СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ ОБЛАСТИ СУЩЕСТВОВАНИЯ ГЕНЕРАЦИИ ЛАЗЕРОВ
METHOD OF REDUCING LASER GENERATION EXISTENCE DOMAIN

Изобретение относится к области лазерной техники, в том числе к линейным атомным и ионным лазерам, используемым в прецизионной интерферометрии, голографии, и особенно к кольцевым гелий-неоновым лазерам. В частности, наиболее эффективно использование изобретения в геофизических кольцевых лазерах с периметром резонатора от нескольких метров до 100 метров и более [1].
Областью существования генерации (ОСГ) лазера называется область частот резонатора лазера, где имеется генерация когерентного излучения. В этой области усиление активной среды всегда больше потерь резонатора.
Известен способ уменьшения области существования генерации (ОСГ) когерентного излучения атомов на рабочем переходе газового лазера, состоящий в том, что требуемому значению ОСГ приводится в соответствие разница между усилением активной среды и потерями резонатора лазера.
Этот способ уменьшения ОСГ применим в лазерах с резонаторами небольшой длины, в которых расстояние между продольными типами колебаний больше или сопоставимо с доплеровской шириной линии усиления активной среды. ОСГ регулируется изменением интенсивности возбуждения активной среды, например разряда постоянного тока или высокочастотной накачки.
Недостатком способа является малая мощность излучения таких лазеров, поскольку чем меньше ОСГ, тем меньше мощность излучения.
Несмотря на недостаток способ используется в геофизических кольцевых лазера, но очень малая мощность излучения является основным препятствием повышения разрешающей способности таких приборов [1].
Известны лазеры [2], генерирующие когерентное излучение одновременно на нескольких оптических переходах, в том числе когда один из них рабочий, а другие вспомогательные. Уменьшение ОСГ в них возможно изменением соотношения между интенсивностью накачки и опустошения верхнего или нижнего энергетического уровня путем изменения мощности излучения вспомогательных оптических переходов.
Недостатком этого способа является взаимное влияние оптических переходов друг на друга через общий, верхний или нижний, энергетические уровни, что делает его неработоспособным в точных приборах.
Также известен способ [3] - прототип, состоящий в том, что требуемому значению ОСГ приводится в соответствие разница между усилением активной среды и потерями основного резонатора, изменяемыми селективным, по диапазону частот, действием дополнительных связанных с основным внешними или внутренними оптическими резонаторами для рабочего перехода. В этом способе резонатор лазера имеет дополнительный внешний или внутренний резонатор, связанный с резонатором лазера через общий отражающий элемент, частично пропускающий излучение лазера или другие светоделительные оптические элементы. Обычно эти способы называются способами селекции продольных типов колебаний лазера. Физически же способы селекции являются способами уменьшения ОСГ, поскольку в спектре излучения лазера вместо нескольких частот должна остаться одна и ОСГ физически будет определяться ударной шириной излучения на этой частоте.
Технический результат в прототипе достигается целенаправленным селективным увеличением потерь резонатора на частотах, на которых недопустимо излучение атомов путем увеличения пропускания общего зеркала на этих частотах при правильном подборе параметров внешнего резонатора.
Недостатком такого устройства с внешним резонатором является то, что дополнительные внешние (или внутренние) резонаторы вместе с уменьшением ОСГ отрицательно влияют на работу лазера, неизбежно увеличивая потери его резонатора, нестабильность конфигурации резонатора и рассеяния. Если для большинства линейных лазеров это терпимо, то для голографического лазера или геофизического кольцевого лазера как высокоточных измерительных инструментов внесение в резонатор каких-либо элементов недопустимо.
4
5
6
4
5
6
2
Работа способа (прототипа) уменьшения ОСГ линейного лазера, работающего на одном оптическом переходе, или способа селекции продольных типов колебаний изложена также в [4] и состоит в том, что излучение лазера, выходящее через одно из пропускающих зеркал, попадает во внешний резонатор, потери которого и длина подобраны таким образом, что в диапазоне частот кольцевого резонатора Δν, равном произведению Δν=С(1-RRR)/L2π, где С - скорость света, RRR - коэффициенты отражения зеркал вспомогательного кольцевого резонатора, L - периметр этого резонатора. В результате при правильной настройке обоих резонаторов происходит резонансное увеличение потерь в диапазоне частот шириной Δν, где генерации не должно быть.
Недостатком способа-прототипа с внешним резонатором является малая ширина области Δν, где потери существенно увеличиваются, а должно быть наоборот, узкой должна быть ОСГ, где потери резонатора не увеличиваются. Кроме того, для кольцевых лазеров принципиально важно, чтобы даже внешние резонаторы не могли влиять на работу основного резонатора кольцевого лазера. Поэтому этот способ на практике не используется. Обычно используются широко известные [3, 4] способы с размещением селектирующих элементов внутри резонатора. Но это категорически недопустимо для применения в прецизионных мощных линейных лазерах и кольцевых лазерах.
Задачей изобретения является уменьшение ОСГ когерентного излучения газового лазера принудительным излучением его атомов только в пределах заданной ОСГ без ухудшения каких бы то ни было характеристик этого лазера путем внесения в его резонатор любых оптических элементов, а также без влияния на его работу внешних резонаторов или других оптических систем для применения в геофизических и других лазерах с большой длиной резонатора. Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом способе уменьшения ОСГ лазеров действие дополнительных резонаторов осуществляется только через вспомогательный оптический переход, имеющий общий энергетический уровень с рабочим переходом, причем излучение на рабочем переходе из внешних резонаторов в основной не возвращается.
