Способ формирования кольцеобразного лазерного излучения и лазерное устройство для его осуществления

 

Использование: при выполнении необходимых соотношений между толщиной стенки и диаметром трубы из равномерно и непрерывно возбуждаемого активного материала получают резонирующее только на одной продольной моде ТЕМ_oo электромагнитное поле, излучение которого обладает уменьшенной расходимостью и более равномерным распределением мощности в площади кольца. Применяя пассивную фильтрацию резонирующего электромагнитного поля, получают излучение наиболее чистого заданного цвета. Собирая концентрически вложенные друг в друга резонаторы, трубчатые лампы накачки, экраны и слои охлаждения в корпусе единого цилиндра, получают компактное дешевое многоцветное многофункциональное управляемое лазерное устройство. 2 с. и 15 з.п. ф-лы, 7 ил., 2 табл.

Изобретение относится к квантовой электронике и позволяет проектировать и изготовлять по электровакуумной технологии дешевые и компактные одно- и многоцветные лазеры, которые могут быть применены в хромометрии, при измерении характеристик оптических активных материалов, в зрелищной и рекламной области, в многоканальных (многоцветных) измерительных системах кольцевых лазерах, системах идентификации, а также производствах, использующих термическую обработку материалов.

Известна эффективная система для охлаждения твердотельного активного материала и его накачки [1] В качестве активного материала применяется стекло, которое имеет форму тонкостенного полого цилиндра. Внутри цилиндра расположена импульсная лампа накачки и система охлаждения, обеспечивающая отвод тепла от активного материала и лампы накачки. Благодаря этому удалось повысить частоту накачки от импульсной газосветной ксеноновой лампы с 0,1 до 1 Гц.

Недостатки этого изобретения заключаются в использовании импульсного возбуждающего поля для накачки активного материала. Это может приводить к излучению лазера на продольных модах высшего, по сравнению с ТЕМ₀₀, порядка. При разряде высоковольтного напряжения, подведенного от высоковольтного источника к одному из электродов лампы, ее второй электрод при каждом разрядном импульсе будет формировать случайно расположенный неаксиально продольной оси лампы нестационарный шнур разрядного тока. Это приведет к неравномерному возбуждению частей цилиндра из активного материала как в осевом направлении, так и по окружности. Благодаря этому, в излучении лазера будут присутствовать, кроме ТЕМ₀₀, различные продольные и поперечные моды.

Поскольку в [1] нет информации о величинах диаметров (как и их отношении), тонкостенного полого цилиндра из активного материала, то могут возникнуть большие дифракционные потери в резонаторе этого лазера. При этом помимо перечисленных недостатков упадет и КПД лазера.

Известен мощный лазер на красителях с кольцевым активным элементом, возбуждаемым изнутри [2] Было разработано три варианта лазера, два из которых были испытаны. Накачка лазеров осуществлялась с помощью набора от 15 до 40 штук ламп ИНП-7/240 и ИНП-7/580, вспышка которых достигалась при разряде через них заранее заряженных до 50 кВ конденсаторов емкостью 3 мкФ каждый. Активный материал этанольный раствор родамина 6 G был залит в полые стенки полого цилиндра, являвшегося кюветой. Как указывают авторы доклада, кольцевая форма активного элемента была выбрана для избавления от неаксиальных "меридиональных" лучей.

Недостатком этого способа является существенно нестационарный режим накачки активного материала, обусловленный импульсными вспышками ламп ИНП. При этом нельзя гарантировать, что отсутствие в излучении лазера высших по сравнению с ТЕМ₀₀ мод было достигнуто. Косвенным указанием на присутствие и других, кроме ТЕМ₀₀, продольных мод в излучении лазера являются приведенные в [2] измеренные значения угла α расходимости лазерного излучения порядка 5-6 мрад. Однако при существовании в резонаторе только мод ТЕМ₀₀ углы расходимости главного лепестка диаграммы направленности не будут превышать значения β ≅ где λ_max наибольшая длина энергетически значимой моды ТЕМ₀₀ в резонаторе; D диаметр резонатора.

Принимая для раствора родамина 6G λ_max ≅ 1 мкм, (при λ > λ_max вклад мод ТЕМ₀₀ в мощность излучения составит много меньше 1% т.е. энергетически незначим), а в качестве D-наименьший (внутренний) диаметр активного элемента на испытанных D-81 мм, получаем β 0,0125 мрад ≪ α 5-6 Таким образом, в излучении лазера присутствовали кроме ТЕМ₀₀ и другие продольные моды.

Технической задачей изобретения является получение кольцеобразного электромагнитного поля, резонирующего только на низшей продольной моде ТЕМ₀₀. Излучение такого поля обладает наилучшей направленностью и наиболее равномерным распределением плотности мощности излучения в площади кольца. При концентрации излучения это обеспечивает и наибольшую равномерность распределения мощности в области концентрации. Для получения такого одномодового кольцеобразного резонирующего электромагнитного поля активный материал в форме полого цилиндра возбуждают стационарно и равномерно, при этом в кольцеобразном резонирующем электромагнитном поле подавляют продольные моды, кроме мод ТЕМ₀₀, на частотах вынужденного излучения активного материала путем выбора ширины резонирующего электромагнитного поля более или равной утроенному среднегеометрическому значению длины резонирующего электромагнитного поля и наибольшей длины волны моды ТЕМ₀₀ из энергетически значимых мод ТЕМ₀₀ при отношении внутреннего диаметра к внешнему диаметру этого кольца более или равном 0,09.

Путем выбора ширины кольца установившегося резонирующего электромагнитного поля и возбуждения активного материала подавляют все продольные моды, кроме мод ТЕМ₀₀. Это происходит в результате того, что стоячая волна, форма которой соответствует продольным модам высшего порядка, не может установиться в указанном резонирующем электромагнитном поле в силу дифракции. В результате этого получают одномодовое лазерное излучение, которое обладает малой расходимостью и наиболее равномерным распределением плотности средней мощности лазерного излучения.

Для получения компактного лазерного устройства целесообразно поток возбуждения полого цилиндрического активного элемента направлять изнутри этого элемента. При этом обеспечивается наилучшая равномерность возбуждения всего объема активного материала.

Однако при размещении в полости цилиндрического активного элемента других систем (питание, охлаждение) лазерного устройства для создания равномерного возбуждения объема активного элемента желательно направлять поток возбуждения полого цилиндрического активного элемента снаружи этого элемента.

Однако при возбуждении толстостенного полого элемента цилиндрической формы только с наружной или внутренней стороны возникает различная плотность возбуждения активных центров материала в концентрических слоях полого цилиндрического элемента. За счет усиления потока возбуждения можно установить в концентрическом слое активного материала со стороны действия потока возбуждения изнутри или снаружи состояние, близкое к насыщению. Тогда активный материал этого слоя становится более прозрачным для фотонов потока возбуждения, но неравномерность плотности возбуждения сохраняется. При значительном усилении потока возбуждения большая часть фотонов вылетит за пределы резонатора, что снизит эффективность работы источника возбуждения, а вместе с тем и всего лазера. Для того, чтобы этого избежать, поток возбуждения активного материала благоприятно направлять одновременно изнутри и снаружи полого цилиндрического активного элемента. Тогда при меньшей суммарной мощности потока возбуждения можно достигнуть более равномерной плотности распределения возбужденных центров в полом цилиндрическом элементе и повысить эффективность работы источника возбуждения.

