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 диаметра трубки, например, в He-Ne или Не-Хе лазерах.
В настоящее время большинство ГРЛ имеет активные элементы в виде цилиндрических разрядных трубок. 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. Поэтому часть газового разряда в цилиндрической трубке не находится в области внутри модового объема резонатора. В результате не вся активная среда, созданная в трубке, принимает участие в формировании излучении ГРЛ. В He-Ne лазере усиление растет с уменьшением радиуса трубки. Поэтому в цилиндрической трубке усиление вдоль оси одинаково вдоль всей трубки и определяется радиусом каустики у сферического зеркала, т.е. является минимальным для данного 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 цилиндрической трубкой. Недостатком такого лазера является высокая трудоемкость и сложность изготовления конической трубки.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является газоразрядный лазер с полуконфокальным резонатором и комбинированной разрядной трубкой, состоящей не менее чем из 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 усиления.
Двухсекционная разрядная трубка обеспечивает более высокое по сравнению с цилиндрической трубкой усиление в активной среде лазера, так как радиус секции у плоского зеркала меньше по размеру, чем радиус каустики, определяющий радиус секции у сферического зеркала. Трудоемкость изготовления двухсекционной трубки меньше, чем у конической трубки, так как при изготовлении требуется лишь одна простая операция: соединение двух традиционных цилиндрических трубок. Недостатком прототипа является меньшее по сравнению с конической трубкой усиление.
Задачей предлагаемого технического решения является разработка газоразрядного лазера с повышенным усилением за счет простой в изготовлении конструкции разрядной трубки.
Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что аналогично прототипу газоразрядный лазер содержит резонатор, состоящий из плоского и сферического зеркал, и комбинированную разрядную трубку, состоящую не менее чем из двух цилиндрических секций разных радиусов. В отличие от прототипа, трубка дополнительно содержит секцию в виде усеченного конуса, расположенную со стороны сферического зеркала, и выполненную так, что ее профиль и каустика поля совпадают.
Это позволяет уменьшить радиус цилиндрической секции, ближней к сферическому зеркалу, и поднять усиление. При этом переменный радиус конической секции трубки оптимизирован по усилению благодаря близости к каустике поля резонатора. В итоге в предлагаемом лазере получается усиление, близкое к усилению в лазере с конической трубкой. При этом трудоемкость и сложность изготовления предлагаемого лазера значительно меньше, чем в случае конической трубки.
Расчеты, проведенные по методике, приведенной в работах [Привалов В.Е., Фридрихов С.А. // УФН 1969, том. 97, №3, с.377, Привалов В.Е., Фридрихов С.А. // ЖПС 1970, т.12, №5, с.937], показывают, что при этом усиление в предлагаемом лазере практически не отличается от усиления известного лазера с конической трубкой. А технология изготовления предлагаемого лазера значительно проще технологии изготовления известного лазера с конической трубкой, т.к. конической изготовляется только часть разрядной трубки.
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 - коническая секция разрядной трубки, профиль которой совпадает с каустикой поля, 7 - каустика поля резонатора (пунктир).
Газоразрядный лазер включает резонатор со сферическим зеркалом 1 и плоским зеркалом 2, и комбинированную разрядную трубку 3, содержащую две цилиндрические секции 4, 5 и секцию 6 в виде усеченного конуса, расположенную со стороны сферического зеркала 1, и выполненную так, что ее профиль и каустика 7 поля совпадают. Профиль конусной секции 6 рассчитывается, например, по формулам, предложенным в статьях [Привалов В.Е., Фридрихов СЛ. // УФН 1969, том. 97, №3, с.377, Привалов В.Е., Фридрихов С.А. // ЖПС 1970, т.12, №5, с.937]. Радиусы и длины цилиндрических секций 4, 5 согласованы с каустикой 7 поля таким образом, что радиусы цилиндрических секций нигде не превышают радиус каустики, при этом длина секции 4 меньшего радиуса больше длины секции 5 большего радиуса. Поле резонатора, образованного сферическим 1 и плоским 2 зеркалами, локализовано в модовом объеме, ограниченном каустикой 7.
Простота изготовления достигается тем, что основную часть трубки 2 составляют цилиндрические секции 4 и 5 и лишь малая часть вблизи сферического зеркала выполнена конической - секция 6, что может быть осуществлено обычной развальцовкой соответствующего конца цилиндрической секции 5. Это позволяет сократить часть модового объема, не участвующего во взаимодействии с активной средой, и повысить усиление за счет уменьшения радиуса трубки на всем протяжении секции 6, а также за счет уменьшения радиуса секции 5.
Лазер работает следующим образом. При возбуждении газового разряда в трубке 3, разряд становится активной средой. Фотон, испущенный возбужденным атомом газа в секции 6 в направлении плоского зеркала, индуцирует другие фотоны, причем усиление активной среды по мере продвижения фотонов вдоль секции 6 к плоскому зеркалу за счет конусности секции возрастает. Т.е. излучение усиливается. В секции 5 эта группа фотонов, двигаясь в среде с еще большим за счет уменьшения радиуса секции усилением, численно растет. Наконец, переходя в среду секции 4 с еще меньшим радиусом, где усиление еще больше, излучение нарастает, компенсируя потери. Лазер начинает излучать индуцированное излучение. Таким образом, усиление предлагаемого лазера складывается из усилений в трех секциях. Коническая секция 6 имеет одинаковое усиление с конической трубкой такой же длины на участке с максимальным радиусом каустики. Две цилиндрические секции 4 и 5, радиусы и длины которых согласованы с каустикой поля, предельно близки по усилению оставшейся части конической трубки.
В итоге предлагаемая трубка проще конической и имеет коэффициент усиления больший, чем у комбинированной двухсекционной трубки, взятой нами за прототип.