Патент на изобретение №2258991

(54) ОДНОЧАСТОТНЫЙ He-Ne ЛАЗЕР

(57) Реферат:

Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано при производстве одночастотных стабилизированных газовых лазеров. Лазер содержит резонатор, сформированный зеркалами, в котором размещены активный элемент и селектор частоты в виде эталона Фабри-Перо, грани которого выполнены под углом к плоскости, перпендикулярной оси лазера, и установлены на расстоянии от выходного зеркала резонатора до передней грани эталона Фабри -Перо, где L – длина резонатора , n – число продольных мод резонатора в пределах контура линии усиления, W₀ – наименьший диаметр луча в резонаторе. Изобретение обеспечивает повышение мощности и стабильности одночастотного режима излучения путем снижения потерь внутри резонатора. 2 ил.

Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано при производстве и выпуске одночастотных стабилизированных газовых лазеров.

Известен одночастотный стабилизированный лазер, содержащий оптический резонатор, у которого, по крайней мере, одно зеркало является сферическим и в котором размещен селектор частот в виде поглощающей пленки. В этом устройстве расстояние от ближайшего зеркала до пленки выбрано равным отношению длины оптического резонатора к числу продольных мод, заключенных в линии усиления активной среды (см. авт. свид. СССР №326677, кл. Н 01 S 3/02, опубл. 1972 г. в Б.И. №4).

Недостатком данного устройства является то, что совпадение фронта волны при откачке объема лазера получается неточным и форма фронта волны, задаваемого пленкой, искажается при изменении давления окружающей среды, что снижает мощность излучения лазера.

Известен одночастотный стабилизированный лазер, в котором селекция продольных мод осуществляется посредством одного или двух эталонов Фабри-Перо, а селекция поперечных мод осуществляется с помощью диафрагмы и кюветы с насыщающим поглотителем, например, выполняющим одновременно функцию пассивого затвора.

В оптимальном варианте, обеспечивающем существенное повышение мощности генерации, активный элемент и пассивный затвор устанавливаются вблизи противоположных зеркал резонатора, а эталон в его средней части, диафрагма располагается вблизи пассивного затвора. Размеры диафрагмы должны примерно соответствовать диаметру пучка для поперечной моды. В качестве отражателей рекомендуется использовать выпуклое и вогнутое зеркала с радиусом кривизны R=1÷40 м, образующие резонатор, приближающийся к конфокальному (см. пат. США №3582845, кл. H 01 S 3/00, опубл. 1.06.71 г.).

Недостатком лазера является наличие диафрагмы, которая является устройством, недостаточно эффективно осуществляющим селекцию мод резонатора, т.к. положение диафрагмы невозможно точно контролировать, что не обеспечивает необходимую стабильность излучения лазера.

Наиболее близким по технической сущности является лазер, содержащий оптический резонатор, образованный полностью отражающим и частично отражающим зеркалами. В резонатор введены активный элемент и эталон Фабри-Перо с воздушным зазором, позволяющий точно подстраивать частоту излучения лазера и имеющий две наружные поверхности с антиотражающим покрытием. Угол между двумя этими поверхностями эталона не превышает ±4 мрад.

Поскольку эталон выполнен в виде двух параллельных пластин, проходящий через эталон лазерный луч не меняет своего направления, а лишь перемещается параллельно самому себе (см., заявка Японии 1-225185, кл H 01 S 3/08, опубл. 8.09.89 г. – прототип).

Недостатком данного устройства является то, что положение эталона выбрано произвольно, что может при его неправильной установке снизить мощность выходного излучения и образовывать внутри резонатора дополнительные пучки. Эти лазерные пучки могут создаваться, если грани эталона точно выставлены параллельно зеркалам. В этом случае, несмотря на антиотражающие покрытия (покрытия нельзя выполнить совершенно не отражающими), могут создаваться дополнительные пучки в результате интерференции граней эталона с отражающим зеркалом. На выходе лазера, в этом случае, кроме одной частоты будут возникать дополнительные частоты, что ухудшает стабильность одночастотного режима и снижает мощность излучения на одной частоте.

Задачей настоящего изобретения является повышение стабильности частоты лазера с эталоном Фабри-Перо и повышение мощности излучения за счет устранения паразитных отражений и снижения потерь излучения в резонаторе лазера.

Указанная цель достигается тем, что в известном одночастотном He-Ne лазере, содержащем оптический резонатор, в котором размещены активный элемент и селектор частоты в виде эталона Фабри-Перо, источник питания, грани эталона Фабри-Перо выполнены под углом к плоскости, перпендикулярной оси лазера, и установлены на расстоянии от выходного зеркала резонатора до передней грани эталона Фабри-Перо,

где L – длина резонатора, n – число мод резонатора, w_o – наименьший диаметр луча в резонаторе.

