ВОЛНОВОДНЫЙ СО ЛАЗЕР ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ С ВЫСОКОЧАСТОТНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ Российский патент 2004 года по МПК H01S3/105 

Изобретение относится к перестраиваемым по частоте излучения волноводным СО₂ лазерам с перестройкой частоты излучения. Лазеры такого типа широко применяются в медицине, мониторинге атмосферы, военной технике (оптические радары, целеуказатели и т.д.), технологиях прецизионной обработки материалов и научных исследованиях.

Первые действующие модели волноводных СО₂ лазеров [1, 2] возбуждались разрядом постоянного тока. Оптический резонатор таких лазеров был образован волноводной газоразрядной трубкой и внешними зеркалами, как минимум одно из которых было частично пропускающим. Для перестройки частоты излучения одно из зеркал заменялось дифракционной решеткой или призмой, работающей на отражение (например, по схеме Литтрова).

К недостаткам таких конструкций можно отнести то обстоятельство, что при высоком давлении активной среды (> 100 мм рт.ст.) применение разряда постоянного тока ограничивалось температурной и ионизационной неустойчивостью, характерной для данного типа разряда. Уменьшить влияние температурной и ионизационной неустойчивости позволило использование высокочастотного емкостного разряда [3, 4]. При таком способе накачки волноводного СО₂ лазера выбором частоты возбуждающего поля можно достичь режима "безэлектродного" разряда и уменьшить влияния плазмохимических процессов на электродах и соответственно их взаимодействие с электронной компонентой газоразрядной плазмы высокого давления. Применение "безэлектродного" высокочастотного разряда позволило повысить давление активной газовой среды СО₂ лазеров и соответственно расширить область плавной перестройки частоты излучения за счет ударного уширения контуров усиления линий отдельных колебательно-вращательных лазерных переходов в молекуле СО₂.

Тем не менее, плавную перестройку частоты излучения можно осуществить только в том случае, если волноводный резонатор обладает достаточной селективностью и позволяет избежать конкуренции в процессах генерации продольных волноводных мод.

Повысить селективность волноводного резонатора СО₂ лазера позволяет применение внутрирезонаторных селективных элементов. Известна конструкция волноводного СО₂ лазера [5] с высоким давлением активной смеси СО₂-Не (~ 450 Torr), выбранного в качестве прототипа, содержащая газоразрядную волноводную ячейку с высокочастотным возбуждением, два частично пропускающих зеркала и дифракционную решетку, работающую на отражение по схеме Литтрова. Одно из зеркал, закрепленное на пьезоэлектрической структуре, могло перемещаться вдоль оси резонатора лазера. Расстояние между зеркалами составляло величину 9.5 см. Оба зеркала образовывали частотно-селективный фильтр в резонаторе лазера с областью дисперсии ~ 1500 ГГц на длине волны, определяемой настройкой дифракционной решетки. Перестройка частоты осуществлялась путем изменения расстояния между зеркалами и соответственно смещением кривой пропускания фильтра с помощью пьезоэлектрической структуры при подаче на нее управляющего напряжения.

Недостатком известной конструкции является малая длина газоразрядного волноводного канала, которая при наличии заданного уровня неселективных потерь в резонаторе не позволяет выполнить пороговое условие генерации для лазерных переходов с невысоким уровнем коэффициента усиления, ограничивая спектральный диапазон и область плавной перестройки частоты излучения лазера. Кроме того, пьезоэлектрическая структура с закрепленным на ним зеркалом, может иметь нестабильную зависимость перемещения зеркала от величины подаваемого на нее напряжения вследствие "паразитных" утечек электрического тока с поверхности пьезоэлектрика. Такая нестабильность снижает селективные свойства оптического резонатора.

Известен также газовый лазер [6], в котором для увеличения селективности оптического резонатора и расширения спектра генерации применяется магнитострикционное устройство для перемещения зеркал вдоль его оси. Тем не менее, недостатком такого устройства является отсутствие селективных элементов в резонаторе лазера, обладающих областью дисперсии, превышающей межмодовый интервал резонатора, что является основным ограничением области плавной перестройки частоты излучения.

Техническим результатом является расширение спектра генерации и области плавной перестройки частоты излучения волноводного СО₂ лазера высокого давления при сохранении высокой селективности его резонатора по отношению к выделяемой частоте излучения.

Технический результат достигается тем, что в волноводном СО₂ лазере высокого давления с высокочастотным возбуждением, содержащем резонатор, включающий волноводную газоразрядную ячейку, два зеркала и дифракционную решетку, и устройство для перемещения одного из зеркал вдоль его оси, новым является то, что дифракционная решетка является первым отражателем резонатора, а второй отражатель резонатора состоит из двух интерференционных зеркал к коэффициентами отражения, которые выбираются исходя из требований к области плавной перестройки частоты излучения на конкретном лазерном переходе, при этом устройство для перемещения зеркала выполнено магнитострикционным.

