2
ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ CO ЛАЗЕР

2
Полезная модель относится к области квантовой электроники, а именно к устройству для модуляции излучения газоразрядных отпаянных СО лазеров. Оно может быть использовано в технологии при резке и термообработке различных материалов, а также в медицине (лазерная хирургия) и метрологии (радиационная фототермия).
2
2
2
Известна модуляция излучения газоразрядных СО лазеров с помощью акустооптического модулятора (АОМ) [В.А.Елохин, И.Г.Жданов Методы модуляции излучения СО лазеров. Научное приборостроение, 2003, том 13, №3, с.49 [1]]. Такой СО лазер состоит из разрядной трубки, оптического резонатора, АОМ и блока питания АОМ. АОМ представляет собой оптически прозрачное вещество, в котором с помощью пьезоэлектрического преобразователя возбуждается ультразвуковая волна. Наличие волны приводит к тому, что вещество работает как фазовая решетка. При помещении ячейки в резонатор и приложении напряжения к преобразователю часть лазерного излучения будет дифрагировать на индуцированной фазовой решетке и выходить из резонатора. Если напряжение сделать достаточно большим, то потери могут привести к срыву генерации. Затем, снимая напряжение, мы можем получить короткий и мощный импульс. Недостатками таких модуляторов является: а) невысокая лучевая прочность материала АОМ; б) малый коэффициент пропускания АОМ.
2
Известна модуляция СО лазера с помощью электрооптического модулятора (ЭОП) [1, с.49-50]. В состав такого лазер входят разрядная трубка, оптический резонатор, поляризатор; ЭОМ и блок питания ЭОМ. Действие затворов этого типа основано на электрооптическом эффекте, называемом эффектом Поккельса. При приложении к ячейке напряжения в ней возникает двойное лучепреломление. При соответствующем напряжении происходит изменение поляризации излучения на некоторый угол, что приводит к дополнительным потерям и срыву генерации. Недостатками таких модуляторов является: а) сильная чувствительность к повреждениям; б) маленькая лучевая стойкость; в) высокое напряжение управление ОЭМ.
2
2
2
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является в СО лазер с частотно-импульсной модуляцией излучения, управляемой по разрядному току [1, с.46-48]. Такой СО лазер состоит из разрядной трубки, оптического резонатора и управляющего элемента, обеспечивающего формирования импульсов разрядного тока определенной длительности и частоты. Модуляция осуществляется за счет зависимости мощности излучения лазера от разрядного тока. Такое устройство лазера имеет ряд недостатков: а) управляющий элемент является высоковольтным, т.к. современные технологические отпаянные СО лазеры требуют большого значения анодного напряжения питания (20...50 кВ); б) для обеспечения поджига разряда требуется дополнительный инициирующий импульс напряжения в два раза превышающий значение напряжения питания лазера, при этом в разрядном промежутке возникают токовые шнуры, т.е. разряд становится неоднородным и нестационарным, возможны колебания когерентной мощности лазера; в) форма импульса излучения лазера будет сильно от прямоугольной из-за больших времен релаксационных процессов в плазме; г) погасание и повторное зажигание разряда с большой частотой будет снижать срок службы лазера из-за «стартовых потерь» [Т.Б.Фогельсон, Л.Н.Бреусова, Л.Н.Вагин Импульсные водородные тиратроны. М. Сов. радио, 1974, стр.117].
Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является упрощение устройства модулятора, улучшение формы импульса излучения лазера и увеличение срока его службы.
Техническим результатом является упрощение модулятора, снижение его стоимости, увеличение срока службы лазера.
2
Технический результат появляется за счет того, что в газоразрядном СО лазере, содержащем разрядную трубку, оптический резонатор и управляющий элемент, разрядная трубка помещается в воздушный зазор электромагнита, состоящего из электромагнитной катушки и магнитопровода, причем вектор индукции магнитного поля перпендикулярен оси разрядной трубки.
На фиг.1 представлена схема предлагаемого лазера.
2
Конструкция газоразрядного CO лазера содержит (см. фиг.1) разрядную трубку 1, которая помещена в зазор магнитопровода 2 электромагнита. Разрядная трубка 1 имеет глухое зеркало 3. Оптический резонатор лазера образуется двумя зеркалами: глухим зеркалом 3 и полупрозрачным (выходным) зеркалом 4. Электромагнит состоит из магнитопровода 2 и катушки 5.
Предлагаемый лазер работает следующим образом.
2
2
В отсутствии управляющего магнитного поля при включении постоянного напряжения питания в разрядной трубке 1 зажигается тлеющий разряд. Электроны в плазме, взаимодействуя с молекулами лазерной смеси газов, возбуждают верхние метастабильные уровни молекулы СО, обеспечивая инверсию населенности активной среды лазера. За счет индуцированных переходов возникают, когерентные кванты, эти кванты приводят к дополнительным индуцированным переходам. Плотность энергии когерентных квантов начинает нарастать. В соответствии с соотношением Эйнштейна вероятность индуцированных переходов тоже нарастает. Этот процесс носит прогрессивно нарастающий характер. В итоге лазер входит в квазистационарный режим, когда усиление когерентного излучения компенсирует выход когерентной мощности лазера и потери излучения в активной среде. При этом между зеркалами 3 и 4 оптического резонатора лазера устанавливается стоячая электромагнитная волна. Плотность энергии этой волны в поперечном по отношению к оси разряда направлению носит гауссов характер, т.е. она максимальна на оси разряда и спадает до нуля на стенках разрядной трубки 1. Примерно такое же распределение имеет плотность электронов плазмы и возбужденных молекул углекислого газа. Таким образом, эти распределения имеют одинаковый характер, что обеспечивает необходимую вероятность индуцированных переходов и нормальную работа лазера. При подаче напряжения на катушку 5 электромагнита в воздушном зазоре магнитопровода 2 возникает магнитное поле, вектор индукции которого перпендикулярен оси разрядной трубки 1. За счет силы Лоренца электроны плазмы устремляются к стеклянной стенке разрядной трубки 1 и заряжают ее до значительного отрицательного потенциала. Под действием этого потенциала ионы плазмы также устремляются к стенке и вся плазма плотно прижимается к одной стенке разрядной трубки 1. Распределение электронов и возбужденных молекул углекислого газа в плоскости, перпендикулярной оси разряда, начинает носить сугубо неоднородный характер: концентрация возбужденных молекул углекислого газа на оси равна нулю и максимальна у одной из стенки разрядной трубки. Распределение плотности энергии не может носить такой характер, так как в современных лазерах применяются сферические зеркала оптического резонатора и возникающие у стенки (вне оси резонатора) когерентные кванты будут в значительной мере теряться и не установят в резонаторе стационарной стоячей волны. Таким образом лазер прекращает генерировать когерентное излучение. Как показали эксперименты, поперечное магнитное поле слабо влияет на параметры плазмы и на значение анодного падения напряжения на разряде. Т.е. при магнитной модуляции мощности лазера разряд продолжает стационарно гореть с незначительными колебаниями значения анодного тока, что обеспечивает больший срок службы прибора. Сама схема питания модулирующей электромагнитной системы низковольтна, относительно проста и дешева по сравнению с существующими на сегодняшний день схемами модуляции излучения мощности CO лазеров.