резонатор электроразрядного со-лазера

Формула изобретения

1. Резонатор электроразрядного СО-лазера, генерирующего на переходах первого колебательного обертона молекулы окиси углерода, образованный зеркалами, включающий селективный поглотитель излучения на основном тоне, перекрывающий апертуру резонатора и окна Брюстера, отличающийся тем, что селективный поглотитель выполнен таким образом, что его коэффициент поглощения в спектральном диапазоне излучения на обертоне = 2,7 - 4 мкм не превышает 2%.

2. Резонатор по п.1, отличающийся тем, что селективный поглотитель выполнен из двуокиси кремния.

3. Резонатор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что селективный поглотитель выполнен в виде поворотной пластинки для вывода излучения.

4. Резонатор по п.1, отличающийся тем, что селективный поглотитель выполнен в виде пленки, нанесенной на зеркала.

5. Резонатор по п.1, отличающийся тем, что селективный поглотитель выполнен в виде пленки, нанесенной на окна Брюстера.

6. Резонатор по п.1, отличающийся тем, что селективный поглотитель выполнен в виде пленки, нанесенной на поворотную пластинку.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к квантовой электронике, более конкретно к газоразрядным CO-лазерам, генерирующим излучение на переходах первого колебательного обертона молекулы окиси углерода, и может быть использовано при создании технологических лазеров.

Известен резонатор газоразрядного непрерывного CO-лазера на обертоне [1] , в котором в качестве отражателя используется дифракционная решетка, работающая в автоколлимационном режиме для излучения на одном из колебательно-вращательных переходов первого колебательного обертона молекулы окиси углерода. Такая конструкция резонатора обеспечивает полное подавление паразитной генерации на основном токе = 4,8-6,5 мкм и плавную перестройку частоты генерации при повороте дифракционной решетки. Недостатком такой конструкции резонатора является одночастотный режим генерации (на отдельном колебательно-вращательном переходе), который характеризуется низкой энергетической эффективностью, примерно на порядок меньшей чем в многочастотном режиме генерации.

Известен резонатор газоразрядного непрерывного CO-лазера на обертоне [2] , в котором использовались селективные отражатель с многослойными диэлектрическими покрытиями. Такая конструкция резонатора обеспечивает многочастотный режим генерации и как следствие достаточно высокое значение энергетической эффективности генерации (5%). Недостатками такой конструкции резонатора является обязательное присутствие паразитной генерации на основном тоне, значительно ухудшающей энергетические характеристики генерации на обертоне [3].

Наиболее близкой к предлагаемой конструкции и выбранной нами в качестве прототипа является конструкция резонатора импульсного электроразрядного CO-лазера на обертоне, описанная в работе [4]. Этот резонатор содержит зеркала, между которыми размещена газоразрядная камера, окна Брюстера для вывода излучения и селективный поглотитель генерации на основной частоте, выполненный в виде пластины, перекрывающей апертуру резонатора. Данная пластина полностью подавляет генерацию на основной частоте; в то же время поглощение в ней в спектральном диапазоне 2,7-3 мкм не превышает 1%. Излучение из резонатора выводится через селективное полупрозрачное зеркало с многослойным диэлектрическим покрытием, обладающим достаточно высоким значением коэффициента отражения в спектральном диапазоне 2,8-3,1 мкм, в котором и была экспериментально реализована генерация на обертоне. Недостатком такого резонатора является недостаточная ширина спектрального диапазона, в котором обеспечивается высокая добротность резонатора для излучения на переходах первого колебательного обертона молекулы CO, что приводит к низкой энергетической эффективности генерации (1%).

Техническим результатом данного изобретения является увеличение КПД генерации излучения путем осуществления генерации на первом колебательном обертоне молекулы окиси углерода во всей полосе усиления. Этот результат достигается тем, что в резонаторе электроразрядного CO-лазера, генерирующего на переходах первого колебательного обертона молекулы окиси углерода, образованном зеркалами и включающем окна Брюстера для вывода излучения и селективный поглотитель излучения, перекрывающий апертуру резонатора, предложено селективный поглотитель выполнить таким образом, что его коэффициент поглощения в селективном диапазоне излучения на обертоне = 2,7-4 мкм не превышает 2%. При этом селективный поглотитель может быть выполнен из двуокиси кремния, в виде поворотной пластинки для вывода излучения, в виде пленки, нанесенной на зеркалах, а также на окнах Брюстера и на поворотной пластине.

