Волноводный газовый лазер

 

ВОЛНОБОДНЫЙ ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР, ;содержащий волноводную разрядную трубку, заполненну1Э рабочей средой, оптический резонатор и внутрирезонаторный селектор линий генерации, отличающийся тем, что, с целью увеличения.мощности излучения на одной линии генерации за счет увеличения добротности резонатора, селектор линий генерации вьтолнен в виде нанесенного на всю площадь внутренней поверхности волноводной раз- . рядной трубки слоя селективного материала , относительная толщина которого h (h± 5) удовлетворяет условиюh N,j,.J/ChUAT.iii3- Угде h - абсолютная толщина материале селективного слоя} $ - максимально допустимая величина отклонения h; -длины волн выбранной линии генерации P(j) и подавляв- ; . мой линии генерации P(Ti:l) hc()- показатель преломления селективного материала на длинах волн и Д,; TTtt 1 целое число. оо ю со

СО1ОЭ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН юв 4 Н 01 8 3/098

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHQIVIV СВИДЕТЕЛЬСТВУ условию Q 1Ч

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21 ) 3351114/18-25 (22) 06.11.81 (46) 23.03.86. Бюл. Р 11 (71) Ордена Трудового. Красного Знамени институт радиотехники и электроники AH СССР (72) M.Е.- Жаботинский, В.В. Григорьянц и Б.А. Кузяков (53) 621.375 ° 8(088.8) (56) Degnan J.J. Waveguide lasers. . Appl. Phys. 1976, Ф 11, 1.

Лешенник Н.С. и др. Кристаллические отражатели в качестве селективных зеркал лазеров инфракрасного диапазона. — ИПС, 19?5, т. 22, в. 6, с. 1016-1019. (54)(57) ВОЛНОВОДНЫЙ ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР, .содержащий волноводную разрядную трубку, заполненную рабочей средой, оптический резонатор и внутрирезонаторный селектор линий генерации, отличающийся тем> что, с целью увеличения, мощности излуче„„SU;„, 1032977 A ния на одной линии генерации за счет . увеличения добротности резонатора, селектор линий генерации выполнен в виде нанесенного на всю площадь внутренней поверхности волноводной раз рядной трубки слоя селективного материала, относительная толщина которого

Ь = (Ь вЂ” о)/ДТ =i удовлетворяет где h — абсолютная толщина материала селективного слоя, 8 — максимально допустимая величина отклонения h;

A „, -длины волн выбранной линии генерации Р(Х) и подавляе-; мой линии генерации P(f 1 ), I

hc(h )-показатель преломления ceg ò1 лективного материала на длиИ т г 1

11„, — целое число.

1 1

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при конструировании газовых лазеров с селекцией инфракрасных переходов молекул или атомов газов, используемых в качестве активной среды:

СО, СО, Хе, ВС1» N 0, Не-Ne и т.д.

Известен волноводный газовый лазер, предназначенный для селекции колебательно-вращательных переходов, в котором селектор выполнен в виде дифракционной решетки с коэффициентом отражения 0,93.

Недостатками такого лазера являются низкий уровень выходной мощности, обусловленный значительными потерями, вносимыми дифракционным селектором, искажение структуры волно" вого фронта выходного излучения за счет неоднородности отражающей поверхности селектора. Полный коэффициент полезного действия такого лазера при генерации на линии Р(10) не превышает 2%.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является газовый лазер, содержащий волноводную разрядную трубку, заполненную рабочей средой, оптический резонатор и рнутрирезонаторный селектор линий генерации, причем селектором служат лазерные зеркала с селективным покрытием.

Известный газовый лазер имеет низкий уровень выходной мощности, вследствие относительно малого коэффициента отражения селективного зеркала, например для зеркала с покрытием Si0 максимум коэффициента отражения составляет 83%. Кроме того, недостаточна селективность резонатора, например в лазерах, в которых используются зеркала с покрытием.

SiC и 7iO, наименьшее число одновременно генерирующих линий составляет 2 и 5 соответственно.

Кроме того, используемые в настоящее время селективные зеркала имеют менее высокую оптическую прочность и меньшую долговечность вследствие высокой плотности мощности на лазерных зеркалах, что уменьшает надежность волноводного газового лазера в целом.

Целью изобретения является повышение мощности на одной линии генерации путем увеличения добротности резонатора.

032977 2

Указанная цель достигается тем, что в волнонодном газовом лазере, содержащем волноводнчо разрядную трубку, заполненную активной средой, 5 лазерный резонатор и внутрирезонаторный селектор линий генерации, указанный селектор выполнен в виде нанесенного на всю площадь внутренней поверхности волноводной разрядной трубки слоя селективного материала с относительной толщиной — (h 6 )/P, удовлетворяющей условию

1 где h — абсолютная толщина материа. ла селективного слоя, 8 — максимально допустимая ве20 личина отклонения ) ; + - длины волн выбранной линии генерации Р (7) и подавляе1 мой линии генерации Р(з+1)1

hc(P )-показатель преломления селективного материала на л ах волн h, и ) „;

N — целое число.

Если относительная величина 1 удовлетворяет условию 1, то на дли-

З0 не волны выбранной линии генерации выполняется условие антирезонанса, а на длине волны, ближайшей к выбранной линии, выполняется условие резонанса.

Математическое выражение условия антирезонанса, полученное на основе решения электродинамической saдачи для волн Бриллюэна, проходящих в волноводном канале, имеет вид

40 ь/и =(и ° i){6 cr",(A >) -з), с )

При выполнении условия 2 война с длиной проходит по волноводно45 му каналу с наименьшими потерями.

