Волноводный газовый лазер

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (1>736237 (61) Дополнительное к авт, свид-ву— (22) Заявлено 19,11.77 (21) 2548757/18-25 с присоединением заявки ¹вЂ” (23) Приоритет—

Опубликовано 25.05.80. Бюллетень ¹ 19

Дата опубликования описания 30. 05. 80 (51)М. КЛ.2

Н 01 $3/081

Государственный комитет

СССР по делам изобретении и открытий (53) УДК е21.З75.8 (088.8) (72) Авторы изобретения

В. А. Бугаев и 3 П. Шлитерис

{71) Заявитель

Ордена Трудового Красного Знамени институт радиотехники и электроники AH СССР (54) ВОЛНОВОДНЫЙ ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР

Изобретение относится к квантовой электронике и может использоваться при создании волноводных газовых лазеров с оптической накачкой, нашедших 5 применение в спектроскопии и лазерной интерферометрии.

Известны газовые лазеры субмиллиметрового диапазона, включающие источник накачки и резонатор волновод- () ного типа, заполненный активным газом.

Резонатор образован многоволновым волноводом, торцы которого срезаны перпендикулярно оси волновода, и двумя зеркалами, расположенными у тоун ев е перпендикулярно оси волновода j;1).

Недостатком таких лазеров является нестабильность выходной мощности и формы диаграммы направленности выходного излучения из-за возможности воз-2О никновения генерации на многих собственных волнах используемого в резонаторе многоволнового волновода.

Известен волноводный газовый лазер, содержащий источник оптической накачки и резонатор, образованный многоволновым прямоугольным волноводом, заполненным активной средой, и зеркалами, расположенными у торцов волновода (2).

В таком устройстве возле каждого волновода установлено одно зеркало, плоскость которого перпендикулярна оси волновода. Перестройка длины волны генерации осуществляется перемещением зеркала. При этом наблюдается генерация на многих собственных волнах прямоугольного валновода.

Установка зеркал перпендикулярно оси волновода является недостатком таких устройств, приводящим в ряде случаев к ухудшению характеристик лазера. Селекция типа колебаний волноводного резонатора в таких лазерах осуществляется изменением его длины.

В результате, при случайном совпадении резонансной длины одновременно на ряде мод, при тепловых уходах длины резонатора или при перестройке на другую рабочую волну перемещением одного из зеркал выходная мощность, ширина диаграммы направленности и распределение поля в выходном излучении постоянно меняются из-за перескоков генерации с одного типа колебаний на другой.

Ввод излучения накачки вдоль оси волновода, выгодный с точки зрения уменьшения потерь на стенках волно73.-,) 2 7 индексы выделяемой волны; а и в поперечные размеры стенок нолнонода;

Ъ вЂ” длина волны генерации, а величина р = 2, m = 0 или и = О, и

p = 4, если одновременно т,п ф О.

На чертеже изображен предлагаеь)ый лазер, предназначенный для работы на одной из высших волн типа Нт,а ("чли

Ho,n) .

Он содержит многоволноной "IpRMoугольный (а «> Р) нолновод 1„. нерка.ло

2, перпендикулярное оси нолнонода, зеркала 3 и 4, установленные под углом 90 — 8 m,о к оси волнонода, источ-. ник 5 инфракрасной накачки активного газа, заполняющего волновод,. Ба чертеже также обозначены; излучение 6 накачки; выходное излучение 7; а ширина стенки волнонода, перпендикулярной электаическому вектору Е поля волны, распространяющейся 10 нолноноду; а — ширина эффективногo излучающего отверстия волновоца; r — рассто -,»; янке от плоскости зеркал 3 ч 4 до оси волновода; 8 m,о — угол между направлением распространения плоских пар-. циальных волн и осью волнонода; размер апертуры для ввода излучен»ля ..П накачки; r,„ — минимально возможное расстояние от поверхности =-;еркал до оси волновода, при котором перекpi=IBB ется нся эффективно излучающая апертура а .

