ЛАЗЕР Российский патент 1997 года по МПК H01S3/02 

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в качестве генератора электромагнитного излучения оптического диапазона.

Известен лазер, состоящий из пластины, сделанной из Nd YAG, грани которой вырезаны под таким углом, что лазерный пучок испытывает полное внутреннее отражение на них, а в качестве выходного зеркала используется боковая грань с многослойным диэлектрическим покрытием [1]
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому лазеру является выбранный в качестве прототипа многопозиционный ОКГ, содержащий активную среду в форме прямой прямоугольной призмы и вращающийся отражатель, который выполнен в виде прямой четырехугольной призмы [2] Вращающийся выходной отражатель смещен на постоянное расстояние в направлении оси вращения так, что биссектрисы прямых углов отражателя и активной среды, образованные отражающими гранями, находится в параллельных плоскостях. В известном ОКГ происходит модуляция добротности резонатора с помощью вращающегося отражателя. Как только модулятор займет положение, в котором добротность резонатора будет максимальна, на выходе устройства возникает генерируемое им электромагнитное излучение. Активный элемент лазера устанавливается при помощи посадочных поясков, а теплоотвод от него производится путем непосредственного контакта теплоносителя с теплоотводящими гранями и основаниями призмы.

Недостаток указанного устройства заключается в том, что плотность мощности излучаемого лазерного луча ограничена. Действительно, так как размеры ортогональных отражателей модулятора и активной среды равны, соответственно, x, 3x, 2x, 2x, где x общая мера указанных отражателей, то усиление электромагнитной волны происходит только за счет четырехкратного обхода его объема 2V, где V объем активной среды, а площадь поперечного сечения лазерного луча не может быть меньше S/2, где S площадь поперечного сечения активной среды. Поэтому плотность мощности лазерного луча на выходе устройства будет ограничена величиной где P мощность луча за один проход через активную среду длиной l.

Недостаток этого устройства обусловлен большими диссипативными потерями, которые возникают за счет неизбежного поглощения и рассеяния электромагнитной волны на пропускающих гранях модулятора и активной среды, расположенных параллельно напротив друг друга. В результате одного циклического обхода резонатора, лазерный луч десять раз пересечет упомянутые грани, что значительно уменьшит его добротность, а следовательно, и плотность мощности излучения.

В предложенном лазере активная среда имеет форму двенацатиугольной прямой призмы. Она содержит первую и седьмую отражающие грани со сторонами оснований, равными mx, и ортогональные им вторую и восьмую отражающие грани со сторонами оснований, равными (m 1)х где x общая мера упомянутых сторон, а m целое число.

Эти грани обеспечивают оптическую связь для образования (2m 1) проходов электромагнитной волны в активной среде. Выходное зеркало лазера расположено перед двенадцатой пропускающей гранью, которая выполнена между первой отражающей гранью и первым посадочным пояском. Непрозрачное зеркало лазера устанавливается перед шестой пропускающей гранью, которая как и двенадцатая имеет длину основания, равную , выполненной между вторым посадочным пояском и седьмой отражающей гранью. Для образования оптической связи между зеркалами пятая и одиннадцатая отражающие грани ориентированы под углом (90-θ)^o к третьей и девятой теплоотводящими граням, которые в свою очередь выполнены под углом (180-2θ)^o к четвертой и десятой теплоотводящим граням, причем θ ≥ arcsin n₁₂, где n₁₂ относительный показатель преломления активной среды. Двенадцатая и шестая пропускающие грани параллельны третьей и девятой теплоотводящим граням. Четвертая теплоотводящая грань расположена между третьей теплоотводящей и пятой отражающей гранями и параллельна десятой теплоотводящей грани, которая в свою очередь выполнена между девятой теплоотводящей и одиннадцатой отражающей гранями. Так как основания пятой и одиннадцатой отражающих граней равны , то циклический проход волны в резонаторе будет выполнен в объеме, который равен трем объемам активной среды, а длины оптических проходов волны увеличатся в 1,5 раза. В результате возникшая электромагнитная волна в активной среде будет многократно (4m + 2) пересекать объем, расположенный между посадочными поясками, образуя при помощи зеркал периодическую бильярдную траекторию. Следовательно, длина пути, на котором происходит усиление электромагнитной волны может быть представлена в виде L (6m + 3)i, где L длина активной среды, а площадь сечения лазерного луча будет равна S/2m+1, где S сечение активной среды. Так как мощность, излучаемая активными частицами, растет с ростом времени взаимодействия с полем резонатора, то плотность мощности луча за один циклический проход будет равна

