ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ Российский патент 2011 года по МПК H01S3/97 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в системах оптической связи по открытому атмосферному каналу с подвижными и стационарными объектами, рассредоточенными на местности.

Известна лазерная линия связи (AIRFIBER.com), содержащая четыре устройства передачи данных по оптическому каналу, блок управления и батарейный блок, предлагаемая для решения проблемы «последней мили» путем передачи данных с некоторого стационарного пункта в четырех фиксированных направлениях.

Недостатком данной лазерной линии связи является неспособность поддержания связи с несколькими подвижными объектами.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является газовый лазер с высокочастотным электромагнитным возбуждением по патенту РФ №2345458 от 19.11.2007; бюл. №3, 27.01.2009, авторов И.К.Архипова, И.М.Кириллова, В.И.Юдина, принятый за прототип.

Устройство-прототип содержит устройство формирования электромагнитного поля возбуждения активной среды, высокочастотные электроды которого имеют форму плоских, параллельных, круглых, соосных металлических дисков с отверстиями в центре, а оптический резонатор состоит из двух концентричных кольцевых зеркал, 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.

Недостатки лазера заключаются в невозможности:

- одновременного формирования нескольких направленных пучков индуцированного излучения, модулированных одинаковыми или разными информационными сигналами, с одновременным автономным управлением ориентации каждого пучка в азимутальной плоскости;

- полноазимутального сканирования радиально направленного пучка выходного индуцированного излучения;

- формирования круговой осесимметричной диаграммы направленности модулированного выходного индуцированного излучения в азимутальной плоскости.

Задачей предлагаемого устройства является расширение функциональных возможностей.

Для решения поставленной задачи в газовый лазер с электромагнитным возбуждением, включающий активную среду, источник электромагнитной энергии возбуждения, устройство формирования электромагнитного поля возбуждения, состоящее из высокочастотного плоского, круглого, соосного, металлического диска с отверстием в центре, оптический резонатор, образованный двумя концентрическими зеркалами, выполненными в виде замкнутых колец, общая ось которых совмещена с осью высокочастотного дискового электрода, причем кольцевое зеркало большего размера окаймляет круглый дисковый электрод по внешней кромке и имеет отражающее покрытие на внутренней поверхности, а кольцевое зеркало меньшего размера окаймляет дисковый электрод по кромке центрального отверстия и имеет отражающее покрытие на внешней поверхности, причем кольцевое зеркало большего размера полупрозрачно, согласно изобретению введены коммутатор и источник информационных сигналов, а в устройство формирования электромагнитного поля возбуждения активной среды - диэлектрическая пластина, имеющая отверстие в центре и нанесенные на ее поверхность, обращенную к металлическому электроду, N радиальных полосковых металлических высокочастотных электродов клиновидной формы, соединенных через коммутатор с источником электромагнитной энергии возбуждения и с источником информационных сигналов так, что к обоим источникам подключены отдельный полосковый электрод (например, k-й) или группа двух соседних полосковых электродов, например (i, i+1) и (N-1, N), формирующих радиально направленные пучки индуцированного излучения, модулированного одинаковыми или разными информационными сигналами с одновременным автономным управлением ориентации каждого пучка в азимутальной плоскости.

На фиг.1 показан общий вид лазерного излучателя с вырезом в передней части; на фиг.2 - вид по стрелке В на диэлектрическую круглую пластину с полосовыми клиновидными высокочастотными электродами, подключенными через коммутатор к источнику электромагнитной энергии возбуждения и источнику информационных сигналов.

На фиг.3 - вид по стрелке В при подведении электромагнитной энергии возбуждения к полосковым клиновидным высокочастотным электродам: к (i), (i+1)-му; к (N-1), (N)-му; к (k)-му; на фиг.4 - сечение лазера по А-А.

