Способ получения когерентного излучения и газовый лазер

 

Изобретение относится к области квантовой электроники, в частности к лазерной технике, и может быть использовано для получения высоких мощностей излучения во всех диапазонах лазерного излучения, на любых газах: He-Ne, He-Kd, CO, CO₂ и т.д., которые имеют применение в спектроскопии, голографии и технологии. Целью изобретения является увеличение КПД и повышение - выходной мощности излучения газовых лазеров. Сущность изобретения заключается в перекачке энергии встречной волны в основную волну. Этот процесс осуществляется путем регулирования частоты излучения возвратным зеркалом 8, смонтированным на пьезокерамике, имеющим нулевой фазовый сдвиг. Процесс перекачки встречной волны в основную осуществляется благодаря небольшой расстройке по частоте излучения и происходит на возбужденных атомах, ранее не участвовавших в процессе генерации основной волны. Резонатор выполнен кольцевым пятизеркальным. Два зеркала наклонены к оптической оси в разные стороны под углом рад и одно из них имеет два диаметрально противоположных окна в виде ненапыленных участков. Напротив каждого из окон размещены два зеркала под углом : вспомогательное 7, установленное на пьезокерамике, и полупрозрачное зеркало 6 обратной связи. Дополнительно установлено пятое возвратное зеркало 8 перпендикулярно оптической оси обратного луча. Профиль разрядной трубки выполнен щелеобразным. Процесс перекачки энергии встречной волны в основное излучение дает возможность высвечиваться всей инверсной среде в полезное излучение, что ведет к многократному повышению КПД лазера. 2 с. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано для создания электроразрядных газовых лазеров. Целью изобретения является повышение мощности и КПД лазера. На чертеже показана схема устройства для осуществления способа. Устройство содержит плоские глухие зеркала 1 и 2 с напыленными участками 3 и с двумя диаметрально противоположными окнами 4 и 5 в зеркале 2 в виде напыленных участков, зеркала 1, 2 наклонены к оптической оси под углом Против окна 4 установлено полупрозрачное зеркало 6. Вспомогательное зеркало 7 расположено за окном 5 под углом За полупрозрачным зеркалом размещено возвратное зеркало 8. При этом зеркала 7 и 8 смонтированы на пьезокерамике с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном отражающим поверхностям, в пределах волны излучения. Устройство работает следующим образом. При включении разряда в щелеобразном рабочем объеме создается инверсная населенность уровней рабочего газа, возникает излучение в виде бегущей волны, которое многократно проходит в инверсной среде по зигзагообразному пути благодаря наклону плоских глухих зеркал 1 и 2 в разные стороны от оптической оси под углом приблизительно 10^-5 рад. Пройдя зигзагообразный путь в инверсной среде, излучение выходит из окна 5 и, отразившись от зеркала 7, попадает на зеркало 6. Часть излучения проходит через это зеркало, а часть возвращается в инверсную среду и проходит тот же зигзагообразный путь, давая свой вклад в выходную мощность излучения. При подаче напряжения на пьезокерамику, на которой смонтировано зеркало 8, происходит изменение расстояния, которое проходит в резонаторе обратное излучение. Изменение расстояния между зеркалами, в том числе за счет перемещения зеркала, дает расстpойку по частоте от основного излучения. Это означает, что возвращенное излучение, отраженное от зеркала 8 с нулевой фазой, усиливается от других возбужденных атомов, которые еще не отдавали свою энергию в излучение. Теперь в квантовой системе работает много больше возбужденных атомов, что приводит к резкому повышению коэффициента усиления, а соответственно и КПД газового лазера. Таким образом проходит перекачка энергии излучения обратной волны со своим коэффициентом усиления в прямую волну, что также ведет к росту коэффициента усиления основной волны и выходной энергии излучения. Выбор нулевого сдвига фазы возвратного зеркала позволяет эффектно подавить обратную волну, при этом прямая волна начинает усиливаться как за счет своего коэффициента усиления, так и за счет коэффициента усиления обращенной обработкой волны, что следует из приводимой формулы где ω частота излучения; L длина пути, пройденная волной излучения в резонаторе; x"_- мнимая часть диэлектрической восприимчивости встречной волны; R коэффициент отражения зеркала обратной связи. Выражение (1) получено следующим образом. Запишем систему уравнений для медленных амплитуд с учетом поляризации для однородной модели где x_+- комплексные диэлектрические восприимчивости прямой и встречной волн, напряженности поля прямой и обратной волн, вычисленные в приближении Из этой системы уравнений следует уравнение для энергии встречной волны в стационарном состоянии
где G энергия подавляемой волны. Основной особенностью эффекта перекачки энергии встречной волны в основную является то обстоятельство, что уравнение (3) вместе с граничным циклическим условием для G^-
G_-(L)=RG_-(o) (4)
в условиях подавления волны G_-(L) после логарифмирования и интегрирования уравнения (3) дает выражение (1). Физически это означает, что компенсации потерь происходит за счет насыщенного коэффициента усиления подавляемой волны G_-(L). При коэффициенте подавления встречной волны в приближении энергия встречной волны G_- подавлена достаточно сильно, восприимчивости x_+- для прямой и обратной волн, входящие в уравнение (1), можно найти точно при (q __→ 0). Из-за громоздкости получаемых выражений от точных выражений переходим к приближенным, используя приближение, типичное для газовых лазеров: γ_o/γ ≪ 1, где γ_o ширина рабочего уровня, γ однородная ширина линии люминесценции. В пределе q __→ 0, γ/γ_o__→ 0 мнимая часть диэлектрической волны x' в формуле (1) имеет выражение

где мнимая часть диэлектрической восприимчивости для основной волны, здесь

n плотность возбужденных атомов;
d дипольный момент перехода;
средняя скорость атомов. Δω = ω - ω_o,
ω_o центр линии перехода,

Коэффициент подавления встречной волны определяется из граничных условий для основной волны в схеме с возвратным зеркалом

где R_o коэффициент отражения возвратного зеркала;
Ψ_o= ϕ(o) - (L) + Ψ,
где ϕ(L) фаза основной волны;
Ψ фаза отражения встречного луча от возвратного зеркала 8. Из формулы (6) видно, что подавление может стать большим при j_o= 0, тогда

где η = η/η_o энергия накачки, измеренная в пороговых единицах;
η_o плотность атомов на пороге возбуждения.
Снижение пороговой плотности h_o в схеме достигается за счет увеличения реальной длины L, поэтому при увеличении длины, например, в 30 раз с учетом дифракционного предела можно снизить энергию накачки в 30 раз. Дальнейшее возрастание энергии излучения происходит за счет перестройки частоты излучения возвратным зеркалом 8. Из формулы (2) и (5) и уравнения для энергии основной волны

аппроксимационная формула энергии основной волны на выходе из резонатора имеет вид
G=(1-R)G(o)
аппроксимационная формула для G(o) отличается от точной не более чем на 1%
В пределе накачки, близкой к пороговому значению η-1≪1 (например, η-1=0,05) формула (9) упрощается и приводится к виду
G(o) = 2(η-1)(1+δ²) (10)
В результате видно, что при энергии накачки, близкой к пороговой за счет отстройки частоты от резонанса, энергия излучения на выходе по сравнению с обычной схемой, где G(o) = 2(η-1)~0,1, в данной схеме возрастает еще в 10 раз, при
G(o)=1. Коэффициент подавления (6) при R_o= R=0,9 достигает величины 0,025. В итоге достигается общее увеличение КПД. Это ведет к резкому снижению как размеров лазеров, так и потребляемой электроэнергии при увеличивающейся выходной мощности. Значительное снижение потребляемой энергии, сокращение размеров и увеличение выходной мощности дает экономию электроэнергии, экономию различных дефицитных материалов при изготовлении лазеров.

Формула изобретения

1. Способ получения когерентного излучения, включающий создание инверсной среды и формирование в резонаторе газового лазера прямой и обратной волн излучения, отличающийся тем, что, с целью повышения мощности и КПД лазера, обратную волну излучения возвращают в резонатор с нулевым фазовым сдвигом относительно прямой волны и осуществляют расстройку по частоте между прямой и обратной волнами так, что выполняется соотношение

где L длина пути, пройденная волной излучения в резонаторе;
ω частота излучения;
мнимая часть диэлектрической восприимчивости обратной волны;
R величина, обратная коэффициенту потерь резонатора;
C скорость света в среде. 2. Газовый лазер, содержащий щелеобразный разрядный канал и четырехзеркальный резонатор, включающий два наклонных по отношению к оптической оси глухих зеркала, вспомогательное и полупрозрачное зеркала, установленные напротив окон, выполненных в одном из глухих зеркал, которые совместно с глухими зеркалами образуют замкнутый контур, формирующий две волны излучения прямую и обратную, отличающийся тем, что, с целью повышения мощности и КПД лазера, перпендикулярно направлению распространения обратной волны излучения за полупрозрачным зеркалом размещено возвратное зеркало, при этом возвратное и вспомогательные зеркала установлены на пьезокерамике с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном отражающим поверхностям, в пределах длины волны излучения.

РИСУНКИ

Рисунок 1