РОСТ УСИЛЕНИЯ В ГАЗОРАЗРЯДНОМ ЛАЗЕРЕ С АКТИВНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ НЕСТАНДАРТНОЙ ГЕОМЕТРИИ
ЛАЗЕРНАЯ ФИЗИКА И ТЕХНИКА
УДК 617.7; 535.34
РОСТ УСИЛЕНИЯ В ГАЗОРАЗРЯДНОМ ЛАЗЕРЕ С АКТИВНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ НЕСТАНДАРТНОЙ ГЕОМЕТРИИ
© 2014 г.
В. Е. Привалов, доктор физ.-мат. наук; С. А. Золотов, аспирант Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, Санкт-Петербург E-mail: vaevpriv@yandex.ru
В гелий–неоновом лазере традиционно используется активный элемент цилиндрической геометрии в резонаторе плоскость–сфера. При этом часть активной среды не участвует в генерации излучения. Однако исполнение трубки газоразрядного лазера, геометрия которой точно совпадала бы с геометрией поля, является трудоемкой задачей. Предлагается использовать комбинированный элемент, состоящий из двух или трех секций разного диаметра с разными длинами. Расчет показал увеличение усиления на 30% и 40% соответственно по сравнению с цилиндрической геометрией. При этом такие активные элементы не представляют особых сложностей при производстве.
Ключевые слова: газоразрядный лазер, усиление активной среды, активный элемент, мощность излучения.
Коды OCIS: 140.0140, 140.3460.
Поступила в редакцию: 19.11.2013.
Производство активного элемента газоразрядного лазера (ГРЛ), геометрия которого точно совпадала бы с геометрией поля (рис. 1), представляет большие технологические трудности. Необходимо найти более технологичную геометрию, которая бы превосходила цилиндрическую по усилению.
Усиление является одной из основных характеристик, поскольку его величина и стабильность оказывают существенное влияние на точность измерений. С энергетической точки зрения, выгодно обеспечить максимальное
Рис. 1. Активный элемент ГРЛ с формой, повторяющей геометрию каустики поля.
перекрытие модового объема резонатора и объема, в котором обеспечена инверсия населенностей. Когда радиус пятна генерации в несколько раз меньше радиуса капилляра (условие выполняется практически во всех ГРЛ, кроме волноводных), это требование сводится к получению распределения инверсии населенностей, не убывающей по мере удаления от оси. Это нереально, но необходимо стремиться к наиболее пологому распределению.
Трудность заключается в том, что более пологому распределению соответствует меньшая инверсия населенностей в центре. Нужно найти оптимальные условия. Для получения максимальной стабильности параметров излучения также следует иметь наиболее пологое распределение инверсии населенностей. В противном случае пятно генерации, перемещаясь по сечению под действием возмущающих факторов, будет оказываться в областях с различной инверсией населенностей, что приведет к флуктуациям интенсивности и частоты излучения. Рассмотрим, от чего зависит пространственное
20 “Оптический журнал”, 81, 3, 2014
Рис. 2. Двухсекционная трубка.
Рис. 3. Трехсекционная трубка.
распределение и как им можно управлять с це- ской геометрией. Так как каждая секция вносит
лью обеспечения минимальных технических свой вклад в общий коэффициент усиления, то
флуктуаций.
полное усиление трубки будет равно сумме коэф-
Одним из способов изменения поперечного фициентов усиления каждой секции.
распределения инверсии населенностей (уси-
Также следует отметить, что при увеличе-
ления) является изменение геометрии сечения нии длины отдельно взятой секции ее радиус
разрядного промежутка. В 1969 году возник- должен расти вследствие увеличения пятна ка-
ла идея конической трубки [1, 2]. Эксперимент устики поля по мере приближения к сфериче-
подтвердил правильность идеи и методов расче- скому зеркалу резонатора. Следовательно, что-
та усиления для данного случая [3]. В 1971 го- бы избежать потерь на стыке, воображаемая
ду был предложен комбинированный вариант линия границы модового объема не должна
(рис. 2) [4]. В основу расчета геометрической касаться границы капилляра. Поэтому встает
части коэффициента усиления была положена вопрос об оптимальных соотношениях между
известная формула [5]
длинами секций комбинированного активного
( )k = 1S ò k0f(V)dV, V
элемента. Расчетным путем были найдены коэффици-
енты усиления и оптимальные длины секций
где k0 – усиление на оси системы, f(V) – пространственное распределение усиления в объ-
для двухсекционной (рис. 2) и трехсекционной (рис. 3) трубок. При использовании активных
еме V разрядного промежутка, S – площадь элементов с нестандартной геометрией, состо-
поперечного сечения. Полагаем f(V) подобным ящих из двух или трех секций, коэффициент
концентрации возбужденных атомов.
