ДВУХЧАСТОТНЫЙ ЗЕЕМАНОВСКИЙ ГЕЛИЙ-НЕОНОВЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 2011 года по МПК H01S3/13 

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано для создания двухчастотных зеемановских гелий-неоновых лазеров для интерферометрических измерений в нанотехнологии, машиностроении, оптической промышленности.

Известен двухчастотный стабилизированный газовый лазер, содержащий газоразрядную трубку, расположенную в вакуумной оболочке, и зеркала оптического резонатора, выполненные в виде подложек с нанесенными на них отражающими покрытиями. Подложки зеркал представляют собой четвертьволновые фазовые пластины, которые имеют возможность поворота относительно оси, что позволяет добиться нужной фазовой анизотропии. Контроль полученного значения анизотропии ведется по разностной частоте (см. СССР авт. свид. №1403942, кл. H01S 3/10, опубл. 30.08.92 г.).

Недостатком данного лазера является низкое значение мощности лазерного излучения, так как фазовые пластины вносят в резонатор большие потери.

Известен гелий-неоновый лазер, содержащий глухое с высоким коэффициентом отражения и выходное полупрозрачное зеркала, расположенные по торцам разрядной трубки. Глухое зеркало имеет двадцать или двадцать два чередующихся диэлектрических слоев с высоким (n>2,1) и низким (n<1,7) значениями показателя преломления, причем последний, считая от стеклянной подложки, слой имеет низкий показатель преломления и оптическую толщину λ/2, остальные слои имеют оптическую толщину λ/4. Выходное зеркало выполнено из двенадцати аналогичных чередующихся слоев с высоким и низким значениями показателя преломления. Такое решение позволяет получить разностную частоту не более 2 МГц (см. Япония з-ка №63-26560, кл. H01S 3/06, опубл. 30.05.86 г.).

Недостатком данного лазера является низкое значение разностной частоты, которое может быть получено при наложении аксиального магнитного поля на разрядную трубку. Это объясняется тем, что при вышеуказанном выполнении напыления на подложки зеркал, зеркала имеют изотропные свойства. А наибольшее значение разностной частоты в лазерах с изотропными зеркалами не превышает 2 МГц.

Наиболее близким по технической сущности является двухчастотный гелий-неоновый стабилизированный лазер, содержащий активный элемент в виде коаксиальной газоразрядной трубки с внутренними глухим и полупрозрачным выходным зеркалами, расположенными в юстировочных узлах, выполненных из магнитного материала, намагниченного магнитным полем величиной 1≤H≤50 мТ. Зеркала имеют напыление, состоящее из чередующихся слоев диэлектрических покрытий, например TiO₂ и SiO₂. Намагниченные юстировочные узлы создают фазовую анизотропию зеркал, которая определяется степенью ориентации диполей покрытия на зеркале. Активный элемент с внутренними изотропными зеркалами помещается в аксиальное магнитное поле величиной 10≤H≤50 мТ, под влиянием которого контур мощности излучения расщепляется на два контура, формируя разностную частоту f_p. Разностная частота возрастает под действием намагниченных юстировочных узлов. Наибольшее значение разностной частоты в этом лазере составляет 4 МГц. Дальнейшее увеличение разностной частоты, например, за счет уменьшения длины активного элемента, приводит к резкому снижению мощности (см. РФ пат. №2239266, кл. H01S 3/13, опубл. 27.10.2004 г. - прототип).

Недостатками данного лазера являются недостаточно высокое значение разностной частоты, а также низкое значение выходной мощности.

Задача изобретения - создание двухчастотного зеемановского гелий-неонового лазера с повышенной мощностью лазерного излучения, при повышенном значении разностной частоты.

Технический результат будет получен за счет использования разных парамагнитных материалов в качестве покрытия на зеркалах резонатора, а именно одно из зеркал - глухое - имеет напыление из чередующихся слоев пятиокиси тантала (Ta₂O₅) и двуокиси кремния (SiO₂), а другое полупрозрачное - выходное - имеет напыление из чередующихся слоев двуокиси гафния (HfO₂) и двуокиси кремния (SiO₂) и имеет пропускание ≈1÷3,5% для длины волны λ=0,63 мкм. Кроме того, магнитное поле должно быть достаточным для создания фазовой анизотропии в покрытиях зеркал, но в то же время не приводить к срыву существования разностной частоты, а повышенное значение мощности лазерного излучения обеспечивается повышенным пропусканием полупрозрачного выходного зеркала и практически нулевым пропусканием глухого.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном двухчастотном зеемановском гелий-неоновом лазере, содержащем активный элемент в виде коаксиальной газоразрядной трубки с внутренними глухим и полупрозрачным выходным зеркалами, расположенными в намагниченных юстировочных узлах, помещенный в аксиальное магнитное поле, покрытие глухого зеркала выполнено из 30 чередующихся слоев пятиокиси тантала (Ta₂O₅) и двуокиси кремния (SiO₂), а покрытие выходного полупрозрачного зеркала выполнено из 15-17 чередующихся слоев двуокиси гафния (HfO₂) и двуокиси кремния (SiO₂), при этом выходное полупрозрачное зеркало дополнительно имеет антиотражающее покрытие для длины волны λ=3,39 мкм, а для длины волны λ=0,63 мкм пропускание ≈1-3,5%.

