Активный элемент ионного газового лазера

 

АКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ИОННОГО ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА, содержащий установленные на его торцах окна Брюстера из монокристалпического кварца. 2 а ю щ и с я тем, что. о т л и ч с целью упрощения технологии изготов ления, рабочие поверхности окон Брюстера выполнены перпендикулярно главной оптической оси кристалла, а толщина h окон удовлетворяет соотношению . h fc all l-Sfis g. m где - рабочая длина волны, мкм; tpg- угол преломпения материала окна, град; k - целое число

СОЮЗ СООЕТСНИХ

WIIHI5IÊ

РЕСПУБЛИК (я)5 H 01 S 3/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А В ТОРС340ММ СЗВЩВ1В ВЮ ВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОВРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ГАРИ fHHT СССР

1 (21) 3653216/25 .(22) 18.10о83 (46) 15 ° 04o91, Бюль !! 14 (72) В,Ф.Быковский, Б.II.Èèðåöêèé, Н Д.Королев, И.К.Дятлов и Б.Е.Константинов (53) 621. 375 ° 8(088. 8)(56) Патент СЯА !1 3993965, кл ° Н 01 S 3/02, опублик. !976.

Патент США И 4063803, кл, Н. 01 $ 3/02, опублик. 1977, (54) (57) AKTHBHblA ЭЛЕМЕНТ ИОННОГО

ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА, содержащий установленные на его торцах окна Брюсте ра из монокристаплического кварца, /

Изобретение относится к области квантовой электроники и может 61ыть использовано GpH создании мощных иаи ных лазеров непрерывного действия на» инертных газах

Целью изобретения является упрощение технологии изготовления активного элемента.

На фиг.1 показан ионный лазер; на фиг. 2 - концевой патрубок активного .элемента с наконечником и выхадным окном.: Брюстера, на фиг.3 и 4 - экспе-. риментальные кривые, характеризующие изменение мощности излучения Н лазера от угла поворота g внутрнрезона .. торной кристаллической пластинки . Газовый лазер состоит из активнаго элемента ) с охпаждаеиам водой . разрядиым капилляром 2 из бериплке- . вой керамики, катодиым 3 и аиодным:

),.SUÄÄ 1169499 A 1

2 о т л и. ч а ю шийся. тем, что, с целью упрощения технологии изготов ления, рабочие поверхности-окон Брюстера выполнены перпендикулярно главной оптической оси кристалла, а толщина h окон удовлетворяет соотношению

Я О со6 ч з

Ш

l где 7l e — рабочая длина волны, мкм, !! — угол преломления материала окна, град;

k — целое число (!О 6 k Й 30) °

m — эмпирический коэффицйент .(5 ° )О 3, а 6 ° 10-3). 4

Са

В.

4 узлами, соленоида 5, в котором расположен разрядный капилляр 2 и опти- ческого резонатора, образованного зеркапамн 6 и 7. На концах активного элемента имеются патрубки- 8, закры" тые герметично выходными окнами 9 из монокристаллического кварца Конце.вой.патрубок .активного элемента выполнен составным Он содержит втулicy 10, соединенную с разрядным канапои активного элемента лазера, и ,и наконечник 11 с выходным окном Брюстера.

Наконечник 11 и втулка 1О соединены герметично между собой с помощью. пайкн нли сварки. через расширенйя в виде фпанцев или кольцевых выступов.

Наконечник !! имеет опорную площадку, сошлифованную под углом Брю1169499 стера (1 к оси наконечника, к которой герметично присоединено выходное 9 из монокристаплического кварца.

Окно выполнено (вырезано) из монокристалла так, что оптическая ось Е

5 кристалла перпендикулярна его рабо- .* чим поверхностям. При этом ось Е лежит в плоскости падения световой волны. В данном случае коэффициент термического расширения (КТР) кристалла не зависит от направления в плоскости, поверхности окна, а оптические свойства для проходящего пучка не меня-. ются при повороте окна вокруг оси Е, Дпя заданной рабочей длины волны генерации ф минимальные оптические о потери на отражение на поверхностях окон для проходящей через них световой волны, поляризованной в плоскости падения, обеспечиваются выбором толщины окна.

Работает устройство следующим образом.

При возбуждении газового разряда в активном элементе 1 и достижении плотности тока 500 - 1000 А/см создаются условия генерации на видимых и ультрафиолетовых (УФ) линиях одно и двухкратно ионизированных атомов аргона. Мощность генерации зависит . от оптических потерь в резонаторе и, в частности, от потерь на отражение от поверхностей выходных окон Брюсте.— ра, которые в рассматриваемом случае, когда рабочие поверхности окон перпендикулярны главной оптической оси кристалла, обусловлены вращением плоскости поляризации и двулучепрелом ением.

