ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР Советский патент 1994 года по МПК H01S3/10 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при разработке конструкций компактных аргоновых лазеров с обеспечением возможности раздельного регулирования длины волны, частоты и мощности (амплитуды) когерентного излучения.

Целью изобретения является обеспечение регулирования длины волны, мощности и частоты излучения без смены зеркал резонатора при переходе работы лазера с одного режима на другой.

На фиг. 1 изображена конструкция лазера с регулируемыми спектром и мощностью излучения лазера; на фиг. 2а,б,в,г представлены спектральные кривые пропускания эталона Фабри-Перо (плоские зеркала с коэффициентами отражения R₃ и R₄ при различных значениях оптической разности хода между зеркалами резонатора; на фиг. 3а,б,в, - кривая пропускания эталона Фабри-Перо и спектр излучения аргонового лазера.

Устройство содержит активный элемент 1, трехзеркальный резонатор, состоящий из неподвижного сферического "глухого" зеркала 2 и двух подвижных плоских зеркал; внутреннего 3 и внешнего 4. Между прижатыми друг к другу покрытиями (R₃, R₄) вклеен пьезоэлемент 5, который предназначен для изменения расстояния между ними.

На подложке зеркала 3 размещен термонагреватель 6, предназначенный для изменения оптической разности хода между покрытиями R₁, R₃ путем нагрева материала подложки. Алюминиевый колпак (втулка) 7 повышает термостабильность нагреваемой зоны.

Работа устройства поясняется на примере аргонового лазера. Покрытия зеркал 2, 3 и 4 нанесены с расчетом на среднюю длину волны 0,50 мкм и представляют собой набор четвертьволновых слоев окиси циркония и двуокиси кремния. Наиболее оптически плотное 25-слойное покрытие нанесено на подложку сферического зеркала 2. На подложку зеркала 3 со стороны активного элемента нанесено просветляющее двухслойное покрытие с коэффициентом отражения R₁ = 0,001. На обратной ее стороне - трехслойное светоделительное покрытие с коэффициентом отражения R₃ = 0,37. На подложке зеркала 4 - девятислойное светоделительное покрытие с коэффициентом отражения, равным R₄ = 0,93.

Экспериментально определено, что для устранения возникновения паразитной генерации лазерного излучения от внутреннего зеркала с R₃необходимо, чтобы интенсивности лазерных пучков, отраженных от покрытий с R₃ и R₄ в сторону активного элемента, были равны между собой, т.е. удовлетворяли условию
ФR₃ = Ф(1 - R₃)²R_4, (1) где Ф - падающий на зеркало 3 с коэффициентом отражения R₃ световой поток.

Из условия (1) получаем связь коэффициентов отражения R₃ и R₄
R₄= . (2)
Условию (2) удовлетворяет выбранное для аргонового лазера трехслойное покрытие R₃ и девятислойное покрытие R₄.

Работа лазера в различных режимах (см.фиг.2а,б,в,г): в режиме генерации всех линий в диапазоне от 4880 до 5145 с возможностью регулирования интегральной мощности лазерного излучения (см.фиг.2а) и в режиме генерации отдельной линии 5145 (либо 4880 ) с возможностью регулирования ее амплитуды и частоты.

На фиг. 2а,б,в,г 1 - спектральная кривая пропускания (разность хода d = λ /4); 2 - расчетная кривая пропускания трехзеркального резонатора; 3 - результирующая спектральная кривая пропускания эталона с покрытиями, соответствующими R₃ и R₄.

Режим генерации всех линий в диапазоне от 4880 до 5145 получается при оптической разности хода d между покрытиями подложек зеркал 3 и 4, равной λ /4 (см. фиг.2а). Коэффициент отражения от покрытий (R₃ и R₄) в этом случае достигает своей максимальной величины, равной 0,97. Интегральная кривая пропускания покрытий (R₃ и R₄) представлена на фиг.2а. Мощность излучения в этом режиме максимальна.

При увеличении напряжения на пьезоэлементе 5 увеличивается оптическая разность хода и, когда она достигает величины, близкой к λ /2, излучение полностью исчезает (см. фиг. 2в) - это первый порядок интерференции двух лазерных пучков, отраженных от покрытий зеркала с R₃и R₄. Для пьезоэлемента типа ПП-4 в диапазоне изменения напряжения на нем от 0 до 300 В число порядков достигает 10.

Наиболее эффективное число порядков, в пределах которых возможна регулировка длины волны лазерного излучения, не превышает 10, что соответствует расстоянию от λ /4 до 5 λ между покрытиями с коэффициентами отражения R₃ и R₄.

Расстояние между максимумами пропускания (см.фиг.3а) при нормальном угле падения лазерного излучения равно
δ λ = λ² / 2 ˙ d (3)
Ширина максимума пропускания
Δ λ = λ² /2 Fd, (4) где F - резкость, численно равная 1,5-2 для нашего случая двухлучевого отражающего интерферометра Фабри-Перо;
d - оптическая разность хода между покрытиями (R₃ и R₄) зеркал эталона Фабри-Перо.

