Устройство высокочастотного возбуждения газового лазера

 

Устройство относится к квантовой электронике и может быть использовано для создания газовых лазеров с повышенной импульсной мощностью и диапазоном перестройки частоты (длины волны) выходного излучения при проектировании лазерных систем технологического, локационного и экологического назначения. Сущность: в устройстве высокочастотного возбуждения газового лазера генератор накачки дополнен блоком формирования высокочастотных импульсов накачки с частотной модуляцией, между генератором и возбуждающей линией включена дисперсионная линия задержки с зависимостью скорости распространения колебаний накачки от частоты, согласованной с законом изменения частоты от времени внутри высокочастотного импульса накачки, а сама возбуждающая линия выполнена из отрезка бездисперсионного волновода. 3 ил.

Предлагаемое устройство относится к квантовой электронике и может быть использовано для создания газовых лазеров с повышенной мощностью и расширенным диапазоном перестройки частоты (длины волны) выходного (оптического) излучения при проектировании лазерных систем технологического, локационного и экологического назначения.

Известно устройство накачки газовых лазеров [1], предназначенное для высокочастотного возбуждения активной среды и позволяющее реализовать импульсный режим работы газового лазера, а также перестройку частоты (длины волны) выходного излучения лазера.

Недостатком устройства является ограниченное максимальное значение амплитуды высокочастотных колебаний накачки, что не позволяет осуществлять возбуждение газовых лазеров с высоким давлением активной среды.

Известно устройство [2], являющееся прототипом предлагаемого изобретения и состоящее из двухпроводной возбуждающей линии с концевыми нагрузками в виде замыкающих линию металлических стенок экрана и высокочастотного генератора.

Недостатком устройства-прототипа является невозможность формирования высокочастотных (ВЧ) импульсов накачки большой амплитуды на входе линии возбуждения газового лазера. Поэтому в лазере-прототипе верхнее значение давления активной среды невелико. С этим связаны два ограничительных следствия. Первое - мощность излучения, и в том числе пиковая, из-за малой концентрации активных центров небольшая. Второе: по причине низкого давления рабочего газа слабо проявляется механизм столкновительного уширения излучаемых лазером спектральных линий. Поэтому частотная ширина спектра излучения невелика, что ограничивает диапазон перестройки частоты (длины волны) выходного лазерного излучения. Отмеченные недостатки принципиально связаны с особенностью конструкции известного устройства ВЧ-накачки лазера и не могут быть устранены без существенного изменения его конструкции.

Предлагаемое изобретение направлено на повышение импульсной мощности и спектральной ширины излучения газового лазера с ВЧ-накачкой.

Эта задача решается так, что генератор накачки дополнен блоком формирования ВЧ-импульсов накачки с частотой модуляции (ЧМ), между генератором и возбуждающей линией включена дисперсионная линия задержки (ДЛЗ) с зависимостью скорости распространения колебаний накачки от частоты, согласованной с законом изменения частоты от времени внутри ВЧ-импульса накачки, а сама возбуждающая линия выполнена из отрезка бездисперсионного волновода.

На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого устройства. На фиг. 2 представлены а) форма ВЧ-импульса накачки с модуляцией частоты колебаний, заполняющих огибающую импульса; б) зависимость от времени частоты колебаний накачки в пределах длительности импульса накачки; в) зависимость от частоты колебаний накачки скорости распространения этих колебаний (пунктирная кривая) и их замедления (сплошная кривая) в ДЛЗ.

На фиг. 3 дана зависимость временного характера изменения огибающей ВЧ-импульса накачки до прохождения ДЛЗ (А_вх - амплитуда колебаний на входе ДЛЗ) и после ДЛЗ (А_вых - амплитуда ВЧ-колебаний на выходе ДЛЗ).

Устройство (фиг. 1) состоит из генератора ВЧ-колебаний накачки 1 с дополнительно встроенным блоком 2, формирующим частотно-модулированные импульсы накачки, и последовательно соединенным с ДЛЗ 3, возбуждающей линии 4 в виде отрезка бездисперсного волновода, нагруженной на сопротивление 5.

