УСТОЙЧИВЫЙ РЕЗОНАТОР ЛАЗЕРА Российский патент 1996 года по МПК H01S3/08 

Изобретение относится к области квантовой электроники, в частности лазеров с малым и умеренным коэффициентом усиления активной среды, и может быть использовано в широкоапертурных лазерных системах для улучшения их энергетических, угловых и спектральных характеристик излучения для целей лазерных технологий.

Известно, что технологические применения лазеров предъявляют особые требования к качеству лазерного излучения. Увеличение мощности излучения достигается счет увеличения объема активной среды, в частности ее поперечной апертуры. Угловые и спектральные характеристики излучения определяются ее модовым составом. Для улучшения угловых характеристик требуется селектировать осевую (нижнюю) поперечную моду резонатора (т.н. одномодовый режим), а для сужения спектра часто необходимо выделять одну продольную моду (т.н. одночастотный режим). Для широкоапертурных лазеров проблема модовой селекции имеет особое значение, поскольку без принятия специальных мер качество излучения низкое.

Широкоапертурным считается (см. [1]) лазер с поперечным размером активной среды (радиуса а), существенно большим размера осевого пятна осевой моды обычного резонатора w_o

где λ длина волны света, L длина резонатора.

Условие (1) означает, что для данной апертуры (2а) активной среды в устойчивом резонаторе разумной длины (обычно рассматривается конфокальный) дифракционные потери малы для большого числа поперечных мод и соответственно без принятия специальных мер генерация лазера будет многомодовой.

Традиционный способ селекции осевой моды, заключающийся во внесении дополнительных дифракционных потерь для высших мод с помощью диафрагмы в устойчивый резонатор, достаточно эффективен в случае малых сечений активной среды . Однако для широкоапертурных лазеров при таком способе используется только небольшая приосевая область активной среды, что приводит к низкой энергетической эффективности одномодовой генерации в сравнении с многомодовой.

Поэтому в широкоапертурных лазерах для лучшего заполнения активной среды светом применяются различные резонаторные устройства, расширяющие световой пучок, так чтобы дифракционных потерь на границах среды было достаточно для дискриминации высших мод и получения одномодовой генерации. В средах с высоким усилением эффективное подавление высших мод осуществляется с помощью резонатора с высоким уровнем дифракционных потерь, например, неустойчивых. Однако при малых и умеренных коэффициентах усиления активной среды (характерных, например, для газовых лазеров) такие резонаторы имеют низкую энергетическую эффективность.

Известно устройство т. н. "телескопический" резонатор (ТР), содержащее активный элемент, плоское и сферическое зеркала и расширитель пучка в виде внутрирезонаторной линзы либо системы сферических зеркал, позволяющее увеличить размер пучка в одном из плеч резонатора при достаточно низком уровне дифракционных потерь. Трех- и четырехзеркальные ТР широко применяются в газовых лазерах (см. например, [2, 3]). Для сохранения разумной длины резонатора в них используются короткофокусные зеркала с радиусом кривизны r<L (r≈10 см). Это условие приводит к нежелательным последствиям:
1) область существования одномодового режима генерации ТР при изменении длины короткого плеча резонатора ограничена величиной порядка 1 мм (а область его оптимальной настройки еще меньше), что приводит к сложности юстировки телескопической системы и критичности ее к воздействию внешних возмущений,
2) размер светового пучка в узком плече резонатора очень мал, что приводит к увеличению световой нагрузки на зеркала и, как следствие, невозможности использования ТР в мощных системах,
3) наблюдается значительный астигматизм светового пятна.

Другим существенным недостатком указанного устройства является большое количество оптических поверхностей, увеличивающих потери на поглощение и рассеяние, что приводит к ухудшению энергетических характеристик одномодовой генерации на слабых линиях.

Кроме того, известно устройство плоско-вогнутого резонатора (ПВР) лазера [4] содержащее внутрирезонаторные элементы, плоское зеркало и сферическое вогнутое зеркало с большим радиусом кривизны R>L, так что размер светового пятна осевой моды на зеркалах примерно одинаков и равен
Для эффективного заполнения апертуры среды a одномодовым излучением необходимо выполнение условия

т. е. при увеличении апертуры среды необходимо увеличивать радиус кривизны зеркала как четвертую степень размера среды. Столь сильная зависимость приводит к тому, что уже при для L=2 м, λ=0,5 мкм радиус кривизны зеркала, необходимый для эффективного заполнения апертуры, равен
, т.е. резонатор близок к плоскому, что практически трудноосуществимо, и, кроме того, селективные свойства резонатора, близкого к плоско-плоскому, очень низкие.

