ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР С ВНУТРИРЕЗОНАТОРНЫМ СКАНИРОВАНИЕМ ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК H01S3/81 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании лазерных систем наведения, навигации, пеленгации.

Известен газовый лазер с внутрирезонаторным сканированием излучения [А.Н.Ишутин, Ю.Ф.Кузьмин, В.В.Макаров, Г.Н.Худяков, В.И.Юдин. Газовый лазер с внутрирезонаторным сканированием излучения. Авторское свидетельство СССР №1391423, кл. H01S 3/10, 1986 г.], в котором устройство высокочастотного (ВЧ) возбуждения активной среды выполнено в виде подключенных к ВЧ генератору двух плоских параллельных ВЧ электродов, один из которых со стороны межэлектродного промежутка покрыт слоем диэлектрика с нанесенными на него параллельными токопроводящими дорожками, параллельными друг другу, ориентированными вдоль оси резонатора и соединенными через коммутатор с отрицательным полюсом источника постоянного напряжения, положительный полюс которого через фильтр низкой частоты подключен к ВЧ электродам. При этом оптический резонатор образован полностью отражающим сферическим зеркалом и расположенным в его фокальной плоскости плоским зеркалом с полупрозрачной зоной в центре и полностью отражающей зоной на периферии, а рабочая среда размещена между плоскими ВЧ электродами.

Недостатком известного лазера является ограниченный угловой сектор сканирования выходного лазерного пучка

где D - ширина ВЧ электродов; R - радиус кривизны сферического зеркала. Другой недостаток заключается в том, что в пределах указанного углового сектора сканирования лазерный пучок принимает только дискретные положения, число которых равно количеству токопроводящих дорожек. Поэтому число элементов разрешения конечно, и непрерывное плавное сканирование в известном лазере не достигается.

Изобретение направлено на расширение сектора сканирования до 180°, а также придание лазеру режима непрерывного углового отклонения в пределах заданного сектора.

Это достигается тем, что оптический резонатор образован кольцевым зеркалом, имеет концентрическую конфигурацию в экваториальной плоскости, устойчивую конфигурацию в осевой плоскости и снабжен отражающим покрытием на внутренней поверхности кольцевого зеркала, причем на одной половине периметра зеркала покрытие обеспечивает полное отражение, а на другой половине - частичное отражение; ВЧ электроды имеют форму круглых соосных плоских параллельных металлических дисков, на одном из них, покрытом слоем диэлектрика, по всей поверхности, обращенной внутрь межэлектродного зазора, нанесены токопроводящие клиновидные дорожки, ориентированные в радиальном направлении от центральной круговой области диаметром d к внешней кромке дискового электрода диаметром D, причем все пары диаметрально противоположных дорожек кроме одной или нескольких соседних пар подключаются к отрицательному полюсу источника постоянного «гасящего» напряжения. В режиме непрерывного сканирования «волна обнуления» отрицательного «гасящего» потенциала перемещается по кругу вдоль цепочки токопроводящих дорожек в ту или иную сторону.

В данном техническом решении широкий угол сектора сканирования достигается поворотом канала возбуждения рабочей среды за счет его смещения вслед за волной «обнуления» отрицательного «гасящего» напряжения. Для этого ВЧ электроды выполняются в виде плоских круглых дисков, а токопроводящие дорожки на поверхности одного из них ориентированы радиально. Если ко всем парам диаметрально противоположных дорожек подведено отрицательное постоянное напряжение кроме одной пары, то высокочастотный разряд оказывается погашенным в объеме межэлектродного пространства всюду кроме одного канала, расположенного над парой дорожек, на которой отрицательный постоянный «гасящий» потенциал отсутствует. Если эта пара составлена из k-той и (n+k)-той дорожек, то лазерный пучок, генерируемый в канале активной среды, расположенном над данной парой дорожек, будет ориентирован под углом θ_{k, n+k}. Число таких дискретных ориентаций лазерного пучка в угловом секторе, близком к 180°, равно n. При переходе в режим непрерывного сканирования отрицательный «гасящий» потенциал не подводится к двум или трем соседним парам токопроводящих дорожек: например, к (k, n+k)-той и соседней с ней (k+1, n+k+1)-той. Для плавного изменения угла отклонения выходного лазерного излучения в сторону возрастания от 0° до 180° отрицательный «гасящий» потенциал по закону бегущей волны быстро переходит с пары (k+2, n+k+2) на пару (k, n+k) и так далее.