Существо изобретения поясняется прилагаемым чертежом, на котором приведена блок-схема резонатора электроразрядного лазера.

Резонатор образован двумя зеркалами 1 и 2. На данной схеме зона активной среды в газоразрядной камере (ГРК) 3 и резонатор пространственно совмещенный, т.е. ГРК 3 размещена между зеркалами 1 и 2. Для вывода излучения внутри резонатора установлены окна Брюстера 4 и 5. Резонатор снабжен селективным поглотителем излучения 6, полностью перекрывающем апертуру резонатора. Селективный поглотитель излучения выполнен таким образом, что обеспечивается полное подавление или значительное ослабление генерации на основном тоне (4,8 мкм 6,5 мкм) за счет большого поглощения (не менее 85%), в то время поглощение излучения данным элементом в диапазоне длин волн на переходах первого колебательного обертона (2,7 мкм 4 мкм) не превышает 2%.

Варианты выполнения и размещения селективного поглотителя могут быть различными. На приведенной на чертеже блок-схеме он выполнен в виде пластины и размещен на окне Брюстера. этот элемент может быть изготовлен из двуокиси или иного материала, удовлетворяющего указанным выше требованиям по спектральным свойствам, в виде пленки, нанесенной на окна Брюстера, на поворотные пластинки, или на зеркала, образующие резонатор. В резонаторе может быть помещен один такой элемент или все перечисленные, что определяется толщиной одного элемента. Зеркало 2 резонатора выполнено либо полупрозрачным неселективным, либо глухим металлическим ( в этом случае излучение выводится из резонатора за счет френелевского отражателя от поверхности вспомогательной поворотной пластинки).

Резонатор работает следующим образом. После включения электрического разряда ГРК и достижения порогового энерговклада в активной среде возникает усиление на переходах основной частоты (v _ v-1). Однако генерация излучения при этом не возникает, либо сильно подавляется из-за наличия в резонаторе селективного поглотителя излучения. Затем по мере формирования квазистационарной функции распределения молекул CO на колебательных уровнях v10 в активной среде возникает усиление на переходах первого колебательного обертона, причем соответствующие значения коэффициентов усиления примерно на порядок меньше, чем на основной частоте. Однако благодаря высокой добротности резонатора в спектральном диапазоне 2,7 мкм 4 мкм генерация на обертоне возникает и может характеризоваться высокими значениями энергетической эффективности (до 10-20%). При этом поглощение на селективных элементах в указанном спектральном диапазоне не должно превышать 2% на один проход. Излучение выводится из резонатора либо за счет Френелевского отражения от поворотной пластины, либо при использовании неселективного полупрозрачного зеркала.

В результате возбуждения активной среды в разряде и процессов колебательно-колебательного обмена формируется характерная функция распределения с так называемым "плато" в области колебательных уровней v=5-39, где возникает частичная инверсия на колебательно-вращательных переходах основного тона и первого обертона. Чем шире спектральный диапазон, в котором возникает генерация, тем большая часть потока квантов на верхние колебательные уровни перехватывается в излучение, тем выше эффективность генерации. Количественно этот эффект исследован в недавней теоретической работе [4], где показано, что энергетическая эффективность генерации на обертоне может многократно возрастать при увеличении числа колебательных переходов, участвующих в генерации.

Описанный резонатор позволяет получать одновременную генерацию на максимально возможном числе колебательно-вращательных переходов первого колебательного обертона и может обеспечить получение генерации с максимальной энергетической эффективностью 10-20%.

Источники информации

1. M. Gromoll-Bohle, W. Bohle and W.Urban Broadband CO laser overtone transitions v=2. Optics Communications 1989, v.69, p.409.

2. C. Bergman, J.W.Rich Overtone Band Lasing at 2.7-3.1 mkm in Electrically Excited CO. Applied Physics Letters, 1977, 9, p.597.

3. Ю.Б.Конев, И.В.Кочетов, А.К.Курносов и др. Исследование характеристик газоразрядного CO-лазера при генерации на обертоне. Инженерно-физический журнал, 1981, т.41, N 3, с.514.

4. А.Д.Белых, В.А.Гурашвили, И.В.Кочетов, А.К.Курносов, А.П.Напартович, В.М.Путилин, Н.Г.Туркин. Импульсный CO-лазер на первом колебательном обертоне. Квантовая электроника, 1995, т.22, N 4, с.333.