ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР С ДВУХКООРДИНАТНЫМ ВНУТРИРЕЗОНАТОРНЫМ СКАНИРОВАНИЕМ ИЗЛУЧЕНИЯ
TWO-DIMENSIONAL INTRACAVITY RADIATION SCANNING GAS LASER

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании лазерных систем связи, локации, пеленгации, навигации, целеуказания и наведения.
Известен газовый лазер с внутрирезонаторным сканированием излучения (А.Н.Ишутин, Ю.Ф.Кузьмин, В.В.Макаров, Г.Н.Худяков, В.И.Юдин. Газовый лазер с внутрирезонаторным сканированием излучения. А.с. СССР, №1391423, H01S 3/10, 1986 г.).
Недостатком известного лазера является ограниченный сектор однокоординатного сканирования выходного лазерного пучка.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является газовый лазер с внутрирезонаторным сканированием излучения по патенту РФ 2359380, H01S 2/081, опубл. 20.06.2009 г., принятый за прототип.
Лазер-прототип содержит круговое кольцевое зеркало, на внутренней поверхности которого имеется отражающее покрытие, причем на одной половине периметра - отражающее, на другой - частично отражающее; ВЧ электроды, имеющие форму круглых соосных плоских параллельных металлических дисков, поверхность одного их которых, обращенная внутрь межэлектродного зазора, покрыта слоем диэлектрика с нанесенными на него токопроводящими радиально ориентированными дорожками, каждая диаметрально противоположная пара которых, например k-я и (k+n)-я дорожки (1≤k≤n, 2n - полное число дорожек на дисковом ВЧ электроде), имеет вывод, подключаемый с помощью коммутатора к источнику постоянного отрицательного «гасящего» напряжения, при этом ВЧ электроды с помощью выводов соединенны с ВЧ генератором накачки; рабочую среду, заполняющую межэлектродный промежуток, генерирующую, когда рабочая среда переведена в активное состояние.
Лазер-прототип действует следующим образом. После подключения ВЧ генератора к выводам в рабочей среде, заполняющей промежуток между ВЧ электродами, возбуждается высокочастотный разряд. Рабочая среда становится активной и, будучи помещенной внутрь оптического резонатора, образованного кольцевым зеркалом с полностью отражающим покрытием на одной половине периметра внутренней поверхности и частично отражающим покрытием на другой половине, генерирует индуцированное излучение. Одновременно с появлением ВЧ поля накачки в межэлектродном промежутке создается отрицательное «гасящее» постоянное поле за счет подведения к токопроводящим дорожкам с помощью выводов отрицательного потенциала. Величина отрицательного потенциала выбирается такой, чтобы погасить высокочастотный разряд. Рабочая среда теряет активные свойства, генерация индуцированного излучения становится невозможной. Если гасящий отрицательный потенциал подвести ко всем токоведущим дорожкам кроме одной пары, например, составленной из k-й и (k+n)-й дорожек, тогда рабочая среда переходит в активное состояние в объеме канала, ось которого ориентирована вдоль указанной пары токопроводящих дорожек. В этом случае лазер генерирует пучок индуцированного излучения, ориентированный под углом θk, n+k в плоскости XOY.
Если гасящий отрицательный потенциал подвести ко всем токоведущим дорожкам, кроме пары диаметрально противоположных дорожек (k+1)-й и (k+n+1)-й, то пучок сместится на угол 360°/(2n). Обнуление отрицательного потенциала на любой паре диаметрально противоположных токопроводящих дорожек приводит к генерации индуцированного излучения в направлении, заданном данной парой. Таким образом в лазере осуществляется сканирование выходного пучка по 2n дискретным направлениям в секторе 180° с регулярным или произвольным порядком перехода от одного направления к другому. В режиме непрерывного сканирования обнуляется отрицательный постоянный «гасящий» потенциал на двух (или трех) соседних парах дорожек, и «волна обнуления» перемещается от первой, второй и (n+1)-й, (n+2)-й пар дорожек к (n-1)-й, n-й и (2n-1)-й, 2n-й паре. Соответственно, направление выходного пучка изменяется плавно от θ=0° до θ=180°.
Недостатком лазера-прототипа является однокоординатное сканирование в азимутальной плоскости.
Задачей предлагаемого технического решения является получение двухкоординатного внутрирезонаторного сканирования (отклонения) выходного лазерного пучка по азимуту и по углу места.
