eng
Выпуск #5/2013
С.Золотов, В.Привалов
He-Ne лазер с нетрадиционным активным элементом
He-Ne лазер с нетрадиционным активным элементом
Просмотры: 5575
Традиционным элементом конструкции He-Ne и других газоразрядных лазеров является цилиндрический активный элемент. Выбранная форма элемента связана с формой образующегося газового разряда и лаконичной технологией изготовления. Однако более 40 лет назад начался промышленный выпуск He-Ne лазеров эллиптического и прямоугольного сечений. Тогда же появились публикации об активных элементах с изменяющейся продольной геометрией. Правда, предприятия-изготовители не стремились реализовать подобные решения. Было ли такое решение ошибочным?
Первые статьи, посвященные He-Ne лазеру с прямоугольным и эллиптическим сечением [1,2], указывали на ряд преимуществ таких сечений.
В обзоре [3] собран большой список источников по этой тематике. Основным достижением в данном направлении было обнаружение формы поперечного сечения разряда, при которой усиление излучения лазера резко возрастало.
Почти одновременно появилась идея согласовать продольную форму разряда с каустикой поля резонатора, так как в газоразрядных лазерах обычно используются и сферические зеркала (например, [4]). Здесь тоже появлялась возможность улучшить энергетические характеристики лазера. особенно видным это становится, если сопоставить активные элементы рядом (рис.1). В цилиндре значительная часть разряда не охвачена полем резонатора, кроме того, усиление меньше, чем в нижних активных элементах. Напомним, что в He-Ne лазере усиление обратно пропорционально радиусу разряда. В конусе эти недостатки устранены, но возникают технологические трудности изготовления, следовательно, растет стоимость элемента. Секционный элемент является промежуточным по усилению и сложности изготовления.
С ростом числа секций рабочие характеристики активного элемента приближаются к характеристикам конического элемента по обоим параметрам. Эксперимент, проведенный А.А.Федотовым еще в 1974 году в Ленинградском электротехническом институте, показал, что рост мощности в конической и двухсекционной трубках может увеличиться в 1,5–2 раза. Возникшая задача понять механизм такого явления потребовала своего решения. С основными методами и результатами расчета можно познакомиться в работе [3]. Расчеты усиления в многосекционных активных элементах представлены в работах [5, 6]. Результаты показали, что в двухсекционном элементе рост усиления по сравнению с цилиндрическим элементом может составить 10–20%. Поскольку в эксперименте наблюдалось более сильное усиление, стало очевидно, что кроме геометрии следовало бы учесть какие-то другие факторы. Прежде всего – температуру газа. Не загромождая наше сообщение формулами и расчетами, которые достаточно полно приведены в работах [1–6], обратим внимание на еще одно направление поиска. При переходе от цилиндрической геометрии к конической мы успешно боремся со стратами, но облегчаем условия возникновения реактивных колебаний в разряде [7]. Они определяют минимальный ток, при котором загорается разряд, и провоцируют различные неустойчивости в разряде, что безусловно сказывается на качестве излучения лазера. При уменьшении диаметра разряда растет крутизна падающего участка статической вольт-амперной характеристики разряда, что способствует неустойчивостям, в том числе реактивным колебаниям.
Конструкция секционной трубки практически не требует новых инженерных решений, поэтому сосредоточимся на ней. На коротком участке создание конуса не представляет больших трудностей. Понятно, что вблизи сферического зеркала эта форма важна для повышения усиления. Поэтому одна из наших конструкций [8] содержит короткий конический участок вблизи сферы (рис.2а). В результате присутствие такого элемента обеспечивает небольшой рост мощности излучения лазера. Остается еще одно слабое место секционного активного элемента – скачок диаметра в месте соединения секций. В этом месте в разряде образуется "двойной электрический слой", который по существу является источником еще одного вида колебаний в разряде – колебаний двойного слоя. Эти колебания, в свою очередь, способствуют возникновению реактивных колебаний. Следовательно в конструкции место соединения секций следует сгладить. Тогда исчезает "двойной электрический слой" и еще немного возрастает усиление излучения. Таким образом, возникла идея создания другой конструкции (рис.2б) [9].
