ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР С ПЕРЕСТРАИВАЕМЫМ СПЕКТРОМ ИЗЛУЧЕНИЯ

ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР С ПЕРЕСТРАИВАЕМЫМ СПЕКТРОМ ИЗЛУЧЕНИЯ


RU (11) 2035812 (13) C1

(51) 6 H01S3/104 

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

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

(21) Заявка: 4846313/25 
(22) Дата подачи заявки: 1990.07.03 
(45) Опубликовано: 1995.05.20 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: 1. Анохов С.П. и др. Перестраиваемые лазеры. М.: Радио и связь, 1982, с.154-159. 2. Авторское свидетельство СССР N 594842, кл. H 01S 3/10, 1976. 
(71) Заявитель(и): Научное конструкторско-технологическое бюро "Феррит" 
(72) Автор(ы): Худяков Г.Н.; Ишутин А.Н.; Кузьмин Ю.Ф.; Макаров В.В.; Юдин В.И. 
(73) Патентообладатель(и): Научное конструкторско-технологическое бюро "Феррит"; Худяков Геннадий Николаевич; Ишутин Александр Николаевич; Кузьмин Юрий Филиппович; Макаров Виктор Валентинович; Юдин Владимир Иванович 

(54) ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР С ПЕРЕСТРАИВАЕМЫМ СПЕКТРОМ ИЗЛУЧЕНИЯ 

Использование: в лазерных системах для спектрального анализа газов. Сущность изобретения: оптический резонатор газового лазера выполнен двухплечной V-образной конфигурации, на его концах размещены отражающая дифракционная решетка 7 и плоское выходное зеркало 6, при этом дифракционная решетка установлена в фокальной плоскости сферического зеркала 5 по автоколлимационной схеме, активная среда с системой возбуждения расположены между сферическим и плоским зеркалами, устройство пространственной селекции линий спектра излучения совмещено с системой возбуждения, образованной двумя плоскими секционированными высокочастотными электродами 4, расположенными параллельно напротив друг друга, секции которых выполнены в виде протяженных вдоль оптической оси резонатора проводящих дорожек, изолированных друг от друга и расположенных согласованно с траекториями оптических лучей каждой линии спектра. 1 табл., 1 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано, например, при создании лазерных систем для спектрального анализа газов в химической промышленности, а также в экологических целях.

Известны газовые лазеры, в которых перестройка спектра излучения осуществляется введением в резонатор дисперсионного элемента дифракционной решетки, которая последовательно юстируется для различных длин волн [1]

Использование известных лазеров ограничено тем, что перестройка спектра в них возможна только в единственной монотонной последовательности. При этом возникает потребность в прецизионном механизме вращения решетки с высокой степенью стабилизации в каждом положении, что при сколь-либо значительных скоростях представляется довольно сложной технической задачей.

Известен также перестраиваемый по спектру газовый лазер, в котором монохроматическое излучение разных длин волн пространственно разделяется внутри резонатора, состоящего из дифракционной решетки (ешелетта), включенной неавтоколлимационно, и трех зеркал, два из которых установлены в плоскости дисперсии эшелетта, причем между этой парой зеркал введен диск с прорезями. Диск, осуществляющий пространственную фильтрацию, насажен на ось двигателя. При этом скорость вращения диска определяет скорость переключения спектра, местоположение отверстий на диске фиксирует выделяемую длину волны, а протяженность отверстия по дуге длительность генерации [2]

Такому лазеру присущи низкие надежность и устойчивость работы, что определяется внесением внутрь оптической системы механизма вращения диска; сложность конструкции, а также трудность настройки и юстировки, причиной чего является громоздкость многоходовой оптической системы и критичность условий функционирования используемого оптического резонатора; наличие механических вращающихся узлов в системе оптического резонатора, что расширяет спектр излучения и ухудшает стабильность излучения каждой генерируемой линии. Кроме того, комбинация переключений спектра излучения задается однозначно расположением отверстий на диске и не может быть изменена в процессе работы лазера; скорость переключения спектра ограничена скоростью вращения двигателя.

Громоздкость, низкая надежность и неустойчивость в работе делают возможным использование известного лазера только в качестве лазерного спектрографа для лабораторных исследований.

Технической задачей изобретения является электронное управление спектром генерации, упрощение конструкции и повышение надежности лазера.