На излучающем торце (зеркале) плоскопараллельного резонатора излучение имеет форму кольца более узкого, чем зеркало. При увеличении мощности лазерного излучения может произойти прожигание активного материала и порча зеркал. Для повышения концентрации мощности без порчи активного материала и зеркал целесообразно концентрировать излучение вне пределов резонирующего электромагнитного поля вокруг его продольной оси в кольцевой пространственный конический объем. Используя концентрируемое излучение в различных кольцевых сечениях этого объема (на разных расстояниях от резонатора), можно получить различную плотность средней мощности, связянную с размерами кольцевой области приема концентрируемого излучения. При этом наличие в излучении только мод ТЕМ₀₀ обеспечивает наиболее равномерное распределение энергии излучения по площади этого кольца.

Для получения лазерного излучения более чистого цвета необходимо изменять частоты мод ТЕМ₀₀ до фиксации моды ТЕМ₀₀ на одной частоте вынужденного излучения активного материала путем изменения длины плоскопараллельного резонирующего электромагнитного поля и мощности потока возбуждения активного материала и отфильтровывать моды ТЕМ₀₀ на других частотах. При совпадении порождаемых выбором длины резонирующего электромагнитного поля резонансных частот с возбужденными уширенными линиями активного материала на резонансных частотах устанавливаются моды ТЕМ₀₀. При этом происходит тонкий сдвиг частоты, обусловленный абсолютными поперечными размерами полого цилиндрического активного элемента: при увеличении сдвиг в сторону меньших частот, а при уменьшении диаметров полого цилиндра происходит сдвиг в сторону больших частот. Например, для моды ТЕМ₀₀ желтого цвета (частота 550 ГГц) изменение диаметров в два раза приводит к сдвигу частоты порядка 15 Гц.

Изменяя длину резонирующего электромагнитного поля, сдвигают и всю совокупность резонансных частот. При этом добиваются совпадения одной из них с заданной частотой, на которой устанавливается мода ТЕМ₀₀. Изменяя далее при необходимости поток возбуждения полого цилиндрического активного элемента, производят "тонкую" настройку частоты (цвета) моды ТЕМ₀₀ за счет изменения эквивалентного диаметра ограничивающего цилиндра; при увеличении потока возбуждения наряду с увеличением мощности излучение лазера "краснеет", а при уменьшении потока "синеет".

Благоприятно коаксиально снаружи резонирующего электромагнитного поля организовать еще по меньшей мере одно резонирующее электромагнитное поле путем создания потока возбуждения еще по меньшей мере одного полого цилиндрического активного элемента.

Часть потока возбуждения, прошедшего через стенку полого цилиндрического активного элемента, используют для возбуждения коаксиально расположенного с ним другого полого цилиндрического активного элемента. Например, поток возбуждения от криптоновой лампы имеет энергетически значимые составляющие потока возбуждения на длинах волн (мкм) 0,48, 0,52, 0,57, 0,65, а возбуждаемый полого цилиндрического активного элемента (стекло с неодимом) размещен в резонаторе, настроенном на излучение на волне 0,52 мкм. Тогда составляющие потока возбуждения на волнах 0,48, 0,57 и 0,65 мкм, пройдя через этот полый цилиндрический активный элемент непосредственно или за счет переизлучения возбужденных активных центров, могут быть использованы для возбуждения материала следующего коаксиально расположенного полого цилиндра.

Целесообразно поток возбуждения одного полого цилиндрического активного элемента экранировать от ротора возбуждения активного материала другого полого активного цилиндрического элемента. При экранировании повышается плотность обоих потоков возбуждения за счет суммирования основного и отраженного потоков энергии в соответствующем активном материале, что приводит к более равномерному возбуждению этого материала. Кроме того, это дает возможность независимого изменения потоков возбуждения, независимого изменения интенсивности излучения и тем самым изменения цветовой гаммы сформированного многоцветного концентрического излучения.

Способ основан на приближенной теории плоскопараллельного резонатора с равномерно и постоянно возбуждаемым активным элементом в форме полого цилиндра. Приближенная теория позволяет найти отношения диаметров кольцевого сечения установившегося резонирующего электромагнитного поля, при которых в нем устанавливаются только моды ТЕМ₀₀ на резонансных частотах, соответствующих спектру возбужденных линий полого цилиндрического активного элемента. В результате расчета необходимых отношений внутреннего и внешнего диаметров кольцевого сечения установившегося резонирующего электромагнитного поля получен график в виде прямой а на фиг. 1 в координатах: Х₁ q ρ₁, X₂ q ρ₂ (1) где ρ₁ внутренний радиус кольцевого сечения установившегося резонирующего электромагнитного поля, ρ₂ внешний радиус кольцевого сечения установившегося резонирующего электромагнитного поля; q числовой параметр.

Прямая а описывается уравнением Х₂ Х₁ + π Для того, чтобы установившееся резонирующее электромагнитное поле содержало только моды ТЕМ₀₀, необходимо, чтобы точки (Х₁, Х₂), определяющие отношение внутреннего и внешнего диаметров кольцевого сечения, находились на прямой а в заштрихованной области первого квадранта плоскости (Х₁, Х₂). Нижняя граница кривая с определяется соотношением
X²₁ полученном из условия отсутствия в резонирующем кольцевом поле всех продольных мод, кроме ТЕМ₀₀. Это позволяет найти пределы изменения отношения радиусов
0,089 < ρ₁/ρ₂ < 1.

Привлечение более строгой теории Фокса и Ли позволяет уточнить верхний предел возможного отношения радиусов ρ₁ и ρ₂ Из этой теории вытекает, что дифракционные потери мод ТЕМ₀₀ за один проход резонатора составляют приблизительно 1% при числах Френеля (N), равных от 8 до 10. При этом потери мод ТЕМ₀₁, ТЕМ₁₀ и других мод более высокого порядка оказываются значительно выше. Потери мод ТЕМ₀₀ порядка 1% сравнимы с потерями их на зеркалах резонатора. Поэтому для того, чтобы потери мод ТЕМ₀₀ в резонаторе не превысили за один проход 1% необходимо выполнение соотношения
N ≥ 9 где Δ ширина кольцевого сечения установившегося резонирующего электромагнитного поля, см:
L длина этого поля, см;
λ_max наибольшая длина волны его моды ТЕМ₀₀ из энергетически значимых мод ТЕМ₀₀, установившихся в резонаторе, см.

Из этого соотношения найдем наименьшую ширину Δ _min кольца
Δ_min= 3 (2) Ширина Δ кольца поперечного сечения установившегося резонирующего электромагнитного поля должна превышать Δ _min для того, чтобы дифракционные потери мод ТЕМ₀₀ за один проход не превышали величину порядка 1% Однако ширина кольца поперечного сечения установившегося резонирующего электромагнитного поля не должна быть и столь велика, чтобы нарушилось соотношение
ρ₁ / ρ₂ > 0,089 (3)
Таким образом, выполнение соотношения
Δ ≥ Δ_min (4) и (3) гарантирует при постоянном и равномерном возбуждении полого цилиндрического активного элемента, что установившееся резонирующее кольцеобразное электромагнитное поле будет содержать только моды ТЕМ₀₀на частотах возбужденных линий полого цилиндрического активного элемента.

