RU2090964C1 - Single-mode gas laser - Google Patents
Single-mode gas laser Download PDFInfo
- Publication number
- RU2090964C1 RU2090964C1 RU93035212A RU93035212A RU2090964C1 RU 2090964 C1 RU2090964 C1 RU 2090964C1 RU 93035212 A RU93035212 A RU 93035212A RU 93035212 A RU93035212 A RU 93035212A RU 2090964 C1 RU2090964 C1 RU 2090964C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser
- monoblock
- mirrors
- channel
- mirror
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Lasers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к квантовой электронике, а именно, к отпаянным (герметичным) моноблочным одномодовым газовым лазерам, в которых возбуждается продольных электрический разряд в длинном складном резонаторе и которые обладают высокой надежностью, стабильными параметрами выходного излучения в сложных условиях эксплуатации (при перепадах температуры окружающей среды, ударных нагрузках, вибрации) и вместе с тем имеют относительно простую конструкцию малых размеров и массы, технологичную и нетрудоемкую в изготовлении. Изобретение найдет применение в переносном и стационарном медицинском оборудовании и особенно в интерферометрических контрольно-измерительных и дальномерных системах, голографических и фотолитографических установках в качестве недорогого малогабаритного источника когерентного излучения, работающего в основной моде (ТЕМоо), имеющей гауссово поперечное распределение интенсивности и минимальную расходимость. The invention relates to quantum electronics, namely to sealed-off (sealed) monoblock single-mode gas lasers in which a longitudinal electric discharge is excited in a long folding resonator and which have high reliability, stable output radiation parameters in difficult operating conditions (at ambient temperature drops, shock loads, vibrations) and at the same time have a relatively simple design of small dimensions and mass, technological and not difficult to manufacture. The invention will find application in portable and stationary medical equipment and especially in interferometric control and measuring and rangefinder systems, holographic and photolithographic installations as an inexpensive small-sized source of coherent radiation operating in the main mode (TEMOO), which has a Gaussian transverse intensity distribution and minimal divergence.
При решении ряда задач в указанных и других областях использования газовых лазеров возникает необходимость уменьшения расходимости лазерного излучения, что достигается увеличением длины резонатора. При этом лазеры с линейным каналом приобретают большие габариты (до 2 м для He-Ne лазеров модностью 25-50 мВт) и массу (30-40 кг) из-за использования массивных средств крепления разрядной трубки (для уменьшения ее деформации при разогреве разрядом и снижения чувствительности к вибрациям и ударным нагрузкам). In solving a number of problems in these and other areas of gas gas use, it becomes necessary to reduce the divergence of laser radiation, which is achieved by increasing the cavity length. In this case, lasers with a linear channel acquire large dimensions (up to 2 m for He-Ne lasers with a modality of 25-50 mW) and weight (30-40 kg) due to the use of massive means of fastening the discharge tube (to reduce its deformation during heating by discharge and decrease in sensitivity to vibrations and shock loads).
Значительное уменьшение габаритов и массы лазера получают при использовании многопроходных [1-3] или складных резонаторов, в которых излучение распространяется по траектории в виде ломаной линии на плоскости [4-6] или в пространстве [7, 8] В многопроходных резонаторах это достигается с помощью зеркал с относительно большой поверхностью, а в складных резонаторах благодаря использованию дополнительных поворотных зеркал небольших размеров. A significant reduction in the dimensions and mass of the laser is obtained using multipass [1-3] or folding resonators, in which the radiation propagates along the trajectory in the form of a broken line on the plane [4-6] or in space [7, 8] In multipass resonators this is achieved with using mirrors with a relatively large surface, and in folding resonators due to the use of additional small rotary mirrors.
Вместе с тем и в том и в другом случае возникают проблемы, связанные с разъюстировкой резонатора вследствие деформации поверхности зеркал (в основном для многопроходных резонаторов) или изменения их положения (например, из-за различия коэффициентов теплового расширения (КТР) покрытий, подложек и держателей зеркал), вызванных перепадами температуры, ударными нагрузками, вибрацией. Вследствие этого надежность лазеров, стабильность параметров их выходного излучения в таких сложных условиях эксплуатации (возникающих, например, для переносного дальномерного или контрольно-измерительного оборудования при работе вне и внутри помещения) оказываются недостаточными. At the same time, in both cases problems arise with alignment of the resonator due to deformation of the mirror surface (mainly for multipass resonators) or a change in their position (for example, due to the difference in the thermal expansion coefficients (CTE) of coatings, substrates, and holders mirrors) caused by temperature changes, shock loads, vibration. As a result, the reliability of the lasers, the stability of the parameters of their output radiation in such difficult operating conditions (arising, for example, for portable rangefinder or instrumentation when working outdoors and indoors) are insufficient.
Решение этих проблем путем введения средств юстировки усложняет конструкцию лазера и его эксплуатацию (см. например, [9]). Юстировка требует использования высококвалифицированного персонала, трудоемка, особенно, когда необходима реализация одномодового режима. Solving these problems by introducing adjustment tools complicates the design of the laser and its operation (see, for example, [9]). Adjustment requires the use of highly qualified personnel, time-consuming, especially when it is necessary to implement a single-mode mode.
В наибольшей степени указанные проблемы могут быть решены в моноблочных конструкциях лазеров, которые, однако, известны лишь для линейных и кольцевых лазеров. Моноблок является держателем лазерного канала на всем его протяжении, а также держателем его зеркал [10-13] Он изготавливается из диэлектрического материала (кварц, керамика и др.), имеющего весьма низкий коэффициент теплового расширения, а также высокую виброустойчивость. Поэтому в нем в значительной мере снимаются проблемы, связанные с деформацией лазерного канала, присущие газоразрядным трубкам и он обеспечивает температурную стабилизацию резонатора [14] В связи с этим в процессе эксплуатации моноблочные лазеры не требуют юстировки [15] что делает их конструкцию достаточно простой и компактной. To the greatest extent, these problems can be solved in monoblock laser designs, which, however, are known only for linear and ring lasers. The monoblock is the holder of the laser channel along its entire length, as well as the holder of its mirrors [10-13]. It is made of a dielectric material (quartz, ceramics, etc.), which has a very low coefficient of thermal expansion, as well as high vibration resistance. Therefore, it largely removes the problems associated with the deformation of the laser channel inherent in gas discharge tubes and it provides temperature stabilization of the resonator [14] In this regard, monoblock lasers do not require alignment during operation [15], which makes their design quite simple and compact .
Представляется целесообразным распространить указанные полезные свойства на лазеры со складными резонаторами. Однако, приемы использования технических решений и накопленного опыта по разработке складных резонаторов в моноблочных конструкциях не являются прямыми и очевидными. Так, использование решений [1, 5, 6] в моноблочном исполнении потребовало бы сложной и трудоемкой технологии изготовления криволинейных либо рельефных торцевых поверхностей из множества плоских участков с прецизионной их привязкой по углу. Кроме того, традиционное использование в складных резонаторах "длинной базы" (расстояние между зеркалами вдоль участков траектории излучения) для моноблочных конструкций представляется весьма проблематичным. Действительно, такая база потребует повышенной линейности изготовления длинных участков канала и точности обработки торцевых поверхностей моноблока для исключения виньетирования излучения в резонаторе самими каналами. Реализация же одномодового режима работы, например, путем использования решения [5] потребует обеспечения и высокой параллельности таких участков каналов. В противном случае кольцевые выступы на таких участках (используемые для подавления внеосевых мод генерации), внутренние диаметры которых изменяются в соответствии с диаметром основной моды, будут виньетировать друг друга. Указанные требования делают реализацию одномодового режима по решению [5] в моноблочном исполнении практически нереальной из-за непреодолимых технологических трудностей, многократно возрастающих с увеличением числа таких параллельных участков. Заметим, что реализация решения [5] с помощью газоразрядных трубок связана с возможностью их индивидуальной деформации, что, естественно, неосуществимо в моноблоке. It seems appropriate to extend these useful properties to lasers with folding resonators. However, techniques for using technical solutions and accumulated experience in the development of folding resonators in monoblock structures are not direct and obvious. Thus, the use of solutions [1, 5, 6] in a monoblock design would require a complex and time-consuming technology for the manufacture of curved or embossed end surfaces from a variety of flat sections with their precise angle binding. In addition, the traditional use of “long base” in folding resonators (the distance between the mirrors along sections of the radiation path) for monoblock structures seems to be very problematic. Indeed, such a base will require increased linearity in the manufacture of long sections of the channel and the accuracy of processing the end surfaces of the monoblock to exclude vignetting of radiation in the resonator by the channels themselves. The implementation of the single-mode operation mode, for example, by using the solution [5] will require ensuring and high parallelism of such channel sections. Otherwise, the annular protrusions in such areas (used to suppress off-axis generation modes), whose inner diameters vary in accordance with the diameter of the main mode, will vignet one another. These requirements make the implementation of a single-mode regime by solution [5] in a single-block design almost unrealistic due to insurmountable technological difficulties that increase many times with an increase in the number of such parallel sections. Note that the implementation of the solution [5] using gas discharge tubes is associated with the possibility of their individual deformation, which, of course, is not feasible in a monoblock.
