Двухчастотный стабилизированный лазер

 

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано для создания двухчастотных лазеров. Лазер содержит активный элемент с внутренними зеркалами. Зеркала активного элемента расположены в юстировочных узлах, выполненных из магнитного материала, намагниченного полем величиной 1≤Н≤50 мТ. Активный элемент помещен в аксиальное магнитное поле величиной 10≤Н≤50 мТ, где Н - величина напряженности магнитного поля. Силовые линии магнитного поля ориентируют диполи молекул зеркал вдоль поля, что обеспечивает фазовую анизотропию зеркал и увеличение разностной частоты без уменьшения мощности. 1 ил.

Изобретение относится к области технической физики, а точнее к квантовой электронике, и может быть использовано для создания двухчастотных стабилизированных лазеров.

Известен двухчастотный газовый лазер, содержащий оптический резонатор, сформированный внутренними зеркалами, в котором размещены газоразрядная трубка и фазоанизотропный элемент, соединенный через механизм воздействия с устройством управления и размещенный соосно с разрядным капилляром внутри газоразрядной трубки. Часть оболочки газоразрядной трубки, охватывающая фазоанизотропный элемент, выполнена упругой, и внешняя поверхность этой оболочки механически связана с механизмом воздействия, а внутренняя часть через элемент передачи механического воздействия - с фазоанизотропным элементом (см. авт. свид. СССР №1335099, кл. H 01 S 3/13, опубл. 1992 г.).

Недостатком этого лазера является относительно низкая стабильность разностной частоты вследствие того, что фазоанизотропный элемент недостаточно защищен от внешних воздействий, влияющих на величину двулучепреломления в нем. Вибрационные нагрузки и акустические шумы воздействуют на упругую часть оболочки газоразрядной трубки и передаются на фазоанизотропный элемент, вызывая в нем хаотические изменения величины фазовой анизотропии, приводя тем самым к флуктуациям разностной частоты излучения лазера. Кроме того, низка мощность излучения, поскольку фазоанизотропный элемент размещен в резонаторе и вносит дополнительные потери.

Известен также двухчастотный стабилизированный газовый лазер, содержащий газоразрядную трубку, расположенную в вакуумной оболочке, и зеркала оптического резонатора, выполненные в виде подложек с нанесенными на них отражающими покрытиями. Подложка каждого зеркала выполнена в виде четвертьволновой фазовой пластины, на внешней поверхности которой нанесено отражающее покрытие. Фазовые пластины выполнены с возможностью поворота относительно оси, для того, чтобы добиться нужной фазовой анизотропии. Контроль полученного значения анизотропии ведется по разностной частоте (см. авт. свид. СССР №1403942, кл. H 01 S 3/22, опубл. 1992 г.).

Недостатком данного устройства является низкая мощность лазерного излучения, так как фазовая пластина в резонаторе вносит значительные потери.

Наиболее близким по технической сущности является двухчастотный стабилизированный газовый лазер, содержащий газоразрядную трубку с внутренними зеркалами, по крайней мере, одно из которых выполнено фазоанизотропным. Фазоанизотропное зеркало представляет собой подложку с нанесенными на нее несколькими диэлектрическими слоями. На поверхности подложки или одного из диэлектрических слоев, расположенных на внутренней стороне подложки, образован ряд параллельных пазов, размер которых удовлетворяет соотношениям

где h - глубина паза;

d - шаг паза;

λ - длина волны излучения лазера;

n₁, n₂ - показатели преломления, на границе которых образованы пазы.

Выполнение ряда параллельных пазов на поверхности подложки или одного из диэлектрических слоев позволяет создать необходимую величину фазовой анизотропии (см. авт. свид. СССР №1639375, кл. H 01 S 3/13, опубл. 1992 г.) - прототип.

Недостатком данного устройства является низкое выходное значение мощности лазера, поскольку нанесение гофрированного слоя при его большой глубине не позволяет получить мощность, наибольшую при данной длине активного элемента. Уменьшение глубины слоя не позволяет получить требуемое значение разностной частоты, например 4 МГц.

Задача изобретения - создание двухчастотного стабилизированного лазера с повышенной мощностью лазерного излучения, при повышенном значении разностной частоты.

Технический результат будет получен за счет влияния магнитного поля юстировочных узлов зеркал и аксиального магнитного поля активного элемента на зеркало таким образом, что диполи молекул покрытия будут ориентированы вдоль поля, создавая фазовую анизотропию зеркал, обеспечивающую возрастание разностной частоты без снижения мощности излучения.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном двухчастотном стабилизированном лазере, содержащем активный элемент с внутренними зеркалами, зеркала активного элемента расположены в котировочных узлах, выполненных из магнитного материала, намагниченного полем величиной 1≤H≤50 мТ.

