АКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДВУХЧАСТОТНОГО He-Ne ЛАЗЕРА

Полезная модель относится к области квантовой электроники и может быть использована для создания активного элемента частотно-стабилизированного He-Ne лазера.
Известен активный элемент двухчастотного стабилизированного газового лазера, содержащий резонатор с внутренними зеркалами, размещенными в котировочных узлах из магнитного материала (а.э. ЛГН - 208), который помещается в продольное магнитное поле, созданное двумя поперечно намагниченными пластинами. Причем, это поле наложено на часть активной среды и на один юстировочный узел.
Такое конструктивное решение предназначено для получения разностной частоты излучения fp между двумя частотами, которые формируются благодаря эффекту Зеемана. Наложение магнитного поля на один юстировочный узел приводит к созданию в резонаторе дополнительной анизотропии, которая, в свою очередь, приводит к повышению разностной частоты и устойчивой линейной поляризации одной из составляющих лазерного излучения (см. пат. РФ №2035102, кл. H01S 3/13, опубл. 1995 г.).
Недостатком данного устройства является то, что из двух продольных мод, которые формируются на такой длине резонатора, используется одна продольная мода (частота) (ЛГН - 208 Lpeз=235 мм
на ширине контура (≈ 1500 МГц) умещаются две частоты). Эта частота имеет линейную поляризацию и в магнитном поле расщепляется на две, образуя разностную частоту. Таким образом, длина активного элемента используется не эффективно. Такую же мощность в 1 мВт можно получить с меньшей длины активного элемента, например при 135 мм. Кроме того, реализация технического решения, предложенного в аналоге, приведет к увеличению габаритов изделия и потере резонатором активного элемента фазовой анизотропии при снятии магнитного поля, т.к. оно налагается лишь в одной плоскости.
Известен так же активный элемент двухчастотного стабилизированного газового лазера с внутренними зеркалами, по крайней мере, одно из которых выполнено фазоанизотропным. Фазоанизотропное зеркало представляет собой подложку с нанесенными на нее несколькими диэлектрическими слоями. На поверхности подложки или одного из диэлектрических слоев расположен ряд параллельных пазов с шагом
где λ - длина волны излучения лазера, n - показатель преломления, на границе которого образован паз. Это позволяет создать необходимую фазовую анизотропию зеркала (см. авт. свид. СССР №1639375, кл. H01S 3/13, опубл. 1992 г.).
Недостатком данного устройства является относительно низкая мощность излучения, обусловленная потерями в пазах зеркала.
Наиболее близким по технической сущности является активный элемент двухчастотного стабилизированного лазера с внутренними зеркалами. Зеркала расположены в котировочных узлах из магнитного материала, намагниченного полем величиной 1≤Н≤50 мТ. Силовые линии магнитного поля ориентируют диполи молекул зеркала вдоль поперечного поля, которое создается на торцах котировочных узлов, что обеспечивает фазовую анизотропию зеркал без снижения мощности, (см. пат. РФ №2239266, кл. H01S 3/13, опубл. 2004 г.) - прототип
Недостатком данного устройства является недостаточная мощность на единицу длины активного элемента и неуправляемое значение фазовой анизотропии резонатора, которое не позволяет обеспечить устойчивую линейную поляризацию составляющих лазерного излучения, а также требуемое значение разностной частоты излучения в зеемановском лазере.
Задачи, на решение которых направлена данная полезная модель, состоят в создании активного элемента двухчастотного He-Ne лазера с устойчивой поляризацией, достигнутой созданием фазовой анизотропии зеркал, а также достижения в зеемановском лазере требуемого значения разностной частоты.
Технический результат может быть получен за счет выбора соотношения длины капилляра и длины резонатора. Выбранное соотношение длины капилляра N (длина активной среды) и длины резонатора L позволяет задать соотношение между коэффициентом усиления и потерями такой величины, при которой влияние зеркал станет наибольшим.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в известном активном элементе двухчастотного He-Ne лазера, содержащим разрядный капилляр, резонатор с двумя внутренними зеркалами, размещенными в юстировочных узлах, один из которых намагничен до магнитного поля напряженностью Н, находящейся в диапазоне 1≤: Н≤: 50 мТ, длина разрядного капилляра N и длина резонатора L находится в соотношении
Если активный элемент не помещен в магнитное поле, выполнение длины капилляра и длины резонатора в таком соотношении позволяет получить необходимое соотношение между коэффициентом усиления и дифракционными потерями, обеспечивающие устойчивую линейную поляризацию составляющих лазерного излучения (двух ортогонально поляризованных мод).
