лазер

Формула изобретения

Лазер с активной средой, выполненной в форме прямой призмы, которая содержит пропускающую грань перед выходным зеркалом, первый и второй прямые двугранные отражатели, расположенные навстречу друг к другу, и двугранный угол величиной 135^o между пропускающей и первой отражающей гранями, а стороны оснований отражающих граней прямых двугранных отражателей имеют максимальную общую меру, отличающийся тем, что активная среда выполнена в форме пятиугольной выпуклой призмы, которая содержит второй двугранный угол величиной 135^o между пропускающей гранью со сторонами оснований размером и четвертой отражающей гранью второго прямого двугранного отражателя, а между первым и вторым прямыми двугранными отражателями расположен третий прямой двугранный отражатель с третьей и второй отражающими гранями, причем первая, вторая, третья и четвертая отражающие грани имеют размеры сторон оснований соответственно (m - 1)X, nX, mX, (n - 1)X, где X - максимальная общая мера, m, n - натуральные числа, m n.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в качестве генератора электромагнитного излучения оптического диапазона.

Известен лазер [1], состоящий из входного и выходного зеркал, двух параллельных отражателей, обеспечивающих многократный проход излучения через газообразную активную среду. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому лазеру является выбранный в качестве прототипа лазер [2], содержащий непрозрачное и выходное зеркала, активную среду, выполненную в виде невыпуклой двенадцатиугольной прямой призмы. Известная активная среда содержит два прямых двугранных отражателя, размещенных навстречу друг к другу. Отражающие грани двугранных отражателей имеют максимальную общую меру X. Активная среда содержит две проходящие грани, которые ориентированы под углом 135^o к своим соседним отражающим граням для создания оптической связи зеркал с прямыми двугранными отражателями. Две дополнительные отражающие грани выполнены так, чтобы на них создавалось условие полного внутреннего отражения для падающего на них излучения. Эти грани обеспечивают более полное использование активной среды путем пересечения лазерных лучей в его объеме. Как только непрозрачное и выходное зеркала будут установлены в положениях, где добротность резонатора будет максимальна, то генерируемый лазерный луч за циклический проход совершит (4m+2) проходов через активную среду, где m - натуральное число.

Недостаток указанного устройства заключается в том, что плотность мощности излучаемого лазерного луча ограничена. Действительно, один циклический проход электромагнитной волны в известном резонаторе будет выполнен в объеме, который равен трем объемам активной среды, расположенной между посадочными поясками. Следовательно, длина пути L, на котором происходит усиление возбужденной волны, будет ограничена величиной

L=(6m+3)l,

где l - длина активной среды;

m - натуральное число.

Поэтому плотность мощности генерируемого излучения за один циклический проход будет ограничена величиной

W= W₀exp[(G-G_n)l(6m+3)],

где W - плотность мощности излучения за один циклический проход;

W₀ - возбужденная плотность мощности генерируемого излучения до усиления;

G - коэффициент квантового усиления;

G_п - коэффициент потерь.

Недостаток этого устройства обусловлен дополнительными френелевскими потерями, возникающими за счет прохождения излучения через границу раздела сред с различными показателями преломления между активной средой и непрозрачным зеркалом.

В известном лазере на увеличение плотности мощности излучения оказывают ограничения дополнительные потери, обусловленные разрушениями зеркального покрытия непрозрачного зеркала, которые происходят под действием лазерного излучения внутри резонатора.

В предложенном лазере активная среда имеет форму пятиугольной выпуклой прямой призмы. Она содержит первый прямой двугранный отражатель с первой и второй отражающими гранями, который расположен навстречу второму двугранному отражателю с третьей и четвертой отражающими гранями. Между первым и вторым двугранными отражателями выполнен третий прямой двугранный отражатель с третьей и второй отражающими гранями. Указанные грани обеспечивают взаимно ортональную оптическую связь между собой. Перед выходным зеркалом выполнена проходящая грань со сторонами, равными , и с прилегающими двугранными углами величиной 135^o. Это позволяет образовать оптическую связь между выходным зеркалом и тремя прямыми двугранными отражателями и вывести излучение из резонатора.

Первая, вторая, третья и четвертая отражающие грани имеют размеры соответственно (m-1)X, nX, mX, (n-1)X, где n и m - натуральные числа, а nm. Если n - нечетное, а m - четное числа, то лазерный луч размером отразившись от упомянутых отражающих граней, направится точно по биссектрисе в первый прямой двугранный отражатель. При этом лазерный луч образует в активной среде фигуру осевой кривой в виде ломаной линии с (m+n-l) звеньями, которые перекроют двойной объем призмы. При n и m - нечетных (nm) или n - четном и m - нечетном числах лазерный луч в первом варианте после многократных отражений от прямых двугранных отражателей направится по биссектрисе в третий двугранный отражатель, а во втором варианте - во второй прямой двугранный отражатель. В дальнейшем, после обратного отражения одним из трех отражателей лазерный луч распространяется в направлении к выходному зеркалу, самосопрягаясь после каждого прохода резонатора. Циклический проход лазерного луча в резонаторе будет выполнен в объеме, равном четырем объемам активной среды, и его длина L₁ будет равна



Плотность мощности генерируемого излучения W₁, за один циклический проход представляется в виде



где G_л - коэффициент потерь представленного лазера.