Кроме того, технический результат достигается тем, что активный элемент помещен в аксиальное магнитное поле величиной 10≤H≤50 мТ.

Выполнение юстировочных узлов из магнитного материала позволяет при помещении юстировочных узлов и активного элемента в аксиальное магнитное поле намагнитить их так, что по поверхности подложки зеркала силовые линии магнитного поля ориентируют диполи молекул покрытия вдоль поля. Это обеспечивает фазовую анизотропию зеркал. Тогда разностная частота возрастает, а мощность не уменьшается, поскольку по сравнению с прототипом продольные пазы не создаются. Ориентация диполей покрытия задает направление одной из поляризаций, другая поляризация по свойствам активной среды будет ортогональной.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня, поскольку не выявлен двухчастотный стабилизированный лазер, в котором обеспечиваются высокие параметры мощности излучения и разностной частоты за счет использования юстировочных узлов зеркал из намагниченного материала и аксиального магнитного поля, воздействующего дополнительно на активный элемент с внутренними зеркалами.

Изобретение поясняется чертежом, где изображена конструкция предлагаемого двухчастотного лазера.

Лазер содержит активный элемент 1 с внутренними зеркалами 2, помещенный в аксиальное магнитное поле, образованное кольцевыми магнитами 3, намагниченными до 50 мТ. Зеркала 2 лазера размещены в юстировочных узлах 4, выполненных из магнитного материала, которые предварительно намагничены полем величиной 1≤H≤50 мТ. Кольцевые магниты задают аксиальное магнитное поле величиной 10≤Н≤50 мТ.

Устройство работает следующим образом.

При включении газового лазера в активном элементе 1 возникает генерация, которая под действием поля намагниченных юстировочных узлов и аксиального магнитного поля расщепляется на две составляющие интенсивности лазерного излучения: горизонтальную и вертикальную. Разностная частота между этими составляющими от 1,5 до 4 МГц и зависит от величины магнитного поля и от степени намагничивания юстировочных узлов. Намагниченные юстировочные узлы создают фазовую анизотропию зеркал, которая определяется степенью ориентации диполей покрытия на зеркале. Зеркало состоит из чередующихся слоев диэлектрических покрытий, например, ТiO₂ и SiO₂. Магнитное поле ориентирует молекулы покрытия вдоль силовых линий магнитного поля, создавая, таким образом, фазовую анизотропию зеркал.

Предварительно узлы намагничиваются полем величиной 1≤H≤50 мТ, что позволяет получить f_p=10-800 кГц. Величина магнитного поля меньше 1 мТ не обеспечит создание разностной частоты (повернет лишь плоскость поляризации излучения), а величина магнитного поля больше 50 мТ не увеличит разностную частоту, поскольку магнитные узлы больше не намагнитятся (это определяется материалом юстировочных узлов).

Разностная частота между компонентами отределяется выражением

где - разностная частота, определяемая Зеемановским расщеплением контуров;

g - фактор Ланде, равный 1,3;

μ - магнетон Бора, равный 1;

Δf_p - полоса пустого резонатора, равная 0,6-6 МГц;

kU - полуширина доплеровского контура;

Н - величина напряженности магнитного поля, мТ;

с - скорость света в вакууме;

Δ - разность фазовых набегов двух волн со взаимно ортогональными поляризациями.

Проверка наведенной в юстировочных узлах фазовой анизотропии (Δ) определяется экспериментально. Для этого активный элемент с внутренними зеркалами помещают в поперечное магнитное поле (Гуделев В.Г., Ясинский В.М. Гелий-неоновый лазер с фазоанизотропным резонатором в поперечном магнитном поле. Минск, 1981 г., препринт №239) и замеряют разностную частоту fp¹ при нулевой расстройке резонатора (при максимальной мощности лазерного излучателя)

На практике для He-Ne лазера, работающего на переходе λ=0,6328 мкм требуется Н аксиальное ~30 мТ. Без намагниченных юстировочных узлов разностная частота составляет до 2,2 МГц, а мощность до 0,8 мВт. С намагниченными юстировочными узлами разностная частота составляет 3 МГц, мощность 0,8 мВт.

Предлагаемое изобретение повышает мощность излучения при повышенной разностной частоте, упрощает конструкцию лазера, обеспечивает повышенную стабильность оптической и разностной частоты.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству.

Формула изобретения

Двухчастотный стабилизированный лазер, содержащий активный элемент с внутренними зеркалами, отличающийся тем, что зеркала активного элемента расположены в котировочных узлах, выполненных из магнитного материала, намагниченного полем величиной 1≤Н≤50 мТ, а активный элемент помещен в аксиальное магнитное поле величиной 10≤Н≤50 мТ, где Н - величина напряженности магнитного поля.

РИСУНКИРисунок 1