Волноводный газовый лазер Советский патент 1982 года по МПК H01S3/08 

На чертеже схематично показана конструкцня предлагаемого лазера.

Лазер, содержапдий лазерное зеркало 1, ннзковольтный электрод 2, волноводную разрядную трубку 3, высоковольтный электрод 4, волноводный канал 5, селектирующий элемент 6. Селектирующий элемеит б установлен в волноводную разрядную трубку 3 в пространство между высоковольтными электродами 4 таким образом, что его боковые поверхности контактируют с внутренней поверхностью волноводной трубки. Электроды 2 и 4 вакуумноплотно установлены в отверстиях в стенке волноводной разрядной трубкп 3.

Устройство работает следующим образом.

Активная среда создается в газовом тлеющем разряде, возбуждаемом высоковольтным источником питания, напряжение которого подается на электроды 2 и 4. Газовый разряд горит в промежутках между электродами 2 и 4, а в нромежутке между высоковольтными электродами 4 разряда нет, так как они находятся под одним и тем же потенциалом. Оптический путь фотонов, рождающихся в активной среде, замкнут за счет использования двух внутренних лазерных зеркал 1. На своем пути когерентное излучение попадает в селектирующий элемент 6 и приобретает свойства, определяемые типом используемого элемента. В качестве селектирующего оптического элемента 6 можно иснользовать например, эталон Фабри-Перо, поляризатор, фокусирующую линзу, плоскопараллельную пластину, модулятор и т. д. Выходная мощность излучения волноводного газового лазера существенно зависит от уровня потерь внутри резонатора, включающих потери в самом волноводе, на внутрирезонаторных элементах и потери па согласование волноводной моды и моды свободного пространства. Вследствие малой активной длины разрядной трубки волповодного СО2-лазера существенным вонросом является уменьщение потерь внутри оптического резопатора. Размещение селектора внутри волноводного канала позволяет уменьшить потери электромагнитной волны, во-первых, за счет уменьшения потерь на согласование волноводпой моды и моды свободного нространства, которые для цилиндрической волноводной трубки пропорциональны расстоянию г между торцом волноводного канала и лазерным зеркалом: 6 « 605 (r/ka) , (k 2n/K - волновое число, Я - длина волны излучения), во-вторых, за счет уменьшения доли излучения отраженного от поверхности селектирующего элемента и выходящего из анертуры волноводного канала. Второй из упомянутых факторов более существенен при наклоне торцовых поверхностей селектирующего элемента под углами, отличными от я/2, к оптической оси резонатора. В волноводном СО2-лазере расстояпне AL между центральными электродами определяется услов 1ем устойчивого горення тлеющего газового разряда в обеих секциях волноводной трубкп. Оно завнсит как от общей длины, так и от диаметра волноводного канала и определяется выражением:

Д/./2 0,17(1--

SP

При этом, выбнрая расстояние / между центром каждого высоковольтного электрода и торцовой поверхностью оптического элемента пз условия

V.ci.,17(/.С

SP

не нарушаются условия горения разряда в волноводном канале. Данный волноводный лазер обладает свойством универсальности, может работать в режиме генерации как с селектирующим элементом, так и без него.

Нримеры вынолпения.

1. Селектирующий элемент может заменяться на другой элемент без переделки всей конструкции лазера, так как установку элемента в участок мелсду высоковольтными электродами можно производить через один пз открытых торцов волноводного канала при наличии съемного лазерного зеркала.

2.В другом случае, когда требуется работа волноводного СО2-лазера только с одним из упомянутых оптических элементов, появляется дополнительное преимущество устройства, связанное с возможностью уменьшения расстоян,/ между высоковольтными электродами. Это обусловлено

тем, что для большинства материалов, используемых в качестве селектирующих элементов в 10 мкм дианазопе длин волн, величина диэлектрической пропицаемости 8э больше величины диэлектрической проницаемости плазмы газового разряда ед при типичных параметрах накачки волноводного СО2-лазера. Вследствие этого минимальное расстояние между высоковольтными электродами в рассматриваемой конструкции определяется уже не условиями устойчивого горения разряда, а длиной селектирующего элемента в направлении продольпой оси волноводиого канала. При этом еще уменьщить общую длину волноводного канала, что приведет к возрастанию отношения длины активной части волновода к его общей длине.

3.В случае использования эталона Фабри-Перо для селектировапия колебательновращательных переходов, в устройстве дополпительно возрастает расстояние между нродольными модами резонатора, которое оиределяется отношением C/2Lp (С - скорость света, LP - длина резонатора) за

счет уменьшения величины Lp при той же

самой активной длине волноводной трубки. Это обстоятельство наряду с факторами, уменьшающими потери в резонаторе, позволяет расширить полосу частотной перестройки волноводного лазера.

4. Селектируюш,ий элемент можно также установить в иазы, вынолненные в стенке волноводной трубки и соединить с регулировочным приспособлением через отверстие связи, например, в стенке волноводной трубки со стороны, противоположной размеш,ению высоковольтных электродов, что позволяет осуш,ествить регулировку положения оптического элемента в волноводном резонаторе. В этом случае появляется возможность, например, нерестраивать лазер с одной линии генератора на другую при использовании эталона.

Введение селектирующего элемента в волноводный канал позволяет существенно расширить диапазон возможных применений волноводного СОа-лазера за счет возможности получения когерентного излучения с заданными параметрами, например, плоскополяризованное одночастотное, одномодовое, модулированное и т. д. или с комбинацией ряда перечисленных свойств.

Таким образом, данное устройство позволяет устранить недостатки, присущие ранее известным устройствам, и обеспечивает возможность конструирования малогабаритных газовых лазеров с селектирующими элементами, которыми могут являться, нанример, эталон Фабри-Перо, поляризатор, фокусирующая линза, плоскопараллельная пластина, модулятор и т. д., с повышенными значениями выходной мощности излучения.

. Формула изобретения

Волноводный газовый лазер, содержащий волноводную разрядную трубку, высокоr 2

вольтные и ннзковольтные электроды, установленные в отверстиях в стенке волноводной разрядной трубки, и селектирующий элемент, отличающийся тем, что, с

целью увеличения мощности выходного излучения, селектирующий элемент установлен в волноводной разрядной трубке между высоковольтными электродами без зазора с внутренней поверхностью трубки,

при этом расстояние / между центром каждого отверстия в стенке волноводной трубки и торцовой поверхностью селектирующего элемента, удовлетворяет условию:

IV

ak

,17 (

SP

d - диаметр отверстия в стенке воленоводной разрядной трубки;

L - активная длина волноводной разрядной трубки;

У ah - разность потенциалов меладу высоковольтным и низковольтным электродами при оптимальном токе разряда;

5 - угол наклона функции Пашена / (р, а) к оси давлений, при этом а - диаметр внутренней поверхности волноводной разрядной трубки;

Р - полное давление газовой смеси.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Патент США № 4064466, кл. 331-94,5, опублик. 1977.

2.W. R. Leeb. Tunability characteristics ot wavequide COa laser with internal etalons

Appl. Optics, 1975, V 14, № 7, p. 1706 (прототип) .