Волноводный газовый лазер Советский патент 1980 года по МПК H01S3/81 

Изобретение относится к квантовой электронике и может использоваться при создании волноводных газовых лазеров с оптической накачкой, нашедших применение в спектроскопии и лазерной интерферометрии. Известны газовые лазеры субмиллиметрового диапазона, включающие источник накачки и резонатор волноводкого типа, заполненный активным газом Резонатор образован многоволновым волноводом, торцы которого срезаны перпендикулярно оси волновода, и двумя зеркалами, расположенными у торцов перпендикулярно оси волновода . Недостатком таких лазеров является нест,абильность выходной мощности и формы диаграммы направленности выходного излучения из-за возможности BO3никновения генерации на многих собственных волнах используемого в резонаторе многоволнового волновода. Известен волноводный газовый лазер, содержащий источник оптической накачки и резонатор, образованный многоволновым прямоугольным волноводом, заполненным активной средой, и зеркалами, расположенными у торцов волновода 2. Б таком устройстве возле каждого волновода установлено одно зеркало, плоскость которого перпендикулярна оси волновода. Перестройка длины волны генерации осуществляется перемещением зеркала. При этом наблюдается генерация на многих собственных волнах прямоугольного волновода. Установка зеркал перпендикулярно оси волновода является недостатком таких устройств, приводящим в ряде случаев к ухудшению характеристик лазера. Селекция типа колебаний волноводного резонатора в таких лазерах осуществляется изменением его длины. В результате, при случайном совпадении резонансной длины одновременно на ряде мод, при тепловых уходах длины резонатора или при перестройке на другую рабочую волну перемещением одного из зеркал выходная мощность, ширина диаграммы направленности и распределение поля в выходном излучении постоянно меняются из-за перескоков генерации с одного типа колебаний на другой. Ввод излучения накачки вдоль оси волновода, выгодный с точки зрения уменьшения потерь на стенках волновода, затруднен при таком расположении зеркал, так как они перекрывают апертуру волновода. Затруднено получение нескольких лазерных пучков с: одинаковыми параметрами в широком диапазоне для использования в лазерных интерферометрах. Цель изобретения - повышение CTSi,бильности мощности и формы диаграм1.Ы направленности выходного излучения за счет создания одноволнового режима генерации на высшей моде; повышение эффективности ввода излучения накачки вдоль оси волновода; получение нескольких лазерных пучков с одинаковы1 1и параметрами, Для этого, по крайней мере, у одного из торцов волновода симметрично относительно его оси установлено р зеркал под углами 90° - б m,n к оси вОлновода, при этом величина угла &й1,п определяется из соотношения ,п arc SinJf : A.Vf.lA-V., где m и / / п - индексы выделяемой волны; а к в поперечные размеры стенок волновода; Л- длина волны генерации, а величи на р 2, если m О или п О, и Р 4 , если одновременно ni,n - О, На чертеже изображен предлагаемый ;1азер, предназначенный для работы на одной из высших волн типа Нгп, о (или Но,п) . Он содержит многоволновой прямоугольный () волновод 1р зеркс.ло 2, перпендикулярное оси волновода, Зеркала 3 и 4, установленные под углом 90°-Qm,o к оси волновода, источ йик 5 инфракрасной накачки активного Раза, заполняющего волновод, На че ртеже также обозначены; излучение 6 накачки; выходное излучение 7; а. -ширина стенки волновода,.перпендикулярной электрическому вектору Е поля волны, распространяющейся по волново ду; а - ширина эффективного излучающего отверстия волновода; г - Сасст яние от плоскости зеркал 3 и 4 г:о ос волновода; 0т,о - угол межд,у нстрав лением распространения плоских парциальных волн и осью волновода; i - размер апертуры для ввода излучения накачки; г, - минимально возможное расстояние от поверхности зеркал до оси волновода, при котором-перекрыва ется вся эффективно излучающая апер ра а .. Лазер работает следующим образом При накачке в волноводе 1 возникают волгы, принадлежащие разли-чным :золн водным типам колебаний. Любую из вол типа Hs,o можно представить в виде суперпозиции двух плоских парциальн волн, распространяюйдихся по волново под углом -9s,о arc Sin (SA/2a) к оси волновода. Волны, бегущие в сторону зеркала 2, отражаются от него и попадают об атно в волновод, независимо от типа ОЛНЫ, т, е, от индекса S. Парциальые плоские волны, распространяющиея в сторону левого по схеме конца олновода, излучаются под углами 8s,о к оси волновода, причем макимумы излучения парциальных волн ем ближе к этим направлениям, чем очнее выполняется условие , Так как зеркала 3 и 4 установлены под углами 90 -0т, о к оси волновода .перпендикулярно направлению излучения парциальных волн с индексами т,о, эти волны, отражаясь от зеркал 3- и 4, попадают обратно в волновод. Для волн с про-извольным индексом S, не равным т, зеркала 3 и 4 оказываются разъюстированными. Отражение этих волн обратно в волновод происходит с потерями. Таким образом, зеркала, установленные под углом 90° -0т,о, вьщеляют заданную волну типа Н.т,о. Генерацию на данной волне можно получить, настроив резонатор по длине перемещением зеркала 2 (на чертеже обозначено стрелкой под зеркалом 2). Настройку по длине можно осуи,ествить также одновременным перемещением зеркал 3 и 4. Для вьщеления генерации на одной из высших волн типа Но,п ) зеркала 3 и 4 необходимо установить под углом 9 о - бо,п, где -б о, п arc. Sin (пЛ./2в) , где в - поперечный размер стенки волновода, перпендикулярной плоскости рисунка. Плоскости зеркал 3 к 4 должны быть -установлены перпендикулярно направлениям излучения парциальных волн,, которые лежат теперь в плоскости, перпендикулярной плоскости рисунка. Для получения генерации на волнах высших, типов Нт,п при m т О и п О одновременно, необходима установка возле торца волновода четырех зеркал , под углами ЭО - &ш,п к оси волноводе, причем их поверхностей должны быть перпендикулярны направлениям .излуче1,ия -четырех парциальных плоских волн, участвующих в образовании волн Нш,п. Угол вт,п определяется соотношением Ы fe-T Г-(.и агс%1м Рассмотрим пример реализации устройства в субмиллиметровом диапазоне длин золн. Пусть задано а 1 см, Л- 0,5 мм, выделяемая волна Угол 0т, о arc Sin(mA/2a) 14)5. Размер каждого из зеркал 3 и 4 должен быть взят не меньше а aCos6m,o- Of 98. Минимально возможное расстояние от поверхности зеркал до оси волновода, при котором перекрывается вся эффективно излучающая апертура а , найдем из соотношения ,, a/2tg m,o -. .lf93 см.Поверхность зеркал может