Для решения поставленной задачи в устройстве, содержащем оптический резонатор, образованный круговым кольцевым зеркалом, имеющим концентрическую конфигурацию в экваториальной плоскости и устойчивую симметричную конфигурацию в осевой плоскости, причем на одной половине периметра зеркала покрытие обеспечивает частичное отражение, а также систему высокочастотного возбуждения активной среды со сканирующим устройством, выполненную в виде двух круглых, плоских, соосных, параллельных друг другу высокочастотных металлических дисковых электродов, один из которых со стороны межэлектродного промежутка покрыт слоем диэлектрика с нанесенными на него токопроводящими клиновидными металлическими дорожками, ориентированными в радиальном направлении от центральной круговой области диаметром d к внешней кромке дискового электрода диаметром D, причем все пары диаметрально противоположных клиновидных дорожек, кроме одной или нескольких соседних пар, подключены электронным коммутатором азимутального отклонения излучения к отрицательному полюсу источника «гасящего» постоянного напряжения, положительный полюс которого через фильтр низкой частоты соединен с высокочастотными дисковыми электродами, согласно изобретению другая половина поверхности кругового кольцевого зеркала выполнена в виде ортогональной решетки, составленной из n×m управляемых зеркал, имеющих покрытие с управляемым коэффициентом отражения (n - число управляемых зеркал в одном горизонтальном ряду решетки, m - количество рядов в решетке в вертикальном направлении) так, что форма общей поверхности решетки повторяет форму половины поверхности кольцевого зеркала, частично пропускающей излучение; дополнительно введены исполнительные элементы в количестве n×m по одному на каждое управляемое зеркало решетки и электронный коммутатор угломестного отклонения выходного излучения, подводящий сигнал отклонения к ij-му исполнительному элементу для изменения коэффициента отражения ij-го управляемого зеркала (1≤i≤m; 1≤j≤n) до значения, близкого к единице.
На фиг.1 изображен общий вид предлагаемого лазера без верхнего высокочастотного дискового электрода и без электронных блоков сканирования по углу места; на фиг.2 - сечение лазера осевой плоскостью А-А с электронными блоками; на фиг.3 - оптический резонатор, образованный круговым кольцевым зеркалом.
Принятые обозначения: на фиг.1, 2, 3:
1 - круговое кольцевое зеркало оптического резонатора;
2, 3 - две одинаковые полукольцевые половины кольцевого зеркала;
4 - покрытие, частично пропускающее излучение;
5 - зеркала, образующие ортогональную решетку (управляемые зеркала);
6 - покрытие с управляемым коэффициентом отражения;
7, 8 - высокочастотные (ВЧ) дисковые электроды;
9 - диэлектрик;
10 - токопроводящие клиновидные металлические дорожки;
11 - выводы;
12 - электронный коммутатор азимутального отклонения;
13 - источник постоянного «гасящего» напряжения;
14 - фильтр низкой частоты (ФНЧ);
15, 16 - клеммы ВЧ дисковых электродов;
17 - рабочая среда;
18 - j-я пара токопроводящих клиновидных металлических дорожек, на которых отсутствует «гасящее» напряжение;
19 - исполнительные элементы;
20 - электронный коммутатор угломестного отклонения;
21 - компьютер;
22 - канал генерации;
23 - пучок индуцированного излучения.