Указанная задача достигается тем, что в газовом лазере с перестраиваемым спектром излучения, содержащем активную среду, систему возбуждения активной среды, соединенную с источником возбуждения, оптический резонатор, включающий отражающую дифракционную решетку, сферическое, вогнутое и плоское выходное зеркала, устройство пространственной селекции линий спектра излучения, оптический резонатор выполнен двуплечной V-образной конфигурации, на концах которого размещены отражающая дифракционная решетка и плоское выходное зеркало, при этом дифракционная решетка установлена в фокальной плоскости сферического зеркала по автоколлимационной схеме, активная среда с системой возбуждения расположены между сферическим и плоским зеркалами, устройство пространственной селекции линий спектра излучения совмещено с системой возбуждения, образованной двумя плоскими секционированными высокочастотными электродами, расположенными параллельно напротив друг друга, секции которых выполнены в виде протяженных вдоль оптической оси резонатора проводящих дорожек, изолированных друг от друга и расположенных согласованно с траекториями оптических лучей каждой линии спектра.

Число и местоположение протяженных областей электродов определяется требуемым набором генерируемых линий. Ионизация и возбуждение активной среды вдоль одной из нескольких протяженных областей и последовательность их включения обеспечиваются коммутирующим устройством.

В предложенном лазере впервые обеспечивается электронное переключение спектра, упрощается оптический резонатор. Здесь в отличие от прототипа и аналогов обеспечивается любая требуемая последовательность переключения спектра. Скорость переключения при этом ограничивается лишь кинематическими процессами в лазере. Существенным образом конструкция лазера упрощается вследствие исключения привода (двигателя с вращающимся диском), вносимого в оптический резонатор лазера. Последнее обстоятельство устраняет механические вибрации, повышает надежность и устойчивость работы лазера, повышает стабильность частоты выходного излучения.

От известных технических решений предложенный лазер с переключением спектра отличается следующим. В зоне дисперсии между сферическим и плоским зеркалами резонатора введены плоскопараллельные электроды, образованные из нескольких протяженных токопроводящих областей. Протяженные токопроводящие области электродов совмещены с ходом монохроматических лучей в резонаторе. Используется оптический резонатор, образованный полностью отражающим сферическим зеркалом и размещенными в его фокальной плоскости дифракционной решеткой, установленной по автоколлимационной схеме, и плоским зеркалом, причем оси указанных элементов соотносятся особым образом. Введено коммутирующее устройство, которое посредством переключения плоскопроводящих дорожек управляет положением газового разряда в зоне дисперсии оптического резонатора. Селекция линий генератора осуществляется с помощью изменения пространственного расположения активной среды в оптическом резонаторе.

Новая совокупность существенных признаков придает объекту новые свойства, не совпадающие со свойствами известных технических решений, а именно реализуется внутрирезонаторное электронное переключение спектра излучения лазера; переключение может осуществляться в любой требуемой последовательности, включая одновременное излучение на нескольких линиях генерации в произвольных комбинациях; длительность оптических сигналов и интервалы между ними могут быть произвольными, при этом максимальная длительность сигналов не ограничена; конструкция лазера упрощается, становится менее громоздкой вследствие устранения из оптического резонатора подвижного диска и механизма его вращения, что определяет устранение механических вибраций, повышает надежность и устойчивость работы лазера, повышается стабильность выходных параметров, в частности частоты излучения, сужается спектр излучения; упрощается оптическая схема лазера с переключаемым спектром, снижается критичность ее настройки, упрощается юстировка; возрастает скорость переключения спектра, она определяется только кинетическими процессами в лазере. Изложенное определяет соответствие предложенного технического решения критериям "Существенные отличия" и "Новизна".

На чертеже показан лазер с переключением спектра, продольное сечение.

Лазер содержит высокочастотный генератор 1 накачки, подключенный посредством коммутирующего устройства 2 к протяженным токопроводящим областям 3 пары высокочастотных электродов 4. Оптический резонатор лазера образован полностью отражающим сферическим зеркалом 5 с радиусом кривизны R и установленными в его фокальной плоскости полупрозрачным зеркалом 6 и дифракционной решеткой 7, причем последняя установлена автоколлимационным образом. Оптическая схема и высокочастотные электроды помещены в герметичном объеме 8, заполненном рабочим газом. Дифракционная решетка 7 и выходное зеркало 6 разнесены на некотором расстоянии в фокальной плоскости сферического зеркала 5, при этом нормаль к поверхности сферического зеркала отклонена в направлении центра дифракционной решетки на угол

arctg ( h / R )

Протяженные токопроводящие области 3 электродов совмещаются с ходом монохроматических лучей в зоне дисперсии оптического резонатора между зеркалами 5 и 6, причем число и местоположение этих протяженных областей в конкретном случае определяется требуемым набором генерируемых линий лазерного излучения.

Лазер работает следующим образом.

