ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР С ПРОКАЧКОЙ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ

ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР С ПРОКАЧКОЙ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ


RU (11) 2019016 (13) C1

(51) 5 H01S3/10 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.10.2007 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 4920763/25 
(22) Дата подачи заявки: 1991.03.20 
(45) Опубликовано: 1994.08.30 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: 1. B.L. Wexler etal. C Wand improved pulsed operation of the 14 and 16 mm CO(2) lasers. Appl Phys, Zett, 1977, v.31, N 11, р.730-732. 2. Патент США N 4418413, кл. H 01S 3/095, опублик. 1983. 
(71) Заявитель(и): Баранов Анатолий Николаевич; Николаева Ольга Юрьевна; Одинцов Анатолий Иванович; Туркин Николай Геннадьевич; Федосеев Анатолий Иванович 
(72) Автор(ы): Баранов Анатолий Николаевич; Николаева Ольга Юрьевна; Одинцов Анатолий Иванович; Туркин Николай Геннадьевич; Федосеев Анатолий Иванович 
(73) Патентообладатель(и): Баранов Анатолий Николаевич; Николаева Ольга Юрьевна; Одинцов Анатолий Иванович; Туркин Николай Геннадьевич; Федосеев Анатолий Иванович 

(54) ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР С ПРОКАЧКОЙ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ 

Сущность изобретения: оптическая система съема энергии в лазере выполнена в виде резонатора, оптическая ось которого перпендикулярна потоку, и расположенного выше по потоку многопроходного усилителя. На вход усилителя поступает генерируемое в резонаторе излучение, а число проходов луча в усилителе достаточно для эффективного съема энергии с рабочего перехода активной среды и ее насыщения. Величина потерь резонатора выбрана такой, что при заполнении его насыщенной в усилителе активной средой происходит срыв генерации. В лазере достигается автомодуляционный режим генерации. 1 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к лазерам с движущейся активной средой и непрерывным или квазинепрерывным возбуждением, и может быть использовано для получения мощного импульсно-периодического излучения для технологических применений, систем оптической локации и физических исследований, а также для расширениия возможностей и повышения эффективности технологических лазерных установок.

Известен импульсно-периодический лазер с движущейся активной средой [1] , содержащий систему непрерывного возбуждения рабочей среды и расположенный перпендикулярно направлению прокачки оптический резонатор с устройством, обеспечивающим периодическое изменение соотношения коэффициента усиления и потерь резонатора путем модуляции его добротности. Этот узел (модулятор) представляет собой вращающееся зеркало.

К недостаткам данных устройств следует отнести дополнительные потери в модуляторе, а также несогласованность периода модуляции добротности с временем пролета частиц активной среды через резонатор, что приводит к снижению средней мощности генерации и КПД.

Известен импульсно-периодический химический лазер с непрерывной накачкой и движущейся активной средой [2], который выбран в качестве прототипа. В нем период модуляции добротности согласуется со временем заполнения резонатора активной средой, которое, в свою очередь, предлагается брать равным длине резонатора вдоль потока деленной на скорость потока активной среды.

Недостатком такого лазера является то, что в нем не гарантировано точное согласование времени заполнения резонатора активной средой и периода модуляции добротности резонатора, поскольку в процессе работы скорость потока не измеряется и частота модуляции не подстраивается к ее возможным изменениям. Другим недостатком устройства является снижение мощности импульса излучения и КПД, которое происходит за счет дополнительных потерь, вносимых в резонатор модулятором. При модуляции добротности возникают также специфические потери, связанные с немгновенным характером включения добротности, вследствие чего в начале импульса генерации в условиях еще низкой добротности резонатора, имеет место поглощение части излучения в модулирующем устройстве. Кроме того, при модуляции добротности вращающимся диском или обтюратором происходит некоторое смещение каустики типов колебаний в резонаторе, что и приводит к дополнительным потерям мощности генерации и к увеличению расходимости излучения. Помимо этого, к недостаткам прототипа следует отнести сложность управления временными характеристиками излучения - частотой следования импульсов, их длительностью и формой, весьма важными при взаимодействии импульсно-периодического излучения с веществом, что приводит к ограничению технологических применений подобных лазеров.

