РЕЗОНАТОР Российский патент 1994 года по МПК H01S3/08 

Изобретение относится к квантовой радиофизике, лазерной оптике и физике СВЧ. Оно может быть использовано при разработке лазеров, например, для технологии, медицины, радиолокации; при конструировании СВЧ полупроводниковых квазиоптических генераторов; в производстве ГДИ миллиметрового диапазона.

Для многих применений необходимым является заданная форма пространственного распределения одномодового выходного пучка, отличающаяся от известных распределений мод квазиоптических резонаторов. Например, часто требуется равномерное распределение амплитуды поля на выходном зеркале резонатора или в заданной плоскости вне резонатора.

Известно устройство для формирования распределения интенсивности по сечению лазерного луча [1]. Устройство представляет собой плоскопараллельный резонатор, содержащий плосковыпуклую линзу. Линза расположена на некотором расстоянии от глухого зеркала резонатора. Нормаль к ее плоской поверхности совпадает с осью резонатора. Радиус кривизны выпуклой поверхности линзы и ее расстояние до глухого зеркала выбраны так, чтобы волновой фронт волны, отраженной от этой поверхности, совпадал с волновым фронтом волны, прошедшей через линзу и отраженной от глухого зеркала. На плоскую поверхность линзы нанесено просветляющее покрытие. Позволяя формировать устойчивое распределение интенсивности по сечению лазерного пучка, устройство не обеспечивает возможности одномодовой генерации типа колебаний с заданным распределением интенсивности.

Частично обеспечивает такую возможность наиболее близкое к заявляемому устройство согласно [2]. Оно представляет собой резонатор, содержащий отражатели, фазовый корректор в виде положительной линзы и селектирующую диафрагму. Радиусы кривизны R поверхности отражателей, фокусное расстояние F фазового корректора и длина 2L резонатора связаны соотношением согласно симметричной оптической схеме обобщенного конфокального резонатора
R = L(2F - L)/(F - L). (1) Применение данного резонатора в лазере позволяет эффективно заполнить активную среду основной модой и добиться высокой выходной мощности в одномодовом режиме. Однако, при этом не обеспечивается заданное распределение поля возбуждаемого типа колебаний.

Целью изобретения является обеспечение одномодового режима возбуждения типа колебаний с заданным распределением поля на одном из отражателей или в заданной плоскости вне резонатора. Достигается поставленная цель тем, что в резонаторе, содержащем отражатели, сопряженные посредством фазового корректора с фокусным расстоянием F по оптической схеме обобщенного конфокального резонатора, один из отражателей выполнен с дискретно расположенными поглощающими или рассеивающими неоднородностями, размещенными в плоскости (х₁, у₁), в областях координат, содержащих нулевые значения функции
f(x₁,y₁)= U(x₂,y₂)exp{-2iπ(x₁x₂+y₁y₂)/ [λ(L₁+L₂-L₁L₂/F)] }dx₂dy₂,
где А - поверхность раскрыва отражателя, на котором задается функция распределения поля U(x₂,y₂); L₁, L₂ - расстояния от отражателей до фазового корректора; λ - длина волны излучения из рабочего диапазона резонатора.

На фиг. 1, 2 приведены схемы обобщенного конфокального резонатора, содержащего круглые отражатели 1, 2 и линзу или зеркало 3 в качестве фазового корректора. Описывая формирование собственных мод такого резонатора в квазиоптическом приближении и используя аппарат Фурье-оптики, получим систему интегральных уравнений относительно функций распределения поля U_(n)(S_n) в виде
α(n)U_(n)(S_n) = B{R_m(S_m)U(_m)(S_m)}/[ λ (L₁ +
+ L₂ - L₁L₂/F)], (3) где S = x, y; n = 1, 2; m = 3 - n - нумеруют отражатели; R_m(S_m) - относительный коэффициент отражения соответствующего отражателя, учитывающий также конечность его размеров; постоянные α (n) симметризуют уравнения, физический смысл имеет произведение α₍₁₎ α₍₂₎, модуль и аргумент которого равны коэффициенту уменьшения амплитуды и дополнительному к геометрооптическому фазовому набегу волны за время кругового обхода резонатора; В - символ преобразования Фурье-Бесселя с пространственными частотами x_m/λ(L₁ + L₂ - L₁L₂/F), Y_m/λ (L₁ + L₂ - L₁L₂/F). Из (3) видно, что если R_m(S_m) представляет собой функцию, имеющую значения отличные от единицы только в координатах, где U_(m)(S_m) близка к нулю, решениями уравнения будут функции, являющиеся взаимными Фурье-преобразованиями. С другой стороны, моды, у которых в указанных координатах амплитуда имеет конечную величину, будут иметь значительные потери, делающие невозможной генерацию на них.

Изобретение иллюстрируется следующим примером выполнения резонатора с возможностью одномодового возбуждения типа колебаний с равномерным распределением амплитуды на отражателе 1 вида
U₍₁₎(r₁) = circ(r₁/a). (4) Резонатор выберем простейшей обобщенной конфокальной геометрии: F = L₁ = L₂, R₁ = R₂ ->>∞ . Фурье-преобразование функции (4) с точностью до постоянного множителя имеет вид
U₍₂₎(r₂) = J₁(ρ )/ρ , (5) где ρ = 2 π r₂a/λ F, J₁ - функция Бесселя первого рода первого порядка;
r₁, r₂ - цилиндрические координаты отражателей.

Расположим поглощающие элементы в отражателе 2 в координатах
r₂ = λ F ν_1g/2 π a, (6) где g = 1, 2, 3, ..., ν_1g - корни функции J₁. Решая уравнение (3) для такого резонатора найдем реально возбуждаемые моды.

На фиг. 3 приведены амплитудные распределения искомой моды для параметров резонатора а2/λ L = 4, d/a = 0,06, d - ширина поглотителей. Нормированная абсолютная средняя мера различия полученной функции от заданной выражением (4) составляет 7%. Потери энергии за круговой проход заданной моды 7,8% . Следующие по добротности три моды имеют потери 36,8; 37; 39%. Таким образом, показана возможность одномодового возбуждения типа колебаний с заданной формой распределения амплитуды, применяя новые признаки согласно изобретению. Дополнительным положительным эффектом от использования предполагаемого изобретения является увеличение объема взаимодействия возбуждаемой моды с активной средой, при расположении последней между зеркалом 1 и фазовым корректором.

Сущность изобретения: для обеспечения одномодового режима возбуждения типа колебаний с заданным распределением поля на одном из отражателей или в заданной плоскости вне резонатора, один из отражателей выполняется с дискретно расположенными поглощающими или рассеивающими неоднородностями, расположенными в областях координат, в которых обращается в нуль Фурье - преобразование функции, характеризующей заданное распределение поля. 3 ил.

РЕЗОНАТОР, содержащий отражатели, сопряженные посредством фазового корректора с фокусным расстоянием F по оптической схеме обобщенного конфокального резонатора, отличающийся тем, что, с целью обеспечения одномодового режима возбуждения типа колебаний с заданным распределением поля на одном из отражателей или в заданной плоскости вне резонатора, один из отражателей выполнен с дискретно расположенными поглощающими или рассеивающими неоднородностями, размещенными в плоскости (x₁,y₁) в областях координат, содержащих нулевые значения функции
f(x₁,y₁)= U(x₂,y₂) exp dx₂dy₂
где A - поверхность раскрыва отражателя, на котором задается функция распределения поля U (x₂, y₂);
L₁, L₂ - расстояния от отражателей до фазового корректора;
λ - длина волны излучения из рабочего диапазона резонатора.