Однако в случае размещения в полости активного элемента других систем (охлаждения, питания) лазера равномерное возбуждение его активного материала организуют снаружи с помощью коаксиально расположенного полого цилиндрического источника возбуждения с изотропным угловым и аксиальным распределением потока возбуждения.

При возбуждении активного материала толстостенного полого цилиндра только с наружной или только с внутренней стороны может возникать неравномерная плотность возбуждения активных центров в различных концентрических слоях полого цилиндра. Это связано с ослаблением плотности потока фотонов по толщине стенки. Поток фотонов ослабляется как из-за затрат на возбуждение активных центров, так и за счет дифракции в активном веществе полого цилиндра. Такую неравномерность можно ослабить, создавая потоки возбуждения все большей мощности. При этом устанавливаются равновесные значения плотности возбужденных активных центров, близкие к насыщению. Активный материал становится все более прозрачным для потока возбуждения и все большая часть фотонов потока возбуждения вылетает за пределы полого активного элемента, что понижает эффективность действия системы накачки, а тем самым и всего лазера.

Эти нежелательные явления можно ослабить, если возбуждение активного материала проводить одновременно снаружи и изнутри полого активного элемента. Тогда при меньшей суммарной мощности потока возбуждения можно достигнуть более равномерной плотности активных центров и повысить эффективность системы накачки.

На выходе плоскопараллельного резонатора с кольцевыми зеркалами и полым цилиндрическим активным элементом, соотношение размеров которого выбраны в пределах предлагаемых ограничений соотношений (3) и (4), излучение имеет в поперечном сечении форму кольца, в котором электрическая напряженность Е соответствует моде ТЕМ₀₀ и имеет вид, показанный на фиг. 2. При проецировании излучения на экране высвечивается лишь одно кольцо в отличие от случая, когда кроме моды ТЕМ₀₀ в излучении присутствуют и моды высших порядков. Например, в случае наличия в излучении моды ТЕМ₁₀ на экране высвечивалось бы два концентрических кольца.

Лучший способ концентрации энергии заключается в применении плоских зеркал при концентрации энергии вне пределов резонатора вокруг его продольной оси в кольцевом коническом пространственном объеме, что позволяет при больших мощностях излучения избежать порчи зеркал и активного материала. В то же время, используя концентрируемое излучение резонатора в различных кольцевых сечениях указанного конического объема, получают различную плотность мощности излучения (мощность на единицу площади). Присутствие в излучении мод ТЕМ₀₀ обеспечивает наиболее равномерное распределение мощности излучения по площади кольца.

При совпадении резонансных частот ν_n с уширенными постоянно возбуждаемыми линиями активного материала полого цилиндрического элемента, размеры которого удовлетворяют соотношениям (3) и (4), в резонаторе устанавливается группа мод ТЕМ₀₀ на некоторых частотах ν_n с длинами волн
λ_n C / ν_n, где С скорость света;
ν_n резонансная частота.

Например, стекло, активированное неонами неодима, обладает интенсивными полосами излучения в области длин волн 350, 520, 580, 740, 800 и 900 нм.

Смещение ν_n в сторону больших или меньших частот достигают, изменяя длину L резонирующего электромагнитного поля. Из приближенной теории плоскопараллельного резонатора вытекает зависимость
ν_n= (5) где С скорость света;
q параметр из (1);
n натуральное число, n 1,2,
L- длина резонирующего электромагнитного поля.

И этого выражения (5) получают оценку оптической длины резонатора L, при которой в нем устанавливаются моды ТЕМ₀₀ с заданной частотой ν_n
L (6) Выбор величины поправки q² обеспечивает возможность "тонкой" регулировки ν_n. Величина параметра q зависит как от отношения ρ₁ / ρ₂, так и от абсолютной величины радиусов (диаметров) полого активного элемента. Например, при ρ₁ / ρ₂ 0,7 прямая b на фиг.1, соответствующая этому отношению, пересекает прямую а в точке А с координатами
Х₁ 7,1; Х₂ 10,2.

При ρ₂ равном 3 см, согласно соотношению (1) имеем
q 3,4 см^-1 и соответственно
ρ₁= 2,1 см
При таких размерах ρ₁ и ρ₂ и оптической длине резонатора, равной 30 см мода ТЕМ₀₀ в резонаторе, содержащем в качестве активного вещества стекло с неодимом, установится на частоте ν_n 576˙10¹⁵ Гц, которой соответствует длина волны, равная 520 нм (желтый цвет) и натуральное число n, равное 1152000 из выражения (5).

При использовании полого цилиндрического элемента из стекла с неодимом той же длины и отношения диаметров, но с другими абсолютными размерами диаметров, происходит "тонкий" сдвиг ( Δ ν ) заданной частоты ν_n. Например, при ρ₂= 6 см, ρ₁ 4,2 см, ρ₁/ρ₂= 0,7 наблюдается сдвиг частоты Δ ν-15 Гц. Таким образом, увеличение поперечных размеров полого цилиндрического элемента приводит к "покраснению" излучения на модах ТЕМ₀₀, а уменьшение его к его "посинению". Выбирая (вариант I) L 30 см, ρ₂= 6 см, ρ₁ 2,1 см, ρ₁/ρ₂ 0,35, имеем Δ ν-15 Гц, т.е. увеличение толщины стенки полого цилиндрического активного элемента при фиксированном внутреннем его диаметре приводит к "покраснению", а уменьшение "к посинению" излучения резонатора. Выбирая (вариант II) L 30 см, ρ₂ 3 см, ρ₁= 1,05 см, ρ₁/ρ₂ 0,35, получаем Δ ν-15 Гц, т.е. увеличение толщины стенки полого цилиндрического активного элемента при фиксированном внешнем диаметре приводит к "покраснению", а уменьшение к "посинению" излучения резонатора на модах ТЕМ₀₀.

Указанные варианты I и II используют для тонкой регулировки цвета излучения лазера за счет изменения мощности потока возбуждения активного материала полого цилиндра, причем вариант I используют при возбуждении изнутри, а вариант II при возбуждении снаружи. Дело в том, что если активный материал полого цилиндрического элемента находится в ненасыщенном установившемся состоянии, то при увеличении мощности потока возбуждения наряду с увеличением мощности излучения лазера это излучение "краснеет", а при уменьшении "синеет". Это происходит за счет изменения эквивалентного внешнего при варианте I и внутреннего при варианте II диаметра возбужденного слоя активного материала полого цилиндра.

Излучение чистого заданного цвета по- лучают за счет изменения длины установившегося резонирующего электромагнитного поля и мощности возбуждения полого цилиндрического активного элемента до фиксации моды ТЕМ₀₀ на одной частоте ν вынужденного излучения активного материала. Одновременно отфильтровывают моды ТЕМ₀₀ на других частотах. Для этого используют пассивные полосовые фильтры.