Принятые обозначения на фиг.1-4:

1 - источник электромагнитной энергии возбуждения;

2 - плоский круглый металлический дисковый электрод;

3 - плоская круглая диэлектрическая пластина;

4 - радиальные полосковые металлические высокочастотные электроды клиновидной формы;

5 - рабочая газовая (лазерная) смесь;

6 - области активной среды;

7 - полупрозрачное выходное зеркало;

8 - отражающее покрытие внутренней поверхности выходного зеркала;

9 - «глухое» зеркало;

10 - отражающее покрытие внешней поверхности «глухого» зеркала;

11 - пучки индуцированного излучения;

12 - коммутатор;

13 - источник информационных сигналов.

Газовый лазер содержит источник электромагнитной энергии возбуждения 1 (фиг.2), устройство формирования электромагнитного поля возбуждения активной среды, состоящее из одного плоского круглого металлического дискового электрода 2 (фиг.2 и 3) с отверстием в центре и одной плоской, круглой, параллельной металлическому электроду 2, соосной с ним и равновеликой ему по размерам диэлектрической пластиной 3 (фиг.2-4), имеющей отверстие в центре, и N радиальных полосковых металлических высокочастотных электродов клиновидной формы 4 (фиг.1-4); рабочую газовую (лазерную) смесь 5 (фиг.2 и 3); области активной среды 6 (фиг.2-4). Кроме того, оптический резонатор, образованный двумя кольцевыми соосными зеркалами (с общей осью симметрии, совпадающей с осью симметрии металлического электрода 2 и диэлектрической пластины 3), одно которых 7 (кольцевое зеркало большего размера) окаймляет металлический 2 и диэлектрический 3 диски снаружи по внешней кромке, а второе 9 (кольцевое зеркало меньшего размера) окаймляет металлический 2 и диэлектрический 3 диски по кромке центрального отверстия, причем кольцевые зеркала 7 и 9. Полупрозрачное выходное зеркало 7 (фиг.2 и 3) выполнено с отражающим покрытием 8 на внутренней поверхности (фиг.2 и 3), «глухое» зеркало 9 (фиг.2 и 3) - с отражающим покрытием 10 на внешней поверхности (фиг.3). Причем полупрозрачное выходное зеркало 7 имеет больший размер, а «глухое» зеркало 9 - меньший размер. Радиально направленные, ориентированные на объекты связи пучки индуцированного излучения 11 (фиг.3), модулированные информационными сигналами, подводимыми через коммутатор 12 (фиг.1) от источника информационных сигналов 13 (фиг.1).

Предлагаемый лазер может быть реализован на отечественной элементной базе и не содержит дефицитных материалов.

Газовый лазер действует следующим образом.

Энергия, вырабатываемая источником электромагнитной энергии возбуждения 1, вводится в зазор между круглым металлическим дисковым электродом 2 и соосной с ним плоской круглой диэлектрической пластиной 3 за счет поддержания высокочастотного напряжения между дисковым электродом 2 и N радиальными полосковыми металлическими электродами 4, нанесенными на поверхность диэлектрической пластины 3, обращенной к металлическому дисковому электроду 2. Зазор между металлическим 2 и диэлектрическим 3 дисками заполнен рабочей газовой смесью 5, в которой под действием высокочастотного напряжения формируется N областей газоразрядной плазмы, в объеме которой рабочая газовая смесь 5 переводится в состояние активной лазерной среды 6. Из-за близкого взаимного расположения границы областей газоразрядной плазмы вследствие диффузии размываются и смыкаются, так что весь объем зазора между металлическим 2 и диэлектрическим 3 дисками оказывается заполненным активной средой 6. Находясь внутри устойчивого оптического резонатора, образованного двумя концентрическими кольцевыми зеркалами 7 и 9, одно из которых - 7 (полупрозрачное, большего размера), окаймляющее металлический 2 и диэлектрический 3 диски по внешней кромке, а второе - 9 («глухое», меньшего размера), окаймляющее металлический 2 и диэлектрический 3 диски по кромке центрального отверстия, активная лазерная среда (при правильном подборе мощности и частоты электромагнитного поля возбуждения, химического состава, парциальных давлений компонент и полного давления рабочей газовой смеси) становится зоной генерации индуцированного лазерного излучения.

