НЕУСТОЙЧИВЫЙ МНОГОПРОХОДНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ РЕЗОНАТОР Российский патент 1995 года по МПК H01S3/08 

Изобретение относится к лазерной технике и предназначено для лазеров, геометрия активной среды которых требует применения многопроходных схем. К таким относятся, в частности, многие технологические СО₂-лазеры.

Аналогом предлагаемой схемы может служить применяемый в большинстве быстропроточных СО₂-лазеров многопроходный устойчивый резонатор [1]. Недостатками такого резонатора являются высокая чувствительность к разъюстировкам зеркал и большая расходимость ввиду многомодового характера генерации. Одномодовой же генерации можно добиться, вводя внутрирезонаторные диафрагмы и наращивая длину резонатора. При этом теряется не менее половины мощности многомодового режима и увеличивается за счет возрастания длины чувствительность к разъюстировкам.

Широкое применение в лазерах большой и средней мощности нашли легко обеспечивающие одномодовый режим генерации неустойчивые резонаторы. В качестве прототипа предлагаемой схемы выбран многопроходный телескопический НР, одно из оконечных зеркал которого выпуклое, а другое - вогнутое [2].

Недостатком данной схемы является высокая чувствительность к разъюстировкам зеркал. Кроме того, у подавляющего большинства многопроходных резонаторов числа Френеля невелики (порядка 2-3), а в этом диапазоне параметров энергетическая эффективность неустойчивых резонаторов заметно уступает таковой для устойчивых резонаторов.

Целью изобретения является уменьшение чувствительности к разъюстировкам и повышение энергетической эффективности многопроходного резонатора.

Цель достигается тем, что в известном резонаторе в качестве оконечных использованы вогнутые зеркала, а в качестве промежуточных (их число выбирается четным) - зеркала с радиусами кривизны длиннофокусного оконечного зеркала, установленные софокусно друг с другом и оконечными зеркалами.

На фиг. 1 показана схема предложенного резонатора с двумя промежуточными зеркалами и один полный период соответствующей ему эквивалентной линзовой линии.

Схема содержит длиннофокусное оконечное вогнутое зеркало 1, промежуточные зеркала 2, 3, короткофокусное оконечное вогнутое зеркало 4. Поскольку все зеркала резонатора установлены софокусно, ход лучей в резонаторе таков, что исключает чрезмерную концентрацию энергии на каком-либо из зеркал: на каждом из них оба встречных пучка имеют максимальное поперечное сечение.

Элементы 3, 2, 1, 2 эквивалентной линии образуют оптическую систему с нулевой эффективной длиной, осуществляющую тождественный перенос пучка из плоскости I на плоскость II. Таким образом, предлагаемый резонатор имеет ту же длину, что и "короткий" резонатор того же увеличения, изображенный на фиг. 2, и эквивалентен ему. Только при четном числе промежуточных зеркал имеет место указанная эквивалентность.

Среди неустойчивых резонаторов наименьшей чувствительностью к разъюстировкам зеркал и другим аберрациям нечетных порядков обладает неустойчивый резонатор на фиг.2 и, следовательно, эквивалентный ему резонатор на фиг.1. Причиной малой чувствительности таких резонаторов к аберрациям нечетных порядков является переворачивание пучка на каждом обходе резонатора. Это одна из причин уменьшения чувствительности к разъюстировкам предлагаемого резонатора по сравнению с прототипом. Второй причиной является уменьшение эффективной длины резонатора. В силу этого предлагаемый резонатор даже менее чувствителен к разъюстировкам, чем неустойчивый резонатор из двух выпуклых зеркал того же увеличения и той же физической длины. Третьей - уменьшение по сравнению с прототипом кривизны оконечных зеркал.

Непосредственное применение резонатора, изображенного на фиг.2, в многопроходном варианте невозможно ввиду большой длины узкого участка пучка вблизи точки фокусировки. В результате на одном или сразу двух промежуточных плоских зеркалах концентрация энергии оказывается слишком большой. Следствием этого является высокий уровень термодеформаций зеркал и снижение срока их службы. Предлагаемый резонатор лишен этого недостатка, поскольку ход лучей в нем таков, что исключает чрезмерную концентрацию энергии на каком-либо из зеркал: на каждом из них оба встречных пучка имеют максимальное поперечное сечение.

Уменьшение чувствительности к разъюстировкам приводит к уменьшению смещения оптической оси резонатора. Стабильность же положения оси является чрезвычайно важным параметром, поскольку определяет стабильность мощности излучения и стабильность положения оси диаграммы направленности.

Уменьшение эффективной длины многопроходного резонатора приводит к увеличению числа Френеля, что в свою очередь приводит в неустойчивом резонаторе к генерации излучения с более равномерным по поперечному сечению распределением интенсивности излучения (в этом можно убедиться, выполнив численные расчеты в дифракционном приближении). Помимо этого увеличение числа Френеля вызывает уменьшение доли энергии, содержащейся в дифракционных "хвостах" распределения интенсивности, которые обычно теряются на промежуточных диафрагмах, электродах и т.п. Два последних обстоятельства и обеспечивают повышение энергетической эффективности предлагаемого резонатора по сравнению с прототипом.

Примером реализации устройства является лазер, выполненный на базе лазерной технологической установки ХЕБР-IА. Штатный резонатор этого лазера - многопроходовый устойчивый с двумя промежуточными зеркалами. Не изменяя посадочных мест, были установлены зеркала, соответствующие предлагаемой схеме. Суммарные потери на излучение выбирались равными потерям штатного резонатора и составляли ≈75%. В эксперименте наблюдалась одномодовая генерация с мощностью около 800 Вт (80% от мощности многомодового режима), что почти в два раза выше мощности одномодовой генерации в устойчивом резонаторе. Отсутствие высокой концентрации энергии на промежуточных зеркалах позволяет рассчитывать на долгий срок их нормального функционирования. Эксплуатация лазера с предложенной схемой показала, что отпала необходимость в периодической подъюстировке резонатора в течение смены, что в свою очередь свидетельствует об уменьшении чувствительности к разъюстировкам.

Использование: резонатор относится к лазерной технике и предназначен для лазеров, геометрия активной среды которых требует применения многопроходных схем. Сущность изобретения: резонатор состоит из двух оконечных вогнутых зеркал и четного числа промежуточных зеркал. В качестве промежуточных зеркал использованы зеркала с радиусами кривизны длиннофокусного оконечного зеркала, установленные софокусно друг с другом и оконечными зеркалами. При этом понижение концентрации энергии на промежуточных зеркалах достигается за счет софокусной установки всех зеркал; уменьшение чувствительности к разъюстировкам - за счет уменьшения эффективной длины резонатора, которое приводит к увеличению числа Френеля, следовательно, к повышению энергетической эффективности. 2 ил.

НЕУСТОЙЧИВЫЙ МНОГОПРОХОДНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ РЕЗОНАТОР, состоящий из двух оконечных и четного числа промежуточных зеркал, отличающийся тем, что в качестве оконечных использованы вогнутые зеркала, а в качестве промежуточных - зеркала с радиусами кривизны длиннофокусного оконечного зеркала, установленные софокусно друг с другом и оконечными зеркалами.