Лазер с перестраиваемой длиной волны излучения

 

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерам с перестраиваемой длиной волны излучения. Лазер содержит два резонатора, оптически связанных между собой и установленных на общей оси. Первый резонатор сформирован первым полупрозрачным выходным и вторым прозрачным для длин волн с высоким коэффициентом усиления и непрозрачным для длин волн с низким коэффициентом усиления зеркалами. Второй резонатор сформирован первым полупрозрачным выходным и третьим высокоотражающим для длин волн с высоким коэффициентом усиления зеркалами. Активный элемент установлен в первом резонаторе. Затвор размещен во втором резонаторе между вторым и третьим зеркалами. Затвор выполнен в виде установленной перпендикулярно оси резонатора вытянутой кюветы со сквозным отверстием, центр которого совпадает с оптической осью резонатора, внутри кюветы расположен непрозрачный для лазерного излучения элемент с возможностью перемещения вдоль кюветы. Технический результат изобретения состоит в повышении эффективности процесса переключения лазера с одной длины волны излучения на другую. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в перестраиваемых по длинам волн газовых лазерах для космической техники, в частности, при юстировке антенн больших радиотелескопов, а также в инфракрасной технике при юстировке оптических схем приборов ночного видения.

Известен оптический квантовый генератор с излучением на двух и более длинах волн, содержащий резонатор, одна половина которого выполнена в виде вращающегося барабана со сменными зеркалами или дифракционными решетками, вторая половина резонатора содержит неподвижное зеркало, имеющее максимумы отражения на всех длинах волн. Для перехода на нужную рабочую длину волны барабан вращают до фиксированного положения одного из зеркал или решетки, см. заявка РСТ 88/08631, кл. H 01 S 3/1055, опубл. 03.11.88.

Недостатком этого лазера являются увеличенные габаритные размеры излучателя за счет установки механизма переключения зеркал, необходимая высокая точность установки положения перемещающихся зеркал, что требует дополнительной механической подъюстировки резонатора, наличие взаимоперемещающихся деталей в системе переключения зеркал, что снижает надежность лазера и увеличивает трудоемкость при работе с таким лазером. Кроме того, при дополнительной подъюстировке переключаемых зеркал смещается траектория выходного пучка лазерного излучения, что делает такой лазер неприемлемым при решении ряда задач.

Известно лазерное устройство, позволяющее получать промодулированное лазерное излучение на нескольких длинах волн с высоким и низким коэффициентом усиления, содержащее одно среднее и два торцевых отражающих зеркала, образующих противоположные оптические резонаторы, лазерную разрядную трубку, расположенную между первым торцевым и средним зеркалами, и световой модулятор, расположенный между средним и вторым торцевым зеркалами. С помощью обоих оптических резонаторов возбуждаются лазерные излучения двух и более длин волн. С помощью модулятора модуляция накладывается на линию генерации лазерного излучения с высоким коэффициентом усиления, при этом модулируется лазерное излучение генерационной линии с низким коэффициентом усиления, см. заявка Японии 59-17872, кл. H 01 S 3/10, опубл. 1984.

Недостатком указанного лазерного устройства является одновременное наличие в лазерном излучении длин волн с высоким и низким коэффициентами усиления, что не позволяет получить максимально возможную мощность каждой из составляющих лазерного излучения, кроме того, для работы модулятора необходима подача на него регулирующего напряжения, что повышает энергоемкость прибора в целом и снижает его надежность.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому объекту по совокупности признаков является лазерный резонатор с изменяемой частотой излучения, содержащий два резонатора, оптически связанных между собой, первый из которых сформирован первым полупрозрачным выходным и вторым полупрозрачным для длин волн с высоким коэффициентом усиления и непрозрачным для длин волн с низким коэффициентом усиления зеркалами, а второй резонатор сформирован первым полупрозрачным выходным и третьим высокоотражающим для длин волн с высоким коэффициентом усиления зеркалами, активный элемент, установленный в первом резонаторе, и затвор, размещенный во втором резонаторе между вторым и третьим зеркалами, см. заявка ФРГ 3713635, кл. Н 01 S 3/105, опубл. 1987, принято за прототип.

Когда затвор закрывает третье зеркало, то работает первый резонатор, генерирующий лазерное излучение с длинами волн с низким коэффициентом усиления. Когда затвор открывает третье зеркало, то начинается генерация лазерного излучения с длинами волн с высоким коэффициентом усиления, которая подавляет генерацию волн с низким коэффициентом усиления.

