ПРОТОЧНЫЙ ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР С УСТОЙЧИВО-НЕУСТОЙЧИВЫМ РЕЗОНАТОРОМ Российский патент 1997 года по МПК H01S3/08 

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано при создании высокомощных лазеров с высоким качеством излучения.

Известен проточный газовый лазер с устойчиво неустойчивым резонатором [1] Лазер представляет собой камеру возбуждения, вытянутую вдоль потока активной среды и оптический резонатор, ось которого перпендикулярна потоку. Образованный отражающими зеркалами резонатор является устойчивым в плоскости, перпендикулярной потоку, и неустойчивым в плоскости, параллельной потоку. Выходное излучение имеет вид двух противоположных в плоскости неустойчивости пятен, причем ось резонатора проходит между ними.

При разъюстировке резонатора в плоскости неустойчивости, его ось приближается к краю одного из пятен; оно уменьшается в размере и интенсивности и результате остается один выходной пучек.

Описанный выше лазер с устойчиво-неусточивым резонатором обладает следующими свойствами:
1. Все зеркала лазера являются полностью отражающими, и, следовательно, выходная мощность может быть достаточно большой.

2. Выходное излучение имеет компактное сечение.

3. Если в устойчивой плоскости резонатора является одномодовым с помощью диафрагмы или из-за ограниченных размеров зеркал, то излучение имеет очень высокое качество.

4. Излучение почти полностью заполняет камеру возбуждения и поэтому такой лазер имеет высокий КПД.

Однако, описанный выше лазер имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что размер каустики в устойчивости плоскости для реальных лазеров весьма мал, так для длины волны λ 10, бмкм, L 1м расстояние между зеркалами, размер моды d 10 мм, и поэтому либо приходится использовать камер возбуждения с малым сечением и, следовательно, уменьшать мощности лазера, либо применять многомодовый в устойчивой плоскости устойчиво-неустойчивый резонатор. В этом случае резко ухудшается качество излучения. Таким образом, имеется техническое противоречие между высоким качество излучения и высокой выходной мощности лазера.

С целью устранения указанного противоречия в работе [2] предложен лазер, включающий устойчиво-неустойчивый резонатор, котором использованы торроидальные зеркала, которые позволяют реализовать в плоскости устойчивости так называемый выпукло-вогнутый устойчивый резонатор, а в плоскости неустойчивости, параллельной направлению движения потока, неустойчивый резонатор. Этот лазер выбран за прототипом. Пример реализации такого лазера приведен в работе [3] для 5-киловаттного СО2 лазера. Там использовалась схема, в которой одно из зеркал является вогнутым в обоих плоскостях, но с разными радиусами кривизны Rx3

и Ry3 а другое зеркало является выпуклым в обоих плоскостях, но тоже с разными радиусами кривизны Rx4 и Ry4 Если Ry3 и Ry4 близки по абсолютной величине, но противоположны по знаку и удовлетворяют условию устойчивости, т.е.

то размер каустики основной моды возрастает и, следовательно, возрастает предельный размер камеры возбуждения для одномодового режима или, в противном случае, уменьшается число мод в многомодовом случае.

Однако прототип имеет существенные недостатки:
1. В нем используются очень дорогие и требующие больших трудозатрат при изготовлении зеркала с торроидальной поверхностью.

2. Одновременно с возрастанием размера основной моды в торроидальном резонаторе резко увеличивается чувствительность оси излучения к небольшим разъюстировкам зеркал. Так, в выше приведенном примере чувствительность К, т. е. отношение углового смещения оси излучения к угловой разъюстировке зеркала равно 64, при размере основной моды всего 18 мм. Дальнейшее увеличение основной моды за счет сближения радиусов кривизны Ry3

и Ry4 приводит к еще большему увеличению чувствительности, и поэтому лазеры с такими резонаторами практически малопригодны для промышленного использования.

Задачами, решаемыми предлагаемым изобретением являются:
1. Обеспечение компактного одномодового излучения в широкоапертурной камере возбуждения.

2. Удешевление конструкции за счет отказа от использования торроидиальных зеркал.

3. Повышение стабильности юстировки резонатора.