Такое техническое решение позволит повысить стабильность частоты и мощность излучения за счет исключения паразитных отражений и снижения потерь, т.к. при грань эталона расположена в узле электромагнитной стоячей волны (одной моды).

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа позволил выявить совокупность существенных признаков, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию “новизна”.

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 не выявлены одночастотные гелий-неоновые лазеры с эталоном Фабри-Перо, в которых стабильность частоты и повышение мощности излучения достигались бы за счет устранения паразитных отражений и снижения потерь излучения в резонаторе лазера.

На фиг.1 представлен заявляемый лазер с эталоном Фабри-Перо в виде цилиндра с торцевыми гранями, перпендикулярными его оси.

На фиг.2 представлен заявляемый лазер с эталоном Фабри-Перо в виде цилиндра с торцевыми гранями, расположенными под углом 90°- к его оси.

Лазер содержит последовательно расположенные зеркала сферическое 1, выходное 2, активный элемент 3 и эталон Фабри-Перо 4, расположенный в резонаторе на расстоянии от выходного зеркала 2, – угол, образованный передней гранью эталона и плоскостью, перпендикулярной оси лазера; n – число продольных мод в резонаторе.

Лазер работает следующим образом. При подаче напряжения от источника питания на активный элемент 3 в нем зажигается разряд. При правильной ориентации зеркал 1, 2 (зеркала должны быть перпендикулярны оптической оси с точностью до 30″) в резонаторе возникает генерация. Излучение из активного элемента 3 поступает на зеркала 1 и 2, где формируется стоячая волна. В резонатор, образованный зеркалами 1 и 2, вносится эталон 4 на расстоянии от выходного зеркала 2, что позволяет одной из граней располагаться в узле стоячей волны. Грани эталона располагаются под углом к оптической оси лазера

где L – длина резонатора;

r=L/n – расстояние от выходного зеркала до передней грани эталона.

Эталон выделяет одну частоту при помещении одной из граней в узел стоячей волны, потери в эталоне резко снижаются.

Если эталон расположить передней гранью под углом, отличающимся от 90° на то отражение от передней грани эталона не попадет на противоположное зеркало и не создает шумов, которые сопровождают одночастотный режим при ориентации граней перпендикулярно оси лазера.

Кроме того, эталон представляет собой фильтр, выделяющий одну частоту, причем длина эталона вычисляется, исходя из ширины доплеровского контура и длины резонатора так, чтобы соседние частоты располагались на частотном расстоянии, превышающем ширину доплеровского контура. Так выделяется одна частота, но, если от передней грани эталона отражаются лучи и попадают на дальнее зеркало 1, одночастотный режим получается нестабильным, поскольку происходят амплитудные колебания одночастотного режима. Лучи, отраженные от зеркала, могут сложиться в фазе на передней грани эталона либо в противофазе с лучами, отраженными от передней грани эталона. Это приведет к нестабильности амплитуды одночастотной генерации.

С целью снижения потерь амплитуды стоячих волн грани эталона должны располагаться в узлах стоячих продольных типов колебаний. Положение узла определяется отношением Помещая переднюю грань в узел стоячей волны и повышая тем самым амплитуду колебаний одночастотного режима, мы задаем автоматически выбор длины эталона и положение задней грани эталона. Подбирая угол наклона , можно добиться наибольшей мощности генерации на одной частоте.

Если величина угла будет равна то отражений не будет.

С другой стороны угол не должен быть больше, чем поскольку в этом случае оптическая длина эталона будет больше расчетной и одночастотный режим генерации трудно осуществим.

Приводим пример конкретного выполнения устройства. В гелий-неоновом лазере с эталоном Фабри-Перо длина эталона составляет 50 мм, что обеспечивает одночастотный режим генерации при длине резонатора 2,0 м. Мощность лазерного излучения 40 мВт в одночастотном режиме.

Место расположения грани талона вычисляется следующим образом: 1)

2)

– ширина доплеровского контура;

3) – место расположения эталона от выходного зеркала.

Угол определяем из выражения

Вышеприведенные сведения показывают, что заявленное изобретение соответствует требованию “промышленная применимость” по действующему законодательству.

Формула изобретения

Одночастотный гелий-неоновый лазер, содержащий источник питания и резонатор, в котором размещены активный элемент и селектор частоты в виде эталона Фабри-Перо, отличающийся тем, что грани эталона Фабри-Перо выполнены под углом к плоскости, перпендикулярной оси лазера, и установлены на расстоянии от выходного зеркала резонатора до передней грани эталона Фабри-Перо, где L – длина резонатора, n – число продольных мод резонатора в пределах контура линии усиления, W₀ – наименьший диаметр луча в резонаторе.

РИСУНКИ