SU736237A1 - Волноводный газовый лазер - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к квантовой электронике и может использоватьс  при создании волноводных газовых лазеров с оптической накачкой, нашедших применение в спектроскопии и лазерной интерферометрии. Известны газовые лазеры субмиллиметрового диапазона, включающие источник накачки и резонатор волноводкого типа, заполненный активным газом Резонатор образован многоволновым волноводом, торцы которого срезаны перпендикул рно оси волновода, и двум  зеркалами, расположенными у торцов перпендикул рно оси волновода . Недостатком таких лазеров  вл етс  нест,абильность выходной мощности и формы диаграммы направленности выходного излучени  из-за возможности BO3никновени  генерации на многих собственных волнах используемого в резонаторе многоволнового волновода. Известен волноводный газовый лазер , содержащий источник оптической накачки и резонатор, образованный многоволновым пр моугольным волноводом , заполненным активной средой, и зеркалами, расположенными у торцов волновода 2. Б таком устройстве возле каждого волновода установлено одно зеркало, плоскость которого перпендикул рна оси волновода. Перестройка длины волны генерации осуществл етс  перемещением зеркала. При этом наблюдаетс  генераци  на многих собственных волнах пр моугольного волновода. Установка зеркал перпендикул рно оси волновода  вл етс  недостатком таких устройств, привод щим в р де случаев к ухудшению характеристик лазера . Селекци  типа колебаний волноводного резонатора в таких лазерах осуществл етс  изменением его длины. В результате, при случайном совпадении резонансной длины одновременно на р де мод, при тепловых уходах длины резонатора или при перестройке на другую рабочую волну перемещением одного из зеркал выходна  мощность, ширина диаграммы направленности и распределение пол  в выходном излучении посто нно мен ютс  из-за перескоков генерации с одного типа колебаний на другой. Ввод излучени  накачки вдоль оси волновода, выгодный с точки зрени  уменьшени  потерь на стенках волновода , затруднен при таком расположении зеркал, так как они перекрывают апертуру волновода. Затруднено получение нескольких лазерных пучков с: одинаковыми параметрами в широком диапазоне дл  использовани  в лазерных интерферометрах. Цель изобретени  - повышение CTSi,бильности мощности и формы диаграм1.Ы направленности выходного излучени  за счет создани  одноволнового режима генерации на высшей моде; повышение эффективности ввода излучени  накачки вдоль оси волновода; получение нескольких лазерных пучков с одинаковы1 1и параметрами, Дл  этого, по крайней мере, у одного из торцов волновода симметрично относительно его оси установлено р зеркал под углами 90° - б m,n к оси вОлновода, при этом величина угла &й1,п определ етс  из соотношени  ,п arc SinJf : A.Vf.lA-V., где m и / / п - индексы выдел емой волны; а к в поперечные размеры стенок волновода; Л- длина волны генерации, а величи на р 2, если m О или п О, и Р 4 , если одновременно ni,n - О, На чертеже изображен предлагаемый ;1азер, предназначенный дл  работы на одной из высших волн типа Нгп, о (или Но,п) . Он содержит многоволновой пр моугольный () волновод 1р зеркс.ло 2, перпендикул рное оси волновода, Зеркала 3 и 4, установленные под углом 90°-Qm,o к оси волновода, источ йик 5 инфракрасной накачки активного Раза, заполн ющего волновод, На че ртеже также обозначены; излучение 6 накачки; выходное излучение 7; а. -ширина стенки волновода,.перпендикул рной электрическому вектору Е пол  волны, распростран ющейс  по волново ду; а - ширина эффективного излучающего отверсти  волновода; г - Сасст  ние от плоскости зеркал 3 и 4 г:о ос волновода; 0т,о - угол межд,у нстрав лением распространени  плоских парциальных волн и осью волновода; i - размер апертуры дл  ввода излучени  накачки; г, - минимально возможное рассто ние от поверхности зеркал до оси волновода, при котором-перекрыва етс  вс  эффективно излучающа  апер ра а .. Лазер работает следующим образом При накачке в волноводе 1 возникают волгы, принадлежащие разли-чным :золн водным типам колебаний. Любую из вол типа Hs,o можно представить в виде суперпозиции двух плоских парциальн волн, распростран юйдихс  по волново под углом -9s,о arc Sin (SA/2a) к оси волновода. Волны, бегущие в сторону зеркала 2, отражаютс  от него и попадают об атно в волновод, независимо от типа ОЛНЫ, т, е, от индекса S. Парциальые плоские волны, распростран ющие  в сторону левого по схеме конца олновода, излучаютс  под углами 8s,о к оси волновода, причем макимумы излучени  парциальных волн ем ближе к этим направлени м, чем очнее выполн етс  условие , Так как зеркала 3 и 4 установлены под углами 90 -0т, о к оси волновода .перпендикул рно направлению излучени  парциальных волн с индексами т,о, эти волны, отража сь от зеркал 3- и 4, попадают обратно в волновод . Дл  волн с про-извольным индексом S, не равным т, зеркала 3 и 4 оказываютс  разъюстированными. Отражение этих волн обратно в волновод происходит с потер ми. Таким образом, зеркала, установленные под углом 90° -0т,о, вьщел ют заданную волну типа Н.т,о. Генерацию на данной волне можно получить, настроив резонатор по длине перемещением зеркала 2 (на чертеже обозначено стрелкой под зеркалом 2). Настройку по длине можно осуи,ествить также одновременным перемещением зеркал 3 и 4. Дл  вьщелени  генерации на одной из высших волн типа Но,п ) зеркала 3 и 4 необходимо установить под углом 9 о - бо,п, где -б о, п arc. Sin (пЛ./2в) , где в - поперечный размер стенки волновода, перпендикул рной плоскости рисунка. Плоскости зеркал 3 к 4 должны быть -установлены перпендикул рно направлени м излучени  парциальных волн,, которые лежат теперь в плоскости, перпендикул рной плоскости рисунка. Дл  получени  генерации на волнах высших, типов Нт,п при m т О и п О одновременно, необходима установка возле торца волновода четырех зеркал , под углами ЭО - &ш,п к оси волноводе , причем их поверхностей должны быть перпендикул рны направлени м .излуче1 ,и  -четырех парциальных плоских волн, участвующих в образовании волн Нш,п. Угол вт,п определ етс  соотношением Ы fe-T Г-(.и агс%1м Рассмотрим пример реализации устройства в субмиллиметровом диапазоне длин золн. Пусть задано а 1 см, Л- 0,5 мм, выдел ема  волна Угол 0т, о arc Sin(mA/2a) 14)5. Размер каждого из зеркал 3 и 4 должен быть вз т не меньше а aCos6m,o- Of 98. Минимально возможное рассто ние от поверхности зеркал до оси волновода , при котором перекрываетс  вс  эффективно излучающа  апертура а , найдем из соотношени  ,, a/2tg m,o -. .lf93 см.Поверхность зеркал может