Как уже было отмечено, при d, кратном λ /2, возникают порядки интерференции К. Разность хода можно представить в виде d = λ /2 К и подставить это выражение в (3) и (4). Тогда получим
δ λ = λ /К, (5)
Δ λ = λ /FK. (6)
Из (5) и (6) следует, что ширина максимума пропускания и расстояние между ними δ λ связаны зависимостью Δ λ = δ λ /F. Эта зависимость при F = 2 представлена на фиг. 3а.

На фиг. 3б,в показан спектр лазерного излучения аргонового лазера в видимом диапазоне спектра в увеличенном масштабе (см.фиг.3в) и масштабе, приведенном к графику соотношений кривой пропускания эталона и длины волны излучения (см. фиг. 3б). Как видно из чертежа с ростом оптической разности хода происходит сужение и увеличение крутизны кривой пропускания эталона Фабри-Перо, образованного покрытиями зеркал (R₃ и R₄). При достижении величины К = 10 полуширина кривой пропускания достигает значения λ /20, что соответствует величине между линиями 4880 и 5145 ., по этому в этом порядке и менее (до 8) наиболее эффективно выделение линий 4880 и 5145 . Дальнейшее увеличение числа порядков нецелесообразно, так как будет приводить к гашению только отдельных линий в спектре излучения лазера из всего набора линий спектра.

Для других типов газовых лазеров определяют линии в спектре излучения, которые необходимо выделить, выбирают покрытия с коэффициентами отражения, удовлетворяющие условию (2).

По графику, изображенному на фиг. 3а, определяют рабочий порядок (расстояния между зеркалами), полуширина кривой пропускания которого равна расстоянию между выбранными линиями. Равенство расстояния между линиями и полуширина кривой пропускания обеспечивают наиболее эффективное выделение линий.

Режим генерации отдельной линии 5145 . с возможностью регулировки ее амплитуды получается, начиная со 2-го, 3-го порядков и в 8-м - 10-м порядке для линий 4880 .

Регулировка длины волны лазерного излучения осуществляется пьезоэлементом 5 путем установки заданных значений напряжений U₅₁₄₅ и U₄₈₈₀, которые определяются экспериментально для каждого собранного устройства в отдельности.

Регулировка амплитуды лазерного излучения осуществляется изменением в небольших пределах (± 5 В) напряжения на пьезоэлементе 5 относительно определенных экспериментально значений U₅₁₄₅ (либо U₄₈₈₀). Это приводит к изменению отражательной способности зеркал с покрытиями R₃ и R₄(см.фиг.2а,б,в, г) и к изменению мощности (амплитуды) лазерного излучения на выходе.

Регулировка частоты лазерного излучения на линии 5145 А (либо 4880 .) производится изменением температуры подложки зеркала 3, которая влечет за собой изменение показателя преломления ее материала и, следовательно, оптической разности хода между покрытиями с коэффициентом отражения R₁ и R₃ подложки зеркала 3. Температура терморегулирования поддерживается в пределах 40 ±2^оС. Диапазон регулирования температуры ( 2^оС) для кварцевой подложки зеркала 3 достаточен, чтобы осуществлять плавную регулировку частоты лазерного излучения.

Экспериментально установленное соотношение между коэффициентами отражения зеркал эталона Фабри-Перо, служащего выводящим зеркалом лазерного резонатора, с обеспечением возможности регулирования расстояния между зеркалами в пределах от λ /4 до 5 λ расширило возможности трехзеркального резонатора, позволило эффективно без применения громоздких и неудобных в эксплуатации механических юстировочных устройств регулировать спектральный состав и мощность лазерного излучения (регулировать длину волны, амплитуду и частоту).

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в лазерах с регулируемыми спектром и мощностью излучения. Цель изобретения - обеспечение регулирования длины волны, мощности и частоты излучения без смены зеркал резонатора при изменении режима работы лазера. Лазер содержит активный элемент и трехзеркальный резонатор, состоящий из неподвижного "глухого" зеркала и двух подвижных плоских зеркал. Внутреннее плоское зеркало имеет подложку с просветляющим покрытием, обращенным в сторону активного элемента, и с дополнительным покрытием, обращенным в сторону внешнего зеркала. Расстояние между зеркалами регулируется пьезоэлементом и термонагревателем в интервале от λ/4 до 5λ . Коэффициент отражения внешнего плоского зеркала r=R(1-R)² . 3 ил.

ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР, содержащий активный элемент, трехзеркальный аксиальный оптический резонатор, полупрозрачные зеркала которого выполнены плоскими и установлены с возможностью перемещения вдоль оси, при этом внутреннее плоское зеркало выполнено с просветляющим покрытием на стороне подложки, обращенной к активному элементу, размещенному между глухим и внутренним плоским зеркалами, отличающийся тем, что, с целью обеспечения регулирования длины волны, мощности и частоты излучения без смены зеркал резонатора при переходе работы лазера с одного режима на другой, на другую сторону подложки внутреннего плоского полупрозрачного зеркала нанесено дополнительное покрытие, коэффициент отражения R которого удовлетворяет соотношению
r = R (1 - R)²,
где r - коэффициент отражения внешнего плоского полупрозрачного зеркала,
при этом плоские полупрозрачные зеркала расположены на расстоянии λ / 4-5λ друг от друга, где λ - длина волны излучения.