В конструкции предлагаемого лазера с внутрирезонаторным сканированием отпадает необходимость в плоском зеркале с полупрозрачным отверстием для вывода излучения, и помимо дискретного отклонения выходного излучения на углы θ₁,_n+1, θ₂, _n+2, …, θ_k, _n+k, (1≤k≤n) возможно плавное изменение его углового положения от θ=0° до θ=180°, когда «волна» отсутствующего отрицательного «гасящего» потенциала на двух или трех соседних парах диаметрально противоположных токопроводящих дорожек «бежит» по кругу вдоль цепочки дорожек.

На фиг.1 изображен общий вид лазера; на фиг.2 - сечение лазера осевой плоскостью; на фиг.3 - круговой кольцевой оптический резонатор; на фиг.4 - сечение оптического резонатора в осевой плоскости; на фиг.5 - схема подведения к радиальным клиновидным токопроводящим дорожкам отрицательного «гасящего» потенциала от источника постоянного напряжения.

Лазер содержит: круговое кольцевое зеркало 1, на внутренней поверхности которого имеется отражающее покрытие, причем на одной половине периметра - полностью отражающее 2, на другой - частично отражающее 3; ВЧ электроды 4, 5, имеющие форму круглых соосных плоских параллельных металлических дисков, поверхность одного их которых (5), обращенная внутрь межэлектродного зазора, покрыта слоем диэлектрика 6 с нанесенными на него токопроводящими радиально ориентированными дорожками 7, каждая диаметрально противоположная пара которых, например k-я и (k+n)-я дорожки (1≤k≤n, 2n - полное число дорожек на дисковом ВЧ электроде), имеет вывод 8, подключаемый с помощью коммутатора к источнику постоянного отрицательного «гасящего» напряжения; ВЧ электроды, с помощью выводов 9 соединенные с ВЧ генератором накачки; рабочую среду 10, заполняющую межэлектродный промежуток, генерирующую, когда рабочая среда переведена в активное состояние.

Лазер действует следующим образом. После подключения ВЧ генератора к выводам 9 в рабочей среде, заполняющей промежуток между ВЧ электродами 4, 5, возбуждается высокочастотный разряд. Рабочая среда становится активной и, будучи помещенной внутрь оптического резонатора, образованного кольцевым зеркалом 1 с полностью отражающим покрытием 2 на одной половине периметра внутренней поверхности и частично отражающим покрытием 3 на другой половине, генерирует индуцированное излучение. Одновременно с появлением ВЧ поля накачки в межэлектродном промежутке создается отрицательное «гасящее» постоянное поле за счет подведения к токопроводящим дорожкам 7 с помощью выводов 8 отрицательного потенциала. Величина отрицательного потенциала выбирается такой, чтобы погасить высокочастотный разряд. Рабочая среда 10 теряет активные свойства, генерация индуцированного излучения становится невозможной. Если гасящий отрицательный потенциал подвести ко всем токоведущим дорожкам кроме одной пары, например, составленной из k-той и (k+n)-той дорожек, тогда рабочая среда переходит в активное состояние в объеме канала, ось которого ориентирована вдоль указанной пары токопроводящих дорожек. В этом случае лазер генерирует пучок индуцированного излучения, ориентированный под углом θ_{k, n+k} в плоскости XOY.

