ТЕЛЕСКОПИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР Российский патент 1994 года по МПК H01S3/08 

Изобретение относится к квантовой электронике, к резонаторам для квантовых генераторов, в частности к телескопическим резонаторам сходящейся волны, и может быть использовано в устройствах, генерирующих когерентное электромагнитное излучение.

Известен телескопический резонатор сходящейся волны для широкоапертурных активных сред с кольцевым сечением, содержащий софокусные выпуклое и вогнутое сферические софокусные зеркала, плоское кольцевое зеркало обратной связи и плоское выводное зеркало, позволяющий синхронизировать работу активной среды по всей кольцевой апертуре.

Недостатком телескопического резонатора на основе софокусных сферических зеркал является высокие световые нагрузки в приосевой области телескопа.

Известен телескопический резонатор с дополнительной обратной связью, содержащий софокусные цилиндрические зеркала и плоское зеркало с отверстиями для выхода излучения, используемый в качестве неустойчивого для широкоапертурной активной среды, помещаемой внутрь этого телескопического резонатора (прототип).

Недостатком этого резонатора является неравномерно заполнение излучением объема с активной средой, что снижает эффективность генерации когерентного излучения, приводит к неравномерному распределению поля излучения по выходной апертуре, что в свою очередь увеличивает расходимость излучения.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности генерации когерентного излучения.

Технический результат достигается тем, что в телескопическом резонаторе сходящейся волны, содержащем софокусные выпуклое и вогнутое цилиндрические зеркала, плоское зеркало с отверстиями, два плоских зеркала, установленных перпендикулярно друг другу, линия пересечения двух плоских зеркал расположена в плоскости, параллельной плоскости плоского зеркала, с отверстиями, наклонена под углом 45^о к образующим цилиндрических зеркал и ее проекция на плоское зеркало с отверстиями делит одно из отверстий пополам.

В предложенном телескопическом резонаторе сходящейся волны используются взаимно перпендикулярные плоские зеркала, размещенные указанным образом, что отличает данный телескопический резонатор от аналога и прототипа, позволяет достигнуть указанный технический результат за счет одновременного в одном устройстве повышения мощности генерируемого излучения, равномерного заполнения излучением всего объема активной среды, создания когерентного по всей апертуре пучка, что снижает расходимости излучения.

На фиг.1 показан предложенный телескопический резонатор сходящейся волны; на фиг.2 - телескопические резонатор со стороны активной среды.

Резонатор содержит софокусные цилиндрические вогнутное 1 и выпуклое 2 зеркала, плоское зеркало с отверстиями 3, широкоапертурную активную среду 4, плоские зеркала 5 и 6, установленные под углом 90^о друг к другу.

Резонатор работает следующим образом. Флуктуация электромагнитного излучения, возникшего в каком-либо месте активной среды 4 и распространяющаяся параллельно оси резонатора через входное отверстие плоского зеркала 3, попадает на отражающую поверхность вогнутого цилиндрического зеркала 1. Далее излучение это, переотражаясь между выпуклым и вогнутым зеркалами цилиндрического телескопа, сходится к осевой области его, сжимаясь до своего дифракционного предела, и растекается вновь в обе стороны.

Так как телескоп цилиндрический, то эта флуктуация излучения заполняет входную и выходную апертуру телескопа по вертикали, представляя из себя узкий вертикальный слой, так как по горизонтальной оси процессов растекания излучения не происходит, если не учитывать дифракционное размытие, которое в данном случае слабо. Далее этот узкий вертикальный пучок излучения через входное отверстие попадает вновь в активную среду, усиливается, и падает на два взаимно перпендикулярных плоских зеркала.

Так как ось пересечения этих зеркал лежит в плоскости, параллельной плоскости плоского зеркала, с отверстиями, наклонена под углом 45^о к образующим цилиндрического телескопа и ее проекция на эту плоскость делит входное отверстие пополам, то вертикальная узкая полоска излучения преобразуется в горизонтальную за счет последовательного отражения каждого элементарного луча от этих плоских зеркал по законам геометрической оптики. Эта горизонтальная узкая полоска лучей, пройдя параллельно оси резонатора активную среду, усилившись, вновь попадает в цилиндрический телескоп через входное отверстие.

Горизонтальный пучок сходится в телескопе с осевой области до дифракционной зоны Френеля и вновь расходится по обе стороны, но уже заполняя апертуру телескопа как по вертикали, так и по горизонтали. Часть пучка возвращается в активную среду, равномерно заполняя весь ее широкопертурный объем. Другая часть через выходное отверстие в плоском подпорном зеркале выходит из телескопического резонатора в виде широкоапертурного пучка с равномерным распределением фазы (плоский фронт) по все апертуре, что приближает расходимость пучка когерентного излучения к предельной дифракционной.