Так как конфигурации активных сред и функциональные зависимости сечения генерируемого излучения от максимальной общей меры различны для прототипа и представленного лазера, то плотности мощности W и W₁ необходимо сравнивать для равных объемов активных сред и размеров лазерных лучей. Если определить размеры активной среды прототипа через nX и то длина циклического прохода лазерного луча будет равна



Новое выражение для плотности мощности прототипа W примет следующий вид:



Сравнивая значения величин W и W₁, можно сделать вывод, что плотность мощности представленного лазера значительно превосходит плотность мощности прототипа.

На фиг. 1 изображен общий вид лазера, отражающие грани активной среды которого определены через n - нечетное и m - четное натуральные числа. На фиг. 2 и фиг. 3 представлены изображения устройств, взятые с фиг. 1, с размерами активной среды nX и mX, где соответственно n и m - нечетные и nm, и n - четное, m - нечетное натуральные числа.

Лазер, представленный на фиг. 1, содержит выходное зеркало 1, активную среду 2, пропускающую грань 3, первый двугранный угол величиной 135^o 4, второй двугранный угол величиной 135^o 5, первую отражающую грань 6, вторую отражающую грань 7, первый прямой двугранный угол 8, третий прямой двугранный угол 9, третью отражающую грань 10, четвертую отражающую грань 11, второй прямой двугранный угол 12. Выходное зеркало 1 установлено перед гранью 3 и съюстировано так, что его ось симметрии ортогональна биссектрисам прямых двугранных углов 8 и 12 и параллельна биссектрисе прямого двугранного угла 9. Отражающая грань 6 ортогональна граням 7 и 11 и параллельна грани 10. Размеры оснований граней 3, 6, 7, 10, 11 равны соответственно (m-l)X, nX, mX, (n-1)X, где:

n - нечетное натуральное число,

m - четное натуральное число;

X - максимальная общая мера граней 6, 7, 10, 11.

Предположим, что электромагнитная волна распространяется в направлении от выходного зеркала 1 вдоль оси симметрии грани 3. Поскольку для конфигурации активной среды, представленной на фиг. 1, n = 15, m = 8 и так как на всех отражающих гранях активной среды 2 выполняются условия полного внутреннего отражения, то посредством последовательного отражения при помощи граней 6, 7, 10, 11 волна совершит проход через двойной объем призмы, который имеет вид ломаной линии с 22 звеньями. Электромагнитная волна достигнет по биссектрисе двугранный угол 8, обеспечивающий вместе с зеркалом 1 обратную положительную связь. Поэтому волна, отразившись от угла 8, направится обратно к зеркалу 1, совершив циклический проход длиной имея поперечные размеры Плотность мощности будет определяться выражением



В лазере, представленном на фиг. 2, конфигурация активной среды задана величинами n = 13 и m = 9. Поэтому электромагнитная волна совершит проход через двойной объем активной среды по ломаной линии с 21 звеном. В этой конфигурации двугранный угол 9 вместе с выходным зеркалом 1 определяют положительную обратную связь. Волна совершит циклический проход длиной и будет иметь плотность мощности излучения



Конфигурация активной среды лазера, представленная на фиг. 3, определена значениями n = 14 и m = 9, поэтому двугранный угол 12 с выходным зеркалом 1 обеспечивают положительную обратную связь. Волна совершит циклический проход, образуя в активной среде фигуру осевой линии в виде ломаной линии длиной с 22 звеньями, и достигнет плотности мощности излучения



Следовательно, плотности мощности излучения лазеров, изображенных на фиг. 1, 2, 3, будут соответственно в выше по сравнению с прототипом, при условии, что их коэффициенты потерь равны, т.е.

G_п =G_л

Но представленный лазер имеет более низкие френелевские потери резонатора, так как он содержит в 2 раза меньшие границы раздела сред. Поэтому справедливо неравенство

G_л < G_п

Следовательно, G-G_п < G-G_л и плотность мощности излучения лазера будет еще выше. Лазер имеет более низкий порог накачки для возбуждения генерации излучения. Действительно, применяя условие самовозбуждения лазера для типа колебаний, расположенных на вершине кривой коэффициента квантового усиления рабочего перехода, получим



где N^п и N^л - разности населенностей рабочих уровней соответственно прототипа и лазера.

Подставляя численные значения m и n, получим, что разность населенностей лазера, как и порог накачки, в 2,7 раза меньше по сравнению с прототипом.

Источники информации.

1. Звелто О. Принципы лазеров. - И: Мир, 1990, с. 373.

2. Подымака Н. Ф. Лазер. Патент N 2087060 по заявке N 94017283/25 от 10.05.94.