Пристрій для одержання когерентного оптичного випромінювання

Реферат: Пристрій для одержання когерентного оптичного випромінювання містить дзеркало, що відбиває, систему енергоживлення, керовану за допомогою системи запуску. В ньому додатково уведені два керуючі оптичних генератора із частотами f1 і f2 керовані за допомогою системи запуску, вихідні дзеркала яких вмонтовані в дзеркало, що відбиває, орієнтоване по напрямку в іоносферу, і мають паралельні з ним оптичні осі, керуючі оптичні генератори з'єднані із системою енергоживлення, причому генератор із частотою f1 управляється системою запуску через лінію затримки. UA 78139 U (54) ПРИСТРІЙ ДЛЯ ОДЕРЖАННЯ КОГЕРЕНТНОГО ОПТИЧНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ UA 78139 U UA 78139 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до квантової електроніки, зокрема до лазерів з накачуванням сонячною енергією, і може бути використана в системах космічного й земного далекого зв'язку, передачі енергії на землю за допомогою лазерного променя, для обробки матеріалів, очищення від космічного сміття й т.д. Відомі пристрої для одержання когерентного оптичного випромінювання (лазери), що складаються з активного середовища, розміщеного в обсязі оптичного резонатора, системи енергоживлення, системи запуску й накачування [1]. Резонатор лазера утворений двома дзеркалами, установленими на деякій відстані один від одного. Між дзеркалами розміщені елементи системи накачування (лампи-спалаху, електронний інжектор). Як активне середовище використовують гази (наприклад, суміш Ne-He) або тверді речовини (у частности, рубін). Недоліком таких пристроїв є невисокий коефіцієнт корисної дії. Відомі лазери з порушенням активного середовища за рахунок енергії зовнішніх джерел, наприклад, сонячною енергією [2]. Недоліком таких лазерів є мала потужність когерентного оптичного випромінювання. Відомий лазер, що має дві системи з різноаппертурних дзеркал, два дахоподібних зворотних відбивачі, активний елемент [3]. Розташування щілини в дзеркалі й щілині у зворотному відбивачі забезпечує багаторазове проходження випромінювання накачування через активний елемент. Недоліком такого лазера є складність схемного рішення. Відомі твердотільні світловодні лазери з накачуванням сонячним випромінюванням [4], що містять концентратор сонячного випромінювання, твердотільне світловодне активне середовище й систему її охолодження. Недоліками таких лазерів є: - низька відбивна ефективність геліоконцентраторів, обумовлена їхній складовій (дво- або тридзеркальною) конструкцією, що приводить до втрат випромінювання накачування в результаті його послідовних відбиттів від кожного із дзеркал; - нагрівання активного середовища, що приводить до зменшення коефіцієнта підсилення лазерного випромінювання й, як наслідок, до зниження потужності генерації й ККД лазера; - низький спектральний ККД активного середовища, що обумовлює граничний ККД лазерів на рівні 34 %. Найбільш близьким до технічного рішення, що заявляється, є лазер, описаний у роботі [5]. Цей лазер використовується переважно в умовах космічного простору, де для порушення активного середовища, розміщеної в оптичному резонаторі, використовується короткохвильове сонячне випромінювання. Лазер складається із двох дзеркал, установлених у торцях порожньої діелектричної камери циліндричної форми. Усередині камери втримується газоподібне робоче тіло, частки якого під дією м'якого рентгенівського випромінювання сонця, переходять у збуджений стан (активне середовище). Лазер споживає від системи енергоживлення невелику потужність тільки при його включенні за допомогою системи запуску. Недоліками відомого пристрою, узятого як прототип, є мала потужність генерації когерентного оптичного випромінювання, порівняно низький коефіцієнт корисної дії, обмежені можливості його практичного застосування, труднощі забезпечення його роботи в режимі імпульсного включення. Ці недоліки обумовлені зменшенням енергії квантів сонячного випромінювання при проходженні через стінку оптичного резонатора, обмеженого обсягом активного середовища, необхідністю орієнтації й кутової стабілізації лазера щодо джерела накачування, неможливістю керування інтенсивністю накачування активного середовища. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалити пристрій для одержання когерентного оптичного випромінювання шляхом ініціювання процесу переходу збуджених часток азоту з нестійких енергетичних рівнів на стійкі, що дозволяє підвищити потужність генерації когерентного оптичного випромінювання й коефіцієнт корисної дії, розширити можливість практичного застосування лазера, забезпечити його роботу в режимі імпульсного включення. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрій для одержання когерентного оптичного випромінювання, що містить дзеркало, що відбиває, систему енергоживлення, керовану за допомогою системи запуску, додатково уведені два керуючі оптичних генератора із частотами f1 і f2 керовані за допомогою системи запуску, вихідні дзеркала яких вмонтовані в дзеркало, що відбиває, орієнтоване по напрямку в іоносферу, і мають паралельні з ним оптичні осі, керуючі оптичні генератори з'єднані із системою енергоживлення, причому генератор із частотою f1 управляється системою запуску через лінію затримки. 1 UA 78139 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Таким чином, введення двох генераторів оптичного випромінювання із частотами f1 і f2 і керовані за допомогою системи запуску, вхідні дзеркала яких вмонтовані в дзеркало, що відбиває, орієнтоване по напрямку в іоносферу, і мають паралельні з ним оптичні осі, причому генератори оптичного випромінювання з'єднані із джерелом енергоживлення, а генератор із частотою f1 через лінію затримки управляється системою запуску, дозволяє підвищити потужність генерації когерентного оптичного випромінювання й коефіцієнт корисної дії, розширити можливість практичного застосування лазера, забезпечити його роботу в режимі імпульсного включення. Сутність корисної моделі пояснюється ілюстрацією (фіг. 1), на якій представлена структурна схема пропонованого технічного рішення. Пристрій містить систему запуску 1, що управляє включенням генератора оптичного випромінювання 2, що працює на частоті f2, а через лінію затримки 3 управляє включенням генератора оптичного випромінювання 4, що працює на частоті f1. Генератори 2 і 4 через вихідні дзеркала 5 і 6, вмонтовані в дзеркало 7, що відбиває, випромінюють оптичні випромінювання в іоносферу 8, що є активним середовищем. Генератори 2 і 4 живляться від джерела енергоживлення 9, що управляється системою запуску 1. Перераховані елементи розташовані на літальному апарату 10. Робота запропонованого пристрою відбувається в такий спосіб. По команді від системи запуску 1 включається генератор оптичного випромінювання 2, що працює на частоті f2, а через лінію затримки 3 включається генератор оптичного випромінювання 4 на частоті f1. Оптичний сигнал на частоті f2 і запізнілий оптичний сигнал на частоті f1 виводяться за допомогою вихідних дзеркал 5 і 6, вмонтованих у дзеркало 7, що відбиває, в іоносферу 8, що грає роль активного середовища. У результаті впливу оптичного сигналу на частоті f2, вироблюваного генератором 2, на активне середовище 8, уже збуджену сонячним випромінюванням, це середовище стає инверсно заселеним. Запізнілий оптичний сигнал на частоті f1 вироблюваний генератором 4, подібно сигналу в підсилювачі, приводить до появи індукованого випромінювання в активному середовищі 8, тобто оптичний сигнал на частоті f1 служить для збору індукованим образом енергії збудженого активного середовища (азоту). Дзеркало 7, що відбиває, служить для відбиття виникаючого спонтанного випромінювання в заданому напрямку. На висоті Н більше 300 км потік ультрафіолету викликає многофотонную іонізацію газу, тобто на цій висоті спостерігається сильне підвищення заселеності верхніх рівнів молекулярного азоту [6]. Відомо, що молекулярний азот можна