Выбирая ширину Δ кольца поперечного сечения установившегося резонирующего электромагнитного поля равной наименьшему значению Δ _min, найденному с использованием длины волны λ, отвечающей частоте ν, добиваются дополнительной дифракции и подавления мод ТЕМ₀₀установившегося кольцеобразного резонирующего электромагнитного поля на всех длинах волн, превышающих, например, при выделении моды ТЕМ₀₀ с длиной волны λ равной 0,48 мкм (синий цвет), назначая ширину кольца Δ равной ее наименьшему значению Δ Δ _min найденному согласно выражению (2) как
Δ_min= 3 где L длина резонирующего электромагнитного поля, обеспечивают большую дифракцию мод ТЕМ₀₀ на длинах волн 0,52 мкм (желтый цвет) и 0,50 мкм (оранжевый цвет) по сравнению с модой ТЕМ₀₀ с длиной волны λ равной 0,48 мкм, что приводит наряду с фильтрацией к дополнительному ослаблению мод ТЕМ₀₀ с длинами волн 0,52 и 0,58 мкм.

В качестве активного материала используют фосфатные, боратные стекла с неодимом, а также активные кристаллические материалы и жидкости (например растворы красителей), при этом кювета для жидкости имеет форму полого цилиндра. При использовании в качестве активного материала газа (аргона, криптона, ксенона) или смеси газов, возбуждаемых электрическим током, полый цилиндр образуют за счет установки на торцах прозрачного баллона с газом кольцевых зеркал с заданными коэффициентами отражения и пропускания. В процессе возбуждения (накачки) газа одновременно может производиться его ионизация. Тогда основным активным материалом являются не атомы (молекулы) газа, а его ионы (например, для криптона ионы KrII).

Излученные возбужденными атомами и ионами, не играющими роль активного материала, фотоны создают поток возбуждения твердотельного или жидкостного активного материала соседних коаксиально расположенных резонаторов. В частности, роль активного материала может играть цилиндрический баллон газосветной лампы, если его выполняют, например, из стекла с неодимом. При этом часть потока возбуждения, прошедшего через стенку этого баллона, используют для возбуждения активного материала коаксиально расположенного резонатора. Например, поток возбуждения от криптоновой газосветной лампы имеет составляющие на длинах волн, нм, порядка 480, 520, 570, 650. Если в резонаторе цилиндрической части баллона этой лампы поддерживают моды ТЕМ₀₀ с длиной волны 520 нм (желтый цвет), составляющие потока возбуждения на длинах волн, нм, 480, 570 и 650 пройдут через этот резонатор в форме неаксиального некогерентного излучения и могут быть использованы для возбуждения активного материала стекла с неодимом-коаксиально расположенного резонатора на волнах, нм, 580, 740, 800 и 900.

Для достижения независимости возбуждения по меньшей мере двух соседних полых цилиндрических активных элементов экранируют один от другого их потоки возбуждения. Прошедший через свой активный материал и экранированный от другого каждый поток возбуждения поступает в этот активный материал еще раз, чем достигается более равномерное возбуждение всего объема активного материала.

Если мощность экранированного потока возбуждения такова, что не приводит к насыщению активного материала, то, устанавливая новое значение мощности, устанавливают и другую степень возбуждения активного материала, что в конечном итоге приводит к установлению другой мощности (интенсивности) излучения резонатора. Независимое изменение мощности экранированных потоков возбуждения приводит к независимому изменению мощности (интенсивности) излучения резонатора, использующих эти независимые потоки возбуждения, в частности, к изменению цветовой гаммы концентрических излучений лазера, включающего эти резонаторы. Изменение экранированных потоков возбуждения производят как автоматически в заданной последовательности, так и вручную.

На фиг. 1 изображен график зависимости отношений внутреннего и внешнего диаметров кольца установившегося резонирующего электромагнитного поля; на фиг. 2 график электрической напряженности мод ТЕМ₀₀ по ширине кольца установившегося резонирующего электромагнитного поля; на фиг. 3 предлагаемое лазерное устройство, разрез; на фиг. 4 то же, другой вариант выполнения; на фиг. 5 кольцеобразный пассивный полосовой конический фильтр, разрез; на фиг. 6 лазерное устройство, еще один вариант выполнения; на фиг. 7 то же, еще один вариант выполнения, разрез.

Далее приведен пример лазерного устройства с возбуждением полого цилиндрического активного элемента снаружи и изнутри.

Предлагаемое лазерное устройство содержит корпус 1, который имеет зеркальное покрытие внутренней цилиндрической поверхности. Коаксиально корпусу 1 размещен полый цилиндрический активный элемент 2 (стекло, активированное ионами неодима) (Nd³⁺), при возбуждении которого наибольшая длина волны энергетически значимого его излучения составляет около 0,87 мкм. Стенка полого цилиндрического активного элемента 2 имеет толщину не менее устроенного среднегеометрического значения длины L этого элемента 2 и длины волны 0,87 мкм при отношении внутреннего диаметра D₁ к внешнему диаметру D₂ полого цилиндрического активного элемента 2, большем или равном 0,09. наибольшая длина волны энергетически значимого его излучения составляет около 0,87 мкм. Стенка полого цилиндрического активного элемента 2 имеет толщину не менее устроенного среднегеометрического значения длины L этого элемента 2 и длины волны 0,87 мкм при отношении внутреннего диаметра D₁ к внешнему диаметру D₂ полого цилиндрического активного элемента 2, большем или равном 0,09.

На одном торце 3 элемента 2 размещено плоское зеркало 4 с высоким коэффициентом отражения, а на другом торце 5 частично прозрачное плоское зеркало 6. Зеркала 4 и 6 идентичны по размерам, их внешние диаметры равны внешнему диаметру D₂ элемента 2, а внутренние диаметры внутреннему диаметру D₁ элемента 2.

Полый цилиндрический активный элемент 2 и зеркала 4 и 6 образуют кольцеобразный резонатор 7 длиной L с внешним диаметром D₂ и внутренним диаметром D₁.

Коаксиально снаружи элемента 2 расположена газосветная лампа 8 непрерывного действия, выполненная в форме кольцеобразного полого цилиндра, прозрачная полая цилиндрическая стенка 9 которого заполнена газом ксенон (Хе). На торцах 10 полого цилиндра газосветной лампы 8 размещены кольцевые электроды 11, соединенные с источником 12 питания. В полости элемента 2 коаксиально размещена вторая газосветная лампа 13 непрерывного действия, выполненная также в форме кольцеобразного полого цилиндра, прозрачная полая цилиндрическая стенка 14 которого заполнена газом криптон (Kr). На торцах 15 полого цилиндра этой газосветной лампы 13 размещены кольцевые электроды 16, соединенные с источником 17 питания, а по внутренней поверхности 18 наружной цилиндрической части стенки 14 газосветной лампы 13 установлены два спиральных электрода 19, соединенные с источником 20 высокочастотного напряжения.

Лазерное устройство работает следующим образом.

