ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ЛАЗЕР

Предлагаемое техническое решение относится к области лазерной техники и может быть использовано при конструировании и производстве газоразрядных лазеров (ГРЛ), в которых усиление уменьшается с ростом диаметра трубки, например, в He-Ne или Не-Хе лазерах.
Резонаторы большинства ГРЛ представляют систему из одного сферического и одного плоского зеркал (резонатор плоскость-сфера) для повышения устойчивости генерации. Модовый объем, ограниченный каустикой поля резонатора, сужается по мере приближения к плоскому зеркалу. В He-Ne лазере усиление растет с уменьшением радиуса трубки. Поэтому для получения максимального усиления, а значит и мощности излучения лазера, необходимо, чтобы контуры активного элемента повторяли каустику поля резонатора.
Известен лазер с цилиндрической разрядной трубкой, в которой использован катод, выполненный в виде полого цилиндра [Привалов В.Е. «Газоразрядные лазеры в измерительных комплексах» «Судостроение», Л., 1989, с. 54]. Недостатком такого лазера является пониженное усиление.
Известен лазер с газоразрядной трубкой, в которой для увеличения усиления и, следовательно, мощности излучения разрядный канал выполнен в виде конуса. [Автор, свид. № 213223, МПК H01S 3/08, опубл. 15.07.1974, БИ №26].
Поскольку в резонаторе плоскость-сфера радиус медового объема уменьшается по мере приближения к плоскому зеркалу, уменьшение радиуса трубки по мере приближения к плоскому зеркалу дает рост усиления, а значит и мощности излучения. В известном предложении усиление оказывается выше, чем в лазере с традиционной для ГРЛ цилиндрической трубкой. Недостатком такого лазера является высокая трудоемкость и сложность изготовления конической трубки.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является газоразрядный лазер с резонатором, состоящим из плоского и сферического зеркал, и комбинированной разрядной трубкой, включающей не менее двух цилиндрических секций разных радиусов [Привалов В.Е. // Электронная техника серия 3, 1971, №3 (23), с.29]. Радиусы и длины секций согласовываются с каустикой поля резонатора, т.е. рассчитываются по известным формулам из условия получения максимального для данной конструкции усиления.
Недостатком прототипа является то, что в секции самого большого радиуса, расположенной у сферического зеркала, радиус трубки по мере удаления от сферического зеркала все больше отличается от радиуса медового объема поля резонатора, а значит, усиление по мере продвижения излучения к плоскому зеркалу снижается.
Задачей предлагаемого технического решения является разработка простого в изготовлении газоразрядного лазера с повышенным усилением.
Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что аналогично прототипу газоразрядный лазер содержит резонатор, состоящий из плоского и сферического зеркал, и комбинированную разрядную трубку, включающую не менее двух цилиндрических секций разных радиусов. В отличие от прототипа, в секции, расположенной у сферического зеркала, размещен катод, форма которого приближена к каустике поля.
Катод может быть выполнен в виде усеченного конуса. Выполнение катода в виде усеченного конуса, приближенного к каустике поля, обеспечивает уменьшение радиуса разрядного промежутка, что ведет к росту усиления излучения лазера в данной секции.
Сущность предлагаемого решения иллюстрируется фиг.1, на которой изображен продольный разрез газоразрядного лазера, где 1 - сферическое зеркало, 2 - плоское зеркало, 3 - разрядная трубка, 4 и 5 - цилиндрические секции разрядной трубки, 6 - катод в виде усеченного конуса, расположенный в секции 5 большего радиуса, 7 - каустика поля резонатора (пунктир).
Газоразрядный лазер включает резонатор со сферическим зеркалом 1 и плоским зеркалом 2, и комбинированную разрядную трубку 3, содержащую две цилиндрические секции 4, 5 разных радиусов. В секции 5 расположен катод 6 в виде усеченного конуса. Поле резонатора, образованного сферическим 1 и плоским 2 зеркалами, локализовано в модовом объеме, ограниченном каустикой 7, причем форма катода 6 приближена к каустике 7. Выполнение катода 6 в форме конуса, приближенного к каустике поля, согласует профили разряда и поля резонатора и уменьшает радиус разряда по длине секции 5. Это ведет к увеличению усиления. Катод 6 изготавливается из металлов, например, из дюралюминия, которые поддаются штамповке, что заметно упрощает производство лазеров с повышенным усилением.
Газоразрядный лазер работает следующим образом. При возбуждении газового разряда в трубке 3, разряд становится активной средой. Фотон, испущенный возбужденным атомом газа в секции 5 в направлении плоского зеркала 2, индуцирует другие фотоны. В секции 5 эта группа фотонов, двигаясь в среде, численно растет. При плавном уменьшении радиуса катода 6 в соответствии с изменением каустики поля усиление нарастает за счет столкновений со стенками катода 6, поскольку стенки катода 6 ближе к оси разряда, чем стенки трубки 3. Столкновения уменьшают населенность уровня, на который переходят электроны с нижнего возбужденного состояния. Переходя в среду секции 4 с меньшим радиусом, где усиление еще больше, излучение нарастает, компенсируя потери. Лазер начинает излучать индуцированное излучение. В итоге предлагаемый лазер имеет большее усиление, чем прототип.