ЧАСТОТНО-СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР

Полезная модель относится к области технической физики и может быть использована для создания частотно-стабилизированных лазеров с повышенной стабильностью частоты для интерферометрии.
Известен частотно-стабилизированный лазер, содержащий активный элемент, двулучепреломляющую пластину, расположенную вне резонатора и систему обратной связи. В контуре обратной связи, имеющем два торцевых отражателя для получения генерации выходного пучка с двойной поляризацией имеется также расщепитель луча. Часть выходного пучка отклоняется расщепителем на призму Воллостона, где она делится на два пучка с разной поляризацией. Каждый из пучков направляется на оптический детектор. С выхода детектора амплитуды обоих пучков сравниваются компаратором, который вырабатывает сигнал ошибки, приводящий в действие элемент подстройки частоты, соединенный с зеркалом лазера (см. пат. США №3588726, кл. 331-94.5, опубл. 28.06.71 г.)
Недостатком этого устройства является наличие фазового элемента для получения двух ортогональных поляризаций. Это делает лазер нестабильным по мощности излучения и оптической частоте.
Известен газоразрядный частотно-стабилизированный лазер, содержащий активный элемент с внутренними зеркалами, излучающий две ортогонально поляризованные компоненты, призму-расщепитель луча, имеющую две грани с поляризационным покрытием, причем одна из граней пропускает горизонтальную поляризацию излучения и отражает вертикальную, а другая пропускает вертикальную и отражает горизонтальную поляризацию. С выхода призмы две составляющие излучения поступают на два фотоприемника, сигналы с которых сравниваются. (См. Seta Katuo, Iwasaki Shigeo, Frequency Stabilization of He-Ne laser unsign a thin film heater coated on the laser tube, - Оpt. Commun., 1985, vol.55, N5, p.367-369.)
Недостатком этого устройства является низкая стабильность частоты из-за влияния прямого и рассеянного отражения излучения, а также уход частоты из-за нестабильности оси диаграммы направленности.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является частотно-стабилизированный лазер, содержащий последовательно расположенные и оптически связанные активный элемент, двулучепреломляющую призму и систему фотоприемников, соединенную со входом системы АПЧ, выход которой подключен к элементу управления частотой, расположенному на боковой поверхности активного элемента. Двулучепреломляющая призма выполнена таким образом, что одна или обе торцевые грани наклонены к оси резонатора под углом α
необ.
необ.
об.
2
α=90°-arc sin h×n/λ×(n-n)sinν,
при этом, расстояние от наружной поверхности призмы до торца зеркала
l=L/(2n+1), где
L - длина резонатора;
n - 1, 2, 3...;
h - длина призмы;
необ
n - коэффициент преломления необыкновенного луча;
об
n - коэффициент преломления обыкновенного луча;
λ - длина волны излучения;
ν - угол между оптической осью призмы и осью активного элемента;
(См. РФ пат. 1407367, кл. H01S 3/13, опубл. 30.08.92 г. - прототип)
1
Недостатком прототипа является наличие паразитной засветки (шумов) на одной из площадок фотоприемника от другого (расщепленного) луча и наличие обратного отражения от площадок фотоприемника. Как показано на фиг.1a, при недостаточно большой длине призмы (≈20 мм), расстояние между двумя пучками не превышает (1,33 мм) (см. http\\.www.elan.spb.ru) расхождение пучков d=0,1h, 1,2-пучки излучения попадающие на площадки фотоприемника. (ФД-19К, четырех секторный). Площадки фотоприемника «а» и «b» имеют общий минус, а излучение лазера пучки «1» и «2» создают фототок соответственно на площадках «а» и «b», т.к. расхождение d пучков ограничивается длиной призмы и соответственно габаритами устройства, то при включении лазера на рабочей площадке «а» кроме полезного излучения от пучка «1» оказывается часть «паразитного» сигнала от пучка «2».
Задачей настоящей полезной модели является создание частотно-стабилизированного газового лазера с повышенной стабильностью частоты.
Технический результат достигается, за счет снижения шумовой засветки секторного фотоприемника, обеспечиваемой уменьшением диаметров лазерного пучка на поверхности фотоприемника и исключением эффекта обратного отражения от приемных площадок фотоприемника, за счет помещения между двулучепреломляющей
призмой-расщепителем и секторным фотоприемником, непрозрачного экрана (дно стакана) с двумя отверстиями.
Технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в известном частотно-стабилизированном газовом лазере, содержащем последовательно расположенные и оптически связанные активный элемент с внутренними выходным и глухим зеркалами, двулучепреломляющую призму и секторный фотоприемник, соединенный со входом системы автоматической подстройки частоты (АПЧ), выход которой подключен к элементу управления частотой, секторный фотоприемник расположен в полости непрозрачного стакана, приемной площадкой обращенный ко дну стакана, при этом дно стакана выполнено с двумя симметричными относительно центра отверстиями, каждое из которых соответствует одному сектору фотоприемника, а диаметр отверстий находится в пределах:
1,5 d≥D≥1,1d, где
d - диаметр луча со стороны глухого зеркала;
D - диаметр отверстий в дне полого стакана
Размещение секторного фотоприемника в полом непрозрачном стакане, дно которого служит непрозрачным экраном с двумя симметричными относительно центра отверстиями, позволяет повысить стабильность частоты, за счет снижения шумовой засветки фотоприемника, обеспечиваемой уменьшением диаметров лазерных пучков на поверхности секторов фотоприемника и исключением эффекта обратного отражения от приемных площадок фотоприемника.
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 изобретения.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.
На Фиг.1 а, б - показана схема попадания поляризованных пучков излучения на приемные площадки «а», «b» секторного фотоприемника: а - для прототипа, б - для заявляемой полезной модели.
На Фиг.2 схематически представлен общий вид частотно-стабилизированного лазера предлагаемой конструкции.
На Фиг.3 представлены схематично двулучепреломляющая призма и секторный фотоприемник, расположенный в полом стакане.
Приводим сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели. 1,2-пучки расщепленного лазерного излучения. Лазер содержит активный элемент 3 с внутренними зеркалами: выходным 4 и глухим 5, двулучепреломляющую призму-расщепитель луча 6, четырехсекторный фотоприемник 7, соединенный со входом системы АПЧ, выход которой подключен к элементу управления частотой, например, спираль нагревательного элемента 8. Четырехсекторный фотоприемник 7 расположен в полости непрозрачного стакана 9. Приемная площадка 10 секторного фотоприемника 7 обращена ко дну 11 стакана 9. Дно 11 стакана 9 служит непрозрачным экраном и выполнено с двумя симметричными относительно центра отверстиями 12, каждое из которых соответствует одному сектору фотоприемника 7.
Частотно-стабилизированный газовый лазер работает следующим образом:
При подаче напряжения поджига на электроды 4 и 5, которые одновременно являются юстировочными узлами, возникает электрический тлеющий разряд. В зависимости от длины и диаметра активного элемента величина напряжения горения составляет 800-1200 В - при поджиге 4 кВ, (длина активного элемента 125 мм), либо 1600-1800 В при напряжении поджига 12 кВ и диаметре разрядного промежутка 1,3 мм с допуском примерно 0,01 мм (фиг.2). При возникновении устойчивого тлеющего разряда возникает генерация в резонаторе с внутренними зеркалами 4, 5. Выходным излучением активного элемента будет служит излучение с выхода плоского зеркала, расположенного в юстировочном узле 4. На выходе глухого зеркала 5 расположена двулучепреломляющая призма 6, которая разделяет в пространстве излучение на две ортогональные поляризации. Каждая из поляризаций представляет собой луч, поступающий на фотоприемник 7, закрепленный в стакане 9, дно которого одновременно является непрозрачным экраном для всех лучей, кроме двух основных ортогонально поляризованных. Каждый из лучей представляет собой интенсивность света, которая на нагрузке фотоприемника 7 преобразуется в электрический сигнал. Для системы АПЧ разность этих электрических сигналов служит сигналом ошибки, а спираль 8 - управляющим элементом, подстраивающим длину резонатора по сигналу ошибки так, чтобы сигнал ошибки был равен нулю.
Важную роль играет диаметр каждого из симметрично расположенных относительно оптической оси активного элемента на дне стакана (экрана) отверстий. Поскольку по расчетам и измерениям известно, что диаметр пучка лазера не превышает 0,8 мм ±0,3 мм,
то соответственно диаметр отверстия на экране должен быть таким, чтобы не ограничивать луч. Кроме того, известно, что диаметр луча спадает по экспоненте вида
0
-x2
d=d·e
0
здесь d - диаметр пучка на выбранном уровне, например, 0,9,
х - координата луча
Тогда получается, что отверстия в дне стакана ограничат поступающий луч не до конца, а до какого-то уровня. Поэтому диаметр пучка выбираем несколько больше расчетного 1.1 d (d рассчитывается чаще всего по уровню 0,9) но меньше чем 2 диаметра пучка, иначе не получим - ограничение паразитных засветок. Расстояние между центрами отверстий экрана ΔL должно быть равно величине расхождения между пучками, которое определяется по формуле ΔL=L0,1, где L - длина двулучепреломляющей призмы, (http://www.elan.ru)
Таким образом, предлагаемая полезная модель лазера позволяет снизить уровень паразитных шумов и получить более высокие значения стабильности частоты и мощности излучения. Данная полезная модель может быть использована при разработке лазеров, применяемых в интерференционных устройствах.
Приведенный пример показывает, что заявленная полезная модель соответствует требованию «промышленная применимость по действующему законодательству».