j
i
Предлагаемый лазер содержит оптический резонатор, образованный круговым кольцевым зеркалом 1, имеющим концентрическую конфигурацию в экваториальной плоскости и устойчивую симметричную конфигурацию в осевой плоскости. При этом круговое кольцевое зеркало 1 разделено осевой плоскостью на две одинаковые полукольцевые половины 2 и 3, причем на одну половину 2 нанесено покрытие 4, частично пропускающее излучение, а другая половина 3 выполнена в виде ортогональной решетки 5, составленной из n×m (n - число управляемых зеркал в одном горизонтальном ряду решетки, m - количество рядов в решетке в вертикальном направлении) зеркал, имеющих покрытие 6 с управляемым коэффициентом отражения, изменяющимся от минимального значения (~0,1) до максимального значения . Кроме того, лазер содержит систему высокочастотного возбуждения активной среды со сканирующим устройством, выполненную в виде двух круглых, плоских, соосных, параллельных друг другу высокочастотных металлических дисковых электродов 7 и 8. Поверхность одного из них 7, обращенная внутрь межэлектродного промежутка, покрыта слоем диэлектрика 9 с нанесенными на него токопроводящими клиновидными металлическими дорожками 10, ориентированными радиально от центральной круговой области диаметром d к внешней кромке дискового электрода диаметром D, каждая пара которых, включающая диаметрально противоположные дорожки, имеет выводы 11, подключаемые с помощью электронного коммутатора 12 азимутального (горизонтального) отклонения к отрицательному полюсу источника постоянного «гасящего» напряжения 13, положительный полюс которого через фильтр низкой частоты 14 подключен к соответствующим клеммам 15 и 16 ВЧ дисковых электродов 7 и 8, последние соединены с высокочастотным генератором накачки (на фиг. не показан); рабочую среду 17, заполняющую межэлектродный промежуток толщиной h и переводимую в активное состояние в области пар токопроводящих клиновидных металлических дорожек 18 (например, j-й), на которых отсутствует «гасящее» напряжение; зеркала 5, с нанесенным на их поверхность, обращенную внутрь кольцевого зеркала 1, покрытием 6, изменяющим коэффициент отражения под действием исполнительных элементов 19 в количестве n×m (по одному на каждое управляемое зеркало решетки (1≤i≤m; 1≤j≤n), соединенных с электронным коммутатором 20 угломестного (вертикального) отклонения, подключенного, как и коммутатор 12 азимутального отклонения, к управляющему компьютеру 21. По программе управляющего компьютера 21 сигнал «гашения» высокочастотного разряда не подается на выводы j-й пары 18 проводящих клиновидных металлических дорожек, а сигнал отклонения по углу места (управления) подается на ij-й исполнительный элемент 19. Вследствие этого в активной области 17 формируется канал генерации 22, а из лазера выводится пучок индуцированного излучения 23, ориентированный в пространстве под азимутальным углом φ и углом места в θ.
j
i
Полный угловой сектор сканирования выходного пучка составляет (φ(0÷π)×2θ(0÷2arctg[h/D]).
Лазер функционирует следующим образом. Энергия электромагнитного поля высокой частоты (энергия накачки) подводится от источника накачки к клеммам 15, 16 высокочастотных металлических дисковых электродов 7, 8 (фиг.2). Промежуток между дисковыми электродами, имеющий толщину h, заполнен смесью рабочих газов лазера, которая, поглощая энергию высокочастотного поля накачки, возбуждается и переходит в активное состояние. Будучи помещенной в объем оптического резонатора, образованного круглым кольцевым зеркалом 1, активная среда способна генерировать индуцированное излучение во всех направлениях φ в азимутальной плоскости.
j
i
Круговое кольцевое зеркало 1 оптического резонатора осевой плоскостью разделено на две одинаковые полукольцевые половины 2 и 3 (фиг.1, 3). На первую (половина 2) нанесено покрытие 4, частично пропускающее лазерное излучение. Половина 2 является в лазере выходным зеркалом, в то время как на вторую половину (половина 3, (фиг.1, 3)) нанесено покрытие 6, коэффициент отражения которого может меняться от малых значений (~0,1) до больших (~1,0) под действием управляющего сигнала. Поверхность одного из двух высокочастотных металлических дисковых электродов (электрод 7 на фиг.2), обращенная внутрь межэлектродного промежутка, покрыта слоем диэлектрика 9. На этот диэлектрический слой со стороны межэлектродного промежутка нанесены по всей поверхности токопроводящие клиновидные металлические дорожки 10, ориентированные радиально от центральной круговой области диаметром d к внешней кромке дискового электрода 7 диаметром D, причем каждая пара, включающая диаметрально противоположные клиновидные дорожки, имеет выводы 11. Если требуется получить излучение лазера, выходящее из открытого резонатора кругового кольцевого зеркала 1 в направлении, определяемом углами φ, θ, то на все пары диаметрально противоположных токопроводящих клиновидных металлических дорожек 10, кроме j-й пары дорожки 18 (фиг.2), подается постоянное электрическое напряжение отрицательного знака, вырабатываемое источником «гасящего» напряжения 13.
