ЛАЗЕР НА СТРОНЦИИ
STRONTIUM LASER

Настоящее изобретение относится к устройствам со стимулированным излучением, в частности к газовым лазерам, и может быть использовано для создания лазеров на парах стронция.
Известен лазер на парах стронция, содержащий установленную в оптический резонатор керамическую газоразрядную трубку с электродами на ее концах, причем внутри этой газоразрядной трубки помещена навеска металлического стронция. Указанный лазер содержит также блок питания импульсным электрическим током, который своими выходами электрически присоединен к электродам, установленным на торцах газоразрядной трубки (А.Н.Солдатов, А.Г.Филонов, А.В.Васильева. «Исследование работы Sr-лазера при высоких частотах повторения импульсов». Ж-л «Оптика атмосферы и океана, 2006, 19, №2-3, с.224).
Известно, что для эффективной генерации излучения нужно, чтобы внутри газоразрядной трубки температура поддерживалась в интервале 660÷772°С. Данный же лазер не позволяет поддерживать величину температуры в указанном интервале, т.к. контролировать величину температуры, создаваемой во внутреннем объеме газоразрядной трубки и на поверхности ее внутренних стенок, прямыми измерениями температуры очень сложно, поскольку сама газоразрядная трубка является герметично запаянной и помещена в непрозрачный кожух. Поддерживать же заданную температуру простым подбором характеристик электроразрядных импульсов без контроля за величиной температуры тоже невозможно, т.к. сами эти характеристики сильно зависят от параметров газоразрядной трубки и к тому же не являются стабильными во времени.
Известен также лазер на парах стронция, который также содержит установленную в оптический резонатор керамическую газоразрядную трубку с электродами на ее концах, а внутри этой газоразрядной трубки помещена навеска металлического стронция. Этот лазер содержит также блок питания импульсным электрическим током, который своими выходами электрически присоединен к электродам, установленным на торцах газоразрядной трубки. При этом указанный блок питания выполнен с возможностью регулирования частотой повторения и напряжением создаваемых им импульсов электрического тока (Прокопьев В.Е., Соломонов В.И. «Исследование лазера на парах стронция». Квантовая электроника, 1985, т.12, №6, с.1261-1269).
Этот лазер не позволяет поддерживать величину температуры в указанном выше интервале, т.к. контролировать величину температуры, создаваемой во внутреннем объеме газоразрядной трубки и на поверхности ее внутренних стенок, прямыми измерениями невозможно, поскольку эта трубка является герметически запаянной.
Ближайшим из известных является лазер, содержащий газоразрядную трубку с электродами на каждом из ее торцевых концов и с навеской металлического стронция внутри нее, оптический резонатор для инфракрасного излучения, управляемый блок питания импульсным электрическим током, прозрачную для инфракрасного излучения плоскопараллельную пластину, селектирующий узел, измеритель энергии лазерного излучения и электронное вычислительное устройство, например ПЭВМ или компаратор; при этом в резонаторе для инфракрасного излучения установлены возвратное и пропускающее для инфракрасного излучения зеркала, причем возвратное зеркало выполнено в виде стеклянной плоскопараллельной пластинки, на одну из сторон которой нанесен слой алюминия или серебра такой толщины, при которой исключено прохождение через него инфракрасного излучения, а пропускающее зеркало выполнено в виде плоскопараллельной пластинки из монокристаллического фторида кальция или бора, причем одна из сторон этой пластинки покрыта слоем алюминия или серебра такой толщины, при которой обеспечивается прохождение через эту пластинку инфракрасного излучения в объеме 50% от общего потока падающего на эту пластинку излучения. Причем газоразрядная трубка расположена между указанными зеркалами оптического резонатора таким образом, чтобы эти зеркала были связаны друг с другом оптически через внутренний объем указанной газоразрядной трубки вдоль ее продольной оси; при этом управляемый блок питания импульсным электрическим током своими выходами электрически присоединен к электродам, установленным на торцах указанной газоразрядной трубки, а прозрачная для инфракрасного излучения плоскопараллельная пластина расположена на выходе из лазера и таким образом, чтобы она перекрывала канал прохождения генерируемого лазером излучения под углом 50 градусов, причем эта пластина одной своей стороной оптически связана с возвратным зеркалом резонатора лазера, а другой своей стороной - со входом указанного селектирующего узла; при этом селектирующий узел выполнен таким образом, чтобы он обеспечивал выделение излучения на длинах волн в диапазоне (1,0-3,1) мкм, и своим оптическим выходом этот узел связан с измерителем энергии лазерного излучения; в свою очередь, измеритель энергии лазерного излучения своим электрическим выходом связан со входом электронного вычислительного устройства, например ПЭВМ или компаратора, причем это электронное вычислительное устройство запрограммировано таким образом, чтобы оно осуществляло анализ изменения величины сигнала, поступающего от измерителя мощности излучения, в отношении к величине электрической энергии, поступающей в газоразрядную трубку от указанного управляемого блока питания лазера импульсным электрическим током, и обеспечивало выработку управляющего сигнала при выходе величины сигнала, поступающего от измерителя энергии лазерного излучения, за установленные пределы этого отношения.