Лазер работает слецующим образом, При накачке в волноводе 1 возникают волны, принадлежащие различным нолноводным типам колебаний, Любую иэ волн типа Нз,о можно представить н ниде суперпозиции двух плоских парциальных волн, распространяющихся по волноводу под углом О s,î = arc Sin (ЯА/2а) к оси волновода.

Волны, бегущие в сторону зеркала

2, отражаются от него и попадают об8yy ì =д "c jp p)() .вода, затруднен при таком расположе

1 нии зеркал, так как они перекрывают апертуру волновода. Затруднено получение нескольких лазерных пучков одинаковыми параметрами н широком д.иапазоне для использования в лазерных интерферометрах.

Цель изобретения — повышение стабильности мощности и формы диаграммы направленности выходного излучения за счет создания одноволнового режи) ма генерации на высшей моде; повышение эффективности ввода излучения на— качки вдоль оси волноноца; получение нескольких лазерных пучков с оцина-ковьп1и параметрами, Для этого, по крайней мере, у одного из торцов волновода симметрично относительно его оси установлечо р зеркал под углами 90 -- 8 щ,п к оси о волновода, при этом величина угла

&m,n определяется из соотношения

&m,n = arc Sin )+(.—. I ) где m ел /)л Р

2a) 2Ь) оатно н волновод, независимо от типа

l волны,, т. е., от ин, S. Парциальные плоские волны, распространяющиеся н сторону левого по схеме конца нолновсда, излучаются под углами — 8s о к оси нолнонода, причем максимумы излучения парциальных волн тем ближе к этим направлениям, чем точнее ныполняется условие а М Х .

Так как зеркала 3 и 4 установлеО ны под углами 90 — 8m,o к оси волнонода гергенцикулярно направлению излучения парциальных волн с индексами ю,о, эти волны, отражаясь от зеркал 3 и 4,, попадают обратно в волновод.,HJIB волн с произвольным индексом Я, не равным m, зеркала 3 и 4 оказываются разъюстированными. Отражение =-тих волн Обратно в волновод происходит с потерями.

) аким образом, зеркала„ установленные год утлом 90 — Qm, о, выделяют заданную волну типа Нв,о. Генерацию на данной волне можно получить, настроин резонатор по длине перемещением зеркала 2 (на чертеже обозначено стрелкой год зеркалом 2). Настройку по длине можно осуществить также одновременным перемещением зеркал 3 и 4.

Для выделения генерации на одной из высших волн типа Ho,ã (n З 2) зеркала 3 и 4 необходимо установить под углом 90 — Ыо,n, где 6 о,n =- arc. Sin (п X/2н), гze в — поперечный размер стенки волнонода, перпендикулярной

:::rIocêocòè рисунка. Плоскости зеркал

3 и 4 должны быть установлены перпендикулярно направлениям излучения парциальных нолч,. которые лежат теперь н плоскости,. перпендикулярной плоское-,и рисунка.

Для получения генерации на волнах высших типон Нщ,п при п 0 и и 0 одновременно, необходима установка возле торца =-олнонода четырех зеркал, 0 углами 90 — @ Im, n K ocH BoIIHQBo дн, причем их поверхчости должны быть и зрпендикулярны направлениям .иэлуче— ь ия четырех парци аль ных плоских волн, участвующих в образовании волн Hm,n.

Угол Gm, и определяется соотношением

Рассмо;рим пример реализации устройстна в субмиллиметровом диагаэоне длин волн. Пусть задано а = 1 см, ;%

A. — 0 5 мм. выделяемая волна Нл00 . !

I угол Om, a =- arc Sin (m3/2а) = 14, 5

Размер каждого из зеркал 3 и 4 должен быть взят не меньше а = аСоябп),o=

0,,96. Минимально возможное расстояние

От поверхности зеркал до оси нолнонода, при котором перекрынается вся эффективно излучающая апертура а, найдем иэ соотношения г „„,= а /2tg m,о

1,.93 CN.Поверхность зеркал может

736237 быть близкой к плоской, если r меньше раамера ближней зоны, т. е., если ориентировочно r ((а ) /2 Л = 9, 5 см.

