RU2170483C2

RU2170483C2 - High-frequency excited gas laser

Info

Publication number: RU2170483C2
Application number: RU96119638A
Authority: RU
Inventors: Н.В. Архипова; В.И. Юдин
Priority date: 1996-09-30
Filing date: 1996-09-30
Publication date: 2001-07-10

Abstract

FIELD: quantum electronics; wavelength-adjusted high-power lasers. SUBSTANCE: laser has hybrid optical cavity formed by round spherical and composite disk- type metal mirrors. Spherical areas of mirrors (one concave and other convex) are focused and their angular dimensions are equal. One of mirrors has output window along its axis and other one has hole that receives diffraction grating. The latter is mounted in self-collimating manner and turns relative to cavity axis. Metal mirrors are connected to high-frequency pump and function as electrodes with gap between them wherein discharge is maintained, active medium is produced, and radiation beams are generated. EFFECT: provision for wavelength- adjustable radiation and for maintaining spatial coincidence during adjustment; enhanced power of laser. 2 dwg

Description

Предлагаемое устройство относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании перестраиваемых по длине волны газовых лазеров повышенной мощности излучения. The proposed device relates to quantum electronics and can be used to create tunable wavelengths of gas lasers with increased radiation power.

Известен лазер (А. С. SU 782676), являющийся прототипом предлагаемого изобретения и содержащий высокочастотный генератор накачки, устройство формирования поля накачки, активную среду и оптический резонатор. В известном лазере отсутствует перестройка длины волны выходного излучения, а продольный размер его велик. Отмеченные недостатки обусловлены типом оптического резонатора и конструкцией устройства формирования поля накачки лазера-прототипа. A known laser (A. S. SU 782676), which is the prototype of the present invention and contains a high-frequency pump generator, a device for generating a pump field, an active medium and an optical resonator. In the known laser there is no tuning of the wavelength of the output radiation, and its longitudinal size is large. The noted disadvantages are due to the type of optical resonator and the design of the device for forming the pump field of the laser prototype.

Предлагаемое изобретение направлено на осуществление перестройки длины волны выходного излучения, пространственное совмещение выходных лучей лазера при работе на разных длинах волн и на повышение мощности одноволнового излучения. The present invention is directed to the implementation of the adjustment of the wavelength of the output radiation, the spatial combination of the output rays of the laser when operating at different wavelengths and to increase the power of single-wave radiation.

Эта задача решается благодаря тому, что в предлагаемом лазере оптический резонатор образован металлическими, полностью отражающими, круглыми, соосными и софокусными сферическим вогнутым зеркалом и составным тарельчатым зеркалом, содержащим центрального выпуклую сферического область одинакового со сферическим зеркалом углового размера и краевую область в виде плоского прилегающего к центральной области кольца, внешний диаметр которого равен диаметру сферического зеркала, причем зеркала соединены с противоположными полюсами генератора накачки, а в центре одного из них напротив выходного полупрозрачного окна имеется отверстие, за которым вне резонатора установлена поворачиваемая дифракционная решетка, настроенная на максимум отражения в минус первый порядок дифракции. This problem is solved due to the fact that in the proposed laser the optical resonator is formed by metal, fully reflective, round, coaxial and confocal spherical concave mirrors and a composite dish-shaped mirror containing a central convex spherical region of the same angular size as the spherical mirror and the edge region in the form of a plane adjacent to the central region of the ring, the outer diameter of which is equal to the diameter of a spherical mirror, the mirrors being connected to opposite poles of the generator pumping torus, and in the center of one of them opposite the exit of the translucent window there is a hole behind which a rotatable diffraction grating is installed outside the resonator, tuned to the maximum reflection in minus the first diffraction order.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 представлен общий вид лазера, на фиг. 2 - его продольное сечение. The invention is illustrated by drawings. In FIG. 1 shows a general view of the laser; FIG. 2 - its longitudinal section.

