Волноводный газовый лазер

 

O n И С А H И Е щ936774

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Реснчблик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт, свид-ву (22) Заявлено 12.12.80 (21) 3214908il8-25 с присоединением заявки № (23) Приоритет (51) М. Кл.

Н 01S 3""08

Государственный комитет (43) Опубликовано 30.10.82. Бюллетень № 40 (53) УДК 621.375.8 (088.8) по делам изобретений и открытий (45) Дата опубликования описания 30.10.82 (54) ВОЛНОВОДНЫЙ ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР

1

Изобретение относится к области квантовой электроники, в частности к конструкции волноводного газового лазера, работающего на инфракрасных переходах молекулы СО2 или других атомов и молекул, например СО, Хе, Не — Ме.

Известен газовый лазер, который содержит оптический резонатор, образованный внешними зеркалами, газоразрядный канал и выходное окно Брюстера, установленное lp в разрезную втулку вблизи одного из зеркал резонатора (1).

Недостатками такого устройства являются наличие дополнительных приспособлений для установки окна Брюстера и иска- 15 жение распределения интенсивности лазерного пучка.

Известен также волноводный газовый лазер, содержащий волноводную разрядную трубку, высоковольтные и низковольтные 2р электроды, установленные в отверстиях в стенке волноводной разрядной трубки, и селектирующий элемент (2). Селектирующий элемент установлен между торцом волноводной трубки и лазерным зеркалом. Недостатком такого устройства являются большие потери излучения за счет рассеяния на торцовых поверхностях эталона и потерь на согласование волноводной моды и моды свободного пространства.

Цель изобретения — повышение мощности выходного излучения за счет уменьшения потерь на согласование волноводной моды и моды свободного пространства, Это достигается тем, что селектирующий элемент установлен в волноводной разрядной трубке между высоковольтными электродами без зазора с внутренней поверхностью трубки, при этом расстояние 1 между центром каждого отверстия в стенке волноводной трубки и торцовой поверхностью селектирующего элемента, удовлетворяет условию (1 0,17(L — У 1 где d — диаметр отверстия в стенке волноводной разрядной трубки;

L — активная длина волноводной разрядной трубки;

V,1, — разность потенциалов между высоковольтным и низковольтным электродами при оптимальном токе разряда;

S — угол наклона функции Пашена

f (р, а) к оси давлений, при этом

a — диаметр внутренней поверхности волноводной разрядной трубки;

P — полное давление газовой смеси, !

)36774

На чертеже схематично показана конструкция предлагаемого лазера.

Лазер, содержащий лазерное зеркало 1, низковольтный электрод 2, волиоводиую разрядную трубку 3, высоковольтный электрод 4, волноводный канал 5, селектирующий элемент 6. Селектирующий элемент 6 установлен в волноводиую разрядную трубку 3 в пространство между высоковольтными электродами 4 таким образом, что его боковые поверхности контактируют с внутренней поверхностью волноводной трубки.

Электроды 2 и 4 вакуумноплотно установлены в отверстиях в стенке волноводной разрядной трубки 3.

Устройство работает следующим образом.

Активная среда создается в газовом тлеющем разряде, возбуждаемом высоковольтным источником питания, напряжение которого подается на электроды 2 и 4. Газовый разряд горит в промежутках между электродами 2 и 4, а в промежутке между высоковольтными электродами 4 разряда нет, так как они находятся под одним и тем же потенциалом. Оптический путь фотонов, рождающихся в активной среде, замкнут за счет использования двух внутренних лазерных зеркал 1. На своем пути когерентное излучение попадает в селектирующий элемент 6 и приобретает свойства, определяемые типом используемого элемента. В качестве селектирующего оптического элемента 6 можно использовать например, эталон Фабри-Перо, поляризатор, фокусирующую линзу, плоскопараллельную пластину, модулятор и т. д. Выходная мощность излучения волноводного газового лазера существенно зависит от уровня потерь внутри резонатора, включающих потери в самом волноводе, на внутрирезонаторных элементах и потери на согласование волноводной моды и моды свободного пространства. Вследствие малой активной длины разрядной трубки волноводного СО2-лазера существенным вопросом является уменьшение потерь внутри оптического резонатора. Размещение селектора внутри волноводного канала позволяет уменьшить потери электромагнитной волны, во-первых, за счет уменьшения потерь на согласование волноводной моды и моды свободного пространства, которые для цилиндрической волноводной трубки пропорциональны расстоянию r между торцом волноводного канала и лазерным зеркалом: 6=605(r/ka2) 2,, (А=2лй — волновое число, Х вЂ” длина волны излучения), во-вторых, за счет уменьшения доли излучения отраженного от поверхности селектирующего элемента и выходящего из апертуры волноводного канала.

Второй из упомянутых факторов более существенен при наклоне торцовых поверхностей селектирующего элемента под углами, отличными от л/2, к оптической оси ре4 зонатора. В волноводиом СО>-лазере расстояние Л/. между центральными электродами определяется условием устойчивого горения тлеющего газового разряда в обеих секциях волноводиой трубки. Оно зависит как от общей длины, так и от диаметра волиоводпого канала и определяется выражением:

11ри этом, выбирая расстояние l между центром каждого высоковольтного электрода н торцовой поверхностью оптического элемента из условия

"0

;,0

55 б0

G5 не нарушаются условия горения разряда в волноводном канале. Данный волноводный лазер обладает свойством универсальности, может работать в режиме генерации как с селектирующим элементом, так и без него.

Примеры выполнения.

1. Селектирующий элемент может заменяться на другой элемент без переделки ьсей конструкции лазера, так как установку элемента в участок между высоковольтными электродами можно производить через один из открытых торцов волноводного канала при наличии съемного лазерного зеркала.

2. В другом случае, когда требуется работа волноводиого С02-лазера только с одним из упомянутых оптических элементов, появляется дополнительное преимущество устройства, связанное с возможностью уменьшения расстояния между высоковольтными электродами, Это обусловлено тем, что для большинства материалов, используемых в качестве селектирующих элементов в 10 мкм диапазоне длин волн, величина диэлектрической проницаемости е, больше величины диэлектрической проницаемости плазмы газового разряда еп при типичных параметрах накачки волноводного СО -лазера. Вследствие этого минимальное расстояние между высоковольтными электродами в рассматриваемой конструкции определяется уже не условиями устойчивого горения разряда, а длиной селектирующего элемента в направлении продольной оси волноводного канала. При этом можно еще уменьшить общую длину волноводного канала, что приведет к возрастанию отношения длины активной части волновода к его общей длине.

3. В случае использования эталона Фабри-Перо для селектнрования колебательновращательных переходов, в устройстве дополнительно возрастает расстояние между продольными модами резонатора, которое определяется отношением С/2Lр (С вЂ” скорость света, Lp — длина резонатора) за счет уменьшения величины Lð при той же

936774 д/ 2 (L(0,17

15 где диаметр отверстия в стенке волноводной разрядной трубки; активная длина волноводной разрядной трубки; разность потенциалов между высоковольтным и низковольтным электродами при оптимальном токе разряда; угол наклона функции Пашена

f (р, а) к оси давлений, при этом а — диаметр внутренней поверхности волноводной разрядной трубки; полное давление газовой смеси.

25

P—

Составитель О. Исаева

Редактор Л. Письман

Техред В. Рыбакова

Корректор Е. Хмелева

Заказ 1673/18 Изд. ¹ 242 Тираж 629 Подписное

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Я-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография. IID. Сапунова, 2 самой активной длине волноводной трубки.

Это обстоятельство наряду с факторами, уменьшающими потери в резонаторе, позволяет расширить полосу частотной перестройки волноводного лазера.

4. Селектирующий элемент можно также установить в пазы, выполненные в стенке волноводной трубки и соединить с регулировочным приспособлением через отверстие связи, например, в стенке волноводной трубки со стороны, противоположной размещению высоковольтных электродов, что позволяет осуществить регулировку положения оптического элемента в волноводном резонаторе. В этом случае появляется возможность, например, перестраивать лазер с одной линии генератора на другую при использовании эталона.

Введение селектирующего элемента в волноводный канал позволяет существенно расширить диапазон возможных применений волноводного СО -лазера за счет возможности получения когерентного излучения с заданными параметрами, например, плоскополяризованное одночастотное, одномодовое, модулированное и т. д. или с комбинацией ряда перечисленных свойств.

Таким образом, данное устройство позволяет устранить недостатки, присущие ранее известным устройствам, и обеспечивает возможность конструирования малогабаритных газовых лазеров с селектирующими элементами, которыми могут являться, например, эталон Фабри-Перо, поляризатор, фокусирующая линза, плоскопараллельная пластина, модулятор и т. д., с повышенными значениями выходной мощности излучения.

Формула изобретения

Волноводный газовый лазер, содержащий волноводную разрядную трубку, высоковольтные и низковольтные электроды, установленные в отверстиях в стенке волноводной разрядной трубки, и селектирующий элемент, отличающийся тем, что, с целью увеличения мощности выходного излучения, селектирующий элемент установлен в волноводной разрядной трубке между высоковольтными электродами без зазора с внутренней поверхностью трубки, при этом расстояние 1 между центром каждого отверстия в стенке волноводной трубки и торцовой поверхностью селектирующего элемента, удовлетворяет условию:

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент СШЛ № 4064466, кл. 331 — 94,5, опублик. 1977.

2. %. К. Lech. Tunability characteristics ot

40 xvavequide CO> laser xvith internal etalons

Appl. Optics, 1975, 14, № 7, р. 1706 (прототип) .