СУБМИЛЛИМЕТРОВЫЙ КВАНТОВЫЙ ГЕНЕРАТОР Советский патент 1994 года по МПК H01S3/94 

Изобретение относится к квантовой электроники и может быть использовано для создания субмиллиметровых квантовых генераторов.

Известен субмиллиметровый квантовый генератор, состоящий из субмиллиметрового лазера, содержащего кювету с рабочим газом и резонатор, образованный зеркалами с отверстиями связи для ввода излучения накачки и вывода субмиллиметровой генерации, источника накачки - перестраиваемого CO₂-лазера, содержащего разрядную трубку с активным веществом, резонатор с дифракционной решеткой и выходным зеркалом, и фокусирующей оптической системы для ввода излучения накачки через отверстие связи внутрь кюветы субмиллиметрового лазера.

Основные недостатки этого устройства - невозможность оптимизировать пропускание выходного зеркала, большие потери и большая неоднородность излучения накачки, ограничение мощности накачки, обусловленное нагревом и возможностью оптического пробоя рабочего газа в области фокусировки излучения накачки, что в конечном итоге приводит к снижению эффективности и мощности генерации субмиллиметрового квантового генератора.

Из известных субмиллиметровых квантовых генераторов наиболее близким по технической сущности является устройство, содержащее лазер накачки, например CO₂-лазер, включающий разрядную трубку и перестраиваемый по частоте оптический генератор с дифракционной решеткой и зеркалом, заполненный активным веществом субмиллиметровый резонатор в герметичном корпусе, образованный зеркалом перестраиваемого оптического резонатора и выходным зеркалом с отверстием связи.

В этом устройстве выходное зеркало выполнено из кристаллического кварца, селективно отражающего излучение накачки и пропускающего субмиллиметровое излучение, с золотым покрытием периферической части обеспечения оптимальной развязки субмиллиметрового резонатора. В таком квантовом генераторе за счет расположения субмиллиметровой кюветы внутри резонатора лазера накачки существенно повышается однородность и мощность накачки.

Недостатком такого субмиллиметрового квантового генератора является невозможность подстройки длины субмиллиметрового резонатора и, следовательно, обеспечения стабильности мощности и частоты его генерации без изменения частоты излучения лазера накачки, а также сложность юстировки зеркала связи субмиллиметрового резонатора, являющегося одновременно окном разрядной трубки лазера накачки.

Целью изобретения является повышение стабильности мощности и частоты генерации субмиллиметрового квантового генератора путем подстройки длины его резонатора без изменения частоты излучения лазера накачки.

Цель достигается тем, что выходное зеркало субмиллиметрового квантового генератора помещено внутри оптического резонатора лазера накачки и выполнено с возможностью перемещения вдоль оптической оси генератора, а разрядная трубка лазера накачки загерметизирована окном Брюстера, выполненного из материала, прозрачного для излучений накачки и селективного отражающего субмиллиметровое излучение.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображен общий вид устройства в разрезе.

Субмиллиметровый квантовый генератор содержит лазер накачки, образованный зеркалом 1 с золотым покрытием, дифракционной решеткой 2, предназначенной для перестройки частоты излучения накачки, и разрядной трубки 3 CO₂-лазера с рубашкой охлаждения, герметизированный окном Брюстера 4, например, из кристалла BaF₂. Субмиллиметровый резонатор образован тем же зеркалом 1 и выходным зеркалом 5 в герметическом корпусе 6, имеющем отверстие 7 для вывода излучения. Зеркало 5 укреплено на каретке 8, позволяющей осуществить возвратно-поступательное перемещение зеркала 5.

Устройство работает следующим образом.

Молекулы CO₂, возбужденные в разрядной трубке 3, помещенной в оптический резонатор, образованный зеркалом 1 и отражательной дифракционной решеткой 2, генерируют по частоте, совпадающей с частотой поглощения рабочих молекул, например, CH₃OH, субмиллиметрового квантового генератора. Частоту излучения CO₂-лазера можно перестроить вращением отражательной дифракционной решетки 2. Настроенное таким образом поле излучения накачки резонансно возбуждает вращательные подуровки возбужденного колебательного состояния молекул CH₃OH, создавая состояния с инверсной населенностью. При отъюстированном субмиллиметровом резонаторе, образованном зеркалом 1 и зеркалом 5, возникает субмиллиметровая генерация, например, на длине волны 41,2 мкм. Генерируемое излучение проходит через отверстие связи в зеркале 5, отражается от окна Брюстера 4, селективно отражающего излучение в области 40-44 мкм, и выходит через окно 7 в корпусе 6 субмиллиметрового резонатора, загерметизированное, например, лавсановой пленкой или окном из CsI, прозрачным в области 41,2 мкм. Перемещая зеркало 5 с помощью каретки 8 плоскопараллельно вдоль оптической оси субмиллиметрового резонатора, подстраивают мощность субмиллиметровой генерации на максимум вручную или с помощью устройства автоматической подстройки мощности генерации.

При необходимости работы субмиллиметрового квантового генератора в другом спектральном диапазоне необходимо использовать окно Брюстера из другого кристаллического материала (для диапазона 85-90 мкм используют пластины из NaCl, для диапазона 140-180 мкм из KRS-5 и т. д. ), те же или другие рабочие молекулы и настраивают CO₂-лазер на соответствующую частоту генерации накачки.

Таким образом, предложенное устройство, сохраняя преимущества прототипа - высокую мощность и однородность накачки, связанные с внутрирезонаторным методом возбуждения и предельным согласованием коэффициентов усиления CO₂-лазера и поглощения рабочего вещества, позволяет осуществить подстройку длины субмиллиметрового резонатора без изменения частоты накачки и тем самым существенно (не менее, чем на порядок) повысить стабильность частоты и мощности генерации. Одновременно значительно облегчаются требования к юстировке герметизирующего элемента разрядной трубки CO₂-лазера накачки и снижаются потери на нем. (56) Дюбко С. Ф. и др. Исследование усиления субмиллиметровых волн в молекулярных газовых средах с оптической накачкой, "Квантовая электроника", 1977, N 7, с. 1522-1527.

Авторское свидетельство СССР N 587812, кл. H 01 S 3/094, 1976.

СУБМИЛЛИМЕТРОВЫЙ КВАНТОВЫЙ ГЕНЕРАТОР, содержащий лазер накачки, например СО₂-лазер, с разрядной трубкой и перестраиваемым по частоте оптическим резонатором, включающим дифракционную решетку и зеркало, и заполненный активным веществом субмиллиметровый резонатор в герметичном корпусе, образованный зеркалом перестраиваемого оптического резонатора и выходным зеркалом с отверстием связи, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности мощности и частоты генерации, выходное зеркало расположено внутри оптического резонатора и выполнено с возможностью перемещения вдоль оптической оси генератора, а разрядная трубка герметизирована окном Брюстера, выполненным из материала, прозрачного для излучения накачки и селективно отражающего субмиллиметровое излучение.