Напряжение источника 12 поддеpживает между электродами 10 газосветной лампы 8 электрический ток по всему кольцевому сечению полой цилиндрической стенки 9 газосветной лампы 8. Электрический ток непрерывно и постоянно возбуждает атомы газа ксенон (Хе). Каждый возбужденный атом через время релаксации испускает фотон. Совокупность таких фотонов создает снаружи элемента 2 непрерывный и равномерный по углу и оси газосветной лампы 8 поток возбуждения активных центров материала элемента 2. Напряжение высокочастотного источника 20 образует между спиральными электродами 19 переменный электрический ток, который непрерывно ионизирует атомы газа криптон (Kr), в результате чего поддерживается содержание в газе ионов криптона (KrII). Напряжение с источника 17 поддерживает между электродами 16 газосветной лампы 13 электрический ток по всему кольцевому сечению полой цилиндрической стенки 14 этой лампы 13. Этот ток возбуждает атомы Kr и ионы KrII. Возбужденные атомы и ионы по истечении времени релаксации испускают фотоны, которые образуют непрерывный и равномерный по углу и оси газосветной лампы 13 поток возбуждения активных центров полого цилиндрического активного элемента 2. Часть потоков возбуждения газосветных ламп 8 и 13, попадающих на зеркальное покрытие внутренней цилиндрической поверхности корпуса 1, при отражении от нее образуют снаружи элемента 2 дополнительный поток возбуждения активных центров материала элемента 2.

Резонирующее между зеркалами 4 и 6 электромагнитное поле вызывает вынужденное синхронное излучение возбужденных активных центров металла полого цилиндрического элемента 2, которые при этом переходят в невозбужденное состояние, увеличивая энергию резонирующего между зеркалами 4 и 6 электромагнитного поля. В то же время происходят потери энергии этого поля: на зеркалах 4 и 6 из-за дифракции через боковые цилиндрические поверхности элемента 2, а также за счет выхода части электромагнитного поля из резонатора 7 через частично прозрачное зеркало 6 в направлении продольной оси элемента 2. При непрерывных и постоянных потоках возбуждения от газосветных ламп 8 и 13 в резонаторе 7 существует установившееся резонирующее электромагнитное поле постоянной энергии, создающее лазерное излучение постоянной мощности из резонатора 7 через зеркало 6. Вследствие существования постоянных и равномерных потоков возбуждения от ламп 8 и 13 в полом цилиндрическом активном элементе 2 постоянно поддерживается равномерная плотность возбужденных активных центров. При этом в силу указанных толщины стенки элемента 2 и отношения его внутреннего и внешнего диаметров (D₁, D₂) резонирующее между зеркалами 4 и 6 электромагнитное поле содержит только моды ТЕМ₀₀ и только на резонансных частотах, совпадающих с уширенными линиями стекла, активированного ионами неодима (Nd³⁺), а именно в районах волн 350, 520, 580, 740, 800 и 900 нм, поскольку продольные моды высших порядков не существуют в установившемся между зеркалами 4 и 6 резонирующем электромагнитном поле. Моды ТЕМ₀₀ этого поля при указанной толщине стенки и соотношении диаметров полого цилиндрического активного элемента 2 теряют на рассеивание за один проход в резонаторе 7 менее одного процента своей мощности, что сравнимо с потерями на зеркале 4 с высоким коэффициентом отражения. Поэтому в кольцевом лазерном излучении будут присутствовать только моды ТЕМ₀₀, что обеспечивает малую расходимость и наиболее равномерное распределение плотности средней мощности излучения в поперечном кольцевом сечении излучения этого лазерного устройства.

Приведем пример трехцветного лазерного устройства, создающего излучение с длинами волн 0,48 мкм (синий цвет), 0,52 мкм (желтый цвет), 0,58 мкм (оранжевый цвет).

Предлагаемое лазерное устройство содержит корпус 21 (фиг.4) цилиндрической формы, внутренняя поверхность которого выполнена с высоким коэффициентом отражения. Коаксиально внутри корпуса 21 размещен полый цилиндрический активный элемент 22, например, стекло, активированного ионами неодима (Nd³⁺). Коаксиально внутри полого цилиндрического активного элемента 22 размещен источник потока возбуждения материала активного элемента 22. Этот источник представляет собой газосветную лампу 23 непрерывного действия, выполненную в форме кольцеобразного полого герметичного цилиндра, заполненного газом криптоном (Kr).

Внутренняя цилиндрическая стенка 24 и торцовые стенки 25 кольцеобразного цилиндра газосветной лампы 23 выполнены из неактивированного стекла. Внешняя цилиндрическая стенка 26 газосветной лампы 23 выполнена за одно целое с цилиндрическим активным элементом 22 (стекло, активированное ионами неодима (Nd³⁺). С внутренней стороны газосветной лампы 23 по периферии ее торцовых стенок 25 размещены два кольцевых электрода 27, соединенные с источником 28 питания. На внутренней поверхности внешней цилиндрической стенки 26 газосветной лампы 23 навиты два спиральных электрода 29, соединенные с источником 30 высокочастотного напряжения.

Снаружи вблизи одной торцовой стенки 31 цилиндрического элемента 22 из активного материала с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль продольной оси корпуса 21 установлено кольцеобразное зеркало 32 с высоким коэффициентом отражения. Вблизи другой торцовой стенки 33 установлено частично прозрачное кольцеобразное зеркало 34. Цилиндрический элемент 22 из стекла, активированного ионами неодима, с зеркалом 32 и 34 образуют первый твердотельный резонатор 35.

Между торцовой стенкой 31 полого цилиндрического элемента 22 и зеркалом 32 установлен пассивный полосовой конический фильтр 36, свернутый из листа прозрачного материала постоянной толщины, на обеих поверхностях которого нанесено частичное прозрачное покрытие с заданным коэффициентом отражения. Фильтр 36 (фиг.5) имеет форму усеченного конуса с заданным углом α при вершине. Этот угол α зависит от заданной длины волны лазерного излучения. В данном примере этот угол составляет около 178^о. Диаметр D₃ меньшего основания усеченного конуса равен внутреннему диаметру D₁ (фиг. 4) полого цилиндрического активного элемента 22, а диаметр D₄ (фиг.5) большего основания усеченного конуса равен внешнему диаметру D₂ (фиг.4) полого цилиндрического активного элемента. Указанное конструктивное выполнение пассивного полосового конического фильтра 36 (фиг.5) позволяет подавить моды ТЕМ₀₀ на всех частотах, кроме заданной, при сохранении когерентного излучения.

Между другой торцовой стенкой 33 цилиндрического активного элемента 22 и частично прозрачным зеркалом 34 также установлены пассивный полосовой конический фильтр 37, выполненный аналогично фильтру 36, но имеющий другой угол α при вершине (в данном примере около 162^о).

Коаксиально с внешней стороны полого цилиндрического элемента 22 (фиг. 4) из активного материала первого твердотельного резонатора 35 установлен второй твердотельный резонатор 38, содержащий полый цилиндрический активный элемент 39 (например, стекло, активированное ионами неодима). Вблизи торцовых стенок 40 и 41 этого элемента 39 аналогично первому резонатору 35 установлены зеркала 42 и 43 и пассивные полосовые конические фильтры 44 и 45. На наружной цилиндрической поверхности полого элемента 39 из активного материала установлен цилиндрический кольцеобразный прозрачный резервуар 46 для хладоагента.

