МУЛЬТИЭЛЕМЕНТНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ НА ПАРАХ МЕТАЛЛОВ И ИХ СОЕДИНЕНИЙ Российский патент 2015 года по МПК H01S3/227 H01S3/08 

Настоящее изобретение относится к устройствам для генерирования стимулированного излучения в оптическом диапазоне спектра и может быть использовано для создания лазерных излучателей на парах металлов и их соединений, генерирующих пучок узконаправленного излучения, содержащий длины волн генерации в широком спектральном диапазоне с возможностью независимого регулирования параметров излучения на каждой длине волны.

Известны мультиэлементные лазерные излучатели на парах металлов, генерирующие в оптическом диапазоне, включающем УФ, видимую и ИК-области спектра и работающие на самоограниченных переходах атомов и ионов в парах металлов (см. Солдатов А. Н., Соломонов В. И. Газоразрядные лазеры на самоограниченных переходах в парах металлов (монография) // Новосибирск: Наука, 1985. - С. 85-91).

Известная конструкция мультиэлементного лазерного излучателя на парах металлов с продольно-разнесенными средами позволяет получить эффективную генерацию одновременно на нескольких элементах, а именно в смеси паров Cu+Au, Ва+Mn, Ва+Pb, Cu+Ва+Pb. Данный лазерный излучатель содержит газоразрядную трубку (ГРТ), стенки которой окружены теплоизолирующим слоем, а в полости ГРТ установлены два электрода, причем каждый из этих электродов расположен вблизи одного из торцевых концов газоразрядной трубки, закрытых оптическими окнами, причем последние с целью предотвращения развития паразитной генерации наклонены друг к другу на некоторый угол. При этом сама указанная полость трубки заполнена буферным газом и в этой же полости трубки расположены продольно-разнесенные навески разных металлов, образующие соответствующие продольно-разнесенные активные среды, являющиеся оптически взаимно-прозрачными, а сама трубка помещена в оптический плоскопараллельный резонатор, образованный выходным частично отражающим зеркалом и задним высокоотражающим зеркалом, и расположена таким образом, чтобы оптическая ось этой газоразрядной трубки проходила через геометрические центры этих зеркал, а сами эти зеркала были при этом оптически связаны между собой. Кроме того, в этом лазере установлен импульсный блок питания, высоковольтный выход которого электрически связан с указанными электродами ГРТ.

Недостатком известного мультиэлементного лазерного излучателя является невозможность оперативного регулирования параметров генерации на разных длинах волн и достижения оптимальных условий возбуждения на разных средах независимо друг от друга.

Ближайшим из известных устройств является двухэлементный лазер, генерирующий на 10 дискретных линиях в диапазоне от 0,51 до 6,45 мкм (Фотоника №5/35/2012. С. 30-33). Данный лазерный излучатель содержит газоразрядную трубку, стенки которой окружены теплоизолирующим слоем, а в полости ГРТ установлены два электрода, причем каждый из этих электродов расположен вблизи одного из торцевых концов газоразрядной трубки, закрытых оптическими окнами, наклоненными друг к другу на некоторый угол. При этом сама указанная полость трубки заполнена буферным газом и в этой же полости трубки расположены две продольно-разнесенные температурные зоны с размещенными в них активными средами на парах стронция и бромида меди, которые являются оптически взаимно прозрачными, а сама трубка помещена в плоскопараллельный резонатор, образованный выходным частично отражающим зеркалом и задним (глухим) высокоотражающим зеркалом. Выходное зеркало и окна ГРТ выполнены из флюорита кальция (CaF₂), материала, спектрально прозрачного во всем диапазоне генерации (от 0,51 до 6,45 мкм). ГРТ своими электродами электрически связана с выходом высоковольтного импульсного источника питания (прототип).

В известном устройстве накачка активных сред на парах стронция и бромида меди производится при возбуждении в ГРТ продольного высоковольтного импульсного разряда и осуществляется одновременная генерация на самоограниченных переходах атомов меди и стронция. Состав и давление буферной смеси, а также разрядные условия подбираются, исходя из определенного критерия, например, из требования получения максимальной суммарной средней мощности на всех генерационных компонентах или заданного соотношения интенсивности для выбранных длин волн генерации.

Недостатком данной конструкции также является сложность оперативного регулирования параметров генерации и невозможность достижения оптимальных условий возбуждения на разных средах (в парах Sr и CuBr) независимо друг от друга.