Если высокочастотное напряжение возбуждения подводится одновременно ко всем N радиальным полосковым электродам 4, индуцированное излучение расходится радиально во всех направлениях, поэтому лазер имеет круговую осесимметричную диаграмму направленности блинообразной формы. Добавление к высокочастотному напряжению возбуждения напряжения модулирующего информационного сигнала, подводимого ко всем N электродам 4 от источника информационных сигналов 13 через коммутатор 12, приводит к тому, что во всех радиальных направлениях из лазера выводится модулированное индуцированное излучение, переносящее одинаковую информацию. Когда высокочастотное напряжение возбуждения подводится к отдельным полосковым электродам 4 (например, к k-му) или к группам двух соседних полосковых электродов (например, к (i, i+1)-му, к (N-1, N)-му), в лазере формируются отдельные локальные области активной среды 6, генерирующие индуцированное излучение, представленное радиально направленными пучками излучения 11, которые могут быть ориентированы на объекты связи, имеющие разные азимутальные координаты местоположения. При этом модуляция индуцированного излучения каждого радиально направленного пучка 11 может быть индивидуальной, одинаковой или отличной от модуляции других пучков. Если же высокочастотное напряжение возбуждения подводится в виде бегущей волны поочередно к одному или к двум соседним полосковым электродам 4 (например, к (i); (i, i+1); (i+1); (i+1, i+2) и т.п.), то одиночный выходной пучок радиально направленного излучения 11 переходит в режим азимутального сканирования, совершая полный поворот вокруг оси лазера за время, определяемое скоростью движения волны высокочастотного напряжения возбуждения по радиальным полосковым высокочастотным электродам 4.

В газовом лазере с электромагнитным возбуждением рабочая газовая смесь 5 заполняет зазор между двумя круглыми соосными дисками 2 и 3. Один из дисков 2 - металлический - является высокочастотным электродом. Роль другого высокочастотного электрода выполняет набор N радиальных полосковых электродов клиновидной формы 4, нанесенных на поверхность диэлектрического диска 5, обращенную к металлическому дисковому электроду 2.

Новым в предлагаемом лазере является то, что если высокочастотное напряжение возбуждения подводится одновременно ко всем N радиальными полосковым электродам 4, а через коммутатор 12 каждый полосковый электрод 4 подключен к источнику информационного сигнала 13, то на выходе лазера формируется радиально направленное (по всем азимутальным углам) модулированное индуцированное излучение с круговой диаграммой направленности. Когда высокочастотное напряжение возбуждения подводится к отдельным полосковым электродам 4 (например, к k-му) или к группам двух соседних полосковых электродов (например, к (i, i+1)-му, к (N-1, N)-му), в лазере формируются отдельные локальные области активной среды, генерирующие индуцированное излучение, представленное радиально направленными пучками излучения 11, которые ориентированы на объекты связи, имеющие разные азимутальные координаты местоположения, и могут быть промодулированы одинаковыми или разными информационными сигналами. Если же высокочастотное напряжение возбуждения в виде бегущей волны подводится поочередно к одному или к двум соседним полосковым электродам 4, то одиночный выходной пучок радиально направленного излучения 11 переходит в режим азимутального сканирования, совершая полный поворот вокруг оси лазера за время, определяемое скоростью движения волны высокочастотного напряжения возбуждения по радиальным полосковым высокочастотным электродам 4.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является: формирование одновременно нескольких радиально направленных пучков индуцированного излучения, модулированных одинаковыми или разными информационными сигналами, с одновременным автономным управлением ориентации каждого пучка в азимутальной плоскости; полноазимутальное сканирование радиально направленного пучка индуцированного излучения; формирование круговой диаграммы направленности модулированного индуцированного излучения в азимутальной плоскости.