Недостатком данного устройства является использование в нем либо энергоемких электромагнитных затворов, например, см. патент США 4799767, кл. G 02 В, опубл. 1989, либо механических затворов в виде фигурных пластин или небольших планок, которые недостаточно надежны в качестве переключателей длин волн, см. патент Франция 1436046, кл. G 01 j, опубл. 1966.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Задачей предлагаемого изобретения является создание малогабаритного надежного, не требующего дополнительных энергозатрат, простого в обслуживании лазера с перестраиваемой длиной волны.

Технический результат достигается за счет предложенного конструктивного выполнения механического затвора, обеспечивающего простое четкое переключение лазера с одной длины волны на другую без изменения пространственного положения пучка излучения и использования энергоемких устройств.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в лазере с перестраиваемой длиной волны излучения, содержащем два резонатора оптически связанных между собой и установленных на общей оси, первый из которых сформирован первым полупрозрачным выходным и вторым полупрозрачным для длин волн с высоким коэффициентом усиления и непрозрачным для длин волн с низким коэффициентом усиления зеркалами, а второй резонатор сформирован первым полупрозрачным выходным и третьим высокоотражающим для длин волн с высоким коэффициентом усиления зеркалами, активный элемент, установленный в первом резонаторе, и затвор, размещенный во втором резонаторе между вторым и третьим зеркалами, затвор выполнен в виде установленной перпендикулярно оси резонатора вытянутой кюветы со сквозным отверстием, центр которого совпадает с оптической осью резонатора, внутри кюветы расположен непрозрачный для лазерного излучения элемент с возможностью свободного перемещения вдоль кюветы до двух ограничителей, обеспечивающих расположение центра непрозрачного элемента в центре отверстия или за пределами отверстия, при этом лазер выполнен с возможность поворота вокруг своей оптической оси на угол, обеспечивающий периодическое перекрывание отверстия кюветы непрозрачным элементом, площадь сквозного отверстия кюветы меньше площади проекции непрозрачного элемента на это отверстие, а диаметр отверстия в кювете d и расстояние I между ограничителями кюветы выбраны из выражений dK; 12b, где К - апертура разрядного канала; b - длина непрозрачного элемента.

Кювета в заявляемом лазере выполнена в виде закрытой на торцах стеклянной трубочки, а непрозрачным элементом служит металлический шарик.

Поскольку апертура разрядного канала в активном элементе исчисляется в единицах миллиметров, то диаметр шарика может быть достаточно малых размеров, что делает кювету компактной, легкой и конструктивно удобной при размещении внутри резонатора. Переключение длин волн осуществляется поворотом излучателя и не требует дополнительной подстройки. Так как диаметр отверстия больше или равен апертуре разрядного канала, то лазерное излучение проходит через него полностью, без дифракционных потерь, что позволяет получать максимально возможную в данном резонаторе мощность на длинах волн с высоким коэффициентом усиления. Выбор расстояния между двумя ограничителями большим или равным двум длинам непрозрачного элемента, т.е. двум диаметрам шарика, и площади проекции непрозрачного элемента на отверстие больше площади сквозного отверстия позволяет полностью открывать или закрывать отверстие, обеспечивая четкое переключение лазера с одной длины волны на другую.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволили установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники не выявлено влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

На фиг.1 изображена структурная схема лазера, на фиг.2 изображен затвор.

Лазер содержит коаксиальный активный элемент 1, на торцах которого методом твердой запайки установлены полупрозрачное выходное зеркало 2 и прозрачное для длин волн с высоким коэффициентом усиления и непрозрачное для длин волн с низким коэффициентом усиления зеркало 3. Оболочка коаксиального активного элемента является также конструктивным элементом резонатора. К этой оболочке со стороны зеркала 3 твердой запайкой закреплен стакан 4, на конце которого также твердой запайкой установлено зеркало 5, высокоотражающее для длин волн с высоким коэффициентом усиления. Внутри стакана в ориентировочно горизонтальной плоскости закреплен затвор 6. Затвор 6 состоит из стеклянной трубочки 7 с отверстием 8 по оптической оси 9 резонатора и металлического шарика 10. Активный элемент 1 в сборе устанавливается в цилиндрическом корпусе 11 и центрируется. Собранная таким образом коаксиальная конструкция излучателя позволяет поворачивать его вокруг своей продольной оси на необходимый угол, достаточный для перекатывания шарика 10 в стеклянной трубочке 7. Таким образом, при одном наклоне стеклянной трубочки 7 шарик 10 освобождает отверстие 8, перекатываясь до ограничителя 12, отстоящего от оптической оси 9 резонатора на расстояние, большее диаметра шарика 10 (положение А), при другом наклоне - шарик 10 перекрывает отверстие 8, перекатываясь до второго ограничителя 13, отстоящего от оптической оси 9 резонатора на половину диаметра шарика 10 (положение Б). Конструктивно система зеркал 3, 5 и стакан 4 с затвором 6 находятся под высоким анодным напряжением, поэтому такой метод перестройки длин волн излучения без усложнения его другими электронесущими элементами делает его электробезопасным и удобным. Кроме того, центрирование активного элемента 1 в корпусе 11 при сборке излучателя позволяет производить переключение длин волн лазерного излучения без смещения оптической оси выходного пучка излучения.

