Способ управления мощностью излучения газового лазера

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТЬЮ ИЗЛУЧЕНИЯ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА, включающий регулирование оптической плотности поглотителя, введенного в резонатор, заполненный рабочей средой, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и расширения диапазона управления, поглотитель вводят в резонатор в виде газового потока, содержащего компоненту с системой уровней резонансного поглощения на длине волны генерации лазера, с направлением скорости, перпендикулярным оптической оси резонатора, при этом регулирование оптической плотности поглотителя осуществляют посредством изменения массового расхода компоненты с системой уровней резонансного поглощения в газовом потоке в диапазоне, определяемом следующим соотношением:

где g_ус коэффициент усиления рабочей среды;
g_пор пороговый коэффициент усиления оптического резонатора;
L_а длина рабочей среды в направлении оптической оси резонатора;
V скорость газового потока поглотителя;
h размер газового потока поглотителя в направлении перпендикулярном оптической оси резонатора и скорости газового потока;
s сечение поглощения единицы массы компоненты с системой уровней резонансного поглощения на длине волны генерации лазера.

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при проектировании и разработках технологических газовых лазеров высокой мощности с регулированием параметров выходного излучения.
Известен способ управления мощностью излучения газового лазера, включающий изменение состава рабочей среды и условий ее возбуждения.
Недостатком данного способа является низкая надежность и узкий диапазон регулирования выходной мощности.
Наиболее близким к предложенному техническому решению по сущности и достигаемому положительному эффекту является способ управления мощностью излучения газового лазера, включающий регулирование оптической плотности поглотителя в виде пластин, введенного в резонатор, заполненный рабочей средой.
В мощных технологических лазерах этот способ неприменим, так как внутри резонатора очень высокий уровень интенсивности излучения. Поэтому регулирующими пластинами поглощается значительная мощность, в результате чего они нагреваются. Нагрев пластин вызывает их термодеформацию, а при длительной работе и разрушение. Термодеформации пластин нарушают оптическое качество среды внутри резонатора и ухудшают расходимость выходного излучения, делая ее нестабильной.
Целью изобретения является повышение надежности и расширение диапазона управления.
Поставленная цель достигается благодаря тому, что поглотитель вводят в резонатор в виде газового потока, содержащего компоненту с системой уровней резонансного поглощения на длине волны генерации лазера, с направлением скорости, перпендикулярным оптической оси резонатора, при этом регулирование оптической плотности поглотителя осуществляют посредством изменения массового расхода m компоненты с системой уровней резонатора поглощения в газовом потоке в диапазоне, определяемом следующим соотно- шением:
0 g_ус-g (1) где g_ус коэффициент усиления рабочей среды;
g_пор пороговый коэффициент усиления оптического резонатора;
L_а длина рабочей среды в направлении оптической оси резонатора;
v скорость газового потока поглотителя;
h размер газового потока поглотителя в направлении, перпендикулярном оптической оси резонатора и скорости газового потока;
сечение поглощения единицы массы компоненты с системой уровней резонансного поглощения на длине волны генерации лазера.
Изобретение поясняется чертежом, на котором приведена принципиальная схема регулятора уровня мощности газового лазера.
Через инжектор 1 внутри резонатора, образованного зеркалами 2, 3, вводится поток активной среды 4. Через инжектор 5, который может быть pасположен внутри инжектора 1, как изображено на рисунке, или рядом с одним из краев инжектора 1, вводится управляющий поток 6, содержащий компоненту с системой уровней резонансного поглощения на длине волны генерации лазера.
Наиболее просто этот способ может быть реализован при регулировании уровня мощности технологического проточного лазера, например кислород-йодного.
В случае регулирования мощности излучения кислород-йодного лазера поглощающей компонентой могут служить невозбужденные атомы йода, при этом заранее приготовленная смесь атомов йода и газа разбавителя (например: Ar, He, N₂) протекает в оптическом резонаторе в направлении поперечном сечении резонатора. Поскольку действие поглощающего потока в резонаторе эквивалентно повышению порога генерации в плоскопараллельном резонаторе выполняется условие:
R_oR_texp(2g_ус L_a)= 1, (2) где R_o и R_t коэффициенты отражения глухого и выходного зеркал соответственно.
В случае наличия управляющего потока в резонаторе условие генерации имеет вид:
R_oRtexp(2g_ус L_a) exp(-2g_поглl)=1, (3) где g_погл коэффициент поглощения на единице длины управляющего потока, а l его размер вдоль оси резонатора. Таким образом, в присутствии управляющего потока появляется возможность регулировать достаточно тонко величину порогового коэффициента усиления:
g_пор + ln
(4)
Поглощение излучения связано с расходом атомов йода в управляющем потоке формулой
(m(o)-2m(*))
(5) где _3-4 сечение индуцированного перехода, на котором осуществляется генерация; N_a число Авогадро; m(o) расход атомов йода в основном состоянии; m(*) расход атомов йода в возбужденном состоянии; W_j атомарный вес йода.
Регулирование уровня мощности осуществляется изменением количества атомов йода в диапазоне, удовлетворяющем выполнению соотношения
g_ус + ln
(6) в соответствии с эквивалентным условием (1).
Способ управления мощностью излучения газового лазера исключает искажения направленности и расходимости излучения лазера, при этом для управления мощности могут быть использованы поглощающие компоненты рабочей среды лазера, направляемые в оптический резонатор повторно. Преимуществом описанного способа является также то, что поглощающие компоненты в основном состоянии могут вводиться в оптический резонатор в виде экранирующей завесы, что не нарушает газодинамики основного потока рабочей среды.
Способ управления мощностью излучения газового лазера обеспечивает возможную плавную регулировку мощности от нулевого до номинального значения.