Величина W₁ значительно превосходит плотность мощности W прототипа. Это обеспечивает увеличение плотности мощности генерируемого устройство излучения.

На чертеже представлено графическое изображение лазера.

Лазер, представленный на чертеже, содержит выходное зеркало 1, активную среду 2, первую отражающую грань 3, вторую отражающую грань 4, первый посадочный поясок 5, третью теплоотводящую грань 6, четвертую теплоотводящую грань 7, пятую отражающую грань 8, второй посадочный поясок 9, шестую пропускающую грань 10, седьмую отражающую грань 11, восьмую отражающую грань 12, девятую теплоотводящую грань 13, десятую теплоотводящую грань 14, одиннадцатую отражающую грань 15, двенадцатую пропускающую грань 16, непрозрачное зеркало 17. Каждый из углов между гранями 6 и 7, 13 и 14 равен (180-2θ)^o, а между гранями 6 и 8, 13 и 15 (90-θ)^o. Первая отражающая 3 параллельна седьмой отражающей грани 11. Вторая отражающая грань 4 параллельна восьмой отражающей грани 12 и перпендикулярна граням 3 и 11. Грани 3 и 4, 11 и 12 образуют прямые двугранные углы, которые расположены напротив друг друга, а их биссектрисы параллельны. Грани 6, 7 и 8 параллельны, соответственно, граням 13, 14 и 15 и расположены последовательно между первым посадочным пояском 5 и вторым посадочным пояском 9. Двенадцатая пропускающая грань 16 расположена между гранью 3 и пояском 5, а шестая пропускающая грань 10 между гранью 11 и пояском 9. Выходное зеркало 1 установлено перед гранью 16, а непрозрачное зеркало 17 перед гранью 10. Эти зеркала съюстированы так, что их оси симметрии ортогональны биссектрисам прямых двугранных углов. Размеры оснований граней 3, 4, 16 равны, соответственно, mx, (m + 1)x, , где m целое число, x общая мера оснований граней 3 и 4. Аналогичные размеры имеют грани 11, 12, 10. Отражающие грани 8 и 15 имеют основания, равные , где θ ≥ arcsin n₁₂, а n₁₂ относительный показатель преломления активной среды 2. Стороны теплоотводящих граней 6 и 13 параллельны биссектрисам прямых двугранных углов.

Если использовать в качестве активной среды 2 неодимовое стекло с абсолютным показателем преломления 1,33, то угол θ ≈ 60^° будет удовлетворять неравенству θ > arcsin n₁₂. Поэтому грани 6 и 7, 13 и 14 будут ориентированы под углом 60^o, а грани 8 и 6, 15 и 13 под углом 30^o. Предположим, что электромагнитная волна распространяется в направлении от выходного зеркала 1 вдоль оси симметрии грани 16. Так как на всех отражающих гранях активной среды 2 выполняется условие полного внутреннего отражения, то посредством последовательного отражения при помощи граней 4, 15, 8, 11, 12, 8, 15, 3 волна совершит два прохода через активную среду и возвратится на грань 4. Поскольку для конфигурации активной среды, представленной на чертеже, m 3, то волной будет совершено семь проходов и она достигнет непрозрачное зеркало 17 через грань 10, отразившись от грани 12. Далее электромагнитная волна направляется зеркалом 17 обратно на выходное зеркало 1 устройства, обеспечивающее вместе с зеркалом 17 положительную обратную связь. Таким образом, за циклический обход волна совершит 14 проходов через активную среду. Размеры электромагнитного поля в поперечном направлении будут иметь форму пропускающей грани 16 с размером основания . Если предположить, что активная среда имеет сечение S, то лазерный луч будет иметь сечение S/7. Кроме того, в представленном лазере длина пути, которую проходит луч в активной среде, будет в 1,5 раза больше, так как циклический обход будет выполнен в объеме, который равен трем объемам активной среды. Поэтому плотность мощности будет определяться выражением W ≈ 147Pl/S.

Отсюда следует, что плотность мощности, генерируемая представленным лазером за циклический обход в резонаторе, будет приблизительно в восемнадцать раз больше плотности по прототипу. Плотность мощности излучения можно значительно увеличить путем уменьшения общей меры x. Действительно, выбирая x такое, что m 10, лазерный луч совершит за циклический обход 42 прохода. Так как сечение лазерного пучка теперь будет S/2l, то плотность мощности генерируемая лазером, будет выше в 165 раз.

В представленном лазере будет значительно более низкий порог возбуждения генерируемого излучения. Это связано с тем, что в этом резонаторе за один циклический обход, содержащий (4m + 2) прохода, волной будет совершено только четыре прохода через пропускающие грани 10 и 16, на которых происходят диссипативные потери.

Использование: изобретение относится к лазерной технике. Сущность: устройство содержит активную среду, выходное и непрозрачное зеркала. Параллельные первая и седьмая отражающие грани активной среды ортогональны второй и восьмой отражающим граням. Выходное зеркало расположено перед двенадцатой пропускающей гранью, которая выполнена между первой отражающей гранью и первым посадочным пояском. Непрозрачное зеркало расположено перед шестой пропускающей гранью, которая выполнена между седьмой отражающей гранью и вторым посадочным пояском. Третья и четвертая теплоотводящие грани расположены перед одиннадцатой отражающей гранью, а девятая и десятая теплоотводящие грани - перед пятой отражающей гранью. Шестая и двенадцатая пропускающие грани параллельны третьей и девятой теплоотводящим граням. Основания первой и седьмой отражающих граней равны mx, второй и восьмой - (m + 1)x, а шестой и двенадцатой , где m - целое число, а x - общая мера оснований указанных отражающих граней. Третья и девятая грани ориентированы под углом (180-2θ)^o к четвертой и десятой граням и под углом (90-θ)^o к пятой и одиннадцатой граням, где q > arcsin n₁₂, а n₁₂ - относительный показатель преломления активной среды. 1 ил.

Лазер с активной средой, выполненной в форме прямой призмы, которая содержит посадочные пояски, теплоотводящие, пропускающие и ортогональные отражающие грани, причем стороны оснований теплоотводящих граней параллельны биссектрисам прямых углов, образованных отражающими гранями, отличающийся тем, что активная среда выполнена в виде двенадцатиугольной прямой призмы, которая содержит первую и седьмую отражающие грани со стороны оснований, равными mx, и ортогональные им вторую и восьмую отражающие грани со сторонами оснований, равными (m+1)x, где x общая мера указанных сторон, m целое число, а расположенные перед выходным зеркалом, между первой отражающей гранью и последовательно выполненными, первым посадочным пояском, одиннадцатой отражающей, десятой и девятой теплоотводящими гранями, двенадцатая и перед непрозрачным зеркалом, между седьмой отражающей гранью и последовательно выполненными, вторым посадочным пояском, пятой отражающей, четвертой и третьей теплоотводящими гранями, шестая пропускающие грани имеют размеры оснований, равные и параллельны третьей и девятой теплоотводящим граням, которые ориентированы под углом 180 - 2θ к четвертой и десятой теплоотводящим граням и под углом 90 - θ к пятой и одиннадцатой отражающим граням, имеющие основания длиной причем θ ≥ arcsin n₁₂, где n_1 2 относительный показатель преломления активной среды.