Коаксиально с внутренней стороны полого цилиндрического активного элемента 22 первого твердотельного резонатора 35 образован газовый резонатор 47. Для этого у торцовых стенок 25 газосветной лампы 23, свободных от кольцевых электродов 27, аналогично первому и второму резонаторам 35 и 38 установлены зеркала 48 и 49 и пассивные полосовые конические фильтры 50 и 51, а внутренний объем газосветной лампы между зеркалами 48 и 49, заполненный криптоном, представляет собой газовый полый цилиндрический активный элемент 52.

В каждом из трех резонаторов 35, 38 и 47 толщина цилиндрической стенки соответствующего активного элемента 22, 39 и 52 должна быть выбрана из условия
Δ ≥ 3 где Δ толщина стенки, см;
L длина резонирующего электромагнитного поля (расстояние между зеркалами соответствующего резонатора), см;
λ_max наибольшая длина волны моды ТЕМ₀₀ из энергетически значимых мод ТЕМ₀₀ соответствующего активного материала, см.

При этом отношение внутреннего диаметра к внешнему диаметру каждого соответствующего полого цилиндрического элемента 22, 39 и 52 из активного материала должно быть более 0,09.

Такое конструктивное выполнение полых цилиндрических активных элементов 22, 39 и 52 дает возможность получить кольцевое лазерное излучение с малой расходимостью при сохранении его пространственной когерентности и наиболее равномерное распределение плотности мощности по кольцам этого излучения.

Если отношение внутреннего диаметра к внешнему диаметру каждого цилиндрического элемента 22, 39 и 52 будет менее 0,09 (т.е. толщина стенки увеличится), резко ухудшатся указанные параметры лазерного излучения вследствие появления в лазерном излучении продольных мод высшего порядка. Если толщина стенки будет меньше указанного выше минимального значения, значительно возрастут потери мощности лазерного излучения в результате дифракции мод ТЕМ₀₀ в соответствующем резонаторе 35, 38 и 47, что увеличивает расходимость лазерного излучения.

Предлагаемое лазерное устройство работает следующим образом.

Поток хладоагента прокачивают через резервуар 46. Напряжение от источника 28 питания подают на электроды 27 газосветной лампы 23, а высокочастотное напряжение от источника 30 подают на электроды 29 газосветной лампы 23. При этом протекают процессы ионизации и возбуждения атомов Kr и ионов Kr||, генерируя поток возбуждения активного элемента 22 резонатора 35 и активного элемента 39 резонатора 38 и поддерживая резонирующее электромагнитное поле в газовом цилиндрическом полом активном элементе 52 между зеркалами 48 и 49. При этом пассивные полосовые конические фильтры 50 и 51 в резонаторе 47, фильтры 36 и 37 в резонаторе 35 и фильтры 44 и 45 в резонаторе 38 подавляют моды ТЕМ₀₀ всех длин волн, кроме мод ТЕМ₀₀ на волне 0,48 мкм в резонаторе 47, моды ТЕМ₀₀ на волне 0,52 мкм в резонаторе 35 и моды ТЕМ₀₀на волне 0,58 мкм в резонаторе 38.

Таким образом, луч, сформированный посредством предлагаемого лазерного устройства, состоит из трех концентрических когерентных излучений различного цвета с малой стационарной расходимостью каждого излучения при сохранении разности фаз между ними.

Приведем пример трехцветного лазерного устройства, создающего излучение с длинами волн 0,48 мкм (синий цвет), 0,52 мкм (желтый цвет), 0,58 мкм (оранжевый цвет) с управляемой интенсивностью цветов.

В предлагаемом лазерном устройстве первый твердотельный резонатор 35 (фиг.6) и газовый резонатор 47 выполнены аналогично описанному выше лазерному устройству.

С внешней стороны цилиндрического активного элемента 22 резонатора 35 установлен цилиндрический кольцеобразный прозрачный резервуар 53 для хладоагента, внутри которого коаксиально установлен экран 54, выполненный в виде трубчатого элемента, имеющего с внешней и внутренней стороны зеркальное покрытие. Коаксиально с внешней стороны резервуара 53 для хладоагента образован второй твердотельный резонатор 38, выполненный аналогично описанному выше.

Коаксиально снаружи цилиндрического активного элемента 39 резонатора 38 установлена газосветная лампа 55 непрерывного действия, выполненная в форме кольцевого полого герметичного цилиндра, заполненного газом ксеноном (Хе). На торцовых стенках 56 с внутренней стороны лампы 55 установлены кольцевые электроды 57, соединенные с источником питания.

Наличие экрана 54 позволяет разделить поток возбуждения газосветной лампы 23 резонаторов 35 и 47 от потока возбуждения газосветной лампы 55 резонатора 38. Это позволяет регулировать интенсивность излучения соответствующих резонаторов 35, 38 и 47, добиваясь изменения цветовой гаммы концентрических излучений лазерного устройства.

Указанное лазерное устройство работает следующим образом.

Поток хладоагента прокачивают через цилиндрический кольцеобразный резервуар 53. В резонаторах 35 и 47 создают и поддерживают резонирующие электромагнитные поля, аналогичные примеру, описанному выше. При этом поток возбуждения от лампы 23 не достигает полого цилиндрического активного элемента 39 в резонаторе 38, потому что полностью отражается от экрана 54 и дополнительно возбуждает полый цилиндрический активный элемент 22 резонатора 35.

Напряжение от источника питания 58 подают на электроды 57 газосветной лампы 55. При этом протекают процессы возбуждения атомов газа Хе, вследствие чего генерируется поток возбуждения активного материала полого цилиндрического элемента 39, поддерживающий резонирующее электромагнитное поле между зеркалами 42 и 43 в резонаторе 38. При этом поток возбуждения газосветной лампы 55 полностью отражается от экрана 54 и дополнительно возбуждает полый цилиндрический активный элемент 39 резонатора 38.

Пассивные полосовые конические фильтры 36, 37, 44, 45, 50 и 51, установленные в резонаторах 35, 38 и 47, подавляют моды ТЕМ₀₀ всех длин волн, кроме мод ТЕМ₀₀ на волне 0,48 мкм в резонаторе 47, на волне 0,52 мкм в резонаторе 35 и на волне 0,58 мкм в резонаторе 38.

Изменяя автоматически или вручную автономные напряжения, подаваемые от источника 58 на электроды 27 газосветной лампы 23 и электроды 57 газосветной лампы 55, управляют мощностью излучения резонаторов 35 и 38, 47 и получают различные оттенки цвета лазерного устройства при сохранении малой квазистационарной расходимости этого луча.

Далее приведен пример лазерного устройства с концентрацией излучения с максимальной длиной волны 0,87 мкм.

