АКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА

Предлагаемое техническое решение относится к области лазерной техники и может быть использовано при конструировании и производстве газовых лазеров (ГЛ), в которых усиление уменьшается с ростом диаметра активного элемента, например, в He-Ne или Не-Хе лазерах.
Известен газоразрядный прибор, в том числе и лазер, состоящий из катода, анода, рабочего объема и балластного резервуара с запасом газовой смеси, в котором рабочий объем соединен с балластным резервуаром при помощи разрядного канала, а в балластном резервуаре помещен дополнительный анод (Авторское свидетельство №232393, МПК H01J, опубл. БИ №1, 1969). Недостатком прибора является невозможность повышения усиления излучения, т.к. балластный резервуар предназначен для стабилизации давления и на усиление не влияет.
Известен активный элемент газового лазера, содержащий рабочий объем с основными электродами и балластный резервуар, в котором расположен дополнительный электрод, а балластный резервуар соединен с рабочим объемом со стороны основного электрода, имеющего одинаковую полярность с дополнительным электродом (Авторское свидетельство №1099806, МПК H01S 3/036, опубликован 27.04.1998). Недостатком прибора является невозможность повышения усиления излучения.
Известен активный элемент газового лазера треугольного поперечного сечения, состоящий из корпуса с рабочим объемом, наполненным рабочим газом (Привалов В.Е., Юдин С.Ф. Вестник СПб отделения Академии инженерных наук России им. А.М.Прохорова 2007, №3. с.34). Указанный активный элемент имеет примерно на 10% большее усиление, чем активный элемент с рабочим объемом цилиндрической формы. Недостатком данного активного элемента является недостаточное усиление.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является активный элемент газового лазера, состоящий из корпуса с рабочим объемом цилиндрической формы, наполненным рабочим газом (Привалов В.Е. «Газоразрядные лазеры в измерительных комплексах» «Судостроение», Л., 1989, с.54). Указанный активный элемент является наиболее распространенным в He-Ne и Не-Хе лазерах. Недостатком данного активного элемента является пониженное усиление.
Задачей предлагаемого технического решения является разработка активного элемента газового лазера с повышенным усилением.
Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что аналогично прототипу активный элемент газового лазера содержит рабочий объем, заключенный в корпус. В отличие от прототипа, активный элемент газового лазера содержит дополнительные балластные резервуары, сообщающиеся с основным рабочим объемом так, чтобы в них не мог возникнуть разряд.
Активный элемент газового лазера может содержать рабочий объем цилиндрической формы или иметь, например, треугольное поперечное сечение.
При изготовлении корпуса из стеклокристаллического материала (ситалла) заданной толщины балластные резервуары могут быть выполнены в толще корпуса.
При выполнении активного элемента газового лазера с балластными резервуарами увеличивается усиление лазера за счет перехода невозбужденных атомов из резервуаров в рабочий объем под действием градиента концентрации, возникающего при горении разряда. В результате на границе рабочего объема в местах соединения с балластными резервуарами концентрация атомов становится отличной от нуля. Расчеты, проведенные по методике, приведенной в работах [Привалов В.Е., Фридрихов С.А. // УФН 1969, том. 97, №3, с.377, Привалов В.Е., Юдин С.Ф. // ЖПС 1975, т.22, №1, с.42], показывают, что при наличии балластных резервуаров усиление в предлагаемом активном элементе превышает усиление известного активного элемента в связи с не нулевыми граничными условиями. При этом в случае выполнения рабочего объема с треугольным поперечным сечением не нулевые граничные условия дополнительно реализуются вне области разряда (в углах треугольника), поэтому усиление еще более возрастает.
При этом размер и форма балластного резервуара могут быть оптимизированы по усилению, поскольку могут обеспечивать различное количество невозбужденных атомов, достаточное для уменьшения в рабочем объеме населенности нижнего рабочего уровня атома в активной среде.
Сущность предлагаемого решения иллюстрируется графическими материалами, на которых изображены:
- на фиг.1 - поперечный разрез активного элемента газового лазера с рабочим объемом цилиндрической формы, где 1 - рабочий объем, 2 - балластные резервуары, 3 - корпус, например, из ситалла, в котором выполнены рабочий объем 1 и резервуары 2;
- на фиг.2 - поперечный разрез активного элемента газового лазера, корпус 3 которого выполнен в виде стеклянной цилиндрической трубки, а балластные резервуары 2 припаяны к корпусу 3.
- на фиг.3 - поперечный разрез активного элемента газового лазера с рабочим объемом треугольного сечения, где 4 - ориентировочные границы разряда в поперечном сечении (пунктир).
Активный элемент газового лазера включает корпус 3 с рабочим объемом 1 и балластные резервуары 2, сообщающиеся с рабочим объемом 1 так, что горение разряда в них невозможно (фиг.1-3). Для предотвращения возможности возникновения разряда в балластных резервуарах 2, связь балластного резервуара 2 с рабочим объемом 1 может осуществляться через узкие отверстия и/или протяженные каналы между ними (фиг.1, 2). А в случае выполнения рабочего объема с поперечным сечением в виде треугольника - балластные резервуары 2 не должны касаться границы разряда 4 (фиг.3). Корпус 3 может быть изготовлен из стеклокристаллического материала (ситалла). Заданная прочностными характеристиками и габаритными размерами толщина корпуса 3 может позволить выполнить балластные резервуары 2 в толще корпуса 3, а узкий канал - выполнить фрезой в корпусе 3 (фиг.1, 3). При этом можно не увеличивать габариты активного элемента. Корпус 3 может быть выполнен в виде стеклянной цилиндрической (фиг.2) или треугольной трубки, к которой через узкие отверстия припаивают балластные резервуары 2.
Балластные резервуары 2 могут иметь различную форму в поперечном сечении: треугольную, многоугольную, круглую, эллиптическую и т.д. Количество резервуаров 2 может быть различным в зависимости от их формы. Для каждой формы могут быть подобраны оптимальные размеры. Форма балластного резервуара 2 может быть выбрана, исходя из технологической оснастки, имеющейся у изготовителя.
Активный элемент газового лазера работает следующим образом. При возбуждении газового разряда в рабочем объеме 1 разряд становится активной средой. Фотон, испущенный возбужденным атомом газа вблизи оси рабочего объема вдоль оси резонатора газового лазера, индуцирует другие фотоны. Т.е. излучение усиливается. Одновременно идет диффузия возбужденных атомов в радиальном направлении. Сталкиваясь со стенками рабочего объема 1, атомы, возбужденные в нижнее рабочее состояние, возвращаются в основное состояние, обеспечивая дополнительное усиление излучения. Поскольку в балластных резервуарах 2 находятся, в основном, невозбужденные атомы, происходит диффузия из них в рабочий объем 1 дополнительного количества атомов, находящихся в основном состоянии. В процессе диффузии невозбужденные атомы переходят в область разряда, а на их место из разряда диффундируют возбужденные в нижнее рабочее состояние атомы, сохраняя давление газа в рабочем объеме постоянным. В итоге в рабочем объеме оказывается меньшее количество атомов в нижнем возбужденном состоянии, а значит и большая инверсия населенностей, т.е. растет усиление.
Таким образом, предлагаемый активный элемент газового лазера имеет коэффициент усиления больший, чем активный элемент газового лазера, взятый за прототип.