Непосредственный перенос опыта конструирования моноблочных кольцевых резонаторов, использующих каналы с линейными участками, на моноблочные складные резонаторы также невозможен без его творческого переосмысления из-за специфики их конструкции и решаемых задач. The direct transfer of the experience of designing monoblock ring resonators using channels with linear sections to monoblock folding resonators is also impossible without its creative rethinking due to the specificity of their design and the tasks to be solved.
Специфика задач требует уменьшения взаимодействия мод за счет снижения обратного рассеяния, что в итоге приводит к тому, что резонатор кольцевого одномодового лазера должен содержать как можно меньше оптических элементов [16] Поэтому углы падения излучения на эти оптические элементы (поворотные зеркала) достаточно велики, а длина канала мала. Вследствие этого коэффициент усиления и мощность излучения кольцевого лазера невелики и небольшие изменения углов падения излучения на поворотные зеркала не приводит к резкому изменению их величины. Складные же резонаторы, напротив, имеют большое число поворотных зеркал для максимального снижения габаритов при сохранении длины канала, углы падения на них излучения малы, а апертура близка к круговой и изменения углов падения вызывает весьма резкое изменение усиления и мощности излучения. The specifics of the problems require a decrease in the mode interaction due to a decrease in backscattering, which ultimately leads to the fact that the cavity of a ring single-mode laser should contain as few optical elements as possible [16] Therefore, the angles of incidence of radiation on these optical elements (rotary mirrors) are quite large, and the channel length is small. As a result of this, the gain and radiation power of a ring laser are small and small changes in the angles of incidence of radiation on the rotary mirrors do not lead to a sharp change in their magnitude. Foldable resonators, on the other hand, have a large number of rotary mirrors to minimize size while maintaining the channel length, the angles of incidence on them are small, and the aperture is close to circular and changes in the angles of incidence cause a very sharp change in the gain and power of the radiation.
Специфика конструкции одномодовых моноблочных кольцевых лазеров связана с сильной зависимостью дифракционных потерь моды ТЕМоо от точности подготовки поверхностей моноблока и изготовления на нем участков канала (т.е. от точности выполнения диаметров участков, обеспечения их линейности и точности их ориентации). Отклонения осей участков каналов от расчетной линии, особенно в области диафрагмирования излучения (для обеспечения одномодового режима), может привести к виньетированию излучения в резонаторе самими каналами или к возникновению скользящих отражений от стенок канала. И то и другое может привести на практике к полному подавлению моды ТЕМоо. В частности, по этим причинам в кольцевых лазерах применяют обычно диафрагмы в виде местного сужения канала. The specific design of single-mode monoblock ring lasers is associated with the strong dependence of the diffraction loss of the TEMOO mode on the accuracy of the preparation of the surfaces of the monoblock and the manufacture of channel sections on it (i.e., on the accuracy of the diameters of the sections, ensuring their linearity and the accuracy of their orientation). Deviations of the axes of the channel sections from the calculated line, especially in the area of radiation diaphragm (to ensure a single-mode operation), can lead to vignetting of the radiation in the cavity by the channels themselves or to the occurrence of sliding reflections from the channel walls. Both that and another can lead in practice to complete suppression of the TEMoo mode. In particular, for these reasons, diaphragms in the form of local narrowing of the channel are usually used in ring lasers.
Кроме того, спецификой конструкции моноблочных кольцевых лазеров является необходимость обработки большого числа поверхностей моноблока с прецизионной угловой привязкой друг с другом, требующей использования сложного и дорогого технологического оборудования, а также неэффективность использования объема моноблока для размещения активной среды и разрядных электродов. Разрядные электроды в кольцевых лазерах располагают, как правило, снаружи моноблока, что увеличивает его размеры, требует дополнительных затрат на обработку под них поверхностей и использования трудоемких технологий их закрепления на этих поверхностях. In addition, the specificity of the design of monoblock ring lasers is the need to process a large number of monoblock surfaces with precise angular binding to each other, requiring the use of complex and expensive technological equipment, as well as the inefficiency of using the monoblock volume to place the active medium and discharge electrodes. Discharge electrodes in ring lasers are usually located outside the monoblock, which increases its size, requires additional costs for processing surfaces under them and the use of labor-intensive technologies for fixing them on these surfaces.
Таким образом, возникает задача, сформулированная в такой постановке впервые и заключающаяся в разработке моноблочных одномодовых газовых лазеров, в которых возбуждается продольный электрический разряд в длинном складном резонаторе и которые обладают высокой надежностью, стабильными параметрами в сложных условиях эксплуатации и вместе с тем имеют технологичную и простую конструкцию небольших размеров и массы со сниженной трудоемкостью изготовления. Thus, the problem arises, formulated for the first time in this formulation and consisting in the development of single-block single-mode gas lasers in which a longitudinal electric discharge is excited in a long folding resonator and which have high reliability, stable parameters in difficult operating conditions and, at the same time, have a technological and simple design of small size and weight with reduced manufacturing complexity.
Особенность задачи заключается в том, что для реализации одномодового режима не могут быть непосредственно использованы (как сказано выше) известные решения, применяемые в лазерах со складными резонаторами или с моноблочными кольцевыми резонаторами. The peculiarity of the problem lies in the fact that the well-known solutions used in lasers with folding resonators or with monoblock ring resonators cannot be directly used (as mentioned above) to implement a single-mode regime.
Поскольку моноблочных газовых лазеров (ни одномодовых, ни многомодовых) с длинным складным резонатором в литературе авторы не обнаружили, что наиболее близкими по совокупности существенных признаков оказались одномодовые лазеры с кольцевым резонатором [16, 17] из которых [17] выбран в качестве прототипа. Известные лазеры [16, 17] содержат моноблок из диэлектрического материала, в котором выполнен лазерный канал, заполненный активной средой, состоящий из последовательно расположенных и соединенных друг с другом с образованием кольцевого резонатора линейных участков с полостями в местах их соединения и ограниченный в этих местах поворотными зеркалами, герметично установленными на плоских торцевых поверхностях моноблока, а также катод с развитой протяженной поверхностью (полусферической в [17] и куполообразной в [16] формы) и два анода, контактирующие с активной средой для возбуждения в ней продольного электрического разряда. В [16] катод и аноды расположены в соответствующих полостях моноблока, соединенных с лазерным каналом. Реализация одномодового режима осуществляется за счет использования встроенной в моноблок юстируемой диафрагмы, расположенной на одном из линейных участков. В [17] полусферический катод расположен в полости отдельной части моноблока катодного блока, выполненного из того же материала, что и другая его часть лазерный блок (с лазерным каналом), и закрепленного на последнем за счет атмосферного давления и герметизирующего слоя индия. Аноды в [17] установлены на верхней поверхности лазерного блока в полостях у противолежащих поворотных зеркал. Одномодовый режим (мода ТЕМоо) реализуется в прототипе за счет использования апертурно ограниченного поворотного зеркала для подавления генерации внеосевых мод в резонаторе. Отказ от использования обычной для кольцевых лазеров диафрагмы (локального сужения канала) вызван необходимостью перемещения плоскости лазерного луча в резонаторе (перемещением апертурно ограниченного зеркала) для регулирования длины лазерного канала. Для этого же диаметр канала выполняется достаточно большим. Since monoblock gas lasers (neither single-mode or multi-mode) with a long folding resonator in the literature, the authors did not find that single-mode ring-cavity lasers [16, 17] of which [17] were selected as the prototype were the closest in terms of the essential features. Known lasers [16, 17] contain a monoblock of dielectric material, in which a laser channel is filled with an active medium, consisting of linear sections arranged in series and connected to each other with the formation of a ring resonator with cavities at their junctions and limited in these places by rotary mirrors hermetically mounted on the flat end surfaces of the monoblock, as well as a cathode with a developed extended surface (hemispherical in [17] and domed in [16] shape) and two anodes, a contact iruyuschie with an active medium therein for excitation of longitudinal electric discharge. In [16], the cathode and anodes are located in the respective monoblock cavities connected to the laser channel. The single-mode operation is implemented through the use of an adjustable diaphragm integrated in the monoblock located on one of the linear sections. In [17], a hemispherical cathode is located in the cavity of a separate part of the monoblock of the cathode block, made of the same material as the other part of the laser block (with a laser channel), and fixed to the latter due to atmospheric pressure and an indium sealing layer. The anodes in [17] are mounted on the upper surface of the laser block in the cavities of opposite rotary mirrors. The single-mode mode (TEMOO mode) is implemented in the prototype through the use of an aperture-limited swivel mirror to suppress the generation of off-axis modes in the cavity. The refusal to use the usual diaphragm for ring lasers (local narrowing of the channel) is caused by the need to move the plane of the laser beam in the cavity (by moving the aperture-limited mirror) to control the length of the laser channel. For this, the diameter of the channel is large enough.
