Частотно-стабилизированный газовый лазер

Полезная модель относится к области технической физики и может быть использована для создания лазеров, используемых в интерференционных устройствах.

Лазер содержит последовательно расположенные и оптически связанные активный элемент 3 с внутренними выходным 4 и глухим 5 зеркалами, двулучепреломляющую призму 6 и фотоприемник 7, соединенный со входом системы АПЧ, выход которой подключен к элементу управления частотой 10. Входная поверхность двулучепреломляющей призмы 6 выполнена сферической, радиус кривизны которой составляет Rh/3, где h - длина призмы.

Кроме того, со стороны выходного зеркала 4 установлена дополнительная двулучепреломляющая призма 8, выходная грань которой частично закрыта шторкой 9, обеспечивающей одночастотный режим работы лазера.

Стабильность частоты достигается снижением шумовой засветки фотоприемников 7, за счет того, что каждый расщепленный пучок 1, 2 фокусируется на одну площадку «а» или «b» фотоприемника 7.

Полезная модель относится к области технической физики и может быть использована для создания частотно-стабилизированных лазеров с повышенной стабильностью частоты для интерферометрии.

Известен частотно-стабилизированный лазер, содержащий активный элемент, двулучепреломляющую пластину, расположенную вне резонатора и систему обратной связи. В контуре обратной связи, имеющем два торцевых отражателя для получения генерации выходного пучка с двойной поляризацией имеется также расщепитель луча. Часть выходного пучка отклоняется расщепителем на призму Воллостона, где она делится на два пучка с разной поляризацией. Каждый из пучков направляется на оптический детектор. С выхода детектора амплитуды обоих пучков сравниваются компаратором, который вырабатывает сигнал ошибки, приводящий в действие элемент подстройки частоты, соединенный с зеркалом лазера (см. пат. США №3588726, кл.331-94.5, опубл.28.06.71 г.)

Недостатком этого устройства является наличие фазового элемента для получения двух ортогональных поляризаций. Это делает лазер нестабильным по мощности излучения и оптической частоте.

Известен газоразрядный частотно-стабилизированный лазер, содержащий активный элемент с внутренними зеркалами, излучающий две ортогонально поляризованные компоненты, призму-расщепитель луча, имеющую две грани с поляризационным покрытием, причем одна из граней пропускает горизонтальную поляризацию излучения и отражает вертикальную, а другая пропускает вертикальную и отражает горизонтальную поляризацию. С выхода призмы две составляющие излучения поступают на два фотоприемника, сигналы с которых сравниваются. (См. Seta Katuo, Iwasaki Shigeo, Frequency Stabilization of He-Ne laser unsign a thin film heater coated on the laser tube, -Оpt. Commun., 1985, vol.55, N 5, p.367-369.)

Недостатком этого устройства является низкая стабильность частоты из-за влияния прямого и рассеянного отражения излучения, а также уход частоты из-за нестабильности оси диаграммы направленности.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является частотно-стабилизированный лазер, содержащий последовательно расположенные и оптически связанные активный элемент, двулучепреломляющую призму и систему фотоприемников, соединенную со входом системы АПЧ, выход которой подключен к элементу управления частотой, расположенному на боковой поверхности активного элемента. Двулучепреломляющая призма выполнена таким образом, что одна или обе торцевые грани наклонены к оси резонатора под углом

=90°-arc sin h×n_необ./×(n_необ.-n_об. )sin²,

при этом, расстояние от наружной поверхности призмы до торца зеркала

l=L/(2n+1), где

L - длина резонатора;

n - 1, 2, 3...;

h - длина призмы;

n _необ - коэффициент преломления необыкновенного луча;

n_об - коэффициент преломления обыкновенного луча;

- длина волны излучения;

- угол между оптической осью призмы и осью активного элемента;

(См. РФ пат. 1407367, кл. НО1S 3/13, опубл.30.08.92 г. - прототип)

Недостатком прототипа является наличие паразитной засветки (шумов) на одной из площадок фотоприемника от другого (расщепленного) луча. Как показано на фиг.1а, при недостаточно большой длине призмы (20 мм), расстояние между двумя пучками не превышает (1,33 мм) (см. http\\.www.elan.spb.ru) расхождение пучков d ₁=0,1h, 1,2-пучки излучения попадающие на площадки фотоприемника. (ФД-19К, четырехсекторный).

Площадки фотоприемника «а» и «b» имеют общий минус, а излучение лазера пучки «1» и «2» создают фототок соответственно на площадках «а» и «b», т.к. расхождение d пучков ограничивается длиной призмы и соответственно габаритами устройства, то при включении лазера на рабочей площадке «а» кроме полезного излучения от пучка «1» оказывается часть «паразитного» сигнала от пучка «2».

Задачей настоящей полезной модели является создание частотно-стабилизированного газового лазера с повышенной стабильностью частоты, за счет снижения шумовой засветки, обеспечиваемой уменьшением диаметров лазерного пучка на поверхности фотоприемника, а также создание одночастотного режима работы лазера, за счет использования дополнительной призмы и шторки.

Технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в известном частотно-стабилизированном газовом лазере, содержащем последовательно расположенные и оптически связанные активный элемент с внутренними, выходным и глухим зеркалами, двулучепреломляющую призму и фотоприемник, соединенный со входом системы автоматической подстройки частоты (АПЧ), выход которой подключен к элементу управления частотой, входная поверхность двулучепреломляющей призмы выполнена сферической, радиус кривизны которой составляет Rh/3, где h - длина призмы. Кроме того, лазер отличается тем, что со стороны выходного зеркала лазера установлена дополнительная двулучепреломляющая призма, выходная грань которой частично закрыта шторкой.

Двулучепреломляющая призма, со сферической входной поверхностью, является одновременно расщепителем пучка и линзой, которая фокусирует излучение на приемные площадки «а» и «b», что позволяет повысить стабильность частоты не повышая габаритов устройства в целом, а только за счет того, что каждый пучок 1, 2 расщепленного излучения попадает только на свою площадку фотоприемника.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленной полезной модели, а определение из перечня аналогов прототипа, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленная полезная модель соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.

На Фиг.1а, б - показана схема попадания поляризованных компонентов на приемные площадки «а», «b» фотоприемника: а - для прототипа, б - для заявляемой полезной модели.

На Фиг.2 схематически представлен общий вид частотно-стабилизированного лазера предлагаемой конструкции.

На Фиг.3 представлен вид со стороны глухого зеркала.

Приводим сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели. 1, 2 - пучки расщепленного лазерного излучения. Лазер содержит активный элемент 3 с внутренними зеркалами: выходным 4 и глухим 5, двулучепреломляющую призму-расщепитель луча 6, фотоприемник 7, дополнительную двулучепреломляющую призму-расщепитель луча 8, установленную на выходе лазера, выходная грань которой частично закрыта шторкой. Входные торцевые поверхности обоих призм образуют угол с осью активного элемента. Фотоприемник 7 соединен со входом системы АПЧ, выход которой

подключен к элементу управления частотой, например, спираль нагревательного элемента 10. Входной торец фотоприемника 7 устанавливается на расстоянии l от торца глухого зеркала 5. Одновременно: l - это расстояние от источника света до изображения, которое должно быть на площадках фотоприемника «а», «b»; h - длина призмы и расстояние от изображения до линзы - (входная сферическая поверхность двулучепреломляющей призмы); f - фокусное расстояние сферической поверхности; Согласно (см. Ландсберг Г.С., Оптика, «Наука», М, 1976 г., с 282-284.; Яворский Б.М. «Справочник по физике», Наука, М. 1964 г. с.572; Физическая энциклопедия, М., «Советская энциклопедия», 1990 г., с.591)

Используя формулу толстой линзы, где h - длина толстой линзы, R - радиус кривизны толстой линзы:

1/f=(n ₂-1)×(1/R₂-1/R ₁)+(n₂-1)²×d/n ₂×R₂R₁

Для призмы со сферической поверхностью:

d - толщина призмы

R₂=

1/f=(n₂-1)×(1/R ₁)

Для сферической поверхности справедливо выражение

s - расстояние от торца глухого зеркала до сферической поверхности призмы (расстояние от источника света) 0

d - расстояние от сферической поверхности до изображения (длина призмы h), тогда получается, что f=d=h

Для лазера следует считать, что источник света не точечный, а излучает параллельные пучки (источник света находится в бесконечности) и в этом случае справедливо выражение

(для случая n₂=1,5)

n ₁=1 (воздух)

d=3 R₁

В нашем случае s<h, а hd тогда в соответствие с формулой (3)

Rh/3.

Вторая призма 8 - расщепитель выходного пучка используется для разнесения двух поляризованных компонент лазерного излучения. При этом, шторка 9 позволяет перекрыть один из пучков, обеспечивая одночастотный режим работы лазера.

Следует отметить, что обе призмы 6 и 8 должны располагаться под углом близким к 3° к нормали волнового фронта пучка, что позволяет избежать шумового влияния обратного отражения от призм.

Приводим пример конкретной реализации полезной модели.

Радиус кривизны линзы (входной сферической поверхности линзы) составляет Rh/3. Расстояние от глухого зеркала до фотоприемника составляет не более 20 мм, что выбирается из условия снижения габаритов прибора, тогда R₁6,7 мм, а

f6,7/(1,5-1)13,3 мм

При f13,3 мм расхождением пучков d₁=0,1×h (d₁1,33), где d₁ - расстояние между поляризованными пучками. Таким образом, расхождение пучков Фиг.1-б и составляет 1,33 мм (в случае сфокусированных пучков). Таким образом, предлагаемая полезная модель лазера позволяет снизить уровень паразитных шумов и получить более высокие значения стабильности частоты и мощности излучения. Данная полезная модель может быть использована при разработке лазеров, применяемых в интерференционных устройствах.

Приведенный пример показывает, что заявленная полезная модель соответствует требованию «промышленная применимость по действующему законодательству».

1. Частотно-стабилизированный газовый лазер, содержащий последовательно расположенные и оптически связанные активный элемент с внутренними, выходным и глухим зеркалами, двулучепреломляющую призму и фотоприемник, соединенный со входом системы автоматической подстройки частоты, выход которой подключен к элементу управления частотой, отличающийся тем, что входная поверхность двулучепреломляющей призмы выполнена сферической, радиус кривизны которой составляет Rh/3, где h - длина призмы.

2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что со стороны выходного зеркала лазера установлена дополнительная двулучепреломляющая призма, выходная грань которой частично закрыта шторкой.