Волноводный газовый лазер

 

,ii) 923335

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 28.11.80 (21) 3210043/18-25 с присоединением заявки Ке (23) Приоритет (43) Опубликовано 23.10.82. Бюллетень № 39 (45) Дата опубликования описания 23.10.82 (51) M. Кл.з

Н OIS 3/08

Государственный комитет (53) УДК 621.375.8 (088.8) по делам изобретений н открытий

В. В. Григорьянц, М. Е. Жаботинский, 11,; Н. Магог;; и В. А. Кузяков

Ордена Трудового Красного Знамени инсти ут радиотехййк и электроники АН СССР 1 (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) ВОЛНОВОДНЫЙ ГАЗОВЫИ ЛАЗЕР

Изобретение относится к области квантовой электроники, в частности, к конструкции волноводного газового лазера с внутрирезонаторным модулятором.

Известен волноводный газовый лазер, который содержит разрядную трубку и внутрирезонаторный электрооптическпй модулятор (1).

Недостатками такого устройства являются большие потери излучения на согласование волноводной трубки с модулятором н наличие дополнительного оптического элемента внутри резонатора.

Известен также лазер, содержащий волноводную разрядную трубку прямоугольного сечения и модулятор, помещенные в оптический резонатор (2).

Недостатком такого лазера является неэффективное согласование лазерного пучка с акустической волной и наличие дополнительной фокусирующей линзы, что обуславливает высокий уровень потерь излучения.

Целью изобретения является повышение мощности выходного излучения. Повышение мощности возможно за счет устранения потерь на дополнительных оптических элементах и уменьшение потерь на согласование лазерного пучка, распространяющегося в волноводе с модулятором.

Для достижения указанной цели в волноводном газовом лазере, содержащем волноводную разрядную трубку прямоугольного сечения и модулятор, помещенные в оптический резонатор, состоящий из двух зеркал, модулятор выполнен в виде акустооптпческого шестигранного кристалла, прн этом торцевая поверхность волноводной разрядной трубки прямоугольного сечения замкнута входной гранью кристалла акустооптпческого модулятора, установленной под углом Брюстера, а противолежащая входной грани поверхность кристалла выполнена криволинейной, касательная плоскость к центру которой составляет с оптической осью резонатора угол, равный удвоенному дополнительному углу к углу

Брюстера, и на ней расположено одно из зеркал резонатора, причем толщина крис20 талла модулятора равна меньшей стороне внутренней поверхности волноводной разрядной трубки. При этом противолежащая входной грани поверхность кристалла может быть выполнена сферической, цилинд25 рнческой илп может быть плоской, а расстояние между ней и торцом волноводного капала не больше, чем 20 а.

В случае выполнения противолежащей поверхности, на которой расположено зер30 кало в виде сферической плп цилпндриче923335

3 ской поверхности, радиус ее кривизны on ределяется из соотношения:

2ло> 1 2по>о где Х вЂ” длина волны излучения, б — параметр расстройки, ы — — 0,7032 а, а — ббльшая сторона внутренней поверхности волноводной разрядной трубки.

На фиг. 1 показана конструкция лазера; на фиг. 2 — схема определения углов, под которыми расположены грани кристаллов.

На фиг. 1 изображены: лазерное зеркало 1, волноводная разрядная трубка 2, волноводная разрядная трубка 3 прямоугольного сечения, электрод 4, кристалл 5 акустооптического модулятора, входная грань 6 кристалла, противолежащая поверхность 7 кристалла, внутреннее лазерное зеркало 8, пьезопреобразователь 9, выходное излучение 10, Оптический резонатор состоит из лазерного зеркала 1 и внутреннего зеркала 8, установленного непосредственно на поверхности 7 кристалла 5 акустооптического модулятора. Входная грань 6 кристалла 5 замыкает волноводную разрядную трубку 3 прямоугольного сечения. Входная грань б кристалла модулятора срезана под углом

Брюстера. Противолежащая ей поверхность

7 расположена перпендикулярно направлению недкфрагированного лазерного луча, распространяющегося внутри кристалла 5 модулятора и касательная плоскость к ее центру образует с оптической осью резонатора угол а, равный удвоенному дополнительному углу и углу Брюстера.