ъйГть близкой к плоской, если г меньш размера ближней зоны, т. е., если ориентировочно г(а )/2А. 9,5 см.

В общем случае волн Нт,о (или Но, поверхность зеркал 3 и 4 может быть плоской или близкой к плоской, если (а )/2 А.-Подставл   сюда соотношени  дл  и можно получить что неравенство выполн етс , если m 2.

Оценим эффективность достижени  поставленной цели - повышение стабилности и мощности и формы диаграммы направленности выходного излучени  путем получени  одноволновой генерации на заданной высшей моде.

Использование двух или четырех зеркал позвол ет получить генерацию только на волнах типа Нт,о и Но,п (два зеркала) или типа Hm,n (четыре зеркала). Разделение генерации на волнах типа Нт,о от генерации на вол уах типа Но,п осуществл етс  установкой двух зеркал под углами 90° - 0ni,o или 90° -&о,пк оси волновода перпендикул рно направлению излучени  парциальных волн, т. е, установкой плос кости зеркал либо перпендикул рно стенке а (как на чертеже), либо перпендикул рно стенке t) волновода.

Оценим эффективность разделени  волн одного типа с блйзки ш индексами . Если угол установки зеркал равен 90° -0т,о, то их углова  разъюстировка дл  волн с другим индексом S 7 m оказываетс  равной А& , гдел© jOvrirHjO -0m,о arcSin((m + 1)Л / /2а - arc Sin (m V2-a) А/2а дл  типичного случа  а 1 см и Л 0,5 мм Лв 1,5° .

При значени х а/Л 20 углова  разъюстировка 1,5° поиводит по оценкам к потер м пор дка 5-10 дБ.

Достигнутые в насто щее врем  коэффициенты усили  на метр в непрерывном режиме генерации активных в субмиллиметровом диапазоне сред существенно меньше этих потерь.

Таким образом, в предлагаемом уст .ройстве генераци  может иметь место только на одной заданной волне. Это обеспечивает получение посто нных значений мощности генерации и формы диаграммы направленности при изменени  длины резонатора.

Кроме того, подбором рассто ни  г от зеркала до волновода можно обеспечить необходимую апертуру g дл  ввда излучени  накачки. Материал и форма окна дл  ввода излучени  накачки могут быть выбраны независимо от диапазона длин волн генерации лазера.

Вывод  излучение через зеркаша 3 и 4, можно получить два совершенно идентичных пучка в широком диапазоне длин волн без использовани  дополнительных делителей и ослаблени  мощности .

Claims (2)

1.Патент США 3835416, кл. 331-94,5, 1974.

2.М. S. Tobin, R. Е. aensen,-ApP( Opt. 15, 1976, p. 2023 (прототип).

-t: