НЕ-NE ЛАЗЕР

Полезная модель относится к области технической физики и может быть использована при конструировании Не-Ne лазеров для научных исследований, медицины, интерферометрии, голографии.
Известен Не-Ne лазер, содержащий активный элемент с Брюстеровскими окнами и внешние зеркала, в котором с целью подавления излучения на длине волны λ=3,39 мкм осуществлено изменение конструкции. По крайней мере, с одной стороны активного элемента, в лазер добавлена секция заполненная газом или смесью газов, подавляющих длину волны излучения λ=3,39 мкм и прозрачных для длины волны λ=0,63 мкм. (См. пат. Японии №47-11959, кл. 100ДО, опубл. 14.04.72 г.)
Недостатком данного лазера является низкая надежность и долговечность активного элемента, поскольку ячейка с поглощающим длину волны λ=3,39 мкм газом, быстро выходит из строя из-за натекания по месту соединения с активным элементом, поскольку, как правило, такие ячейки клеятся к окну на вакуумный клей К-400 или эпоксидную смолу, и срок службы таких лазеров не превышает 1000 часов.
Известен Не-Ne лазер, содержащий резонатор с внешними зеркалами и активный элемент, который с каждой стороны закрывается оптической фиксированной системой, выделяющей из диапазона частот одну рабочую частоту. Оптическая система представляет собой призму присоединенную к трубке под углом Брюстера. (См. пат. Франции №1388843, кл. G02B, H03F, опубл. 04.01.65 г.)
Недостатком данного лазера является наличие дополнительной оптической системы, которая, будучи помещенная в резонатор, неизбежно приводит к снижению надежности прибора из-за разъюстировки элементов резонатора (зеркал и оптической системы) и снижению мощности излучения, поскольку вносятся дополнительные потери на гранях призмы.
Наиболее близким по технической сущности является He-Ne лазер, содержащий активный элемент с термокатодом и окнами Брюстера, который размещается внутри оптического резонатора с внешними зеркалами. Конструкция резонатора представляет собой коаксиальную трубу из алюминия, на концах которой закрепляются сильфоны, позволяющие производить юстировку зеркал. Цилиндрический капилляр, ограничивающий плазму, укреплен в активном элементе, который юстируется и окончательно закрепляется внутри несущей трубы посредством пластиковых винтов. Окна монтируются к концам активного элемента так, что угол между их поверхностями равен двойному углу Брюстера. Окна Брюстера слегка клинообразные, угол клина составляет примерно 0,5 градуса. Все компоненты активного элемента изготовлены из обычного стекла, за исключением окон, которые сделаны из искусственного кварца с целью достижения наибольшей оптической однородности. (См. пат. США №3628175, кл. 331-94.5, опубл. 14.12.1971 г. - прототип)
К недостаткам данного лазера можно отнести следующее:
- наличие термокатода, что снижает долговечность активного элемента;
- наличие клиновидных кварцевых окон (угол клина 0,5 градуса), которые предназначены для разнесения длин волн излучения λ=3,39 мкм и λ=0,63 мкм в пространстве, недостаточно эффективно выполняют свою функцию.
Поскольку кварц не поглощает излучение на длине волны λ=3,39 мкм, а также клин в 0,5 градуса, выполненный из этого материала мал для того, чтобы необходимым образом разнести длины волн в пространстве, это не позволяет создать условия для существования одной длины волны λ=0,63 мкм в резонаторе.
Задачей данной полезной модели является повышение мощности лазерного излучения на длине волны λ=0,63 мкм, повышение пассивной стабильности мощности излучения и повышение надежности лазера в целом.
Технический результат достигается за счет эффективного подавления излучения на длине волны λ=3,39 мкм и использования в качестве стержней резонатора углепластика высокой прочности и жесткости, с низким коэффициентом линейного расширения.
-7
Технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в известном лазере, содержащем резонатор с внешними зеркалами, активный элемент закрытый по торцам окнами Брюстера, одно из которых имеет клинообразную форму, угол клина θ окна Брюстера составляет величину 2°≤θ≤5°, а резонатор имеет, по крайней мере, трехстержневую несущую конструкцию, стержни которой выполнены из углепластика с коэффициентом термического расширения не более 1·10 м/град.
Благодаря тому, что окно Брюстера выполнено из стекла ЛК-4 (подавляющего длину волны λ=3,39 мкм) и имеет клин, значительно больший по сравнению с прототипом, происходит эффективное подавление нежелательной генерации на длине волны λ=3,39 мкм. Кроме того, за счет использования углепластика в качестве материала несущих стержней резонатора, повышается стабильность мощности лазерного излучения и увеличивается надежность лазера в целом.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленной полезной модели, а определение из перечня аналогов прототипа, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле полезной модели.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.