В этом лазере контроль за температурой внутри газоразрядной трубки осуществляется по контролю за изменением мощности генерируемого лазером излучения. Причем для реализации такого контроля в лазере с помощью прозрачной пластины создан дополнительный оптический канал, в котором осуществляется селекция излучения, генерируемого в спектральном диапазоне (1,0-3,1) мкм. Это приводит к усложнению конструкции лазера в целом, поскольку в этом канале установлен селектирующий узел. В этот канал отводится 50% от всего объема генерируемого лазером излучения, в то время как для такого контроля достаточно гораздо меньшей доли этого излучения. Для уменьшения этой доли излучения можно, конечно, уменьшить пропускную способность полупрозрачной пластинки, однако и в этом случае потери мощности генерируемого излучения будут значительными, т.к. поступающее на полупрозрачную пластинку излучение никакой долей не будет возвращаться обратно в резонатор и не будет участвовать в процессе генерации. Кроме того, селектирующий узел в данном устройстве выделяет излучение в указанном спектральном диапазоне из всего потока падающего на него излучения, что приводит, во-первых, к неоправданным потерям мощности генерируемого лазером излучения и, во-вторых, к значительной ошибке при контроле за мощностью излучения, генерируемого в диапазоне (1,0-3,1) мкм. При этом неоправданные потери мощности генерируемого лазером излучения обусловлены тем, что селектирующий узел выделяет из всего падающего на него излучения некоторую долю излучения вместе с другими длинами волн, а поскольку падающий на селектирующий узел поток излучения на других длинах волн по отношению к селектируемым длинам волн не ослаблен, то мощность излучения на неотселектированных длинах волн будет значительной, а значит, и потери мощности генерируемого излучения будут тоже значительными. По этой же причине значительными будут и ошибки по контролю за мощностью излучения, генерируемого в диапазоне (1,0-3,1) мкм.
Задачей данного изобретения является исключение из конструкции лазера дополнительного оптического канала вместе с установленным в этом канале селектирующим узлом и обеспечение более жесткой селекции излучения на длинах волн (1,0-3,1) мкм.