Увеличение порогового коэффициента усиления активной среды волноводного СО₂ лазера для слабых линий генерации осуществляется путем увеличения длины волноводной газоразрядной ячейки. При этом длина ячейки L выбирается из условия пороговой генерации

где g_0i - коэффициент усиления малого сигнала для выделяемой линии (см^-1), β₀ - уровень неселективных потерь волноводного резонатора (см^-1), r₁ и r₂ - эффективные коэффициенты отражения отражающих элементов. Область плавной перестройки частоты излучения с учетом столкновительного уширения лазерных переходов определяется выражением

где Δν_L - ширина на полувысоте контура усиления лазерного перехода, обусловленная столкновением молекул газовой смеси (МГц). При этом величина

Δν_L (МГц) может быть оценена из условия [7]

где n_i - доля газовой компоненты в смеси, Р - давление газовой смеси (кПа), Т - абсолютная температура в К.

Дискретная перестройка частоты излучения осуществляется с помощью дифракционной решетки (r₁) 150 штр/мм с коэффициентом отражения 0.95% в первом порядке дифракции настроенной по автоколлимационной схеме на центр выделяемой линии соответствующего лазерного перехода. Плавная перестройка частоты излучения от центра выделяемой линии в диапазоне Δν осуществляется интерференционным отражателем (r₂), образованным двумя зеркалами ( и ) с эффективным коэффициентом отражения

где d - расстояние между зеркалами и . Величина d выбирается из условия

При изменении расстояния d, путем перемещения зеркала г вдоль оптической оси изменяется коэффициент отражения r₂, подавляя нежелательные для генерации продольные моды резонатора лазера, межмодовый интервал которых (Δν_L) определяется выражением

Перемещение зеркала производится при помощи магнитострикционного устройства, состоящего из трех штанг и узла крепления для зеркала . Штанги выполнены из магнитострикционного материала (типа инвар). Для создания в штангах технического намагничивания на них закреплены индукционные катушки. Со стороны дифракционной решетки (r₁) штанги жестко крепятся к корпусу лазера. Со стороны интерференционного отражателя (r₂) штанги пропущены через закрепленные на корпусе лазера втулки. На концах штанг, обращенных к (r₂), расположен узел крепления зеркала . При пропускании электрического тока через индукционные катушки от стабилизированного источника питания за счет магнитострикционного эффекта происходит изменение длины штанг и соответственно осуществляется перемещение зеркала () вдоль оптической оси резонатора лазера.

Возбуждение волноводного СО₂ лазера высокого давления (Р ~ 200-300 мм рт.ст., состав смеси СO₂:N₂:He) осуществляется при помощи высокочастотного (~ 100 МГц) слаботочного разряда в полом, металлокерамическом (Аl, ВеО) волноводе с поперечным сечением 1×1 мм² и длиной 450 мм.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый волноводный СО₂ лазер высокого давления с высокочастотным возбуждением отличается тем, что для плавной перестройки частоты излучения используется магнитострикционное устройство, состоящее из трех штанг и узла крепления для зеркала в составе интерференционного отражателя.

Таким образом, заявляемый волноводный СО₂ лазер высокого давления с высокочастотным возбуждением соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники, позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень".

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлены: а) продольное сечение конструкции лазера; b) разрез в поперечном сечении.

Волноводный СО₂ лазер высокого давления с высокочастотным возбуждением содержит волноводную газоразрядную кювету 1, образованную водоохлаждаемыми ВЧ электродами 2 и 3 и керамическим (ВеО) блоком 4 и изготовленную путем горячего прессования с использованием вакуумной технологии. Поперечное сечение кюветы составляет величину 1×1 мм². Длина кюветы – 450 мм. С одной стороны кювета стыкуется с вакуумированным блоком 5, в котором размещены дифракционная решетка r₁ (150 штр./мм, r₁=0.95) и узел юстировки дифракционной решетки 6. С другой стороны кювета вакууммируется через переходник 7 при помощи пластины из ZnSe, расположенной под углом Брюстера к оптической оси. Крепление блока 4 к основанию лазерной конструкции 8 осуществляется при помощи стоек крепления 9 и 10. В стойках крепления размещены цилиндрические стержни 11 из магнитострикционного материала (инвар). Со стороны блока 5 концы стержней жестко закреплены в стойке крепления 9. Другие концы стержней 11 закреплены через втулку скольжения в стойке 10. Для создания технической намагниченности в стержнях 11 на них закреплены индукционные катушки 12. На концах стержней, обращенных к переходнику 7, расположен узел крепления и юстировки 13 зеркала . На расстоянии d от зеркала расположен узел крепления и юстировки 14 зеркала . Зеркала и образуют интерференционный отражатель r₂, образующий совместно с волноводной кюветой 1 и дифракционной решеткой r₁ оптический резонатор лазера. Расстояние между отражателями резонатора r₁ и r₂ составляет величину L=500 мм. Выбор коэффициентов отражения и отражателя r₂ осуществляется на основании формул (1-6) исходя из требований к области плавной перестройки частоты излучения на конкретном лазерном переходе. Высокочастотный разряд между электродами 2 и 3 в газовой смеси СО₂:N₂:Не=1:1:6, при давлении ~ 200-300 мм рт.ст., осуществляется при помощи высокочастотного блока питания 15 (~ 100 МГц) мощностью 250 Вт.