Пятиокись тантала (Ta₂O₅), окись гафния (HfO₂), окись титана (TiO₂) являются парамагнетиками, поэтому во внешнем магнитном поле они, намагничиваясь, ориентируются вдоль силовых линий магнитного поля. Поскольку магнитное поле на поверхностях зеркал в резонаторе направлено в противоположные стороны, то при использовании одинакового покрытия зеркал, созданная магнитным полем фазовая анизотропия частично компенсируется. В том случае, когда на зеркала напыляются различные материалы с разной магнитной восприимчивостью и плотностью, коэффициенты преломления для разных поляризационных составляющих лазерного излучения начинают различаться, это и есть фазовая анизотропия резонатора, которая приводит к возрастанию разностной частоты.

Выполнение покрытия глухого зеркала из чередующихся слоев пятиокиси тантала (Ta₂O₅) и двуокиси кремния (SiO₂) позволяет получить покрытие с коэффициентами преломления для (Ta₂O₅) (n₁≥2,2), а для (SiO₂) (n₂≤1,7). Слои с более высоким коэффициентом преломления сформированы молекулами (Ta₂O₅) более тяжелыми, чем (TiO₂), т.к плотность (Ta₂O₅) больше плотности (TiO₂) и (HfO₂) более чем в два раза. Поэтому при наложении магнитного поля, в заявляемом техническом решении, ориентация молекул вдоль силовых линий магнитного поля создает большую фазовую анизотропию в резонаторе, образованном двумя зеркалами с напылением из разных материалов, чем в прототипе. Это приводит к тому, что разностная частота f_p повышается. При этом пропускание выходного зеркала, наряду с подавлением λ=3,39 мкм, за счет 6 слоев SiO₂, увеличено в 1,5-3,5 раза по сравнению с прототипом, что обеспечивает увеличение мощности выходного излучения.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений, результаты которого доказывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку не выявлены технические решения, в которых технический результат был бы получен за счет выполнения покрытия на зеркалах резонатора из разных парамагнитных материалов, т.е. когда одно из зеркал - глухое - имеет напыление из пятиокиси тантала (Ta₂O₅) и двуокиси кремния (SiO₂), а другое полупрозрачное - выходное - имеет напыление из двуокиси гафния (HfO₂) и двуокиси кремния (SiO₂) и имеет пропускание ≈1-3,5% для длины волны λ=0,63 мкм. Кроме того, величина магнитного поля достаточна для создания фазовой анизотропии в зеркалах с покрытиями из разных парамагнитных материалов, но в то же время не приводит к срыву существования разностной частоты, а повышенное значение мощности лазерного излучения обеспечивается повышенным пропусканием полупрозрачного выходного зеркала и почти нулевым пропусканием глухого зеркала.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень» по действующему законодательству.

На фиг.1 показана конструкция заявляемого двухчастотного зеемановского гелий-неонового лазера.

На фиг.2а показано выходное полупрозрачное зеркало, подложка которого имеет радиус кривизны рабочей поверхности R≈0,5/0,15 м.

На фиг.2б показано глухое зеркало, подложка которого имеет радиус кривизны рабочей поверхности R=∞.

Предлагаемый зеемановский двухчастотный гелий-неоновый лазер содержит активный элемент 1 в виде коаксиальной газоразрядной трубки с внутренними глухим 2 и полупрозрачным выходным 3 зеркалами. Зеркала 2, 3 размещены в юстировочных узлах 4, выполненных из магнитного материала, намагниченного полем величиной 1≤Н≤50 мТ. Выходное зеркало 3 (Фиг.2а), подложка которого имеет радиус кривизны рабочей поверхности R ≈0,5/0,15 м, выполнено полупрозрачным из 15÷17 чередующихся слоев двуокиси гафния (HfO₂) толщиной λ/4 и слоев двуокиси кремния (SiO₂) толщиной λ/4. Дополнительно выходное зеркало 3 имеет антиотражающее покрытие в виде 6 слоев напыления SiO₂ толщиной λ/4 на длину волны λ=3,39 мкм и пропускание ≈1-3,5% для длины волны λ=0,63 мкм. Глухое зеркало 2 (Фиг.2б), подложка которого имеет радиус кривизны рабочей поверхности R=∞, выполнено из 30 чередующихся слоев пятиокиси тантала (Та₂O₅) толщиной λ/4 и двуокиси кремния (SiO₂) толщиной λ/4, последний слой напыления SiO₂ толщиной λ/2. Активный элемент 1 с внутренними изотропными зеркалами 2, 3 помещается в аксиальное магнитное поле, формируемое магнитной системой 5.