2
2
Поставленная задача решается тем, что, как и в известном, в данном лазере на парах стронция установлена газоразрядная трубка с навеской металлического стронция внутри нее и с электродами на ее концах, оптический резонатор с возвратным и пропускающим зеркалами, управляемый блок питания импульсным электрическим током, измеритель мощности лазерного излучения и электронное вычислительное устройство, например ПЭВМ или компаратор; при этом газоразрядная трубка расположена между указанными зеркалами оптического резонатора и таким образом, чтобы эти зеркала были связаны друг с другом оптически через внутренний объем указанной газоразрядной трубки вдоль ее продольной оси, возвратное зеркало резонатора выполнено в виде диэлектрической пластины, у которой одна сторона покрыта слоем алюминия или серебра, а его пропускающее зеркало выполнено в виде пластины из монокристаллического фторида кальция (CaF) или фторида бария (BaF) и одна сторона этой пластины покрыта слоем алюминия или серебра такой толщины, при которой обеспечивается 50%-ное пропускание попадающего на эту пластину инфракрасного излучения; при этом управляемый блок питания лазера импульсным электрическим током своими обоими электрическими выходами электрически связан с указанными электродами, установленными на торцах газоразрядной трубки, а своим положительным выходом электрически параллельно связан с одним из входов электронного вычислительного устройства; измеритель же мощности лазерного излучения установлен таким образом, чтобы его оптический вход был связан с возвратным зеркалом резонатора лазера, а его электрический выход был связан электрически с тем входом электронного вычислительного устройства, с которым не связан положительный выход блока питания лазера импульсным электрическим током, причем электронное вычислительное устройство запрограммировано таким образом, чтобы оно осуществляло анализ изменения величины сигнала, поступающего от измерителя мощности излучения, в отношении к величине электрической энергии, поступающей в газоразрядную трубку от указанного управляемого блока питания лазера импульсным электрическим током, и обеспечивало выработку управляющего сигнала при выходе величины сигнала, поступающего от измерителя энергии лазерного излучения, за установленные пределы этого отношения, и электрический выход этого электронного вычислительного устройства связан со входом управляемого блока питания импульсным электрическим током, выходы которого, в свою очередь, электрически связаны с установленными на концах газоразрядной трубки электродами.
2
2
В отличие от известного, в данном лазере на парах стронция возвратное зеркало 2 резонатора выполнено в виде пластины из вещества, пропускающего излучение в диапазоне, по меньшей мере, (1,03-3,1) мкм, например из монокристаллического фторида кальция (CaF) или из фторида бария (BaF), и одна из сторон этой пластины покрыта слоем вещества, отражающим инфракрасное излучение в диапазоне, по меньшей мере, (1,03-3,1) мкм и обладающим коэффициентом отражения, не меньшим чем 90%, причем слой этого вещества выполнен таким образом, чтобы возвратное зеркало резонатора обеспечивало прохождение (0,1-1,0)% попадающего на него инфракрасного излучения; а другая сторона этой же пластины покрыта слоем вещества, селектирующим инфракрасное излучение в диапазоне (1,03-3,1) мкм.
При этом в качестве указанного вещества, отражающего инфракрасное излучение, могут быть взяты металлическое серебро или металлический алюминий, а в качестве вещества, селектирующего инфракрасное излучение, может быть взят оксид титана, причем оксидом титана покрыта та сторона указанной пластины, которая обращена к пропускающему зеркалу указанного оптического резонатора, а другая сторона этого же зеркала покрыта слоем вещества, отражающим инфракрасное излучение в диапазоне, по меньшей мере, (1,03-3,1) мкм, причем покрытая этим слоем сторона зеркала оптически связана с указанным измерителем мощности инфракрасного излучения.
В данном лазере на парах стронция, как и в прототипе, реализована возможность по характеру изменения мощности излучения лазера на длинах волн в диапазоне (1,03-3,1) мкм с высокой точностью регулировать температуру внутри газоразрядной трубки, обеспечивая установку в автоматическом режиме такой величины температуры, которая является оптимальной для генерации излучения на определенной длине волны. В то же время в данном лазере впервые достигнуто исключительно высокое снижение потерь мощности генерируемого лазером излучения, а сама конструкция лазера при этом стала существенно проще и надежнее.