Однако то, что возможно при малом количестве поворотных зеркал и широком лазерном канале, вызывает непреодолимые трудности для многоповоротного складного резонатора с узким каналом. Юстировка такого резонатора смещением апертурно ограниченного зеркала (как в [17]) потребует чрезвычайно высокого искусства, что в практическом плане вряд ли целесообразно. Малейшие смещения такого зеркала могут привести к срыву генерации из-за резкого увеличения дифракционных потерь вследствие возникновения скользящих отражений излучения от стенок канала или виньетирования излучения его участками. Кроме того, осуществление юстировки подобным образом налагает весьма высокие требования на точность изготовления участков лазерного канала в соответствие с расчетной линией. However, what is possible with a small number of swivel mirrors and a wide laser channel causes insurmountable difficulties for a multi-turn folding resonator with a narrow channel. Aligning such a resonator by shifting the aperture-limited mirror (as in [17]) will require extremely high art, which is hardly practical in practical terms. The slightest displacements of such a mirror can lead to disruption of generation due to a sharp increase in diffraction losses due to the occurrence of sliding reflections of radiation from the channel walls or vignetting of radiation by its sections. In addition, the implementation of alignment in this way imposes very high requirements on the accuracy of manufacturing sections of the laser channel in accordance with the calculated line.
Использование обычной для кольцевых лазеров диафрагмы (как в [16]) для реализации одномодового режима также оказывается нецелесообразным. В кольцевых лазерах ее располагают, как правило, на пассивном участке. В моноблочном складном резонаторе с продольным разрядом все участки лазерного канала "активные" (заняты разрядом). Размещение диафрагмы на таких участках вызовет в процессе работы лазера быстрое ее разрушение под действием разряда и загрязнение зеркала ее частицами, что приведет к преждевременному выходу лазера из строя. The use of the usual aperture for ring lasers (as in [16]) for the implementation of the single-mode regime also turns out to be impractical. In ring lasers it is located, as a rule, on a passive section. In a monoblock folding resonator with a longitudinal discharge, all sections of the laser channel are “active” (occupied by the discharge). Placing the diaphragm in such areas during laser operation will cause its rapid destruction under the action of a discharge and contamination of the mirror by its particles, which will lead to premature laser failure.
Заметим также, что в известных моноблочных газовых лазерах [16, 17] необходима обработка под каждое поворотное зеркало отдельного участка поверхности моноблока с прецизионной угловой привязкой между такими участками. Однако реализация такого решения для многоповоротных складных резонаторов нетехнологична, т.к. потребовала бы (как уже указывалось выше при анализе [5, 6] ) применения трудоемкой технологии изготовления рельефных поверхностей с использованием сложного и дорогого технологического оборудования. Это не позволяет в полной мере решить поставленную задачу. We also note that in the well-known monoblock gas lasers [16, 17], it is necessary to process for each rotary mirror a separate section of the surface of the monoblock with precision angular reference between such sections. However, the implementation of such a solution for multi-turn folding resonators is not technologically advanced, because would require (as already mentioned above in the analysis of [5, 6]) the use of labor-intensive technology for manufacturing embossed surfaces using complex and expensive technological equipment. This does not allow to fully solve the task.
Трудности и проблемы, возникающие при использовании известных решений, в том числе и прототипа [17] могут быть преодолены и поставленная задача может быть решена с помощью предлагаемого изобретения в полной мере за счет того, что в одномодовом газовом лазере, содержащем моноблок из диэлектрического материала, в котором выполнен лазерный канал, заполненный активной средой, состоящий из последовательно расположенных и соединенных друг с другом линейных участков с полостями в местах их соединения и ограниченный в этих местах поворотными зеркалами, герметично установленными на поверхностях моноблока, а также по меньшей мере один катод с развитой протяженной поверхностью, помещенный в соединенную с лазерным каналом полость, выполненную в моноблоке, и по меньшей мере один анод, контактирующие с активной средой для возбуждения в ней продольного электрического разряда, согласно изобретения, линейные участки лазерного канала расположены вдоль зигзагообразной линии с образованием складного резонатора между введенными концевыми зеркалами, по меньшей мере одно из которых является сферическим и которые установлены вместе с поворотными зеркалами на противолежащих плоских боковых поверхностях моноблока, при этом поворотные зеркала установлены на этих боковых поверхностях непосредственно, а концевые зеркала через клиновидные прокладки с углом клина, соответствующим углу между осью участка лазерного канала и нормалью к боковой поверхности, по меньшей мере одно из концевых или поворотных зеркал апертурно ограничено на участке, обеспечивающем резонансный эффект, а катод и анод соединены с соответствующими участками лазерного канала, разнесенными вдоль него. Difficulties and problems arising from the use of known solutions, including the prototype [17], can be overcome and the problem can be solved with the help of the invention in full due to the fact that in a single-mode gas laser containing a monoblock of dielectric material, in which a laser channel is made, filled with an active medium, consisting of linear sections sequentially located and connected to each other with cavities at their junctions and bounded by rotary by feces sealed on the surfaces of the monoblock, as well as at least one cathode with a developed extended surface, placed in a cavity connected to the laser channel, made in a monoblock, and at least one anode in contact with the active medium to excite a longitudinal electric discharge in it according to the invention, linear sections of the laser channel are arranged along a zigzag line with the formation of a foldable resonator between the inserted end mirrors, at least one of which is spherical and which are mounted together with the rotary mirrors on opposite flat side surfaces of the monoblock, while the rotary mirrors are mounted on these side surfaces directly, and the end mirrors through wedge-shaped gaskets with a wedge angle corresponding to the angle between the axis of the laser channel section and the normal to the side surface, at least one of the end or pivoting mirrors is aperture limited in the region providing the resonance effect, and the cathode and anode are connected to the corresponding Kami laser channel, spaced along it.
Наличие отличительных от прототипа [17] существенных признаков позволяет констатировать соответствие заявляемого изобретения условиями патентоспособности по новизне. The presence of essential features distinctive from the prototype [17] allows us to ascertain the compliance of the claimed invention with the conditions of patentability for novelty.
Сущность изобретения заключается в том, что диафрагмирование излучения в многоповоротном моноблочном складном резонаторе для реализации одномодового режима работы газового лазера предложено производить путем апертурного ограничения зеркала (по меньшей мере одного из концевых или поворотных зеркал) на его рабочем участке, обеспечивающем резонансный эффект. Это позволяет осуществлять настройку резонатора для возбуждения излучения в лазере и одномодового режима его работы не одновременно (как в прототипе), а последовательно. В соответствии с изобретением сначала настраивается резонатор с широкой апертурой излучения, определяемой всей поверхностью упомянутого зеркала, для получения генерации и лишь затем (в одном из вариантов после сборки лазера) производится ограничение апертуры этого зеркала для получения одномодового режима. Благодаря этому удалось свести чрезвычайно высокие требования к точности подготовки поверхностей моноблока и выполнения в нем участков лазерного канала к более простым в практическом плане. Так, поверхности моноблока и участки лазерного канала в нем готовятся и выполняются по общим требованиям вне зависимости от режима работы лазера на его основе (многомодового, одномодового). К таким общим требованиям относятся исключение виньетирования излучения участками лазерного канала или возникновения скользящих отражений от их стенок, стабилизация каждого участка лазерного канала в сложных условиях эксплуатации и др. И лишь затем конструкция лазера "доводится " для работы в одномодовом режиме путем выбора места апертурного ограничения излучения на зеркале лазера. Размер апертуры при этом естественно определяется размером соответствующей моды на поверхности зеркала. Такая "развязка" требований к одномодовому моноблочному лазеру со складным резонатором позволяет независимо производить оптимизацию конструкции различных узлов и элементов лазера. The essence of the invention lies in the fact that the diaphragm of radiation in a multi-turn monoblock collapsible resonator for the implementation of a single-mode gas laser is proposed to produce by aperture limiting the mirror (at least one of the end or rotary mirrors) on its working area, providing a resonant effect. This allows you to configure the resonator to excite radiation in the laser and the single-mode mode of its operation not simultaneously (as in the prototype), but in series. In accordance with the invention, a resonator with a wide aperture of radiation, determined by the entire surface of the said mirror, is first tuned to obtain lasing, and only then (in one of the variants after laser assembly) is the aperture of this mirror limited to obtain a single-mode mode. Thanks to this, it was possible to reduce extremely high requirements for the accuracy of preparation of the surfaces of the monoblock and the implementation of sections of the laser channel in it to more practical ones. So, the surfaces of the monoblock and sections of the laser channel in it are prepared and performed according to general requirements, regardless of the operating mode of the laser based on it (multimode, single-mode). Such general requirements include the exclusion of vignetting of radiation by sections of the laser channel or the occurrence of moving reflections from their walls, stabilization of each section of the laser channel under difficult operating conditions, etc. And only then the laser design is “brought” to work in single-mode mode by choosing the location of the radiation aperture limitation on the laser mirror. The size of the aperture is naturally determined by the size of the corresponding mode on the mirror surface. This “decoupling” of the requirements for a single-mode monoblock laser with a folding resonator allows independent optimization of the design of various laser components and elements.