Процесс настройки на выделяемую частоту излучения осуществляется следующим образом. После напуска газовой смеси в волноводную кювету она герметизируется. Затем с помощью блока питания 15 в кювете зажигается высокочастотный емкостный разряд. После этого осуществляется предварительная настройка лазера на выделяемый лазерный переход при помощи юстировки дифракционной решетки и зеркала . Далее на узел крепления и юстировки 12 закрепляется зеркало и проводится его юстировка до получения максимальной мощности генерации в центре линии излучения выделяемого лазерного перехода, после чего от стабилизированного источника питания подается напряжение на индукционные катушки 12, возбуждающие в стержнях 11 техническую намагниченность. Вследствие магнитострикционного эффекта стержни изменяют свою длину, перемещая зеркало вдоль оптической оси резонатора лазера, что позволяет изменять межмодовый интервал интерференционного отражателя (см. выражение (6)), осуществляя тем самым плавную перестройку частоты излучения (см. выражение (4)).

Применение магнитострикционного устройства в конфигурации оптического резонатора волноводного СО₂ лазера позволит с большей стабильностью (не менее чем на 50%), по сравнению с пьезоэлектрическими устройствами подобного рода перемещать и фиксировать положение оптических отражающих элементов интерференционного типа для осуществления плавной перестройки частоты излучения. Данное техническое решение позволит расширить область применения перестраиваемых по частоте излучения волноводных СO₂ лазеров для их применения в спектроскопии многоатомных молекул, экологическом мониторинге окружающей атмосферы, в области создания высокотехнологического оборудования в различных областях науки и техники, в том числе и военно-технического назначения.

Источники информации

1. Патент 3772611 США, МКл. H 01 S 3/00, Waveguide Gas Laser Devices. / P.W. Smith. 1971.

2. Bridges T.I. a.o. CO₂ Waveguide Lasers./ T.I.Bridges, E.G. Burkhardt, P.W. Smith // Appl. Phys. Letters. Vol.20, №10, 1972. P.403-405.

3. Патент 4169251 США, МКл. Н 01 S 3/097. Waveguide Gas Laser with High Frequency Transvers Discharge Exitation /K.D. Laakman. 1978.

4. R.L. Abrams. Gigahertz Tunable Waveguide СО₂ Laser. Appl. Phys. Letters. 25, 304 (1974).

5. Патент 46776 США, МКл. H 01 S 3/22, МКл. H 01 S 3/10. RF-Excitted CO₂ Waveguide Laser with extended tuning range. Hans C. Marcinak, Frank E. Goodwin. 1987 (прототип).

6. Патент 1055613 Великобритании, МКл. Н 03 B 3\04, Н 03 J 1\06\\H 01 S. Freqency Stabilisation of Gas Masers./ Kouchi Shimoda and Kasuo Ito. 1967.

7. Abrams R.L. Apll. Phys. Lett. - 1974, vol. 25, p.609.

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано при разработке перестраиваемых по частоте излучения волноводных лазеров, применяемых в медицине, мониторинге атмосферы, оптических радарах, целеуказателях и устройствах прецизионной обработки материалов. Волноводный СО₂ лазер содержит резонатор, включающий волноводную газоразрядную ячейку, два зеркала и дифракционную решетку, и устройство для перемещения одного из зеркал вдоль его оси. Дифракционная решетка является первым отражателем резонатора, а второй отражатель резонатора состоит из двух интерференционных зеркал с коэффициентами отражения, которые выбираются исходя из требований к области плавной перестройки частоты излучения на конкретном лазерном переходе. Устройство для перемещения зеркала выполнено магнитострикционным. Обеспечено расширение спектра генерации и области плавной перестройки частоты излучения при сохранении высокой селективности резонатора по отношению к выделяемой частоте излучения. 1 ил.

Волноводный СО₂ лазер высокого давления с высокочастотным возбуждением, содержащий резонатор, включающий волноводную газоразрядную ячейку, два зеркала и дифракционную решетку, и устройство для перемещения одного из зеркал вдоль его оси, отличающийся тем, что дифракционная решетка является первым отражателем резонатора, а второй отражатель резонатора состоит из двух интерференционных зеркал с коэффициентами отражения, которые выбираются, исходя из требований к области плавной перестройки частоты излучения на конкретном лазерном переходе, при этом устройство для перемещения зеркала выполнено магнитострикционным.