Исключительно высокое снижение потерь мощности генерируемого лазером излучения достигнуто за счет того, что генерируемое в лазере излучение сначала попадает на ту сторону возвратного зеркала, которая покрыта оксидом титана, в результате чего из всего потока излучения выделяется излучение с длинами волн в диапазоне (1,03-3,1) мкм. При этом наряду с указанными длинами волн в отселектированном потоке излучения будет присутствовать излучение и с другими длинами волн. Далее этот отселектированный поток излучения проходит без ослабления через толщу пластины из фторида бора или кальция и попадает на ее противоположную сторону, которая покрыта слоем серебра или алюминия. Этот слой серебра или алюминия пропускает только (0,1-1,0)% всего потока падающего на него излучения, но поскольку предыдущим слоем излучение на длинах волн, не входящих в диапазон (1,03-3,1) мкм, значительно ослаблено, то после прохождения через слой серебра или алюминия это излучение практически не будет иметь волн, не входящих в диапазон (1,03-3,1) мкм. В результате этого и потери мощности генерируемого излучения будут очень сильно ослаблены и значение этих потерь станет практически нулевым, и, как следствие, ошибки по контролю за мощностью излучения, генерируемого в диапазоне (1,0-3,1) мкм, существенно снизятся, что повлечет за собой повышение точности контроля за рабочей температурой внутри газоразрядной трубки.
Уровень прозрачности (0,1-10)% возвратного зеркала резонатора обусловлен следующими обстоятельствами. Во-первых, если прозрачность возвратного зеркала будет меньше 0,1%, то при низкоинтенсивном уровне генерации лазера излучение, попадающее на измеритель мощности, будет настолько слабым, что измеритель мощности не будет реагировать на него. Во-вторых, если прозрачность возвратного зеркала будет больше 1,0%, то для маломощных лазеров генерация излучения в парах стронция будет происходить неполностью, т.к. мощности возвращаемого возвратным зеркалом излучения будет недостаточно для стимулирования парами стронция генерации излучения, и выходящее через возвратное зеркало резонатора излучение будет слишком слабым для того, чтобы по изменению мощности этого излучения можно было с хорошей точностью судить о температуре внутри газоразрядной трубки. К тому же выполнение селектирующего слоя на возвратном зеркале резонатора обеспечивает высокую компактность лазера в целом, т.к. такое решение позволяет вообще не устанавливать каких-либо селектирующих узлов.
На чертеже показана общая схема данного лазера.
Лазер на стронции содержит:
- газоразрядную трубку 1 с навеской стронция внутри нее и с электродами 4 на ее концах;
- пропускающее плоскопараллельное зеркало 3 и возвратное плоскопараллельное зеркало 2, причем зеркала 2 и 3 расположены с противоположных сторон газоразрядной трубки 1 таким образом, чтобы они создавали резонатор лазера;
- измеритель мощности излучения 5, например ИМО-2Н;
- высоковольтный блок питания импульсным электрическим током 6;
- блок управления 7; обеспечивающий управление величиной напряжения или частотой повторения электрических импульсов на электродах 4;
- вычислительный блок 8, например ЭВМ или компаратор.
2
2
2
2
При этом пропускающее зеркало 3 выполнено в виде плоской пластины из монокристаллического фторида кальция (CaF) или из монокристаллического фторида бария (BaF), причем с одной стороны эта пластина покрыта слоем алюминия или серебра таким образом, чтобы через пластину проходило только (30-50)% всего объема падающего на эту пластину инфракрасного излучения. Возвратное же зеркало 2 также выполнено в виде пластины из монокристаллического фторида кальция (CaF) и одна сторона этой пластины 2 покрыта слоем алюминия или серебра и такой толщины, чтобы было обеспечено пропускание через этот слой только (0,1-1,0)% падающего на это зеркало 2 инфракрасного излучения, а другая сторона этой же пластины покрыта слоем оксида титана (ТiO). При этом слоем оксида титана покрыта та сторона возвратного зеркала 2, которая обращена в сторону пропускающего зеркала 3. С возвратным зеркалом 2 своим оптическим входом связан измеритель мощности излучения 5, электрический выход которого связан с одним из входов вычислительного блока 8, а другой вход вычислительного блока 8 связан с электрическим входом высоковольтного блока питания импульсным электрическим током 6. Выходы же высоковольтного блока питания импульсным электрическим током 6 связаны, как указано выше, с электродами 4.