усиления возрастает на 29,91% и 40,47% со-
В настоящей статье мы кратко излагаем ре- ответственно. При этом оптимальные соотно-
зультаты для двух- и трехсекционных трубок, шения секций для двухсекционного капилляра
полученные после 2010 г. [6].
равны 42:58, а для трехсекционного – 30:30:40.
Уже при малых уменьшениях объема, не
Таким образом, предлагаемые конструкции
участвующего в генерации излучения, виден капилляра позволят либо сократить размеры
результат. Так, при длине узкой части двух- газоразрядного лазера при сохранении мощ-
секционного элемента, равной всего 1/20 всей ности излучения, либо увеличить мощность,
длины трубки, мощность возрастает на 1,22%. не прибегая к вариации длины активного эле-
В ходе расчета комбинированный активный мента. Сокращение размеров резонатора позво-
элемент разбивался на секции. Коэффициент лит повысить пассивную стабильность лазера.
усиления каждой секции может быть рассчитан Обнаруженный выигрыш усиления позволил
на основе известных методов расчета активных вести дальнейшие поиски, на некоторые из ко-
элементов газоразрядных лазеров с цилиндриче- торых получены патенты [7, 8].
* * * * *
ЛИТЕРАТУРА
1. Привалов В.Е., Фридрихов С.А. Кольцевой газовый лазер // УФН. 1969. Т. 97. C. 377–402.
2. Привалов В.Е., Фридрихов С.А. He-Ne-лазер с разрядной трубкой конусообразного сечения // ЖПС. 1970. Т. 12. C. 937–939.
“Оптический журнал”, 81, 3, 2014
21
3. Федотов А.А. Исследование возможности увеличения мощности излучения He-Ne-ОКГ применением разрядных трубок профильного (конического) сечения // Автореферат канд. дис. Л.: ЛЭТИ, 1974. 16 с.
4. Привалов В.Е. He-Ne лазер с комбинированной разрядной трубкой // Электронная техника. Сер. 3. 1971. В. 3. С. 29–31.
5. Привалов В.Е. Газоразрядные лазеры в измерительных комплексах. Л.: Судостроение, 1989. 260 с. 6. Золотов С.А. , Привалов В.Е. Уход от стандартных геометрий приводит к выигрышу в усилении // Тру-
ды конференции «Лазеры. Измерения. Информация». СПб.: Политехнический университет, 2010. С. 109. 7. Привалов В.Е., Золотов С.А. Газоразрядный лазер. Патент России № 95909. 2010. 8. Привалов В.Е., Золотов С.А. Газоразрядный лазер. Патент России № 101276. 2011.
22 “Оптический журнал”, 81, 3, 2014
УДК 617.7; 535.34
РОСТ УСИЛЕНИЯ В ГАЗОРАЗРЯДНОМ ЛАЗЕРЕ С АКТИВНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ НЕСТАНДАРТНОЙ ГЕОМЕТРИИ
© 2014 г.
В. Е. Привалов, доктор физ.-мат. наук; С. А. Золотов, аспирант Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, Санкт-Петербург E-mail: vaevpriv@yandex.ru
В гелий–неоновом лазере традиционно используется активный элемент цилиндрической геометрии в резонаторе плоскость–сфера. При этом часть активной среды не участвует в генерации излучения. Однако исполнение трубки газоразрядного лазера, геометрия которой точно совпадала бы с геометрией поля, является трудоемкой задачей. Предлагается использовать комбинированный элемент, состоящий из двух или трех секций разного диаметра с разными длинами. Расчет показал увеличение усиления на 30% и 40% соответственно по сравнению с цилиндрической геометрией. При этом такие активные элементы не представляют особых сложностей при производстве.
Ключевые слова: газоразрядный лазер, усиление активной среды, активный элемент, мощность излучения.
Коды OCIS: 140.0140, 140.3460.
Поступила в редакцию: 19.11.2013.
Производство активного элемента газоразрядного лазера (ГРЛ), геометрия которого точно совпадала бы с геометрией поля (рис. 1), представляет большие технологические трудности. Необходимо найти более технологичную геометрию, которая бы превосходила цилиндрическую по усилению.
Усиление является одной из основных характеристик, поскольку его величина и стабильность оказывают существенное влияние на точность измерений. С энергетической точки зрения, выгодно обеспечить максимальное
Рис. 1. Активный элемент ГРЛ с формой, повторяющей геометрию каустики поля.
перекрытие модового объема резонатора и объема, в котором обеспечена инверсия населенностей. Когда радиус пятна генерации в несколько раз меньше радиуса капилляра (условие выполняется практически во всех ГРЛ, кроме волноводных), это требование сводится к получению распределения инверсии населенностей, не убывающей по мере удаления от оси. Это нереально, но необходимо стремиться к наиболее пологому распределению.
