ОДНОМОДОВЫЙ СО2 ЛАЗЕР С ВЧ-ВОЗБУЖДЕНИЕМ

2
Полезная модель относится к квантовой электронике и может быть использована при производстве одномодовых CO лазеров с ВЧ-возбуждением.
Известна конструкция газового лазера с ВЧ-возбуждением, содержащего разрядный канал, сформированный с двух противоположных сторон электродами, а с двух других сторон диэлектрическими пластинами, расположенными на противоположных внутренних кронштейнах, составляющих единое целое с оболочкой лазера, и зеркала (см. пат. США №4493087, кл. 372/64, опубл. 8.01.85 г.).
Недостатком данной конструкции является неэффективное охлаждение разрядного канала. Это связано с тем, что тепловая энергия, выделяемая плазмой газового разряда, отводится через изолирующие диэлектрические пластины по протяженным узким внутренним кронштейнам на цилиндрическую оболочку. Неэффективное охлаждение стенок разрядного канала приводит к уменьшению мощности излучения и КПД лазера.
Другим недостатком данной конструкции является низкая надежность при воздействиях механических факторов на лазер. Это объясняется тем, что детали разрядной структуры (керамические пластины и электроды) зафиксированы между узкими протяженными внутренними кронштейнами и при механическом воздействии (удары, вибрации) в горизонтальном направлении может произойти смещение деталей разрядной структуры.
Известна конструкция волноводного газового лазера с ВЧ-возбуждением, со складным П-образным резонатором, содержащая два крайних и один центральный ВЧ-электроды, два канала, каждый из которых ограничен с двух противоположных сторон ВЧ-электродами, а с двух других сторон диэлектрическими пластинами, и четыре зеркала, два из которых поворотные, а два - светоделительное и высоко отражающее (см. пат. РФ 1572369, кл. H01S 3/097, опубл. 1994 г.).
Данная конструкция компактна, симметрична, устойчива к механоклиматическим воздействиям, исключает перемещение разрядных каналов. Однако, наряду с достоинствами, известный лазер обладает рядом недостатков: низкий КПД и сложность получения и поддержания в процессе работы одномодового режима работы.
00
Наличие указанных недостатков объясняется присутствием в волноводных лазерах со складным П-образным резонатором поворотных зеркал, что неизбежно приводит к потерям на согласование при формировании пучка лазерного излучения в промежутке между двумя волноводными каналами. Чем длиннее этот участок, тем меньше лазерного излучения будет поступать из одного канала в другой. Кроме того, в процессе изготовления, излучатель лазера подвергается термической обработке, в процессе которой происходит разъюстировка поворотных зеркал, что в свою очередь приводит к увеличению потерь на согласование, и следовательно не обеспечивает достижение одномодового режима генерации ТЕМ в лазере с гауссовским распределением электромагнитного поля. Это приводит к одновременному появлению в спектре лазерного излучения дополнительных частот при изменении длины резонатора в процессе разогрева конструктивных (в том числе оптических) элементов резонатора, что не допустимо для одномодовых лазеров в процессе их применения в схемах измерений, использующих принцип гетеродинирования опорного и исследуемого сигналов излучения.
2
Наиболее близкой по технической сущности является конструкция волноводного CO лазера с ВЧ-возбуждением. Лазер содержит разрядный канал с активной средой и парой удлиненных параллельных электродов, помещенных в резонатор, состоящий из двух отражателей - плоских зеркал, одно из которых высокоотражающее, а второе светоделительное (выходное зеркало), установленных на противоположных торцах резонатора, и канал с дополнительным объемом рабочего газа. (см. патент РФ 2244367 опубл. 2005 г.) - прототип.
00
Однако, переход к «линейной» конструкции в данном исполнении приводит к уменьшению длины резонатора, размещению оптических элементов - зеркал вблизи входа - выхода волновода (каким является разрядная структура лазера), а, следовательно, к снижению потерь на согласование продольных мод более высокого порядка. В лазере такой конструкции не обеспечивается уверенное достижение одномодового режима генерации ТЕМ с гауссовским распределением электромагнитного поля лазерного излучения. Это в свою очередь, приводит к одновременному появлению в спектре лазерного излучения дополнительных частот, что не допустимо для одномодовых лазеров при их применении в схемах измерений, использующих принцип гетеродинирования опорного и исследуемого сигналов излучения.
2
00
Задача данной полезной модели заключается в создании конструкции CO лазера с ВЧ возбуждением, с гауссовским распределением электромагнитного поля лазерного излучения, то есть излучающего в одномодовом режиме генерации ТЕМ на одной продольной частоте, надежной и стабильной конструкции.
2
1
2
Технический результат будет получен в известной конструкции волноводного CO лазера с ВЧ-возбуждением, содержащей разрядный канал с активной средой и парой удлиненных параллельных электродов, помещенных в резонатор, состоящий из двух отражателей - плоских зеркал, одно из которых высокоотражающее, а второе светоделительное (выходное зеркало), установленных на противоположных торцах резонатора, отличающийся тем, что в разрядном канале на оси оптического резонатора между зеркалами выходные отверстия разрядного канала длиной L ограничены идентичными диафрагмами D и D, толщиной которых можно пренебречь.