Указанное устройство обладает существенными недостатками, вытекающими из вышесказанного:
1) ограниченность области применения небольшими апертурами среды;
2) незначительная разница в дифракционных потерях осевой и высших мод, что затрудняет применение ПВР в средах с умеренным и большим усилением;
3) высокие технологические требования к точности изготовления длиннофокусного сферического зеркала;
4) высокая критичность юстировки зеркал;
5) чувствительность к внешним воздействиям, таким как вибрации и т.д.

6) чувствительность, вплоть до срыва генерации или потери одномодового режима, при внесении внутрь резонатора дополнительных элементов, особенно в мощных лазерах, когда в элементах возникает тепловая линза.

Кроме того, для спектральной селекции (одночастотного режима генерации) в ПВР используется эталон Фабри-Перо, вводимый в резонатор между активным элементом и плоским зеркалом. Частотная селекция достигается за счет наклона эталона, что вносит дополнительные потери на отражение от его поверхностей.

Известно устройство [5] являющееся прототипом предлагаемого изобретения, в котором торцы активного элемента (стержень твердотельного лазера) выполнены в виде сферических поверхностей, центр кривизны каждой из которых расположен на противоположном торце, т.е. резонатор, образованный поверхностями торцов, имеет устойчивую конфокальную конфигурацию. Селекция мод низшего порядка достигается тем, что одна из торцовых поверхностей обладает высокой отражающей способностью по всей площади, тогда как другая имеет низкую отражательную способность за исключением относительно небольшой площадки вблизи оси стержня. В описании также указывается на возможность модовой селекции в случае, если торцы стержня выполнены в выпукло-вогнутой концентрической конфигурации. Т. е. центры кривизны торцовых сферических поверхностей находятся за пределами стержня и совпадают. При этом радиусы кривизны сравнимы с длиной стержня, что приводит к конусообразной форме светового пучка. Для улучшения заполнения активной среды светом сам стержень выполняется в виде усеченного конуса с вершиной, совпадающей с центром кривизны торцовых поверхностей.

Далее, для общности рассуждений, будем рассматривать несовмещенные активный элемент и зеркало. Описанная конфигурация концентрического выпукло-вогнутого резонатора (КР) соответствует его границе устойчивости и по сути близка к плоско-плоской. В отличие от ПВР, данный резонатор проще технологически и может применяться для лазеров с большим коэффициентом усиления среды (например, твердотельных). Однако для лазеров с умеренным и малым коэффициентом усиления КР имеет практически те же недостатки:
1. низкая селективность дифракционных потерь для мод разного порядка;
2. большая абсолютная величина дифракционных потерь и, как следствие, низкая эффективность одномодовой генерации по отношению к многомодовой;
3. высокая критичность юстировки зеркал;
4. чувствительность к внешним воздействиям;
5. чувствительность режима генерации к внесению внутрь резонатора дополнительных элементов.

Кроме того, разрядные трубки газовых лазеров имеют обычно цилиндрическую форму и выполнение их в виде конуса практически невозможно. В противном случае, без специального оговоренного соотношения радиусов кривизны зеркал и радиуса трубки а конусность светового пучка КР может быть существенной и приводить к низкой степени заполнения среды и существенно большей световой нагрузке на одно из зеркал.

Задачей, решаемой данным изобретением, является повышение эффективности модовой селекции в широкоапертурных лазерах, уменьшение световой нагрузки на зеркала, упрощение изготовления и настройки элементов, снижение чувствительности к внешним возмущениям, в т.ч. к внесению дополнительных элементов.

Поставленная задача решается за счет того, что в резонаторе лазера, содержащем выпуклое и вогнутое зеркала, расположенные на расстоянии L в конфигурации, близкой к концентрической, с активной средой между ними (как правило, цилиндрической формы с радиусом поперечного сечения а) радиусы кривизны зеркал R₁ и R₂ выбираются равными или соизмеримыми между собой и находящимися в следующем соотношении с поперечным размером активной среды и длиной резонатора:
R₂≥ R₁~a²/λ, R_1,2≫L
а центры кривизны зеркал не совпадают и расположены на расстоянии ΔL=L-(R₂-R₁), 0<ΔL≅ L.
Кроме того, один из внутрирезонаторных элементов эталон Фабри-Перо - установлен перпендикулярно оси системы (в нулевом порядке).

При внесении необходимых элементов в резонатор (эталон, модулятор, cavity dumper и т.п.) для уменьшения потерь на поверхностях их форма по возможности выбирается сферической, с конфигурацией, близкой к концентрической, с зеркалами резонатора (далее будем называть такой резонатор, близкий к концентрическому, БКР.