Задачей изобретения является существенное расширение набора активных сред (паров металлов и их соединений) и тем самым существенное увеличение числа и диапазона длин волн генерации. Это достигается за счет внесения в оптический резонатор других активных сред (паров металлов и их соединений), существенно различающихся как по условиям возбуждения, так и по рабочей температуре и параметрам буферной смеси; а также значительное улучшение управляемости энергетическими параметрами многоволновой генерации выходного излучения.

Поставленная задача решается тем, что, как и прототип, данный мультиэлементный лазерный излучатель на парах металлов и их соединений содержит газоразрядную трубку (ГРТ), стенки которой окружены теплоизолирующим слоем, а полость заполнена буферным газом, например смесью Не и Ne, с установленными двумя электродами, каждый из которых расположен вблизи одного из торцевых концов газоразрядной трубки, закрытых оптическими окнами, наклоненными друг к другу на некоторый угол, упомянутая трубка помещена в оптический резонатор, образованный частично отражающим выходным зеркалом и высокоотражающим задним зеркалом, при этом выходное зеркало и окна ГРТ выполнены из материала, оптически прозрачного во всем диапазоне генерируемых длин волн, а электроды трубки электрически связаны с выходом импульсного высоковольтного источника питания.

В отличие от известного, в настоящем мультиэлементном лазерном излучателе на парах металлов в оптическом резонаторе соосно с первой газоразрядной трубкой установлена вторая газоразрядная трубка таким образом, что упомянутые зеркала оптического резонатора оптически связаны друг с другом через объемы обеих газоразрядных трубок, в каждой из упомянутых газоразрядных трубок содержится своя активная среда на парах металлов или их соединений, при этом активные среды газоразрядных трубок и материалы окон газоразрядных трубок и выходного зеркала взаимно прозрачны для генерируемых длин волн, а электроды каждой газоразрядной трубки электрически связаны с выходом своего импульсного высоковольтного источника питания.

Кроме того, в оптическом резонаторе могут быть размещены соосно несколько (n>2) конструктивно подобных газоразрядных трубок, каждая из которых заполнена буферной смесью, пригодной для содержащейся в газоразрядной трубке активной среды.

Размещение каждой активной среды в отдельной ГРТ, возбуждаемой своим источником питания, дает возможность проводить раздельное (независимое) регулирование параметрами газоразрядных условий и, соответственно, оперативно изменять параметры генерации. Это позволяет использовать активные среды, существенно отличающиеся как по физико-химическим свойствам, так и по газоразрядным условиям и параметрам возбуждения, что значительно расширяет перечень металлов и их соединений, перспективных в качестве возможных (потенциальных) кандидатов на роль парциальных активных сред при воплощении технического решения.

На чертеже представлена блок-схема мультиэлементного излучателя на парах металлов и их соединений.

Излучатель содержит:

- газоразрядную трубку 1, например, с парами стронция внутри нее и с электродами 2 на ее концах, закрытых окнами 3;

- газоразрядную трубку 4, например, с парами бромида меди внутри нее и с электродами 5 на ее концах, закрытых окнами 6;

- частично отражающее выходное зеркало 7 и высокоотражающее заднее зеркало 8, причем зеркала 7 и 8 расположены с противоположных сторон газоразрядных трубок 1 и 4 и таким образом, чтобы они составляли плоскопараллельный оптический резонатор излучателя;

- импульсные высоковольтные источники питания 9 и 10, выходы которых подсоединены к электродам 2 газоразрядной трубки 1 и к электродам 5 газоразрядной трубки 4 соответственно.

Внутри плоскопараллельного оптического резонатора, образованного выходным 7 и задним 8 зеркалами, помещены соосно друг с другом две газоразрядные трубки 1 и 4 с различными активными средами на парах стронция и бромида меди соответственно. При этом выходное частично отражающее зеркало 7 и окна 3 и 6 выполнены из материала оптически прозрачного во всем диапазоне генерации для выбранных активных сред (от 0,51 до 6,45 мкм), например CaF₂.

Данный мультиэлементный излучатель на парах металлов работает следующим образом. При подаче импульсов высокого напряжения с выходов импульсных высоковольтных источников питания 9 и 10 на электроды 2 и 5 газоразрядных трубок 1 и 4 соответственно, в последних реализуется импульсно-периодический разряд, с помощью которого осуществляется разогрев центрального канала и размещенной в нем активной среды в виде навесок Sr и CuBr соответственно. В процессе разогрева повышается давление рабочих паров и достигается требуемая концентрация нормальных атомов и ионов металла, на переходах которых и реализуется импульсная генерация на 10 длинах волн.

