UA154303U - Газорозрядний лазер - Google Patents

Abstract

Газорозрядний лазер з прокачуванням активної речовини за допомогою форвакуумного насоса з регулювальним вентилем має резонатор з внутрішніми дзеркалами, одне з яких вихідне, розташоване біля вихідного вікна і виконане у вигляді металевої плівки на тонкій полімерній основі. Порожнина між вихідним вікном і вихідним дзеркалом загерметизована і має патрубок, до якого приєднаний додатковий регулювальний вентиль, який з іншого боку приєднаний до форвакуумного насоса.

Description

Корисна модель належить до лазерної техніки та може застосовуватись для створення газорозрядних лазерів терагерцового діапазону, що мають підвищену ефективність.

Газорозрядні лазери використовуються як джерела випромінювання терагерцового діапазону. Найбільшого поширення здобули НСМ-лазери, а також ОСМ-лазери та НгО-лазери (в їх назві зазвичай вказують активну речовину). Всі ці лазери мають дещо схожу конструкцію.

Активна речовина в них збуджується за допомогою газового розряду безпосередньо в резонаторі. Тиск в резонаторі підтримується близько 1 мм рт. ст., що є оптимальним для підтримання газового розряду та посилення в активній речовині. В таких лазерах здійснюється прокачування активної речовини. З одного боку резонатора через регулювальні вентилі подаються робочі речовини. З іншого боку резонатора за допомогою вакуумного насосу і вентиля (для регулювання оптимального відкачування) видаляються відпрацьовані речовини.

Зазвичай в таких лазерах застосовують хвилеводні резонатори, в яких розрядна трубка виконує функції хвилеводу. Це дозволяє компенсувати дифракційне розходження випромінювання (яке доволі суттєве в терагерцевому діапазоні). В резонаторах таких лазерів застосовують внутрішні дзеркала, що знаходяться у внутрішньому просторі низького тиску. Тобто вихідне вікно, через яке виходить лазерне випромінювання, розташовано зовні від вихідного дзеркала. Це доводиться робити тому, що найбільш прозорі матеріали (кварц, фторопласт), з яких виготовляють вихідні вікна, вносять доволі суттєві втрати в резонатор. Дзеркала в таких резонаторах застосовуються плоскі, або одне з них може бути з незначною увігнутістю, для додаткової компенсації дифракційного розходження випромінювання. Оптимальний радіус кривизни такого увігнутого дзеркала зазвичай більш ніж в десять разів перевищує довжину резонатора. Виготовляти такі увігнуті дзеркала суттєво складніше і дорожче ніж плоскі. Як вихідні дзеркала застосовуються металеві дзеркала з отвором, металеві періодичні структури - решітки, а також металеві плівки.

Відомий газорозрядний НСМ-лазер. Резонатор лазера довжиною 1 м утворено розрядною трубкою - хвилеводом, діаметром 50 мм і двома внутрішніми дзеркалами. Одне дзеркало металеве увігнуте з радіусом кривизни близько 15 м. Друге дзеркало металеве з вихідним отвором близько 4 мм.

Перевагами цього лазера є висока надійність металевих дзеркал резонатора та

Зо компенсування дифракційного розходження випромінювання в резонаторі за допомогою хвилеводу та увігнутого дзеркала.

Недоліком цього лазера є високе дифракційне розходження вихідного пучка випромінювання, що має діаметр близько 4 мм. Втрати випромінювання на стінках розрядної трубки - хвилеводу можуть зростати, якщо її стінки неідеально рівні або забруднені полімерним осадом, що утворюється під час роботи. Знизити такі втрати можна шляхом підбору радіусу кривизни увігнутого дзеркала. Але це трудомісткий процес, що потребує часткової розбірки лазера та порушує юстування дзеркал. Крім цього виготовлення набору увігнутих дзеркал потребує суттєвих додаткових затрат.

Відомий газорозрядний НСМ-лазер (Киселев В.К., Кулешов Е.М., Радионов В.П., и др.

Гипервнісокочастотная лазерная установка для биомедицинских исследований Радиофизика и злектроника. - Харьков: Ин-т радиофизики и злектроники НАН Украийинь, 2002, том 7, Мо 1. С. 133-136). Резонатор лазера довжиною близько 1 м утворено розрядною трубкою - хвилеводом діаметром 50 мм і двома внутрішніми дзеркалами. Одне дзеркало металеве плоске або увігнуте з радіусом кривизни близько 15 м. Як вихідне дзеркало застосована металева решітка.