При помещении активного элемента в магнитное аксиальное поле для получения повышенной разностной частоты происходит снижение эффекта затягивания, что, в свою очередь, способствует получению надежного и воспроизводимого значения повышенной разностной частоты.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существующим признакам заявленной полезной модели, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле полезной модели. Следовательно, заявленная полезная модель соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.
Полезная модель поясняется чертежом. На фиг.1 изображена конструкция предлагаемого активного элемента. Активный элемент содержит разрядный капилляр (1), резонатор с двумя внутренними зеркалами (2), размещенными в юстировочных узлах (3), один из которых намагничен до 1≤Н≤50 мТ.
Устройство работает следующим образом. При включении активного элемента в лазере возникает генерация, которая под воздействием поля намагниченного юстировочного узла способствует созданию анизотропии в резонаторе. Коэффициент преломления для одной поляризации отличается от коэффициента преломления другой поляризации, так как коэффициент преломления зависит от длины волны (частоты). Если генерация возникла на одной частоте, то на другой, согласно закону сохранения энергии, должна существовать ортогональная поляризация. Однако, когда усиление слишком велико, все же возникает конкуренция между продольными модами (частотами). Для снижения эффекта конкуренции необходимо несколько снизить усиление. Для этого предлагается уменьшить длину активной среды. В то же время, чтобы не снизить мощность генерации и уменьшить дифракционные потери резонатора, предлагается соответственно уменьшить длину резонатора.
Таким образом, подбирая соотношение между длиной капилляра N и длиной резонатора L в пределах соотношения (1) можно получить устойчивую линейную поляризацию в двухчастотном активном элементе, содержащем в спектре излучения две ортогональные продольные моды. В тоже время, если в активном элементе использовать одну линейную поляризацию и наложить магнитное поле на активную среду дополнительно к намагниченному юстировочному узлу, то за счет соотношения (1) можно получить повышение разностной частоты из-за снижения эффекта затягивания.
Известно, что в результате эффекта затягивания оптические частоты, расположенные симметрично относительно центральной частоты контура приобретают сдвиг частоты при наличии активной среды в сторону центральной частоты. На фиг.2 показаны оптические частоты νl и ν2, расположенные симметрично относительно центральной частоты контура. Соответственно эти частоты равны
где Δφ - набег фазы при прохождении излучения в активной среде,
f - потери в резонаторе;
Δνс - ширина резонансной полосы пустого резонатора,
νc - резонансная частота резонатора без учета активной среды.
Тогда значение разностной частоты равно:
где ΔνD - полуширина доплеровского контура усиления;
ν0 - центральная частота контура усиления;
ν - текущая оптическая частота.
Из выражения (2) видно, что разностная частота линейно зависит от отношения усиления к потерям g(ν)/f. Подбирая оптимальным это соотношение, можно получить воспроизводимые повышенные значения разностной частоты.
Пример конкретного исполнения. В данном случае использовался активный элемент с длиной резонатора L=250 мм и длиной капилляра N=200 мм. На выходе активного элемента в спектре лазерного излучения должны быть две ортогональные поляризации (лазер ЛГН-303). Однако, в спектре излучения присутствуют две поляризации которые конкурируют между собой, что иллюстрируется на фиг.3 занимая различные участки спектра. Активный элемент с такими спектральными характеристиками не может быть использован в лазере, так как лазер стабилизируется по равенству интенсивностей Iσ=Iπ, при расположении их в контуре так, чтобы каждая поляризация занимала свою часть контура. При намагничивании одного из узлов до Н=30 мТ, а так же изменении длины капилляра до 160 мм, а длины резонатора до 220 мм, были получены устойчивые спектральные характеристики, пригодные для ЛГН-303.
Второй пример. Активный элемент с длиной резонатора 125 мм и длиной капилляра 73 мм при наложении магнитного поля обеспечил разностную частоту 4 МГц. Уменьшив длину резонатора до 115 мм, значение разностной частоты было увеличено до 5 МГц.
Приведенные примеры показывают, что заявленная полезная модель соответствует требованию «промышленная применяемость» по действующему законодательству.