Так, в отличие от известных лазеров (как многомодовых, так и одномодовых) с многопроходными или многоповоротными резонаторами, в предложенной моноблочной конструкции одномодового газового лазера длинный лазерный канал "складывают" в поперечном направлении к продольной оси моноблока, т.е. формируют его из относительно коротких линейных участков, расположенных между противолежащими плоскими боковыми поверхностями моноблока. So, unlike well-known lasers (both multi-mode and single-mode) with multi-pass or multi-turn resonators, in the proposed monoblock design of a single-mode gas laser, the long laser channel is “folded” in the transverse direction to the longitudinal axis of the monoblock, i.e. form it from relatively short linear sections located between opposite flat side surfaces of the monoblock.
Короткие участки лазерного канала, ограниченные к тому же зеркалами (поворотными и концевыми) небольших размеров менее подвержены влиянию перепадов температуры окружающей среды, ударных нагрузок, вибрации, что обеспечивает высокую надежность предлагаемого лазера, стабильность параметров его выходного излучения в таких сложных условиях эксплуатации за счет стабилизации каждого участка его длинного складного резонатора. Short sections of the laser channel, which are also limited by small-size mirrors (rotary and end), are less susceptible to changes in ambient temperature, shock loads, and vibration, which ensures high reliability of the proposed laser and the stability of its output radiation parameters in such difficult operating conditions due to stabilization each section of its long folding resonator.
Короткие участки лазерного канала могут быть выполнены с меньшими угловыми отклонениями от расчетной зигзагообразной линии и с меньшими отклонениями от их требуемой линейность, что исключает виньетирование ими излучения или возникновение скользящих отражений от их стенок. Поэтому эти участки могут быть выполнены меньшего диаметра (нежели длинные участки), что обеспечивает больший коэффициент усиления активной среды и, следовательно, меньшую зависимость от качества изготовления элементов и качества подготовки лазера, влияющих на потери резонатора. Short sections of the laser channel can be made with smaller angular deviations from the calculated zigzag line and with smaller deviations from their desired linearity, which eliminates the vignetting of radiation or the occurrence of sliding reflections from their walls. Therefore, these sections can be made of smaller diameter (rather than long sections), which provides a greater gain of the active medium and, therefore, less dependence on the manufacturing quality of the elements and the quality of the preparation of the laser, affecting the loss of the resonator.
Короткие линейные участки лазерного канала могут быть выполнены обычными средствами без использования уникального технологического оборудования. А т. к. эти участки канала расположены между двумя плоскими поверхностями моноблока и концевые зеркала устанавливаются на эти поверхности через клиновидные прокладки, то оказывается достаточным производить обработку и полировку только этих двух (боковых) плоских поверхностей моноблока, вне зависимости от числа поворотных зеркал (в отличие от аналога [16] и прототипа [17]), т.е. от того во сколько раз "складывается" длинный резонатор. Последнее позволяет исключить трудоемкие операции прецизионной перестройки по углу технологического оборудования и, в целом, снизить трудоемкость процесса изготовления моноблочного лазера. Кроме того, это позволяет в максимальной степени использовать объем моноблока за счет увеличения числа нелинейных участков лазерного канала на единицу длины моноблока вдоль его оси и вследствие этого существенно уменьшить габариты и массу лазера. Short linear sections of the laser channel can be performed by conventional means without the use of unique technological equipment. Since these sections of the channel are located between two flat surfaces of the monoblock and the end mirrors are installed on these surfaces through wedge-shaped gaskets, it turns out to be sufficient to process and polish only these two (side) flat surfaces of the monoblock, regardless of the number of rotary mirrors (in difference from analogue [16] and prototype [17]), i.e. from how many times a long resonator “folds”. The latter makes it possible to eliminate the laborious operations of precision adjustment along the angle of technological equipment and, in general, reduce the laboriousness of the process of manufacturing a single-block laser. In addition, this allows the maximum use of the volume of the monoblock by increasing the number of nonlinear sections of the laser channel per unit length of the monoblock along its axis and, as a result, significantly reduces the dimensions and mass of the laser.
При выполнении моноблока в форме параллелепипеда (или иной формы) с хорошо выдержанной параллельностью (в пределах погрешностей, допустимых при изготовлении кольцевых лазеров) его плоских боковых поверхностей, на которых устанавливаются зеркала, оси участков лазерного канала могут образовывать один и тот же угол с нормалями к этим боковым поверхностям. Тогда и углы клина клиновидных прокладок имеют практически такой же угол. Однако, в принципе, возможно, что указанные плоские боковые поверхности могут быть и непараллельными, т. е. быть наклоненными друг к другу под небольшим углом. Тогда оси разных участков лазерного канала образуют различные углы с нормалями к этим боковым поверхностям в соответствии с законами оптики. В таком случае угол клина каждой из клиновидных прокладок определяется углом между осью соответствующего конечного участка лазерного канала и нормалью к боковой поверхности, на которой эта клиновидная прокладка установлена. When performing a monoblock in the form of a parallelepiped (or other shape) with well-maintained parallelism (within the margin of error acceptable in the manufacture of ring lasers) of its flat side surfaces on which mirrors are mounted, the axes of the sections of the laser channel can form the same angle with the normals to to these side surfaces. Then the wedge angles of the wedge-shaped gaskets have almost the same angle. However, in principle, it is possible that these flat lateral surfaces can also be non-parallel, i.e., be inclined to each other at a small angle. Then the axes of different sections of the laser channel form different angles with normals to these side surfaces in accordance with the laws of optics. In this case, the wedge angle of each of the wedge-shaped spacers is determined by the angle between the axis of the corresponding end portion of the laser channel and the normal to the side surface on which this wedge-shaped spacer is mounted.
Для упрощения технологии изготовления целесообразно, чтобы линейные участки лазерного канала образовывали бы плоский складной резонатор, т.е. чтобы зигзагообразная линия, вдоль которой они расположены, была бы плоской. При этом двугранные углы клиновидных прокладок будут лежать, очевидно, в плоскости этой линии. Однако, зигзагообразная линия их расположения может быть и пространственной без значительного усложнения технологии изготовления, что может быть использовано, например, для уменьшения продольных размеров моноблока и лазера за счет максимально плотного расположения (дисковых) зеркал на боковой поверхности моноблока. To simplify the manufacturing technology, it is advisable that the linear sections of the laser channel form a flat folding resonator, i.e. so that the zigzag line along which they are located is flat. In this case, the dihedral angles of the wedge-shaped gaskets will obviously lie in the plane of this line. However, the zigzag line of their location can also be spatial without significantly complicating the manufacturing technology, which can be used, for example, to reduce the longitudinal dimensions of the monoblock and laser due to the most dense arrangement of (disk) mirrors on the side surface of the monoblock.
С другой стороны, полученная в результате оптимизации конструкция моноблочного резонатора с двумя боковыми поверхностями и короткими участками лазерного канала между ними позволяет более точно выбрать место апертурного ограничения излучения лазера для реализации одномодового режима. При этом имеется ввиду выбор как зеркала (поворотного или концевого), на котором будет производиться апертурное ограничение, так и участка на поверхности его зеркального покрытия. On the other hand, the design of a monoblock resonator with two side surfaces and short sections of the laser channel between them obtained as a result of optimization makes it possible to more accurately select the place of the aperture limitation of laser radiation for the implementation of a single-mode regime. At the same time, we have in mind the choice of both a mirror (swivel or end), on which an aperture restriction will be made, and a section on the surface of its mirror coating.
Удобно и технически относительно просто реализуемо апертурное ограничение концевого зеркала (например, выходного). Производится оно после того как все остальные зеркала уже установлены на моноблоке и отъюстированы с помощью зондирующего лазера. Положение пятна зондирующего излучения на выходном зеркале при его установке покажет место расположения на его зеркальном покрытии участка, обеспечивающего резонансный эффект для возбуждения генерации. В этом месте концевое зеркало апертурно ограничивается (например, с помощью апертурной диафрагмы) для подавления нежелательных (внеосевых при использовании моды ТЕМоо) мод резонатора лазера и затем уже окончательно устанавливается на свое место. После этого лазерный объем откачивается и заполняется лазерной смесью. В другом варианте, когда зеркальное покрытие нанесено на наружную поверхность подложки концевого зеркала, его апертурное ограничение вообще может производиться после сборки, герметизации и настройки лазера. При возбуждении генерации выходное излучение лазера само покажет расположение участка, обеспечивающего резонансный эффект, на зеркальном покрытии зеркала (например, выходного). Как бы автоматически будут учтены все неточности подготовки боковых поверхностей моноблока, клиновидных прокладок, погрешности установки на них поворотных и концевых зеркал, которые ввиду их случайности трудно учесть заранее и которые проявляются в смещении пятна излучения относительно центра зеркала. Зафиксировав положение пятна, можно, используя хорошо известную специалистам микроэлектроники технику маскирования и избирательного химического травления, стравить один или несколько наружных (для резонатора внутренних) слоев покрытия в области вокруг этого участка для изменения коэффициента отражения излучения. Специалистам в области лазерной техники безусловно известны и другие приемы изменения коэффициента отражения от зеркального покрытия в наперед заданных его областях (например, описанные в патенте США N 4627732). It is convenient and technically relatively simple to implement the aperture restriction of the end mirror (for example, the output). It is produced after all other mirrors are already mounted on a monoblock and aligned using a probing laser. The position of the probe radiation spot on the output mirror when it is installed will show the location on the mirror coating of the area that provides a resonant effect for generating excitation. At this point, the end mirror is aperture-limited (for example, using an aperture diaphragm) to suppress the unwanted (off-axis using the TEMOO mode) laser cavity modes and then it is finally installed in its place. After that, the laser volume is pumped out and filled with a laser mixture. In another embodiment, when a mirror coating is applied to the outer surface of the end mirror substrate, its aperture limitation can generally be done after assembly, sealing, and laser tuning. When the generation is excited, the output laser radiation itself will show the location of the section providing the resonance effect on the mirror coating of the mirror (for example, the output). As if all the inaccuracies in the preparation of the side surfaces of the monoblock, the wedge-shaped gaskets, the errors in the installation of rotary and end mirrors on them, which, due to their randomness, are difficult to take into account in advance, and which appear in the shift of the radiation spot relative to the center of the mirror, will be automatically taken into account. Having fixed the position of the spot, it is possible, using the masking and selective chemical etching technique well known to specialists in microelectronics, to etch one or several external (for the internal resonator) coating layers in the region around this section to change the reflection coefficient of radiation. Specialists in the field of laser technology are unconditionally aware of other methods of changing the reflection coefficient of a mirror coating in its predetermined areas (for example, those described in US Pat. No. 4,627,732).