Предложенные новшества дадут ожидаемый эффект усиления, прежде всего в длинных лазерах, например в выпускаемых промышленностью ГН-25, ГН-40 , ГН-50. Надеемся, промышленность нас услышит.
Литература
Привалов В.Е., Фридрихов С.А. Зависимость мощности излучения He-Ne лазера от геометрии сечения разрядного промежутка. – ЖТФ, 1968, т.37, № 12, с.2080.
Привалов В.Е., Юдин С.Ф. Влияние формы сечения разрядного промежутка на усиление активной среды газового лазера. – Квант. электроника, 1974, т.11, с.2484.
Привалов В.Е. Геометрия газового разряда и усиление излучения лазера. – Известия ВУЗов. Физика, 2010, т.53, № 5/2, с.80.
Привалов В.Е., Фридрихов С.А. Кольцевой газовый лазер. – УФН, 1969, т.97, с.377.
Золотов С.А., Привалов В.Е. Влияние геометрии активного элемента на коэффициент усиления газового лазера. – Научно-технические ведомости СПбГПУ (физ.мат.науки), 2012, №3, с. 59.
Zolotov S.A., Privalov V.E. Gas Discharge Lasers for Nanometry. – Optical Memory & Neural Networks (Information Optics) 2012, v.21, №4, p. 260.
Привалов В.Е. Газоразрядные лазеры в измерительных комплексах. – Л.: Судостроение, 1989.
Пат. 95909 (РФ)./С.А.Золотов, В.Е.Привалов.Опубл. 2010.
Пат.101276(РФ)./С.А.Золотов, В.Е.Привалов.Опубл. 2011.
First articles which covered the He-Ne laser with rectangular and elliptical cross-sections [1, 2] pointed at a number of advantages of such cross-sections.
Large bibliography regarding this issue is collected in the review [3]. Discovery of the form of discharge lateral cross-section under which the amplification of laser radiation sharply increased was the main achievement in this area.
Almost at the same time the idea of coordinating the discharge lateral form with the caustic of resonator field appeared because as a rule the spherical mirrors were used in gas-discharge lasers too (for example, [4]). Also the opportunity to enhance the energy characteristics of laser occurred here.
It is seen from the comparison of the active components in Fig. 1. Considerable part of discharge in cylinder is not covered by the resonator field; in addition, the amplification is less than in bottom active components. It will be recalled that the amplification in He-Ne laser is inversely proportional to the discharge radius. These shortcomings can be removed in cone but the technological difficulties of manufacturing occur, and thus the component cost grows. Sectional component is intermediate according to the amplification and manufacturing complexity.
As the amount of sections increases it approximates to the cone in both parameters. At early stages the experiment showed that the increase of capacity in conic and two-section tubes can account for 1.5–2 times. It was necessary to comprehend the mechanism.
You can become familiar with the main methods and results of calculation in the paper [3]. Amplification calculations in multi-sectional active components are given in [5, 6]. You can expect to obtain the amplification growth by 10–20% in comparison with the cylindrical component. Since the experiment gave more increase it was necessary to take into account other factors besides the geometry. First of all, gas temperature.
Not overloading our report with the formulas and calculations which are in large quantities in specified references we would like to direct your attention to one more area of research. When passing from the cylindrical geometry to the conical geometry we successfully deal with stratums but simplify the conditions for the occurrence of reactive oscillations in discharge [7]. They determine minimum current when the discharge is initiated and provoke different instabilities in discharge which undoubtedly affects the quality of laser radiation. When decreasing the discharge diameter the slope of dropping section of the discharge static current-voltage characteristic grows which favors the instabilities including the reactive oscillations.
Sectional tube practically does not require new technological solutions; therefore, we will concentrate our attention on it. On the short section the formation of cone offers no difficulties. It is understandable that it is more important for the amplification increase close to the spherical mirror. Therefore, one of our constructions [8] contains short conical section close to the sphere (Fig. 2, top active component). As a result, such component ensures the slight growth of laser radiation power. One more weak point of the sectional active component remains – the diameter leap in the junction of sections. "Double electrical layer" is formed in this part of discharge which becomes the source of another type of oscillations in discharge – oscillations of double layer. In turn, they favor the occurrence of reactive oscillations. This spot should be smoothed out. Then the "double electrical layer" will disappear and the radiation amplification will increase by several points. It was implemented in other construction [–] which is shown in Fig. 2, bottom active component.
