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

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в атмосферных лазерных линиях связи с повышенной скрытностью передачи информации.

Известен лазер по патенту РФ №1708121, H01S 3/10, приоритет 11.10.1989 «Газовый лазер с внутрирезонаторным сканированием излучения», Ишутин А.Н., Кузьмин Ю.Ф., Макаров В.В., Худяков Г.Н., Юдин В.И., в котором система возбуждения со сканирующим устройством выполнена в виде подключенных к ВЧ-генератору двух плоских параллельных металлических ВЧ-электродов, один из которых со стороны межэлектродного промежутка покрыт слоем диэлектрика с нанесенными на него параллельными токопроводящими дорожками (полосками), 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.

Лазер не позволяет генерировать излучения одновременно на нескольких спектральных линиях, имеющих разные длины волн (частоты).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является газовый лазер с перестраиваемым спектром излучения по патенту №2035812, H01S 3/104, приоритет 03.07.1990 г., принятый за прототип.

Устройство-прототип содержит активную среду, оптический резонатор, имеющий двухплечевую V-образную конфигурацию с размещенными на его концах отражающей дифракционной решеткой и плоским выходным зеркалом, а в основании V-конфигурации - цилиндрическим зеркалом, при этом дифракционная решетка установлена в фокальной плоскости цилиндрического зеркала по автоколлимационной схеме, активная среда расположена между цилиндрическим и плоским выходным зеркалами вместе с системой возбуждения и устройством пространственной селекции линий спектра излучения, содержащим два высокочастотных электрода в форме прямоугольных металлических пластин, зазор между которыми заполнен активной средой, и набор дополнительных металлических полосковых электродов (дорожек), нанесенных через диэлектрическую пластину на один из высокочастотных прямоугольных металлических электродов на его поверхность со стороны межэлектродного зазора и соединенных через коммутатор с высокочастотным генератором накачки.

Однако устройство-прототип не позволяет осуществление скрытной передачи информации из-за отсутствия одновременной генерации многочастотного (многоволнового) излучения, отсутствия модуляции информационным сигналом одной из частот выходного излучения и отсутствия при этом одновременной модуляции шумом остальных частот, присутствующих в выходном излучении.

Недостатком лазера-прототипа является невозможность скрытной передачи информации.

Задачей предлагаемого устройства является расширение функциональных возможностей за счет осуществления скрытной передачи информации.

Для решения поставленной задачи в газовый лазер с электромагнитным возбуждением, содержащий активную среду с системой возбуждения, расположенные между цилиндрическим и плоским зеркалами, оптический резонатор, имеющий V-образную конфигурацию, с размещенными на его концах соответственно отражающей дифракционной решеткой и плоского выходного зеркала, при этом дифракционная решетка установлена в фокальной плоскости цилиндрического зеркала по автоколлимационной схеме, устройство пространственной селекции линий спектра излучения совмещено с системой возбуждения, содержащей один плоский металлический высокочастотный электрод и набор N проводящих полосковых электродов, протяженных вдоль оптической оси резонатора, изолированных друг от друга и расположенных согласовано с траекториями оптических лучей каждой линии спектра, каждый из набора N проводящих полосковых электродов подключен к коммутатору, вход которого подсоединен к выходу генератора электромагнитной энергии возбуждения, отличающийся тем, что введены источник информационного сигнала, генератор шумовых колебаний и программно-управляющий блок, причем выходы введенных блоков соединены с соответствующими входами коммутатора, кроме того, на плоскую диэлектрическую пластину, имеющую те же форму и размеры, что и плоский металлический высокочастотный электрод, и расположенную параллельно ему, нанесены проводящие полосковые высокочастотные электроды, каждый из которых подключен к соответствующему выходу коммутатора, выполненного с возможностью одновременной подачи электромагнитных колебаний возбуждения ко всем N (1, 2, …i, …N) проводящим полосковым высокочастотным электродам, информационного сигнала - к одному, например, i-му полосковому электроду, шумовых колебаний - на все остальные (N-1) полосковые электроды, кроме i-го, а также выбора и смены i-го электрода в процессе работы лазера в качестве информационного среди всех N электродов скачкообразно, по сигналу программно-управляющего блока.

На фиг.1 показан общий вид предлагаемого устройства, на фиг.2 - поперечное сечение А-А с N каналами активной среды и пучками индуцированного излучения на выходе лазера, на фиг.3 - схема подключения системы высокочастотного электромагнитного возбуждения и устройства пространственной селекции линий спектра излучения к генератору высокочастотной электромагнитной энергии, к источнику информационного сигнала, к генератору шумовых колебаний и к программно-управляющему блоку.

