Способ определения характеристик волноводных составляющих излучения газового лазера

 

Использование: изобретение относится к лазерной технике. Сущность изобретения: излучение лазера направляют на спектральный прибор, выделяют и регистрируют отдельные компоненты спектра излучения лазера, перестраивают частоту на величину V_п (V_м)_р , регистрируют моменты появления излучения на лазерных переходах, определяют межмодовый интервал (V_м)_э , сравнивают его с (V_м)_р и находят волноводные составдяющие. 1 ил.

Способ относится к квантовой электронике и может быть использован в методах по диагностике параметров излучения газового лазера и в задачах по оптимизации параметров установок.

Известен способ, позволяющий определить наличие волноводных составляющих излучения, основанный на регистрации мощности выходного излучения лазера, выбранный в качестве прототипа. Данный метод применяется в многомодульных лазерах, выходная мощность которого измеряется при работе со всеми модулями и с половиной. Волноводные составляющие определяются по сравнению мощности излучения лазера, полученный при различных схемах подключения модулей к работе. К ограничению метода можно отнести его непригодность в одномодульных лазерах, а также невозможность выделения различных компонент волноводных составляющих.

В одномодульных лазерах для определения волноводных составляющих можно применить способ, основанный на измерении распределения интенсивностей на различном расстоянии от выходного зеркала. Однако, при этом следует разделить волноводные составляющие от дифракционной расходимости. При выполнении такой задачи будет определяться факт присутствия волноводной составляющей, но не их частотный состав.

Целью изобретения является определение частотных характеристик волноводных составляющих в излучении лазера.

Цель достигается направлением излучения на спектральный прибор, выполнением и регистрацией отдельных компонент спектра излучения лазера, перестройкой, частоты на величину V_п(V_м)_p, регистрацией первого, второго и дальнейших моментов появления излучения на отдельных колебательно-вращательных или иных лазерных переходах, определением экспериментально измеренного межмодового интервала (V_м)_э сравнением его с ( V_м)_р и нахождением волноводной составляющей излучения, где V_п- интервал перестройки частоты продольной моды резонатора; ( V_м)_р = С/L2 - расчетная величина межмодового промежутка; С - скорость света; L - длина резонатора по оси трубки.

На чертеже показан пример устройства, с помощью которого может быть осуществлен способ.

Устройство состоит из лазера 1, герметичной камеры 2, зеркал резонатора лазера 3, герметичного окна 4, фокусирующей линзы 5, селектора излучения 6, спектрального прибора 7 с системами визуализации 8 и регистрации спектра 9, устройства регулировки давления газа 10, датчика давления 11.

Способ осуществляется следующим образом. Включают лазер и получают генерацию излучения. Направляют излучение на прибор 7 и регистрируют спектр на системе 9. Изменяют давление воздуха в камере 2 и фиксируют его величину на приборе 9, по которому определяют разность давления между первым и последующими появлениями в излучении отдельных колебательно-вращательных переходов, определяющих экспериментально измеренный межмодовый интервал. Сравнивают полученную величину с расчетной и оценивают различные компоненты волноводных составляющих.

При реализации метода интервал перестройки частоты продольной моды должен удовлетворять неравенству V_п(V_м)_p . Его выполнение обусловлено тем, что в излучении будут наблюдаться как волноводные, так и прямые составляющие. При условии равенства V_п=(V_м)_p определяются прямые составляющие, а по расчетной величине (V_м)_р и экспериментальной ( V_м)_э проверяется точность применения метода перестройки для измерения ширины. Однако в некоторых случаях генерация на переходе может возникнуть в середине цикла перестройки, что приводит к необходимости превышения интервала перестройки над расчетной величиной ( V_м)_р. По-видимому, при выполнении условия V_п2(V_м)_p, независимо от момента появления перехода в излучении при перестройке частоты поставленная задача будет выполняться.

На чертеже представлен пример осуществления способа в многоканальном СО₂-лазере ЛН-1, 2НМ-И1.

В данном случае для перестройки частоты излучения лазера былд выбран один из самых точных, но одновременно простых в осуществлении методов - пневматический. Для сканирования частоты излучения в резонатор лазера помещается камера, герметичная от основного рабочего газа лазера, в которой изменяется давление постороннего газа, например воздуха. Интервал перестройки частоты определяется длиной резонатора по оси трубки, участком камеры по длине резонатора, в котором изменяется давление газа и перепадом давления. В указанном примере эти величины были соответственно равны 3,2 м, 0,04 м, 1 атм, что обеспечивало перестройку частоты на величину 90 МГц, при расчетном межмодовом интервале 47 МГц. Соотношения приведенных интервалов позволяли надежно реализовать методику. При этих условиях, для прямых составляющих генерация на каждом из наблюдаемых переходах не может появляться дважды.

В зависимости от условий работы лазера получено две группы межмодовых интервалов. Первая, равная 44,55,4 МГц и постоянно присутствовавшая в излучении лазера, характеризует прямые составляющие излучения. Данный интервал совпадает с теоретически рассчитанной величиной межмодового интервала. Вторая группа имеет межмодовый интервал 24,5 1,5 ГМц, характеризует волноводные составляющие с длиной резонатора 6 м. Число появлений данной группы по отношению к общей серии составляло 10%. Приведенные данные относятся к условиям, когда в излучении постоянно наблюдается только один переход. В тех случаях, когда в излучении лазера присутствуют одновременно два-три перехода, в пределах перепада давления на 1 атм наблюдалось двух-четырех кратное появление и исчезновение излучения на некоторых переходах. Это характеризует волноводные составляющие, длина резонатора для которых приблизительно может быть оценена в 9-12 м.

Погрешность методики зависит от точности вычисления межмодового интервала. В данном варианте она составляет 10-15%. Приблизительно такова же погрешность в определении длины резонатора для различных волноводных составляющих. Наиболее благоприятные условия применения методики тогда, когда в излучении лазера наблюдается только один переход. При этом возможность оценки волноводной составляющей определяется шириной контура усиления на уровне потерь V_п(I).В тех случаях, когда ширина <N>V_п(I) в два раза меньше ( V_м)_р, волноводные составляющие могут быть определены только для формирующей длины резонатора равной не более длины резонатора по центральной оси волноводного канала. При условии 10 V_п(I) = ( V_м)_р предел вычисления длины возрастает приблизительно в десять раз. Таким образом, точность применения методики зависит от соотношения V_п(I) и (V_м)_р, а также спектральных компонент излучения лазера.

Предложенный способ может быть применен в любых типах лазеров. К предполагаемой области использования можно отнести задачи по расчетам формирования излучения в резонаторе, работы по оптимизации лазерных систем.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ВОЛНОВОДНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЯ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА, включающий регистрацию излучения лазера, отличающийся тем, что, с целью определения частотных характеристик волноводных составляющих, направляют излучение лазера на спектральный прибор, выделяют и регистрируют спектральные компоненты излучения лазера, перестраивают частоту продольных мод изменением длины резонатора на величину V_п (V_м)_p , регистрируют моменты появления излучения на лазерных переходах, определяют межмодовый интервал (V_м)_э по величине изменения оптической длины резонатора, сравнивают его с (V_м)_p и в случае выполнения неравенства (V_м)_э < (V_м)_p в качестве частотной характеристики выбирают межмодовый интервал (V_м)_э , где (V_м)_p - расчетная величина межмодового интервала, равная c/2L, где c - скорость света, L - длина резонатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1