РЕЗОНАТОР Российский патент 1994 года по МПК H01S3/81 

Изобретение относится к электродинамике, лазерной оптике и может быть использовано, например, в волноводных лазерах с селективной накачкой.

Известны резонаторы складной геометрии, применяющиеся для увеличения длины взаимодействия мод с активной средой без значительного роста габаритов [1]. Они состоят из расположенных параллельно друг другу отрезков волноводов и электродинамически связывающей их системы поворотных зеркал. Потери на связь между волноводами довольно велики и пропорциональны длине волны в степени 3/2, что ограничивает диапазон длин волн и набор активных сред для генерации в таких резонаторах.

Наиболее близким к заявляемому является резонатор складной геометрии, предложенной в [2], в котором волноводы расположены под углом, а связь между ними осуществляется одним зеркалом, являющимся квадратичным фазовым корректором. При расстоянии между зеркалом и торцами волноводов, равном L = π W_о²/λ , и радиусом кривизны зеркала R = 2L, где λ - длина волны, W_o = 0,6435a, а - радиус волноводов, потери на связь для волноводной моды ЕН₁₁ минимальны. Они значительно меньше, чем в резонаторе, описанном выше. Однако сохраняется зависимость потерь от длины волны за счет расположения волноводов под углом увеличиваются поперечные размеры устройства, оптимизация относится только к симметричной относительно поворотного зеркала схеме резонатора и для одной моды ЕН₁₁.

Целью изобретения является уменьшение потерь энергии при одновременном уменьшении габаритов и расширении рабочего диапазона длин волн.

Для этого в резонаторе, содержащем отражатели и секцию складной геометрии из двух волноводов, сопряженных посредством оптической системы, включающей зеркало, выполненное в виде квадратичного фазового корректора с фокусным расстоянием f₁, оптическая система сопряжения волноводов содержит, по крайней мере, еще одно зеркало, выполненное в виде квадратичного фазового корректора с фокусным расстоянием f₂, причем величины f₁ и f₂ удовлетворяют следующим соотношениям:
A_n < f_n < , (1)
F - L < g, (2)
+ - F < l , (3) где n = 1, 2; F = f₁ + f₂; g = ; l = где L - расстояние вдоль оптической оси резонатора между квадратичными фазовыми корректорами;
L₁, L₂ - расстояния вдоль оптической оси резонатора между первым, вторым квадратичным фазовым корректором соответственно и торцом соответствующего волновода 1, 2;
А₁, А₂ - радиусы окружностей, которые могут быть описаны около поперечных сечений волноводов 1, 2 соответственно;
d₁ = 2a₁, d2 = 2a₂ - диаметры окружностей, которые можно вписать в поперечные сечения волноводов 1, 2 соответственно;
r₁, r₂ - радиусы окружностей, которые можно вписать в раскрывы апертур первого, второго квадратичных фазовых корректоров;
λ_max, λ_min - максимальная и минимальная длины волн рабочего диапазона резонатора.

Цель достигается также тем, что оптическая система сопряжения волноводов содержит по крайней мере еще одно плоское поворотное зеркало.

В таком резонаторе уменьшаются потери на связь и расширяется рабочий диапазон длин волн, для которых эти потери малы и не зависят от длины волны. Указанные выше отличия позволяют сделать вывод о соответствии предложенного технического решения критериям изобретения "новизна" и "существенные отличия".

На фиг. 1 приведено схематическое изображение резонаторов; на фиг.2 - схематическое изображение субмиллиметрового лазера с накачкой излучением СО₂-лазера с предложенным резонатором.

Резонатор содержит волноводы 1, 2, систему оптического сопряжения волноводов, состоящую из двух квадратичных фазовых корректоров 3, 4 и поворотного плоского зеркала 5, отражателей 6, 7, расположенных на различных участках вдоль оптической оси 8 резонатора.

Рассмотрим распространение пучка излучения из 1 в 2. Пусть на торце 1, обращенном к системе сопряжения волноводов, распределение комплексной амплитуды поля u₁ (x₁,y₁). Тогда, пренебрегая виньетированием зеркал системы сопряжения волноводов и, используя дифракционную формулу Френеля - Кирхгофа для описания распространения поля между апертурами зеркал и волноводов, в результате преобразований получим выражение для комплексной амплитуды поля на входном торце волновода 2 в следующем виде:
U₂(x₂,y₂) ≈ U₁(x₁,y₁)exp - ×
2(x₁x+y₁y)+ ++ x²+y × (4) где α₁= , α₂= , γ₁= , γ₂= , l₁+l₂=L
х, у - координаты апертуры зеркала 5;
х₁, у₁, х₂, у₂ - координаты торцов волноводов 1 и 2, обращенных к фазовым корректорам 3 и 4 соответственно;
l₁, l₂ - расстояния по оптической оси 8 резонатора между фазовыми корректорами 3, 4, соответственно, и поворотным зеркалом 5. Знак приближенного равенства поставлен, так как (4) получено в пренебрежении всеми квартичными формами, составленными из величин γ_i и α_i, что оправдано, учитывая последующие ограничения на линейные формы из этих величин, послужившие основой для выбора соотношений (2), (3), позволяющих реализовать цель изобретения.