Таким образом, благодаря предложенному авторами техническому решению, настройка многоповоротного складного резонатора лазера производится не в узком диапазоне углов, определяемом требуемой модой излучения, что является весьма трудоемким, а в широком диапазоне углов, определяемом все поверхностью названного зеркала для обеспечения генерации излучения. И только затем производится его апертурное ограничение для обеспечения одномодового режима лазера. Тем самым значительно снижается сложность и трудоемкость процесса юстировки такого резонатора и упрощается его изготовление. Thus, due to the technical solution proposed by the authors, the multi-turn folding laser resonator is not configured in a narrow range of angles determined by the required radiation mode, which is very laborious, but in a wide range of angles determined by the entire surface of the said mirror to ensure radiation generation. And only then is its aperture limitation made to ensure a single-mode laser mode. This greatly reduces the complexity and complexity of the alignment process of such a resonator and simplifies its manufacture.
Возможно, конечно, и апертурное ограничение одного из поворотных зеркал (например, с помощью апертурной диафрагмы). Однако, оно отличается от используемого в прототипе для кольцевого лазера, где подразумевается ограничение центрального участка зеркала. Такое апертурное ограничение без предварительного определения (расчетом или экспериментально) участка, обеспечивающего резонансный эффект, принуждает перемещать само зеркало, что, как уже говорилось, не приемлемо для складного моноблочного резонатора, имеющего большое количество поворотных зеркал и участков узкого лазерного канала. Perhaps, of course, the aperture limitation of one of the rotary mirrors (for example, using the aperture diaphragm). However, it differs from that used in the prototype for a ring laser, which implies a limitation of the central portion of the mirror. Such an aperture restriction, without preliminary determination (by calculation or experimentally) of the region providing the resonance effect, forces the mirror to move, which, as already mentioned, is not acceptable for a foldable monoblock resonator, which has a large number of swivel mirrors and sections of a narrow laser channel.
Выбор конкретного поворотного зеркала, которое необходимо апертурно ограничить, не связан с существом изобретения и потому может быть осуществлен с использованием других соображений. Так, при использовании сферических концевых зеркал с равными или одного порядка величины радиусами кривизны, наиболее целесообразно апертурно ограничивать поворотное зеркало, расположенное в лазерном канале симметрично относительно концевых зеркал. Излучение на апертуре этого зеркала будет наименее подвержено всевозможным смещениям, вызванным перепадами температуры, вибрацией. В наибольшей степени это выполняется для полностью симметричных конструкций резонатор типа, приведенной ниже на фиг.2. Если же концевые зеркала имеют значительно различающиеся радиусы кривизны или одно из них плоское, область с наименьшим смещением излучения, вызванным указанными причинами, сместится и целесообразнее производить апертурное ограничение ближайшего к этой области поворотного зеркала. The choice of a particular rotary mirror, which must be limited aperture, is not related to the essence of the invention and therefore can be carried out using other considerations. So, when using spherical end mirrors with radii of curvature equal to or of the same order of magnitude, it is most advisable to aperture limit the rotary mirror located symmetrically relative to the end mirrors in the laser channel. Radiation at the aperture of this mirror will be the least susceptible to all kinds of displacements caused by temperature changes, vibration. To the greatest extent this is done for completely symmetrical designs of the resonator type, shown below in figure 2. If the end mirrors have significantly different radii of curvature or one of them is flat, the region with the smallest radiation shift caused by the indicated reasons will shift and it is more expedient to produce an aperture restriction of the rotary mirror closest to this region.
Само апертурное ограничение, как уже указывалось выше, может быть осуществлено путем установки апертурной диафрагмы на подложке зеркала перед зеркальным покрытием. Эта диафрагма может иметь форму цилиндрического стакана, в донной части которого выполнено апертурное отверстие, размер которого соответствует размеру моды (ТЕМоо в данном примере). Апертурная диафрагма закрепляется на подложке краем, противоположным ее донной части. При этом, если диафрагма металлическая (например, из алюминия), то она приклеивается. Если же диафрагма выполнена из того же диэлектрического материала, что и моноблок, то она устанавливается на подложке на оптическом контакте. Положение апертурного отверстия диафрагмы должно оптически сопрягаться с участком зеркального покрытия, обеспечивающим резонансный эффект. The aperture limitation itself, as already mentioned above, can be achieved by installing an aperture diaphragm on the substrate of the mirror in front of the mirror coating. This diaphragm may be in the form of a cylindrical glass, in the bottom of which an aperture hole is made, the size of which corresponds to the size of the mode (TEMoo in this example). The aperture diaphragm is fixed on the substrate with the edge opposite to its bottom. At the same time, if the diaphragm is metal (for example, from aluminum), then it is glued. If the diaphragm is made of the same dielectric material as the monoblock, then it is mounted on the substrate at the optical contact. The position of the aperture opening of the diaphragm should be optically mated to a portion of the mirror coating providing a resonant effect.
Другой вариант апертурного ограничения зеркала, зеркальное покрытие которого нанесено на наружную поверхность подложки, был описан выше. Для уменьшения потерь на внутреннюю поверхность такой подложки нанесено просветляющее покрытие. Этот вариант, связанный с созданием в зеркальном покрытии вокруг участка, обеспечивающего резонансный эффект, области с отличающимся от него коэффициентом отражения, конечно, может быть осуществлен и тогда, когда покрытие нанесено на внутреннюю поверхность подложки. Однако, в этом случае апертурное ограничение производится до окончательной установки зеркала также, как и при ограничении с помощью диафрагмы. Апертурное ограничение в последнем случае может обеспечиваться не только травлением одного или нескольких слоев покрытия, но и нанесением (через маску) на него слоя (например, диффузно-рассеивающего слоя), обеспечивающего другой коэффициент отражения, в области вокруг участка, создающего резонансный эффект. Another variant of the aperture limitation of the mirror, the mirror coating of which is applied to the outer surface of the substrate, has been described above. To reduce losses, an antireflection coating is applied to the inner surface of such a substrate. This option, associated with the creation in the mirror coating around the area providing the resonant effect, a region with a different reflection coefficient, of course, can be implemented even when the coating is applied to the inner surface of the substrate. However, in this case, the aperture restriction is made before the final installation of the mirror as well as with the restriction using the diaphragm. The aperture limitation in the latter case can be ensured not only by etching one or several layers of the coating, but also by applying (through a mask) a layer (for example, a diffuse-scattering layer), providing a different reflection coefficient, in the region around the region that creates the resonant effect.
Во всех описанных реализациях достаточно, чтобы указанная область была выполнена в виде замкнутого контура, который может иметь форму окружности, квадрата или иную форму, позволяющую подавить нежелательные моды. Однако она может быть выполнена и в виде штрихов, охватывающих упомянутый участок, но не образующих замкнутого контура. Она может занимать и вообще всю поверхность зеркального покрытия (например, в виде описанного диффузию-рассеивающего слоя) за исключением упомянутого участка. При необходимости указанные области создаются на двух зеркалах (например, концевых) резонатора или более. In all the described implementations, it is sufficient that the indicated region is made in the form of a closed contour, which may take the form of a circle, a square, or some other shape that makes it possible to suppress undesirable modes. However, it can also be made in the form of strokes covering the said section, but not forming a closed loop. It can cover even the entire surface of the mirror coating (for example, in the form of the described diffusion-scattering layer), with the exception of the mentioned section. If necessary, these areas are created on two mirrors (for example, end) of the resonator or more.