Размещение каждой из активных сред в отдельной газоразрядной трубке, имеющей отдельный автономный источник питания, позволяет проводить независимую и оперативную оптимизацию по давлению и составу буферной смеси, рабочей температуре в активной зоне и электрическим параметрам возбуждения и, тем самым, эффективно регулировать параметры генерации в выходном наборе длин волн, в частности по составу и относительному распределению по мощности отдельных генерационных компонент.

Как указано выше, заявленная конструкция позволяет использовать несколько газоразрядных трубок, каждая из которых своими электродами соединена с электрическим выходом своего импульсного высоковольтного источника питания, что позволяет оперативно регулировать параметры генерации для каждой активной среды независимо от других активных сред. В качестве активных сред могут быть выбраны пары металлов (Cu, Au, Ag, Pb, Ва, Са, Mg и т.п.), пары галогенидов металлов (CuBr, CuCl и т.п.) и пары других химических элементов.

Заявленное устройство, очевидно, допускает ряд конкретных воплощений. В частности, оптический резонатор может быть выполнен в виде телескопического неустойчивого резонатора. Упомянутые импульсные высоковольтные источники питания через многоканальную регулируемую линию задержки электрически могут быть связаны с единым задающим генератором. Со стороны выходного зеркала мультиэлементный излучатель может быть оборудован спектральным прибором, позволяющим выделить конкретную длину волны из всего набора генерируемых длин волн.

Изобретение относится к лазерной технике. В оптический резонатор излучателя на парах металлов и их соединений установлено две или более соосных друг другу газоразрядных трубок таким образом, что зеркала резонатора оптически связаны друг с другом через объемы газоразрядных трубок, в каждой из упомянутых трубок содержится своя активная среда на парах металлов или их соединений, при этом активные среды и материалы выходного зеркала и окон газоразрядных трубок взаимно прозрачны для генерируемых длин волн, а электроды каждой трубки электрически связаны с выходом своего импульсного высоковольтного источника питания. Технический результат заключается в обеспечении возможности увеличения числа и диапазона длин волн генерации за счет внесения в оптический резонатор нескольких активных сред. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Мультиэлементный излучатель на парах металлов и их соединений, содержащий газоразрядную трубку, стенки которой окружены теплоизолирующим слоем, а полость заполнена буферной смесью газов с установленными в полости двумя электродами, каждый из которых расположен вблизи одного из торцевых концов газоразрядной трубки, концы газоразрядной трубки закрыты оптическими окнами, наклоненными друг к другу на некоторый угол, упомянутая трубка помещена в оптический резонатор, образованный высокоотражающим задним зеркалом и частично отражающим выходным зеркалом, причем выходное зеркало и оптические окна газоразрядной трубки выполнены из материала, оптически прозрачного во всем диапазоне генерируемых длин волн, а электроды газоразрядной трубки электрически связаны с выходом импульсного высоковольтного источника питания, отличающийся тем, что в оптическом резонаторе соосно с первой газоразрядной трубкой установлена вторая газоразрядная трубка таким образом, что упомянутые зеркала оптического резонатора оптически связаны друг с другом через объемы обеих газоразрядных трубок, в каждой из упомянутых газоразрядных трубок содержится своя активная среда на парах металлов или их соединений, при этом активные среды газоразрядных трубок и материалы окон газоразрядных трубок и выходного зеркала взаимно прозрачны для генерируемых длин волн, а электроды каждой газоразрядной трубки электрически связаны с выходом своего импульсного высоковольтного источника питания.

2. Излучатель по п. 1, отличающийся тем, что в оптическом резонаторе размещены соосно несколько (n>2) конструктивно подобных газоразрядных трубок, каждая из которых заполнена буферной смесью, пригодной для содержащейся в газоразрядной трубке активной среды.

3. Излучатель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что оптический резонатор выполнен в виде телескопического неустойчивого резонатора.

4. Излучатель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что импульсные высоковольтные источники питания через многоканальную регулируемую линию задержки электрически связаны с единым задающим генератором.

5. Излучатель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что со стороны выходного зеркала он оборудован спектральным прибором, позволяющим выделить конкретную длину волны из всего набора генерируемых длин волн.