Если гасящий отрицательный потенциал подвести ко всем токоведущим дорожкам, кроме пары диаметрально противоположных дорожек (k+1)-той и (k+n+1)-той, то пучок сместится на угол 360°/(2n). Обнуление отрицательного потенциала на любой паре диаметрально противоположных токопроводящих дорожек приводит к генерации индуцированного излучения в направлении, заданном данной парой. Таким образом в лазере осуществляется сканирование выходного пучка по 2n дискретным направлениям в секторе 180°с регулярным или произвольным порядком перехода от одного направления к другому. В режиме непрерывного сканирования обнуляется отрицательный постоянный «гасящий» потенциал на двух (или трех) соседних парах дорожек, и «волна обнуления» перемещается от первой, второй и (n+1)-й, (n+2)-й пар дорожек к (n-1)-й, n-й и (2n-1)-й, 2n-й паре. Соответственно, направление выходного пучка изменяется плавно от θ=0° до θ=180°.

Экспериментальная проверка проводилась с цельнометаллическим (сталь 12ХН10Т) лазером, в котором ВЧ дисковые электроды диаметром D=320 мм изготавливались из бескислородной меди. Один электрод покрывался слоем высокочастотной керамики, поверх которой наносились токопроводящие дорожки клиновидной формы в количестве 84 штук. Дорожки имели ширину 10 мм и зазор между собой 2 мм на внешней кромке диаметром D и сужались до 1 мм при зазоре 0,5 мм в центре диска на окружности диаметром d=40 мм.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в создании лазерных систем наведения, навигации и пеленгации. Техническим результатом изобретения является расширение сектора сканирования до 180°, а также придание лазеру режима непрерывного углового отклонения в пределах заданного сектора. Газовый лазер с внутрирезонаторным сканированием излучения содержит оптический резонатор, образованный круговым кольцевым зеркалом, имеющим концентрическую конфигурацию в экваториальной плоскости, устойчивую симметричную конфигурацию в осевой плоскости и снабжен отражающим покрытием на внутренней поверхности кольцевого зеркала, причем на одной половине периметра зеркала покрытие обеспечивает полное отражение, а на другой половине - частичное отражение. Устройство также содержит систему высокочастотного возбуждения активной среды со сканирующим устройством, выполненную в виде двух параллельных друг другу металлических высокочастотных электродов, при этом высокочастотные электроды выполнены в виде круглых плоских параллельных металлических дисков, на одном из них, покрытом слоем диэлектрика, нанесены токопроводящие клиновидные дорожки, ориентированные в радиальном направлении от центральной круговой области диаметром d к внешней кромке дискового электрода диаметром D, причем все пары диаметрально противоположных дорожек кроме одной или нескольких соседних пар подключены к отрицательному полюсу источника «гасящего» постоянного напряжения, и в режиме непрерывного сканирования «волна обнуления» отрицательного потенциала перемещается вдоль цепочки дорожек в ту или иную сторону. 5 ил.

Газовый лазер с внутрирезонаторным сканированием излучения, содержащий оптический резонатор, систему высокочастотного возбуждения активной среды со сканирующим устройством, выполненную в виде двух плоских параллельных друг другу металлических высокочастотных электродов, один из которых со стороны межэлектродного промежутка покрыт слоем диэлектрика с нанесенными на него токопроводящими дорожками, подключаемыми электронным коммутатором к отрицательному полюсу источника «гасящего» постоянного напряжения, положительный полюс которого через фильтр низкой частоты соединен с высокочастотными электродами, и активную среду, которая размещена между высокочастотными электродами, отличающийся тем, что оптический резонатор образован круговым кольцевым зеркалом, имеет концентрическую конфигурацию в экваториальной плоскости, устойчивую симметричную конфигурацию в осевой плоскости и снабжен отражающим покрытием на внутренней поверхности кольцевого зеркала, причем на одной половине периметра зеркала покрытие обеспечивает полное отражение, а на другой половине - частичное отражение; высокочастотные электроды выполнены в виде круглых плоских соосных параллельных металлических дисков, на одном из них, покрытом слоем диэлектрика, нанесены токопроводящие клиновидные дорожки, ориентированные в радиальном направлении от центральной круговой области диаметром d к внешней кромке дискового электрода диаметром D, причем все пары диаметрально противоположных дорожек кроме одной или нескольких соседних пар подключены к отрицательному полюсу источника «гасящего» постоянного напряжения, и в режиме непрерывного сканирования «волна обнуления» отрицательного потенциала перемещается вдоль цепочки дорожек в ту или иную сторону.