В одноосных кристаллах, таких как кристаплический кварц, вращение плос" кости поляризации максимапьно в направлении главной оптической оси и быстро убывает при отклонении от нее. 45

В данном случае, когда угол между осью Е и преломленным пучком составляет () 33, вращение плоскости поо ляризацйн в несколько раз меньше, чем ВДОль Оси Z o

Однако даже при небольшом вращении плоскости поляризации происходит изменение формы и направления поляризации светового пучка, прошедшего через ок-, но, что может вызвать увеличение оптических.потерь на отражение. Очевид55 но, что такое изменение поляризации зависит от толщины кристаллического окна, Падающий на. поверхность окна Брюстера монохроматический линейно-поляризованный в плоскости падения световой поток в кристапле преобразуется в две компоненты, отличающиеся поляризацией и распространяющиеся с различными скоростями, которые в результате интерференции на выходной поверхности окна образуют поток с другими характеристиками поляризации, При определенной разности хода двух компонент, зависящей от толщины окна, преимущественное направление колебаний выходящего потока совпадает с плоскостью поляризации падающего потока. При этом потери на отражение минимальны, Разность фаз колебаний Ь двух компонент, прошедших через плоскопараллельное окно, определяется выражением

$ = — -" — — — h ф СО8 pb- У где и = п = и - разность показате2 лей преломления каждой из компонент в кристалле для заданного угла преломления Vg;

ЯΠ— рабочая длина волны е

Потери на отражение при интенференции двух компонент выходящего пучка минимальны в случае, когда разность фаз равна

Ь = 2н1с, где k — целое число, характеризующее порядок интерференции

Отсюда находится соотношение для выбора оптимальной толщины окна, в котором, в отличие от формулы (1) вместо коэффициента n = n = n учи1 2 тывающего оптические свойства среды, используется коэффициент ш, найденный экспериментально о 10 соз 4G с ш

В экспериментах используют плоскопараллельные пластинки различной толщины из монокристаллического кварца с поверхностями, перпендикулярными главной оптической оси Z кристалла, которые помещают под углом Брюстера в резонатор газового лазера.

Использовались гелий-неоновый с

Фо= 0,6328 мкм, гелий-кадмиевый с

5 1169499

Яо = 0,4416 мкм и аргоновый с Яо =

= 0,5145 или hz = 0,351 мкм лазеры.

При изменении угла наклона пластинки к оси резонатора наблюдаются периодические йзменения мощности излучения на выходе лазера.

Зависимости, характеризующие изменение мощности генерации на выходе лазера при повороте пластинки, представлены на фиг.3 (для толщины пластинки 2,5 мкм — кривая 12 и 2 мм— кривая. 13 на длине волны 0,6328 мкм) и на фиг. 4 (для толщины пластинки

2, 5 мкм на длинах волн 0,6328 мкм— кривая 14 и 0,4416 мм — кривая 15) °

Угловое расстояние между соседними максимумами или минимумами зависит от длины волны генерации и толщины пластинки. Оно увеличивается с ростом длины волны и уменьшением толщины пластинки. Следует отметить также, что амплитуда изменения мощности генерации от максимума до минимума снижается с уменьшением толщины пластинки.

Эмпирический коэффициент m определяют с помощью формулы (3) для из-, вестных значений длины волны генерации ф и толщины пластинки h по изо меренным углам наклона g о пластинки к оси резонатора лазера, соответствующим двум соседним максимумам. Дпя одного из максимумов, соответствующего углу наклона (P<, ближайшего к углу

Брюстера (< имеем

-3 и h, ° 1O

= k — — — — (4)

cos (ф, m

Выходные окна предложенного ак45 тивного элемента изготавливаются из (6) 50

55 для соседнего максимума, соответствующего углу наклона

h 9o lO (k-1) — — — — ° (5)

cos ЧУ2 тп

Вычитая из выражения (4) выражение (5), получаем

Яо 10

1 I

h(— — -- — — -) соз(/(созЦ

Найденный таким образом эмпирический коэффициент m не зависит от толщины окна h и слабо зависит от длины волны 3д . Он составляет величину 5" к10 йш - 6 ° 10 во всем исследуе-мом диапазоне длин волн генерации.

Таким образом, как следует из соотношения (3), для заданной длины волны генерации ф и известной величи5

40 ны m h — толщина окон, обеспечивающая минимум потерь на отражение, фактически определяется выбором целого числа k.

