Двухчастотный электроразрядный co*002-лазер

 

Использование: в квантовой электронике, в системах дистанционного определения загрязнения окружающей атмосферы, в системах оптической связи. Сущность изобретения: двухчастотный электроразрядный СО₂-лазер содержит дисперсионный резонатор, образованный выпуклым зеркалом с отверстием на оси, вогнутым зеркалом и дифракционной решеткой, расположенной за отверстием в выпуклом зеркале. Активный элемент лазера выполнен в виде двух секций с разрядными зонами щелевой формы, расположенными в одной плоскости по разные стороны от оси резонатора. Вогнутое зеркало может быть выполнено бифокальным с радиусом кривизны в центральной части R, удовлетворяющим соотношению R больше L, где L - расстояние между дифракционной решеткой и вогнутым зеркалом. Лазер позволяет получить импульсы генерации на двух заранее выбранных различных вращательных переходах с любой контролируемой временной задержкой между ними и одновременно обеспечивает их однонаправленность. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в оптической связи и локации, при определении загрязнения окружающей среды.

Известен СО₂-лазер, генерирующий на двух отдельных вращательных переходах [1] Он состоит из двух волноводных лазеров, оптические оси которых расположены под определенным углом друг к другу. Общим элементом резонатора у них является дифракционная решетка. Угол между осями лазеров и нормалью к решетке подобран таким образом, что они генерируют на различных вращательных переходах молекул СО₂, а излучение на различных длинах волн выводится от решетки в другой порядок в одном направлении.

Недостатком такого лазера является ограничение по мощности, обусловленное малостью объема активных сред используемых волноводных лазеров.

Известно также устройство, генерирующее излучение одновременно на двух независимо настроенных частотах [2] Оно состоит из двух параллельно совмещенных гибридных СО₂-лазеров, имеющих одну общую секцию высокого давления. Секции низкого давления могут быть настроены на отдельные вращательные переходы с помощью отдельных дифракционных решеток. Секция высокого давления работает в моноимпульсном режиме. Излучение, генерируемое каждой из секций низкого давления на различных длинах волн и проходящее через различные участки активной среды ТЕА-секции, создает условия для преимущественного развития генерации в основной (ТЕА) секции. Поэтому в момент включения ТЕА-секции она генерирует одновременно на двух различных длинах волн.

Однако с помощью описанного устройства невозможно осуществить попеременную и стационарную генерацию различных длин волн. Это ограничение обусловлено тем, что в устройстве используется моноимпульсный разряд и за генерацию различных длин волн ответственны лишь отдельные участки одной и той же активной среды.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является ТЕА СО₂-лазер, генерирующий одновременно на несколько близко расположенных переходах [3] Он состоит из широкоапертурной активной среды, работающей в моноимпульсном режиме, и дисперсионного резонатора, образованного вогнутым зеркалом с большим радиусом кривизны и дифракционной решеткой. Расстояние между зеркалами и поперечные размеры ТЕА-секции выбраны таким, чтобы обеспечить разделение зон в активной среде, ответственных за генерацию соседних вращательных переходов. В момент включения ТЕА-секции лазер генерирует одновременно несколько рядом расположенных по длинам волн вращательных переходов с ограниченными по временам длительностями, определяемыми энергией, запасенной в активной среде.

Недостатками лазера являются отсутствие возможности попеременной (одновременной) генерации нескольких вращательных переходов, а также отсутствие возможности генерации на далеко отстоящих друг от друга переходах (например, из 9- и из 10-микрометровых полос).

Технической сущностью изобретения является обеспечение управления во времени генерацией (одновременный, попеременный, стационарный и импульсный режимы) двух произвольных вращательных переходов из спектра генерации молекулы СО₂.

Технический результат обеспечивается тем, что дисперсионный резонатор, образованный вогнутым зеркалом и дифракционной решеткой, дополнительно содержит выпуклое зеркало с отверстием на оси, образующее с вогнутым зеркалом телескопический резонатор. За отверстием в выпуклом зеркале расположена дифракционная решетка. Активный элемент состоит из двух секций с разрядными зонами щелевой формы, расположенными в одной плоскости по разные стороны от оси телескопического резонатора.

Кроме того, для более устойчивого выделения двух вращательных переходов вогнутое зеркало выполнено бифокальным с радиусом кривизны в центральной части R, удовлетворяющим соотношению R > L, где L расстояние между дифракционной решеткой и вогнутым зеркалом. При R < L часть резонатора, образованная решеткой и вогнутым зеркалом, будет неустойчивой, что затрудняет получение генерации в средней части лазера. Размер центральной части зеркала с отличающимся от остальной части зеркала радиусом кривизны зависит от расстояния между решеткой и вогнутым зеркалом, дисперсии решетки и от спектрального диапазона между выделяемыми вращательными переходами.

Изобретение поясняется чертежом.

Лазер содержит резонатор, образованный вогнутым зеркалом 1, выпуклым зеркалом 2 и дифракционной решеткой 3. В центре выпуклого зеркала имеется отверстие 4, а решетка располагается за отверстием на оси 5, проходящей через центры зеркал. Активный элемент выполнен в виде двух секций 6 и 7 с разрядными зонами щелевой формы, расположенных по обе стороны от оптической оси резонатора между вогнутым и выпуклым зеркалами. Газовый разряд, применяемый для возбуждения активной среды, создается поперечным высокочастотным полем. Выходное излучение лазера состоит из двух пучков 8 и 9, проходящих мимо краев выпуклого зеркала.