Перевагою цього лазера є низьке дифракційне розходження вихідного пучка випромінювання, що має діаметр близько 50 мм та компенсування дифракційного розходження випромінювання в резонаторі за допомогою хвилеводу та увігнутого дзеркала.

Недоліком цього лазера є низька надійність вихідного дзеркала - решітки. Адже металеві дротинки товщиною 10 мкм, з яких вона складається, можуть руйнуватись газовим розрядом та забруднюватись продуктами хімічних реакцій. Втрати випромінювання на стінках розрядної трубки - хвилеводу можуть зростати, якщо її стінки неідеально рівні або забруднені полімерним осадом, що утворюється під час роботи. Знизити такі втрати можна шляхом підбору радіусу кривизни увігнутого дзеркала. Але це трудомісткий процес, що потребує часткової розбірки лазера та порушує юстування дзеркал. Крім цього виготовлення набору увігнутих дзеркал потребує суттєвих додаткових затрат.

Найбільш близьким за технічними ознаками до корисної моделі та вибраним як найближчий аналог є газорозрядний НСМ-лазер (Дзюбенко М.І., Масалов С.О., Каменєв Ю.Ю., Колєнов І.В.,

Радіонов В.П., Дахов М.Ф., Пузак А.І., Дмитрук О.І Застосування градієнтних металоплівкових вихідних дзеркал у газорозрядних лазерах терагерцового діапазону. Радиофизика и бо злектроника. - 2021. - Т. 26. Мо 4. - С. 28-33). Резонатор лазера довжиною 1 м утворено розрядною трубкою - хвилеводом діаметром 50 мм і двома внутрішніми дзеркалами. Одне дзеркало металеве плоске. Як вихідне дзеркало застосована металева плівка на тонкій полімерній основі. Металева плівка може бути рівномірною або мати меншу товщину в центральній частині дзеркала. В такому разі нерівномірність плівки викликає градієнт фазового фронту відбитих хвиль. В наслідок цього така плівка набуває властивостей увігнутого дзеркала.

Перевагою цього лазера є низьке дифракційне розходження вихідного пучка випромінювання, що має діаметр близько 50 мм та компенсування дифракційного розходження випромінювання в резонаторі за допомогою хвилеводу та увігнутого дзеркала.

Недоліком цього лазера є те, що втрати випромінювання на стінках розрядної трубки - хвилеводу можуть зростати, якщо її стінки неідеально рівні або забруднені полімерним осадом, що утворюється під час роботи. Знизити такі втрати можна шляхом підбору еквівалентного радіусу кривизни нерівномірної металевої плівки. Але це трудомісткий процес, що потребує часткової розбірки лазера та порушує юстування дзеркал. Крім цього виготовлення набору дзеркал у вигляді нерівномірних металевих плівок, що мають різні еквівалентні радіуси кривизни, потребує суттєвих додаткових затрат.

В основу корисної моделі поставлено задачу забезпечити можливість плавної зміни кривизни увігнутого дзеркала в процесі роботи лазера без його розбірки. Це дозволить ретельно підбирати оптимум кривизни дзеркала і знизити втрати випромінювання в резонаторі, а отже, підвищити ефективність лазера та потужність лазерного випромінювання.

Поставлена задача вирішується тим, що в газорозрядному лазері з прокачуванням активної речовини за допомогою форвакуумного насоса з регулювальним вентилем, що має резонатор з внутрішніми дзеркалами, одне з яких вихідне, розташоване біля вихідного вікна і виконано у вигляді металевої плівки на тонкій полімерній основі, згідно з корисною моделлю, порожнина між вихідним вікном і вихідним дзеркалом загерметизована і має патрубок, до якого приєднано додатковий регулювальний вентиль, який з іншого боку приєднано до форвакуумного насоса.

Завдяки додатковому регулювальному вентилю є можливість регулювати тиск між вихідним дзеркалом і вихідним вікном, зменшуючи його відносно тиску в резонаторі. Внаслідок цього еластичне вихідне дзеркало набуває увігнутість в бік резонатора. Це дозволяє ретельно підбирати оптимум кривизни дзеркала і знизити втрати випромінювання в резонаторі, а отже,

Зо підвищити ефективність лазера та потужність лазерного випромінювання.