При включении высокочастотного генератора 1 накачки коммутирующее устройство 2 подводит электромагнитную энергию к одной или нескольким токопроводящим протяженным областям 3. Вдоль этих областей в зазоре между высокочастотными электродами 4 возбуждается активная среда и образуется канал генерации индуцированного излучения. Оптическая волна после отражения от плоского зеркала 6 проходит, усиливаясь, через активную среду в канале генерации и попадает на сферическое зеркало 5. Поскольку зеркало 5 отклонено в направлении центра решетки, то после отражения от него оптическая волна падает на решетку 7. После отражения от дифракционной решетки излучение возвращается на зеркало 5 под тем же углом, что обеспечивается установкой решетки по автоколлимационной схеме в первом порядке дифракционного спектра. Вторично пройдя через канал генерации, оптическая волна вновь попадает на плоское зеркало 6, завершая таким образом полный обход оптического резонатора. Величина угла падения излучения на решетку 7 однозначно определяет длину волны i на которой возникает генерация. Величина этого угла определяется из соотношения

sin i i /2 где - период решетки.

Угол падения определяется пространственным положением канала генерации между зеркала 5 и 6. Таким образом, управляя положением канала генерации в зоне дисперсии оптического резонатора посредством коммутирующего устройства, изменяют и угол падения излучения на дифракционную решетку и, следовательно, длину волны, для которой выполняются условия генерации. Последовательность переключения линий, их число и длительность генерации на выбранной длине волны определяются требуемым законом изменения спектра выходного излучения лазера. При одновременном формировании нескольких каналов или при полном заполнении активной газоразрядной плазмой пространства между зеркалами 5 и 6 возникают условия для одновременной генерации нескольких длин волн или всего набора линий генерации, ограниченного геометрическими размерами резонатора и электродов.

Диапазон значений периода решетки при которых обеспечивается работа в автоколлимационном режиме и имеется только нулевой и первый порядок дифракции, определяется известным соотношением

/ 2 3 / 2

Вывод излучения может быть осуществлен через нулевой порядок решетки 7 или полупрозрачное покрытие на зеркале 6.

Для экспериментальной проверки предлагаемого технического решения был изготовлен экспериментальный образец СО2-лазера с переключением спектра выходного излучения. Герметичный корпус из стали 12х18Н10Т выполнял одновременно функции несущей конструкции оптического резонатора и резервуара, заполненного смесью рабочих газов CO2:N2:He:Xe1:0,6:4:0,35 при давлении 15.18 мм рт.ст. Оптический резонатор был образован плоским Al-зеркалом, глухим сферическим зеркалом и дифракционной решеткой с периодом 100 мм-1. Пара полных высокочастотных электродов имела ширину 25 мм и протяженность 300 м. На поверхности электродов, обращенной к активной среде, были нанесены медные полоски шириной 2,5 мм с зазором 0,5 мм. Переключение осуществлялось коммутирующим устройством с высоковольтным выходом на базе ТТЛ-логики и транзисторов КТ505Б. В ходе предварительных исследований было осуществлено переключение семи линий в области 10,4 мкм. Полученные результаты приведены в таблице.

Предлагаемое техническое решение впервые реализует внутрирезонаторное электронное переключение спектра излучения газового лазера, исключая механический и пьезоэлектрический приводы. Вследствие устранения механических систем упрощается и становится менее громоздкой конструкция лазера. При этом существенно расширяются возможности управления спектром излучения лазера. Переключение может осуществляться в любой последовательности, включая одновременное излучение на нескольких линиях в произвольных комбинациях. Длительность оптических сигналов и интервалов между ними, определяемых коммутирующим устройством, может быть произвольной и изменяться непосредственно в процессе работы лазера. Скорость переключения спектра ограничивается лишь кинетическими процессами в лазере. Повышается стабильность выходных параметров, в частности частоты излучения. Кроме того, устранение механических приводов из резонатора, а также упрощение оптической схемы и снижение критичности ее настройки естественным образом повышают надежность и устойчивость работы лазера, что делает реальным широкое использование лазеров с переключением спектра, в частности, в переносных и мобильных газоанализаторах, для контроля окружающей среды, а также химических производств. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР С ПЕРЕСТРАИВАЕМЫМ СПЕКТРОМ ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащий активную среду, систему возбуждения активной среды, соединенную с источником возбуждения, оптический резонатор, включающий отражающую дифракционную решетку, сферическое вогнутое и плоское выходное зеркала, устройство пространственной селекции линий спектра излучения, отличающийся тем, что оптический резонатор выполнен двухплечей V-образной конфигурации, на его концах размещены отражающая дифракционная решетка и плоское выходное зеркало, при этом дифракционная решетка установлена в фокальной плоскости сферического зеркала по автоколлимационной схеме, активная среда с системой возбуждения расположены между сферическим и плоским зеркалами, устройство пространственной селекции линий спектра излучения совмещено с системой возбуждения, образованной двумя плоскими секционированными ВЧ-электродами, расположенными параллельно напротив друг друга, секции электродов выполнены в виде протяженных вдоль оптической оси резонатора проводящих дорожек, изолированных одна от другой и расположенных согласованно с траекториями оптических лучей каждой линии спектра.


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