С одной стороны, чем меньше толщина окна, тем меньшие потери на отражение могут быть достигнуты, так как при этом уменьшается вращение плоско" сти поляризации. С другой стороны, слишком тонкие окна не обладают необходимой механической прочностью, прогибаются или разрушаются под атмосферным давлением. Обычно в газо- вых лазерах окна тоньше, чем 0,5 мм, не применяются по указанной причине

Поэтому в конструкции выбор числа k ограничен. Величина 1 cos ps ° 10 /m в формуле (3) для УФ области спектра составляет 0,05 мм. Если k 10 то

h 0 5 мм.

Увеличение же числа k свыше 30 нецелесообразно, так как с увеличением толщины возрастают остаточные потери на отражение, растут требования к точности расположения окон в резонаторе лазера.Если лазер генерирует на нескольких дпинах волн, то в качестве 3 целесообразно выбрать длину волны с ми- нимальным.коэффициентом усиления, Следует отметить при этом, что даже при использовании в экспериментах пластинок толщиной 2,5 мм изменение мощности излучения от максимума до минимума соответствовало изменению внутрирезонаторных потерь на величину менее 1/. Для линий генерации с большим усилением (десятки Ж) такое увеличение потерь практически не оказывает влияния на мощность генерации. синтетического оптического монокристаллического кварца следующим образом. В монокристалле кварца направление главной оптической оси определяется с точностью 1-2 по располоо жению естественных граней. Дальнейшая ориентировка проводится с помощью рентгенометра, который позволяет определить направление оси Е в кристалле с точностью до 3-5 угл, мин. Затем в кристалле делаются два среза в двух взаимно перпендикулярных направлениях, которые шлифуются и затем используются как опорные пло1169499 щадки, одна из которых перпендикулярна оси. С помоцью рентгенометра ориентация площадок между собой и относительной оси 4 доводится с точностью 5 до 3-5 угл.мин. Далее кристалл разрезается -на заготовки пластины определенной толцины, ориентированные относительно опорных плоцадок. При этом плоскости пластин перпендикулярны 10 оси 7 с точностью до 10 угл.мин, Из пластин вырезаются заготовки оконкруглые эллиптические или прямоугольные, у которых поверхности перпендикулярны оси Е с указанной точностью. 15

Толщина окон доводится до требуемой величины в процессе дальнейшей шлифовки и полировки заготовок. Изготовление окон заданной толщины с точностью до + 0,1 мм, которая вполне до- 30 статочна для предложенного устройства, не вызывает особых затруднений в оптическом, производстве.

Сборка активного элемента производится следующим образом.

Собранная часть активного элемента 1 с втулками 10, торцы которых перпендикулярны оси .активного элемента, помещается на оптической скамье и через разрядный капилляр 2 30 пропускается диафрагированныи пучок гелий-неонового лазера. С противоположной стороны устанавливается технологическое зеркало, отражающее пучок в обратном направлении. К втулкам 35 с помоцью приспособления прижимаются торцы наконечников 11 со сменными окнами. 1lутем поворота наконечников 11 вокруг оси достигается совмещение от-. раженных от этих окон пучков в одной и той же плоскости. Наконечники 11 в этом положении фиксируются механически, а затем герметично соединяются с втулками 1О при помощи пайки или сварки. Наконечники 11 имеют две опорные поверхности: для установки окна под углом Брюстера к оси и соединения с втулкой 10 перпендикулярной оси, Окно 9 приклеивается к шлифованным поверхностям наконечника 11 выполненно" го, например, из стекла 0-52 высокотемпературным вакуумно-плотным клеем, например клеевой пленкой 11КС-171, обеспечивающей высокую герметичность сое- . динения при температуре до 250 С.Для сое- динения окна с наконечником активного элемента лазера может быть использован припой с температурой плавления 300—

500 С с КТР !4«+ 2 ° 10, при этом наконечник может быть выполнен из металла с близким КТР, например из никеля (КТР = 14-10 ) Собранный активный элемент проходит термовакуумную обработку при

250 C в течение 2-4 ч, тренировку в разряде, затем наполняется инертным газом до определенного давления (обычно 0,8-1 тор)„

1169499

М, отн.ед

W, вин.ед

Техред, Л. Олейник

Ф КоРРектор Л.Патай

Редактор ОЮркова

Заказ 1892 Тираж 317 Подписное

BHHHGH Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб. ° д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r.Óàrîðîä, ул. Гагарина, 101