Лазер работает следующим образом. В активном элементе 1 происходит генерация как на длинах волн с низким, так и с высоким коэффициентом усиления, между которыми происходит конкуренция. Когда шарик 10 находится в положении Б, то излучение с высоким коэффициентом усиления не попадает на зеркало 5, и работает резонатор, состоящий из зеркал 2 и 3. Происходит генерация на длинах волн с низким коэффициентом усиления. Когда шарик 10 находится в положении А, то излучение с высоким коэффициентом усиления полностью проходит через отверстие 8 в стеклянной трубочке 7 и попадает на зеркало 5. Начинает работать резонатор, состоящий из зеркал 2 и 5. Излучение на длинах волн с высоким коэффициентом усиления подавляет излучение на длинах волн с низким коэффициентом усиления, происходит генерация излучения на длинах волн с высоким коэффициентом усиления.

Поскольку апертура разрядного канала в активном элементе исчисляется в единицах миллиметров, то диаметр шарика может быть достаточно малых размеров, что делает кювету компактной, легкой и конструктивно удобной при размещении внутри резонатора. Переключение длин волн осуществляется поворотом излучателя и не требует дополнительной подстройки. Так как диаметр отверстия больше или равен апертуре разрядного канала, то лазерное излучение проходит через него полностью, без дифракционных потерь, что позволяет получать максимально возможную в данном резонаторе мощность на длинах волн с высоким коэффициентом усиления. Выбор расстояния между двумя ограничителями большим или равным двум диаметрам шарика и площади проекции шарика на отверстие больше площади сквозного отверстия позволяет полностью открывать или закрывать отверстие, обеспечивая четкое переключение лазера с одной длины волны на другую. Центрирование активного элемента в корпусе при сборке излучателя позволяет производить переключение длин волн лазерного излучения без смещения оптической оси выходного пучка излучения. Кроме того, такой метод перестройки длин волн излучения, без усложнения другими электронесущими элементами, делает его электробезопасным и удобным.

Приводим пример, доказывающий возможность практической реализации предлагаемого лазера с перестраиваемой длиной волны. Это трехволновый He-Ne лазер ЛГН-118-3В. Лазер может работать либо в режиме одновременного излучения на двух линиях инфракрасного диапазона - 1.15 мкм и 3.39 мкм, либо в режиме излучения на длине волны 0.63 мкм. Мощности лазерного излучения на этих длинах волн составляют 8 мВт, 8 мВт и 15 мВт соответственно при габаритных размерах 55x870 мм.

Предлагаемый лазер прост в эксплуатации, надежен, имеет минимальные энергетические затраты. Он используется в качестве источника монохроматического излучения при юстировке сложных оптических систем приборов инфракрасной видимости, в системах охранной сигнализации, а также в других областях науки и техники.

Приведенный пример показывает, что заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость".

Формула изобретения

Лазер с перестраиваемой длиной волны излучения, содержащий два резонатора, оптически связанных между собой и установленных на общей оси, первый из которых сформирован первым полупрозрачным выходным и вторым прозрачным для длин волн с высоким коэффициентом усиления и непрозрачным для длин волн с низким коэффициентом усиления зеркалами, а второй резонатор сформирован первым полупрозрачным выходным и третьим высокоотражающим для длин волн с высоким коэффициентом усиления зеркалами, активный элемент, установленный в первом резонаторе, и затвор, размещенный во втором резонаторе между вторым и третьим зеркалами, отличающийся тем, что затвор выполнен в виде установленной перпендикулярно оси резонатора вытянутой кюветы со сквозным отверстием, центр которого совпадает с оптической осью резонатора, внутри кюветы расположен непрозрачный для лазерного излучения элемент с возможностью перемещения вдоль кюветы до двух ограничителей, обеспечивающих расположение центра непрозрачного элемента в центре отверстия или за пределами отверстия, при этом лазер выполнен с возможностью поворота вокруг своей оптической оси на угол, обеспечивающий периодическое перекрывание отверстия кюветы непрозрачным элементом, площадь сквозного отверстия кюветы меньше площади проекции непрозрачного элемента на это отверстие, а диаметр отверстия в кювете d и расстояние l между ограничителями кюветы выбраны из выражений: dK; l2b, где К- апертура разрядного канала; b - длина непрозрачного элемента.

2. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что кювета выполнена в виде закрытой на торцах стеклянной трубочки, а непрозрачным элементом служит металлический шарик.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2