Волноводный газовый лазер Советский патент 1986 года по МПК H01S3/98 

1 Изобретение относится к квантово электронике и может быть использова но при конструировании тазовых лазе ров с селекцией инфракрасных перехо дов молекул или атомов газов, испол зуемых в качестве активной среды: СО, СО, Хе, ВСЦ, , He-Ne и т.д Известен волноводный газовый лазер, предназначенньй для селекции колебательно-вращательных переходов в котором селектор выполнен в виде дифракционной решетки с коэффициентом отражения 0,93. Недостатками такого лазера являются низкий уровень выходной мощнос ти, обусловленный значительными потерями, вносимыми, дифракционным селектором, искажение структуры волно |Вого фронта выходного излучения за счет неоднородности отражающей поверхности селектора. Полный коэффициент полезного действия такого лазера при генерации на линии Р(10) не превьшает 2%. Наиболее близким по технической сущности к предложенному является газовый лазер, содержащий волноводную разрядную трубку, заполненную рабочей средой, оптический резонатор и рнутрирезонаторный селектор линий генерации, причем селектором служат лазерные зеркала с селективным покрытием. Известный газовый лазер имеет низкий уровень выходной мощности, вследствие относительно малого коэф фициента отражения селективного зер кала, например для зеркала с покрытием SiOj максимум коэффициента отражения составляет 83%. Кроме того, недостаточна селективность резонатора, например в лазерах, в которых используются зеркала с покрытием, SiC и TiO, наименьшее число одновременно генерирующих линий составляет 2 и 5 соответственно. Кроме того, используемые в настоящее время селективные зеркала имеют менее высокую оптическую прочность и меньшую долговечность вследствие высокой плотности мощности на лазерных зеркалах, что уменьшает надежность волноводного газового лазера в целом. Целью изобретения является повьште ние мощности на одной линии генерации путем увеличения добротности резонатора. 772 Указанная цель достигается тем, что в волноводном газовом лазере, содерл ащем волноводн гю разрядную трубку, заполненную активной средой, лазерный резонатор и внутрирезонаторный селектор линий генерации, указанный селектор выполнен в виде нанесенного на всю площадь внутренней поверхности волноводной разрядной трубки слоя селективного материала с относительной толщиной h (h±(5 )// , удовлетворяющей условию h--Nj.,r,,{,5 jlhcCAT,:r±i)-i} CD-где h - абсолютная толщина материала селективного слоя; - максимально допустимая величина отклонения h ; A-j-j.- длины волн выбранной линии генерации Р ( J) и подавляемой линии генерации P(j -Ц} , hc(j. .-показатель преломления селективного материала на длинах волн Д, и X, N - целое число. Если относительная величина К удовлетворяет условию 1, то на длине волны выбранной линии генерации вьтолняется условие антирезонанса, а на длине волны, ближайшей к выбранной линии, вьтолняется условие резонанса. Математическое выражение условия антирезонанса, полученное на основе решения электродинамической заачи- для волн Бриллюэна, проходящих в волноводном канале, имеет вид h// 42Nll)(A.,)J-l} С1) При выполнении условия 2 воТтна с длиной J проходит по волноводному каналу с наименьшими потерями. Условие резонанса, полученное аналогично .выражению 2,имеет вид: .)1му: сз) Объединив условия Зи 2, полуим ранее приведенное условие . На чертеже показана конструкция редложенного лазера. Он содержит езонатор, состоящий из глухого зерала 1, выходного лазерного зеркаа 2, волноводную газоразрядную рубку 3, в которой установлены электроды 4. На внутреннюю поверхность волноводной трубки 3 нанесен селектор линий генерации, выполненный в виде слоя селективного материала 5, который совместно с материалом труб ки 3 образует стенку волноводного канала 6. Волноводный газовый лазер работа ет следующим образом. К электродам прикладьшается напряжение от источника постоянного тока и создается продольный тлеющий разряд в газовой активной среде, заполняющей волново ный канал 6, который обеспечивает создание инверсной заселенности колебательно-вращательных уровней активной среды. Возникающие в активно среде фотоны циркулируют в волновод ном канале 6 за счет отражения от лазерных зеркал 1 и 2 и от стенок в волноводного канала. При вьшолнении условия превьппения полного усиления активной среды над потерями лазерно го резонатора часть фотонов, участв ющих в генерации, покидает резонатор и выходят через выходное зеркало 2 резонатора, образуя выходное и лучение. Селекция колебательно-вращательных переходов осуществляется за счет взаимодействия потока фотонов с селектором, вьтолненного в ви де слоя селективного материал 5, нанесенных на внутреннюю поверхност волноводного канала 6. Вьтолнение с лектора инфракрасных переходов моле кул активной среды в виде слоя селективного материала относительной толщины h, нанесенного на внутреннюю поверхность волноводного канала позволяет получить генерацию на одной выбранной линии. Толщина слоя селективного матери ала выбирается так, чтобы отличаться от резонансной величины для выбранной длины волны генерации лазера. В то же время для линии генерации, ближайшей к выбранной, толщина селективного материала является резонансной, т.е. толщина равна целому числу А/4 (j - длина волны излучения). При такой толщине селективного покрытия ВОЛНОВОДНЫЙ канал в соответствии с законом распространения волн Бриллюэна в волноводном канале обладает небольшими .потерями на длине волны Х,.1 ближайщей к выбранной длине волны генерации лазера. 77 Это дает возможность использовать лазерные зеркала с больщим коэффициентом отражения, что повьппает добротность резонатора и обеспечивает увеличение мощности выходного излучения. Кроме того, предлагаемое устройство обладает больщей избирательностью, лучевой прочностью и надежностью за счет значительного увеличения площади поверхности и времени взаимодействия потока фотонов с селективным материалом, так как-в волноводном лазере значительная часть фотонов, образующих выходное излучение, испытьшает многократные переотражения не только от лазерных зеркал, но и от стенок волноводного канала, вместе с тем мощность лазерного излучения на поверхности селектора линий генерации меньще плотности мощности излучения на лазерных зеркалах. В качестве селективных материалов, например, для волноводного CO jлазера могут использоваться такие материалы, как SiC, SiO , TiO и т.д. Подбирая тот или иной материал, можно обеспечить требуемую частоту генерации волноводного лазера. Для изготовления лазера, показанного на чертеже, в керамических пластинах, образующих волноводную разрядную трубку, фрезеруют продольные пазы и на поверхность каждой пластины со стороны паза наносят слой селективного материала 5. Нанесение селективного материала на поверхность паза можно осуществить одним из известных способов, например вакуумным или катодным напьшением, пиролизом или нанести из расплава и т.д. Волноводная трубка может быть изготовлена из различных конструкционных материалов, таких как молибденовое стекло, кварц, керамика ВеО, керамика BN, , а также на основе структуры металл - диэлектрик, в которой в качестве подложки могут использоваться медь, алюминий, бронза, нержавеющая сталь, алюминий и другие металлы и сплавы, а в качестве диэлектрика - слой селективного материала. При заполнении волноводной трубки из структуры металл - диэлектрик к селективному материалу добавляются требования высокой диэлектрической прочности в условиях

непосредственного контакта с плазмой газового разряда и требование хорошей адгезии к материалу подложки,

В случае применения диэлектрического материала для изготовления волновода селективное покрытие можно наносить.не на всю площадь внутренней поверхности волноводной трубки, а на некоторую ее часть.

Форма поперечного сечения волноводной разрядной трубки может быть любой круглой, квадратной, прямоугольной, треугольной, эллиптической и т.д.

Волноводная газоразрядная трубка, на внутреннюю поверхность которой наносится слой селективного материала, может быть выполнена из нескольких отдельных пластин. Волноводную трубку прямоугольного сечения можно изготовить из четьфех отдельных пластин, соединенных вместе тем или иным способом. При использовании двух

пластин, по крайней мере, на одной из них необходимо выполнить продольный паз заданного профиля для создания волноводной трубки.

Для соединения пластин, образующих Волноводную трубку, можно использовать разнообразные клеевые соединения, а при наличии внепшей, по отношению к волноводной газоразрядной трубке, вакуумно плотной оболочки волноводного лазера пластины можно механически соединить несколькими стяжками.

В связи с использованием нанесен-ного на всю площадь внутренней поверхности волноводной разрядной трубки слоя селективного материала определенной толщины появляется возможность реализовать мощность генерации на одной линии вследствие более высокой мощности генерации за счет уменьшения внутрирезонаторных потерь .

ВОЛНОБОДНЫЙ ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР, ;содержащий волноводную разрядную трубку, заполненну1Э рабочей средой, оптический резонатор и внутрирезонаторный селектор линий генерации, отличающийся тем, что, с целью увеличения.мощности излучения на одной линии генерации за счет увеличения добротности резонатора, селектор линий генерации вьтолнен в виде нанесенного на всю площадь внутренней поверхности волноводной раз- . рядной трубки слоя селективного материала, относительная толщина которого h (h± 5) удовлетворяет условиюh N,j,.J/ChUAT.iii3- Угде h - абсолютная толщина материале селективного слоя} $ - максимально допустимая величина отклонения h; -длины волн выбранной линии генерации P(j) и подавляв- ; . мой линии генерации P(Ti:l) hc()- показатель преломления селективного материала на длинах волн и Д,; TTtt 1 целое число. оо ю со