Трудность заключается в том, что более пологому распределению соответствует меньшая инверсия населенностей в центре. Нужно найти оптимальные условия. Для получения максимальной стабильности параметров излучения также следует иметь наиболее пологое распределение инверсии населенностей. В противном случае пятно генерации, перемещаясь по сечению под действием возмущающих факторов, будет оказываться в областях с различной инверсией населенностей, что приведет к флуктуациям интенсивности и частоты излучения. Рассмотрим, от чего зависит пространственное
20 “Оптический журнал”, 81, 3, 2014
Рис. 2. Двухсекционная трубка.
Рис. 3. Трехсекционная трубка.
распределение и как им можно управлять с це- ской геометрией. Так как каждая секция вносит
лью обеспечения минимальных технических свой вклад в общий коэффициент усиления, то
флуктуаций.
полное усиление трубки будет равно сумме коэф-
Одним из способов изменения поперечного фициентов усиления каждой секции.
распределения инверсии населенностей (уси-
Также следует отметить, что при увеличе-
ления) является изменение геометрии сечения нии длины отдельно взятой секции ее радиус
разрядного промежутка. В 1969 году возник- должен расти вследствие увеличения пятна ка-
ла идея конической трубки [1, 2]. Эксперимент устики поля по мере приближения к сфериче-
подтвердил правильность идеи и методов расче- скому зеркалу резонатора. Следовательно, что-
та усиления для данного случая [3]. В 1971 го- бы избежать потерь на стыке, воображаемая
ду был предложен комбинированный вариант линия границы модового объема не должна
(рис. 2) [4]. В основу расчета геометрической касаться границы капилляра. Поэтому встает
части коэффициента усиления была положена вопрос об оптимальных соотношениях между
известная формула [5]
длинами секций комбинированного активного
( )k = 1S ò k0f(V)dV, V
элемента. Расчетным путем были найдены коэффици-
енты усиления и оптимальные длины секций
где k0 – усиление на оси системы, f(V) – пространственное распределение усиления в объ-
для двухсекционной (рис. 2) и трехсекционной (рис. 3) трубок. При использовании активных
еме V разрядного промежутка, S – площадь элементов с нестандартной геометрией, состо-
поперечного сечения. Полагаем f(V) подобным ящих из двух или трех секций, коэффициент
концентрации возбужденных атомов.
усиления возрастает на 29,91% и 40,47% со-
В настоящей статье мы кратко излагаем ре- ответственно. При этом оптимальные соотно-
зультаты для двух- и трехсекционных трубок, шения секций для двухсекционного капилляра
полученные после 2010 г. [6].
равны 42:58, а для трехсекционного – 30:30:40.
Уже при малых уменьшениях объема, не
Таким образом, предлагаемые конструкции
участвующего в генерации излучения, виден капилляра позволят либо сократить размеры
результат. Так, при длине узкой части двух- газоразрядного лазера при сохранении мощ-
секционного элемента, равной всего 1/20 всей ности излучения, либо увеличить мощность,
длины трубки, мощность возрастает на 1,22%. не прибегая к вариации длины активного эле-
В ходе расчета комбинированный активный мента. Сокращение размеров резонатора позво-
элемент разбивался на секции. Коэффициент лит повысить пассивную стабильность лазера.
усиления каждой секции может быть рассчитан Обнаруженный выигрыш усиления позволил
на основе известных методов расчета активных вести дальнейшие поиски, на некоторые из ко-
элементов газоразрядных лазеров с цилиндриче- торых получены патенты [7, 8].
* * * * *
ЛИТЕРАТУРА
1. Привалов В.Е., Фридрихов С.А. Кольцевой газовый лазер // УФН. 1969. Т. 97. C. 377–402.
2. Привалов В.Е., Фридрихов С.А. He-Ne-лазер с разрядной трубкой конусообразного сечения // ЖПС. 1970. Т. 12. C. 937–939.
“Оптический журнал”, 81, 3, 2014
21
3. Федотов А.А. Исследование возможности увеличения мощности излучения He-Ne-ОКГ применением разрядных трубок профильного (конического) сечения // Автореферат канд. дис. Л.: ЛЭТИ, 1974. 16 с.
4. Привалов В.Е. He-Ne лазер с комбинированной разрядной трубкой // Электронная техника. Сер. 3. 1971. В. 3. С. 29–31.
5. Привалов В.Е. Газоразрядные лазеры в измерительных комплексах. Л.: Судостроение, 1989. 260 с. 6. Золотов С.А. , Привалов В.Е. Уход от стандартных геометрий приводит к выигрышу в усилении // Тру-
ды конференции «Лазеры. Измерения. Информация». СПб.: Политехнический университет, 2010. С. 109. 7. Привалов В.Е., Золотов С.А. Газоразрядный лазер. Патент России № 95909. 2010. 8. Привалов В.Е., Золотов С.А. Газоразрядный лазер. Патент России № 101276. 2011.
22 “Оптический журнал”, 81, 3, 2014