Суть корисної моделі пояснюється кресленням. На кресленні схематично зображено газорозрядний лазер.

Газорозрядний лазер містить газорозрядну трубку 1, яка одночасно виконує функції хвилеводу, та два дзеркала 2, 3, які утворюють резонатор. Дзеркало 2 непрозоре. Дзеркало З є частково прозорим, через нього лазерне випромінювання виходить з резонатора. Дзеркало З виконано з металевої плівки, розташованої на тонкій прозорій еластичній полімерній основі.

Дзеркало З перекриває весь переріз газорозрядної трубки 1. За дзеркалом З розташовано вихідне прозоре вікно 4, через яке лазерне випромінювання виходить з лазера. Вікно 4 має товщину, достатню для протистояння атмосферному тиску. Між дзеркалом З і вікном 4 є невеликий герметичний відсік 5. Біля непрозорого дзеркала 2 є патрубок 6, до якого під'єднаний вентиль 7, через який до резонатора подається робоча суміш. Таких вентилів може бути декілька (залежно від складу робочої суміші). Біля дзеркала З розташовано два патрубки. Один патрубок 8 - з боку газорозрядної трубки 1 або безпосередньо в ній. Другий патрубок 9 приєднаний до герметичного відсіку 5. Патрубки 8, 9 через вентилі 710 ї 11 з'єднані з форвакуумним насосом 12. Через патрубок 8 з резонатора відкачується відпрацьована робоча суміш. Патрубок 9 використовують для регулювання кривизни дзеркала 3.

Газорозрядний лазер працює наступним чином. В газорозрядній трубці 1 за допомогою форвакуумного насоса 12 та вентиля 10 утворюється необхідний низький тиск. Зазвичай в лазерах застосовуються форвакуумні насоси більшої продуктивності, ніж потрібно для створення оптимального тиску в розрядній трубці. Для штучного зниження продуктивності відкачування та підбору оптимального тиску потрібен вентиль 10. З іншого боку розрядної трубки 1 через вентиль 7 подається робочий газ. При потребі це може бути суміш робочих газів.

Тоді вентиль 7 буде не один, а їх буде декілька. В розрядній трубці за допомогою внутрішніх або зовнішніх електродів (електроди на малюнку не показані) збуджується газовий розряд. Активна речовина в розрядній трубці переходить у збуджене становище, здатне генерувати і посилювати лазерне випромінювання. Когерентне лазерне випромінювання формується за допомогою дзеркал 2 та 3, що утворюють лазерний резонатор. Через частково прозоре дзеркало З і прозоре вікно 4 лазерне випромінювання виходить з резонатора. Розрядна трубка 1 одночасно виконує функції хвилеводу. Це дозволяє значно знизити шкідливі дифракційні бо втрати лазерного випромінювання. Але під час роботи лазера на внутрішніх стінках розрядної трубки утворюються різноманітні забруднення. Ці забруднення разом з нерівностями та дефектами, що бувають на стінках розрядної трубки, приводять до додаткових втрат лазерного випромінювання. Зменшити втрати випромінювання дозволяє застосування увігнутого дзеркала в резонаторі. За допомогою вентиля 11 у відсіку 5 встановлюють тиск, що є меншим ніж в розрядній трубці. Адже надлишок продуктивності форвакуумного насоса дозволяє це робити.

Еластичне дзеркало З прогинається у бік вікна 4 і стає увігнутим. За допомогою вентиля 11 регулюється увігнутість дзеркала 3.

Завдяки тому, що в лазерному резонаторі є увігнуте дзеркало з регулюванням його кривизни, з'являється можливість ретельно підбирати оптимум кривизни дзеркала. Це дозволяє знизити втрати випромінювання в резонаторі, а отже підвищити ККД лазера та потужність лазерного випромінювання.

Claims (1)

1. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Газорозрядний лазер з прокачуванням активної речовини за допомогою форвакуумного насоса з регулювальним вентилем, що має резонатор з внутрішніми дзеркалами, одне з яких вихідне, розташоване біля вихідного вікна і виконане у вигляді металевої плівки на тонкій полімерній основі, який відрізняється тим, що порожнина між вихідним вікном і вихідним дзеркалом загерметизована і має патрубок, до якого приєднаний додатковий регулювальний вентиль, який з іншого боку приєднаний до форвакуумного насоса. х 3 1 і зів -12 ун «і Е