Целью изобретения является организация в лазере с прокачкой рабочей среды и непрерывным возбуждением автомодуляционного режима генерации, который позволяет повысить мощность импульсно- периодической генерации и КПД лазера, уменьшить расходимость излучения и упростить конструкцию.

Это достигается тем, что в известном импульсно-периодическом лазере с прокачкой рабочей среды, содержащем систему непрерывного возбуждения рабочей среды и расположенный перпендикулярно направлению прокачки рабочей среды оптический резонатор с устройством, обеспе- чивающим периодическое изменение соотношения коэффициента усиления и потерь резонатора, последнее выполнено в виде расположенного выше по потоку многопроходного усилителя, вход которого оптически сопряжен с выходным зеркалом резонатора, при этом усилитель выполнен с числом проходов, обеспечивающим насыщение прокачиваемой через него возбужденной рабочей среды, а оптический резонатор выполнен с величиной потерь, при которой при заполнении его насыщенной средой происходит срыв генерации.

На чертеже показана схема устройства. На схеме представлены прокачиваемая рабочая среда 1, система 2 возбуждения, зона 3 возбуждения, возбужденная рабочая среда 4, зона 5 усиления длиной по потоку h1, промежуточная зона (зазор между усилителем и генератором) 6 длиной вдоль потока h2, зона 7 резонатора длиной по потоку h3, зеркало 8 и выходное зеркало 9, образующие резонатор, диафрагма 10, поворотные зеркала 11, зеркала 12 усилителя и выходящее из лазера излучение 13.

Импульсно-периодический лазер с прокачкой рабочей среды, состоит из движущейся рабочей среды 1, например потока смеси газов СО2-N2-He, системы непрерывного возбуждения рабочей среды 2, например, использующей электрический разряд постоянного тока или ВЧ разряд, усилителя, образованного зеркалами 12, резонатора, образованного зеркалом 8 и выходным зеркалом 9, апертура которого ограничивается диафрагмой 10, и поворотных зеркал 11, соединяющих выход резонатора со входом усилителя.

Лазер работает следующим образом. Система 2 возбуждения обеспечивает непрерывное или квазинепрерывное возбуждение рабочей среды 1 в зоне 3 возбуждения, причем зона возбуждения может полностью или частично геометрически перекрываться с зоной 5 усиления и зоной 7 резонатора. Затем активная среда 4 поступает через зону усиления и промежуточную зону в зону резонатора, оптическая ось которого перпендикулярна направлению потока.

Механизм формирования автомодуляционного импульсно-периодического режима генерации в заявляемом устройстве заключается в следующем. При поступлении в резонатор возбужденной рабочей среды, коэффициент усиления которой превосходит величину потерь резонатора, в нем за счет индуцированных переходов генерируется лазерное излучение. Часть этого излучения через выходное зеркало 9 выходит из резонатора и поворотными зеркалами 11 направляется в зону 5 усиления. В усилителе, образованном высокоотражающими зеркалами 12, слегка наклоненными друг к другу для предотвращения самовозбуждения генерации, это излучение усиливается, многократно отражаясь от его зеркал 12. Наряду с плоскими зеркалами в усилителе могут быть использованы зеркала криволинейного профиля, которые позволяют получить более равномерное заполнение зоны усиления полем излучения.

Число проходов усилителя должно быть достаточно большим для максимально полного съема энергии с прокачиваемой через него возбужденной рабочей среды. При этом инверсия на рабочем переходе и коэффициент усиления возбужденной рабочей среды в усилителе резко падают, т.е. происходит ее насыщение. Когда такая насыщенная среда втекает в резонатор, генерация в нем прекращается. Для этого коэффициент пропускания выходного зеркала резонатора, определяющий величину потерь резонатора, должен быть достаточно большим, чтобы коэффициент усиления насыщенной в усилителе среды с учетом его возможного частичного восстановления в промежуточной зоне между усилителем и резонатором был ниже уровня потерь резонатора.