Лазер работает следующим образом.

Существенной особенностью лазера является то, что его часть, образованная дифракционной решеткой, центральной частью вогнутого зеркала и ограниченная отверстием в выпуклом зеркале, представляет собой устойчивый дисперсионный резонатор. Это означает, что для различных переходов, отличающихся длинами волн, углы автоколлимации различаются и соответственно каустики мод разделены в пространстве. С другой стороны, каустики мод устойчивого резонатора перекрываются с полем мод неустойчивого резонатора, причем их перекрытие тем сильнее, чем сильнее различаются длины волн. С увеличением угла автоколлимации резко увеличиваются потери мод.

Принципиальным моментом работы лазера является то, что каждая из двух его частей, расположенных по обе стороны от оптической оси, представляет собой лазер с неустойчивым резонатором, в приосевой области которого генерируется излучение на определенной длине волны. Излучение из приосевой области растекается по всему сечению неустойчивого резонатора и управляет его спектральными характеристиками благодаря эффекту принудительной синхронизации частоты. Для каждой из двух частот лазера имеется один из вращательных переходов, который имеет оптимальные параметры с точки зрения принудительной синхронизации, а именно наилучшее перекрытие полей генерируемого в устойчивой части резонатора и генерируемого в неустойчивой части излучений, минимальные потери, минимальную расстройку частот. Таким образом, каждая из частей генерирует излучение на различных вращательных переходах, причем его энергетические параметры определяются параметрами неустойчивой части резонатора. Различие между длинами волн определяется дисперсией решетки, расстоянием между решеткой и вогнутым зеркалом и расстоянием между двумя секциями активной среды.

Лазер может работать как в импульсном, так и в стационарном режимах. Возможна одновременная и попеременная работа двух секций, поскольку они возбуждаются от отдельных питания.

Лазер можно проиллюстрировать следующим примером. Расстояние между дифракционной решеткой и вогнутым зеркалом 30 см. Поперечные размеры каждой из секций с разрядными зонами щелевой формы 25х2,5 см, толщина 2,5 м. Расстояние между отражающими поверхностями вогнутого и выпуклого зеркал 25,3 см. В центре выпуклого зеркала имеется отверстие размером 1,5 мм. За отверстием на оптической оси расположена дифракционная решетка, имеющая 150 штр/мм. Радиусы кривизны вогнутого и выпуклого зеркал равны 5 и 4,5 м соответственно. Вогнутое зеркало в центральной части, через которую проходит оптическая ось резонатора, имеет сферическую поверхность с радиусом кривизны 33 см и размером 6,2 мм. Расстояние между двумя равностоящими от оптической оси секциями с разрядными зонами равно 1,8 мм.

В этом случае выполняются условия для наилучшего возбуждения генерации на двух вращательных переходах, отличающихся по длинам волн на 0,1 мкм, например Р(14) и Р(26) из 10-микрометровой полосы молекулы СО₂.

Лазер может быть использован для дистанционного определения загрязнения атмосферы по методу дифференциального поглощения. Этот метод требует применения двух лазеров с различающимися длинами волн. Поэтому возникает необходимость тщательной установки лазеров для обеспечения высокой однонаправленности выходных пучков излучения, что особенно важно при зондировании атмосферы на больших расстояниях. В других случаях применяется один лазер, излучающий попеременно на различных переходах. Это обеспечивается механической перестройкой либо с помощью изменения длины резонатора, либо изменением оптического пути внутри дисперсионного резонатора. Способ механической перестройки не обеспечивает высокой скорости, но ограничен временами 10^-2-10^-3 с, что соответственно ограничивает дальность зондирования и быстроту обработки информации.

Лазер обладает преимуществами перед существующими аналогами в том, что содержит комплекс характеристик, требуемых для применения в лазерном мониторинге атмосферы. Во-первых, благодаря тому, что излучение на различающихся длинах волн формируется одним и тем же резонатором, автоматически обеспечивается однонаправленность выходных пучков. Во-вторых, генерация на различающихся вращательных переходах происходит в отдельных секциях активной среды, накачиваемых от различных источников питания. Это дает возможность генерировать импульсы излучения с очень малыми временными задержками между ними, что равнозначно высокой скорости спектральной перестройки.

Формула изобретения

1. ДВУХЧАСТОТНЫЙ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ CO₂-ЛАЗЕР, содержащий дисперсионный резонатор, включающий вогнутое зеркало и дифракционную решетку, и активный элемент, отличающийся тем, что резонатор дополнительно содержит выпуклое зеркало с отверстием на оси, образующее с вогнутым зеркалом телескопический резонатор, за отверстием в выпуклом зеркале расположена дифракционная решетка, а активный элемент выполнен в виде двух секций с разрядными зонами щелевой формы, расположенными в одной плоскости по разные стороны от оси телескопического резонатора.

2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что вогнутое зеркало телескопического резонатора выполнено бифокальным, причем радиус кривизны центральной части R удовлетворяет соотношению R > L, где L - расстояние между дифракционной решеткой и вогнутым зеркалом.

РИСУНКИ

Рисунок 1