використовувати як активне середовище для створення лазера на електронно-коливальних переходах. Цей лазер генерує на довжині хвилі 1=3370 Å. На фіг. 2 наведена схема енергетичних рівнів молекули азоту [7, 8]. Лазер, заснований на переході, представленим на фіг. 2 молекули азоту, має надзвичайно високий коефіцієнт підсилення, значить і більшим коефіцієнтом корисної дії. Приведемо оцінку цього коефіцієнта. Тому що квант енергії генерації w1w 2 , то коефіцієнт корисної дії буде дорівнює w1 3370    70 % , w1  w 2 3370  1000 де 1=2f1; 1=C/f1≈337,0 нм, 2=2f2; 2=C/f2≈10,6 мкм, де С - швидкість світла. Генерація в азоті відбувається внаслідок виконання принципу Франка-Кондона, т.е. при 3 3 електронному ударі відбувається з високою ймовірністю порушення рівня С Пі, а рівень В Пд 3 заселяється зі значно меншою ймовірністю (фіг. 2). З іншого боку, тому що час життя рівня С Пі становить усього 40 нс, то й час життя інверсної області невелике. Це означає, що відразу за створенням інверсності необхідно вводити сигнал від генератора, що працює на частоті f1, щоб зібрати індукованим образом все когерентне оптичне випромінювання активного середовища. В іоносферній плазмі Землі на висотах більше 60 км переважає молекулярний газ - азот. Молекула азоту завжди перебуває в нерівновагому стані за рахунок потоку ультрафіолету від 3 Сонця, інтенсивність якого на цих висотах велика (до 9 %). Рівень В Пд заселяється в 3 основному за рахунок ультрафіолету Сонця. Тому рівень С Пі виявляється із самого початку 3 3 більше заселеним, чим В Пд. Далі, кількість молекул в 1 см , що перебувають у збудженому 3 стані С Пі, значно більше, ніж у незбудженому, тому що увесь час є джерело порушення Сонце. Для того щоб цю енергію зібрати, необхідно затравочное спрямоване когерентне оптичне випромінювання з 1≈337,0 нм (у противному випадку сигнал наростає з теплових шумів з хаотичним напрямком). Помітимо, що індуковане випромінювання молекул азоту на довжині хвилі 1≈337,0 нм буде монохроматичним і високо-спрямованим, тому що N2 - лазер є суперлюмінесцентним (надсвітність) [7, 8]. 2 UA 78139 U 5 10 15 Запропонований пристрій для одержання когерентного оптичного випромінювання, у порівнянні із прототипом, не вимагає витрат робочого тіла, має високий коефіцієнт корисної дії й порівняно невеликі масогабаритні показники. Крім того, на відміну від раніше використаних потужних лазерів у пропонованому пристрої немає проблем з відводом тепла від конструкції. Джерела інформації: 1. Прохоров А.М. "О молекулярном усилителе и генераторе на субмиллиметровых волнах" // ЖЭТФ, 1958. - Т.34. - С. 1658. 2. Голгер А.Л. и др. Лазер с накачкой солнечным излучением // Квантовая электроника, 1984. – Т11. - № 2.- С. 233-257. 3. Авторское свидетельство СССР N 1586476, "Лазер с солнечной накачкой", кл. Н01S3/09, 1988. 4. Авторское свидетельство СССР N 1208591, кл. Н01S3/0915, 1988; авторское свидетельство СССР N 1669024, кл. Н01S3/00, 1991. 5. Патент США № 3808428, кл. H01S3/0915, опубл. 04.30.1974 - прототип. 6. Гуревич А.В., Шварцбург А.Б. Нелинейная теория распространения радиоволн в ионосфере. - М.: Наука, 1973. - Табл. 1.1, 1.2. 7. Н.В. Карпов. Лекции по квантовой электронике. - М.: Наука, 1983. - С. 189. 8. Звелто О. Физика лазеров. - М.: Мир, 1979. 20 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 Пристрій для одержання когерентного оптичного випромінювання, що містить дзеркало, що відбиває, систему енергоживлення, керовану за допомогою системи запуску, який відрізняється тим, що в ньому додатково уведені два керуючі оптичних генератора із частотами f1 і f2 керовані за допомогою системи запуску, вихідні дзеркала яких вмонтовані в дзеркало, що відбиває, орієнтоване по напрямку в іоносферу, і мають паралельні з ним оптичні осі, керуючі оптичні генератори з'єднані із системою енергоживлення, причому генератор із частотою f1 управляється системою запуску через лінію затримки. 3 UA 78139 U Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4