Действительно, поскольку связь между основным и внешними оптическими резонаторами осуществляется только через вспомогательный оптический переход, имеющий общий энергетический уровень с рабочим переходом, причем излучение на рабочем переходе не возвращается обратно в резонатор лазера, а выводится из внешнего резонатора, то никакие параметры внешнего резонатора либо их изменения не влияют на работу лазера на рабочем оптическом переходе.
Работа лазера на рабочем оптическом переходе никак не связана с работой и параметрами внешнего резонатора и осуществляется только в области, где даже генерация вспомогательного оптического перехода невозможна, то есть в этой области потери заведомо превышают усиление благодаря связи резонатора лазера и внешнего резонатора через вспомогательный оптический переход.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно:
связь резонаторов осуществляется через вспомогательный оптический переход, имеющий общий энергетический уровень с рабочим переходом, а излучение рабочего оптического перехода обратно в резонатор не возвращается.
Изобретение позволяет осуществлять уменьшение ОСГ когерентного излучения газового лазера на рабочем оптическом переходе принудительным излучением его атомов только в пределах заданной ОСГ без ухудшения каких бы то ни было характеристик этого лазера путем внесения в его резонатор любых оптических элементов, а также без влияния на его работу внешних резонаторов или других оптических систем для применения в геофизических и других лазерах с большой длиной резонатора. Атомы, скорость движения которых соответствует излучению в недопустимом частотном диапазоне ОСГ, вынуждены совершать когерентное излучение на другом оптическом переходе, имеющем в этом диапазоне предпочтительные условия для излучения.
Поэтому становится возможным получать когерентное излучение большой мощности в линейных и кольцевых лазерах с большой длиной резонатора в узкой ОСГ, не превышающей ударную ширину линии излучения.
Краткое описание чертежей. Как пример, кольцевой лазер для реализации предложенного способа иллюстрируется фиг.1, где зеркала 1, 2, 3 (с пьезокорректором), 4 составляют основной резонатор лазера с активной средой 7, 8, 9, 10, зеркала 4, 5 (с пьезокорректором), 6 и дисперсионная призма 11 составляют вспомогательный резонатор.
Сущность изобретения показана на фиг.2.
4
5
6
11
Подбором периметра L2 внешнего резонатора и коэффициентов RRRR отражения составляющих его трех зеркал и дисперсионного элемента 11, обозначенных соответственно цифрами 4, 5, 6, и 11, задается область Δν, где на вспомогательных переходах генерации нет и которая для кольцевого лазера записывается в виде [4].
4
5
6
11
2
2
4
5
6
11
4
2
2
1
2
2
1
Δν=C(1-RRRR)/L 2π, где С - скорость света. Для получения такой области без генерации на вспомогательном оптическом переходе с гелий-неонового лазера с длиной волны излучения 3,39 мкм, шириной, например, 12 мГц, в дополнительном кольцевом резонаторе достаточно иметь периметр L=15 см, произведение коэффициентов отражения трех зеркал и дисперсионного элемента RRRR≤1, близкими к единице, при суммарном коэффициенте отражения выходного зеркала R и дисперсионного элемента 0,91, что вполне реально. Если такой резонатор настроен на длину волны 3,39 мкм (например), то в этой области, генерации на этой длине волны не будет из-за высоких потерь (до 9%) и может генерировать излучение на рабочем переходе с длиной волны 0,63 мкм, но только в области Δν=Δνλ/λ≈60 (мГц). В остальном частотном диапазоне будет генерировать излучение с 3,39 мкм, которое будет подавлять генерацию на рабочей длине волны. Понятно, что усиление активной среды для λ, в частности, длины волны 3,39 мкм значительно больше 9%. Разницу можно регулировать, подбирая требуемую величину потерь остальных зеркал 1, 2, 3 основного резонатора для λ=3,39 мкм или 1,15 мкм. При этом дополнительный резонатор никак не влияет на работу основного КЛ с λ=0,63 мкм, поскольку для этой длины волны излучение проходит через него, не возвращаясь обратно из-за действия дисперсионной призмы 11.
2
2
1
3
Действительно, излучение с λ отсутствует в некоторой области настройки частоты связанных резонаторов, см. фиг.2, что обеспечивается влиянием вспомогательного резонатора. Ширина этой зоны определяется расстоянием между модами дополнительного резонатора, то есть 2×10 МГц, а глубина (высота) разницей между усилением на λ и потерями. Спектр излучения на λ в этой области определяется превышением усиления над потерями и ударной шириной линии оптического перехода, то есть давлением гелия и неона. Понятно, что если в этой зоне ударная ширина линии излучения больше междумодового расстояния, то можно говорить только о ширине линии, равной области существования генерации (определяемой шириной резонанса дополнительного резонатора), а не о количестве генерируемых продольных мод.
Но в остальном частотном диапазоне резонатора имеет место генерация на вспомогательном переходе и, наоборот, отсутствует генерация на рабочем переходе. из-за подавления ее более мощным вспомогательным оптическим переходом.
Возможность реализации способа подтверждается широко известными в технической специальной литературе сведениями о работе лазеров со связанными резонаторами, том числе внешними, а также о лазерах, генерирующих одновременно излучение на нескольких длинах волн.
Литература
1. Stedman G.E., Hurst R.B., Schreiber K.U. // 2007. V.279. №1. С.124.
2. Справочник по лазерам. Т.1. М.: Советское радио, 1978. С.54.
3. P.W.Smith, «Mode Selection in Lasers», Proceedings of the IEEE, v.60, №4, 1972.
4. Справочник по лазерам. Т.2. М.: Советское радио, 1978. С.26.