Вышеуказанные задачи решаются за счет того, что проточный газовый лазер содержит вытянутую вдоль потока газовой смеси камеру возбуждения, оптический резонатор, ось которого проходит поперек направления потока газовой смеси, являющийся устойчивым и неустойчивым в двух взаимноперпендикулярных плоскостях, при этом плоскость, в которой резонатор является неустойчивым, наклонена по отношению к направлению потока газовой смеси, причем каустика резонатора пересекает почти все сечение потока.

Проточный газовый лазер, согласно изобретению, устроен следующим образом (фиг. 1). Он содержит поток газа 1, разрядную камеру 2, резонатор, образованный зеркалами 3 и 4. Плоскость неустойчивости резонатора наклонена под углом θ > arcsin h/b, где
b размер каустики резонатора в плоскости неустойчивости.

h ширина канала камеры возбуждения.

Поскольку весь возбужденный газ проходит через каустику резонатора при любом размере каустики устойчивости, то этим обеспечивается высокая эффективность резонатора при любых, как угодно больших, зазорах канала камеры возбуждения. В то же время на размер луча внутри резонатора в плоскости устойчивости теперь нет ограничений, поэтому можно использовать, например, плоско-выпуклый устойчивый резонатор, а следовательно, зеркало 3 - цилиндрическим выпуклым, а зеркало 4 сферическим.

В вышеописанном лазере выводимое излучение имеет вид двух пятен, причем в плоскости устойчивости имеет вид гауссоиды, а в плоскости неустойчивости либо имеет прямоугольное, либо близкое к треугольному, распределение.

Очевидно, что в случае протяженной по потоку газовой смеси камеры возбуждения возможно применение складчатого многопроходного резонатора (фиг. 2). В случае принудительно разъюстированного резонатора по мере отклонения одного из зеркал в плоскости неустойчивости ось резонатора смешается, размер и интенсивность одного из пятен растут, а второго падают. В этом случае мы имеем устойчиво-неустойчивый резонатор с односторонним выводом излучения (фиг. 7).

Для практики является важным, чтобы выходное излучение из лазера имело плоский волновой фронт.

Это реализуется в случае, когда резонатор лазера в плоскости неустойчивости является конфокальным, т.е. положения фокальных точек концевых зеркал совпадают. При этом возможны два случая. Первый случай реализуется, когда общий фокус находится вне резонатора (фиг. 4), так называемая "положительная ветвь" неустойчивого резонатора. Во втором случае, "отрицательная ветвь" неустойчивого резонатора общий фокус между концевыми зеркалами внутри резонатора (фиг. 5, 6).

Вывод излучения в таком резонаторе можно осуществить двумя способами: во-первых, с помощью зеркала 3 в виде полоски, вытянутой в устойчивости, причем основная мода в устойчивой плоскости выделяется с помощью диафрагмы 6 (фиг. 3а); во-вторых, с помощью выводного зеркала 5, имеющего прямоугольное отверстие (фиг. 3b), причем в плоскости ширина отверстия определяется из соотношения b 1,5 d_0,86,
где
d_0,86 диаметр устойчивого резонатора по уровню 0,86 интенсивности, а в плоскости неустойчивости

где D размер каустики пучка в плоскости неустойчивости.

Можно так подобрать стороны прямоугольника b и d_н, чтоб измерение, выходящее из лазера с односторонним выходом имело бы равные размеры в обоих плоскостях:
d_н (М 1) 1,5 d_0,861 / L²
Для плоско-выгнутого устойчивого резонатора размер пучка на плоском зеркале равен:

Коэффициент увеличения для конфокального резонатора:

Поэтому:

Пример реализации изобретения. В проточном газовом лазере мощностью 5 кВт был реализован устойчиво-неустойчивый 5 проходный резонатор, описанный выше. При этом угол θ 90 град. L 6,5 м, D 50 мм, R₄ 26, R₃ (цилиндр) 13м, причем образующая цилиндра была ориентирована параллельно потоку газа. Размер ограничивающей диафрагмы в устойчивой плоскости составлял 18 мм, а размер зеркала в неустойчивой плоскости был равен 20 мм. При этом коэффициент увеличения М в плоскости неустойчивости равен В случае двухстороннего выхода излучения получены два пучка гауссового вида в плоскости потока и прямоугольной формы поперек потока (фиг. 1, сеч. А А), а при разъюстировке резонатора в неустойчивой плоскости реализовался односторонний вывод излучения с апертурой 20 х 18 мм. При этом внутри резонатора его каустика составляла 40 мм и почти полностью перекрывала поток активного газа. Измерения распределения мощности в дальней зоне, т.е. в фокусе линзы, показали, что коэффициент качества такого пучка, т.е. отношение расходимости к дифракционной, был близок к 1.