На фиг.1-3 обозначено:

1 - газовая среда;

2 - локальные области генерации индуцированного излучения;

3 - канал, генерирующий пучок индуцированного излучения, модулированный информационным сигналом;

4 - каналы, генерирующие пучки индуцированного излучения, модулированные шумом;

5 - плоское выходное зеркало;

6 - отражательная дифракционная решетка;

7 - цилиндрическое зеркало;

8 - плоский металлический высокочастотный электрод;

9 - диэлектрическая пластина;

10 - полосковые металлические высокочастотные электроды;

11 - коммутатор;

12 - генератор электромагнитной энергии возбуждения;

13 - источник информационного сигнала;

14 - генератор шумовых колебаний;

15 - программно-управляющий блок.

Газовый лазер содержит рабочую газовую среду 1 (фиг.1), локальные области генерации индуцированного излучения 2, включающие канал, генерирующий пучок 3 индуцированного излучения, модулированный информационным сигналом, и каналы, генерирующие пучки 4 (фиг.1 и 2) индуцированного излучения, модулированные шумом, а также оптический резонатор двухплечевой V-образной конфигурации, составленный из плоского выходного зеркала 5 (фиг.1 и 3), отражательной дифракционной решетки 6 (фиг.1 и 3), установленных на концах V-образной конфигурации, и цилиндрического зеркала 7 (фиг.1 и 3), установленного в основании V-образной конфигурации; систему высокочастотного электромагнитного возбуждения и устройство пространственной селекции линий спектра излучения, образованных одним плоским металлическим высокочастотным электродом 8 (фиг.1 и 2) и параллельной ему диэлектрической пластиной 9 одинаковой формы и площади (фиг.1 и 2) с нанесенными на ее поверхность, обращенную к металлическому высокочастотному электроду 8, полосковыми металлическими высокочастотными электродами 10 (фиг.1-3), подключенными через коммутатор 11 (фиг.1 и 2) к генератору электромагнитной энергии возбуждения 12 (фиг.1 и 2), к источнику информационного сигнала 13 (фиг.1 и 2), к генератору шумовых колебаний 14 (фиг.1 и 2) и к программно-управляющему блоку 15 (фиг.1 и 2).

Газовый лазер действует следующим образом. Энергия, вырабатываемая генератором высокочастотных электромагнитных колебаний возбуждения 12, через коммутатор 11 с помощью системы электромагнитного возбуждения и устройства пространственной селекции линий спектра излучения, образованных одним плоским металлическим высокочастотным электродом 8 и параллельной ему диэлектрической пластиной 9 одинаковых с электродом 8 формы и размеров и несущей на своей поверхности, обращенной к плоскому металлическому высокочастотному электроду 8, набор N (1, 2…i…N) полосковых металлических высокочастотных электродов 10, вводится в зазор между плоским металлическим электродом 8 и плоской диэлектрической пластиной 9. Под действием высокочастотной электромагнитной энергии в локальных областях 2, расположенных под каждым из N полосковых металлических высокочастотных электродов 10 в рабочей газовой среде 1 лазера, развивается и поддерживается высокочастотный разряд. Подбором химического состава рабочей газовой смеси, ее давления, температуры, а также частоты и мощности электромагнитного поля возбуждения рабочая газовая среда 1 в объеме разрядных локальных областей 2 переходит в активное состояние. Будучи помещенной в оптический резонатор двухплечевой V-образной конфигурации, в котором на концах плеч находятся соответственно плоское выходное зеркало 5 и отражательная дифракционная решетка 6, а в основании V-образной конфигурации - цилиндрическое зеркало 7, активная среда в объеме каждой локальной области 2 генерирует индуцированное излучение. Поскольку дифракционная решетка 6 расположена в фокальной плоскости цилиндрического зеркала 7 и установлена по автоколлимационной схеме, а полосковые металлические высокочастотные электроды 10 размещены на диэлектрической пластине 9 согласованно с траекториями оптических лучей каждой спектральной линии, являющейся общей для активной среды и V-образного оптического резонатора, направленных на дифракционную решетку 6 под углами Q (Q₁, Q₂, …Q_i, …Q_N), генерация индуцированного излучения одновременно происходит на N длинах волн (λ₁, λ₂, …λ_i, …λ_N), соответствующих колебательно-вращательным переходам молекул активной среды. К одному из полосковых электродов 10 (например, к i-му) по сигналу программно-управляющего блока 15 через коммутатор 11, кроме высокочастотного напряжения генератора возбуждения 12, подводится от источника информационного сигнала 13 полезный сигнал, подлежащий передаче. Индуцированное излучение, генерируемое в i-й разрядной области 2, расположенной под i-м полосковым электродом 10, направляется на дифракционную решетку 6 под углом Q_i. Поэтому пучок индуцированного излучения 3 будет иметь длину волны λ_i и будет модулирован полезным информационным сигналом. Выбор и смена i-го электрода в процессе работы лазера в качестве информационного среди всех N электродов производится скачкообразно по сигналу программно-управляющего блока 15, т.е. в отношении спектральной линии, переносящей полезную информацию, лазер работает в режиме прыгающих частот. К остальным полосковым высокочастотным электродам 10 (кроме i-го) вместе с высокочастотным напряжением возбуждения от генератора шумовых колебаний 13 подводится напряжение, изменяющееся по закону шума, и генерируемое в соответствующих локальных областях 2 индуцированное излучение с длинами волн (λ, λ, …λ) (кроме λ_i) будет иметь шумовую модуляцию.