i
j
i
j
i
j
i
Электронный коммутатор азимутального (горизонтального) отклонения 12 обеспечивает подведение постоянного отрицательного электрического напряжения ко всем парам клиновидных дорожек, кроме j-й пары дорожки 18 (фиг.1, 2), одновременно подводя постоянное электрическое напряжение положительного знака через фильтр низких частот 14 к клеммам 15, 16 высокочастотных дисковых электродов 7, 8. Вследствие этого высокочастотный разряд погашается всюду в объеме оптического резонатора кругового кольцевого зеркала 1, кроме области 17, расположенной над j-й парой клиновидных дорожек 18. Для придания каналу генерации 22 индуцированного излучения, находящемуся внутри объема газоразрядной плазменной области (активной среды) 17, ориентации под углом θ в угломестной плоскости нужно, чтобы под этим углом внутри области 17 располагалась ось оптического резонатора. Оптический резонатор образуется двумя съюстированными зеркалами. Одно из зеркал (выходное) выполнено в виде полукольцевой половины 2 кольцевого зеркала, и оно всегда готово к действию. Функции второго зеркала («глухого») выполняет одно из зеркал 5 ортогональной решетки (управляемое зеркало) второй полукольцевой половины 3. Ориентация оси оптического резонатора под углами φ, θ, достигается, когда полностью отражающим («глухим») станет ij-е зеркало зеркальной ортогональной решетки 3 (фиг.3), что становится возможным, когда к одному (ij-му) исполнительному элементу из общего числа исполнительных элементов 19, управляющего ij-м зеркалом, одним из всех зеркал 5, составляющих ортогональную решетку зеркал, имеющих покрытие 6, подводится сигнал угломестного отклонения от электронного коммутатора 20, подключенного к компьютеру 21. Сигнал угломестного отклонения изменяет коэффициент отражения покрытия 6 на ij-м зеркале решетки до значения, близкого к 1,0, превращая ij-е зеркало в полностью отражающее («глухое»). Т.о. по программе компьютер 21 одновременно формирует два сигнала отклонения: один сигнал подводится через выводы 11 ко всем парам диаметрально противоположных клиновидных дорожек 10, кроме ij-й пары 18; второй сигнал подводится к исполнительному элементу 19 ij-го зеркала решетки. В итоге канал генерации 22 индуцированного излучения внутри области 17 активной среды ориентируется в пространстве под углами φ, θ. Под такими же углами оказывается направленным пучок 23 выходного излучения. Изменение двузначного номера ij-го исполнительного элемента ij-го зеркала ортогональной решетки (i=1,2…m, j=1,2…n), к которым подводятся управляющие сигналы отклонения через коммутаторы 12 и 20, приводит к изменению направления пучка излучения лазера в угловом секторе 0≤φ≤π, 0≤θ≤2arctg(/h/D), чем и достигается в предлагаемом лазере электронное внутрирезонаторное двухкоординатное сканирование.
j
i
В заявляемом техническом решении двухкоординатное внутрирезонаторное сканирование (отклонение) выходного лазерного пучка происходит за счет того, что постоянное отрицательное напряжение, «гасящее» высокочастотный разряд, подводится ко всем парам диаметрально противоположных токопроводящих клиновидных металлических дорожек 10, нанесенных на диэлектрический слой одного из высокочастотных металлических дисковых электродов 7, кроме j-й пары 18. Над j-й парой токопроводящих клиновидных металлических дорожек 18 высокочастотный разряд сохраняется. Одновременно с этим сигнал угломестного отклонения подводится к ij-му исполнительному элементу, изменяя коэффициент отражения ij-го управляемого зеркала так, что оно становится полностью отражающим зеркалом, автоматически ориентирующим пучок выходного лазерного излучения под углом φ, по азимуту и θ по углу места. В предлагаемом лазере возможно плавное изменение угловой ориентации лазерного пучка по двум угловым координатам: по азимуту и по углу места.
j
j
i
Когда волна отсутствующего «гасящего» постоянного напряжения на одной паре диаметрально противоположных токопроводящих дорожек или на двух-трех соседних парах дорожек «бежит» по данному ряду управляемых зеркал от φ=0 (j=1) до φ=180° (j=n), а закончив один ряд, переходит на следующий ряд и так далее, изменяя θ
max
от 0° (i=1) до θ=arctg (h/D) (i=m),
j
i
пучок выходного лазерного излучения непрерывно сканирует в угловом секторе φ(0÷180°)×2θ(0÷2arctg [h/D]).