Чувствительность лазера к разъюстировке, определения по формуле раздела 5 работы [3] для нашего примера равна 4, т.е. в 15 раз меньше, чем в прототипе.

Следующим усовершенствованием изобретения является выполнение устойчиво-неустойчивого резонатора в описанном выше лазере самофильтрующимся в плоскости неустойчивости. Схема самофильтрующегося устойчиво-неустойчивого резонатора приведена (фиг. 3d). Здесь зеркало 3 является вогнутым в плоскости неустойчивости и плоским в плоскости, зеркало 4 сферическим вогнутым.

Условие конфокальности:
Ширина щели d и фокусное расстояние связаны соотношением так, что при отражении от зеркала 3 через щель зеркала 5 проходит лишь первый максимум дифракционной картины пучка. В этом случае щель в зеркале 5 отфильтрует абберации пучка и к зеркалу 4, а затем на выход направится пучок излучения с распределением интенсивности близким к гауссовым за исключением своей центральной части.

Отметим замечательное свойство такого устойчиво-неустойчивого самофильтрующегося резонатора: полные потери на проход в нем намного меньше, чем в обычном самофильтрующемся неустойчивом резонаторе и определяются формулой:
Пример реализации изобретения по последнему пункту формулы:
Длина резонатора:
L 6 м
F₃ 1 м R₃ 2 • F₃ 2 м
F₄ 5 м R₄ 2 • F₄ 10 м
Ширина щели составляет:

Полные потери составят
При этом выходное излучение имеет форму эллипса с отношением осей 55/18 3 и вырезанной плоской шириной 14 мм.

С помощью цилиндрических зеркал, образующих телескоп с коэффициентом уменьшения 3 в плоскости неустойчивости, пучок с эллиптическим сечением легко преобразовать в пучок с круговым сечением. При этом ширина щели также уменьшится в 3 раза и станет менее 5 мм.

Изобретение может быть использовано при создании высокомощных лазеров с высоким качеством излучения. Проточный газовый лазер содержит вытянутую вдоль потока газовой смеси камеру возбуждения, оптический резонатор, являющимся устойчивым и неустойчивым в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, ось которого проходит поперек направления потока газовой смеси. При этом плоскость, в которой резонатор является неустойчивым, наклонена по отношению к направлению потока газовой смеси, причем каустика резонатора пересекает почти все сечение потока. 7 з. п. ф-лы, 7 ил.

1. Проточный газовый лазер с устойчиво-неустойчивым резонатором, содержащий вытянутую вдоль потока газовой смеси камеру возбуждения, оптический резонатор, являющийся соответственно устойчивым и неустойчивым в двух взаимно перпендикудярных плоскостях, проходящих через оптическую ось, поперечную потоку, отличающийся тем, что плоскость, в которой резонатор является неустойчивым, наклонена по отношению к направлению потока, причем каустика резонатора пересекает почти все сечение потока. 2. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что в устойчивой плоскости резонатор лазера является одномодовым. 3. Лазер по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что угол между направлением потока и плоскостью неустойчивости резонатора равен 90^o. 4. Лазер по пп. 1 3, отличающийся тем, что его резонатор в плоскости неустойчивости является конфокальным. 5. Лазер по пп. 1 4, отличающийся тем, что резонатор выполнен многопроходным. 6. Лазер по пп. 1 5, отличающийся тем, что резонатор в нем съюстирован в плоскости неустойчивости так, что его ось проходит вблизи края потока газовой смеси, а вывод излучения является односторонним. 7. Лазер по пп. 2 4, отличающийся тем, что резонатор содержит по крайней мере одно цилиндрическое и одно сферическое зеркала, ориентированные так, что образуют в устойчивой плоскости плосковогнутый устойчивый резонатор, а в неустойчивой плоскости телескопический неустойчивый резонатор. 8. Лазер по пп. 1 5 и 7, отличающийся тем, что в нем резонатор выполнен в плоскости неустойчивости самофильтрующимся.