Полагая в (4)
+ ≪ 1 (5) получим значение внутреннего интеграла в виде
+ + , где δ - дельта-функция Дирака, исходя из свойства фильтрации которой найдем из (4)
U₂(x₂,y₂) ≈ exp- +α₁x22

+y U- x₂, - y (6) Из (6) видно, что при
+α₁ ≪ 1 (7) распределение комплексной амплитуды на входе волновода 2 будет с точностью до масштабного множителя и поворота на π повторять это распределение на выходе волновода 1. Тогда, если размеры волноводов будут связаны этим же масштабным множителем, электромагнитная связь между волноводами будет осуществляться без потерь.

Выражение (7) послужило основой для соотношения (2), а (5) - для (3). Соотношение (1) получено из условия параболической апроксимации при рассмотрении прохождения поля между раскрывами волноводов и квадратичными фазовыми корректорами (левая часть соотношения) и условия отсутствия влияния виньетирования при взаимодействии этих волноводов с корректорами. Соблюдение этих условий необходимо для справедливости выражения (4).

Были проведены испытания работоспособности предложенного резонатора в газовом лазере субмиллиметрового диапазона с накачкой СО₂-лазером (см. фиг. 2).

Резонатор субмиллиметровой ячейки помещен в герметизированную камеру 9 длиной 500 мм и диаметром 90 мм, наполненную газовой активной средой. Камера имеет окно из поваренной соли 10 для ввода излучения накачки 11, установленное под углом Брюстера, и окно из кристаллического кварца 12 для ввода субмиллиметрового пучка 13.

Отражатели резонатора 6 и 7 имеют плоские поверхности с центральными отверстиями с диаметрами 1, 7 и 4 мм, соответственно. Через отверстия инжектируется излучение накачки и выводятся субмиллиметровые волны, соответственно. Система сопряжения волноводов образована квадратичными фазовыми корректорами 3, 4, имеющими радиус кривизны 160 мм и диаметр апертуры 42 мм, и плоским квадратным зеркалом 5. Сторона апертуры последнего 20 мм. Волноводы резонатора 1, 2 выполнены из медных труб. Они имеют внутренний диаметр 20 мм и длину 400 мм.

Излучение накачки от перестраиваемого по колебательно-вращательным переходам СО₂-лазера инжектируется в субмиллиметровую ячейку с помощью фокусирующего зеркала 14. В зависимости от активной среды, заполняющей ячейку, наблюдалась генерация на различных длинах волн в диапазоне 0,07-1 мм. На линиях 70, 51; 118, 83; 393, 63; 570, 56; 742, 57; 919, 93 мкм выходная мощность составляла соответственно 12; 29; 9; 2; 1,5 мВт. Это совпадает с выходной мощностью лазера с резонатором линейной геометрии, имеющего в два раза больше габаритные размеры, чем предлагаемый.

Было проведено сравнение потерь энергии излучения (длина волны 570,56 мкм) в двух состыкованных соосно волноводах с потерями в передающем тракте, состоящем из этих волноводов, сопряженных посредством оптической системы, как показано на фиг.2. Разность указанных величин, представляющий потери, вносимые оптической системой сопряжения, не зафиксирована при погрешности измерений 0,2 дБ. Для сравнения исследовался передающий тракт, состоящий из двух соосно расположенных волноводов, разделенных участком свободного пространства длиной 40 мм, что с точностью до тепловых потерь в зеркалах эквивалентно тракту, содержащему оптическую систему сопряжения из двух плоских зеркал 1. Потери энергии, вносимые участком свободного пространства, составляли 1,3 дБ.

Сущность изобретения: резонатор содержит отражатель и секцию складной геометрии из двух волноводов, сопряженных посредством оптической системы, включающей по крайней мере два зеркала. Зеркала оптической системы выполнены в виде квадратичных фазовых корректоров. Расстояния между самими корректорами, между корректорами и торцами волноводов, размеры поперечных сечений волноводов, максимальная и минимальная длины волн рабочего диапазона выбираются из условия выполнения определенных соотношений. Кроме того, резонатор может содержать еще по крайней мере одно плоское зеркало. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. РЕЗОНАТОР, содержащий отражатель и секцию складной геометрии из двух волноводов, сопряженных посредством оптической системы, включающей зеркало, выполненное в виде квадратичного фазового корректора с фокусным расстоянием f₁, отличающийся тем, что, с целью уменьшения потерь энергии при одновременном уменьшении габаритов и расширении рабочего диапазона длин волн, оптическая система сопряжения волноводов содержит по крайней мере еще одно зеркало, выполненное в виде квадратичного фазового корректора с фокусным расстоянием f₂, причем величины f₁ и f₂удовлетворяют следующим соотношениям:
A_n < f_n <
F-L < g
+ - F < l,
где n = 1, 2;
F = f₁ + f₂;
g =
l =
L - расстояние вдоль оптической оси резонатора между квадратичными фазовыми корректорами;
L₁, L₂ - расстояния вдоль оптической оси резонатора соответственно между первым, вторым квадратичными фазовыми корректорами и ближайшим торцом соответствующего волновода;
A₁, A₂ - радиусы окружностей, которые могут быть описаны вокруг поперечных сечений первого и второго волноводов соответственно;
d₁= 2_a1 , d₂= 2_a2 - диаметры окружностей, которые могут быть вписаны в поперечные сечения первого и второго волноводов соответственно;
r₁, r₂ - радиусы окружностей, которые могут быть вписаны в раскрывы апертур первого и второго квадратичных фазовых корректоров соответственно;
λ_max , λ_min - максимальная и минимальная длины волн рабочего диапазона резонатора соответственно. 2. Резонатор по п.1, отличающийся тем, что квадратичные фазовые корректоры сопряжены по крайней мере посредством одного плоского поворотного зеркала.