Отсутствие в патентной и технической литературе сведений о реализации одномодового режима в моноблочных газовых лазерах с длинным складным резонатором и продольным возбуждением, равно как и сведений о самих таких лазерах, позволяет сделать вывод о новизне поставленной и решенной настоящим изобретением задачи и о соответствии этого изобретения условиям патентоспособности по изобретательскому уровню. The absence in the patent and technical literature of information on the implementation of a single-mode regime in monoblock gas lasers with a long folding resonator and longitudinal excitation, as well as information on the lasers themselves, allows us to conclude that the problem posed and solved by the present invention is novel and that this invention meets patentability conditions according to inventive step.
Описанные в сущности особенности заявляемого изобретения, определяющие отличительные свойства моноблочного одномодового газового лазера со складным резонатором и характеристики его выходного излучения, не распространяются на выбор используемых материалов, форму и расположение разрядных электродов, форму моноблока в целом. The features of the claimed invention described in essence, which determine the distinctive properties of a monoblock single-mode gas laser with a folding resonator and the characteristics of its output radiation, do not extend to the choice of materials used, the shape and location of the discharge electrodes, the shape of the monoblock as a whole.
Подложки зеркал и клиновидные прокладки выполнены из того же материала, что и моноблок, например, из ситалла, но могут быть выполнены и из кварца или любого другого диэлектрического материала с малым КТР. Это позволяет практически полностью устранить смещения зеркал относительно осей соответствующих участков каналов при самопрогреве лазера, изменении температуры окружающей среды и значительно уменьшить указанные смещения при интенсивных механических воздействиях (ударах, вибрации). Использование клиновидных прокладок для крепления концевых зеркал позволяет существенно упростить конструкцию корпуса и выполнить его, например, в виде параллелепипеда или усеченного цилиндра с плоскими полированными параллельными друг другу боковыми поверхностями, или в другом виде (форме) удобном для использования и изготовления. The substrate of the mirrors and wedge-shaped gaskets are made of the same material as the monoblock, for example, of ceramic, but can also be made of quartz or any other dielectric material with a small CTE. This makes it possible to almost completely eliminate the displacements of the mirrors relative to the axes of the corresponding sections of the channels when the laser self-heats up, changes in the ambient temperature and significantly reduce these displacements during intense mechanical stresses (shock, vibration). The use of wedge-shaped gaskets for mounting end mirrors can significantly simplify the design of the body and make it, for example, in the form of a parallelepiped or a truncated cylinder with flat polished side surfaces parallel to each other, or in another form (form) convenient for use and manufacture.
Подложки поворотных зеркал и клиновидные прокладки имеют размеры несколько большие размеров полостей в местах соединения линейных участков лазерного канала для обеспечения герметизации ими лазерного объема за счет их установки на боковых поверхностях моноблока на оптическом контакте. Конечно, герметизация может быть проведена и другим путем, например, путем пайки индиевым припоем или иным образом, известным специалистам в этой области техники. The substrates of the turning mirrors and the wedge-shaped gaskets have somewhat larger cavity sizes at the junctions of the linear sections of the laser channel to ensure that they seal the laser volume by installing them on the side surfaces of the monoblock on the optical contact. Of course, sealing can be carried out in another way, for example, by soldering with indium solder or otherwise known to specialists in this field of technology.
Подложки концевых зеркал устанавливаются аналогичным образом (на оптическом контакте) на клиновидные прокладки, которые выполнены полыми 9 со сквозным отверстием) для исключения переотражений от ее поверхностей. Естественно при этом, что размер этого сквозного отверстия должен быть достаточным для перемещения расположенной в нем на подложке зеркала апертурной диафрагмы в одном из вариантов реализации одномодового режима. Если же апертурное ограничение создается областью на зеркальном покрытии зеркала с отличающимся от него коэффициентом отражения, то клиновидные прокладки могут быть и сплошными, но с тонкой кольцевой прокладкой (шайбой) со стороны зеркала (чтобы не повредить зеркальное покрытие) и просветляющими покрытиями для уменьшения потерь. The substrates of the end mirrors are installed in a similar manner (on the optical contact) on the wedge-shaped gaskets, which are made hollow 9 with a through hole) to prevent re-reflections from its surfaces. Naturally, at the same time, the size of this through hole should be sufficient to move the aperture diaphragm located in it on the mirror substrate in one embodiment of the single-mode operation. If the aperture restriction is created by the area on the mirror coating of the mirror with a reflection coefficient different from it, then the wedge-shaped gaskets can be solid, but with a thin ring gasket (washer) on the side of the mirror (so as not to damage the mirror coating) and antireflection coatings to reduce losses.
Дополнительные возможности появляются у заявляемого газового лазера при выполнении поворотных зеркал сферическими. Это позволяет увеличить выходную мощность лазера по сравнению с вариантом использования плоских поворотных зеркал. Радиус зеркал подбирают исходя из требований к модовому составу излучения и величине выходной мощности. Additional features appear in the inventive gas laser when performing rotary mirrors spherical. This allows you to increase the output power of the laser compared to the option of using flat rotary mirrors. The radius of the mirrors is selected based on the requirements for the mode composition of the radiation and the magnitude of the output power.
Катод и анод целесообразно располагать у противоположных торцевых поверхностей моноблока, где имеются области свободные от участков лазерного канала, и соединять их с соответствующими концевыми участками лазерного канала через полости у концевых зеркал. Это позволяет возбудить электрический разряд на всем протяжении лазерного канала. It is advisable to place the cathode and anode at the opposite end surfaces of the monoblock, where there are areas free of sections of the laser channel, and connect them to the corresponding end sections of the laser channel through the cavity at the end mirrors. This allows you to excite an electric discharge throughout the laser channel.
Однако, возбуждение разряда возможно и отдельно в каждой его половине или иной части лазерного канала. В этом случае используется два катода и один анод, либо два анода и один катод. Катоды (аноды) при этом расположены у противоположных торцевых поверхностей моноблока и соединены с соответствующими концевыми участками лазерного канала через полости у концевых зеркал, а анод (катод) расположен в средней части моноблока между соответствующими участками лазерного канала и соединен с ними через полость в месте соединения этих участков. Такое расположение облегчает возбуждение разряда в лазерном канале. However, the excitation of the discharge is possible separately in each of its half or another part of the laser channel. In this case, two cathodes and one anode are used, or two anodes and one cathode. The cathodes (anodes) are located at the opposite end surfaces of the monoblock and are connected to the corresponding end sections of the laser channel through the cavities at the end mirrors, and the anode (cathode) is located in the middle of the monoblock between the corresponding sections of the laser channel and connected to them through the cavity at the junction these sites. This arrangement facilitates the excitation of the discharge in the laser channel.
Каждый катод предпочтительно выполнять в форме полого цилиндра с наружным диаметром соответствующим диаметру цилиндрической полости, в которую его помещают. Это упрощает его изготовление. Однако, он может быть выполнен и куполообразным как в [17] Каждый анод имеет форму штыря. Вместе с тем он может быть изготовлен и иной формы, например, в виде кольца или полого цилиндра, и аналогично катоду помещен в соответствующую ему цилиндрическую полость. Each cathode is preferably made in the form of a hollow cylinder with an outer diameter corresponding to the diameter of the cylindrical cavity into which it is placed. This simplifies its manufacture. However, it can be made domed as in [17]. Each anode has the shape of a pin. At the same time, it can be made in a different shape, for example, in the form of a ring or a hollow cylinder, and, like a cathode, it is placed in a cylindrical cavity corresponding to it.
Каждый катод (или каждый анод) может быть помещен в соответствующую катодную (или анодную) полость, выполненную отдельно в моноблоке и расположенную у торцевой его поверхности или в средней его части. Катодная (или анодная) полость в этом случае соединена с полостью у концевого зеркала или с полостью в месте соединения участков лазерного канала в средней части моноблока с помощью соответствующего вспомогательного канала. При использовании штыревых анодов они могут быть помещены непосредственно в соответствующие вспомогательные каналы. В этом случае отпадает необходимость изготовления отдельных анодных полостей. Each cathode (or each anode) can be placed in the corresponding cathode (or anode) cavity, made separately in a monoblock and located at its end surface or in its middle part. The cathode (or anode) cavity in this case is connected to the cavity at the end mirror or to the cavity at the junction of sections of the laser channel in the middle of the monoblock using the corresponding auxiliary channel. When using pin anodes, they can be placed directly in the corresponding auxiliary channels. In this case, there is no need to manufacture individual anode cavities.
Вместе с тем каждый катод (или каждый анод) может быть помещен и непосредственно в одну из упомянутых полостей у концевых зеркал или в полость в месте соединения участков лазерного канала в средней части моноблока. Эти полости при этом выполняют соответствующих размеров, а катод (или анод) помещают в удаленную от зеркала часть полости для предохранения зеркала от воздействия плазмы разряда. At the same time, each cathode (or each anode) can be placed directly in one of the mentioned cavities at the end mirrors or in the cavity at the junction of sections of the laser channel in the middle of the monoblock. In this case, these cavities are of appropriate size, and the cathode (or anode) is placed in a part of the cavity remote from the mirror to protect the mirror from the action of the discharge plasma.
Для лучшего понимания существа изобретения на фиг.1-3 приведены различные варианты его реализации. На фиг.4-7 показаны варианты апертурного ограничения одного из зеркал, обеспечивающего одномодовый режим работы лазера. For a better understanding of the invention, figures 1-3 show various options for its implementation. Figure 4-7 shows options for the aperture limitation of one of the mirrors, providing a single-mode laser mode.