Материал и толщина внутрирезонаторных элементов выбираются таким образом, чтобы скомпенсировать влияние линзовых эффектов в них, а при невозможности компенсация производится путем изменения расстояния между зеркалами, либо радиуса кривизны одного из зеркал в ту или иную сторону в зависимости от знака линзы.

При внесении эталона со сферическими поверхностями для частотной селекции он располагается у вогнутого либо выпуклого зеркала, а при использовании плоского эталона Фабри-Перо он располагается между активным элементом и вогнутым зеркалом. В обоих случаях обеспечивается эффективная частотная селекция в "нулевом" порядке (без наклона эталона).

Заявителю не известны устройства с конфигурацией поверхностей оптических элементов (включая резонаторные), близкой к концентрической, а также резонаторы с эталоном Фабри-Перо, работающим в нулевом порядке, без наклона. Таким образом предлагаемое изобретение является новым и обладает изобретательским уровнем.

На фиг. 1, 2 приведена структурная схема предлагаемого устройства, на фиг. 3 график зависимости мощности аргонового лазера от расстояния между зеркалами, поясняющий работу устройства.

Предлагаемое устройство (фиг. 1) содержит выпуклое зеркало 1, вогнутое зеркало 2, активный элемент 3, внутрирезонаторный элемент(ы) (фиг. 2) в положении 4 или 4', в конкретном случае эталон Фабри-Перо 5, закрепленные стандартным образом в арматуре лазера.

Устройство работает следующим образом.

Устойчивый резонатор с выпуклым 1 и вогнутым 2 зеркалами формирует расширяющуюся часть гауссова пучка (фиг. 1). Размер перетяжки пучка осевой моды w_o, находящейся за пределами резонатора, может быть много меньше поперечного размера а активной среды 3
w_o ≪ a (4)
однако размеры световых пятен на зеркалах w₁ и w₂ сравнимы с а, если радиусы кривизны зеркал R₁ и R₂ достаточно велики
R_1,2>l, L (5)
где l, L длина активной среды и резонатора (обычно L≈l).

Для согласования волновых фронтов на зеркалах конфигурация зеркал должна быть близка к концентрической
R₂ ≃ R₁+L (6)
однако точная концентрическая конфигурация соответствует границе устойчивости со всеми вытекающими недостатками, для их устранения необходима небольшая отстройка в устойчивую область.

ΔL=L-ΔR>0, ΔL≫R_1,2 (7)
где ΔR=R₂-R₁
Расчет размеров пятен на зеркалах w_1,2 в гауссовом приближении дает следующий результат
(8)
В случае равных радиусов R₁=R₂≃ R,, когда ΔR=0,, ΔL=L (cм. (7)), получим
(9)
Отсюда нетрудно убедиться, что размеры пятен на зеркалах примерно одинаковы (L<R) и равны
(10)
т.е. эффективное заполнение достигается при радиусе кривизны
(11)
что в раз меньше, чем у [3]
С ростом апертуры среды это отношение резко увеличивается и достигает при характерных параметрах широкоапертурных лазеров (L ≃ 2 м,, a ≃ 0,5 см; λ ≃ 0,5 мкм) величины
N ≃ 25
а соответствующее значение радиуса кривизны R ≃ 20 м (полученное из условия ).

Различие световых пятен на зеркалах, приводящее к продольной неоднородности заполнения среды, составляет при этом
(13)
что не представляет проблемы, в отличие от прототипа.

Если радиусы кривизны зеркал различны (ΔR>0), в формулах (8) появляется резкая зависимость от отстройки ΔL, обращающая размеры пятен в бесконечность на границе устойчивости (ΔL=0), т.е. появляется дополнительная возможность уменьшить радиус кривизны зеркал при сохранении эффективности селекции на заданной апертуре среды. Так, для ΔR/ΔL=3, ΔR, ΔL≪R_1,2 необходимый радиус кривизны уменьшится еще в 2 раза (т.е. R_1,2≈10 м для вышеуказанных параметров) без существенного изменения продольной неоднородности по сравнению с (13):
(14)
Таким образом предлагаемый выпукло-вогнутый резонатор (БКР), в отличие от прототипа, осуществляет эффективное модовое заполнение в широком диапазоне апертур активной среды. Путем подбора величин ΔR и ΔL, требуемый радиус кривизны зеркал не увеличивается с апертурой и сохраняется на уровне 10 20 м, что оптимально с точки зрения технической простоты и юстировки зеркал.

Другое важное преимущество предлагаемой конструкции состоит в том, что путем небольшой отстройки (ΔL или ΔR) в устойчивую область без изменения эффективности можно добиться устойчивой генерации, не чувствительной к внешним возмущениям. В отличие от многозеркального ТР предлагаемый двухзеркальный БКР прост в настройке и обеспечивает малую световую нагрузку на зеркала.