First of all, the listed innovations will have an effect in long lasers, for example in lasers ГН-25, ГН-40, and ГН-50 produced by the industry.We hope that the industry will hear us.
В обзоре [3] собран большой список источников по этой тематике. Основным достижением в данном направлении было обнаружение формы поперечного сечения разряда, при которой усиление излучения лазера резко возрастало.
Почти одновременно появилась идея согласовать продольную форму разряда с каустикой поля резонатора, так как в газоразрядных лазерах обычно используются и сферические зеркала (например, [4]). Здесь тоже появлялась возможность улучшить энергетические характеристики лазера. особенно видным это становится, если сопоставить активные элементы рядом (рис.1). В цилиндре значительная часть разряда не охвачена полем резонатора, кроме того, усиление меньше, чем в нижних активных элементах. Напомним, что в He-Ne лазере усиление обратно пропорционально радиусу разряда. В конусе эти недостатки устранены, но возникают технологические трудности изготовления, следовательно, растет стоимость элемента. Секционный элемент является промежуточным по усилению и сложности изготовления.
С ростом числа секций рабочие характеристики активного элемента приближаются к характеристикам конического элемента по обоим параметрам. Эксперимент, проведенный А.А.Федотовым еще в 1974 году в Ленинградском электротехническом институте, показал, что рост мощности в конической и двухсекционной трубках может увеличиться в 1,5–2 раза. Возникшая задача понять механизм такого явления потребовала своего решения. С основными методами и результатами расчета можно познакомиться в работе [3]. Расчеты усиления в многосекционных активных элементах представлены в работах [5, 6]. Результаты показали, что в двухсекционном элементе рост усиления по сравнению с цилиндрическим элементом может составить 10–20%. Поскольку в эксперименте наблюдалось более сильное усиление, стало очевидно, что кроме геометрии следовало бы учесть какие-то другие факторы. Прежде всего – температуру газа. Не загромождая наше сообщение формулами и расчетами, которые достаточно полно приведены в работах [1–6], обратим внимание на еще одно направление поиска. При переходе от цилиндрической геометрии к конической мы успешно боремся со стратами, но облегчаем условия возникновения реактивных колебаний в разряде [7]. Они определяют минимальный ток, при котором загорается разряд, и провоцируют различные неустойчивости в разряде, что безусловно сказывается на качестве излучения лазера. При уменьшении диаметра разряда растет крутизна падающего участка статической вольт-амперной характеристики разряда, что способствует неустойчивостям, в том числе реактивным колебаниям.
Конструкция секционной трубки практически не требует новых инженерных решений, поэтому сосредоточимся на ней. На коротком участке создание конуса не представляет больших трудностей. Понятно, что вблизи сферического зеркала эта форма важна для повышения усиления. Поэтому одна из наших конструкций [8] содержит короткий конический участок вблизи сферы (рис.2а). В результате присутствие такого элемента обеспечивает небольшой рост мощности излучения лазера. Остается еще одно слабое место секционного активного элемента – скачок диаметра в месте соединения секций. В этом месте в разряде образуется "двойной электрический слой", который по существу является источником еще одного вида колебаний в разряде – колебаний двойного слоя. Эти колебания, в свою очередь, способствуют возникновению реактивных колебаний. Следовательно в конструкции место соединения секций следует сгладить. Тогда исчезает "двойной электрический слой" и еще немного возрастает усиление излучения. Таким образом, возникла идея создания другой конструкции (рис.2б) [9].
Предложенные новшества дадут ожидаемый эффект усиления, прежде всего в длинных лазерах, например в выпускаемых промышленностью ГН-25, ГН-40 , ГН-50. Надеемся, промышленность нас услышит.
Литература
Привалов В.Е., Фридрихов С.А. Зависимость мощности излучения He-Ne лазера от геометрии сечения разрядного промежутка. – ЖТФ, 1968, т.37, № 12, с.2080.