На фиг.1 показан одномодовый газовый лазер, содержащий моноблок 1 в форме параллелепипеда из диэлектрического материала с малым КТР (например, ситалла), в котором выполнен лазерный канал, заполненный активной средой (образованной смесью He и Ne в требуемом соотношении, например, 8:1 или 12: 1, или др. при давлении 2.5 торр), состоящий из последовательно расположенных и соединенных друг с другом коротких линейных участков 2,2' с полостями 3 в местах их соединения и ограниченный в этих местах плоскими поворотными зеркалами 4 небольших размеров (диаметром 20.30 мм) с ситалловыми или кварцевыми подложками, герметично установленными на противолежащих параллельных боковых поверхностях 5 и 6 моноблока 1, отполированных до высокой степени, необходимой для закрепления на них зеркал 4 на оптическом контакте. Линейные участки 2, 2' (2' концевой участки) лазерного канала (число которых ограничено для простоты шестью, хотя их может быть и больше, например, 8 или 12, или др.) расположены вдоль плоской зигзагообразной линии, сложенной в поперечном к продольной оси 7 моноблока 1 направлении, с образованием складного резонатора между концевыми сферическими зеркалами 8 и 9, герметично установленными (также на оптическом контакте) на боковой поверхности 5 моноблока 1 через полые клиновидные прокладки (из ситалла) 10 и 11 соответственно с углом клина, соответствующим углу между осью участка 2' лазерного канала и нормалью к плоской боковой поверхности 5. При этом зеркальное покрытие зеркала 8 нанесено на внутреннюю поверхность подложки, а зеркала 9 на наружную поверхность подложки. Линейные участки 2, 2' лазерного канала наклонены под одним и тем же углом (5.7) к плоскости, перпендикулярной оси 7 моноблока 1, и для длины моноблока вдоль этой оси 200.230 мм в нем, благодаря расположению их вдоль зигзагообразной линии, удается "уложить" лазерный канал длиной 1600 мм. Figure 1 shows a single-mode gas laser containing a
Для возбуждения продольного электрического разряда в активной среде в моноблоке 1 у противоположных его торцевых поверхностей 12 и 13 расположены полый цилиндрический холодный катод 14 (например, из алюминия) с развитой протяженной поверхностью и штыревой анод 15 (например, из титана), контактирующие с активной средой. Катод 14 помещен в цилиндрическую полость 16, выполненную в моноблоке 1 и соединенную с лазерным каналом (его концевым участком 2') через вспомогательный канал 17 и полость 3' у концевого зеркала 8. Анод 15 помещен во вспомогательный канал 18, соединенный с полостью 3' у концевого зеркала 9. Наружный диаметр катода 14 соответствует диаметру полости 16, в которой он закреплен за счет упругих свойств своих стенок. Катод 14 и анод 15 электрически соединены соответственно с контактами 19 и 20, установленными на боковой поверхности 6 моноблока 1 и герметизирующими полость 16 и вспомогательный канал 18. Контакты 19 и 20 соединены выводами 21, 22 с соответствующими выводами источника питания (на фиг. 1 не показан) для обеспечения возбуждения и поддержания электрического разряда в активной среде лазера. To excite a longitudinal electric discharge in the active medium, a hollow cylindrical cold cathode 14 (for example, from aluminum) with a developed extended surface and a pin anode 15 (for example, from titanium) in contact with the active medium are located in the
Для обеспечения одномодового режима работы предлагаемого на фиг.1 варианта газового лазера одно из концевых зеркал 9 апертурно ограничивалось. Это осуществлялось с помощью области 24, выполненной в покрытии 25 зеркала 9 вокруг участка, обеспечивающего резонансный эффект, и имеющей отличающийся от покрытия 25 коэффициент отражения (фиг.4). Положение этого участка определялось по пятну излучения при возбуждении генерации лазера, при этом положение центра пятна фиксировалось относительно краев зеркала с помощью измерительного микроскопа. Область 24 выполнена в виде замкнутого контура, имеющего форму окружности, смещенной относительно оси зеркала 9. Область 24 получена путем травления одного или нескольких слоев зеркального покрытия 25 зеркала 9 через предварительно нанесенную маску, которая затем удалялась. Предпочтительным является нанесение покрытия 25 на наружную поверхность подложки зеркала 9, на внутреннюю поверхность которой наносится просветляющее покрытие 26. Это позволяет производить апертурное ограничение уже после сборки и настройки лазера. На фиг.4 область 24 для наглядности показана сквозной, хотя, как указывалось выше, достаточно изменить коэффициент отражения лишь одного или нескольких слоев покрытия. Смещение области 24 относительно оси зеркала 9 иллюстрирует случайный характер ее расположения на покрытии 25, зависящего от неточности подготовки боковых поверхностей 5, 6 моноблока 1 и погрешности установки на них поворотных зеркал 4 и концевого зеркала 8. To ensure a single-mode operation mode of the gas laser proposed in FIG. 1, one of the end mirrors 9 was aperture-limited. This was carried out using the
Вариант реализации одномодового газового лазера, изображенный на фиг.2, отличается от приведенного на фиг.1 схемой возбуждения разряда. Катоды 14' и 14'', расположенные у противоположных торцевых поверхностей 12 и 13 моноблока 1, помещены в выполненные в нем полости 16' и 16'' и соединены с соответствующими концевыми участками 2' лазерного канала через вспомогательные каналы 17' и 17'' и полости 3' у концевых зеркал 8 и 9. Штыревой анод 15 помещен во вспомогательный канал 18, расположенный в средней части моноблока 1 между соответствующими участками 2 лазерного канала и соединенный с ними через полость 3 в месте соединения этих участков. Катоды 14' и 14'' электрически соединены с контактами 19' и 19'' для подключения к источнику питания (на фиг. 2 не показан) выводами 21' и 21''. Контакты 19' и 19'' установлены на боковой поверхности 6 моноблока 1 и герметизируют полости 16' и 16''. Анод 15 электрически соединен с контактом 20 (расположенным на боковой поверхности 5 моноблока 1 и герметизирующим вспомогательный канал 18) для подключения к источнику питания с помощью вывода 22. The embodiment of a single-mode gas laser shown in FIG. 2 differs from that shown in FIG. 1 in a discharge driving circuit. The cathodes 14 'and 14' 'located at the opposite end surfaces 12 and 13 of the
Одномодовый режим создан апертурным ограничением концевого зеркала 9 (см. фиг.5) путем создания области 24 на его зеркальном покрытии 25 также в виде окружности вокруг участка, создающего резонансный эффект. Однако, само покрытие нанесено на внутреннюю поверхность зеркала 9. В случае, если концевые зеркала 8, 9 имеют равные или приблизительно равные (одного порядка величины) радиусы кривизны, то одномодовый режим может быть также получен апертурным ограничением поворотного зеркала 46 расположенного в лазерном канале симметрично относительно концевых зеркал 8 и 9. Для этого фиксируется положение пятна излучения относительно краев этого зеркала 4, зеркало снимается и, после создания области 24 на его зеркальном покрытии (аналогично как и для концевого зеркала) вокруг участка, создающего резонансный эффект (который занимало пятно), устанавливается на свое место на поверхности 6 моноблока 1. The single-mode mode is created by the aperture limitation of the end mirror 9 (see FIG. 5) by creating a
Вариант реализации одномодового газового лазера на фиг.3 отличается от показанного на фиг. 1 также схемой возбуждения разряда и тем, что концевое зеркало 9 выполнено плоским, а поворотные зеркала 4 сферическими. Их радиус (R 2.5 м) выбирают, исходя из требований к модовому составу излучения и выходной мощности. Катод 14 и анод 15 (имеющий форму кольца или короткого полого цилиндра) помещены не в специальные катодную и анодную полости, выполненные отдельно в моноблоке 1, а в соответствующие полости 3' у концевых зеркал 8 и 9 в удаленные от этих зеркал части полостей. Эти полости 3' выполнены соосными соответствующим концевым участкам 2' лазерного канала и герметизированы подложками зеркал 8 и 9, установленными через клиновидные прокладки 10, 11 на боковой поверхности 5 моноблока 1. The embodiment of the single-mode gas laser in FIG. 3 differs from that shown in FIG. 1 also by the discharge excitation circuit and the fact that the
Апертурное ограничение осуществлялось с помощью диэлектрической апертурной диафрагмы 23 (фиг.7), выполненной из ситалла в форме укороченного цилиндрического стакана с апертурным отверстием (не обозначено на фиг.7) в донной части и установленной внутри полой клиновидной прокладки 11 на подложке зеркала 9 (на оптическом контакте). При этом положение апертурного отверстия диафрагмы 23 оптически сопряжено с участком зеркального покрытия 25 (центрального в этом примере), обеспечивающим резонансный эффект. Осуществляется это аналогично описанному для варианта фиг.1. The aperture restriction was carried out using a dielectric aperture diaphragm 23 (Fig. 7) made of ceramic in the form of a shortened cylindrical glass with an aperture hole (not indicated in Fig. 7) in the bottom and installed inside a hollow wedge-shaped
Предлагаемый одномодовый газовый лазер работает следующим образом. Между катодом 14 (катодами 14', 14'' на фиг.2) и анодом 15 прикладывается высокое напряжение от источника питания, достаточное для зажигания в активной среде тлеющего разряда постоянного тока от каждого катода через вспомогательный канал 17 (17', 17'' на фиг.2), полость 3', все линейные участки 2', 2 лазерного канала и полости 3, к вспомогательному каналу 18 и аноду 15. На фиг. 3 разряд зажигается от катода 14 к аноду 15 через все участки 2, 2' лазерного канала и полости 3. Возникшее внутри резонатора в результате разряда излучение, отразившись от концевого зеркала 8 (100%), обходит по очереди все линейные участки 2, 2' лазерного канала, отражаясь от поворотных зеркал 4, выполненных со 100% отражением (и потому не вносящих дополнительных потерь в резонатор). Падая на другое концевое зеркало 9 с пропусканием в несколько процентов, излучение частично выходит из резонатора, а остальная его часть возвращается к первому концевому зеркалу 8. При этом, ввиду апертурного ограничения концевого зеркала 9 (диафрагмой 23 или областью 24 на его зеркальном покрытии 25), в лазере преимущественно генерируется мода ТЕМоо, т.к. внеосевые моды резонатора подавляются из-за больших дифракционных потерь, вносимых диафрагмой 23 или областью 24. The proposed single-mode gas laser operates as follows. Between the cathode 14 (
Испытания экспериментальных образцов He-Ne лазеров показали, что модность излучения порядка 35 мВт достигается при габаритах лазера (вместе с несущей металлической конструкцией) 205х235х60 мм и массе, не превышающей 5 кг. Таким образом, предлагаемый одномодовый газовый лазер сравним по мощности с лазерами типа ЛГН-220 и GLG-5800, однако существенно меньше их по габаритам и в 6-8 раз по массе. Tests of experimental samples of He-Ne lasers showed that a radiation modality of the order of 35 mW is achieved when the laser dimensions (together with the supporting metal structure) are 205x235x60 mm and the mass does not exceed 5 kg. Thus, the proposed single-mode gas laser is comparable in power with lasers such as LGN-220 and GLG-5800, however, they are significantly smaller in size and 6-8 times by weight.