Лазер включает активную среду, источник электромагнитной энергии возбуждения, устройство формирования электромагнитного поля возбуждения и оптический резонатор. Устройство формирования электромагнитного поля возбуждения состоит из плоского, круглого, металлического дискового высокочастотного электрода с отверстием в центре и диэлектрической пластины. Резонатор образован двумя зеркалами, выполненными в виде замкнутых колец, общая ось которых совмещена с осью металлического дискового электрода. Кольцевое зеркало большего размера окаймляет дисковый электрод по внешней кромке и имеет отражающее покрытие на внутренней поверхности, а кольцевое зеркало меньшего размера окаймляет дисковый электрод по кромке центрального отверстия и имеет отражающее покрытие на внешней поверхности. Указанная пластина имеет отверстие в центре и нанесенные на ее поверхность N радиальных полосковых металлических высокочастотных электродов клиновидной формы, соединенных через коммутатор с источником электромагнитной энергии возбуждения и с источником информационных сигналов. При этом к обоим источникам подключены отдельный полосковый электрод (например, k-й) или группа двух соседних полосковых электродов, например (i, i+1) и (N-1, N), формирующих радиально направленные пучки индуцированного излучения, модулированного одинаковыми или разными информационными сигналами с одновременным автономным управлением ориентации каждого пучка в азимутальной плоскости. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Газовый лазер с электромагнитным возбуждением, включающий активную среду, источник электромагнитной энергии возбуждения, устройство формирования электромагнитного поля возбуждения, состоящее из плоского, круглого, металлического дискового высокочастотного электрода с отверстием в центре, оптический резонатор, образованный двумя концентрическими зеркалами, выполненными в виде замкнутых колец, общая ось которых совмещена с осью металлического дискового высокочастотного электрода, причем кольцевое зеркало большего размера окаймляет круглый дисковый электрод по внешней кромке и имеет отражающее покрытие на внутренней поверхности, а кольцевое зеркало меньшего размера окаймляет дисковый электрод по кромке центрального отверстия и имеет отражающее покрытие на внешней поверхности, причем кольцевое зеркало большего размера полупрозрачно, отличающийся тем, что введены коммутатор и источник информационных сигналов, а в устройство формирования электромагнитного поля возбуждения активной среды - диэлектрическая пластина, имеющая отверстие в центре и нанесенные на ее поверхность, обращенную к металлическому дисковому высокочастотному электроду, N радиальных полосковых металлических высокочастотных электродов клиновидной формы, соединенных через коммутатор с источником электромагнитной энергии возбуждения и с источником информационных сигналов так, что к обоим источникам подключены отдельный полосковый электрод (например, k-ый) или группа двух соседних полосковых электродов, например (i, i+1) и (N-1, N), формирующих радиально направленные пучки индуцированного излучения, модулированного одинаковыми или разными информационными сигналами с одновременным автономным управлением ориентации каждого пучка в азимутальной плоскости.

2. Газовый лазер по п.1, отличающийся тем, что коммутатор выполнен с возможностью поочередного подключения одного или двух соседних полосковых электродов ((i), (i, i+1), (i+1), (i+1, i+2) и т.д. к источнику электромагнитной энергии возбуждения, соответственно последовательным подключениям бегущей по окружности диэлектрической пластины волны высокочастотного возбуждения, а направленный радиальный пучок индуцированного излучения азимутально сканирует, совершая полный поворот вокруг оси лазера за время, определяемое скоростью движения волны высокочастотного возбуждения по радиальным полосковым высокочастотным электродам.

3. Газовый лазер по п.1, отличающийся тем, что все N полосковые высокочастотные металлические электроды через коммутатор подключены к источникам электромагнитной энергии возбуждения и информационных сигналов, а диаграмма направленности выходного индуцированного излучения имеет круговую осесимметричную форму.