Лазер содержит герметичный корпус излучателя 1, заполненный рабочей газовой смесью; оптический резонатор, состоящий из металлического сферического зеркала 2 с осевым отверстием 3 и составного зеркала тарельчатого вида 4, имеющего краевую кольцевую область 5 и центральную сферическую область 6 с выходным окном 7; высокочастотный генератор накачки 8; коаксиальный кабель 9; дифракционную решетку 10 и устройство поворота решетки 11. Сферические поверхности зеркал имеют общий фокус F и одинаковый угловой размер 2α. Диаметр сферического зеркала - 2a, диаметр центральной области тарельчатого зеркала - 2b, внешний диаметр краевой кольцевой области - 2c. The laser contains a sealed housing of the emitter 1, filled with a working gas mixture; an optical resonator consisting of a metal spherical mirror 2 with an axial hole 3 and a composite plate-shaped mirror 4 having an edge annular region 5 and a central spherical region 6 with an exit window 7; high-frequency pump generator 8; coaxial cable 9; the diffraction grating 10 and the device for rotating the grating 11. The spherical surfaces of the mirrors have a common focus F and the same angular size 2α. The diameter of the spherical mirror is 2a, the diameter of the central region of the disk-shaped mirror is 2b, and the outer diameter of the edge annular region is 2c.

Лазер действует следующим образом. Генератор накачки 8 вырабатывает высокочастотную электромагнитную энергию, которая по коаксиальному кабелю 9 подводится к зеркалам 2 и 4. Оба зеркала - металлические, поэтому выполняют роль электродов. Зеркала-электроды находятся внутри герметичного металлического корпуса 1, объем которого заполнен рабочей газовой смесью. Расстояние l между зеркалами-электродами выбрано так, чтобы, во-первых, обеспечивалась софокусность сферических поверхностей зеркал 2 и 4 (2l=R₁-R₂, где R₁ - радиус кривизны зеркала 2, a R₂ - радиус кривизны сферической части зеркала 4), а во-вторых, чтобы при заданном давлении рабочей газовой смеси мощность подводимого поля накачки была достаточной для пробоя зазора l и возбуждения газовой смеси. Пространство между зеркалами-электродами оказывается заполненным активной средой. Поверхности зеркал-электродов, обращенные друг к другу, характеризуются высоким коэффициентом отражения, поэтому при возникновении индуцированного излучения, надлежащей юстировке зеркал 2 и 4 и при превышении усиления над потерями поддерживается режим генерации лазерного излучения. В неустойчивой зоне оптического резонатора, образованной зеркалом 2 и софокусной с ним сферической областью 6 тарельчатого зеркала 4, излучение растекается в поперечном направлении. Плоская кольцевая область 5, внешний диаметр которой 2c равен диаметру 2a зеркала 2, "перехватывает" излучение, отраженное от последнего, и возвращает его в резонатор. Таким образом, в "верхней" и "нижней" половинах резонатора (фиг. 2) поток мощности оптического излучения совмещает быстрое движение между зеркалами с медленным циклическим перемещением в поперечном направлении от оси к внешнему краю и обратно. Наличие отверстия 3 в зеркале 2 приводит к выходу изучения за пределы зазора l. При этом оно падает на отражательную дифракционную решетку (эшелетт) 10. Дифракционная решетка работает в автоколлимационном режиме и настроена на максимальное преобразование падающего на нее излучения в изучение минус первого порядка дифракции. Наклон рабочей поверхности дифракционной решетки к оси резонатора изменяется с помощью устройства поворота 11. Каждому значению угла наклона решетки β_i соответствует автоколлимационное отражение и возвращение в зазор между зеркалами изучения определенной длины волны λ_i. Поэтому при фиксированном угле β лазер генерирует излучение, имеющее конкретную длину волны λ. При изменении β происходит перестройка лазера по длине волны. За счет пропускания окошка 7 часть оптической мощности выводится из резонатора и формирует выходной луч лазера. Вследствие автоколлимационной установки дифракционной решетки выходное излучение на любой длине волны направлено вдоль оси лазера и характеризуется повышенным уровнем мощности изучения в связи с возросшим по сравнению с прототипом объемом активной среды, участвующей в усилении изучения.The laser operates as follows. The pump generator 8 generates high-frequency electromagnetic energy, which is supplied through the coaxial cable 9 to the mirrors 2 and 4. Both mirrors are metal, therefore, they act as electrodes. The mirror electrodes are located inside a sealed metal housing 1, the volume of which is filled with a working gas mixture. The distance between the mirrors l-electrodes is selected so that, firstly, protect the surfaces of confocal spherical mirrors 2 and 4 (2l = R ₁ -R ₂ where R ₁ - radius of curvature of the mirror 2, a R ₂ - radius of curvature of the spherical mirror portion 4), and secondly, for a given pressure of the working gas mixture, the power of the pumped input field is sufficient for breakdown of the gap l and excitation of the gas mixture. The space between the mirror electrodes is filled with an active medium. The surfaces of the mirror electrodes facing each other are characterized by a high reflection coefficient, therefore, when induced radiation occurs, the mirrors 2 and 4 are properly aligned, and when the gain exceeds losses, the laser radiation generation mode is maintained. In the unstable zone of the optical cavity formed by the mirror 2 and the spherical region 6 of the disk-shaped mirror 4 confocal with it, the radiation spreads in the transverse direction. The flat annular region 5, the outer diameter of which 2c is equal to the diameter 2a of the mirror 2, “intercepts” the radiation reflected from the latter and returns it to the resonator. Thus, in the "upper" and "lower" halves of the resonator (Fig. 2), the optical radiation power flux combines fast motion between the mirrors with slow cyclic movement in the transverse direction from the axis to the outer edge and back. The presence of holes 3 in the mirror 2 leads to the exit of the study beyond the gap l. In this case, it falls on a reflective diffraction grating (echelette) 10. The diffraction grating operates in the autocollimation mode and is configured to maximize the conversion of the radiation incident on it into a study minus the first diffraction order. The inclination of the working surface of the diffraction grating to the axis of the resonator is changed using the rotation device 11. Each value of the angle of inclination of the grating β _i corresponds to autocollimation reflection and return to the gap between the study mirrors of a certain wavelength λ _i . Therefore, at a fixed angle β, the laser generates radiation having a specific wavelength λ. When β changes, the laser is tuned along the wavelength. Due to the transmission of the window 7, part of the optical power is removed from the resonator and forms the output laser beam. Owing to the autocollimation setup of the diffraction grating, the output radiation at any wavelength is directed along the laser axis and is characterized by an increased level of study power due to an increase in the volume of the active medium in comparison with the prototype involved in enhancing the study.

Таким образом, в предлагаемом лазере устраняются все недостатки лазера-прототипа. Предлагаемый лазер может быть реализован на отечественной элементной базе и не содержит никаких дефицитных материалов. Thus, in the proposed laser eliminates all the disadvantages of the laser prototype. The proposed laser can be implemented on the domestic element base and does not contain any scarce materials.

Claims

A gas laser including a high-frequency pump generator, a pump field generating device, an active medium and a hybrid optical resonator, characterized in that the optical resonator is formed by metal, fully reflective, round, coaxial and confocal spherical concave mirrors and a composite dish-shaped mirror containing a central convex spherical region the same size as the spherical mirror and the edge region in the form of a plane ring adjacent to the central region, the outer diameter which is equal to the diameter of a spherical mirror, and the mirrors are connected to opposite poles of the pump generator, and in the center of one of them opposite the exit translucent window there is a hole behind which a rotatable diffraction grating is installed outside the resonator, tuned to the reflection maximum minus the first diffraction order.