На фиг.1 представлен общий вид лазера.
На фиг.2 показано схематично окно Брюстера и ход лучей между окном и зеркалом резонатора.
-7
о
n
о
n
Предлагаемый лазер содержит активный элемент 1, в котором одно из окон Брюстера 2 выполнено в виде клина из стекла ЛК-4, имеющего угол при вершине 2°≤θ≤5°. Клинообразное окно 2 на λ=0,63 мкм одной гранью под углом Брюстера прикрепляется к активному элементу 1. Другая грань клина расположена под углом отличающимся от угла Брюстера на 2°÷5°, и просветлена на λ=0,63 мкм. Резонатор с внешними зеркалами 3 имеет трехстержневую несущую конструкцию, стержни 4 которой выполнены из углепластика с коэффициентом термического расширения не более 1·10 м/град. Клинообразное окно 2 выполнено с технологическими полями, предназначенными для приварки окна к активному элементу 1 с помощью лазерной сварки. Угол преломления лучей для длины волны λ=0,63 мкм составляет α, для длины волны λ=3,39 мкм составляет α. Угол при вершине клина равен θ. Обозначим γ=α-α необходимый угол разведения лучей, который определяется углом θ.
λ=0,63 мкм
λ=3,39 мкм
о
n
Лазер работает следующим образом. При подаче напряжения на активный элемент 1, зажигается газовый разряд и начинается формирование генерации на двух типах волн на λ=0,63 мкм и на λ=3,39 мкм. Зеркала 3 резонатора лазера юстируются на длину волны λ=0,63 мкм. Излучение в активном элементе 1, содержащем две длины волны, поступает на первую грань клинообразного окна 2, установленного под углом Брюстера. Поскольку угол преломления клина для волн λ=0,63 мкм и λ=3,39 мкм различен, а именно n=1,4887 и n=1,44 (См. «Справочник конструктора оптико-механических приборов», под редакцией В.А.Панова, 1980 г.), происходит расщепление луча по длинам волн в пространстве так, что на выходе клинообразного окна 2 формируются два независимых пучка, которые попадают на поверхность зеркала 3 под разными углами. Если зеркало съюстировано на длину волны λ=0,63 мкм, то происходит отражение луча длиной волны λ=3,39 мкм под углом γ=α-α. Таким образом имеем разъюстировку зеркал для луча длиной волны λ=3,39 мкм на угол γ. Этот угол связан с клинообразным окном и зеркалом по формуле:
Если допустить, что угол разьюстировки γ составляет не менее 5 минут и радиус кривизны зеркала составляет не более 10 м, то наименьшая величина угла клина θ, в соответствии с формулой (1) составляет 2°. Угол клина θ меньше 2° не позволяет разносить излучение на длинах волн λ=0,63 мкм и λ=3,39 мкм так, чтобы длина волны λ=3,39 мкм вышла из резонатора. Если угол клина θ больше 5°, то вносятся дополнительные потери из-за отражения от второй грани клина, что приводит к значительным потерям мощности лазерного излучения.
-7
Кроме того, особенностью конструкции оптического резонатора предлагаемого лазера является то, что он имеет трехстержневую конструкцию, стержни которой выполнены из углепластика с коэффициентом термического расширения не более 1·10 м/град. Углепластик изготовлен из углеродного волокна и ткани на их основе. Высокая прочность и жесткость при малом весе, основные преимущества углепластика, а также углеродные волокна и углепластик имеют очень низкий, практически нулевой коэффициент линейного расширения.
Преимущества применения углепластика: - позволяет уменьшить вес конструкции на 15-45%, имеет высокую стойкость к коррозии и различным деформациям, позволяет создать изделия высокой сложности.
Таким образом, предложенные конструктивные решения позволяют: - выводить из резонатора нежелательную генерацию на длине волны λ=3,39 мкм; - повысить надежность активного элемента до 20000 часов; - повысить пассивную стабильность мощности лазерного излучения при термических и деформационных воздействиях.
Пример конкретного выполнения:
-7
He-Ne лазер содержит оптический резонатор, несущая конструкция которого представляет собой три углепластиковых стержня длиной 1,9 м с коэффициентом термического расширения не более 1·10 м/град. В оптическом резонаторе установлен активный элемент длиной 1,8 м с окнами Брюстера. Одно из окон имеет клиновидную форму, причем угол при вершине клина θ=2°. Это соответствует разъюстировке зеркала для длины волны λ=3,39 мкм - 18 минутам. В результате чего была получена мощность лазерного излучения на 20% больше, чем в аналогичном лазере, но без клинообразного окна.