На большом расстоянии от лазера за счет расходимости выходного лазерного излучения информационный (i-й) пучок и пучки (1, 2, …N) (кроме i-го) с шумовой модуляцией пространственно перекрываются.

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

Лазер содержит активную среду с системой возбуждения, расположенные между цилиндрическим и плоским зеркалами оптического резонатора. Резонатор имеет V-образную конфигурацию с размещенными на его концах отражающей дифракционной решеткой и плоским выходным зеркалом. Устройство пространственной селекции линий спектра излучения совмещено с системой возбуждения, содержащей один плоский металлический высокочастотный электрод и расположенную параллельно ему плоскую диэлектрическую пластину, имеющую те же форму и размеры. На диэлектрическую пластину нанесены проводящие полосковые металлические электроды, каждый из которых подключен к соответствующему выходу коммутатора, вход которого подсоединен к выходу генератора электромагнитной энергии возбуждения. В состав лазера введены источник информационного сигнала, генератор шумовых колебаний и программно-управляющий блок. Выходы введенных блоков соединены с соответствующими входами коммутатора. Генератор электромагнитной энергии возбуждения выполнен с возможностью одновременной подачи электромагнитных колебаний возбуждения на все N (1, 2, …i, …N) проводящие полосковые металлические высокочастотные электроды, информационного сигнала - к одному i-му полосковому электроду, шумовых колебаний - на все остальные (N-1) полосковые электроды, кроме i-го, а также выбора и смены i-го электрода в процессе работы лазера в качестве информационного среди всех N электродов скачкообразно, по сигналу программно-управляющего блока. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей за счет осуществления скрытной передачи информации. 3 ил.

Газовый лазер с высокочастотным электромагнитным возбуждением, содержащий активную среду с системой возбуждения, расположенные между цилиндрическим и плоским зеркалами оптического резонатора, имеющего V-образную конфигурацию, с размещенными на его концах соответственно отражающей дифракционной решеткой и плоским выходным зеркалом, причем дифракционная решетка установлена в фокальной плоскости цилиндрического зеркала по автоколлимационной схеме, устройство пространственной селекции линий спектра излучения совмещено с системой возбуждения, содержащей один плоский металлический высокочастотный электрод и расположенную параллельно ему плоскую диэлектрическую пластину, имеющую те же форму и размеры, что и плоский металлический высокочастотный электрод, при этом на диэлектрическую пластину нанесены проводящие полосковые металлические электроды, каждый из которых подключен к соответствующему выходу коммутатора, вход которого подсоединен к выходу генератора электромагнитной энергии возбуждения, отличающийся тем, что введены источник информационного сигнала, генератор шумовых колебаний и программно-управляющий блок, причем выходы введенных блоков соединены с соответствующими входами коммутатора, кроме того, генератор электромагнитной энергии возбуждения выполнен с возможностью одновременной подачи электромагнитных колебаний возбуждения на все N (1, 2, …i, …N) проводящие полосковые металлические высокочастотные электроды, информационного сигнала - к одному, i-му полосковому электроду, шумовых колебаний - на все остальные (N-1) полосковые электроды, кроме i-го, а также выбора и смены i-го электрода в процессе работы лазера в качестве информационного среди всех N электродов скачкообразно, по сигналу программно-управляющего блока.