Лазерное устройство содержит корпус 59 (фиг.7), который имеет зеркальное покрытие своей внутренней цилиндрической поверхности. Коаксиально корпусу 59 размещен полый цилиндрический активный элемент 60 (стекло, активированного ионами неодима Nd³⁺), при возбуждении которого наибольшая длина волны энергетически значимого его излучения составляет 0,87 мкм. Стенки элемента 60 имеют толщину не менее утроенного среднегеометрического значения длины элемента 60 и длины волны 0,87 мкм при отношении внутреннего к внешнему диаметров элемента 60, превышающего 0,09. На одном торце элемента 60 размещено зеркало 61 с высоким коэффициентом отражения, а на другом частично прозрачное зеркало 62. Зеркала 61 и 62 идентичны по размерам. Концентрично внутри полого цилиндрического элемента 60 размещен источник его возбуждения газосветная лампа 63 непрерывного действия, выполненная в форме полого цилиндра, заполненного газом криптон, внутри которого установлены два кольцевых электрода 65 и два спирально навитых электрода 65, расположенных на внутренней поверхности внешнего цилиндра газосветной лампы 63. Вне пределов элемента 60 соосно с ним со стороны частично прозрачного зеркала 62 закреплен с возможностью возвратно-поступательного перемещения усеченный параболоид 66 вращения, обращенный большим основанием в сторону полого цилиндрического активного элемента 60. Внутренняя поверхность параболоида 66 выполнена с высоким коэффициентом отражения и ее фокус 67 лежит вне пределов лазерного устройства.

Диаметр D₅ меньшего основания параболоида 66 равен внутреннему диаметру D₁ полого цилиндрического активного элемента 60, а диаметр D₆большего основания равен наружному диаметру D₂ полого цилиндрического активного элемента 60. Электроды 64 соединены с источником 68 постоянного напряжения, а электроды 65 с источником 69 высокочастотного напряжения. Внутри устройства размещен защитный колпак 70.

Наличие элемента, концентрирующего лазерное излучение (параболоид 66), позволяет повысить плотность средней мощности этого излучения на обрабатываемой поверхности 71.

Предлагаемое лазерное устройство работает следующим образом.

При подаче напряжения с блоков питания источников на электроды 64 и 65 газосветной лампы 63 в ней протекают процессы ионизации и возбуждения атомов Kr и ионов Kr||, генерируя поток возбуждения материала активного элемента 60 (стекло с неодимом), поддерживающий резонирующее между зеркалами 61 и 62 кольцевое электромагнитное поле, содержащее моды ТЕМ₀₀на всех частотах возбуждения стекла с неодимом, совпадающих с резонансными частотами резонатора, образованного полым активным элементом 60 и зеркалами 61 и 62. При этом часть кольцевого резонирующего электромагнитного поля проходит через частично прозрачное зеркало 62 и попадает на параболоид 66 вращения, концентрируясь в полом коническом объеме, и затем поступает на обрабатываемую поверхность 71. Для изменения плотности средней мощности излучения на обрабатываемой поверхности 71 необходимо переместить параболоид 66 вращения вдоль оси полого цилиндрического элемента 60.

Наличие в излучении лазера только мод ТЕМ₀₀ обеспечивает наиболее равномерное распределение мощности излучения на обрабатываемой поверхности 71.

В других вариантах выполнения изобретения возможны различные комбинации размещения резонаторов, газосветных ламп, пассивных полосовых фильтров и экранов. Это дает возможность создания разнообразных одноцветных и многоцветных лазерных устройств, в том числе с регулировкой цвета кольцевого лазерного луча.

Далее приводится несколько примеров расчета параметров полого цилиндра из активного материала, при которых обеспечивается подавление всех продольных мод, кроме ТЕМ₀₀. В качестве активного материала используют стекло, активированное ионами неодима Nd³⁺.

В качестве источника потока возбуждения активного материала используют атомы газа криптон Kr и ионы криптона Kr||, возбуждаемые постоянным электрическим током равномерно по объему кольцеобразного полого цилиндра газосветной лампы.

Исходя из спектра излучения источника возбуждения и спектра поглощения активного материала, принимают наибольшую длину волны λ_max из энергетически значимых в вынужденном излучении активного материала равной 0,87 мкм.

С учетом параметров источника возбуждения активного материала устанавливают длину L резонирующего электромагнитного поля равной 4,5 см.

Оценивают наименьшую ширину Δ_min кольца поперечного сечения установившегося резонирующего электромагнитного поля как
Δ_min= 3 0,0596 см
Исходя из конструктивных требований и требований получения необходимой мощности излучения с учетом условия
Δ ≥ Δ_min, выбирают ширину Δ кольца поперечного сечения установившегося резонирующего электромагнитного поля как
Δ 0,07 см ≥ 0,0596 см.

Исходя из конструктивных и технологических требований с учетом выполнения соотношения
D₁/D₂ > 0,09, выбирают внутренний диаметр D₁ и внешний диаметр D₂ этого кольца шириной 0,070 см,
D₁ 1,2 см, D₂ 1,34 см, при этом
D₁/D₂ 0,895 > 0,09.

Проверяют, что в кольцеобразном резонирующем электромагнитном поле установились только моды ТЕМ₀₀. Для этого измеряют плотность мощности в сечении излучения установившегося кольцеобразного резонирующего электромагнитного поля, которое распределяется в виде одного кольца с наибольшей мощностью в районе средней окружности этого кольца и падением мощности по ширине кольца с приближением к ограничивающим его внешней и внутренней окружностям.

Параметры установившегося кольцеобразного резонирующего электромагнитного поля, активный материал и материал источника возбуждения приведены в табл. 1 (пример 1).

П р и м е р ы 2-4. Установившиеся кольцеобразные резонирующие электромагнитные поля сформированы и проверены на содержание мод ТЕМ₀₀ в излучении по методике, описанной в примере 1.

Параметры приведены в табл.1.

П р и м е р 5. Параметры установившегося резонирующего на моде ТЕМ₀₀ с частотой ν, равной 576˙10¹⁵ Гц (желтый цвет), кольцеобразного резонирующего электромагнитного поля, выбирают по аналогичной описанной в примере 1 методике, за исключением: после выбора λ_max равной 0,52 мкм, что соответствует частоте ν равной 576˙10¹⁵ Гц (желтый цвет), устанавливают полосу пропускания резонансных частот кольцеобразного электромагнитного поля в районе указанной частоты ν с наибольшим пропусканием на частоте ν.

После сформирования всех параметров (L, Δ D₁, D₂) установившегося кольцеобразного резонирующего электромагнитного поля изменяют длину L этого поля до фиксации его излучения на указанной частоте ν.

Затем проверяют содержание в излучении только мод ТЕМ₀₀ по аналогичной описанной в примере 1 методике.

Затем варьируют мощностью потока возбуждения активного материала (стекла с Nd³⁺) для осуществления тонкого сдвига указанной частоты ν с целью получения наиболее близкого к заданному желтого цвета.

П р и м е р ы 6-10. Установившиеся кольцеобразные резонирующие электромагнитные поля (примеры 6 и 8) (синий цвет), примеры 7 и 10 (оранжевый цвет), пример 9 (желтый цвет) сформированы и проверены на содержание моды ТЕМ₀₀ в излучении по методике, описанной в примере 1. Параметры приведены в табл.1.

В табл. 2 приведены параметры пассивных полосовых конических фильтров, обеспечивающих полосу пропускания резонансных частот кольцеобразного электромагнитного поля в районе частоты ν с наибольшим пропусканием на частоте ν.

Указанная полоса пропускания обеспечивается системой двух пассивных полосовых конических фильтров, помещаемых в резонирующее кольцеобразное электромагнитное поле длиной L.