При внесении дополнительных элементов в резонатор может возникать тепловая линза (особенно в мощных лазерах), которая изменяет параметры резонатора. Если в устройстве прототипа этот эффект практически невозможно скомпенсировать, то в предлагаемом решении достаточно незначительного изменения ΔL или ΔR..

Потери на поверхности внутрирезонаторных оптических элементов могут быть уменьшены путем придания им концентрической формы. При этом, в отличие от прототипа, когда местоположение внутрирезонаторных элементов жестко привязано к определенному месту (обычно у плоского зеркала), в предлагаемом решении элементы можно располагать как у выпуклого, так и у вогнутого зеркала, сохраняя минимальные потери на поверхностях.

Конкретный пример БКР с концентрическим эталоном приведен на фиг. 2. Поскольку толщина эталона 4 обычно мала, d<L, его поверхности имеют близкий радиус кривизны R₃ ≃ R₄. Для того, чтобы эталон работал в нулевом порядке, необходимо, чтобы дополнительный резонатор между R₂ и R₄ был неустойчивым (или близок к нему), т.е.

(15)
Концентрический эталон, согласованный с БКР, не вносит потерь из-за несоответствия геометрической формы поверхностей волнового фронта и эталона и может располагаться как с той, так и с другой стороны активного элемента 3.

Кроме того, обычный плоский эталон Фабри-Перо 5, помещенный в БКР между вогнутым зеркалом 2 и активным элементом 3, будет также обладать селектирующими свойствами в "нулевом" порядке, поскольку дополнительный резонатор эталон-выпуклое зеркало является в данном случае неустойчивым, в отличие от прототипа. В определенных случаях плоский эталон может быть более технологичен, чем концентрический, и, несмотря на большие по сравнению с последним потери на поверхности, за счет лучшего качества изготовления может обеспечивать лучшую эффективность частотной селекции.

Для проверки продолженного устройства для селекции мод был реализован БКР для аргонового лазера со следующими параметрами
a=0,35 см
l=1м
R₁=8 м, R₂=10 м, L ≃ 2 м
λ=0,488 мкм; 0,514 мкм (16)
Для устранения влияния внутрирезонаторных элементов (окон Брюстера и т. п.) применялось вакуумное крепление зеркал. Результат представлен на фиг. 3. При изменении отстройки DL от 0 (точная концентрическая конфигурация) до 0,6 м (т.е. ) мощность одномодовой генерации растет, достигая 80% уровня многомодовой генерации, что примерно соответствует геометрическому заполнению. При ΔL ≥ 0,6 м в генерацию выходят и высшие моды. Полученная эффективность преобразования более чем в 2 раза выше, чем у ТР [2, 3] и ПВР [4] в аналогичных условиях. Кроме того, эффективное преобразование (P_о.м./P_м.м. > 50% ) было впервые реализовано на слабых ультрафиолетовых линиях аргонового лазера (λ=0,351;; 0,364 мм) с помощью рассматриваемого БКР. Таким образом, продемонстрировано экспериментальное подтверждение предложенного решения задачи.

Использование. Резонатор лазера относится к квантовой электронике, в частности к лазерам с малым и умеренным коэффициентом усиления активной среды. Он может быть использован в широкоапертурных лазерных системах для улучшения их энергетических, угловых и спектральных характеристик излучения. Сущность изобретения. Резонатор содержит два зеркала и внутрирезонаторные элементы; при этом первое зеркало выполнено в виде выпуклой сферы с радиусом, соизмеримым с радиусом второго, вогнутого зеркала, при взаимном их расположении, близком к концентрическому. Оптические поверхности и расположение внутрирезонаторных элементов также имеют конфигурацию, близкую к концентрической, а один из внутрирезонаторных элементов - эталон Фабри-Перо - установлен перпендикулярно оси, в нулевом порядке. 3 ил.

Устойчивый резонатор лазера, содержащий выпуклое и вогнутое зеркала с активной средой между ними, расположенные в конфигурации, близкой к концентрической, отличающийся тем, что расстояние между зеркалами L, а также радиусы кривизны выпуклого R<Mv>1<D и вогнутого R₂ зеркал удовлетворяют следующим соотношениям:
L = R₂-R₁+ΔL,ΔL,L≪R_1,2,

где L расстояние между центрами кривизны зеркал;
R_1 , 2 радиус поперечного сечения активной среды,
при этом в резонаторе дополнительно размещены оптические внутрирезонаторные элементы и/или внутрирезонаторный элемент плоский эталон Фабри-Перо, рабочие поверхности элементов выполняются в конфигурации, близкой к концентрической, с поверхностями зеркал резонатора, а эталон Фабри-Перо в рабочем положении установлен перпендикулярно оптической оси резонатора.