Газовый лазер

 

Предлагаемое устройство относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании газовых лазеров с повышенной мощностью излучения. Сущность: в газовом лазере, включающем высокочастотный генератор накачки, устройство формирования поля накачки в виде параллельных пластинчатых металлических электродов, пространство между которыми заполнено активной средой, и неустойчивый оптический резонатор, содержащий софокусные отражающие вогнутое и выпуклое зеркала, электроды и зеркала оптического резонатора расположены симметрично относительно линии, проходящей через центры кривизны и точку общего фокуса зеркал, вогнутое зеркало имеет поперечный размер 2а, равный ширине электродов, выпуклое зеркало имеет поперечный размер 2b (b < a) и дополнено на краях плоскими перпендикулярными оптической оси резонатора отражающими зеркалами размером с = (a - b) каждое, а в приосевой области по крайней мере на одном зеркале размещено полупрозрачное выходное окно. В лазере улучшается гомоцентричность и уменьшается расходимость выходного лазерного пучка, повышается мощность выходного излучения. Лазер обеспечивает положительные эффекты, отсутствующие в известном лазере-прототипе. 4 ил.

Предлагаемое устройство относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании газовых лазеров с повышенной мощностью излучения.

Известен лазер [1] , в котором активная среда возбуждается электромагнитным полем высокой частоты в нескольких плоских (щелевых) рабочих каналах, помещенных в общий тороидальный неустойчивый оптический резонатор.

Недостатком лазера являются низкий коэффициент использования объема излучающей головки, разные направления поляризации излучения в рабочих каналах, сложность и высокая стоимость оптического резонатора.

Известен газовый лазер [2], являющийся прототипом предлагаемого изобретения и включающий высокочастотный генератор накачки, устройство формирования поля накачки в виде параллельных пластинчатых электродов, пространство между которыми заполнено активной средой, и неустойчивый оптический резонатор, содержащий отражающие вогнутое и выпуклое зеркала.

Недостатками лазера-прототипа являются невысокая гомоцентричность и заметная расходимость выходного лазерного пучка, недостаточная мощность выходного излучения. Эллиптичность поперечного сечения выходного пучка определяется способом выведения излучения из неустойчивого резонатора. Расходимость выходного излучения увеличивается вследствие дефракции на кромке выпуклого зеркала. Недостаточная мощность лазера объясняется неполным использованием поддерживаемой в активной среде инверсии населенностей на рабочем переходе вследствие малого времени жизни индуцированных фотонов в неустойчивом резонаторе.

Отмеченные недостатки принципиально связаны с типом оптического резонатора и способом выведения из него оптического излучения.

Предлагаемое изобретение направлено на повышение гомоцентричности, уменьшение расходимости и повышение мощности выходного излучения лазера.

Эта задача решается так, что электроды и зеркала оптического резонатора расположены симметрично относительно линии, проходящей через центры кривизны и точку общего фокуса зеркал, вогнутое зеркало имеет поперечный размер 2а, равный ширине электродов, выпуклое зеркало имеет поперечный размер 2b(b<a) и дополнено на краях плоскими перпендикулярными оптической оси резонатора отражающими зеркалами c=(a-b) каждое, а в приосевой области по крайней мере на одном зеркале размещено полупрозрачное выходное окно.

На фиг.1 представлена общая схема предлагаемого лазера, на фиг.2 - продольное сечение лазера в плоскости, параллельной электродам, на фиг.3 - продольное сечение лазера в плоскости, перпендикулярной электродам: а) - вариант оптического резонатора, в котором использованы цилиндрические вогнутое и выпуклое зеркала; б) - вариант оптического резонатора, образованного сферическим вогнутым и цилиндрическим выпуклым зеркалами; на фиг.4 - ход лучей когерентного оптического излучения в резонаторе.

Лазер (фиг. 1) состоит из высокочастотного генератора накачки 1, параллельных пластинчатых высокочастотных электродов 2, пространство между которыми заполняет активная среда 3, вогнутого отражающего зеркала 4, выпуклого отражающего зеркала 5, дополнительных отражающих плоских зеркал 6, выходных окон оптического резонатора 7. Центры кривизны вогнутого и выпуклого зеркал O₁ и O₂ соответственно, общий фокус F вогнутого и выпуклого зеркал (фиг.2) лежат на одной прямой, являющейся осью оптического резонатора.

Лазер действует следующим образом. Генератор 1 вырабатывает высокочастотную электромагнитную энергию, которая подводится к плоским электродам 2. Пространство между электродами заполнено смесью газов 3. Компонентный состав смеси, ее полное давление и температура, частота и мощность поля пачки, а также форма и объем пространства между электродами подбираются таким образом, чтобы создать условия, необходимые для квантового усиления оптического излучения. Генерация конкретного оптического излучения возникает при помещении активной среды в оптический резонатор и выполнении балансов фаз и амплитуд. Вогнутое зеркало 4 и выпуклое зеркало 5 образуют неустойчивую часть оптического резонатора. Благодаря этим зеркалам когерентное излучение, зарождающееся, например, вблизи оси резонатора, разбегается в направлениях ± ϕ и "поднимает" весь объем активной среды в угловом секторе 2α(ϕ = 0 ÷ ± α) . Плоские зеркала 6 возвращают это излучение назад так, что, проходя в обратном направлении вышеописанный путь, оно собирается вблизи лазера и через окна 7 выводится за пределы резонатора в виде выходного луча лазера. Таким образом, дополнительные зеркала 6 придают оптическому резонатору устойчивость, вследствие чего когерентное излучение многократно пробегает в активной среде замкнутый путь. При этом полностью используется инверсия на рабочем квантовом переходе, вследствие чего мощность излучения лазера возрастает. Если одновременно угловые размеры вогнутого и выпуклого зеркал выбраны одинаковыми (см. фиг.4), то в генерации излучения принимает участие весь объем активной среды, что дополнительно увеличивает мощность лазера. Выведение излучения через осевое выходное окно круглой формы в одном из зеркал позволяет добиться гомоцентричности, близкой к единице, и понизить расходимость выходного луча.

Предлагаемый лазер может быть реализован на отечественной элементной базе и не содержит никаких дефицитных материалов.

Формула изобретения

Газовый лазер, включающий высокочастотный генератор накачки, устройство формирования поля накачки в виде параллельных пластинчатых электродов, пространство между которыми заполнено активной средой, и неустойчивый оптический резонатор, содержащий софокусные отражающие вогнутое и выпуклое зеркала, отличающийся тем, что электроды и зеркала оптического резонатора расположены симметрично относительно линии, проходящей через центры кривизны и точку общего фокуса зеркал, вогнутое зеркало имеет поперечный размер 2a, равный ширине электродов, выпуклое зеркало имеет поперечный разрез 2b (b<a) и дополнено на краях плоскими перпендикулярными к оптической оси резонатора отражающими зеркалами размером C = (a - b) каждое, а в приосевой области по крайней мере на одном зеркале размещено полупрозрачное выходное окно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4