ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ЛАЗЕР

Предлагаемое техническое решение относится к области лазерной техники и может быть использовано при конструировании и производстве газоразрядных лазеров (ГРЛ), в которых усиление уменьшается с ростом радиуса трубки, например, в He-Ne или Не-Хе лазерах.
Резонаторы большинства ГРЛ представляют систему из одного сферического и одного плоского зеркал (резонатор плоскость-сфера) для повышения устойчивости генерации. Модовый объем, ограниченный каустикой поля резонатора, сужается по мере приближения к плоскому зеркалу. В He-Ne лазере усиление растет с уменьшением радиуса трубки. Поэтому для получения максимального усиления, а значит и мощности излучения лазера, необходимо, чтобы контуры активного элемента повторяли каустику поля резонатора.
Известен лазер с газоразрядной трубкой, в которой для увеличения усиления и, следовательно, мощности излучения разрядный канал выполнен в виде конуса. [Автор. свид. №213223, МПК H01S 3/08, опубл. 15.07.1974, БИ №26].
Поскольку в резонаторе плоскость-сфера радиус модового объема уменьшается по мере приближения к плоскому зеркалу, уменьшение радиуса трубки по мере приближения к плоскому зеркалу дает рост усиления, а значит и мощности излучения. В известном предложении усиление оказывается выше, чем в лазере с традиционной для ГРЛ цилиндрической трубкой. Недостатками такого лазера является высокая трудоемкость и сложность изготовления конической трубки, а также уменьшение ресурса по сравнению с лазером с цилиндрической трубкой.
Известен газовый лазер с воздушным охлаждением, включающий установленную внутри ограничительного кожуха разрядную трубку из окиси бериллия с электродами и зеркалами резонатора, размещенный на ней радиатор охлаждения и средство прокачки воздуха, в котором для повышения ресурса работы лазера разрядная трубка соединена с объемом с дополнительным рабочим газом. [Патент на изобретение №2142663, МПК H01S 3/041, опубл.10.12.1999].
В известном предложении ресурс оказывается выше, чем в лазере с традиционной для газовых лазеров цилиндрической трубкой без объема с дополнительным рабочим газом. Однако, в таком лазере не обеспечивается максимальное усиление в резонаторе плоскость-сфера, поскольку контуры активного элемента не повторяют каустику поля резонатора. При этом, объем с дополнительным рабочим газом повышает габаритные размеры разрядной трубки.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является газоразрядный лазер с резонатором, состоящим из плоского и сферического зеркал, и комбинированной разрядной трубкой, включающей не менее двух цилиндрических секций разных радиусов [Привалов В.Е. // Электронная техника серия 3, 1971, №3 (23), с.29]. Радиусы и длины секций согласовываются с каустикой поля резонатора, т.е. рассчитываются по известным формулам из условия получения максимального для данной конструкции усиления.
Недостатком прототипа является то, что по сравнению с традиционной для ГРЛ цилиндрической трубкой объем газа в трубке меньше, соответственно меньше и ресурс. Ресурс определяется объемом рабочего газа. Чем он больше, тем меньше роль примесей, выделяющихся со временем из элементов лазера в рабочий газ, тем медленнее изменяется давление в трубке и тем дольше лазер будет находиться в рабочем состоянии.
Задачей предлагаемого технического решения является увеличение ресурса газоразрядного лазера с повышенным усилением.
Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что аналогично прототипу газоразрядный лазер содержит резонатор, состоящий из плоского и сферического зеркал, и комбинированную разрядную трубку, включающую не менее двух цилиндрических секций разных радиусов. В отличие от прототипа, по меньшей мере, одна секция разрядной трубки помещена в герметичный баллон с рабочей смесью газов, а разрядная трубка снабжена одним или более отверстиями для поступления газа из баллона.
Баллон может быть выполнен цилиндрическим с диаметром, соответствующим диаметру большей секции. При таком выполнении габаритные размеры лазера не увеличиваются.
Наличие баллона увеличивает объем трубки, а значит и количество газа, следовательно, и ресурс лазера. Отверстия должны быть выполнены достаточными для перетекания газа из баллона в трубку, но не достаточными для горения разряда в объеме баллона.
Сущность предлагаемого решения иллюстрируется фиг.1, на которой изображен продольный разрез газоразрядного лазера, где 1 - сферическое зеркало, 2 - плоское зеркало, 3 - разрядная трубка, 4 и 5 - цилиндрические секции разрядной трубки, 6 - герметичный баллон с рабочей смесью газов, выполненный цилиндрическим с диаметром, соответствующим диаметру большей секции 5, 7 - каустика поля резонатора (пунктир), 8 - стенка секции 5 разрядной трубки 3,9 - отверстие в стенке 8.
Газоразрядный лазер в частном случае реализации (фиг.1) включает резонатор со сферическим зеркалом 1 и плоским зеркалом 2, и комбинированную разрядную трубку 3, содержащую две цилиндрические секции 4, 5 разных радиусов. Секция 4 помещена в герметичный баллон 6 с рабочей смесью газов. Баллон 6 выполнен цилиндрическим с диаметром, соответствующим диаметру большей секции 5 и содержит дополнительный объем газа, сообщенный с объемом газа, содержащегося в разрядной трубке 3 через отверстие 9 в стенке секции 5. Поле резонатора, образованного сферическим 1 и плоским 2 зеркалами, локализовано в модовом объеме, ограниченном каустикой 7.
Газоразрядный лазер работает следующим образом. При возбуждении газового разряда в трубке 3, разряд становится активной средой. Фотон, испущенный возбужденным атомом газа в секции 5 в направлении плоского зеркала 2, индуцирует другие фотоны. В секции 5 эта группа фотонов, двигаясь в среде, численно растет. Переходя в среду секции 4 с меньшим радиусом, где усиление больше, излучение нарастает, компенсируя потери. Лазер начинает излучать индуцированное излучение. При возбуждении разряда в трубке 3 последняя нагревается. При этом имеют место, по крайней мере, два процесса. Во-первых, через разогретое стекло под действием парциального давления из трубки 3 уходят легкие (например, гелий) газы. Во-вторых, разогретые элементы трубки 3 выделяют вредные примеси, уменьшающие число возбужденных атомов. В результате в секциях 4 и 5 уменьшается давление газа. Дополнительный газ из баллона 6 через отверстие 9 переходит в секции 5 и 4, компенсируя изменение давления и повышая число возбужденных атомов. Величина отверстия 9 не дает возможность разряду гореть в баллоне 6. В результате увеличивается ресурс лазера.