ъйГть близкой к плоской, если г меньш размера ближней зоны, т. е., если ориентировочно г(а )/2А. 9,5 см.

В общем случае волн Нт,о (или Но, поверхность зеркал 3 и 4 может быть плоской или близкой к плоской, если (а )/2 А.-Подставляя сюда соотношения для и можно получить что неравенство выполняется, если m 2.

Оценим эффективность достижения поставленной цели - повышение стабилности и мощности и формы диаграммы направленности выходного излучения путем получения одноволновой генерации на заданной высшей моде.

Использование двух или четырех зеркал позволяет получить генерацию только на волнах типа Нт,о и Но,п (два зеркала) или типа Hm,n (четыре зеркала). Разделение генерации на волнах типа Нт,о от генерации на вол уах типа Но,п осуществляется установкой двух зеркал под углами 90° - 0ni,o или 90° -&о,пк оси волновода перпендикулярно направлению излучения парциальных волн, т. е, установкой плос кости зеркал либо перпендикулярно стенке а (как на чертеже), либо перпендикулярно стенке t) волновода.

Оценим эффективность разделения волн одного типа с блйзки ш индексами. Если угол установки зеркал равен 90° -0т,о, то их угловая разъюстировка для волн с другим индексом S 7 m оказывается равной А& , гдел© jOvrirHjO -0m,о arcSin((m + 1)Л / /2а - arc Sin (m V2-a) А/2а для типичного случая а 1 см и Л 0,5 мм Лв 1,5° .

При значениях а/Л 20 угловая разъюстировка 1,5° поиводит по оценкам к потерям порядка 5-10 дБ.

Достигнутые в настоящее время коэффициенты усилия на метр в непрерывном режиме генерации активных в субмиллиметровом диапазоне сред существенно меньше этих потерь.

Таким образом, в предлагаемом уст.ройстве генерация может иметь место только на одной заданной волне. Это обеспечивает получение постоянных значений мощности генерации и формы диаграммы направленности при изменения длины резонатора.

Кроме того, подбором расстояния г от зеркала до волновода можно обеспечить необходимую апертуру g для ввда излучения накачки. Материал и форма окна для ввода излучения накачки могут быть выбраны независимо от диапазона длин волн генерации лазера.

Выводя излучение через зеркаша 3 и 4, можно получить два совершенно идентичных пучка в широком диапазоне длин волн без использования дополнительных делителей и ослабления мощности.

Формула изобретения

Волноводный газовый лазер, содер(сащий источник оптической накачки i резонатор, образованный многоволновым прямоугольным волноводом, заполненным активной средой, и зеркалами, расположенными у торцов волновода, отличающийс я тем, что, с целью повышения стабильности мощности и формы диаграммы направленности выходного излучения за счет создания одноволнового режима генерации на высшей моде, по крайней мере, у одного из торцов волновода симметрично относительно его оси установлено р зеркал под углами 90° -0т,п к оси волновода, при этом величина ,п определяется из соотношения

(i

0т,н-arc ih

где тип- индексы выделяемой волны; а и в - поперечные размеры стенок

волновода;

Л. - длина волны генерации; а величина р -2, если m О или п О и р 4, если одновременно m,n 0.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Патент США 3835416, кл. 331-94,5, 1974.

2.М. S. Tobin, R. Е. aensen,-ApP( Opt. 15, 1976, p. 2023 (прототип).

-t: