RU2223579C2

RU2223579C2 - High-frequency excited gas laser

Info

Publication number: RU2223579C2
Application number: RU2001135962/28A
Authority: RU
Inventors: В.И. Юдин
Original assignee: Воронежский государственный технический университет
Priority date: 2001-12-27
Filing date: 2001-12-27
Publication date: 2004-02-10

Abstract

FIELD: quantum electronics; all-metal high-frequency excited disk gas lasers. SUBSTANCE: used as radiating head of laser is metal resonator whose capacitive section is presented by gap between metal mirrors of hybrid optical resonator and inductive section, by toroidal metal cavity. The latter encloses hybrid optical resonator mirrors over perimeter and forms, together with mirror-to-mirror gap, quasistationary toroidal radio-frequency cavity. Shape and size of the latter are chosen to tune radio-frequency cavity to pumping frequency. Energy of high-frequency electric pumping field concentrates in narrow mirror-to-mirror gap like in capacitor and at certain level causes breakdown in working gas mixture thereby transforming it into active state resulting in generation of induced radiation. EFFECT: prevented leakage of high-frequency pump energy into environment; simplified design and enhanced strength of laser. 1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании дисковых цельнометаллических газовых лазеров с высокочастотным возбуждением. The invention relates to quantum electronics and can be used to create disk all-metal gas lasers with high-frequency excitation.

Известен лазер (А. С. RU 2170483), являющийся прототипом предлагаемого изобретения и содержащий высокочастотный генератор накачки, устройство формирования поля накачки, активную среду и гибридный оптический резонатор, образованный двумя металлическими полностью отражающими соосными и софокусными зеркалами одинакового внешнего размера, из которых одно - вогнутое сферическое, а другое - составное тарельчатое. Зеркала, будучи металлическими, одновременно выполняют функции высокочастотных электродов и подключены к противоположным полюсам высокочастотного генератора накачки. A well-known laser (A. S. RU 2170483), which is the prototype of the present invention and contains a high-frequency pump generator, a pump field formation device, an active medium and a hybrid optical resonator formed by two metal fully reflecting coaxial and confocal mirrors of the same external size, of which one is concave spherical, and another - composite dish-shaped. Mirrors, being metallic, simultaneously perform the functions of high-frequency electrodes and are connected to opposite poles of a high-frequency pump generator.

В известном лазере устройство, концентрирующее поле накачки в зазоре между зеркалами-электродами, является открытым как в электромагнитном отношении, так и в отношении вакуумной герметичности. Поэтому лазер требуется помещать в отдельный достаточно сложный по конструкции герметичный корпус. Если последний негерметичен в электромагнитном отношении, то в окружающем лазер пространстве присутствует сильное поле на частоте накачки, так как мощность возбуждения обычно составляет сотни и даже несколько тысяч ватт. Это создает биологическую опасность для обслуживающего персонала и вызывает электромагнитные наводки в близко расположенной электронной аппаратуре. Конструкция лазера оказывается нежесткой, что снижает ее сопротивляемость внешним воздействиям. In the known laser, a device concentrating the pump field in the gap between the mirror electrodes is open both in electromagnetic terms and in terms of vacuum tightness. Therefore, the laser must be placed in a separate, quite complex in design, sealed enclosure. If the latter is electrically leaky, then in the space surrounding the laser there is a strong field at the pump frequency, since the excitation power is usually hundreds or even several thousand watts. This creates a biological hazard for the operating personnel and causes electromagnetic interference in closely located electronic equipment. The laser design is non-rigid, which reduces its resistance to external influences.

Отмеченные недостатки обусловлены конструкцией устройства формирования поля накачки лазера-прототипа. The noted disadvantages are due to the design of the device for forming the pump field of the laser prototype.

Предлагаемое изобретение направлено на исключение утечки высокочастотной энергии накачки в окружающее пространство, упрощение конструкции лазера и придание ей повышенной прочности. The present invention is aimed at eliminating the leakage of high-frequency pump energy into the surrounding space, simplifying the design of the laser and giving it increased strength.

Эта задача решается благодаря тому, что в предлагаемом лазере металлические зеркала оптического резонатора окаймлены по периметру тороидальной металлической полостью, форма и размеры которой выбраны так, что полость вместе с межзеркальным зазором образует тороидальный радиорезонатор, частота собственных колебаний которого равна частоте накачки лазера. This problem is solved due to the fact that in the proposed laser the metal mirrors of the optical resonator are bordered around the perimeter by a toroidal metal cavity, the shape and dimensions of which are chosen so that the cavity together with the inter-mirror gap forms a toroidal radio resonator, whose natural oscillation frequency is equal to the laser pump frequency.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показано осевое сечение лазера; на фиг.2 - его характерные размеры. The invention is illustrated by drawings. Figure 1 shows the axial section of the laser; figure 2 - its characteristic dimensions.

Лазер содержит высокочастотный генератор накачки 1, коаксиальный кабель 2, устройство ввода высокочастотной энергии накачки 3, корпус излучателя 4, тороидальную полость 5, межзеркальный зазор 6, сферическое вогнутое зеркало 7, выпуклое сферическое зеркало 8, кольцевое плоское зеркало 9, выходное окно 10. Сферические поверхности зеркал 7,8 имеют общий фокус F и одинаковый угловой размер 2φ. Зеркала 8 и 9 образуют составное тарельчатое зеркало. Его внешний размер равен размеру 2a вогнутого сферического зеркала 7. The laser contains a high-frequency pump generator 1, a coaxial cable 2, a high-frequency pump energy input device 3, an emitter housing 4, a toroidal cavity 5, an inter-mirror gap 6, a spherical concave mirror 7, a convex spherical mirror 8, an annular plane mirror 9, an output window 10. Spherical the surfaces of 7.8 mirrors have a common focus F and the same angular size 2φ. Mirrors 8 and 9 form a composite disk mirror. Its external size is equal to the size 2a of the concave spherical mirror 7.

Лазер действует следующим образом. Энергия, вырабатываемая высокочастотным генератором 1, с помощью коаксиального кабеля 2 и устройства связи 3 вводится в объем излучателя 4, образованный тороидальной полостью 5 и межзеркальным зазором 6. Внутренний объем излучателя представляет собой тороидальный радиорезонатор. Этот резонатор относится к классу квазистационарных, так как при d<<a энергия высокочастотного электрического поля накачки концентрируется в узком зазоре 6, как в конденсаторе, а энергия высокочастотного магнитного поля - в тороидальной полости 5. Частота основного колебания тороидального резонатора определяется его характерными размерами. Например, для тороида прямоугольной формы сечения размерами a, R, d, h [1]
f_рез = (1/πa)•(d/2εμhln(R/a))^1/2,
где ε,μ - абсолютные диэлектрическая и магнитная проницаемости среды, заполняющей объем резонатора.The laser operates as follows. The energy generated by the high-frequency generator 1, through a coaxial cable 2 and a communication device 3 is introduced into the volume of the emitter 4, formed by a toroidal cavity 5 and the inter-mirror gap 6. The internal volume of the emitter is a toroidal radio resonator. This resonator belongs to the quasistationary class, since at d << a the energy of the high-frequency electric field of the pump is concentrated in a narrow gap 6, as in a capacitor, and the energy of the high-frequency magnetic field is in the toroidal cavity 5. The frequency of the main oscillation of the toroidal resonator is determined by its characteristic dimensions. For example, for a rectangular toroid of cross-section with dimensions a, R, d, h [1]
f _cut = (1 / πa) • (d / 2εμhln (R / a)) ^1/2 ,
where ε, μ are the absolute dielectric and magnetic permeabilities of the medium filling the cavity volume.

Подбором характерных размеров легко добиться настройки тороидального радиорезонатора на частоту накачки:
f_рез=f_нак.By selecting the characteristic dimensions, it is easy to tune the toroidal resonator to the pump frequency:
f _rez = f _nak .

Весь объем излучателя заполнен смесью рабочих газов до заданного давления. При резонансной настройке тороидального резонатора излучателя и повышении уровня мощности накачки до значения, достаточного для электрического пробоя межзеркального зазора d, рабочая газовая смесь возбуждается и переходит в активное состояние. Активная среда сосредоточена в объеме межзеркального зазора 6. Качество зеркальных поверхностей 7, 8, 9 и коэффициент усиления активной среды подбираются так, чтобы с учетом полезной мощности выходного пучка поддержать режим генерации индуцированного излучения, энергия которого выводится через выходное окно 10. Замкнутый жесткий металлический корпус излучателя обеспечивает, с одной стороны, виброударопрочность лазера, а с другой стороны - электромагнитную экранировку внутреннего объема, гарантируя отсутствие утечки энергии накачки. Отпадает также необходимость в специальном внешнем корпусе лазера, что упрощает его конструкцию. The entire volume of the emitter is filled with a mixture of working gases to a predetermined pressure. When the toroidal resonator of the emitter is resonantly tuned and the pump power level is increased to a value sufficient for electrical breakdown of the inter-mirror gap d, the working gas mixture is excited and goes into an active state. The active medium is concentrated in the volume of the inter-mirror gap 6. The quality of the mirror surfaces 7, 8, 9 and the gain of the active medium are selected so that, taking into account the useful power of the output beam, support the generation of induced radiation, the energy of which is output through the output window 10. A closed hard metal case the emitter provides, on the one hand, the vibration resistance of the laser, and on the other hand, the electromagnetic shielding of the internal volume, ensuring no leakage of pump energy. There is also no need for a special external laser housing, which simplifies its design.

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

Источники информации
1. В. В. Никольский. Теория электоромагнитного поля. М.: Высшая школа, 1961, с.326.Sources of information
1. V.V. Nikolsky. Theory of the electromagnetic field. M.: Higher School, 1961, p. 326.

Claims

A gas laser including a high-frequency pump generator, a device for generating a pump field, an active medium, and a hybrid optical resonator formed by coaxial and confocal metal mirrors, one of which is concave spherical and the other a composite dish-shaped one, characterized in that the mirrors are bordered around the perimeter of the toroidal metal cavity, the shape and dimensions of which are selected so that the cavity together with the inter-mirror gap forms a toroidal resonator tuned to the pump frequency.