В общем случае волн Hm o (или Но п9 поверхность зеркал 3 и 4 может быть плоской или близкой к плоской, если

1 г„„„<(а ) /2 Л Подставляя сюда соотношения для r „„H Qm о можно получить, мин что неравенство выполняется, если

m )2.

Оценим эффективность достижения поставленной цели — повышение стабильности и мощности и формы диаграммы направленности выходного излучения путем получения одноволновой генерации на заданной высшей моде.

Использование двух или четырех 15 зеркал позволяет получить генерацию только на волнах типа Hm,о и Но и (два зеркала) или типа Hm,n (четыре зеркала). Разделение генерации на волнах типа Hm,о от генерации на вол-. нах типа Но,п осуществляется установкой двух зеркал под углами 90 — Qi>,î или 90 — &оп к оси волновода перпендикулярно чаправлению излучения парциальных волн, т. е, установкой плоскости зеркал либо перпендикулярно стенке а (как на чертеже), либо перпендикулярно стенке Ь волновода.

Оценим эффективность разделения волн одного типа с близкими индексами. Если угол установки зеркал равен

90 — 8 m о, то их угловая разъюстировка для волн с другим индексом

S ф m оказывается равной а&, гдето&>

>&в+,g — 8m,о = arcSin((m + 1)Л /

/2a) — are Sin (тЛ/2а) = Л/2а для типичного случая а 1 см и 1 = 0,5 мм й9 > 1,5

При значениях а/ A. 20 угловая разьюстировка 1,5 приводит по оценкам к Щ потерям порядка 5-10 дВ.

Достигнутые в настоящее время коэффициенты усилия на метр в непрерывном режиме генерации активных в субмиллиметровом диапазоне сред существенно меньше этих потерь.

Таким образом, в предлагаемом уст.ройстве генерация может иметь место только на одной заданной волне. Это обеспечивает получение постоянных значений мощности генерации и формы диаграммы направленности при изменениях длины резонатора.

Кроме того, подбором расстояния r от зеркала до волновода можно обеспечить необходимую апертуру (; для ввода излучения накачки. Материал и форма окна для ввода излучения накачки могут быть выбраны независимо от диапазона длин волн генерации лазера.

Выводя излучение через зеркала 3 и 4, можйо получить два совершенно идентичных пучка в широком диапазоне длин волн без испольэованчя дополнительных делителей и ослабления мощности.

Формула изобретения

Волноводный газовый лазер, содер)жащий источник оптической накачки резонатор, образованный многоволновым прямоугольным волноводом, заполненным активной средой, и зеркалами, расположенными у торцов волновода, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности мощности и формы диаграммы направленности выходного излучения за счет создания одноволнового режима генерации на высшей моде, по край-. ней мере, у одного из торцов волново- да симметрично относительно его оси установлено р зеркал под углами

90 — 3 m,n к оси волновода, при этом величина угла 8 m,n определяется иэ соотношения

Эв,и =агонии где m u n — индексы выделяемой волны; а и в — поперечные размеры стенок волновода;

Л вЂ” длина волны генерации; а величина р =2, если m = n = 0 и р = 4, если одновременно m,n ф О.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент США Р 3835416, кл. 331-94,5, 1974, 2. N. S. Tobin, R. Е. Jensen, АРР1

Qpt. 15, 1976, р. 2023 (прототип).

736237

Составитель А. Царев

Редактор Л. Гре бе н ни кова Техред М. Петко Корректор Ю. Макаренко

Заказ 2437/43

Тираж 844

Подписное

ЦНИИПИ Госуца рственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

li3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, г ° у®город ул. Проектная, 4