В табл. 2 приведены следующие параметры фильтров: α угол при вершине конуса, δ толщина стенки, D₃ диаметр меньшего основания усеченного конуса, D₄ диаметр большего основания этого конуса, F резкость фильтра (отношение разности частот между максимумами соседних полос пропускания к ширине полосы пропускания).

Фильтры 1 и 2 соответствуют формированию установившегося кольцеобразного электромагнитного поля, резонирующего с частотой ν, соответствующей длине волны λ, равной 0,48 мкм (синий цвет) в примере 6 табл. 1, фильтры 3 и 4 соответствуют длине волны λ равной 0,52 мкм (желтый цвет) в примере 5 табл. 1, а фильтры 5 и 6 соответствуют длине волны λ равной 0,58 мкм (оранжевый цвет) в примере 7 табл. 1.

Полученные на предложенных резонаторах концентрические когерентные излучения в системах измерения угловых скоростей объектов позволят при значительном уменьшении габаритов кольцевого лазера резко увеличить точность измерения малых угловых скоростей. Например, для трехцветного лазера на предложенных трубах из неодимового стекла с использованием линий излучения на 0,52 мкм, 0,58 мкм и 0,74 мкм можно провести три независимых измерения угловой скорости.

При использовании двух нониусных шкал, образуемых между первым и вторым, и вторым и третьим цветами, на которые рассчитан каждый из трех резонаторов лазера, можно при 10%-ной разнице в значениях частоты когерентных излучений указанных длин волн получить точность измерений малых значений угловых скоростей, в сто раз большую, практически без дополнительных ограничений на полосу частот угловых скоростей механических объектов.

Формула изобретения

1. Способ формирования кольцеобразного лазерного излучения, включающий возбуждение полого цилиндрического активного элемента, организацию в нем кольцеобразного плоскопараллельного резонирующего электромагнитного поля, создающего лазерное излучение с подавлением неаксиальных его составляющих, отличающийся тем, что возбуждение полого активного элемента осуществляют непрерывно и равномерно по всей его боковой поверхности, при этом в кольцеобразном резонирующем электромагнитом поле подавляют все продольные моды, кроме мод ТЕМ₀₀, путем создания установивщегося резонирующего электромагнитного поля, в поперечном сечении имеющего форму кольца шириной, более или равной утроенному среднегеометрическому значению длины резонирующего электромагнитного поля и наибольшей длины волны моды ТЕМ₀₀ из энергетически значимых мод ТЕМ₀₀ при отношении внутреннего диаметра к внешнему диаметру кольца, более или равном 0,09.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что возбуждение полого цилиндрического активного элемента осуществляют изнутри его.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что возбуждение полого цилиндрического активного элемента осуществляют снаружи его.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют возбуждение полого цилиндрического активного элемента изнутри.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что лазерное излучение резонирующего электромагнитного поля концентрируют вокруг его продольной оси вне его пределов в кольцевой конический пространственный объем, позволяющий сохранить моды ТЕМ₀₀ без потери их мощности.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что сдвигают частоты мод ТЕМ₀₀ до совпадения частоты одной из них с заранее заданной частотой путем изменения длины резонирующего электромагнитного поля и мощности возбуждения активного элемента и отфильтровывают моды ТЕМ₀₀ всех частот, кроме моды ТЕМ₀₀ заранее заданной частоты.

7. Способ по п.4, отличающийся тем, что дополнительно организуют еще по меньшей мере одно резонирующее электромагнитное поле путем возбуждения материала еще по меньшей мере одного полого цилиндрического активного элемента, который размещают коаксиально снаружи первого активного элемента.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что поток энергии, используемой для возбуждения первого активного элемента, экранируют от потока энергии, используемого для возбуждения еще по меньшей мере одного активного элемента.

9. Лазерное устройство, содержащее корпус для формирования кольцеобразного лазерного излучения, в котором размещен резонатор, включающий полый цилиндрический активный элемент, установленный коаксиально корпусу, и два зеркала, размещенных с торцевых сторон полого цилиндрического элемента из активного материала, идентичных по своим размерам, одно из которых выполнено с высоким коэффициентом отражения, а другое частично прозрачным, при этом в корпусе концентрично цилиндрическому элементу из активного материала расположена трубчатая газосветная лампа, соединенная с источником питания, отличающееся тем, что стенка полого цилиндрического активного элемента имеет толщину, более или равную утроенному среднегеометрическому значению оптической длины резонатора и наибольшей длины волны моды ТЕМ₀₀ из энергетически значимых мод ТЕМ₀₀ в резонаторе при отношении внутреннего диаметра цилиндрического активного элемента к его внешнему диаметру, более или равном 0,09, при этом газосветная лампа выполнена работающей в непрерывном стационарном режиме.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что газосветная лампа непрерывного действия размещена внутри цилиндрического активного элемента.

11. Устройство по п.9, отличающееся тем, что газосветная лампа непрерывного действия размещена снаружи полого цилиндрического активного элемента.

12. Устройство по п.10, отличающееся тем, что оно содержит дополнительно газосветную лампу непрерывного действия, размещенную снаружи полого цилиндрического активного элемента.

13. Устройство по п.10, отличающееся тем, что оно содержит по меньшей мере один дополнительный резонатор, размещенный в корпусе коаксиально первому.

14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что дополнительный резонатор снабжен газосветной лампой непрерывного действия, выполненной в форме полого цилиндра, размещенного коаксиально полому цилиндрическому активному элементу этого резонатора.

15. Устройство по п.10, отличающееся тем, что вне пределов резонатора со стороны частично прозрачного зеркала соосно с полым цилиндрическим активным элементом с возможностью совершать возвратно-поступательное движение вдоль своей оси размещен элемент, концентрирующий лазерное излучение, представляющий собой усеченный параболоид вращения, обращенный большим основанием в сторону резонатора, диаметр большего основания которого равен наружному диаметру полого цилиндрического активного элемента, а диаметр меньшего основания равен внутреннему диаметру полого цилиндрического активного элемента, при этом внутренняя поверхность параболоида выполнена с высоким коэффициентом отражения и ее фокус лежит вне пределов устройства.

16. Устройство по пп.9 и 13, отличающееся тем, что вблизи по меньшей мере одного зеркала резонатора концентрично закреплен пассивный полосовой конический фильтр, выполненный в виде усеченного полого конуса из прозрачного материала со стенкой постоянной толщины, покрытой с каждой стороны частично прозрачным слоем, угол при вершине конуса и толщина стенки выполнены соответствующими заданной частоте выделяемой моды ТЕМ₀₀ и оптической длине резонатора, диаметр меньшего основания конуса равен внутреннему диаметру полого цилиндрического активного элемента, а диаметр большего основания равен внешнему диаметру полого цилиндрического активного элемента, при этом по меньшей мере одно зеркало закреплено в корпусе с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль оси резонатора.

17. Устройство по п.14, отличающееся тем, что между первым резонатором с газосветной лампой и дополнительным резонатором с газосветной лампой коаксиально с ними установлен экран, представляющий собой трубчатый элемент, по меньшей мере одна цилиндрическая поверхность которого выполнена с высоким коэффициентом отражения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9