Лазер на стронции работает следующим образом.
2
2
При включении лазера по команде, поступающей с вычислительного блока 8, высоковольтный блок питания импульсным электрическим током 6 подает на электроды 4 импульсы электрического тока и постепенно повышает напряжение этого тока. Вследствие этого внутри газоразрядной трубки 1 повышается температура и доводится до уровня, при котором стронций внутри газоразрядной трубки 1 переходит в пар и начинает генерировать инфракрасное излучение с длинами волн ~(1-7) мкм, т.е. в диапазоне, превышающем (1,03-3,0) мкм. Это излучение сначала попадает на слой оксида титана, нанесенный на возвратное зеркало 2. Этим слоем из падающего на него потока излучения выделяется излучение с длинами волн (1,03-3,0) мкм, т.к. этот слой селектирующий и пропускает излучение только с этими длинами волн. Отселектированное таким образом инфракрасное излучение попадает на пластину из фторида кальция (CaF) (или из фторида бария (BaF)) и проходит через эту пластину, т.к. она является прозрачной для инфракрасного излучения. При этом следует учесть, что слой оксида титана пропустит через себя и небольшую часть излучения с длинами волн, выходящими за диапазон (1,03-3,0) мкм. Прошедшее через оксид титана отселектированное инфракрасное излучение попадает на слой, нанесенный на другую сторону пластины, являющейся возвратным зеркалом 2 резонатора. Через этот слой алюминия или серебра пройдет только (0,1-1,0)% всего падающего на него отселектированного излучения, но поскольку в этом потоке излучение с длинами волн, выходящими за диапазон (1,03-3,0) мкм, составляет небольшую часть, то и эти длины волн будут сильно ослаблены и за слой серебра выйдет, практически, полностью отселектированное инфракрасное излучение, которое и попадет на вход измерителя мощности излучения 5. Это полностью отселектированное инфракрасное излучение попадает на вход измерителя мощности излучения 5, в котором осуществляется измерение мощности этого излучения и преобразование значения этой мощности в цифровую форму. Значение измеренной мощности отселектированного инфракрасного излучения по электрической связи передается на один из входов вычислительного блока 8, на другой вход которого поступают данные от блока питания 6, несущие сведения о величине импульсно-периодического напряжения, поступающего на электроды 4, установленные на концах газоразрядной трубки 1. Изменение величины импульсно-периодического напряжения, поступающего на электроды 4, сравнивается в вычислительном блоке 8 с изменением мощности отселектированного инфракрасного излучения, и когда будет установлено, что мощность отселектированного инфракрасного излучения перестает изменяться с увеличением импульсно-периодического напряжения, в вычислительном блоке 8 вырабатывается команда о прекращении увеличения импульсно-периодического напряжения, которая передается на вход блока управления 7, а блок управления 7, в свою очередь, стабилизирует работу высоковольтного блока питания импульсным электрическим током 6 на достигнутом уровне импульсно-периодического напряжения. В результате этого температура внутри газоразрядной трубки 1 стабилизируется и остается оптимальной для генерации излучения парами стронция. При этом точность поддержания этой температуры является высокой, т.к. попадающее в измеритель мощности излучения 5 излучение, практически, не содержит длин волн, выходящих за диапазон (1,03-3,0) мкм.
2
2
Не прошедшее через слой серебра или алюминия излучение отражается этим слоем в обратном направлении, проходит через пластины из фторида кальция (CaF) (или из фторида бария (ВаF), а затем и через слой оксида титана, нанесенный на эту же пластину, и попадает в объем газоразрядной трубки 1, содержащей пары стронция, и принимает участие в возбуждении генерации излучения этими парами.
Таким образом, в данном лазере обеспечивается высокая точность регулировки температуры внутри газоразрядной трубки 1 в автоматическом режиме при крайне низкой потере генерируемого излучения. В то же время в самом лазере отсутствует селектирующее устройство и исключен дополнительный оптический канал, что существенно упрощает конструкцию лазера.