Размер отверстий диафрагм выбирается из условия:
где d - сторона квадратного отверстия или диаметр круглого отверстия диафрагмы;
b и с - поперечные размеры разрядного канала;
1
2
1
2
Отражатели - зеркала З и З размещены на расстояниях ΔL и ΔL от диафрагм, расположенных на соответственно ближних от них концах разрядного канала, выбираемых из условия:
при этом максимальное значение мощности достигается, когда:
1
2
1
2
2
2
1
1
За счет введения двух диафрагм излучение, зародившееся в торце разрядного канала - волновода распространяется в телесном угле, образованном поверхностью конуса, вершиной которого является центр одного торца волновода, а основанием - другой торец волновода, при этом активная среда излучает запасенную энергию преимущественно в телесный угол α в двух противоположных направлениях [1, 2]. Диафрагмы обеспечивают возврат в резонаторе на торцы волноводного канала (на ограничивающие диафрагмы D и D) излучения, отраженного от плоских зеркал резонатора, соответствующего только одному центральному дифракционному максимуму. Излучение, зародившееся в торце разрядного канала, в плоскости диафрагмы D, пройдя через усиливающую среду возбуждаемую ВЧ разрядом в волноводе, отражается от зеркала З и попадает на противоположный торец разрядного канала - на плоскость диафрагмы D. Также излучение, зародившееся в торце разрядного канала - волновода в плоскости диафрагмы D, пройдя через усиливающую среду возбуждаемую ВЧ разрядом в волноводе отражается от зеркала З и попадает на противоположный торец разрядного канала - волновода (на плоскость диафрагмы D). При этом расстояние между двумя соседними дифракционными минимумами Δx [3] на противоположных торцах разрядного канала - волновода после отражения от прилегающих к ним зеркал должно быть соответственно:
2,1
00
где d=d - сторона квадратного отверстия диафрагмы, или диаметр для круглого отверстия диафрагмы. Тем самым обеспечивается наилучшее согласование (сшивка) в резонаторе моды электромагнитного излучения свободного пространства ТЕМ, формирующейся между зеркалами резонатора и торцами разрядного канала - волновода, и модой распространяющейся в разрядном канале - волноводе (между двумя торцами).
1
2
2
2
1
1
2
Если длина оптического пути: диафрагма D - экран (зеркало) З - диафрагма D, а также, соответственно, длина оптического пути: диафрагма D - экран (зеркало) З - диафрагма D, больше расстояния, условно принимаемого за границу между областями френелевой и фраунгоферовой дифракционными картинами, равного πd/4λ [2], то требование (4) может быть уверенно выполнено в том случае, если выполняется равенство (2):
1
2
2
L+ΔL+ΔL≥d/λ,
1
2
1
1
2
2
1
2
1
2
здесь: L - расстояние между торцами разрядного канала - волновода с диафрагмами D и D (с поперечными размерами квадратных отверстий d×d и d×d или с диаметрами круглых отверстий d и d соответственно, при этом d=d=d);
λ - длина волны лазерного излучения;
1
2
1
2
1
2
ΔL и ΔL - расстояния между торцами разрядного канала - волновода с диафрагмами D, D и зеркалами З и З, соответственно.
При этом максимальное значение мощности достигается, когда обеспечивается соотношение (3):
1
2
2
ΔL=ΔL=(d/λ-L)/2.
00
Выполнение этих требований позволяет создать одноканальную «линейную» конструкцию лазера с одномодовым режимом генерации (ТЕМ) с гауссовским распределением электромагнитного поля лазерного излучения на одной частоте, надежную и стабильную, с высоким КПД, с более простой технологией изготовления и меньшей стоимостью.
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 существенным признакам заявленной полезной модели, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков, изложенных в формуле полезной модели.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.
Полезная модель поясняется рисунком (фиг. 1).
На фиг. 1 представлена схема полезной модели одномодового лазера, а также изображение распространения излучения в этой конструкции.
1
2
Э, Э - электроды высокочастотного емкостного разряда, между которыми расположена активная среда;
1
З - «глухое» зеркало или дифракционная решетка,
2
З - зеркало с частичным пропусканием (выходное зеркало);
1
2
1
2
D и D - диафрагмы с отверстиями d=d=d, где d - сторона квадратного отверстия или диаметр круглого отверстия диафрагмы;
b и c - поперечные размеры разрядного канала;
1
2
Зеркала с плоскими отражающими поверхностями размещены на расстояниях ΔL и ΔL от диафрагм, расположенных на соответственно ближних от них концах разрядного канала.
Внутри резонатора с плоскими зеркалами распространяется приближенно плоская монохроматическая волна вдоль оси резонатора в конусе с углом при вершине:
в одном направлении, и в противоположном направлении с углом при вершине:
Принимая во внимание, что пучок лазерного излучения внутри резонатора является параксиальным [4], то тип дифракции можно отнести к дифракции Фраунгофера при условии:
1
В этом случае при дифракции излучения, прошедшего через диафрагму размером d, на экране, расположенном на расстоянии  от диафрагмы наблюдается распределение интенсивности I результирующих колебаний электромагнитного поля, при этом максимумы и минимумы интенсивности периодически чередуются. Распределение амплитуды электромагнитной волны, прошедшей через диафрагму, обладает осевой симметрией, а ее центральная зона распределения энергии описывается функцией Гаусса. Величина вторичных максимумов быстро убывает. Максимум интенсивности I соответствует центральной зоне (х=0) и определяется нулевой оптической разностью хода интерферирующих волн, исходящих от крайних точек диафрагмы D до экрана, а минимумы соответствуют оптической разности хода λ/2. При этом расстояние между соседними минимумами (пространственный период интерференционной картины) равно Δх.
2
1
2
1
1
2
00
Если экраном является зеркало З(З) и на пути отраженной волны установлена диафрагма D(D), причем Δх≥d, то в этом случае в активную среду, при размещении ее между диафрагмами D и D, возвращается только волна, соответствующая центру дифракционной картины, которая и определяет одномодовый режим генерации ТЕМ лазера с гауссовским распределением электромагнитного поля лазерного излучения. Условие (4), обеспечивается в случае выполнения равенства (2), при этом максимальное значение мощности достигается, когда выполняется равенство (3).
00
1
2
2
1
2,1
1
2
Таким образом, уверенное обеспечение одномодового режима генерации ТЕМ в лазере с гауссовским распределением электромагнитного поля лазерного излучения достигается тем, что в резонаторе на торцы волноводного канала (на ограничивающие диафрагмы D и D) возвращается излучение отраженное от плоских зеркал З и З соответствующее только одному центральному максимуму распределения интенсивности, т.е. расстояние между двумя соседними минимумами распределения интенсивности на противоположных концах разрядного канала - волновода после отражения излучения от прилегающих к ним зеркал удовлетворяет требованию Δх≥d, что обеспечивается выполнением условия (2). Выбор размера отверстий на торцах волноводного канала (ограничивающих диафрагм D и D) из условия (1) позволяет снизить требования к точности выполнения поперечных размеров, степени обработки и прямолинейности разрядного канала.
Пример конкретной реализации полезной модели.
2
2
2
Одномодовый лазер типа ЛГН-806 содержит активный элемент, включающий в себя разрядный канал с активной средой и парой удлиненных параллельных электродов, помещенный в резонатор, состоящий из двух отражателей-зеркал с плоскими отражающими поверхностями, один из которых с высоким коэффициентом отражения (дифракционная решетка), второй с частичным пропусканием (выходное зеркало). Активная среда (рабочая смесь CO:N:He:Xe) возбуждается ВЧ-емкостным разрядом. Геометрические размеры разрядного канала: сечение разрядного канала - 2,2×2,2 (мм), длина разрядного канала - 408 мм. Отражатели-зеркала размешены на расстояниях 36 мм от входных отверстий разрядного канала.
00
Такая конструкция обеспечивает выходную мощность лазерного излучения ≥ 10 Вт при одномодовом режиме генерации ТЕМ с гауссовским распределением электромагнитного поля лазерного излучения и стабильными параметрами лазерного излучения в процессе работы и при механических и климатических воздействиях, о чем свидетельствует присутствие только одной рабочей частоты при отстройке длины резонатора в пределах нескольких десятков λ/2.
Предлагаемая конструкция одномодового лазера, обеспечивает:
00
- высокую воспроизводимость при достижении одномодового режима генерации ТЕМ с гауссовским распределением электромагнитного поля лазерного излучения;
- возможность снижения требований к точности выполнения поперечных размеров разрядного канала;
- снижение требований к разрядному каналу по прямолинейности и по степени обработки;
- оптимизацию размеров и положений размещения конструктивных элементов лазера расчетным путем;
- увеличение выходной мощности лазерного излучения;
- стабильность параметров лазерного излучения в процессе работы при механических и климатических воздействиях.
Приведенный пример показывает, что заявленная полезная модель соответствует требованию «промышленная применимость» по действующему законодательству.
Используемая литература:
1. Звелто О., «Принципы лазеров», Санкт-Петербург, ООО «Лань», 2007 (стр. 91-92).
2. Ландсберг Г.С., «Оптика», М., 1976 (стр. 150-155, стр. 184-191).
3. Бутиков Е.И. Оптика: Учеб. Пособие для вузов /Под ред. Н.И. Калитеевского. - М.: Высш. шк., 1986 (стр. 202-205).
4. Климков Ю.М. Прикладная лазерная оптика. - М.: Машиностроение, 1985 (стр. 4-7).