ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР С ВЫСОКОЧАСТОТНЫМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ Российский патент 2009 года по МПК H01S3/09 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании плоских компактных газовых лазеров, возбуждаемых высокочастотным электромагнитным полем и имеющих круговую осесимметричную диаграмму направленности выходного излучения, предназначенных для накачки нелинейных сред, обращающих волновой фронт зондирующего лазерного излучения в лазерных комплексах противодействия.

Известен газовый лазер [Ю. П. Райзер, М. Н. Шнейдер, Н. А. Яценко. Высокочастотный емкостный разряд. М.: Наука. Физматлит.1995. -320 с.] с высокочастотным возбуждением, в котором используется коаксиальный оптический резонатор с уголковым отражателем и трубчатые коаксиальные металлические высокочастотные электроды. В лазере осуществляется вывод индуцированного излучения в направлении оптической оси излучателя. По этой причине не формируется круговая диаграмма направленности - всесторонне направленный радиально сходящийся (расходящийся) пучок выходного оптического излучения.

Известен также газовый лазер [В. И. Юдин. Газовый лазер с высокочастотным возбуждением. Патент РФ №2227539, H01S 3/09, бюлл. №4, 10.02.04], действующий по принципу возбуждения активной среды высокочастотным полем и использующий тороидальный радиорезонатор магнетронного типа, емкостная часть которого образована близко расположенными один к другому софокусными вогнутым и выпуклым металлическими сферическими зеркалами, выполняющими одновременно функцию высокочастотных электродов.

Недостатки лазера заключаются в том, что в нем не формируется круговая диаграмма направленности, то есть всесторонне направленный радиально сходящийся (расходящийся) пучок выходного излучения.

Наиболее близким по технической сущности является плоский лазер [P. Е. Jackson, Н. J. Baker, D. R. Hall. Appl. Phis. Lett., 54, 1950 (1989)] (прототип), представляющий собой щелевой излучатель с возбуждением активной среды электромагнитным полем высокой частоты. Лазер содержит устройство электромагнитного возбуждения активной среды, выполненное в виде плоских металлических высокочастотных электродов прямоугольной формы, параллельных друг другу и расположенных один над другим, зазор между которыми заполнен активной газовой средой, высокочастотный генератор накачки, зеркала оптического резонатора, образующие неустойчивую конфигурацию. Направленный пучок выходного излучения лазера располагается в плоскости, параллельной плоскости высокочастотных электродов.

Недостатком лазера-прототипа является неспособность формировать круговую диаграмму направленности, то есть всесторонне направленный радиально сходящийся (расходящийся) пучок выходного оптического излучения, который обусловлен конструкцией лазера-прототипа и без изменения последней принципиально не может быть устранен.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является формирование круговой диаграммы направленности, то есть всесторонне направленного радиально сходящегося или расходящегося пучка выходного оптического излучения.

Технический результат достигается за счет того, что в предлагаемом газовом лазере с высокочастотным электромагнитным возбуждением, состоящем из высокочастотного генератора накачки, подключенного к нему устройства формирования электромагнитного поля возбуждения активной среды, выполненного в виде двух плоских, параллельных друг другу металлических электродов и оптического резонатора, вмещающего в своем объеме устройство формирования электромагнитного поля возбуждения активной среды вместе с самой активной средой и образованного двумя зеркалами, устройство формирования электромагнитного поля возбуждения активной среды образовано двумя высокочастотными электродами, имеющими форму плоских, параллельных, круглых, соосных металлических дисков, с отверстиями в центре, а оптический резонатор состоит из двух зеркал, выполненных в виде замкнутых колец, общая ось которых совмещена с осью высокочастотных дисковых электродов, причем кольцевое зеркало большего размера окаймляет круглые дисковые электроды по внешней кромке и имеет отражающее покрытие на внутренней поверхности, а кольцевое зеркало меньшего размера окаймляет круглые дисковые электроды по кромке центрального отверстия и имеет отражающее покрытие на внешней поверхности, и, по крайней мере, одно из зеркал полупрозрачно.

За счет того что активной среде придается форма диска, то есть форма, обладающая осевой симметрией, среда в плоскости, перпендикулярной оси, способна излучать свет во всех направлениях.

Чтобы активная среда лазера приобрела форму, подобную диску, она заполняет пространство зазора между двумя плоскими параллельными круглыми соосными металлическими дисками с отверстиями в центре, последние выполняют в лазере роль электродов, к которым подводится высокочастотное напряжение от высокочастотного генератора накачки. Электромагнитная энергия поля накачки возбуждает активную среду, которая помещается в оптический резонатор, образованный двумя зеркалами, выполненными в виде замкнутых колец большого и малого радиуса, общая ось которых совмещена с осью высокочастотных дисковых электродов. Кольцевое зеркало большего размера окаймляет круглые дисковые электроды по внешней кромке и имеет отражающее покрытие на своей внутренней поверхности, а кольцевое зеркало меньшего размера окаймляет круглые дисковые электроды по кромке центрального отверстия и имеет отражающее покрытие на внешней поверхности. В зависимости от того, какое из двух зеркал полупрозрачно, выходной пучок имеет расходящийся или сходящийся характер.

На фиг.1 показан общий вид лазера, на фиг.2 - устройство формирования высокочастотного поля возбуждения активной среды в виде двух плоских, параллельных, круглых, соосных, металлических дисков; на фиг.3 - оптический резонатор, образованный двумя кольцевыми зеркалами: фиг.3а - общий вид оптического резонатора; фиг.3б - сечение оптического резонатора экваториальной плоскостью А-А; фиг.3в - сечение оптического резонатора радиальной плоскостью В-В.