Все элементы предлагаемого лазера освоены или могут быть освоены промышленностью, поэтому можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условиям патентоспособности по промышленной применимости. All elements of the proposed laser are mastered or can be mastered by industry, so we can conclude that the claimed invention meets the conditions of patentability for industrial applicability.
Приведенные и другие возможные примеры реализации заявляемого газового лазера (например, с возбуждением иных мод генерации помимо ТЕМоо ТЕМо, ТЕМ о и др.); с апертурным ограничением одного или нескольких поворотных зеркал; с расположением концевых зеркал на разных боковых поверхностях моноблока; с использованием двух анодов у торцевых поверхностей моноблока и иодного катода в средней его части, помещенных в соответствующие им анодные и катодные полости; с расположением линейных участков лазерного канала вдоль пространственной зигзагообразной линии, с плотной упаковкой дисковых поворотных зеркал на боковой поверхности моноблока и прочие примеры) являются лишь иллюстрациями и не могут рассматриваться как ограничивающие изобретение, сущность которого отражена в прилагаемой формуле изобретения. The above and other possible examples of the implementation of the inventive gas laser (for example, with the excitation of other generation modes in addition to TEMOO TEMO, TEM o, etc.); with an aperture limitation of one or more rotary mirrors; with the location of the end mirrors on different lateral surfaces of the monoblock; using two anodes at the end surfaces of the monoblock and the iodine cathode in its middle part, placed in the corresponding anode and cathode cavities; with the arrangement of the linear sections of the laser channel along the spatial zigzag line, with the tight packing of the disk rotary mirrors on the side surface of the monoblock and other examples) are only illustrations and cannot be construed as limiting the invention, the essence of which is reflected in the attached claims.
Преимуществами предлагаемого моноблочного одномодового газового лазера с длинным складным резонатором являются высокая надежность, стабильность выходной мощности в сложных условиях эксплуатации (при перепадах температуры окружающей среды, ударных нагрузках и вибрации), простота и технологичность конструкции со сниженной трудоемкостью изготовления (поскольку не требуется использования сложного технологического оборудования с прецизионной перестройкой по углу) и настройки лазера на одномодовый режим, а также небольшие габариты и масса при сохранении общей длины лазерного канала и, соответственно, выходной мощности. The advantages of the proposed single-block single-mode gas laser with a long folding resonator are high reliability, stability of output power in difficult operating conditions (at ambient temperature drops, shock loads and vibration), simplicity and manufacturability of the design with reduced manufacturing time (since it does not require the use of complex technological equipment with precision angle adjustment) and laser settings for single-mode operation, as well as small dimensions and m weight while maintaining the total length of the laser channel and, accordingly, the output power.
Claims (20)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU93035212A RU2090964C1 (en) | 1993-07-06 | 1993-07-06 | Single-mode gas laser |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU93035212A RU2090964C1 (en) | 1993-07-06 | 1993-07-06 | Single-mode gas laser |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU93035212A RU93035212A (en) | 1996-04-10 |
| RU2090964C1 true RU2090964C1 (en) | 1997-09-20 |
Family
ID=20144670
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU93035212A RU2090964C1 (en) | 1993-07-06 | 1993-07-06 | Single-mode gas laser |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2090964C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114966983A (en) * | 2022-04-29 | 2022-08-30 | 重庆邮电大学 | Three-optical-cavity coupling system and quantum regulation and control method based on system |
-
1993
- 1993-07-06 RU RU93035212A patent/RU2090964C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 1. Патент США N 4433418, кл. H 01 S 3/08, 1984. 2. Заявка Японии N 6230716, кл. H 01 S 3/03, 3/08, 1988. 3. Патент Великобритании N 2145274, кл. H 01 S 3/081, 1985. 4. Заявка Японии N 6140156, кл. H 01 S 3/081, 1979. 5. Патент Великобритании N 2117558, кл. H 01 S 3,/03, 1984. 6. Патент Великобритании N 2182483, кл. H 01 S 3/081, 1987. 7. Заявка ФРГ N 3722256, кл. H 01 S 3/081, 1989. 8. Заявка ФРГ N 3813569, кл. H 01 S 3/081, 3/03, 1990. 9. Заявка Японии N 6028152, кл. H 01 S 3/08, 3/03, 1986. 10. Патент Великобритании N 2189341, кл. H 01 S 3/03, 1989. 11. Заявка ФРГ N 3435311, кл. H 01 S 3/03, 1984. 12. Заявка ФРГ N 3918048, кл. H 01 S 3/083, 3/03, 1991. 13. Патент США N 4705398, кл. H 01 S 3/083, 1988. 14. Патент ФРГ N 3151228, кл. H 01 S 3/02, 3/08, 1983. 15. Грязнов Ю.М. и др. Оптика и спектроскопия. Т. 65, вып. 2, 1988. 16. Ароновиц Ф. Лазерные гироскопы./ Сб. "Применения лазеров"./Под ред. В.П.Тычинского. - М.: Мир, 1974, с. 258 - 261. 17. Патент США N 4317089, кл. H 01 S 3/083, 1 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114966983A (en) * | 2022-04-29 | 2022-08-30 | 重庆邮电大学 | Three-optical-cavity coupling system and quantum regulation and control method based on system |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5353297A (en) | Gas slab laser with folded resonator structure | |
| US5412681A (en) | Slab-waveguide CO2 laser | |
| US4829537A (en) | Solid state lasers with spherical resonators | |
| Rodloff | A laser gyro with optimized resonator geometry | |
| JPS6145399B2 (en) | ||
| US4257015A (en) | Ring laser gyroscope anode | |
| US3889207A (en) | Frequency stabilized gas laser | |
| US5251221A (en) | Self aligning intracavity Raman laser | |
| EP0201854B1 (en) | Ring laser angular rate sensor | |
| RU2090964C1 (en) | Single-mode gas laser | |
| US5432604A (en) | Ionic conduction barrier for ring laser gyroscope bodies | |
| US3528028A (en) | Gaseous laser of improved construction | |
| US4152674A (en) | Air spaced etalon with mechanism for adjusting parallelism of reflecting surfaces | |
| US3609587A (en) | Gas laser with adjustable mirror | |
| EP0251128A2 (en) | Method of making a ring laser | |
| US3771066A (en) | Gas laser | |
| US7068700B2 (en) | Optical bench for diode-pumped solid state lasers in field applications | |
| RU2096880C1 (en) | Gas laser | |
| US4375688A (en) | Gas laser tube | |
| JP2700345B2 (en) | Gas laser device | |
| US11545807B2 (en) | Compact coaxial laser | |
| RU2175804C1 (en) | Glow-discharge gas laser | |
| JPH0371683A (en) | Gas laser device | |
| GB2032169A (en) | Lasers | |
| JP3048396B2 (en) | Gas laser device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20050707 |