря тому, что в предлагаемом лазере металлические зеркала оптического резонатора окаймлены по периметру тороидальной металлической полостью, форма и размеры которой выбраны так, что полость вместе с межзеркальным зазором образует тороидальный радиорезонатор, частота собственных колебаний которого равна частоте накачки лазера.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показано осевое сечение лазера; на фиг.2 - его характерные размеры.

Лазер содержит высокочастотный генератор накачки 1, коаксиальный кабель 2, устройство ввода высокочастотной энергии накачки 3, корпус излучателя 4, тороидальную полость 5, межзеркальный зазор 6, сферическое вогнутое зеркало 7, выпуклое сферическое зеркало 8, кольцевое плоское зеркало 9, выходное окно 10. Сферические поверхности зеркал 7,8 имеют общий фокус F и одинаковый угловой размер 2φ. Зеркала 8 и 9 образуют составное тарельчатое зеркало. Его внешний размер равен размеру 2a вогнутого сферического зеркала 7.

Лазер действует следующим образом. Энергия, вырабатываемая высокочастотным генератором 1, с помощью коаксиального кабеля 2 и устройства связи 3 вводится в объем излучателя 4, образованный тороидальной полостью 5 и межзеркальным зазором 6. Внутренний объем излучателя представляет собой тороидальный радиорезонатор. Этот резонатор относится к классу квазистационарных, так как при d<<a энергия высокочастотного электрического поля накачки концентрируется в узком зазоре 6, как в конденсаторе, а энергия высокочастотного магнитного поля - в тороидальной полости 5. Частота основного колебания тороидального резонатора определяется его характерными размерами. Например, для тороида прямоугольной формы сечения размерами a, R, d, h [1]
f_рез = (1/πa)•(d/2εμhln(R/a))^1/2,
где ε,μ - абсолютные диэлектрическая и магнитная проницаемости среды, заполняющей объем резонатора.

Подбором характерных размеров легко добиться настройки тороидального радиорезонатора на частоту накачки:
f_рез=f_нак.

Весь объем излучателя заполнен смесью рабочих газов до заданного давления. При резонансной настройке тороидального резонатора излучателя и повышении уровня мощности накачки до значения, достаточного для электрического пробоя межзеркального зазора d, рабочая газовая смесь возбуждается и переходит в активное состояние. Активная среда сосредоточена в объеме межзеркального зазора 6. Качество зеркальных поверхностей 7, 8, 9 и коэффициент усиления активной среды подбираются так, чтобы с учетом полезной мощности выходного пучка поддержать режим генерации индуцированного излучения, энергия которого выводится через выходное окно 10. Замкнутый жесткий металлический корпус излучателя обеспечивает, с одной стороны, виброударопрочность лазера, а с другой стороны - электромагнитную экранировку внутреннего объема, гарантируя отсутствие утечки энергии накачки. Отпадает также необходимость в специальном внешнем корпусе лазера, что упрощает его конструкцию.

Таким образом, в предлагаемом лазере устраняются недостатки лазера-прототипа. Предлагаемый лазер может быть реализован на отечественной элементной базе и не содержит дефицитных материалов.

Источники информации
1. В. В. Никольский. Теория электоромагнитного поля. М.: Высшая школа, 1961, с.326.

Использование: в квантовой электронике, при создании дисковых цельнометаллических газовых лазеров с высокочастотным возбуждением. Сущность изобретения: в лазере в качестве излучающей головки применяют металлический резонатор, емкостная часть которого представлена зазором между металлическими зеркалами гибридного оптического резонатора, а индуктивная часть - тороидальной металлической полостью. Полость окаймляет по периметру зеркала гибридного оптического резонатора и совместно с межзеркальным зазором образует квазистационарный тороидальный радиорезонатор. Форма и размеры последнего выбраны так, чтобы радиорезонатор был настроен на частоту накачки. Энергия высокочастотного электрического поля накачки концентрируется в узком межзеркальном зазоре, как в конденсаторе, и при определенном уровне вызывает пробой в рабочей газовой смеси, переводит ее в активное состояние, вследствие чего возникает генерация индуцированного излучения. Технический результат изобретения: исключение утечки высокочастотной энергии накачки в окружающее пространство, упрощение конструкции лазера и придание ей повышенной прочности. 2 ил.

Газовый лазер, включающий высокочастотный генератор накачки, устройство формирования поля накачки, активную среду и гибридный оптический резонатор, образованный металлическими соосными и софокусными зеркалами, из которых одно - вогнутое сферическое, а другое - составное тарельчатое, отличающийся тем, что зеркала окаймлены по периметру тороидальной металлической полостью, форма и размеры которой выбраны так, что полость совместно с межзеркальным зазором образует тороидальный радиорезонатор, настроенный на частоту накачки.