Устройство действует следующим образом. ВЧ-электромагнитные колебания, вырабатываемые генератором накачки 1, с помощью блока 2 преобразуются в импульсы с частотной модуляцией (фиг. 2а), имеющие амплитуду А_вх. Частота в пределах длительности импульса накачки (t₁ - t₂) изменяется в соответствии с зависимостью, изображенной на фиг. 2б. ЧМ-колебания, прежде чем попасть в возбуждающую линию, проходят через ДЛЗ 3. В ДЛЗ скорость распространения ВЧ-колебаний, а следовательно, и их замедление зависят от частоты колебаний (фиг. 2в), причем зависимость скорость -частота в ДЛЗ согласована с зависимостью частота -время внутри ЧМ-импульса. Вследствие этого в ДЛЗ происходит временная компрессия импульса накачки с коэффициентом сжатия тем большим, чем больше база ЧМ-колебаний накачки (произведение (f₂-f₁)(t₂-t₁) = Δf·Δt). Поскольку компрессия сопровождается законом сохранения энергии импульса (при условии отсутствия потерь в ДЛЗ и ее импедансного согласования на входе и выходе), амплитуда импульса накачки после прохождения ДЛЗ в раз увеличивается по сравнению с амплитудой на входе: .

Сжатые ВЧ-импульсы поступают на вход возбуждающей линии 4 и, распространяясь вдоль нее, осуществляют пробой и возбуждение рабочего газа в активном элементе лазера. Из-за отсутствия дисперсии в линии 4 сжатые ВЧ-импульсы накачки сохраняют свою форму на всем ее протяжении вплоть до оконечной нагрузки 5. Подбором химического состава и давления активной среды, амплитуды и частоты колебаний накачки достигаются условия для генерации в лазере индукционного излучения. В прототипе максимальное значение амплитуды ВЧ-колебаний на входе возбуждающей линии определяется энергетическими возможностями генератора накачки, которые ограничены. Поэтому в активном элементе лазера давление рабочего газа, при котором еще могут наступить ВЧ-пробой и возбуждение активной среды, характеризуется некоторым верхним пределом. В то же время, чем больше давление рабочей газовой смеси, тем потенциально выше мощность излучения лазера и шире диапазон перестройки его длины волны.

В предлагаемом устройстве за счет временного сжатия импульсов накачки перед их поступлением в возбуждающую линию амплитуда импульсов может быть многократно (в раз) увеличена. Если лазер работает при таких давлениях, когда частота упругих соударений электронов в газоразрядной плазме активной среды много больше частоты колебаний накачки, то повышение амплитуды последних пропорционально (т.е. в раз) увеличивает предельное значение давления в лазере, которое еще допускает ВЧ-пробой. С ростом давления при соответствующем энерговкладе в накачку линейно увеличивается концентрация активных атомов и молекул, способных генерировать индуцированное излучение. Одновременно повышение давления рабочего газа приводит к однородному уширению спектральных линий излучения (в CO₂ - лазере, например, однородное (столкновительное) уширение составляет 4,5-6 МГц при увеличении давления на 1 мм рт.ст.). Таким образом, недостаток, присущий лазеру-прототипу, устраняется и предлагаемое устройство обеспечивает газовому лазеру с ВЧ-возбуждением возможность работы в области повышенных давлений активной среды, приводя к увеличению мощности излучаемых импульсов и расширению диапазона перестройки частоты (длины волны) выходного излучения.

Предлагаемое устройство может быть реализовано на отечественной элементной базе и не содержит никаких дефицитных материалов.

Формула изобретения

Устройство высокочастотного возбуждения газового лазера, содержащее возбуждающую линию, концевую нагрузку, высокочастотный генератор накачки, отличающееся тем, что генератор накачки дополнен блоком формирования высокочастотных импульсов накачки с частотной модуляцией, между генератором и возбуждающей линией включена дисперсионная линия задержки с зависимостью скорости распространения колебаний накачки от частоты, согласованной с законом изменения частоты от времени внутри высокочастотного импульса накачки, а сама возбуждающая линия выполнена из отрезка бездисперсионного волновода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3