Условие резонанса, полученное аналогично выражению 2,имеет вид:

Объединив условия 3 и 2, получим ранее приведенное условие 1.

На чертеже показана конструкция предложенного лазера. Он содержит

55 резонатор, состоящий из глухого зеркала 1, выходного лазерного зеркала 2, волноводную газораэрядную трубку 3, в которой установлены элек1032

40

50

3 троды 4. На внутреннюю поверхность волноводной трубки 3 нанесен селектор линий генерации, выполненный в виде слоя селективного материала 5, который совместно с материалом труб5 ки 3 образует стенку волноводного канала 6.

Волноводный газовый лазер работает следующим образом. К электродам 4 прикладывается напряжение от источника постоянного тока и создается продольный тлеющий разряд в газовой активной среде, заполняющей волноводный канал б, который обеспечивает создание инверсной заселенности колебательно-вращательных уровней активной среды. Возникающие в активной среде фотоны циркулируют в волноводном канале 6 за счет отражения от лазерных зеркал 1 и 2 и от стенок волволноводного канала. При выполнении условия превышения полного усиления активной среды над потерями лазерного резонатора часть фотонов, участвующих в генерации, покидает резонатор и выходят через выходное зеркало 2 резонатора, образуя выходное излучение. Селекция колебательно-вращательных переходов осуществляется за счет взаимодействия потока фотонов с селектором, выполненного в ви30 де слоя селективного материала 5, нанесенных на внутреннюю поверхность волноводного канала 6. Выполнение селектора инфракрасных переходов молекул активной среды в виде слоя селективного материала относительной

I толщины h, нанесенного на внутреннюю поверхность волноводного канала, позволяет получить генерацию на одной выбранной линии.

Толщина слоя селективного материала выбирается так, чтобы отличаться от резонансной величины для выбранной длины волны генерации лазера. В то же время для линии генерации, ближайшей к выбранной, толщина селективного материала является резонансной, т.е. толщина равна целому числу Д/4 (3 — длина волны излучения). При такой толщине селективного покрытия волноводный канал в соответствии с законом распространения волн Бриллюэна в волноводном канале обладает небольшими потерями на длине волны $ „, блиЗ 1 жайшей к выбранной длине волны генерации лазера.

977 4

Это дает возможность использовать лазерные зеркала с большим коэффициентом отражения, что повышает добротность резонатора и обеспечивает увеличение мощности выходного излучения.

Кроме того, предлагаемое устройство обладает большей избирательностью, лучевой прочностью и надежностью за счет значительного увеличения площади поверхности и времени взаимодействия потока фотонов с селективным материалом, так как -в волноводном лазере значительная часть фотонов, образующих выходное излучение, испытывает многократные переотражения не только от лазерных зер-. кал, но и от стенок волноводного канала, вместе с тем мощность лазерного излучения на поверхности селектора линий генерации меньше плотности мощности излучения на лазерных зеркалах.

В качестве селективных материалов, например, для волноводного СО,— лазера могут использоваться такие материалы, как SiC, Si0, TiO и с2 Ъ т.д. Подбирая тот или иной материал, можно обеспечить требуемую частоту генерации волноводного лазера.

Для изготовления лазера, показанного на чертеже, в керамических пластинах, образующих волноводную разрядную трубку, фрезеруют продольные пазы и на поверхность каждой пластины со стороны паза наносят слой селективного материала 5. Нанесение селективного материала на поверхность паза можно осуществить одним из известных способов, например вакуумным или катодным напылением, пиролизом или нанести из расплава и т.д.

Волноводная трубка может быть изготовлена из различных конструкционных материалов, таких как молибденовое стекло, кварц, керамика ВеО, керамика BN, А1 0, а также на основе структуры металл — диэлектрик, в которой в качестве подложки могут использоваться медь, алюминий, бронза, нержавеющая сталь, алюминий и другие металлы и сплавы, а в качестве диэлектрика — слой селективного материала. При заполнении волноводной трубки из структуры металл — диэлектрик к селективному материалу добавляются требования высокой диэлектрической прочности в усповиях

1032977

Редактор О. Кузнецова Техред И.Верес Корректор А. Тяско

Заказ 1338/3 Тираж 597 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 непосредственного контакта с плазмой газового разряда и требование хорошей адгезии к материалу подложки.

В случае применения диэлектрического материала для изготовления волновода селективное покрытие можно наносить не на всю площадь внутренней поверхности волноводной трубки, а на некоторую ее часть.

Форма поперечного сечения волноводной. разрядной трубки может быть любой: круглой, квадратной, прямоугольной, треугольной, эллиптической и т.д.

Волноводная гаэоразрядная трубка, на внутреннюю поверхность которой наносится слой селективного материала, может быть выполнена из нескольких отдельных пластин. Волноводную трубку прямоугольного сечения можно изготовить иэ четырех отдельных пластин, соединенных вместе тем или иным способом. При использовании двух пластин, по крайней мере, на одной иэ них необходимо выполнить продольный паз заданного профиля для создания волноводной трубки.

Для соединения пластин, образующих волноводную трубку, можно использовать разнообразные клеевые— соединения, а при наличии внешней, о по отношению к волноводной гаэоразрядной трубке, вакуумно плотной оболочки волноводного лазера пластины можно механически соединить несколькими стяжками.

В связи с использованием нанесенного на всю площадь внутренней поверхности волноводной разрядной трубки слоя селективного материала определенной толщины появляется возможно ность реализовать мощность генерации на одной линии вследствие более высокой мощности генерации эа счет уменьшения внутрирезонаторных потерь °