Зеемановский двухчастотный гелий-неоновый лазер работает следующим образом: при подаче напряжения на активный элемент 1 возникает генерация, которая под действием поля намагниченных юстировочных узлов 4 и магнитного аксиального поля 5 расщепляется на две составляющие интенсивности лазерного излучения: горизонтальную и вертикальную. Разностная частота f_p между этими составляющими зависит от величины магнитного поля 5 и степени намагничивания юстировочных узлов 4. Намагниченные юстировочные узлы 4 ориентируют слои покрытия глухого и выходного зеркал вдоль силовых линий, что приводит к созданию фазовой анизотропии и повышению разностной частоты f_p. Выходное полупрозрачное зеркало, выполненное с пропусканием в пределах 1-3,5%, позволяет повысить выходную мощность за счет подавления конкурирующей длины волны λ=3,39 мкм.

Помещение намагниченных узлов с зеркалами, выполненных из различных парамагнитных материалов с различными физическими свойствами (магнитной восприимчивостью, плотностью и т.д.), в аксиальное магнитное поле, создает фазовую анизотропию резонатора, а коэффициенты преломления двух ортогональных поляризаций, отличаясь друг от друга, создают дополнительную фазовую анизотропию резонатора, а следовательно, повышенную разностную частоту. Глухое зеркало, выполненное из чередующихся слоев пятиокиси тантала (Та₂O₅) и двуокиси кремния (SiO₂), имеет более высокий коэффициент отражения, чем выполненное из (ТiO₂). Так как плотность Та₂О₅ выше, чем ТiO₂ и HfO₂, более чем в 2 раза, пропускание выходного зеркала можно увеличить, что приводит к повышению мощности. Таким образом, совокупность двух факторов - «тяжелые» слои напыления глухого зеркала и прозрачные «легкие» слои выходного зеркала - позволяют получить желаемый результат.

В качестве примера, подтверждающего получение требуемого технического результата, приводим зеемановский двухчастотный гелий-неоновый лазер ЛГН-212-1М, который позволяет получить разностную частоту f_p=6 МГц и мощность W≥0,6 мВт. Лазер излучает на длине волны λ=0,63 мкм, наложенное магнитное поле составляет 36 мТ. Габариты лазера составляют: 359×132×128 мм.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет получить более высокие значения разностной частоты и мощности излучения. Данное изобретение может быть использовано при разработке лазеров, применяемых в интерференционных устройствах.

Приведенный пример показывает, что заявленное изобретение соответствует требованию «промышленная применимость» по действующему законодательству.

Лазер содержит активный элемент в виде коаксиальной газоразрядной трубки с внутренними глухим и полупрозрачным выходным зеркалами, расположенными в намагниченных юстировочных узлах, помещенный в аксиальное магнитное поле. Покрытие глухого зеркала выполнено из 30 чередующихся слоев пятиокиси тантала (Ta₂O₅) и двуокиси кремния (SiO₂). Покрытие выходного полупрозрачного зеркала выполнено из 15÷17 чередующихся слоев двуокиси гафния (НfO₂) и двуокиси кремния (SiO₂). При этом выходное полупрозрачное зеркало дополнительно имеет антиотражающее покрытие для длины волны λ=3,39 мкм и пропускание ≈1÷3,5% для длины волны λ=0,63 мкм. Технический результат заключается в повышении мощности лазерного излучения при повышенном значении разностной частоты. 2 ил.

Двухчастотный зеемановский гелий-неоновый лазер, содержащий активный элемент в виде коаксиальной газоразрядной трубки с внутренними глухим и полупрозрачным выходным зеркалами, расположенными в намагниченных юстировочных узлах, помещенный в аксиальное магнитное поле, отличающийся тем, что покрытие глухого зеркала выполнено из 30 чередующихся слоев пятиокиси тантала (Ta₂O₅) и двуокиси кремния (SiO₂), а покрытие выходного полупрозрачного зеркала выполнено из 15÷17 чередующихся слоев двуокиси гафния (HfO₂) и двуокиси кремния (SiO₂), при этом выходное полупрозрачное зеркало дополнительно имеет антиотражающее покрытие для длины волны λ=3,39 мкм и пропускание ≈1÷3,5% для длины волны λ=0,63 мкм.