При заполнении усилителя и резонатора возбужденной рабочей средой развивается следующий импульс генерации и процесс повторяется. Отметим, что упомянутое выше ограничение на величину потерь резонатора имеет принципиальное значение для работы устройства, так как при увеличении добротности резонатора автомодуляционные колебания могут оказаться затухающими и система перейдет в режим стационарной генерации, который в этих условиях будет для нее энергетически более выгодным.

В описанном устройстве основной съем энергии с возбужденной рабочей среды производится в зоне усилителя, объем которого значительно превосходит объем резонатора. Поэтому некоторое снижение добротности резонатора не оказывает заметного влияния на высокую эффективность съема энергии, достигаемую в данном устройстве.

Период следования импульсов излучения определяется временем пролета активной среды через систему. Длительность импульса определяется, в основном, временем пролета рабочей средой апертуры резонатора и зазора между усилителем и резонатором, а также величиной потерь резонатора.

Влияние релаксационных процессов в активной среде, таких как процессы колебательного энергообмена в молекулярных газах СО, СО2, N2, приводит к усложнению временных характеристик импульсно-периодического излучения. Последние сложным образом зависят от параметров системы (геометрические размеры, скорость потока, коэффициент усиления среды, расположение зоны возбуждения и др.) и констант релаксации среды. При этом может наблюдаться возникновение "пичковой структуры" в огибающей импульсов, увеличение частоты следования импульсов и другие явления.

Заявляемое устройство опpобовано в газодинамическом лазере с тепловым возбуждением. Рабочим веществом служила смесь СО2:Ar (1:3). Активная среда двигалась со скоростью 1500 м/с, ненасыщенный коэффициент усиления на рабочем переходе 0310-1000 молекулы СО2, с длиной волны 18,4 мкм составлял около 1 м-1. В канале постоянного сечения поперек потока был установлен устойчивый резонатор, образованный глухим золотым зеркалом и полупрозрачным выходным зеркалом с коэффициентом пропускания 30% и размером апертуры около 1 см. Поворотные зеркала направляли выходящее из резонатора через выходное зеркало излучение в образованный плоскими золотыми зеркалами многопроходный усилитель с полной длиной усиления луча 5 м, расположенный выше резонатора по потоку. Усилитель усиливал излучение до уровня 100 Вт, при этом коэффициент усиления активной среды насыщался согласно расчетам до величины kн = 0,25 м, что обеспечивало срыв генерации в резонаторе. Таким образом, в газодинамическом лазере было получено импульсно-периодическое излучение с периодом 40 мкс и максимальной мощностью в импульсе 100 Вт, средняя мощность генерации составила 12 Вт. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР С ПРОКАЧКОЙ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ, содержащий систему непрерывного возбуждения рабочей среды и расположенный перпендикулярно направлению прокачки рабочей среды оптический резонатор с устройством, обеспечивающим периодическое изменение соотношения коэффициента усиления и потерь резонатора, отличающийся тем, что, с целью получения автомодуляционного режима генерации, повышения мощности и КПД лазера, а также уменьшения угловой расходимости излучения и упрощения конструкции, устройство, обеспечивающее периодическое изменение соотношения коэффициента усиления и потерь резонатора, выполнено в виде расположенного выше по потоку резонатора многопроходного усилителя, вход которого оптически сопряжен с выходным зеркалом резонатора, при этом усилитель выполнен с числом проходов, обеспечивающим насыщение прокачиваемой через него возбужденной рабочей среды, а оптический резонатор выполнен с величиной потерь, при которой при заполнении резонатора насыщенной средой происходит срыв генерации излучения.


ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к лазерным квантовым генераторам, а именно лазеры и лазерное оборудование:

- твердотельные полупроводниковые лазеры

- газовые лазеры

- химические лазеры

- практическое применение в промышленности, науке и в быту газовых, твердотельных и химических лазеров.


Лазеры. Лазерное оборудование






СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+газовый -лазер".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "лазер" будут найдены слова "лазеры", "лазерный" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("лазер!").



Рейтинг@Mail.ru