Газовый лазер содержит генератор высокочастотной энергии накачки 1 (фиг.1); устройство формирования электромагнитного поля возбуждения активной среды, состоящее из двух плоских, параллельных, круглых, металлических дисков 2 (фиг.1 и фиг.2), каждый из которых имеет в центре отверстие 3 (фиг.2) и общую ось симметрии 4 (фиг.2); межэлектродный зазор 5 (фиг.2), заполненный рабочей газовой (лазерной) смесью; оптический резонатор, образованный двумя зеркалами 6, 7 (фиг.1 и фиг.3), выполненными в виде замкнутых колец, общая ось которых совмещена с осью 4 (фиг.2) высокочастотных дисковых электродов, причем боковые обращенные друг к другу поверхности кольцевых зеркал 6, 7 (фиг.1 и фиг.3) являются плоскими или криволинейными и имеют отражающие покрытия соответственно 10 и 9 (фиг.1 и фиг.3).

Газовый лазер действует следующим образом. Энергия, вырабатываемая высокочастотным генератором 1, вводится в область зазора 5 между плоскими параллельными круглыми дисковыми электродами 2. Зазор 5 заполнен рабочей газовой смесью и является областью, в которой поддерживается высокочастотный разряд рабочей (лазерной) газовой смеси и генерируется индуцированное оптическое излучение. Лазерный эффект достигается подбором химического состава рабочей газовой смеси и парциальных давлений ее компонент, частоты и амплитуды высокочастотного поля накачки, геометрических параметров оптических зеркал 6, 7 и качеством отражающих покрытий 9, 10. При правильном сочетании перечисленных факторов рабочая газовая среда переходит в активное состояние, характеризующееся (для лазерного перехода) инверсией населенностей квантовых частиц (атомов, молекул, ионов) и наличием квантового усиления электромагнитного оптического излучения. Величина последнего устанавливается такой, чтобы перекрыть полные потери излучения в оптическом резонаторе и обеспечить выполнение условия баланса амплитуд. Оптический резонатор 6, 7 обеспечивает необходимую для работы лазера положительную обратную связь по оптическому полю и выполнение условия баланса фаз. На обращенные друг к другу поверхности кольцевых зеркал 6, 7 нанесены отражающие покрытия 9, 10. Одно из них придает соответствующему зеркалу качества «глухого», другое - качество полупрозрачного выходного. Сквозь полупрозрачное зеркало выводится полезное лазерное излучение, расходящееся 11, если выходным полупрозрачным является зеркало 7, или сходящееся 12, если выходным является зеркало 6, окаймляющее дисковые высокочастотные электроды 2 по кромке центрального отверстия 3. И в том, и в другом случае диаграмма направленности излучения лазера имеет круговую блинообразную форму, симметричную относительно оси 8. Последняя совмещена с осью 4, являясь поэтому общей осью симметрии лазера.

Таким образом, в предлагаемом лазере обеспечивается формирование круговой диаграммы направленности и, следовательно, устраняется недостаток лазера-прототипа. Предлагаемый лазер может быть реализован на отечественной элементной базе и не содержит дефицитных материалов.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании плоских компактных газовых лазеров, предназначенных для накачки нелинейных сред, обращающих волновой фронт зондирующего лазерного излучения в лазерных комплексах противодействия. Лазер включает высокочастотный генератор накачки, устройство формирования электромагнитного поля возбуждения активной среды, оптический резонатор, вмещающий в своем объеме устройство формирования электромагнитного поля возбуждения активной среды вместе с самой активной средой и образованный двумя зеркалами. В устройстве формирования электромагнитного поля возбуждения активной среды высокочастотные электроды имеют форму плоских, параллельных, круглых, соосных металлических дисков с отверстиями в центре. Оптический резонатор состоит из двух зеркал, выполненных в виде замкнутых колец, общая ось которых совмещена с осью высокочастотных дисковых электродов. Кольцевое зеркало большего размера окаймляет круглые дисковые электроды по внешней кромке и имеет отражающее покрытие на внутренней поверхности. Кольцевое зеркало меньшего размера окаймляет дисковые электроды по кромке центрального отверстия и имеет отражающее покрытие на внешней поверхности. Одно из зеркал полупрозрачно. Технический результат - формирование круговой диаграммы направленности, то есть всесторонне направленного радиально сходящегося или расходящегося пучка выходного оптического излучения. 3 ил.

Газовый лазер с высокочастотным электромагнитным возбуждением, включающий высокочастотный генератор накачки, подключенный к устройству формирования электромагнитного поля возбуждения активной среды, выполненному в виде двух плоских, параллельных друг другу металлических электродов, зазор между которыми заполнен активной средой, и оптический резонатор, вмещающий в своем объеме устройство формирования электромагнитного поля возбуждения активной среды вместе с самой активной средой и образованный двумя зеркалами, отличающийся тем, что в устройстве формирования электромагнитного поля возбуждения активной среды высокочастотные электроды имеют форму плоских, параллельных, круглых, соосных металлических дисков с отверстиями в центре, а оптический резонатор состоит из двух зеркал, выполненных в виде замкнутых колец, общая ось которых совмещена с осью высокочастотных дисковых электродов, причем кольцевое зеркало большего размера окаймляет круглые дисковые электроды по внешней кромке и имеет отражающее покрытие на внутренней поверхности, а кольцевое зеркало меньшего размера окаймляет дисковые электроды по кромке центрального отверстия и имеет отражающее покрытие на внешней поверхности, причем, по крайней мере, одно из зеркал полупрозрачно.