Привалов В.Е., Юдин С.Ф. Влияние формы сечения разрядного промежутка на усиление активной среды газового лазера. – Квант. электроника, 1974, т.11, с.2484.
Привалов В.Е. Геометрия газового разряда и усиление излучения лазера. – Известия ВУЗов. Физика, 2010, т.53, № 5/2, с.80.
Привалов В.Е., Фридрихов С.А. Кольцевой газовый лазер. – УФН, 1969, т.97, с.377.
Золотов С.А., Привалов В.Е. Влияние геометрии активного элемента на коэффициент усиления газового лазера. – Научно-технические ведомости СПбГПУ (физ.мат.науки), 2012, №3, с. 59.
Zolotov S.A., Privalov V.E. Gas Discharge Lasers for Nanometry. – Optical Memory & Neural Networks (Information Optics) 2012, v.21, №4, p. 260.
Привалов В.Е. Газоразрядные лазеры в измерительных комплексах. – Л.: Судостроение, 1989.
Пат. 95909 (РФ)./С.А.Золотов, В.Е.Привалов.Опубл. 2010.
Пат.101276(РФ)./С.А.Золотов, В.Е.Привалов.Опубл. 2011.
First articles which covered the He-Ne laser with rectangular and elliptical cross-sections [1, 2] pointed at a number of advantages of such cross-sections.
Large bibliography regarding this issue is collected in the review [3]. Discovery of the form of discharge lateral cross-section under which the amplification of laser radiation sharply increased was the main achievement in this area.
Almost at the same time the idea of coordinating the discharge lateral form with the caustic of resonator field appeared because as a rule the spherical mirrors were used in gas-discharge lasers too (for example, [4]). Also the opportunity to enhance the energy characteristics of laser occurred here.
It is seen from the comparison of the active components in Fig. 1. Considerable part of discharge in cylinder is not covered by the resonator field; in addition, the amplification is less than in bottom active components. It will be recalled that the amplification in He-Ne laser is inversely proportional to the discharge radius. These shortcomings can be removed in cone but the technological difficulties of manufacturing occur, and thus the component cost grows. Sectional component is intermediate according to the amplification and manufacturing complexity.
As the amount of sections increases it approximates to the cone in both parameters. At early stages the experiment showed that the increase of capacity in conic and two-section tubes can account for 1.5–2 times. It was necessary to comprehend the mechanism.
You can become familiar with the main methods and results of calculation in the paper [3]. Amplification calculations in multi-sectional active components are given in [5, 6]. You can expect to obtain the amplification growth by 10–20% in comparison with the cylindrical component. Since the experiment gave more increase it was necessary to take into account other factors besides the geometry. First of all, gas temperature.
Not overloading our report with the formulas and calculations which are in large quantities in specified references we would like to direct your attention to one more area of research. When passing from the cylindrical geometry to the conical geometry we successfully deal with stratums but simplify the conditions for the occurrence of reactive oscillations in discharge [7]. They determine minimum current when the discharge is initiated and provoke different instabilities in discharge which undoubtedly affects the quality of laser radiation. When decreasing the discharge diameter the slope of dropping section of the discharge static current-voltage characteristic grows which favors the instabilities including the reactive oscillations.
Sectional tube practically does not require new technological solutions; therefore, we will concentrate our attention on it. On the short section the formation of cone offers no difficulties. It is understandable that it is more important for the amplification increase close to the spherical mirror. Therefore, one of our constructions [8] contains short conical section close to the sphere (Fig. 2, top active component). As a result, such component ensures the slight growth of laser radiation power. One more weak point of the sectional active component remains – the diameter leap in the junction of sections. "Double electrical layer" is formed in this part of discharge which becomes the source of another type of oscillations in discharge – oscillations of double layer. In turn, they favor the occurrence of reactive oscillations. This spot should be smoothed out. Then the "double electrical layer" will disappear and the radiation amplification will increase by several points. It was implemented in other construction [–] which is shown in Fig. 2, bottom active component.
First of all, the listed innovations will have an effect in long lasers, for example in lasers ГН-25, ГН-40, and ГН-50 produced by the industry.We hope that the industry will hear us.
Отзывы читателей