На фиг. 2 показана схема для определения угла а, где no — показатель преломления воздуха, n> — показатель преломления кристалла Ge, «рз — угол Брюстера.

Устройство работает следующим образом.

Активная среда создается в газовом тлеющем разряде, возбуждаемым высоковольтным источником питания, напряжение которого подается на электроды 4 и заполняет волноводную разрядную трубку 3. Когерентное излучение, возникающее в активной среде, отражается от лазерного зеркала 1, проходит по волноводной трубке 3 и попадает на входную грань б кристалла

5 модулятора. Лазерный луч преломляется на входной грани 6, срезанной под углом

Брюстера и, проходя внутри кристалла 5 модулятора, попадает на противолежащую поверхность 7 кристалла, на которой расположено внутреннее лазерное зеркало 8.

Отражаясь от лазерного зеркала 8, лазерный луч возвращается в волноводный канал, усиливается в активной среде и попадает на лазерное зеркало 1. Этот процесс многократно повторяется, так как оптический путь лазерного луча замкнут. При подаче модулирующего напряжения на пьезопреобразователь 9 в кристалле 5 модулятора возбуждается бегущая акустическая волна, которая образует дифракционную решетку для падающей световой волны.

Направления распространения звуковой и световой волны образуют между собой угол Брэгга. Дифрагируя на акустической волне, часть лазерного луча отклоняется от первоначального направления в кристалле, отражается от одной из граней кристалла и выходит (10, фиг, 1) из модулятора. При такой схеме работы модлуятора реализуется режим модуляции связи. Для развязки оптического резонатора при выключенном напряжении модулятора одно из зеркал выполнено полупрозрачным. Частота модулирующего напряжения определяется акустооптическими параметрами кристалла модулятора, в качестве которого для модуляции световой волны с 1=10,6 мкм используется Ge, и заключена в пределах

300 †5 МГц.

Выходная мощность излучения волноводного газового лазера существенно зависит от уровня потерь внутри резонатора, включающих потери в волноводе, на лазерных зеркалах, потери на выходных окнах и в модуляторе. Поэтому существенным вопросом является уменьшение потерь внутри оптического резонатора за счет уменьшения числа используемых оптических внутрирезонаторных элементов и уменьшения потерь на всех используемых элементах.

В данной конструкции лазера входная грань 6 кристалла 5 модулятора непосредственно замыкает торец волноводной газоразрядной трубки 3 под углом Брюстера к оптической оси резонатора, что позволяет уменьшить число оптических элементов внутри резонатора и, следовательно, умень4О шить потери, которые возникают при использовании выходного окна в газоразрядной трубке. Эти потери складываются из потерь на рассеяние и отражение на поверхностях выходного окна и потерь на

45 поглощение в материале окна. Кроме этого, отсутствует свободное пространство между торцом волноводного канала и кристаллом модулятора, что уменьшает потери на согласование лазерного луча в этих элементах. Лазерный луч из волноводной газоразрядной трубки 3 попадает непосредственно в кристалл 5 модулятора и отражается в обратном направлении от зеркала 8 или высокоотражающего покрытия, нанесенного на поверхность 7 кристалла, поверхность 7 расположена перпендикулярно направлению недифрагированного луча, распространяющегося внутри кристалла. При этом уменьшаются потери на

С0 согласование между лучом, проходящим в кристалле, лазерным зеркалом.

Если противолежащая поверхность кристалла выполнена в виде сферической поверхности, то радиус ее кривизны определяется чз условия оптимального согласова923335

55

65 ния волноводной моды и лазерного пучка в кристалле модулятора. Величина R соответствует соотношению

2кво 2ко>о + где Х вЂ” длина волны излучения, 6 — параметр расстройки, ыц — — 0,7032 а, а — ббльшая сторона внутренней поверхности волноводной разрядной трубки. Параметр расстройки б зависит от добротности резонатора и суммарного коэффициента усиления.

При максимальном усилении активной среды величина б удовлетворяет соотношению

В (0,3

Противолежащую поверхность кристалла можно выполнить в виде цилиндрической поверхности с радиусом кривизны R, определяемым вышеприведенным соотношением.

Потери излучения будут минимальными при толщине кристалла, равной, например, меньшей стороне внутренней поверхности волноводной разрядной трубки, т. е. кристалл модулятора является продолжением волноводного канала в одной из взаимно перпендикулярных плоскостей.

В случае выполнения противолежащей поверхности кристалла плоской, внутреннее зеркало, образованное высокоотражающим покрытием, является плоским, что накладывает ограничение на расстояние между выходным торцом волноводной разрядной трубки и зеркалом. Величина этого расстояния 1 определяется из условия малости потерь, возникающих за счет дифракции излучения на торце волноводного канала, таким образом, что 1(20а. При таком выборе расстояния 1 потери на дифракцию остаются меньше потерь на поглощение в кристалле модулятора, и можно добиться превышения усиления активной среды над суммарными внутрирезонаторными потерями. Габариты пьезопреобразователя и поперечного сечения волноводной трубки канала подобраны так, чтобы обеспечить оптимальное согласование объема акустического столба и лазерного пучка, проходящего в кристалле 5.

Другим фактором, обуславливающим уменьшение потерь в резонаторе, является уменьшение потерь в самом модуляторе.

Использование акустооптического модулятора из Ge, работа которого основана на дифракции лазерного луча на ультразвуковой волне позволяет реализовать режим внутри резонаторной модуляции, так как суммарные оптические потери в таком кристалле на порядок величины меньше потерь в кристалле модулятора из GaAg.

В данном устройстве кристалл модулятора выполняет одновременно несколько функций: замыкает волноводный канал, яв20

Зо

50 ляется продолжением волновода, является лазерным зеркалом и модулятором.

Существенным достоинством данного устройства является также компактность и возможность установки всех оптических элементов на одном общем основании, т. е. появляется возможность реализовать конструкцию волноводного лазера интегрального типа. Таким образом, данное устройство позволяет устранить недостатки, присущие ранее известным устройствам, и обеспечивают возможность конструирования малогабаритных волноводных газовых лазеров с внутрирезонаторным модулятором.

Формула изобретения

1. Волноводный газовый лазер, содержащий волноводную разрядную трубку прямоугольного сечения и модулятор, помещенные в оптический резонатор, состоящий из двух зеркал, отличающийся тем, что, с целью увеличения выходной мощности излучения, модулятор выполнен в виде акустооптического шестигранного кристалла, при этом торцевая поверхность волноводной разрядной трубки прямоугольного сечения замкнута входной гранью кристалла акустооптического модулятора, установленной под углом Брюстера, а противолежащая входной грани поверхность кристалла выполнена криволинейной, касательная плоскость к центру которой составляет с оптической осью резонатора угол, равный удвоенному дополнительному углу к углу

Брюстера, и на ией расположено одно из зеркал резонатора, причем толщина кристалла модулятора равна меньшей стороне внутренней поверхности волноводной разрядной трубки.

2. Лазер по п. 1, отл ич а ю щи и ся тем, что противолежащая входной грани поверхность кристалла выполнена сферической.

3. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что противолежащая входной грани поверхность кристалла выполнена в виде цилиндрической поверхности.

4. Лазер по пп. 1 — 3, отл ич а ю щи и ся тем, что радиус кривизны R противолежащей входной грани поверхности кристалла выбран из соотношения: где Х вЂ” длина волны излучения, ыо =

= 0,7032 а, а — большая сторона внутренней поверхности волноводной разрядной трубки, б — параметр расстройки.

5. Лазер по п. 1, отл и чаю щи и ся тем, что противолежащая входной грани поверхность кристалла выполнена плоской, а расстояние между ней и торцом волноводной разрядной трубки не больше, чем 20 а.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

2. Патент США № 4105953, кл. 331-94,5g,. онублпк. 1978 (прототип).

П1

r(0 О„. ii

Составитель И. Исаева

Техред О. Павлова

Редактор Е. Зубиетова

Корректоры: Л. Орлова н А, Галахова

Заказ 1653/12 Изд. М 236 Тираж 629 Подписное

11ПО «IIQHcK» Государственного когиптста СССР по делам изобретений н открытн:":

113035, Москва,,>К-35, Рауша ая .;аб., д. 4, :>

Типография, нр. Сапунова, 2

1. Stein А, «Chirp modulated СО -wavequide laser» IEEE. J. @nant Electron, ЯГ-11, 1975, N 8, р. 1.630.

i0

/

/ !