Работа лазера с телескопическим резонатором сходящейся волны на основе софокусных цилиндрических зеркал и двух взаимно перпендикулярных плоских зеркал приведена на примере зарождения генерации. Реально таких флуктуаций возникает много и в разных местах активной среды, но в стационарный режим могут перейти лишь те, путь которых будет тот, что описан выше, так как у этого пути длина прохождения активной среды максимальная, т.е. в таком резонаторе возможно создание сфазированного по всей апертуре пучка излучения.

Эффективность предложенного резонатора в плане повышения мощности генерируемого излучения, снижения его расходимости и равномерности заполнения всего объема активной среды определяется тем, что эти три главных параметра лазера удовлетворяются одновременно, чего нельзя достичь в аналоге и прототипе.

Для телескопического резонатора сходящейся волны на основе софокусных цилиндрических зеркал размер зоны Френела определяется произведением величины зоны Френеля по вертикали на ширину моды по горизонтали: S_цил. ≈ · h , где λ- длина волны излучения; L - эффективная длина резонатора. Теоретически при точной юстировке цилиндрических зеркал ширина моды может достигать ширины апертуры, однако реально ширина моды не велика из-за неоднородностей в активной среде, нет точности юстировки и других причин. В прототипе это и происходит.

Предложенный резонатор позволяет увеличить, независимо от вышеназванных причин, эту ширину до размеров апертуры. В этом случае размер зоны Френеля увеличивается в K , где h ≈ нескольких сантиметров, т.е. на два-три порядка. Следовательно, и во столько же раз увеличится мощность когерентного излучения.

Расширение пучка излучения после прохождения осевой области цилиндрического телескопа по вертикали, преобразование его в горизонтальный в перпендикулярных плоских зеркалах, вторичное его расширение, после прохождения телескопа уже по всей ширине апертуры, приводит к созданию широкоапертурного пучка с практически плоским фронтом. Угол расходимости такого пучка по половине интенсивности приближается к предельному дифракционному, определяемому как ϕ , где d - диаметр выходной апертуры. В прототипе по ширине пучок излучения не является эквифазным и эффективная длина когерентности в этом направлении существенно меньше размера апертуры по ширине, поэтому угол расходимости его по горизонтали больше, чем в предложенном резонаторе.

Возвращающийся в активную среду широкоапертурный пучок с практическим плоским фронтом равномерно и полнее снимает возбуждение с активной среды. В то же время наличие неоднородностей плотности в среде, приводящее к неравномерному распределению плотности пучка по апертуре после прохождения осевой области телескопа как бы усредняется. В итоге имеется возможность, в отличие от прототипа, где активная среда вообще находится между софокусными цилиндрическими зеркалами, более эффективно использовать активную среду за счет равномерного съема энергии излучения со всего объема.

Таким образом, предложенный телескопический резонатор сходящейся волны на основе софокусных цилиндрических и двух плоских взаимно перпендикулярных зеркал, расположенных указанным образом, позволяет повысить эффективность генерации когерентного излучения широкоапертурной активной среды, т.е. в отличие от аналогов и прототипа позволяет повысить эффективность генерации когерентного электромагнитного излучения за счет одновременного снижения световых нагрузок на зеркалах, равномерного заполнения всего объема активной среды, что повышает КПД устройства, создания когерентного по всей апертуре пучка излучения, что снижает его расходимость.

Использование: изобретение относится к квантовой электронике, в частности к телескопическим резонаторам сходящейся волны для создания когерентного потока излучения по широкой апертуре квантового генератора, и может быть использовано в промышленности и медицине. Сущность изобретения: предлагаемый телескопический резонатор сходящейся волны состоит из софокусных цилиндрических выпуклого и вогнутого зеркал, плоского зеркала с отверстиями, в котором для повышения эффективности генерации когерентного излучения в широкоапертурной активной среде напротив одного из отверстий установлены два взаимно перпендикулярных плоских зеркала, линия пересечения которых лежит в плоскости, параллельной плоскости плоского зеркала с отверстиями, наклонена под углом 45° к образующим цилиндрических зеркал и ее проекция на это отверстие делит отверстие пополам. 2 ил.

ТЕЛЕСКОПИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР сходящейся волны, содержащий софокусные выпуклое и вогнутое цилиндрические зеркала, плоское зеркало с отверстиями, отличающийся тем, что дополнительно установлены перпендикулярно друг к другу два плоских зеркала, линия пересечения которых расположена в плоскости, параллельной плоскости плоского зеркала с отверстиями, и наклонена под углом 45^o к образующим цилиндрических зеркал, а ее проекция на плоское зеркало с отверстиями делит одно из отверстий пополам.